作者：張澤 | 中國科學院大學 培養(yǎng)單位：中國科學院物理研究所 審核：章一奇 特聘研究員 | 中國科學院物理研究所
在我們身邊，臺球正悄然流行起來。從社區(qū)活動中心到商業(yè)街的新式球房，越來越多年輕人開始拿起球桿，享受每一次擊球瞬間的樂趣與挑戰(zhàn)。2025年，趙心童、白雨露等中國選手在國際賽場屢創(chuàng)佳績，不僅刷新了中國臺球的歷史，也讓更多人關(guān)注并愛上了這項充滿智慧與技巧的運動。
但不知道你是否也經(jīng)歷過這樣的場面：瞄準，出桿，清脆一響……眼看著目標球直奔袋口，卻莫名其妙在最后時刻彈了出來！ 這抓狂的一幕，真的只是因為貴兄“今天手感不好”嗎？
不不不，別急著怪手感。其實每一次精準進球和細膩走位，背后都藏著硬核的數(shù)學和物理規(guī)律！
今天，就讓我們拋開玄學，重新用科學打開臺球新世界的大門
1、準度
“瞄準不是憑感覺，出桿也要講科學”
大家都知道，臺球的基本規(guī)則是用母球把目標球撞進球袋。所以，“準度”是第一關(guān)。很多初學者以為，只要把母球?qū)誓繕饲蚝痛诘倪B線（進球線）擊打，就能進球。但，真的這么簡單嗎？
實際上，臺球的碰撞可以近似看作“二維剛體的彈性碰撞”。也就是說，碰撞后目標球的運動方向，會沿著撞擊瞬間兩球心之間的連線方向運動。
如圖1所示，目標球被撞擊后的運動方向，嚴格遵循一個物理規(guī)律：目標球獲得的速度方向，將沿著碰撞瞬間兩球中心點之間的連線方向射出（此處省略萬字證明）。
圖 1 理想二維剛體的彈性碰撞
那么問題來了：我們到底該瞄哪里呢？
答案就是臺球界經(jīng)典不衰的——“假想球瞄準法”（圖2）。
圖 2 “假想球”瞄準法
你可以在腦海中假想：目標球的后方，還貼著另一個一模一樣的“虛擬球”。它的中心，正好落在進球線上。這時，你只需將母球擊向這個“假想球”的中心位置，目標球就能穩(wěn)穩(wěn)進袋！
聽起來是不是很神奇？還沒完呢——
即便你瞄得再準，出桿那一瞬的擊球點，也會通過一種叫“噴射效應(yīng)”（Squirt）的物理現(xiàn)象，悄悄改變母球的路線。
圖 3 臺球中的噴射效應(yīng)
如圖3所示，當桿頭偏離母球（半徑R）中心（偏移距離為b）擊球時，桿頭對母球的力可以分解為兩個分量：
? 法向力N：指向母球球心。
? 切向摩擦力F：平行于接觸點切線方向（源自桿頭與球的摩擦）。
這兩個力的合力T的方向不再與球桿的擊打方向一致，這導(dǎo)致母球在離桿瞬間，其運動方向會偏離預(yù)期方向一個角度α，這種現(xiàn)象就是臺球術(shù)語中的 “噴射”（Squirt）或“讓點”。
根據(jù)圖3中的幾何關(guān)系和力學原理，我們可以發(fā)現(xiàn)：擊打點如果偏離母球中心，就會產(chǎn)生偏移角α，并且其大小和偏移量b相關(guān)。這一微小的偏差，會通過噴射效應(yīng)顯著改變母球出射方向，導(dǎo)致目標球最終沒有入袋。
精確的瞄準和穩(wěn)定的打點，構(gòu)成了臺球最核心的基本功。所以你會發(fā)現(xiàn)：真正的高手，不僅眼光準，出手也穩(wěn)——每一桿都在和控制“打點”的物理規(guī)律打交道，即使是經(jīng)驗豐富的球員，也需要日復(fù)一日的訓練來打磨這兩項技藝。
2、走位
“駕馭母球是門藝術(shù)”
能把球打進只是入門，真正拉開差距的，還得看“走位”的本事。所謂走位，就是通過控制母球碰撞后的路線，為自己下一桿制造機會。而這背后的關(guān)鍵，在于理解“分離角”。
分離角，即碰撞后母球的運動方向與目標球運動方向之間的夾角（圖4）
圖 4 分離角示意圖
分離角θ是指母球與目標球碰撞后，母球的最終運動方向（即其進入穩(wěn)定滾動后的方向）與目標球運動方向之間的夾角。
精確計算分離角比較麻煩，不過不用擔心，我們熟悉的科里奧利（沒錯，就是發(fā)現(xiàn)“科里奧利效應(yīng)”的那個科里奧利）在19世紀就對分離角做出過嚴格的數(shù)學推導(dǎo)。
