羽毛球拍杆软硬度的测试方法研究

林青 王猛 田联军

(1.南京林业大学体育部 江苏南京 210037; 2.南京林业大学机械电子工程学院 江苏南京 210037)

羽毛球运动是一项全身运动的体育项目,运动量可以根据个人的年龄、性别、体质、运动水平和场地环境的特点而定。长期进行羽毛球锻炼,可以使参与者心肺功能增强,神经反应加快,肌肉协调性提高,力量和速度素质进一步提升。不仅于此,羽毛球运动的趣味性和观赏性也是有目共睹的。因此羽毛球运动在我国乃至世界,受到越来越多人的热爱与追捧。目前,在国内和国际比赛中使用的羽毛球拍品牌主要有YONEX、VICTOR、OLIVER、李宁等。随着羽毛球运动的蓬勃发展,人们对羽毛球拍的性能特点日益重视。一般认为羽毛球拍的性能与其结构尺寸、材料、工艺等因素密切相关。在羽毛球拍的性能指标中,软硬度是评价球拍性能的一项重要指标。因此,详细准确了解羽毛球拍杆的软硬度,对于普通消费者和专业运动员具有重要的意义。

羽毛球拍杆的软硬度分为硬、稍硬、适中、稍软、软五个等级[3-4]。软的羽毛球拍杆可以提升击球的深度,节省力量。在球员力量相同的情况下,拍杆越软对深度的控制性越好。然而,拍杆软带来球拍的阻力增大,减震性能降低,不利于对球的方向性控制。相反,硬的羽毛球拍杆其抗扭力性能提高,减震性能好,有利于对球方向性的控制。但是,拍杆越硬,球员在打球时越费力,容易造成手臂疲劳和受伤。因而,羽毛球拍杆偏软适合力量小的,侧重于防守的选手;羽毛球拍杆偏硬适合力量较大,侧重于进攻的选手。在2008年北京奥运会羽毛球比赛中,中国选手林丹使用的球拍为AT700,拍杆硬度为特硬,拍杆结构为高弹性碳素,镍钛合金;韩国选手李龙大使用的球拍为AT800DE,拍杆硬度为硬,拍杆结构为高弹性碳素纤维,镍钛合金。由此可以看出前者侧重于进攻,后者属于攻防兼备型。因此,生产厂家或国家检验部门在检测羽毛球拍时,如何用力学概念标明拍杆软硬度,以及如何用现代测试手段准确测定拍杆软硬度显得尤为重要。

图1 拍杆弹性试验

图2 力学模型

图3 羽毛球拍简化模型

1 弹性测试法测定拍杆的软硬度

由现行的《中国人民共和国轻工行业标准——羽毛球拍》(QB/T2770-2006)可知[5],测定羽毛球拍杆的软硬度方法为:将拍杆架在跨度l=230mm的两支点上,纪录中心点的高度H,在拍杆中心处施加静压力P(如图1所示)。优等品P=300N ,一等品P=250N。测量并纪录拍杆受力点的高度H1,然后撤去静压力,测量并纪录拍杆受力点的高度H2。

H——中心点的高度,单位为毫米(mm);

H1——受静压力P时拍杆受力点高度,单位为毫米(mm);

H2——卸去静压力P后拍杆受力点高度,单位为毫米(mm)。

拍杆加压下垂115～120mm为硬;120～125mm为稍硬;125～130mm为适中;130～135mm为稍软;135～140mm为软,作为羽毛球软硬度判定标准。

以上测试方案有诸多不足,一是软硬度涉及羽毛球拍杆的结构尺寸、材料、形状等因素;二是挠度测试法中,羽毛球拍杆的变形难以测准;三是现行测试方法涉及羽毛球拍杆的大挠度变形问题,等等。

2 随机振动法确定拍杆的软硬度

本文通过将羽毛球拍杆简化成一个弹性元件,设计成单自由度的弹簧质量系统,其简化模型如图2所示。用振动试验法实测系统的固有频率,运用振动力学和材料力学理论推导出羽毛球拍杆的抗弯刚度公式,从而计算出抗弯刚度值[2]。

由材料力学知,等截面简支梁中点作用一载荷P,其力学简化模型如图3所示。

则梁中点的静挠度为

由公式(3),可得羽毛球拍杆的刚度系数为

由振动力学知[1],单自由度的弹簧质量系统的固有频率 f

则羽毛球拍杆的动刚度系数为

将公式(4)、(6)联立,得羽毛球拍杆的抗弯刚度公式

因此,由公式(7)可知,只要测出弹簧质量系统的固有频率,就可以计算出羽毛球拍杆的抗弯刚度EI。由公式(3)可知羽毛球拍杆的抗弯刚度EI反比于拍杆的变形挠度。抗弯刚度越大,羽毛球拍杆挠度越小,拍杆越硬;抗弯刚度越小,则拍杆的挠度越大,拍杆越软。与现行弹性测试法相比,用抗弯刚度来标定羽毛球拍杆的软硬度,更加的科学、精确。

3 语结

本文首先叙述了羽毛球拍杆的软硬度对球拍使用性能的影响,然后分析了现行羽毛球拍杆的软硬度测量方案的不足。本文主要运用振动力学和材料力学理论推导出羽毛球拍杆的抗弯刚度公式;采用振动试验法测出羽毛球拍杆的固有频率,利用公式(7)可计算出拍杆的抗弯刚度值;提出以抗弯刚度来标定羽毛球拍杆的软硬度,可将其值直接在成品羽毛球拍杆上标出,供专业运动员及体育爱好者选择。此方案科学、简单、准确,建议作为羽毛球拍生产和检验的行业标准。

[1]扈英超.线性振动[M].北京:高等教育出版社,1983.

[2]贾民平,张洪亭,周剑英.测试技术[M].北京:高等教育出版社,2001.

[3]林青,金强.羽毛球拍质量及性能评价指标[J].中国体育运动材料与装备,2010,24(1):28-29.

[4]朱其跃.羽毛球运动对改善社交焦虑人群现状的作用[J].科技信息,2011,24(1):837.

[5]中华人民共和国轻工行业标准——羽毛球拍(QB/T2770-2006)[S].