賽璐珞乒乓球與新型無(wú)縫塑料乒乓球速度和角速度對(duì)比分析

常 鳴，劉 成，桂 蓉

1 前言

速度、力量、弧線、旋轉(zhuǎn)(即角速度)和落點(diǎn)是乒乓球的五大要素。其中速度與角速度是乒乓球五大要素中較為重要的兩個(gè)因素。對(duì)于乒乓球運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，器材的創(chuàng)新與改變會(huì)對(duì)競(jìng)賽產(chǎn)生很多的影響。[1]國(guó)際乒聯(lián)隨著乒乓球運(yùn)動(dòng)的不斷發(fā)展也在不斷完善與合理改變乒乓球的競(jìng)賽規(guī)則?？v觀乒乓球的整個(gè)改革歷史，球體材料、體積和結(jié)構(gòu)的改變對(duì)項(xiàng)目發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。2000年10月，國(guó)際乒聯(lián)對(duì)當(dāng)時(shí)的乒乓球進(jìn)行了改革，將原本38mm的賽璐珞乒乓球的球體直徑增大至40mm。雖然賽璐珞乒乓球具有彈性，耐油、耐水、耐酸等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它又是高熱易燃的材質(zhì)，所以很多國(guó)家都將其列為禁止使用的材料之一。之后針對(duì)賽璐珞乒乓球所存在的安全隱患這一缺點(diǎn)，國(guó)際乒聯(lián)在2011年5月的代表大會(huì)上通過(guò)了在倫敦奧運(yùn)會(huì)之后全面禁用賽璐珞乒乓球的決議。[1]2014年5月落下帷幕的世乒賽中，新型塑料球(即無(wú)縫乒乓球)的首次亮相無(wú)疑也是整屆比賽的亮點(diǎn)之一。新型塑料球的產(chǎn)生使整個(gè)乒乓運(yùn)動(dòng)的發(fā)展開(kāi)啟了新的篇章。新型塑料球的材質(zhì)是一種綠色環(huán)保的材質(zhì)。賽璐珞乒乓球的球體會(huì)有一道連接縫，而新型塑料球采用的是一種全新的工藝，整個(gè)球沒(méi)有連接縫，所以又稱為無(wú)縫塑料乒乓球。新型塑料球與賽璐珞乒乓球除了其材質(zhì)的不同以外，最大的問(wèn)題是直徑的變化，新型塑料球的直徑上調(diào)到40mm～40.6mm。球體體積的增大，材料工藝與直徑的變化也意味著速度、角速度、弧線、落腳點(diǎn)等重要參數(shù)都發(fā)生了改變。

現(xiàn)如今，乒乓球的速度與角速度的爭(zhēng)論依然是最為突出的矛盾。通過(guò)對(duì)一些運(yùn)動(dòng)員、教練員及身邊乒乓球業(yè)余愛(ài)好者的走訪發(fā)現(xiàn)，大部分人認(rèn)為與賽璐珞乒乓球相比，新型塑料球存在速度較慢，角速度較弱的問(wèn)題。但是經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)與實(shí)際情況有時(shí)不一定完全一致，不少問(wèn)題還有待于通過(guò)定量研究來(lái)深入認(rèn)識(shí)。查閱近幾年的相關(guān)文獻(xiàn)不難發(fā)現(xiàn)對(duì)于新型塑料球的相關(guān)研究較多，大多數(shù)的研究較為系統(tǒng)。關(guān)于乒乓球速度、角速度以及其旋轉(zhuǎn)特性的相關(guān)研究，國(guó)內(nèi)乒乓球界從經(jīng)驗(yàn)上和理論上已做出了一些定性分析，獲得了一些規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。部分學(xué)者只是文字性的說(shuō)明了新型乒乓球與賽璐珞乒乓球兩者在速度與角速度方面有差異性。在2014年，有學(xué)者為了更深層次地了解新型塑料球的基本特征，對(duì)其進(jìn)行了速度與角速度的影響測(cè)試。對(duì)新型塑料球的彈跳、落點(diǎn)準(zhǔn)確性、擊球速度與旋轉(zhuǎn)等方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。采用PD- 1型乒乓球動(dòng)態(tài)側(cè)轉(zhuǎn)儀進(jìn)行測(cè)量，并得出了賽璐珞乒乓球與新型塑料球推擋后的平動(dòng)速度與拉前沖弧旋球的轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了差異性分析。[1]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新型塑料球直徑的增大，對(duì)乒乓球角速度的影響大于速度的影響。雖然現(xiàn)有文獻(xiàn)已經(jīng)研究賽璐珞乒乓球和新型塑料球速度與角速度的平均速度與轉(zhuǎn)速，但采用圖像分析的方法將會(huì)使數(shù)據(jù)更精確。

