8月5日，巴黎奧運會羽毛球女單決賽，中國隊選手何冰嬌獲得銀牌。作為一項高強度、短間歇特征的運動，羽毛球風靡全球，得到了人們的廣泛喜愛。
羽毛球運動要求運動員在場上通過各種擊球技術配合下肢移動步法，在接住對手擊球的同時將球回擊至對手不易接住的位置，在競技體育中有著獨特的魅力。
不知道你有沒有想過，頂級奧運選手打出的羽毛球到底有多厲害？他們又是怎么挑戰(zhàn)著人類的極限，把這項運動的魅力發(fā)揮到了極致？
8月4日，中國選手何冰嬌在比賽中。新華社記者 賈浩成 攝
羽毛球：比高鐵還快的球
羽毛球是目前速度快的球類運動，在新的吉尼斯世界紀錄大全的記載中，蘭基雷迪擊出一記 565 公里/小時的羽毛球，成為吉尼斯世界紀錄的保持者。而一般高鐵的速度為 250 公里/小時。
各種球類運動的高運動速度。圖片來源：Physics of ball sports
羽毛球為什么能飛得那么快？主要是因為羽毛球比較輕（重量只有 4.74~5.50 克），并且球拍足夠長（不超過 680mm）。
當運動員在手臂、手腕以及球拍的共同作用下發(fā)力的時候，較輕的重量有利于羽毛球產生更大的加速度，而較長的球拍能夠產生較大的線速度。
但羽毛球場地的長度僅為 13.4 米，若以 400 公里/時的球速計算，羽毛球飛越全場僅需約 0.12 秒，而人眨一次眼睛約需 0.2 秒，如果羽毛球按照初始速度飛行，一眨眼的工夫就已經飛了全場了。
當然實際上羽毛球的速度并不是一成不變的。
世界紀錄所說的羽毛球速度，指的是羽毛球脫離球拍時的速度，而羽毛球在空中的運動只受到空氣阻力和重力的作用，它的速度會逐漸減小，這時我們的眼睛才終于能找得到球了。但這也只是找得到球，離接得到球并順利打回去還有很遠的距離。
同時，羽毛球的羽毛是朝同一時針方向傾斜排布的。為了分析它的受力，我們可以把每一片羽毛看作一個薄板，其在空氣中前進時會受到方向垂直于平面且與速度方向相反的力，如下圖所示：
羽片受力示意。圖片源自：參考文獻[1]
我們發(fā)現，這些力的合力會使得羽毛球整體繞軸線旋轉，當羽毛球以更快的速度行進時，受到的阻力會越大，合力產生的力矩也會隨之增大，使得羽毛球更快旋轉。
如果我們用角速度 Ω 與羽毛軸向半徑 R 相乘，得到羽毛外緣處的線速度，就會發(fā)現其幾乎與行進速度呈線性關系。
羽毛球旋轉線速度與行進速度關系。圖片源自：參考文獻[1]
由圖可知，羽毛球行進速度越快，旋轉速度越快，而這種旋轉有利于羽毛球在飛行時的穩(wěn)定，使得運動員能打出漂亮的擊球軌跡。
頂級羽毛球員：超級計算機+超級機器人
不同的擊球動作（包括高遠球、吊球、網前球、平抽球、扣球等）中，扣殺球無疑是受大家喜愛的，并且在比賽中能夠起到一錘定音的作用。
有研究顯示，男子單打回合的后一次擊球使用扣殺球的頻率為 29.1%±8.4%，而殺球的速度能夠達到 400 公里/時以上，畫面極富力量感與沖擊感。
而在不同的戰(zhàn)術場景中，教練會提出不同的要求，調整擊球的速度和方向，比如在雙打中強調封攻，在單打中強調點殺和劈殺。這一系列戰(zhàn)術，都源自對羽毛球運動軌跡的理解。
不同于網球，羽毛球本身質量較輕，且飛行時受空氣阻力影響較大，其飛行軌跡嚴重偏離拋物線的形狀。羽毛球在空中飛行時，除了受到重力外，還受到大小與速度平方成正比，方向與速度反向的阻力。
羽毛球的具體運動軌跡則由初始速度的大小和方向決定。
有研究提出了羽毛球飛行遵循的運動方程，并做了不同初始速度下羽毛球飛行軌跡的計算值（實線）與實際值（散點）的對比。由圖我們就能理解羽毛球的運動軌跡，也找到了那種明明感覺羽毛球要出界，它卻近似垂直落下來的原因。
M, ρ 和 S 分別是羽毛球的質量、密度和截面積，U是速度的大小，U和g是速度和重力加速度的矢量，而 CD 是與測試條件相關的阻力系數。（來源：參考文獻[1]）
不同初始速度羽毛球軌跡計算值與實際值的對比。圖片來源：參考文獻[1]
可以說，頂級羽毛球運動員的大腦都是一臺精密的計算機，而身體則是一臺精確的機器。在比賽過程中，運動員們通過調整擊球的力度與角度，讓球落到對手難以顧及的地方，而為了防守，運動員們需要不斷進行急停急轉、快速加速和變向運動。
據統(tǒng)計，在 45 分鐘的比賽中，羽毛球運動員要做 300 次以上身體位置調整幅度超過 90 度的動作改變。而這，對運動員們的眼力、應變能力、擊球能力等都提出了極高的要求。
