※ [本文转录自 Softball 看板] 作者: iray31 (greg) 看板: Softball 标题: (翻译)合成纤维球棒真的比铝合金球棒好吗？ 时间: Thu May 8 07:27:26 2008 (去年11月翻的~~~後来都没时间继续其他篇~~~有兴趣且有闲的帮忙翻其他的吧~~~) (翻译有错请指正，谢谢！) 原文出处：http://www.kettering.edu/~drussell/bats-new/compalum.html 图请参阅原文。 合成纤维球棒真的比铝合金球棒好吗？ 合成纤维材质制成的棒球棒和垒球棒其实已经存在好一阵子了，但他们却在近几年 才开始严重地威胁到铝合金球棒的地位。让我们将时光回朔到1985年，当时已经有 石墨跟塑胶材质的球棒问世，而在1980年代晚期，三大球棒制造商：Easton，Worth 和Louisville Slugger都推出了石墨材质球棒。厂商当时对这种球棒主要诉求重点是 〝铝合金球棒的耐用度加上木棒的特性〞。它们真的很耐操，但因为特性上实在比不 起当时後来广受欢迎的单层壁金属棒，所以後来就在市场上消失了。接下来的十年时 间石墨球棒可以说几乎在棒垒球界消声匿迹了，可是在1990年代後期，一些小规模的 球棒制造商，最受瞩目的Miken，为棒垒球市场引进了碳纤维材质球棒，或者我们称之 为合成纤维球棒，但就像它们的前辈，这些球棒还是一样很耐操，但是特性还是不怎 麽样。 但很快地在2000年後状况有了改变，2001年，Louisville Slugger的全合成纤维棒─ Genesis，在2001年的Bat Wars球棒博览会上，在球棒特性的评比中拿到了第一名的荣 誉，而总体评比也以些微落差输给了Worth的双层壁球棒─Est系列。现在合纤垒球棒 已经开始可以跟市面上最好的铝合金球棒媲美了。 在2002年的五月，Miken推出了Velocit-E 〝Ultra〞，到目前为止市面上可以买的到最暴力的垒球棒(不论你信不信，作者说他 看过一些比Ultra更暴力的初型棒)。就因为Ultra如此暴力，许多像是ASA的组织开始 禁用这支球棒并且威胁说要禁用所有的合纤棒，就像他们当初全面禁用钛合金棒一样。 但经过许多制造商及真正了解棒-球碰撞关系的科学家和工程师的意见和建议後，ASA 决定提高用以审核合格球棒特性标准的限制。现今各制造商提供了多重种类的合纤棒 供球友做选择，包括全合纤球棒、合纤握把加合金棒身、铝合金棒身外包覆合纤层， 甚至还有全合纤材质的双层壁球棒。慢垒款占合纤棒的主要市场，且合纤棒在慢垒比 赛绝对是立於主宰的地位。但尽管棒球棒也有全合纤材质的款式，大学以下的球员还 是偏爱铝合金球棒。 所以罗，上述内容把我们带回标题所说的：合成纤维球棒真的比铝合金球棒好吗？ 又为什麽好呢？ 合成纤维球棒比铝合金球棒好的证据 下图(请参阅原文)的数据是ASA在三年前为了制定新一版测量慢垒棒特性的高速测试法 所蒐集各种球棒的特性统计。在此测试方法中，他们用一个有固定旋转轴且可自由旋 转的钳子夹在离棒尾6in距离的握把上，接着将垒球用空气加农炮以时速110mile/hr 向球棒击球区发射，并在球与球棒撞击前後用光测速器量测球的行进速度。我们用一 个以能量不灭定律为基础，且考虑到撞击位置以及球棒的转动惯量的公式来预测一个 好的球员在球场上用未知特性的球棒能达到的击球速度。ASA协会蒐集了各种样式的球 棒(木棒、旧款及新款的单层壁、双层壁铝合金、钛金属，还有合成纤维球棒)然後在 制定高速特性测试的过程中也量测了他们的特性。2004年时我被允许可以接触到这批 球棒，这也让我可以尝试去将barrel hoop mode的频率跟被击球速度两者关系做连结。 而球棒的hoop frequency显然跟空心球棒的弹跳效应背後的物理现象有极为密切的关 联。在我相关於弹跳效应物理现象的实验性研究以及电脑模拟模型可以看出，hoop mode的频率越低，球棒击球区是越趋於理想的，也就是说弹跳效应越好，击球速度越 棒。