Вибрации — это физическое явление, присущее почти любому предмету. Заключается оно в колебаниях структур тела под воздействием приложенной к нему силы. Характерной чертой вибраций, отличающих их от просто перемещений, является то, что вибрации имеют период колебаний и т.н. время затухания, т.е. они не прекращаются сразу же после окончания действия силы, вызнавшей вибрации. Такие колебания принято называть собственными колебаниями или резонансными для данного тела, а время их затухания после снятия силы характеризуют постоянной времени колебаний. Так как вибрации не обязательно должны быть гармоническими, то есть синусоидальными, то одной из основных характеристик вибраций любого тела являются спектр их частот.
Внешним проявлением вибраций может быть не только видимое или ощущаемое движение тела, но и звук, издаваемый им при воздействии силы.
Чтобы записать вибрации теннисного инвентаря использовалась программа SpectraLab, имеющая неплохое разрешение по частоте, времени и амплитуде. Установка состояла из микрофонного датчика, прикрепляемого к различным местам ракетки, сигнал от которого поступал на аналоговый вход анализатора SpectraLab.
На рис. 4.1 представлен спектр частот обода ракетки фирмы HEAD модель Liquid Metal. Как видно из рисунка основная частота ракетки находится возле 130гц. Всплеск на 26-30 гц — это т.н. камертонные или трамплинные колебания
На рис. 4.2 представлена запись электрического сигнала вибраций ракетки Chang фирмы Prince. Надо заметить, что эта ракетка не жесткая и к тому же удлиненная (28 дюймов), поэтому вибрации достаточно большие, а затухание довольно длительное (порядка 150 мс).
С помощью указанной программы было исследовано 10 ракеток различных производителей, которые отличались размерами, весом, материалом и жесткостью обода, струнами. Показывать ’ здесь все картинки не имеет смысла, так как полученные выводы общеизвестны: вибрации уменьшаются с ростом жесткости ракетки, увеличением ее веса и уменьшением размера. Уровень вибраций металлических ракеток примерно в три раза выше уровня вибраций графитовых и композиционных. Спектр вибраций ракеток лежит в пределах от 100 гц (металлические ракетки) до 200 гц (жесткие композитные ракетки). Спектр вибраций струн находится в районе 400-800гц в зависимости от типа струн и жесткости СПР. Различные виброгасители уменьшают длительность вибраций струн в 2-3 раза.
Как же колеблется ракетка? Физика колебаний ракетки почти не отличается от физики колебаний однородного упругого стержня. Если зажать ручку ракетки в тиски и ударить мячом по СПР, то ракетка начнет колебаться подобно камертону или доске трамплина. Однако рука теннисиста не обладает такой жесткостью как тиски, поэтому уровень трамплинных колебаний при игре весьма малый (см. рис. 4.1). Но этот факт не означает полного отсутствия влияния трамплинных колебаний на отскок мяча от ракетки. Упругость СПР и упругость «трамплина» обода взаимодействуют друг с другом при ударе мяча подобно двум последовательно соединенным пружинам, т.е. больше сжимается менее жесткая пружина. Подробней это будет анализироваться в 7 главе книги, а сейчас рассмотрим основную частоту колебаний ракетки (fundamental transverse vibration mode). На рис. 4.3 изображено положение ракетки в двух крайних точках стоячей изгибной волны (амплитуды колебаний во много раз увеличены). Из рисунка видно, что в
узлах колебаний движение ракетки отсутствует. При попадании мяча в узел колебаний, ракетка почти не вибрирует (за исключением трамплинных колебаний), поэтому это место относят к особым точкам ракетки.
Термин «точка» здесь употреблен условно, так как на самом деле узел колебаний, лежащий на головке ракетки, представляет собой параболическую линию с вершиной, на оси ракетки, и ветвями, направленными вбок-вверх по СПР. Найти положение узла колебаний на головке ракетки очень просто: для этого необходимо взять’ракетку одной рукой за ручку, а пальцами другой постукивать по СПР, начиная с ее верхней части и постепенно смещать постукивание к шейке ракетки. Когда место постукивания совпадет с узлом колебаний, то вибрации ракетки, ощущаемые в ручке при постукивании, исчезнут.
При ударе в ракетке появляются также колебания более высоких порядков, т.е. более высоких частот, которые здесь не будем рассматривать из-за малости их амплитуд. Надо отметить, что в ракетке существуют и продольные колебания, которые передают звук внутри материала ракетки от одного конца к другому. Частота этих колебаний значительно выше частоты поперечных колебаний. Данные колебания мы тоже не будем рассматривать т.к. а) они незначительны по амплитуде б) они практически не влияют на физику удара.