本研究試圖采用SkillSpector運(yùn)動(dòng)分析軟件對(duì)賽璐珞乒乓球與新型塑料球進(jìn)行速度和角速度的實(shí)驗(yàn)與分析，以探索賽璐珞乒乓球與新型塑料球更為精確的速度與角速度的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，為未來(lái)進(jìn)一步研究新型塑料球的性能與技戰(zhàn)術(shù)發(fā)展提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)參考。

2 研究對(duì)象及方法

2.1 研究對(duì)象

賽璐珞乒乓球與新型塑料的球速度與角速度。

2.2 研究方法

2.2.1文獻(xiàn)資料法通過(guò)中北大學(xué)圖書(shū)館、中國(guó)知網(wǎng)等多種途徑查閱了關(guān)于乒乓運(yùn)動(dòng)改革、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等相關(guān)知識(shí)的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，為問(wèn)題的提出提供更多的理論依據(jù)與學(xué)術(shù)研究背景。

2.2.2訪談法對(duì)山西師范大學(xué)體育學(xué)院、中北大學(xué)的小球教研組、山西省長(zhǎng)治市體校男隊(duì)等單位的教練員、運(yùn)動(dòng)員、學(xué)者、教授和乒乓球愛(ài)好者進(jìn)行了訪談，為研究提供更多的認(rèn)知與參考。

2.2.3實(shí)驗(yàn)法在了解乒乓球速度與角速度的理論基礎(chǔ)上，利用設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。讓1名乒乓球一級(jí)運(yùn)動(dòng)員分別使用新型塑料球和賽璐珞乒乓球進(jìn)行推擋和前沖弧旋球的練習(xí)，并運(yùn)用高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，并對(duì)拍攝采集的圖片進(jìn)行選擇與記錄。

2.2.4數(shù)理統(tǒng)計(jì)法運(yùn)用Skill Spector運(yùn)動(dòng)分析軟件和SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)采集到的結(jié)果進(jìn)行分析。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.3.1實(shí)驗(yàn)器材實(shí)驗(yàn)用球：賽璐珞乒乓球與新型塑料球；工具材料：白板筆標(biāo)定后的賽璐珞乒乓球與新型塑料球、標(biāo)準(zhǔn)乒乓球桌1臺(tái)。

2.3.2實(shí)驗(yàn)時(shí)間2016年3月18日～3月19日。

2.3.3實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)中北大學(xué)乒乓球館。

2.3.4儀器設(shè)備

(1)高速相機(jī)：選用MC1362面陣CMOS相機(jī)。分辨率1024×1280PPI；像元尺寸為14μm×14μm；可測(cè)試速度范圍為5m/s～40m/s；角速度范圍：240rad/s～720rad/s；設(shè)置相機(jī)幅率500fps，光圈f4，鏡頭的焦距為70mm，曝光時(shí)間為3 994μs，增益為2。

