Привожу переводы трех статей по теннисной тематике, своего рода продолжение темы лавсановых струн (они же полиэстеровые, они же майларовые, они же полиэтилентерефталатные), которые, как мне кажется, отражают современные тенденции развития тенниса. А именно, игры с очень сильным верхним вращением мяча.
Объяснение этому очень простое. Атлетизм и сила ударов современных теннисистов таковы, что плоскими ударами с отскока уже невозможно попасть в корт. Мужики давно вышли за этот предел, а женщины уже вплотную к нему приблизились.
Приведу простейший пример. Если мяч без вращения перелетает впритык над центром сетки (высота 1м) то уже при скорости 60 миль в час он уйдет в аут, это без учета сопротивления воздуха, с учетом его будет на 10-20% больше.
Первая статья о том, как садовник-любитель утер нос профессионалам, придумав ровно 40 лет назад новую натяжку струн ракетки, опередившую свое время лет на 30 и которую запретили через 7 лет. Только сейчас новые технологии струн позволяют приблизиться, к тем скоростям вращения мяча, которое давала запрещенная натяжка. Запрет действует на участие в соревнованиях. Но никто не запрещает использовать эту натяжку для игры любитетей.
Вторая статья о влиянии лубрикантов (т.е смазок) для струн на закрутку мяча.
Третья статья объясняет, почему современные топ-теннисистки способны закручивать мяч так же сильно, а может быть и сильнее, чем в свое время Сампрас и Агасси.
Ракетки со спагетти натяжкой
Рон Кросс
В 1971 году немецкий садовод Вернер Фишер изобрел новый способ натяжки струн для теннисной ракетки. Она придавала такое сильное верхнее вращение мячу, что, в конце концов, была запрещена Международной теннисной федерацией в 1978 году. Одной из проблем было то, что игроки, относительно низко стоящие в рейтинге, могли обыгрывать топ игроков за счет гораздо более сильного вращения мяча, чем в то время могли делать топ игроки.
Ирония заключается в том, что современная игра в теннис эволюционировала до такой степени, когда такие игроки как Надаль могут закручивать мяч почти так же сильно, как и Фишер в 1971 году своими струнами-спагетти. Современные игроки бегают взад и вперед на задней линии во время длинных скучных ралли, редко осмеливаясь выходить к сетке, поскольку их могут легко обвести ударами вдоль линии или свечой с верхним вращением.
Это была одна из причин запрета на струны-спагетти.
Система натяжки спагетти показана на фото в том виде, как она появилась на алюминиевой ракетке Фишера. Такая же система может быть использована и на современной графитовой ракетке, но сейчас это незаконно.
Недавно, ради научного интереса, я сделал видео о том, как Тодд Рейд производит удары ракеткой такого типа. Тодд выиграл юниорский Уимблдон в 2002. Он признался, что делать спин такой ракеткой намного легче, и он бы пользовался ею, если бы было разрешено.
Видеоклип (300 fps) http://www.physics.usyd.edu.au/~cross/Todd2.MOV показывает форхенд, где значительный спин создается даже когда головка ракетки не движется круто вверх перед ударом по мячу. Видео следует рассматривать покадрово, чтобы увидеть маркеры на мяче. На первый взгляд натяжка выглядит чем-то похожей на прическу афро. Вот ее главные особенности:
- Только пять поперечных струн (двойных) и они не переплетаются с продольными струнами, как это требуется сейчас.
- Продольные струны связаны вместе в пяти местах около поперечных струн с помощью пяти петель из тонких струн вокруг каждой продольной струны таким образом, чтобы все продольные струны двигались вместе. Если одну из продольных струн потянуть в сторону, то сдвинутся все продольные струны.
- Здесь два набора продольных струн, по одному на каждую сторону ракетки, поперечные струны расположены между двумя продольными. Таким образом, всего три отдельных слоя струн.
- В точках пересечения продольных и поперечных струн расположены маленькие отрезки пластиковых спагетти-образных трубок, надетых на продольные струны. Они выполняют ту же функцию, что и современные стринг-а-линги (String-a-Lings), которые вставляются между продольными и поперечными струнами для снижения трения и износа между продольными и поперечными струнами.