法國科學家古斯塔夫?科里奧利
科里奧利不僅是一位卓越的物理學家和數(shù)學家，同時也是一位狂熱的臺球愛好者，他甚至撰寫了一本名為《臺球中的數(shù)學理論》（Théorie Mathématique des Effets du Jeu de Billard）的書，來介紹臺球中的數(shù)學和物理。不過很可惜，這本書并沒有在臺球界受到廣泛閱讀，因為它過于學術(shù)，并且是用法語寫成的。
物理、數(shù)學雙料高材生科里奧利先生，在他的書中幾乎窮盡了球桌上可能發(fā)生的各種力學問題，其中自然也包括我們今天的主角——分離角。
科里奧利認為——如果母球在碰撞時沒有旋轉(zhuǎn)，那么它會以90°的分離角彈開；但如果加了旋轉(zhuǎn)（比如高桿、低桿），事情這就變得復(fù)雜起來了……
若碰撞瞬間，母球帶有旋轉(zhuǎn)（這里指上旋和下旋），在碰撞后，母球和球桌之間存在相對滑動，我們可以證明（正如科里奧利先生那樣），二者接觸點的速度 與其加速度之間存在這樣的關(guān)系：
其中μ和g分別為球桌與母球之間的摩擦系數(shù)和重力加速度。從中可以看到，接觸點的加速度與速度永遠同向，即其速度方向（同時也是其摩擦力方向）保持不變，此時母球只受到一個方向和大小都不變的力，這正是重力場中的拋物運動，因此帶旋轉(zhuǎn)時，母球在碰撞后的路徑是一個拋物線，直到其與球桌的相對滑動消失。此時分離角θ為：
其中，φ為母球初始運動方向和子球撞擊后運動方向的夾角，v0為母球初始速度，R為母球半徑，ω為母球碰撞時的旋轉(zhuǎn)角速度。
不過，現(xiàn)實中大概率不會有機會讓我們打臺球的時候掏出紙筆（或者是電腦）來計算分離角，而且據(jù)說科里奧利本人的臺球水平也不高。（可能他在數(shù)學和物理上的努力并沒有留給他太多的業(yè)余時間）
在實際情況中，人們更多是通過控制對母球的打點（高桿和低桿，見圖5），以及力度，來進行走位，這需要大量的練習。不同打點以及速度對分離角的影響如圖6所示?？傮w來說，速度越快，母球越傾向于先沿著90°分離角飛出，而桿法越低，母球越傾向于先向后滾動，高桿同理。
圖 5 不同桿法和速度對分離角的影響
感謝科里奧利的精彩推導(dǎo)。不過說實話，真要一邊打球一邊掏筆計算，可能球還沒進，朋友已經(jīng)走光了。
所以現(xiàn)實中，大家更常用的是直覺+經(jīng)驗：
? 高桿（擊打母球上部），母球會向前跟進；
? 低桿（下部），母球會向后回旋；
? 配合力度控制，力量越大，母球越先按90°分離角運動，再依旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化。
結(jié)語
讀到這里，有些同學可能躍躍欲試，也有些同學默默吐槽：“道理我都懂，可為什么還是打不好？”也許……真的不怪你！
“球桿彎了？”
“皮頭老化？一打滑就‘呲桿’”
“球沒擺緊？”
“開局散得不均勻怎么打怎么別扭”
甚至臺面不平、燈光刺眼、對手突然咳嗽……都可能是你“發(fā)揮失?！钡睦碛?！所以說，在認真鉆研瞄準與走位之前，先確保你的裝備和環(huán)境別拖后腿。
圖 6 打球失誤的各種理由
但最后我想說的是，臺球的最高配置，不是多貴的桿子、多好的臺子，而是那個愿意陪你練球、互相吐槽、一起進步的——好朋友??。
快把這篇文章轉(zhuǎn)發(fā)給陪你打球的小伙伴們吧~
參考文獻：
[1] Fundamentals - dr. Dave pool info [EB/OL]. from https://drdavepoolinfo.com/tutorial/fundamentals/.
[2] Billiard Dynamics 臺球動力學[EB/OL]. From https://zhuanlan.zhihu.com/p/487265175.
本文轉(zhuǎn)載自《中科院物理所》微信公眾號
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