(2)桌上便攜式IPONG發(fā)球機(jī)：

供球旋轉(zhuǎn)：上旋球：每分鐘55次；下旋球：每分鐘60次。

供球頻率：上旋球：55個(gè)/min；下旋球：40個(gè)/min。

供球落點(diǎn)：定點(diǎn)左半臺(tái)上旋長(zhǎng)球；定點(diǎn)右半臺(tái)下旋長(zhǎng)球。

(3)乒乓球球拍：亞薩卡YASAKA- YEO直板 套膠：39°紅雙喜狂飆3。

(4)輔助照明光源：選取Guang Bao DH- 500鹵素?zé)簟?/p>

(5)校準(zhǔn)框架：一個(gè)長(zhǎng)36cm、寬12cm、高24cm的長(zhǎng)方體作為實(shí)驗(yàn)的校準(zhǔn)框架。

擺設(shè)校準(zhǔn)框架的目的有兩點(diǎn)。第一，為后續(xù)照片的處理的準(zhǔn)確性建立三維坐標(biāo)系；第二，為了減少圖片畸變帶來(lái)的空間位置誤差。

2.3.5實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)1：新型塑料球與賽璐珞乒乓球的擊球速度實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量賽璐珞乒乓球與新型塑料球的平均速度并進(jìn)行對(duì)比，找出兩者之間的差異。

實(shí)驗(yàn)2：新型塑料球與賽璐珞乒乓球的旋轉(zhuǎn)速度實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量賽璐珞乒乓球與新型塑料球的平均轉(zhuǎn)速并進(jìn)行對(duì)比，找出兩者之間的差異。

3 研究結(jié)果與分析

采用發(fā)球機(jī)發(fā)球，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法進(jìn)行操作。校準(zhǔn)框架長(zhǎng)邊和寬邊分別和乒乓球臺(tái)的兩臺(tái)邊緣平行放置，框架最下面平面的中心大概與乒乓球落點(diǎn)的位置重合(如圖1)。乒乓球校準(zhǔn)框架的擺放位置，距離乒乓球臺(tái)邊緣為35cm，兩個(gè)相機(jī)正交擺放，間距為1m，其連線距離校準(zhǔn)框架的中心距離為297cm。之后選取1名一級(jí)水平以上的男子運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行賽璐珞乒乓球和新型塑料球的擊球測(cè)試(受試人員為右手直板)。運(yùn)動(dòng)員采用推擋與前沖弧旋球的方法擊球(為提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，采集球拍區(qū)擊球的樣本進(jìn)行分析)，落在標(biāo)定框內(nèi)的球算一個(gè)數(shù)據(jù)，推擋和前沖弧旋球各采集10顆球的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。利用高速攝像機(jī)和工控機(jī)對(duì)新型塑料球和賽璐珞乒乓球采集到的圖片進(jìn)行選擇采集并記錄(如圖2)，運(yùn)用SkillSpector運(yùn)動(dòng)分析軟件對(duì)采集到的結(jié)果進(jìn)行分析。

為了便于數(shù)據(jù)處理，分別選擇第236幅圖像和第246幅圖像進(jìn)行比對(duì)分析。由以上兩幅圖像可以看出，軟件打開(kāi)圖像視頻界面低欄的右側(cè)分別有X，Y，Z的坐標(biāo)位置。鼠標(biāo)在軟件主界面移動(dòng)的過(guò)程中，底欄的X，Y，Z代表的坐標(biāo)位置也會(huì)相應(yīng)移動(dòng)，而且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們選用的乒乓球均是符合國(guó)際乒乓球聯(lián)合會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的賽璐珞和新型材料球，因而乒乓球的大小是固定的，而軟件界面的分辨率為1280×1024PPI，因此在乒乓球的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，固定大小的乒乓球所占的分辨率的大小是一定的，而坐標(biāo)代表就是分辨率的位置，因此可以用像素來(lái)表示乒乓球的大小來(lái)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及裝置擺放

