Sztywność rakiety, wpływ na mechanikę odbicia

W istniejących na tym portalu kilku poradnikach doboru rakiet opisane są wyraźne wytyczne jak dobierać rakiety tenisowe pod kątem różnych docelowych grup odbiorców. Niniejszy artykuł jest skierowany do tych ciekawskich, których nie zadowalają gotowe odpowiedzi i ciągle zadają pytanie: ale dlaczego? lub jak to działa? Tematem przewodnim będzie dziś sztywność ramy.

Zacznijmy od odróżnienia pojęcia sztywności ramy od spotykanego czasami określenia twardość, do niczego nam nie przydatnego. Tu będzie opis przyrody i czytelnicy czekający na akcję mogą od razu przejść do następnego akapitu. Twardość to pojęcie dotyczące odporności danej struktury na miejscowy nacisk, w przypadku niektórych materiałów na zarysowanie (skala twardości Mohsa). Nie o to wszakże nam chodzi, i należy rozróżniać te pojęcia.

O charakterystyce rakiety tenisowej i jej przydatności dla określonej grupy graczy w największym stopniu decyduje sztywność ramy i ewentualnie zdolność do pochłaniania przez nią drgań. Można to uzyskać poprzez stosowanie różnorodnych materiałów w tym kompozytów grafitowych, węglowych, z włókien szklanych, czy profili aluminiowych. W znacznym stopniu w ostatnich latach jednak bardziej sama konstrukcja ramy decyduje o uzyskanym poziomie sztywności niż rodzaj materiału użytego do jej budowy. Aby dopasować efekt do projektowanego modelu kinematycznego coraz częściej obserwujemy ramy o zmiennym profilu, jak na przykład w przypadku Yonexa.

Poniżej zajmiemy się pewnymi głównymi wyznacznikami projektowania konstrukcji ram pod kątem sztywności.

1. Celność (dokładność uderzenia)
Dlaczego rakieta sztywna ma mniejszą dokładność gry a mniej sztywna większą? Patrząc na chłopski rozum powinno być odwrotnie!
Otóż nie!

W przypadku idealnego trafienia „sweet spotem” (przyjmijmy – środkiem naciągu) nie ma różnicy jak twardą rakietą gramy, piłka powędruje tam gdzie celowaliśmy. Różnice pojawiają się dopiero przy niecentrycznych uderzeniach.
Załóżmy sytuację w której trafiamy bliżej godziny 3 lub 9 a nie w osi rakiety. Załóżmy też że rakieta jest zamocowana sztywno i poziomo w miejscu uchwytu, a piłka spada pionowo z góry. Jeśli upuścimy piłkę w osi rakiety (pomiędzy godzinami 6 i 12) to patrząc w tej osi piłka wróci pionowo.
Teraz upuśćmy piłkę na lewo/prawo od osi (godz. 3 lub 9).
Rakieta „sztywna” się nie odkształca i całe odkształcenie bierze na siebie naciąg (sporo drgań też przeniesione zostanie na rękę). Naciąg odkształci się w ten sposób że każda piłka która spadnie z boku od osi ucieknie po odbiciu na przeciwległą stronę.
Rakieta „miękka” w trakcie uderzenia ulegnie lekkiemu skręceniu i zamortyzuje część tego uderzenia a kierunek odbicia naciągu zostanie nałożony na kierunek skrętu ramy i piłka wróci bardziej pionowo niż to miało miejsce uprzednio, czyli tam gdzie zakładamy ponieważ reakcja naciągu jest szybsza niż powrót ramy do położenia pierwotnego. Jeśli będziemy mieli mniej sztywne mocowanie niż opisany model sztywna rakieta większą część energii zderzenia piłki przeniesie na rękę i doprowadzi do mało przyjemnego i niekontrolowanego obrotu, co również nie sprzyja celności.

2. Moc oddawana
Może jeszcze pamiętamy ze szkoły zderzenia idealnie sprężyste i niesprężyste. Spróbujmy uderzyć metalową kulka np. od łożyska w stalową płytę i następnie w blok plasteliny lub nawet gumy. Od czego odbije się wyżej ? Niecierpliwi mogą przejść do następnego akapitu. Ale dlaczego się tak dzieje ? Przykład z plasteliną nie był może udany bo przecież zarówno rakieta miękka i sztywna powracają nam do poprzedniego kształtu po uderzeniu więc to są odkształcenia sprężyste a nie trwałe (plastyczne). Nie będę wnikał w struktury materiałowe, a posłużę się prostym dowodem. Załóżmy że rakieta sztywna nie odkształca się prawie wcale, inaczej niż miękka. Do zainicjowania i kontynuacji każdego ruchu potrzebna jest energia i jej część w przypadku miękkiej rakiety nie wróci w postaci energii sprężystości (potencjalnej). Każdy ruch kosztuje, odkształcenie też (jedynie w przypadku ciał o strukturze krystalicznej naprawdę niewiele)
Stąd rakiety o większej sztywności są w stanie oddać piłce tenisowej relatywnie więcej siły włożonej przez grającego.

3. Przenoszenie drgań
Tutaj mamy kolejny dział fizyki i to z omawianych najmniej intuicyjny. Każdy element konstrukcyjny ze względu na swoje parametry długość prędkość rozchodzenia się fal w ośrodku ma skłonność do wzbudzania lub jak kto woli do wpadania w rezonans z falami o określonej długości. Nie dość że mamy do czynienia z falą pierwotną pochodzącą od samego uderzenia, to jeszcze pojawiają się fale wtórne. Z racji tego że rakiety tenisowe maja zbliżoną długość (~~27cali) ich częstotliwość drgań pierwotnych jest zbliżona, i wynosi ok. 148Hz. Dodanie grometów obniża je do ok 141Hz, a wciągnięcie naciągu po raz kolejny obniża częstotliwość drgań do poziomu ok 129Hz.W naturalny sposób taka rakieta posiada dwa węzły w których amplituda drgań jest niemal zerowa, jeden w pobliżu rączki drugi w pobliżu środka naciągu.

Dowiedziono doświadczalnie że wraz ze spadkiem sztywności rakiet spada amplituda tych drgań i okres ich wygaszania jest krótszy. Ponadto uzyskiwanie zmiennej sztywności rakiety za pomocą zmiennych profili rozmywa (rozciąga) położenie węzłów. Temat zostanie rozwinięty w kolejnym artykule o skutkach nieczystych uderzeń.

Celowo pominąłem niemierzalne czynniki na które wpływa sztywność ramy rakiety tenisowej jak czucie, gdyż to jest sprawa dość indywidualna, nie poddająca się łatwo opisom naukami ścisłymi.

Tych którzy w prezentowanym toku rozumowania znale?li zbyt daleko idące uproszczenia z góry przepraszam za konieczność przedstawienia w możliwie prosty i łatwy do przyswojenia sposób tematu w którym aby go tak naprawdę wyczerpać należałoby wyczerpać większość z dostępnych w analizie matematycznej „robaczków”, co niewątpliwie doprowadziłoby do wyczerpania czytelnika.
C.D.N.

PitS