图中的数据显示出此项预测说法是经由实验结果验证出来的，较高性能的球棒(击 球速度较高)，其hoop frequency看来都是比较低的ꄊ 我们在图中依球棒结构的不同，用各种颜色跟不同的形状来标示出各个数据点，此图 为特性量测结果提供了一个相当有趣的分析。使用高速撞击测试法，木棒的击球速度 大约在88~90mph之间(图中没有木棒的数据点，因为实心木棒没有所谓的hoop frequency)。 单层壁铝合金慢垒球棒的击球速度大约在90~96mph左右。 市面上最好的双能壁铝合金慢垒棒击球速度大约在96~100mph左右。 在1993年，Easton，Worth，跟Louisville Slugger 分别推出了钛金属垒球棒(其实 Worth 当时开发出来之後还不敢公诸於世，他们知道这将会改变垒球的生态，所以他们 一直等到Easton推出了之後他们才敢将他们自己的钛金属棒推上台面)。在钛金属球棒 刚推出时，当时最好的单层壁球棒的击球速度也才93~94mph左右，所以一支有着 100~103mph击球速度的钛金属棒进入了垒球赛场後旋即对垒球运动产生了冲击。而也 因为钛金属球棒的特性远超过市面上所有的球棒，它们在市面上推出三个月内就被所 有的协会组织给禁用了。 合成纤维棒含括了所有的特性(优点？)。早期的那几只(这次的研究没有测到)打起来 就像是一般的单层壁铝合金棒。而这次所挑选的近代的合成纤维棒其中一批的特性则 跟目前最好的双层壁铝合金球棒差不多，击球速度差不多在96~100mph左右。而还有一 批特别挑出来的超高效能合纤棒，包括最有名的Miken Ultra，这支的击球速度超过105mph。 图中98mph的水平线就是ASA依据ASTM-F2219高速测试标准为慢垒球棒所订定出来的 上限值。因为如此，像Miken Ultra，Ultra2代，Easton Synergy，钛金属棒，还有 其他的合成纤维棒以及双层壁金属棒这些高性能的球棒，都被禁止在ASA所属联盟的 比赛中使用。 合成纤维棒有哪些优点是超越铝金球棒的？ [1] 挥棒重量感更容易控制 从球与球棒撞击的简单物理分析中可以发现有两种方法可以提升球棒的特性。第一个 方法就是调整球棒的挥棒重量感。但事实上这讲起来又有一点点复杂，因为它包含了 两个会相互牵制的变数。如果一个球员可以强化他的肌肉而让同样重量的球棒挥起来 更快的话，击球速度就会因为挥棒速度变快而跟着变快。相反的，如果一个球员能够 在使用两支重量不同的球棒时仍旧拥有相同的挥棒速度的话，使用较重球棒时将会产 生较高的击球速度。最好的结果当然是使用重一点的球棒且挥棒速度快一点，但这对 一般的球员来说根本是办不太到的，尤其是还要能掌控球棒，所以通常我们通常只能 选择其中一种方法。那些强壮的好打者通常都倾向於较重的挥棒重量，因为他们有本 事挥得够快使得球棒的惯量能够在击球时提供有效的撞击力道。没那麽壮或是力量没 那麽大的打者就会倾向於挑一支挥棒重量感较轻的球棒来提升他们的挥棒速度藉以获 得较佳的击球速度。轻或重的挥棒重量感差别基本就是取决於平衡点(或称之为质心) 的位置还有转动力矩，较多详细的讨论会在作者的MOI and bat-swing speed文章中提 到，所以这边就不会深入研究这方面的作用。但是有一点基本概念大家要先了解的， 决定你的挥棒速度有多快的不是整支球棒的重量，而是球棒重量是如何地分布在整个 棒身上。 平衡点如果越接近握把，那这支球棒就越好挥动。作者实验室常摆着两支球棒，其中 一支他更是经常带到物理学课堂上去作为解释平衡点给学生了解的一个样本。两支材 质分别是铝合金跟合成纤维，长度都是34寸而且重量也是刚好30oz，但如果把这两支 拿出来挥挥看就会发现这两支球棒是截然不同的。其中那只铝合金球棒的平衡点是在 距离棒尾22.5inch的位置，而且其转动力矩相当大(11134oz-in)。而另外一支合成纤 维球棒的平衡点则是在离棒尾19.4in的位置，相对地它的转动力矩也就小的多(8963oz-in)。 尽管这两支球棒的实际重量是一样的，但因为平衡点的位置和转动力矩量不同，使得 这两支的挥棒重量感变的天差地远。 