- Маленькие шарики клея нанесены на струны для хорошего захвата мяча, но есть сомнения, что они делают что-нибудь полезное. Струны захватывают мяч независимо от того, шероховатые они или гладкие, и получающееся вращение мяча не зависит от поверхностной текстуры струн.
Как это работает.
Ясно, что Фишер пришел к такой системе натяжки не только эмпирическим путем. В его безумии была система. Она была сознательно сконструирована таким образом, чтобы придать мячу максимально возможное вращение. Объектом инновации было позволить продольным струнам сдвигаться в сторону с наименьшим трением, когда ракетка ударяет по мячу. Если по мячу бьют под прямым углом по отношению к струнной поверхности, струны не смещаются в сторону. Если головка ракетки движется вверх (а также вперед), то когда ракетка ударяет по мячу, продольные струны во время контакта с мячом сдвигаются вниз. Когда мяч начинает уходить со струн, все поперечные струны отщелкиваются на исходную позицию, давая мячу дополнительный поджопник вверх, сообщая и таким образом дополнительное вращение мячу.
Если трение между струнами слишком большое, они не могут свободно смещаться в обоих направлениях. Если струны застревают, игроки были вынуждены расправлять их после каждого розыгрыша, если использовали натяжку с переплетением струн, по крайней мере до того, как приблизительно после 2005 года лавсановые струны стали популярны.
Несмотря на это, большинство игроков считало, что лавсановые струны лучше, потому что не смещаются, т.е. им не нужно их распрямлять.
Но они не подозревали, что лавсановые струны смещаются свободно и распрямляются щелчком на свое место сразу после выхода мяча со струн. Лавсан более скользкий, чем нейлон или натуральные струны, и может двигаться, даже когда переплетен. Современные лавсановые струны придают мячу немного больше вращения, чем нейлон или кишки, но меньше, чем струны со спагетти наряжкой.
Современные игроки обучены играть с экстра-круткой за счет крутого замаха ракетки при ударе по мячу, используя западную хватку для форхенда и двойной хват для бэкхенда, а также немного наклоняя вперед головку ракетки.
Если продольные струны не связаны вместе, мяч смещает только струны, находящиеся с ним в контакте. Мяч зарывается в струнную поверхность, поэтому некоторые из продольных струн сдвигаются влево и другие вправо. Когда струны отщелкиваются на исходую позицию, некоторые из них дают дополнительное вращение, но другие уменьшают его. Фишер решил проблему, связывая вместе все продольные струны.
Действие можно увидеть на видео http://www.physics.usyd.edu.au/~cross/Spaghetti2.mov , где часть продольных струн была удалена для того, чтобы показать, что происходит с поперечными струнами. Струны перед мячом сдвигаются вперед, а струны за мячом сдвигаются назад (смотреть лучше со скоростью один кадр в секунду)
Физическая основа
В нижеприведенных статьях описывается физическая основа эффекта экстра-крутки. Эффект происходит благодаря повышенной упругости струн в направлении, параллельном струной поверхности. Часть энергии, накопленной струнами в результате тангенциального смещения, передается обратно мячу, когда струны возвращаются к своей исходной позиции.
С этой точки зрения струны со спагетти натяжкой более упругие, чем струны с натяжкой переплетением. Мяч накапливает энергию сам по себе в тангенциальном направлении, но эта энергия в большей части теряется в резине и тканевой оболочке.
С другой стороны, супермяч вращается быстро, когда отскакивает, потому что он одинаково упруг как в перпендикулярном, так и в параллельном направлении относительно поверхности отскока.
R. Cross, Impact of a ball on a surface with tangential compliance, Am. J. Phys. 78, 716-720 (2010).
R. Cross, Enhancing the bounce of a ball, The Physics Teacher, 48, 450-452 (2010).
SPAGHETTI STRUNG RACQUETS
In 1971 a German horticulturalist, Werner Fischer, invented a new way to string tennis racquets. It generated so much spin on the ball that it was eventually banned by the International Tennis Federation in 1978. One of the problems was that players of relatively low standing were able to beat top players by generating much more spin than the top players could at the time. Ironically, the modern game of tennis has evolved to the point where players like Nadal can now generate almost as much spin as Fisher could in the 1970’s with his spaghetti strings. Modern players run back and forth across the baseline in long boring rallies, rarely daring to come to the net since they can easily be passed down the sideline or overhead with a topspin lob. That was one of the reasons that the spaghetti stringing system was banned in the first place.
