10 мин.

Закрутка мяча: физика лавсановой струны

546

 

В последние годы прогресс в области ракеток для тенниса связан не столько с самими ракетками, сколько с прогрессом в технологии струн. Выполненные за последние 10 лет исследования в области физики взаимодействия мяча со струнной поверхностью ракетки позволили по другому взглянуть на многие традиционные представления.

Ниже приведен перевод статьи и интервью с Родом Кроссом о роли струн в современном теннисе. Статья была опубликована в феврале этого года на сайте tennis.com

Закрутка мяча: физика лавсановой струны

Ричард Паллиаро

Выполняя хлест ракеткой, как будто он играет в пелоту, Рафаэль Надаль делает такой сильный топспин, что иногда кажется, что мячи отскакивают от корта как из катапульты. С такими ударами трудно справляться, они как бы вырывают тебе плечо.

Когда Надаль и Франческа Скьявоне завоевали в прошлом году титулы ФО, играя лавсановыми струнами Баболат, отголоски их успеха оказали большое влияние на продажи лавсановых струн. Один из исполнительных директоров американского производителя ракеток оценивает, что лавсановые струны составляют 70% от всех продаж струн в Европе и большинство юниорских топ игроков мира являются поклонниками лавсана и сополимерных струн.

«Люди часто говорят о том, как технология ракеток изменила теннис, но могу поспорить, что технология струн оказала еще большее влияние» говорит бывший финалист USO Тодд Мартин. « В мое время Джим Курье бил мяч с сильнейшим топспином и Джим вынужден был делать замах очень крутым, чтобы топспин получался очень сильным. Сегодня вы можете видеть ребят, таких как Рафаэль Надаль и Роджер Федерер, способных делать еще более сильный спин без существенного увеличения крутизны замаха – вы просто не сможете делать такого с помощью натуральных струн.

Стремление играть супер-сильным спином превалирует сегодня в игре профессионалов, и существует два фактора, которые следует рассматривать: того, кто делает замах (игрока) и научную основу струн. Д-р Род Кросс, давний поклонник тенниса, который получил степень PhD в области физики плазмы в Сиднейском Университете, является соавтором книги «Technical Tennis: Racquets, Strings, Balls, Courts, Spin and Bounce» вместе с Кроуфордом Линдси. Работа посвящена физике тенниса и показывает ряд ошибочных представлений об игре.

Прошлой весной двое коллег объединились, чтобы изучить как 16 различных типов струн (в основном, полиэстер и нейлон) влияют на спин мяча, используя высокоскоростную видео съемку для анализа мячей, выстеливаемых теннисным автоматом со скоростью 51 мили в час. Исследование показало, что получаемый спин (скорость вращение мяча) был в среднем на 25% больше для группы полиэстровых струн по сравнению с образцами четырех типов нейлоновых струн, по крайней мере, в условиях проведения эксперимента.

Мы встретились с Кроссом в Сиднее для более глубокой дискуссии на тему «струны и вращение мяча».

TENNIS.com: В большинстве исследований, которые я читал, показывается, что мяч находится на струнной поверхности около пяти миллисекунд. Традиционная теория заключалась в том, что текстура струн в какой-то мере помогает вращению путем «захвата» мяча, но ваши исследования говорят, что уменьшение трения помогает создавать вращение. Почему?

Rod Cross: Меньшее трение между струнами позволяет вертикальным струнам раздвигаться в стороны. Когда мяч почти покинул поверхность струн, вертикальные струны возвращаются назад щелчком и придают мячу дополнительный боковой удар, увеличивая таким образом скорость вращения мяча при отрыве.

TENNIS.com: Существуют ли другие неверные представления, подобные этому?

Rod Cross: Почти все в теннисе является неверным представлением. Например, тонкие струны могут быть такими же жесткими, как и толстые. Слабая натяжка струн увеличенивает скорость отскока мяча от поверхности струн, но только на 1%. Использование струнных демпферов не связано с травмами локтя. Сладкое пятно имеет размер около двух миллиметров, поэтому ракетки не могут различаться по сладкому пятну – хотя некоторые ракетки вибрируют меньше других. И сила трения мяча выше, когда он скользит по струнам. После того, как мяч захватывает струны, сила трения падает до нуля и меняет направление (видимо имеется ввиду то, что трение скольжения больше трения качения, прим.Cermatle). Я мог бы привести еще десяток примеров, за каждым из которых стоит своя история.

TENNIS.com: Сильный топспин стал широко использоваться еще до Бьерна Борга – Виком Зайкасом, например, – но Борг играл натуральными струнами, туго натянутыми на маленькую головку деревянной ракетки Донней. Если взять сегодняшние легкие ракетки, с большыми ободами и лавсановыми струнами, сколько дополнительного вращения это может дать профессиональным теннисистам?

Rod Cross: Вращение создается за счет коэффициента тангенциальной реституции (восстановления формы), обычно имеющего величину 0.2 для теннисного мяча на поверхности струн. Максимально возможное значение равно 1.0, и это удваивает спин. Струны-спагетти (струны без взаимного переплетения, запрещенные в 1978 году, прим. Сеrmatle) действовали так же. Если принять, что струны должны быть плетеными, практически увеличение будет 10%. Но игрок может получить спин на 20% сильнее, ударяя по мячу на 20% быстрее, или ударяя под углом, поэтому струны сами по себе – это далеко не все.

TENNIS.com: Эксперты по ракеткам обычно говорят, что за последние годы технология струн оказывает бОльшее влияние на игру, чем технология ракеток. Есть ли у вас соображение о новом поколении технологии струн и что это будет значить для тенниса?

Rod Cross: Лучше всего были бы струны, которые не рвутся и струны, не теряющие натяжение, но это расстроит бизнес производителям струн.