用来制造合成纤维球棒的石墨及玻璃纤维材质是要比铝合金轻得多的。事实上，大部 分的合纤棒在握把处都有加入细铁条来使得整体重量达到一般的要求。目前现有最轻 的球棒就是合纤棒。就其本质而言，我们可以很方便地将球棒的质量从棒头移到握把 处(或是相反的来制造出重头棒)藉以达到控制我们想要的平衡点位置以及挥棒重量感。 事实上在几年前，当大多数垒球组织都在使用BPF测试法(NCAA也用一个类似的方法称 作BESR)来决定球棒的特性时(测试的方法是用球棒的center-of-percussion去撞击球)， 後来发现只要将平衡点位置作偏移，球棒制造商就可以制造出一支可以通过规范， 但实际上其特性是远超过规范的球棒。 [2] Trampline 效应是可以调整的 第二个提升球棒特性的方法就是加强所谓的击球区的trampoline effect。球棒的击球 区在球棒与球的撞击过程基本上就是一个弹簧运动.如果击球区的弹簧效应是很硬的， 那当球撞击球棒时球会有较大程度的压缩(变形)而使得它在压缩变形及回覆形状的过程 中会损失相当程度的能量。但如果击球区是比较软的，击球过程击球区有较大程度的变 形，相对地球变形量较小，也就使得在撞击过程球损失的能量较少。而且在过程中暂时 储存於球棒壁中的能量也会再释放回球去而使得撞击後的飞球速度大幅增加。 以单层壁金属球棒来说，基本上要提升trampoline effect的方法大概就只有把球棒壁 弄得更薄，但一个随之而来的问题就是球棒壁可能太薄而无法在不产生凹陷或裂痕的状 况下承受球的撞击。另外一点是，弄薄球棒壁会改变整只金属棒的质量分布。 合成纤维棒有一个金属棒没有的优点，就是合纤材料具有非等向性( anisotropic)，也就是说合纤材料的伸缩性在每个方向并不是均等一致的。藉着改变 合纤材料织品的编织角度，可以使得球棒纵向(跟整支棒身同方向)及圆周向(环绕击球 棒身)的硬度可以任意更改而不互相影响，而且不会改变整支球棒的质量分布。也就是 说你可以制造出一支击球区很软但握把区还是很硬的合纤棒，或是相反的握把很软而 击球区很硬。因此合纤材料提供了制造商相当大的空间来设计一支可以符合他们期望 特性或手感的球棒。现在有特性跟较差的单层壁金属球棒一样的合纤棒，也有可以媲 美市面上最好的双层壁金属棒，当然还有能干掉所有金属棒(包括着名的钛金属棒)的 合纤棒。制造商可以利用调整击球区的的硬度来修正球棒的trampoline effect藉以提 升或是降低他们想要做到的球棒特性。 [3] 抗弯曲性也是可以调整的 如果是用铝合金，制造商在对於球棒结构完整性的要求妥协之前，唯一能做的就是击 球区跟握把区的球棒壁厚度能弄到多薄。曾有制造商告诉笔者他们如何去设计一支要 给美国女子代表队球员使用的全新原型快垒棒。为了能做到球棒够轻而且符合她希望 的挥棒重量感，厂商没有像以往的制程一样将握把区的球棒壁弄薄。这样的结果造成 当她每次打击有抓到好的击球点时球棒都会不可思议地从中间位置夸张地弯曲。为了 让握把区更强壮而不至於断掉，通常要达到这项要求的铝合金管厚度都会导致其高抗 弯曲的特性，虽然击球区也会影响这项特性。高的抗弯曲性指的是最低弯曲模式的弯 曲振动频率会落在手对於震动最敏感的范围。在远离甜蜜点区域打到球会造成球棒起 震，而此震动会被双手接收到而产生强烈的刺痛感。所以我们可以看到铝合金球棒都 有厚厚的握把布来提高吸震能力，而许多球员在使用铝合金球棒时要戴上厚厚的打击 手套来降低手震的刺痛感，这些现象绝非是发生在铝合金球棒上的巧合而已。 然而，合纤材料就提供了制造者这个选项─能够降低球棒的抗弯曲性而不改变击球区 任何一项强度特性，也就是影响球棒效能最重要的部分。这也就是说，球棒制造者可 以藉由调整抗弯曲性来设计出一只手感更好或是更少手震的球棒。右图是纪录一个人 手中握着震动握把时，在不同的振动频率下所产生的手震感。下面那一条实线的曲线 表示，手对於震动最敏感的频率大约是在200~300Hz之间，而100Hz以下及500Hz以上则 较不敏感许多。