Was ist die Physik hinter den legendären Schlägen von Roger Federer und Rafael Nadal?

Zwei legendäre Tennisspieler, Roger Federer und Rafael Nadal , mit zwei legendären Schlägen. Eines mit Top Spin-Vorhand und das andere mit Slice-Rückhand .

Ich möchte die Physik dieser beiden Schüsse verstehen.

Die Top-Spin-Vorhand von Nadal, obwohl es so aussieht, als würde sie (Ball) beim Spielen über die Grundlinie gehen, landet gut darin und springt dann durch einen enorm verstärkten Sprung.
Der Rückhand-Slice von Federer landet, obwohl es so aussieht, als könnte er mitten im Spielfeld landen, genau innerhalb der Grundlinie und rutscht mit einem enorm gedämpften Sprung durch.

Meines Wissens nach verhalten sich die beiden Schüsse aufgrund der Beziehung zwischen Geschwindigkeit des Balls, Reibung mit der Luft und Druckunterschied von Ober- und Unterseite so, wie sie es tun.
Aus der Grundlagenphysik weiß ich, dass der Druck mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt. Ein Beispiel, das ich im Physikunterricht gelernt habe: Wenn Sie zu nahe an einem schnell fahrenden Zug stehen, werden Sie eingesaugt. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit des Zuges nimmt der Druck vorne ab, während der Druck auf Ihrem Rücken konstant ist und Sie sich daher bewegen der Zug.

Unter Anwendung des gleichen Konzepts lässt Nadals Top-Spin-Vorhand den Ball im Uhrzeigersinn rotieren. Die obere Hälfte widersetzt sich also der Luft, während die untere Hälfte sie unterstützt. Mehr Druck von oben, weniger Druck von unten, dadurch taucht er schnell zu Boden.
Genau umgekehrt beim Rückhand-Slice von Federer. Der Ball dreht sich gegen den Uhrzeigersinn, die obere Hälfte unterstützt die Luft, die untere Hälfte dagegen. Weniger Druck von oben, mehr Druck von unten. So bleibt es länger über Wasser.

Wenn ich mit meiner Physik bis hier falsch liege, korrigiere mich.

Mein wirklicher Zweifel ist, warum der Ball nach dem Werfen mehr (für Nadal) und weniger (für Federer) springt. Kann jemand diese Physik erklären. Angenommen, sie spielen auf Sandplatz

Hier ist ein Link zu Roger Federers besten Rückhand-Slices. Im Video gibt es zuerst eine Reihe von flachen Slices, die unterhalb der Knie zurückgeholt werden, viel tiefer als das Netz. In den nächsten paar Aufnahmen gibt es einige durchgeknallte Slices, die nach der Landung aussterben.
Hier ist Nadals Topspin-Vorhand. Siehe den 2. Punkt bei 0,20. Schauen Sie, wo Federer diesen Schuss macht, in der Nähe seines Kopfes.

PS : Übrigens, Andy Roddick hat den besten Rückhand-Slice im Männerspiel, aber die Aufnahme von Federer war für dramatische Effekte. ZIEGE trotzdem.

Newtonsche Mechanik.
Gute Frage! Es wäre noch besser, wenn Sie ein GIF-Bild der Aufnahmen hinzufügen könnten, die Sie im Sinn haben.
Ich würde denken, dass Nadals Ball in einem größeren (weniger flachen) Winkel hereinkommt als der von Federer (bitte Video) und dass dies "mehr" Sprungkraft verursacht. Ich denke, der Effekt des Spins auf das Abprallen könnte dem Winkeleffekt entgegengesetzt sein (abhängig von der Griffigkeit), aber sicherlich kleiner.
Andererseits hat die Unterseite von Federers Ball aufgrund des Backspins eine höhere Geschwindigkeit als die von Nadal. Federers Ball verliert also viel Energie durch (horizontale) Reibung (Tag einschließen?) Mit dem Boden. Energie, die nicht mehr in die Sprungkraft gelangen kann. Der Spin-on-Bounce-Effekt scheint also ebenfalls einen Beitrag zu leisten (und ist dem Winkeleffekt nicht entgegengesetzt). Beachten Sie, dass ich nicht antworte, sondern nur rate. :)
Ich würde versuchen, ein YouTube-Video / GIF zu verlinken, nachdem ich von der Arbeit nach Hause gekommen bin. Bald
@aufkag Ihr zweiter Kommentar könnte eine gute Vermutung sein, da der Winkel zum Boden einen geringen Einfluss hätte, da beide Schüsse auf Kniehöhe und über das Netz gespielt werden
Links sind jetzt tot :(

Antworten (1)

Sie haben absolut Recht, dass die Richtungsänderung des Tennisballs auf den Druckunterschied auf der Ober- und Unterseite des Balls zurückzuführen ist. Unten sehen Sie ein Beispiel für einen Top-Spin-Schuss, bei dem der Ball von links nach rechts fliegt.