TENNIS.com: В заключении, небольшой оффтопик, но меня всегда интересовало: когда мяч ударяется в корт, корректно ли говорить, что не все отпечатки мячей идентичны? Если это правда, тогда как технология «ястребиный глаз», используемая на АО и других ТБШ учитывает это? Если мяч попадает в корт по разной траектории и с разным спином, не будут ли метки отличаться, и если так, то как технология учитывает это?

Rod Cross: Метка мяча немного зависит от угла падения на корт. Если мяч ударяется под прямым углом, это оставляет круглый отпечаток. При настильном угле, он оставляет отпечаток примерно 4 дюйма в длину, потому что мяч скользит до того, как отскочит. Основная проблема технологии «ястребиный глаз» в том, что поверхность мяча ворсистая и волокна могут достигать в длину 20мм от поверхности мяча. Если одно из этих волокон коснется линии, то технически мяч считается засчитанным, но технология и человеческий глаз не могут это заметить.

Огромное спасибо cermatle!

 

Spin Ball: The Physics of Polyester String

By Richard Pagliaro

Whipping his racquet through the air like a cesta in jai alai, Rafael Nadal produces such tremendous topspin that the ball sometimes seems to catapult off the court, creating a shot as challenging to combat as shrugging a shot-put off your shoulder.

When Nadal and Francesca Schiavone swept the men’s and women’s French Open titles last June playing with Babolat polyester strings, the repercussions of their success impacted already popular polyester string sales. One American racquet manufacturing exec estimates that polyester string accounts for more than 70 percent of string sold in Europe, and the majority of the world’s top juniors are polyester or co-poly string players.

“People often talk about how racquet technology has changed tennis, but I would argue the string technology has had a greater impact,” says former U.S. Open finalist Todd Martin. “In my era, Jim Courier hit a heavy ball with tremendous topspin and Jim would steepen his swing to generate heavy topspin. Today, you see guys like Rafael Nadal and Roger Federer able to generate heavier spin without significantly steepening their swings—you couldn’t do that with gut.”

To achieve the super-sized spin prevalent in today’s pro game, there are two factors to consider: The swinger of the string (the player) and the science behind the string. Dr. Rod Cross, an avid tennis fan who earned his PhD in plasma physics from Sydney University, co-authored the book Technical Tennis: Racquets, Strings, Balls, Courts, Spin and Bounce with Crawford Lindsey. (Amazon Link is here: ) The work explores the physics of tennis and exposes some misconceptions about the game.

Last spring, the pair collaborated on a study testing 16 different strings (primarily polyester and nylon) for spin. Using high-speed video analysis on balls fired from a ball machine at about 51 mph, the study concluded that “outgoing spin” from the selected group of polyester string was “25% greater, on average, than a sample of four nylon strings, at least under the test conditions.” (To read the study and view video analysis, click here.)

We caught up with Cross in Sydney for a deeper discussion on the subject of strings and spin.

TENNIS.com: Most research I’ve read shows the ball is on the strings for only about five milliseconds. A traditional theory was that string texture could somehow help produce spin by “gripping” the ball, but your study says less friction helps impart spin. Why?

  Rod Cross: Less friction between strings allows the main strings to move sideways. As the ball is about to leave the strings, the main strings snap back and give the ball a sideways kick, thereby increasing the rate at which the ball spins as it comes off the strings.

  TENNIS.com: Are there any other tennis misconceptions like that?

Cross:  Almost everything in tennis is a misconception. For example, thin strings can be just as stiff as thick strings. Low string tension results in higher ball speed off the strings, but it is only 1% higher. String dampeners have no effect on elbow injuries. The sweet spot is about two millimeters in diameter, so one racquet can′t have a bigger sweet spot than another—although some racquets vibrate less than others.  And the friction force is greater on a ball when the ball slides on the strings. After the ball grips the strings, the friction force drops to zero and reverses direction. I could give you ten more examples, each of which is a story on its own.

TENNIS.com: Heavy topspin has been around since before the days of Bjorn Borg—Vic Seixas, for example—but Borg was playing with gut tightly strung in a small-headed Donnay wood racquet. Given the combination of today’s lighter, larger-head frames combined with polyester strings, how much more extreme can spin become in pro tennis?

  Cross:  Spin is governed by the tangential coefficient of restitution, typically about 0.2 for a tennis ball on tennis strings. The maximum possible value is 1.0 and that could double the spin. Spaghetti strings were like that. Given that strings must be woven, a practical increase would be 10%. But a player can get 20% more spin by hitting the ball 20% faster or hitting at a steeper angle, so the strings themselves are not the whole story.

TENNIS.com: Racquet experts generally say that string technology has impacted the game more than the racquet technology in recent years. Do you have any thoughts on the next wave of string technology and what it would mean to tennis?

Cross:  The next best thing will be strings that don′t break and strings that don′t lose tension, but that would put string makers out of business.

TENNIS.com: Lastly, slightly off-topic, but I’ve always wondered: when the ball impacts the court, is it accurate to say that not all ball marks are identical? If that is true, then how does the line-calling technology used at the Australian Open and other majors account for this? If the ball strikes the court at a different trajectory with different spin, then wouldn’t it make a different mark, and if so, then how does line-calling technology account for that?

Cross:  The ball mark depends slightly on the angle of incidence on the court. If the ball strikes the court at right angles, it will leave a circular patch. At a glancing angle, it leaves a mark about 4 inches long because the ball slides a long way before it bounces. The main problem with line-calling is that balls are fuzzy or hairy and have fibers extending up to 20 millimeters out of the ball. If one of those fibers touches the line then technically the ball is in, but technology and human eyes can′t see it.