乒乓球運動是我國的傳統優勢項目，在歷屆奧運會中，我國乒乓球隊都有十分優異的表現。甚至在乒乓球隊共同的努力下，讓東京奧運會的乒乓球單打決賽成為了“隊內訓練賽”，金銀牌的角逐也成為了國家隊的勝利會師。
出品：科普中國
製作：劉聰 吳臣武（中國科學院力學研究所）
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
△2021年7月29日，分別獲得2020東京奧運會女子單打冠亞軍的陳夢和孫穎莎共同展示國旗；7月30日，分別獲得男子單打冠亞軍的馬龍和樊振東共同展示國旗（圖片來源：人民日報）
但為成績自豪的同時，大家有沒有注意過乒乓球比賽的細節呢？比如：小小的乒乓球，是如何擁有巨大力量的呢？為什麼賽前裁判要特地檢查比賽雙方的球拍？大家為什麼要自帶球拍，每個人的球拍不一樣嗎？
△孫穎莎和伊藤美誠在賽前相互檢查球拍（圖片來源：截圖自央視）
電光火石間 乒乒乓乓中的撞擊動力學！
首先，我們要知道，賽場上“乒乒乓乓”，往複飛躍，主要源於球和拍之間的撞擊動力學過程。比賽中，球和球拍的碰撞接觸時間僅為千分之一秒，乒乓球飛行速度最高可達每秒47米！電光火石之間，球拍表層的橡膠和海綿會因為球的快速擠壓而變形、同時吸收動能儲存變形能（當然，球也會變形儲能，木板層也會發生微小變形）；而當總動能接近零時，形變會達到最大值，海綿和橡膠層形變恢復，變形能快速釋放，轉化為乒乓球的動能，於是乒乓球“脫板”而飛，抵達對方隊員球拍后，又會開始下一次的碰撞與飛躍。
△球和球拍的碰撞（圖片來源：參考文獻[1] ）
如果在擊球瞬間，乒乓球的受力方向沒有通過球心，切向摩擦力就會使球發生轉動。除了球和拍的相對運動姿態外，影響切向摩擦力的主要原因是球與拍的材質和工藝，因此,通過優化技術可以製造出更高級的球和球拍，讓擊球更具“殺傷力”。
球拍為何要仔細檢查？看完你就懂了！
目前的國際比賽中，乒乓球是由賽場統一提供的，但球拍卻是隊員自行攜帶的，這是為什麼呢？
因為球拍的使用契合著運動員的自身特點和習慣，往往需要長時間的磨合才能提升技巧水平、達到“人拍合一”的境界，而乒乓球本身則影響沒那麼大。
但從另一方面而言，球拍的自行攜帶機制也從硬件上給比賽帶來了極大的不確定性！
可以想象，為了爭取更大的勝利，各國都會投入大量研發工作來提升球拍性能，球拍結構越來越複雜；縱觀乒乓球運動的發展，技術打法的革新與球拍變革息息相關。
目前，球拍大都由底板、海綿和膠皮三部分組成，隨着這三部分結構的不斷創新，技術打法越來越追求快速、強旋轉，重視“幾招斃命”、回合減少的“速效”打法，但同時，這會顯著降低乒乓球比賽的觀賞性和趣味性，讓“拼體育技術”變成了“拼工業技術”，與奧運的競技精神可不相符。
好在，國際乒聯對直接影響球拍和球撞擊過程的重要參數上給出了系列規範。雖然對球拍形狀和重量沒有規定，但在球板特性如應足夠平整、堅硬；底板至少應有85%天然木料層，木料層之間的粘合層等厚度不得超過總厚度的7.5%、也不能超過0.35mm，海綿層厚度不能超過0.4mm，橡膠層不允許使用長膠等等上進行了規定。
因此，為了進一步保證比賽的技術公平性，賽前會有專門的檢測處對球拍進行檢測，檢測內容包括水溶性膠水、膠皮海綿厚度、球拍表面平整度、球拍表面光澤度以及膠皮海綿合法性。
這下，你明白為何運動員的球拍為何要被一一檢查了嗎？
△2021年8月1日，中國乒乓球男雙組合中的許昕擊球（圖片來源見水印）
在球拍的發展歷程中，還有一個小插曲——早期運動員使用橡膠精溶解到有機溶劑后製成的快速膠水，來實現多變的撞擊以控制球速和轉動。因為它在粘合球拍底板和海綿層時，能在短時間內形成特殊的分佈式氣囊結構；然而，這種快速膠水對人體傷害很大，所以漸被禁用，而球拍是否含有快速膠水也成一項重要的檢測指標。