(请注意图中两轴的刻度都是以对数方式表示。)图中蓝色的点跟虚线 说明一支握把很硬且基本弯曲振动频率为220Hz的市售合纤慢垒棒的相对应手震感。 红色的点跟虚线则是一支抗弯曲性相对低很多而且基本弯曲振动频率为85Hz的球棒的 数据。我们用Threshold level这一条曲线来做说明，此曲线显示出受测者在较硬握把 的球棒上会比拥有较低抗弯曲性球棒超过十倍以上的手震感。 而这两个数值也表现出 了现今垒球棒存在的一个极限。所以当目前大多数慢垒球棒的基本弯曲振动频率都是 在150~200Hz之间时，合纤材料的使用则提供了制造商一个可控制的震动因素去调整球 员对於球棒的手震感。 在最近的一个趋势中，也就是DeMarini跟Easton成功地将此一技术用在其球棒且推入 市场，这个技术就是复合结构球棒，铝合金材质击球区跟低抗弯曲性合纤握把的结合 。此类球棒号称提升了"whip action"而能让球棒在挥击过程有更大的flex程度。这 个概念其实跟高尔夫球中好的挥杆过程是类似的，如果挥棒机制的时间点抓得刚刚好， 球棒在挥棒过程中有曲张的状况，而弯曲的现象使得球棒刚好在击中球之前开始往前 曲伸，因此造成球棒击球区的速度是结合了球棒原本的旋转跟曲伸两股能量，其有效 速度会比挥一支不会区伸、较硬的球棒的速度来的快。当然罗，如果你时间点没抓好 而使得球棒在往前击中球时曲伸现象还是在往後的状况下，整个有效挥棒速度就会降 低。就我所知，各垒球协会委员对於握把的曲伸"whip action"真的可以提升球棒特性 这一点还一无所知。但我也听到一些人说这个作用会影响打者的挥棒机制进而影响其 手感。 [4] 弯曲震动现象比较会被吸收掉 合纤材料的另一个优於铝合金材质的特点就是其天生的阻尼率是铝合金球棒的两倍。 阻尼率决定了一个震动物体其振幅多快减弱。阻尼率越高震动越快消逝掉，打者也越 不会感受到手震。低阻尼率则代表震动状况会延续较长的时间而使得打者较容易感受 到手震。笔者在实验室中使用量测了各种垒球、少棒、成棒用球棒的最初两个弯曲模 型态的阻尼率。所有合纤球棒或是握把是合纤的球棒，其阻尼率的最少都是铝合金球 棒的两倍，有些甚至有铝合金球棒10倍大的阻尼率。这算是为什麽合纤球棒号称有更 大击球甜蜜区的原因之一。当你球打到离击球甜蜜区有一段距离的位置但却不会有太 严重的手震时，那是因为会造成刺痛感的手震大多已经被合纤球棒本身给吸收掉了。 当然罗，我们也可以把阻尼吸震系统加在铝合金球棒上来提升阻尼率，实际上许多的 少棒球棒都有这种设计，但因为这样会造成球棒的重量加重，所以成人球棒通常都不 会这麽作。 [5] 没有响亮的碰撞声No "Ping" Sound 合纤球棒跟铝合金球棒最後一个不同点就是他们的击球声音是很不一样的。球棒在撞 击到球时发出的声音算是球员在判断其特性时所感觉的三种要素之一。相对於木棒打 到球时发出的爆裂声，铝合金球棒打到球时会发出很明显的碰撞声，此碰撞声通常会 很响亮，而且听起来就是一个单纯固定频率的声音。合纤球棒一样会制造出固定频率 的声音，但因为较高阻尼率而使得撞击声快速地减弱，听起来反而像是〝啪〞的声音。 This can take some adjusting to.(不了解这句话是啥意思)笔者听过一些习惯有响 亮碰撞声的铝合金球棒的球员在改打合纤球棒後抱怨合纤球棒的特性不好，因为合纤 球棒没有他们的铝合金球棒的撞击声。其实合纤球棒打出去的球是一样或是更快於铝 合金球棒的，但只是因为击球声音跟他们习惯的击球感觉不一样所以它的特性是不好 的。这种问题通常需要几次漂亮的击球来克服其错误的球棒特性认知，然後打者看到 球狂飞出去的结果之後就会试着去适应新的击球声音了。 -------------------------------------------------------------------------------- 作者参考文献(References) 请参阅原文网站资料~~~ --

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