8月5日，巴黎奧運會羽球女單決賽，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，羽球風靡全球，得到了人們的廣泛喜愛。
羽球運動要求運動員在場上透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球到底有多厲害？他們又是怎麽挑戰著人類的極限，把這項運動的魅力發揮到了極致？
8月4日，中國選手何冰嬌在比賽中。新華社記者 賈浩成 攝
羽球：比高鐵還快的球
羽球是目前速度最快的球類運動，在最新的吉尼斯世界紀錄大全的記載中，蘭基雷迪擊出一記 565 公裏/小時的羽球，成為吉尼斯世界紀錄的保持者。而一般高鐵的速度為 250 公裏/小時。
各種球類運動的最高運動速度。圖片來源：Physics of ball sports
羽球為什麽能飛得那麽快？主要是因為羽球比較輕（重量只有 4.74~5.50 克），並且球拍足夠長（不超過 680mm）。當運動員在手臂、手腕以及球拍的共同作用下發力的時候，較輕的重量有利於羽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。
但羽球場地的長度僅為 13.4 米，若以 400 公裏/時的球速計算，羽球飛越全場僅需約 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。
當然實際上羽球的速度並不是一成不變的。世界紀錄所說的羽球速度，指的是羽球脫離球拍時的速度，而羽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於能找得到球了。但這也只是找得到球，離接得到球並順利打回去還有很遠的距離。
同時，羽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於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]
我們發現，這些力的合力會使得羽球整體繞軸線旋轉，當羽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，就會發現其幾乎與行進速度呈線性關系。
羽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，羽球行進速度越快，旋轉速度越快，而這種旋轉有利於羽球在飛行時的穩定，使得運動員能打出漂亮的擊球軌跡。
頂級羽球員：
超級電腦+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，扣殺球無疑是最受大家喜愛的，並且在比賽中能夠起到一錘定音的作用。有研究顯示，男子單打回合的最後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 公裏/時以上，畫面極富力量感與沖擊感。
而在不同的戰術場景中，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。這一系列戰術，都源自對羽球運動軌跡的理解。
不同於網球，羽球本身品質較輕，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。有研究提出了羽球飛行遵循的運動方程式，並做了不同初始速度下羽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球的運動軌跡，也找到了那種明明感覺羽球要出界，它卻近似垂直落下來的原因。
M, ρ 和 S 分別是羽球的品質、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向量，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，頂級羽球運動員的大腦都是一台精密的電腦，而身體則是一台精確的機器。在比賽過程中，運動員們透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。
據統計，在 45 分鐘的比賽中，羽球運動員要做 300 次以上身體位置調整振幅超過 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。
羽球比賽並不休閑
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球錦標賽的比賽時間放在一起進行統計分析，發現羽球男單比賽的持續時間約為 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，但在這樣短的時間裏，羽球運動員要完成扣殺、劈殺和突發性半蹲位起跳、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最快速的發球或棒球職業聯賽中最快速的擲球的兩倍。其中數百次的擊球，需要大振幅揮動胳膊，這大大超過了棒球職業聯賽中的揮臂次數。
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的強度。透過測量羽球運動員的生理參數指標可以發現，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/分鐘的情況也並不罕見。
國外一項基於自 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，發現相較於桌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]
下圖是中國國家羽球隊的體能測試計畫表，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台競技的話，體能差異有多少吧。
中國羽球協會國家羽球隊入隊體能測試計畫及標準（試行）。圖片來源：中國羽球協會官方網站
作為一項高技巧、高強度的運動，羽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、戰術安排也發揮著重要作用。正如圍棋中「提前預判對方意圖，抓住對方的弱點」，由於羽球球速過快，場地較小，很難全程用視覺跟進羽球，所以對來球幾乎都要進行預判。
只有了解對方的弱點，及時發現對方的失誤，才有把握去戰勝對方。很多時候，一場精彩的羽球比賽，不僅是技術和體能的競賽，也是一場精彩的心理戰，而羽球運動員們，也是心理戰的高手。
每一位優秀的運動員成績的背後，都是艱苦而不懈的努力，是不斷拼搏的體育精神。這些幕後的鍛煉，和賽場上的競技精神使得他們獲得遠超常人的殊榮。讓我們祝賀中國的羽球運動員，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台競技的人呢，四舍五入相當於參加了奧運會了。
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.
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[3] 王適嫻,郭振向.羽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
稽核丨馮強 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
策劃丨何通 林林
責編丨何通
審校丨徐來