人靠衣裝馬靠鞍，乒乓選手看底板
球拍底板雖然不直接觸球，但卻是整個球拍的承力主體。和底板相關的參數有：硬度、彈性和底勁。“底勁”又是啥？從力學上簡單地講，它可以理解為防止球與拍碰撞能量耗散的一股“勁兒”。最有“底勁”的極限理想情況是“存多少、就能取多少”。一般而言，球拍底板木料不多於七層，因為層數越多、表現越硬，所以快攻選手往往選用七層硬木板、弧圈選手則常常選用五層夾芯軟底板，真是“人靠衣裝馬靠鞍，乒乓選手看底板”。
新材料的引入，也讓球拍底板性能提升很快：碳纖維比重輕、形變小，恢復時間短、回球速度快，還能夠打出高速低弧線球；芳綸纖維撞擊減震、底勁充足，能保護運動員手腕；芳綸纖維和碳纖維混編底板則兼顧了兩者特性，既有快的脫板速度、又有柔和手感；高強玻璃纖維最接近純木手感、又有遠超純木的變形恢復速度，適合現代鞭打式擊球。
總之，地板取材豐富多彩，因人而異各取所需，真可謂“量體裁衣”了。
膠皮、海綿：與地板相輔相成的軟性材料
作為直接接觸球體的膠皮，其工藝技術更是日新月異。當前，膠皮大致分為顆粒膠和反貼膠兩類，顆粒膠又分為正膠、生膠和長膠；反貼膠分為反膠和防弧膠，不同的膠皮有着不同的摩擦能力，可以配合不同的打法。
中國乒乓球協會主席劉國梁在運動員時期所使用的球拍就是正膠膠皮的，世界女子乒乓球首位大滿貫得主鄧亞萍所用的則是長膠膠皮，而剛剛衛冕奧運會男子單打冠軍的馬龍則是使用反膠膠皮，反膠膠皮也是目前世界一流乒乓球手的主流選擇。
海綿是貼在底板和膠皮之間的一層發泡橡膠，主要作用是拉長球、拍接觸時間，增加球拍的彈性和摩擦切球的能力。海綿有高彈和低彈兩種不同的類型：高彈海綿彈性大，回球旋轉和速度都較強；低彈海綿控球穩健，容易控球，擊球運動員需要發揮更多自身力量。膠皮與海綿配置與底板性能的發揮相輔相成，互相成就。
最終，膠皮、海綿和底板的不同組合讓球拍們展示出各有千秋的特別性能。
球的變遷：ABS與大球時代
說完球拍，咱們也說說球。
為了增加乒乓球運動的觀賞性，2000年，國際乒聯將其直徑從38毫米增加到40毫米，開啟了乒乓球的大球時代。
大球飛行阻力更大、旋轉時空氣摩擦力矩也更大，且自身轉動慣量也大，因此大球的飛行速度和旋轉速度也更低。想讓球快速轉起，運動員往往需要付出更大努力。
與球拍的變遷史類似，乒乓球本身的材料也是幾經更替。2014年，服役百餘年的賽璐珞球被換為安全環保的無縫塑料球，因為賽璐珞有毒且易燃。不過在乾冷環境里，無縫塑料球容易爆裂，損耗率比賽璐珞球高20~30%。所以，2017年，世乒賽開始廣泛採用ABS材質，作為一種三元共聚物，ABS具有更好的性能和更低的成本。
“工欲善其事，必先利其器”，球與拍就是是乒乓賽場的武器裝備。對於運動員來說，好的裝備能以更大限度的發揮出高水準，給觀眾帶來更炫的表演。縱觀乒乓球發展史，球拍和球的技術進步互為挑戰，相輔相成：球拍不斷朝着彈性更高、摩擦操控性更強的方向發展，目的是使球速更快、運動軌跡更難以捉摸；乒乓球卻是朝着體積更大、慣性更大的方向發展，目的是使它飛行更穩定、精彩更持久。
乒乓球在變，球拍也在變，但是努力拚搏的中國乒乓球的精神不變，世界和平的奧運精神不變，讓我們祝福所有健兒再創佳績！
參考資料：
1. 乒乓球的前世今生[J]. 走近科學, 2009, 000(002):52-57.
2. 乒乓球教材小組. 乒乓球[M]. 北京:人民體育出版社, 1992:95.
3. 費曼. 物理講義 第一卷[M]. 北京:世界圖書出版公司，2008:4-5