借助結構力學分析板球比賽中的獲勝關鍵點
在競爭激烈的職業板球比賽中,每一次擊球對于比賽的勝負來說都非常重要。
為了提升擊球的力度,擊球手需要了解并熟練使用球板。設計更完美的球板是提升擊球手擊球技能的重要途徑,而設計的重點便是找到最佳擊球點。
早期球手的擊球方式
擊球手手持球板準備就緒,在板球飛來的瞬間,如何以最佳方式擊中板球可能是擊球手此刻最為關注的問題。球板擊中板球的方式有很多種,但如果擊球手能夠找到最佳擊球點,就可以在用力最少的情況下,擊出最有力度的一球。
早期,選手更喜歡常規的旋轉投球法。而現在投球手們引入了一種新的投球方法,稱作反向旋轉。但更多時候,球本身的條件和比賽時的天氣決定了球手們的投球方式。
利用結構分析確定板球板的最佳擊球點
首先,讓我們來了解一下球板背后的物理原理。球板的彎曲模態會產生不同的振型,進而影響球板性能。自由支撐的球板具有多種振動彎曲模態,手持的球板可以被看作一個固定懸臂梁。
球板前兩種彎曲模態會對性能產生很大的影響,這兩種模態之間存在一個最佳位置,此位置具有最小的振動和最低的能量損失。
對于一個典型的板球板來說,手柄是擊球時對應變最敏感的部位。較厚邊緣具有更好的耐性。此外,球板背后木材較多的區域(隆起的部位)具有更好的彈力,可以在擊球時傳遞更大的作用力。因此,最佳擊球點位于球板上較寬的區域。
仿真軟件應用于板球板建模
工程師們為一個由普通柳木制作的球板創建三維模型。他們在選擇了柳木作為球板材料,通過對柳木的性能進行研究分析,在模型材料中添加了更多的參數。除手柄被固定以外,球板的其他全部區域均被模擬為自由對象。
三維球板模型視圖
工程師使用結構力學模塊分析了固體結構的變形,以及應力和應變。同時他們還執行了特征頻率分析,以便找出固有振動頻率和與之相對應的球板振型。
最后發現了板球板的前六種振型、特征模態及特征頻率,如下圖所示。色條表示從球板自然位置的位移。當球板在指定頻率下位于其止動位置時,圖中紅色代表大振幅,藍色代表小振幅。
圖像由 Y. Mulchand,A. Pooransingh 和 R. Latchman 提供
假定球板模型的尺寸和材料屬性與真實的球板完全相同,但他們并未考慮球板的使用時間。雖然球板的最佳擊球點完全由幾何結構決定,但是材料數據的變化將會影響模型的固有頻率。
最后得出一個結果,離球板頂部 10~15 厘米處存在一個最佳擊球點,它位于球板中間,集中在中下部區域。另一個擊球點距離手柄 20 厘米,位于手柄與肩部的連接處。
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