羽毛球比賽并不休閑，需要“超人”一樣的體能
有項研究將世錦賽男單決賽、世界羽聯超級系列賽和非洲羽毛球錦標賽的比賽時間放在一起進行統(tǒng)計分析，發(fā)現羽毛球男單比賽的持續(xù)時間約為 24.5～78.0 分鐘。
同足球（90 分鐘）、籃球（40 或 48 分鐘）相比，實際比賽時間看起來不長，但在這樣短的時間里，羽毛球運動員要完成扣殺、劈殺和突發(fā)性半蹲位起跳、回動、移動等高強度、高速度的動作，幾乎一刻不能停，這對體力的消耗可想而知。
在一場單打比賽中，運動員擊球的次數一般都在數百次乃至上千次以上，而且擊球的速度幾乎是網球比賽中快速的發(fā)球或棒球職業(yè)聯賽中快速的擲球的兩倍。
其中數百次的擊球，需要大幅度揮動胳膊，這大大超過了棒球職業(yè)聯賽中的揮臂次數。
心率可以在直觀反映運動負荷的同時間接推算能量代謝，而肌肉乳酸濃度能夠反應肌肉力量爆發(fā)的強度。通過測量羽毛球運動員的生理參數指標可以發(fā)現，盡管不同的研究存在差異，但運動員的心率至少都在 150 次/分鐘以上，達到 180 次/分鐘的情況也并不罕見。
國外一項基于自 2010 年 1 月到 2022 年 9 月之間的 27 份文獻記錄研究也分析比較了各種持拍類運動的心率及肌肉乳酸濃度，發(fā)現相較于乒乓球運動的心率及肌肉乳酸濃度（103.99(±15.09)bpm和1.2(±0.4)mmol/L），羽毛球運動的心率及肌肉乳酸濃度高達 182.6(±2.7)bpm 和 10.11(±4.99)mmol/L，運動強度可見一斑。
羽毛球單打比賽的能量代謝和生理學參數。圖片來源：參考文獻[2]
下圖是中國國家羽毛球隊的體能測試項目表，你可以對照參考下自己的體能，看看要想和國家隊運動員同臺競技的話，體能差異有多少吧。
中國羽毛球協會國家羽毛球隊入隊體能測試項目及標準（試行）。圖片來源：中國羽毛球協會官方網站
作為一項高技巧、高強度的運動，羽毛球運動員們不僅需要很好的身體素質和技術，比賽中的心理狀態(tài)、戰(zhàn)術安排也發(fā)揮著重要作用。正如圍棋中“提前預判對方意圖，抓住對方的弱點”，由于羽毛球球速過快，場地較小，很難全程用視覺跟進羽毛球，所以對來球幾乎都要進行預判。
只有了解對方的弱點，及時發(fā)現對方的失誤，才有把握去戰(zhàn)勝對方。很多時候，一場精彩的羽毛球比賽，不僅是技術和體能的競賽，也是一場精彩的心理戰(zhàn)，而羽毛球運動員們，也是心理戰(zhàn)的高手。
每一位優(yōu)秀的運動員成績的背后，都是艱苦而不懈的努力，是不斷拼搏的體育精神。這些幕后的鍛煉，和賽場上的競技精神使得他們獲得遠超常人的殊榮。讓我們祝賀我國的羽毛球運動員，為他們點贊！
話說回來，如果我們真的和奧運選手來一場“友誼賽”，想必輸贏已經不重要了吧，畢竟我們也是和奧運選手同臺競技的人呢，四舍五入相當于參加了奧運會了。
參考文獻
[1] Cohen C, Texier B D, Quéré D, et al. The physics of badminton[J]. New Journal of Physics, 2015, 17(6): 063001.
[2] 張儉.羽毛球競技運動特點分析[J].體育世界(學術版),2019,(06):89-90.
[3] 王適嫻,郭振向.羽毛球單打比賽時間結構與能量供應特征的研究綜述及訓練啟示[J].中國體育科技,2023,59(04):3-10.
[4] Cádiz Gallardo MP, Pradas de la Fuente F, Moreno-Azze A, Carrasco Páez L. Physiological demands of racket sports: a systematic review. Front Psychol. 2023 Mar 30;14:1149295.
策劃制作
作者丨李瑱 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 博士
審核丨馮強 國家體育總局體育科學研究所 國民體質與科學健身研究中心 副主任
馬勇 武漢體育學院 教授
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