台球运动在国外已有200多年的历史,清代末期传到中国,到现在这种运动已经在我国城乡广为普及。
对于两个球的碰撞问题,在这里只定量讨论理想状态下的两球碰撞问题。平面上两相同的球做非对心完全弹性碰撞,其中一球开始时处于静止状态,另一球速度为v。当它们两个做非弹性碰撞时,碰撞后两球速度总互相垂直母球的质量=子球的质量,将两球视为刚体,则:
设碰撞后两球的速度为v1,v2。质心运动速度不变,
由动量守恒mv=mv1+mv2v=v1+v2,
两边平方
由机械能守恒(势能无变化)
质心运动速度不变
v1·v2=0v1=0或v2=0对心碰撞
v1⊥v2非对心碰撞两球速度总互相垂直
对于完全弹性碰撞则很容易判断两球的运动轨迹,0°或者180°。
球速的传送公式,是指母球在撞击子球时,两球接触的瞬间,母球的动量会一分为二,一部分将分配给变慢的母球,另一部分会传送给子球。我们可以观察到的:两球速度的改变,此速度与滚动的距离成正比。球速传送公式是推导出来的。以下所推导的公式为平面碰撞,只单纯计算母球的动量传递。不考虑声波消耗的能量、球台布摩擦力消耗的能量与球旋转的转矩等,移动中的母球撞击静止的子球(动量为零),撞击前母球的动量P,在撞击子球后,会将一部分动量传给子球P2,而母球保有部分动量P1。按照力与向量的计算,合力=两分力,P=P1+P2,且两分力垂直。按照动量的公式P=mv条件:母球的质量=子球的质量,将两球视为刚体。列出两个公式:公式一:母球末速等于母球初速乘以sinθ。公式二:子球速度等于母球初速乘以cosθ。说明:只要将sinθ及cosθ制成表,即可用查表法,算出母球子球的速度分配,此速度分配随θ(夹角)改变。
得:
v1=v·sinθ;
v2=v·cosθ。
换言之,我们可以控制撞击的角度,使母球和子球在撞击后,得到预期的速度分配,进而控制母球和子球的滚动距离。另外,亦可将切球公式与本公式结合,导出击球厚薄与速度分配的关系。
切球的公式。瞄球是一个很复杂的动作,有的人用单眼瞄球,大部分的人用双眼瞄球。瞄准的方法也有很多种,有人瞄切点,有人瞄假想母球,有人打久了凭感觉,也有人瞄球是用切的,看是切整颗球(直径)的几分之几。曾经在网络上看到许多人讨论,切半颗球的夹角是几度?结果众说纷纭。当母球撞击到子球时,母球与子球的接触点很小,我们称它为“切点”。子球前进的方向,在不考虑抛(throw)力的情况下,子球被撞击后的前进方向为“母球中心点—切点—子球中心点→”的方向,在打落袋式撞球时,此方向就是子球进袋的方向,这就是一般将球打进的原理。母球子球接触的瞬间,切球的厚薄为X,球的半径为r,瞄准方向(母球未接触子球前的行进方向)与子球行进方向的夹角为θ。由计算与三角函数得之:X=2r(1-sinθ)。
由此导出的公式发现,“切球的宽度”与“瞄准方向与子球行径方向的夹角”有固定数学式的关系。将等式X=2r(1-sinθ)改一下:
X2r=1-sinθ。
因为2r是直径,(1-sinθ)就等于“切球的宽度”除以球直径,也就是切球的比例。以上数学式看不懂没关系,结果说明如后,我们可以从(1-sinθ)的字段看出,打直球时(0°)切球的宽度为整颗球,接近90°的球,切球的宽度接近最小,打30°的球时,切球的宽度为0.500 0刚好是切半颗球。由此可以得到角度与切球比例的关系。
注意切1整颗球到切0.9颗球的范围,大约在0°~6°之间;切0.1颗球到切0颗球(最薄的球)的范围,大约在64°~90°之间。可见切愈薄的球,差一点就差很多了,也就是愈薄的球愈难打,如果是要打下左右塞的球,又超过60°,因为下左右塞球要修正,将很难打进。所以我们应该尽量将作球的角度控制在60°以内。
球台上的力学分析:
1.手与球杆的关系
a.主要为小臂与手腕施力于球杆。
b.肘为支点。
c.力矩T=力F(球杆的重量)·力臂r(肘至球杆的垂直距离),
T=F·r。
2.球杆与球的关系
a.前截对母球的偏斜。
b.母球冲击的反作用力使前截发生形变(反作用力的自动修正)。
c.球杆给球的直线冲量。
球杆、母球分离时的直线冲量P;
球杆、母球分离时的母球球速v;
母球的质量m;
公式:P=m·v;
d.球杆给球的转动角冲量。
(塞球的理想撞击点是存在的。杆头并非固定不动)
T·(t)=ΔL=球杆拨动母球的时间t·球杆送给母球的转矩T。
e.皮头的摩擦系数tμ。摩擦力F与角冲量T(t)成正比。
T=F·tμ,T(t)=F·t·tμ(F:施力);
L=I·ω(角动量=转动惯量·角速度);
T(t)=ΔL=Iω2-Iω1=F·t·tμ(角冲量=角动量变化量)。
3.球与台面的关系
a.重力(G)。球的质量(m)·重力加速度(g)。
b.摩擦力。摩擦力所做的功与摩擦系数成正比。摩擦力所做的功=摩擦力·移动的距离(通常是在自然向前滚动的情况下成立)。
c.球向台面的垂直加速度=反作用力(跳球时,跳跃高度H=1/2g·t·t)(t飞行时间)。
出杆速度愈快、力量愈大、垂直角度愈高,跳球跳得愈高。
4.球与球的关系
a.平面弹性碰撞。
母球原行进方向A;
母球、子球撞击瞬间之母球球心位置O;
子球受撞击后之走向B;
母球碰撞子球后之走向C;
母球撞击子球前之力F;
子球接收母球之力OF
母球撞击子球后剩余之力CF
∠AOB=θ
公式:OF= F·cosθ
CF=F·sinθ(当夹角θ为0°时“直球”,母球的力完全传递给子球;当夹角θ为90°时,母球等于没碰到子球。)
b.球与球之间的throw(抛)。
throw受oμ的影响,愈脏的球oμ大。
c.矩的传递(子球塞球)。
母球角动量L
母球与子球接触时间t
母球与子球的摩擦系数oμ
子球受到的角冲量(转矩)T(t) = ΔL = Iω2 - Iω1 = F·t·oμ
∵ t小了,球速相对又太快。
∴球的旋转肉眼看不出来。
球速愈快、转速愈快、撞击夹角愈小,传递的转矩愈大,阈值受限于t·oμ。
子球接收的角冲量在碰触颗星时会有明显的影响。
5.与颗星的关系
a.射角A =射角B。
b.星的摩擦力。
球与颗星的摩擦系数cμ
旋转的转矩T(t) = ΔL = Iω2 - Iω1 = F·t·cμ(球入颗星的角度愈接近垂直,摩擦力愈大)
c.入颗星时的弹力位能。(虎克定律)
弹力位能F
常数K(颗星的弹性)
陷入颗星的深度X
F = KX;
d.陷入颗星条(Cushion)内力量的损耗。
6.与空气的关系
麦克纳斯力(Magnus force)对水平前进旋转球的侧偏斜。(流体力学对左塞或右塞的影响,可能微乎其微)
一个球的行为几乎会动用到好几种力学,只是影响力大小不同,有时几乎可以忽略,有时却很重要。我们平常看到的是这些力彼此交互作用的结果。