Topspin - fizika udarca

Topsin je zvučna riječ u teniskom svijetu. Svaki teniser teži tome da ima dobar topspin zbog toga što je taj udarac najneugodniji za protivnika.

Ali šta je to tačno topsin i zašto je poželjno toliko koristiti topspin?

Topsin uzrokuje veliku rotaciju loptice tako da loptice leluja u zraku i veoma je teško predvidjeti njezinu putanju, što stvara velike probleme igraču na suprotnoj strani.A igraču koji igra topspin omugučava veču kontrolu nad lopticom i opšte je poznato da loptica uslijed topspina leti visko iznad mrežice te da naglo pada , što smanjuje vjerovatnoču da loptica udari u mrežu.

Fizika topspina

Najjednostavije i najčešče objašnjenje efekta topspina na tenisku lopticu kaže: uslijed rotacije loptice stvara se iznad loptice područje visokog pritiska, a ispod loptice područje niskog pritiska, te ova razlika u pritisku uzrokuje skretanje loptice prema dole. Ali šta uzrokuje veči pritisak iznad loptice uslijed njene rotacije i zašto je ispod loptice pritisak niži i da li je baš taj viši pritisak to što naglo gura lopticu prema dole? Da bi odgovorili na ovo pitanje vratičemo se daleko u prošlost na sami početak proučavanja topspina.

Gotovo prije 340 godina, tačnije 1672 godine, poznati fizičar Isaac Newton u svom rukopisu spominje da spin tj. rotacije teniske loptice uzrokuje njeno lelujanje u zraku. Iako je Newton ustanovio da rotacija loptice uzrokuje čudnu putanju loptice tek su se u dvadesetom stolječu razvile metode pomoću kojih je obajšnjeno šta se ustvari dešava s lopticom.

Savremeno razumjevanje utjecaja topspina na putanju loptica započeto je 1853. godine kada je njemacki fizičar Heinrich Magnus matematički opisao rezultujuću sili koja djeluje na sferu koja se kreče u fluidu, što se moglo primjeniti i na kretanje loptice kroz zrak. Njegova jednačina pokazuje kad je topspin primjenjen na lopticu rezultujuća slila dajeluje na lopticu prema dole. Ovaj efekat se zove Magnusov efekat i primjenjuje se na sve spinove, a ne samo na topspin. Magnusov efekat zavisi od gustine zraka, brzine loptice te brzine rotacije loptice.

Njavažnije dvije stvari koje kaže Magnusov efekat teniserima su: što je brže loptica udarena i što više ima spina veča je sila prema dole.

Iako je Mgnusov efekat objasnio rezultujuću silu on nije objašnjavao odakle tačno potiče ova sila i šta joj je uzrok. Uzrok i odakle potiče ova sila, objasnio je 15-tak godina kasnije nijemački fizičar Ludwig Pradtl, 1904. godine, predstavivši ideju o graničnom sloju.

Ako stavimo neki predmet u fluid, dio fluida koji se nalazi na samoj granici predmeta ostaje na predmetu i što je predmet grublji više fluida ostaje. Pošto se zrak ponaša slično fuidu čestice zraka će ostati na površini loptice bez obzira što loptica rotira. Zrak koji se nalazi na graničnoj površini s lopticom, kreće se zajedno s njom pri čemu daje čudan efekat loptici, koja počinje da leluja.

Loptica rotira u smjeru kazaljke na satu povlačivši dio zraka s graničnog niova, ovaj dio zraka na gornjem dijelu loptice zajedno s lopticom, se kreće u suprotnom smjeru od protoka zraka. Dok se dio zraka na donjem graničnom sloju loptice kreče u smjeru protaka zraka. Ako nađemo rezultujuće brzina na gornjem dijelu i donjem dijelu loptice ustanoviti ćemo da se gornji dio loptice sporije kreće od donjeg dijela, to je zbog onog sloja zraka na gornjem graničnom dijelu loptice, koji se kreče u suprotnom smjeru od protoka zraka.

Daniel Bernoulli, švicarski matematičar, koji je živio i radio u 18-tom stoljeću, pokazao je da kod fuida koji se brže kreče pritisak veći nego kod fluida koji se sporije kreče. Pa ako ovaj zaključak primjenimo na tenisku lopticu, vidimo da je pritisak zraka veči na gornjem dijelu loptice nego na donjem, zato što se gornji dio loptoce kreče sporije od donjeg dijela. Na lopticu sa topspinom djeluje sila pritiska prema dole zbog koje loptica postepeno pada. Dakle uzrok rezultujuće sile prema dole je razlika pritisaka na gornjem i donjem kraju loptice uslijed njene rotacije.

Ovo objašnjenje svakao ima smisla, ali da li je u potpunosti istinito? Da li nešto tako jednostavno kao Bernulijev princip stvarno objašnajva zašto loptica naglo pada kada je na njoj primjenjen topspin? Bernulije princip donkele i objašnjava djelovanje topspina na lopticu dok je detaljniji opis dala tek modernija teorija tzv. "wind tunel", teorija o kojoj nečemo govoriti sad.

Dakle, da zaključimo, Heinrich Magnus bio je prvi naučnik koji je pronašao jednačinu pomoću koje smo mogli izračunati kolika je rezultujuča slila na lopticu sa topspinom. Ali ova jednačina nije nam dala objašnjenje zašto se loptica tako kreče, kako se kreće. Nešto kasnije Pradtl i Bernoulli objasnili su nam da se usljied trenja izmedju graničnog sloja loptice i protoka vazduha gornji dio loptice brze kreče, usljed rotacije loptice, od donjeg djela pri čemu se stvara razlika pritiska.