The spaghetti stringing system is shown in the photo, as it originally appeared in a Fisher aluminum frame. The same system could be used in a modern graphite frame, but it is now illegal. In the interests of science, I recently filmed Todd Reid hitting with the racquet to get his opinion. Todd won the junior boys event at Wimbledon in 2002. He said it was much easier to generate topspin and would use it if it was legal. The video clip (at 300 fps) shows a forehand where significant spin is generated even when the racquet head is not rising steeply to meet the ball. The video needs to be advanced one frame at a time to see the marks on the ball properly.
At first sight, the stringing looks something like a relatively neat Afro hairdo. The main features are:
There are only five cross strings and they are not woven with the main strings, as they are now required to be.
The main strings are all tied together at the five locations near the cross strings, using five thin strings looped around each main string, so that all the main strings move together. If one of the main strings is pulled sideways, all the main strings move sideways.
There are two sets of main strings, one on each side of the racquet, the cross strings being located between the two sets of mains. So, there are three separate layers of strings.
At points where the main strings intersect the cross strings, short sections of plastic spaghetti tubing are threaded onto the main strings. They serve the same function as modern “string-a-lings” that can be inserted between the mains and crosses to reduce friction and wear between the mains and crosses.
Small, sharp blobs of glue are attached to the strings to get a good grip on the ball but it is doubtful that they do anything useful. The strings will grip the ball regardless of whether they are rough or smooth, and the resulting ball spin is the same regardless of the surface texture of the strings.
How it works
It is clear that Fisher didn’t come up with his stringing system entirely by trial and error. There was method in his madness. The system was deliberately designed to impart as much spin as possible to the ball. The object of the exercise was to allow all the main strings to move sideways when the racquet struck the ball, with the least amount of friction possible. If the ball is struck at right angles to the string plane, then there is no sideways movement of the strings. If the racquet head is rising upward (as well as forward) when the racquet strikes the ball, then all the main strings will move down when they contact the ball. As the ball starts to come off the strings, all the main strings snap back to their original position, giving the ball an extra vertical kick, thereby imparting additional spin to the ball.
If there is too much friction between strings they cannot move freely in both directions. If strings get stuck then players need to straighten the strings after every point, as they did when using woven strings, at least until polyester strings become popular after about 2005. However, most players assumed that polyester was better because the strings don’t move, so there was no need to straighten them. What they didn’t know was that polyester strings do move freely and they snap back into place immediately as the ball comes off the strings. Polyester is more slippery than nylon or natural gut, and can slide freely even when woven. Modern polyester strings generate slightly more spin than nylon or natural gut strings, but not as much as spaghetti strung strings. Modern players learnt to generate extra spin by swinging up steeply at the ball using an extreme Western grip for a forehand and a double-handed grip for a backhand, and by tilting the racquet head forward slightly.
If the main strings aren’t tied together, then only those strings in contact with the ball are pushed sideways. The ball digs into the string plane so some of the main strings are pushed sideways to the left and some are pushed to the right. When the strings snap back to their original position, some generate extra spin but others act to reduce the spin. Fisher overcame the problem by tying all the main strings together. The effect can be seen in this video where some of the main strings have been removed in order to show what happens to the cross strings. Strings at the front edge of the ball are pushed forward, but strings at the back edge are pushed backward (advance one frame at time).
The physics of it
The following papers describe the physics of the extra spin effect. The effect is due to the increased elasticity of the strings in a direction parallel to the string plane. Some of the energy given to the strings as a result of tangential displacement of the strings is given back to the ball when the strings return to their original position. Spaghetti strings are more elastic than woven strings in that respect. The ball itself also stores some energy in the tangential direction, but the energy is mostly lost in the rubber and the cloth cover. On the other hand, a superball spins rapidly when it bounces since the ball is highly elastic in directions both perpendicular and parallel to the surface on which it bounces.
R. Cross, Impact of a ball on a surface with tangential compliance, Am. J. Phys. 78, 716-720 (2010).
R. Cross, Enhancing the bounce of a ball, The Physics Teacher, 48, 450-452 (2010).
Комментарии