球球的“内涵”

2023-12-10史金阳

知识就是力量 2023年12期

層层叠叠，各司其职

不同球类的运动规则不同，对球的结构要求也不同。总的来说，运动球类可以根据其结构分为空心球和实心球两大类。

对于大多数空心球（例如篮球、足球、排球、网球等）而言，它们的内部结构大体可以分为内胆和外壳——内胆提供球的弹性，外壳的各层提供保护、支撑等功能。下面，让我们以篮球为例，看看它的具体结构是什么样子的。

通常，篮球内部结构从内到外分为4层——内胆、缠纱、中胎、表皮。

内胆：篮球比赛中，运动员通过不断运球（用单手连续拍按或双手交替拍按由地面反弹起来的球）发起进攻，这就要求篮球要有足够好的弹性。篮球的内胆如同人的心脏一般，是产生弹性的主力。它将空气密闭起来，维持球体的气压。为了提供较好的弹性，内胆往往采用较为柔软且富有弹性的橡胶材料。

缠纱：打满气的内胆就像一个圆鼓鼓的气球，被尖锐物体轻轻一碰就可能爆破。为了保护内胆，人们将纱线均匀地缠绕其上，形成由几十层纱线构成的缠纱层。一般情况下，1个篮球的缠纱层就需要耗费超过2000米的纱线，纱线的选料为尼龙。如果缠纱层的质量不好，可能会引起篮球鼓包、变形。

篮球的剖面图（绘图/闫丽真）

中胎：包好缠纱的内胆虽然弹性十足，但缺乏硬度，这会使其在使用中变形。因此，在两者外部还需要再增加一层负责维持结构强度的中胎。中胎通常也由橡胶材料制成。

表皮：篮球的表皮，便是我们平时观察到的最外层结构。我们的手和篮球反复不断地贴紧、分离，所以，表皮不仅有保护作用，还需要提供合适的摩擦力，以防篮球在我们手中“滑走”。表皮的材料通常由聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）或牛皮等制成。

篮球中的物理知识

内胆气压与弹性

如果篮球太久没用，球中的气压变小，它的弹性就会大大降低；如果篮球刚刚充完气，球中的气压较高，就会弹性很强，甚至远远超出平时的弹跳水平。这是为什么呢？

在一次完整的篮球反弹过程中，它以一定速度与地面撞击，并发生一定程度的形变，这种形变会吸收篮球撞击前的大部分动能。

当篮球内部气压较低时，动能几乎全部被篮球的外壳吸收。由于外壳没有很高的弹性形变能力，这部分由外壳吸收的能量很难再次转化为篮球的动能，篮球也就很难反弹到之前的高度。

而当篮球内部气压较高时，篮球的动能主要被其内部充满空气的内胆所吸收。内胆因具有较高的弹性形变能力，会将动能转化为弹性势能并迅速释放，使球体挤压地面。篮球受到的来自地面的支持力大于重力（地面给予的支持力方向向上，重力方向向下，篮球所受合力向上），因此获得了一个向上的加速度；经过加速的篮球再次获得了与碰撞之前大小相同、方向相反的速度，最终回到我们的手中。

表皮结构与摩擦力

根据上文，我们可以知道，表皮为篮球提供了合适的摩擦力（f）。摩擦力，即互相接触的两个物体发生相对运动或者运动趋势时，阻碍它们产生相对运动或者运动趋势的力。它的大小正比于两个物体之间挤压的力的大小（F）。

f=μ·F

在这个公式中，μ表示摩擦力和挤压力两者之间的系数，即摩擦系数。为了使我们在运球、投篮等过程中可以更加灵活地操控篮球，就要尽量减少篮球与手掌之间的相对滑动，增大摩擦力。这也意味着，在互相挤压的力不变的情况下，篮球与手掌之间的摩擦系数必须足够大。

那么，如何提高摩擦系数呢？生活经验或许可以提供答案——你一定可以发现，我们可以在平坦光滑的冰面上滑动，却很难在粗糙不平的水泥路上滑动。就像前人总结各种物理规律一样，我们也可以将这种现象进行总结：在一般情况下，粗糙的表面摩擦系数大，光滑的表面摩擦系数小。因此，我们可以观察到，篮球的表皮具有独特的凹凸不平的坑洼结构，这便是为了增加摩擦系数、为使用者提供合适的摩擦力而设计的。

许多运动球类诞生之初，它们的结构和用料与如今相差甚远。人们将科学成果运用到球类的制造中，完善结构、更新用料，并形成了成熟的生产系统，让我们每个人都能更好地享受运动的快乐。科学与运动都是人类凭借创造力不断突破自我的过程，向着“更高，更快，更强”的目标不断前进！