圖2 高速攝像機(jī)下被標(biāo)定的乒乓球

圖33D坐標(biāo)系

通過(guò)乒乓球上面的兩條正交圓周線可以讀出平面圖上圓直徑上面兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。第236幅圖像時(shí)乒乓球直徑兩個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)分別為(X1，Y1)，(X1，Y1)，沿平面直徑上面的點(diǎn)定義為up1，下面的點(diǎn)定義為down1，因而可以計(jì)算出乒乓球中心的坐標(biāo)(Xa，Ya)，定義為midpoint 1；第246幅圖像時(shí)，同樣選取直徑兩個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)(X3，Y4)、(X7，Y8)，沿平面直徑上面的點(diǎn)定義為up2，下面的點(diǎn)定義為down2，此時(shí)計(jì)算出乒乓球中心的坐標(biāo)為(Xb，Yb)，定義為midpoint 2。高速攝影相機(jī)拍攝乒乓球的幅率為500fps，即1秒鐘拍攝500幅圖像，因此，10幅圖像時(shí)間間隔為20ms，可計(jì)算出x軸方向速度為

y軸方向速度為

因此合速度為

圖4速度位置曲線圖

3.1 速度測(cè)試數(shù)據(jù)分析

由圖5和表1可以看出：賽璐珞乒乓球的速度區(qū)間為6.85m/s～7.08m/s，而新型塑料球的速度區(qū)間主要在6.87m/s～7.04m/s。新型塑料球的速度比賽璐珞乒乓球的速度有所降低，新型塑料乒乓球的平動(dòng)速度相比賽璐珞乒乓球減少了約1.87% ，經(jīng)檢驗(yàn)P>0.05，速度下降不顯著。

通過(guò)對(duì)圖波動(dòng)的分析可以看出，新型塑料球在穩(wěn)定性(即變動(dòng)的幅度方面)方面更優(yōu)于賽璐璐乒乓球。由此可知，新型塑料球與賽璐璐乒乓球在速度方面的變化不明顯，但是在穩(wěn)定性方面，新型塑料球卻得到了增強(qiáng)。

圖5 賽璐珞乒乓球與新型塑料球的速度統(tǒng)計(jì)圖

3.2 轉(zhuǎn)速測(cè)試數(shù)據(jù)分析

由表2和圖6可以看出：測(cè)試采用的賽璐珞乒乓球的角速度區(qū)間為126r/s～129r/s，而測(cè)試用的新型塑料球的角速度區(qū)間主要在122r/s～124r/s。賽璐珞乒乓球的角速度要明顯高于新型塑料球的角速度。賽璐珞乒乓球拉前沖弧圈的平均角速度為 128.34 r/s，無(wú)縫塑料乒乓球拉前沖弧圈的平均角速度為 121.92r/s，減緩了約6.42%。結(jié)果顯示存在顯著性差異(P<0.05)。

表2 前沖弧旋球數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖6賽璐珞乒乓球與新型塑料球的角速度統(tǒng)計(jì)圖

4 結(jié)論及建議

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型塑料乒乓球的更替使運(yùn)動(dòng)員擊球時(shí)的速度和角速度都發(fā)生了變化：在不同程度上都有所下降，其中速度變化不明顯、角速度所受到的影響較大。因此，運(yùn)動(dòng)員和教練員在日常訓(xùn)練和技戰(zhàn)術(shù)安排過(guò)程中，要針對(duì)此改變進(jìn)行合理的訓(xùn)練安排。首先注意器材的改變所帶來(lái)的心理上的影響，根據(jù)新球的特征結(jié)合自身的打法，找到合理的應(yīng)對(duì)方法；其次是加強(qiáng)自身的體能訓(xùn)練，針對(duì)性地進(jìn)行訓(xùn)練并合理安排技戰(zhàn)術(shù)。比如采用增強(qiáng)下肢的蹬轉(zhuǎn)力量訓(xùn)練、增強(qiáng)軀干的扭轉(zhuǎn)訓(xùn)練等核心力量集中訓(xùn)練的方法。

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