🎾Tennis - Die Technik ist entscheidend.🎾

Der Auf- und Absprung des Tennisballs

Durch den Aufsprung ändert sich der Impuls und der Drehimpuls des Tennisballs.
Der Impuls und der Drehimpuls sind 2 physikalische Erhaltungsgrößen, die sich gegenseitig nicht beeinflussen. Die Wucht des Balls wird physikalisch über den Impuls beschrieben. Die Rotation des Balls wird über den Drehimpuls beschrieben.

Formeln
Impuls (Ball) = Masse · Geschwindigkeit
Drehimpuls (Ball) = Trägheitsmoment · Winkelgeschwindigkeit

Unmittelbar vor dem Aufprall
Aufgrund der Luftreibung verliert der Ball während des Flugs fortlaufend Geschwindigkeit und Rotationsgeschwindigkeit. Deswegen sind die Höhe des Impulses und die Höhe des Drehimpulses unmittelbar vor dem Aufprall zu bewerten.

Die Masse und das Trägheitsmoment des Tennisballs sind konstant. Deswegen ist die entscheidende und variable Größe für den Impuls die Geschwindigkeit des Balls und für den Drehimpuls die Winkelgeschwindigkeit des Balls.

Der Impuls ist eine Vektorgröße. Beim Aufprall spielt vertikale Geschwindigkeit des Balls eine Rolle. Neben dem Impuls und dem Drehimpuls des Balls spielen die Eigenschaften der Oberfläche des Tennisplatzes eine wichtige Rolle. Bei der Oberfläche ist entscheidend, inwieweit beim Aufprall die kinetische Energie des Balls in potenzielle Energie und beim Absprung wieder in kinetische Energie umgewandelt wird. Dies hängt von den Rebound-Eigenschaften der unterschiedlichen Tennisbeläge ab.

Außerdem ist Aufprallwinkel im Zusammenhang mit der Rauigkeit des Platzes für den Aufprall und den Abflug des Balls entscheidend. Der Aufprallwinkel resultiert aus der Richtung der Ballgeschwindigkeit. Die Geschwindigkeit ist eine Vektorgröße. Die Geschwindigkeit lässt sich in einen vertikalen und horizontalen wirkenden Geschwindigkeitsanteil aufteilen. Das Verhältnis zwischen horizontalem und vertikalem Geschwindigkeitsanteil des Balls bzw. die Richtung der Ballgeschwindigkeit bestimmen den Aufprallwinkel.

Zudem ist die Rauheit der Platzoberfläche entscheidend für den Absprung. Durch raue Oberflächen bzw. durch Reibung wird die horizontale Geschwindigkeit des Balls abgebremst. Außerdem wird der Drehimpuls des Balls beeinflusst. Der Sandplatz ist aufgrund seiner rauen Oberfläche der langsamste Platz.

Der Aufprall
Der Aufprall des Balls auf den Tennisplatz liegt mit 0,004 s im Millisekunden-Bereich. Deswegen kann der Tennisspieler den Aufprall des Balls nicht sehen. Innerhalb der 4 Millisekunden wird der Ball abgestoppt und mit geändertem Spin wieder beschleunigt.

Der Ball hat unmittelbar nach dem Aufprall ca. 30 % weniger kinetische Energie als vor dem Aufprall. Die Energieverluste sind beim Aufprall hauptsächlich durch Reibungsverluste zu erklären. Reibungsverluste entstehen durch Gleitreibung und Rollreibung.

Die Faktoren Anflugwinkel, Ballgeschwindigkeit, Drehimpuls, Rebound-Fähigkeit des Platzes und die Rauheit der Oberfläche sind zu berücksichtigen.

Beim Absprung ist der Augenblick zu analysieren, wenn der Ball „bites" und abspringt.
Wenn in diesem Augenblick die von dem Angriffspunkt der resultierenden Kraft die Wirklinie der Kraft nicht durch den Schwerpunkt des Balls verläuft, springt der Ball mit einem Drehimpuls ab.

Der Absprung
Der Abflugwinkel beim Absprung ist das Resultat des horizontalen und vertikalen Geschwindigkeitsanteiles des Balls unmittelbar nach dem Absprung.

Unmittelbar nach dem Absprung hat der Ball die höchste Geschwindigkeit und die höchste Winkelgeschwindigkeit. In diesem Augenblick sind der Impuls und der Drehimpuls des Balls bezogen auf den Weg zum Treffpunkt am höchsten.

Unmittelbar nach dem Absprung verändert die Magnus-Kraft, die durch den Drehimpuls bzw. durch die Rotation verursacht wird, die Flugbahn des Balls zum Treffpunkt.

Der horizontale Anteil der Geschwindigkeit nimmt aufgrund der Lufttreibung auf dem Weg zum Treffpunkt weiter ab.

Die vertikale Geschwindigkeit des Balls nimmt bis zum Scheitelpunkt der Flugkurve ab. Im Scheitelpunkt beträgt die vertikale Geschwindigkeit 0 m/s. Die potenzielle Energie (Lageenergie) ist nach dem Absprung an dieser Stelle am höchsten. Nach dem Überschreiten des Scheitelpunkts wird die potenzielle Energie auf Basis der Fallbeschleunigung in vertikale Ballgeschwindigkeit umgewandelt. Dementsprechend nimmt die vertikale Geschwindigkeit des Balls bis zum Treffpunkt bzw. bis zum 2. Aufsprung des Balls zu.

Absprung - Möglichkeiten
Der Ball kann je nach Spin und Geschwindigkeit von der Platzoberfläche in jede Richtung abspringen. In Grenzbereichen kann der Ball direkt beim Auftreffen über die Oberfläche rutschen (gleiten) oder sehr selten rollen.

Bei Slice-Grundschlägen ist der Aufsprungwinkel flacher als der Absprungwinkel. Der Backspin wird beim Aufprall umgewandelt in Vorwärtsrotation bzw. Topspin.

Beim Topspin ist der Aufsprungwinkel des Balls steiler als der Absprungwinkel. Die Vorwärtsrotation wird durch den Aufsprung noch schneller.

Bei flachen Bällen ohne Drall entsteht beim Aufprall Vorwärtsdrall. Je höher die Geschwindigkeit des Balls ist, desto mehr Vorwärtsdrall entsteht beim Aufprall.

Der Backspin wird beim Aufprall in der Regel in Vorwärtsdrall umgewandelt. Nur bei sehr langsamen Schlägen, wie z.B. beim Stopp, kann der Ball durch den Backspin in Richtung des Netzes zurückspringen.

Sidespin wird beim Slice-Aufschlag erzeugt. Beim Slice-Aufschlag eines Rechtshänders dreht sich der Ball nach links weg.

Beim Topspin- oder Kickaufschlag springt der Ball hoch und mit Vorwärtsrotation ab. Außerdem wird der Ball mit etwas Sidespin geschlagen und springt dementsprechend auch seitlich ab.

Rafael Nadal: „From the moment the ball is in motion, it comes at you at an infinitesimal number of angles and speeds; with more topspin, or backspin, or flatter, or higher. The differences might be minute, microscopic, but so are the variations your body makes-shoulders, elbow, wrists, hips, ankles, knees-in every shot. And there are so many other factors-the weather, the surface, the rival. No ball arrives the same as another; no shot is identical."