科学传播

科普新闻

两个字,让棒球为我飞出了光年之外

来源:中科院物理所公众号 | 2022年07月12日

球击中球拍上甜点的感觉,不禁让我唱起:

“球爱我呀我爱球”...


大家在打网球或者羽毛球时有没有感受到

击球点不同时手感上的不同呢?


今天我们的实验就和甜点有关:

(你以为是小蛋糕吗?呵!天真,一天天的就想着吃)




不规范的科普:“甜点”在高尔夫球类运动中是一种专业术语,意为最佳击球位置,其实就反映了杆的重心所在~


实验器材

所标杯、钢尺、支架、橡皮泥(非必需)


实验过程





首先将支架固定好

将横梁放在较低位置

使钢尺下落撞击横梁

可以看到环型支架会向内弹


1.gif


移动横梁到较高位置

钢尺撞击横梁时

环型支架会向外弹


2.gif


将横梁移动到适当位置

距离钢尺底部1/3处

钢尺撞击横梁时

环型支架纹丝不动


3.gif


PS. 大家可以尝试用筷子和积木拼出支架哦~


4.jpeg


原理解说





我们假设绕O点下落的均匀钢尺于A点撞击横梁时角速度为ω,


5.jpeg


此时钢尺的动量为:

6.jpeg


又已知均匀钢尺围绕一端的转动惯量为:

7.jpeg


可得此时的角动量为:

8.jpeg


设OA的长度为a,撞击时横梁对钢尺产生了9.jpeg的冲量,

则横梁对钢尺产生的冲量矩(角冲量)为:  

10.jpeg


实际上在考虑(角)冲量-动量关系时,在端点O处也可能会产生向左或向右的支持力。而这个均匀钢尺的甜点就是能让撞击时O点受到的水平方向的冲量为零的特殊点。


我们联立等式:

11.jpeg

12.jpeg


可以得到:

13.jpeg


即钢尺下方三分之一处的点为甜点


也因此在刚刚的实验中,在横梁位于钢尺下方三分之一的位置时,固定钢尺的架子纹丝不动。顺着这个思路,大家可以思考一下改变横梁的位置A时,O点会受到多大的水平冲量呢?

(提示:以质心为原点计算O、A两个冲量的冲量矩。)


在接下来的实验中,我们通过给钢尺粘上橡皮泥改变了它的质量分布,同时影响到了整个体系的质量密度与转动惯量密度的分布,也便改变了甜点的位置。


14.gif


像高尔夫球杆质量聚集于杆头的部分,甜点就会在杆头的击球区上,而棒球的球棒质量分布相比之下更均匀,因此最佳击球点离棒尾仍有一定距离。


当然咯,实际的最佳击球点还需要考虑球的最大离开速度以及球拍/球棒材质等问题,不过通过质量分布分析出来的甜点是个不错的估计 ~


如果大家在家中没有找到合适的架子或者带孔且质量与形状合适的物体,也可以用筷子或者笔在手上体会体会,尽量只提供旋转来敲打物体,体会敲击点不同时手指受到的不同感觉的力。


 15.gif


学会了这个,以后敲人小脑瓜的时候就更轻松了(手动滑稽)