Luftstrom um den sich drehenden Ball herum und resultierende Kurve

Die Luftgeschwindigkeit, die den Ball auf der Oberseite passiert, ist langsamer als auf der Unterseite des Balls. Sie können dies sehen, indem Sie die blauen und gelben Pfeile oben und unten auf der Kugel summieren. Da eine schnellere Strömung einen geringeren Druck erzeugt, gibt es einen Druckunterschied zwischen der Ober- und Unterseite des Balls, mit hohem Druck oben und niedrigem unten. Dies zwingt den Ball nach rechts von seiner Bewegung (in diesem Beispiel nach unten).

Hier sieht man die Stromlinien rund um den Ball:

Magnus-Effekt

Je näher die Stromlinien , desto schneller die Strömung. Die Strömung bewegt sich auf der Unterseite der Kugel schneller, da die Stromlinien näher sind.

Nun zu Ihrer speziellen Frage, warum es anders springt. Betrachten wir die Kräfte auf den Ball im Backspin:

Kräfte am Ball

Wenn der Ball auf der anderen Seite des Spielfelds auf den Boden auftrifft, ist die vertikale Aufwärtsgeschwindigkeit (Aufwärtsbewegungsgeschwindigkeit), mit der er den Boden verlässt, proportional zur Abwärtsvertikalgeschwindigkeit (Abwärtsbewegungsgeschwindigkeit), mit der er auf dem Boden auftrifft. Es gibt zwei Kräfte in Aufwärts- und Abwärtsrichtung auf den Ball: die Gravitationskraft und die Auftriebskraft, wie im Bild oben zu sehen ist. Bei einem Backspin-Schuss ist die Auftriebskraft höher. Wenn wir nur die Geschwindigkeit des Balls in vertikaler Richtung betrachten, können Sie sehen, dass der Ball langsamer zu Boden fällt, da eine zusätzliche Kraft auf den Ball nach oben wirkt. Dadurch trifft der Ball mit geringerer Vertikalgeschwindigkeit auf die gegenüberliegende Seite des Spielfeldes und springt somit nicht so hoch wie "normal". Das Umgekehrte gilt für einen Top-Spin-Schlag. Der Topspin erhöht die Abwärtskraft und erhöht die Geschwindigkeit, mit der er auf den Boden trifft, da sowohl die aerodynamischen als auch die Gravitationskräfte den Ball nach unten drücken. Dadurch erhöht sich die Sprunghöhe. (Beachten Sie, dass ich die Tatsache vernachlässigt habe, dass die Richtung der Auftriebskraft senkrecht zur Bewegung und nicht zur Schwerkraft ist. Da sich der Ball jedoch die meiste Zeit senkrecht zur Schwerkraft bewegt, ist dies eine gute Annahme und Möglichkeit, die Physik zu zeigen.)

Hinzu kommt der Reibungseffekt, wenn der Ball auf den Boden trifft. Dies verändert die Flugbahn des Balls und hätte den gegenteiligen wahrgenommenen Effekt auf die Abprallhöhe wie oben:

Tennisball springt mit Spin

Die Richtungsänderung des Balls wirkt sich nicht so sehr auf die Abprallhöhe aus wie der Unterschied in der vertikalen Geschwindigkeit, wenn der Ball den Boden berührt. Beachten Sie, dass dieses Gleichgewicht der Effekte stark von der Geschwindigkeit des Balls abhängt. Da die Tennisprofis den Ball mit sehr hoher Geschwindigkeit schlagen, wirken die Druckkräfte stärker als die Reibungskräfte beim Auftreffen des Balls auf den Boden. Wenn Amateure Tennis spielen, können sie den Ball mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit drehen, aber ohne die horizontale Geschwindigkeit, um eine starke Krümmung des Balls zu verursachen. Dies würde bei Backspin einen höheren und bei Topspin einen geringeren Absprung bewirken. Wie bei allem ist es ein Kräftegleichgewicht.

Gute Antwort. Dies ist als „Magnus-Effekt“ bekannt. Sobald Sie diesen Namen kennen, können Sie nach Herzenslust googeln ... tatsächlich ist eines Ihrer Bilder das erste, das angezeigt wird, wenn Sie diesen Suchbegriff verwenden.
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