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摘 要：随着棒球运动的风靡，对于棒球棒的研究也越发深入，国内外在该方面的专利申请量也在逐年上升。根据对现今棒球棒的研究，以及在相关理论研究下我国在棒球棒方面的发明创造进行了分析统计，并对相关的发明趋势进行了研究，为国内相关领域的研究提供参考。
关键词：棒球棒；运动力学；中空结构；专利
中图分类号：O326 文献标识码：A
引言：
棒球是一项起源于英国圆场球的体育项目，在美洲大陆得以发展，在美国，日本尤为盛行，被成为“国球”，在美国更是一项“国民运动”。随着国际化发展，棒球运动随之带向全球，现今已经在世界范围内刮起一场追捧热潮。棒球运动同样越来越受到中国人的青睐，尤其在高校，棒球的热度不断高涨，全国很多高校都有自己的棒球队，每年也在全国范围内有棒球联赛。可见，棒球已经成为当今年轻人的时尚运动，棒球也越来越多的进入了中国市场。随着这股潮流，也促使着国人对棒球进行了深入的研究。能够打出本垒打是每个击球者为之不断练习努力的目标。本垒打是一个棒球运动员技艺娴熟的表征，也是其运用球棒的精髓所致。而本垒打的打出并不是一件容易的事情，除了击球运动员超群的技艺外，球棒的精巧设计也是至关重要。棒球棒的最佳击球点是打出本垒打的条件之一，研究棒球棒的材料质地及其设计结构，对于发展棒球运动，提高棒球运动员运动水平等具有重要意义。
1、棒球棒的运动学分析
作为棒球击球者都知道，在棒球棒上有一个“最佳点”，也称之为“sweet point”，从击球者的角度看，最佳击球点也是打出本垒打——球以最快的速度离开球棒并且击球者的手几乎感觉不到振动和冲击的点，如图1所示的B点即为最佳击球点，若球落在A点和C点则得不到最佳效果的球。这个点，使得球和棒的冲击将会导致棒比较小的振动，并把棒的能量尽量多的转移给球，使球能够快速飞出。这就需要在球棒上找到这一撞击中心，球棒撞击时在握把处产生的净作用力被弱化，使得握把处因为震动而产生的能量消耗减到最小，从而最大限度地将能量传递给球，获得最佳的击球效果。这一现象也被成为“甜点”效应。对于棒球棒的研究，首先从棒球棒的运动学原理着手，确定球棒上的最佳击球点。
1.1运动模型
棒球的整个击球过程是一个非常复杂的动力学过程，对于棒球棒的运动学研究，国内有很多种方法对其进行研究说明，为球员的训练提供理论依据。多数的研究是根据冲量矩阵理论，对多刚体铰链模型进行运动力学分析，获得关于棒球在击出的球速的线性方程组，获得求解值，从而获得最佳的击球点。现阶段对棒球棒的运动学原理进行模拟分析的方法主要有限元模型[1]、碰撞模型[2]，铰联接模型[3]，梁振动模型[4]，还有其他的利用动力学原理来对棒球棒的整个运动过程进行剖析。
1.2最佳击球点的确定
击球点是最大限度地将能量传递到球上，即基础速度最大，在此基础上当该击球点在击打球体时球棒对击球手的冲击达到最小，则该点即为最佳击球点。并且在研究中发现，球与球棒的初始速度越大，球被击出速度越大；最佳击球点位置与球和棒的速度有关，而碰撞中心点与速度无关；回复系数对棒球击出速度影响很大，而对最佳击球点与碰撞中心COP位置没有影响。
2、棒球棒的材料与空间设计及其发展趋势
1884年美国Louisville Slugger公司制作了史上第一支白桦木球棒，也开启了当时强打者量身订作球棒的先驱，奠定了以白桦木制作球棒的基础。产自北美洲的白桦木，其特色优点为木质较软、重量较轻、弹性较佳，能提供较佳的打击表现，缺点则是耐用度较差。在严格的职业棒球赛中所用的棒球为木质棒球，而在所使用的材料主要集中在白桦木，枫木和青木，还有少量使用竹棒。美国最大木棒制造上Louisville Slugger在生成木棒的118个年头中曾尝试过不同的木头材质来制造木棒。然而在近一个世界的试验中发现，在所有的木材中最为适合制作木棒的非白桦木莫属。
市面上的球棒种类繁多，不仅有职业比赛中用的木质棒球，还有作为业余选手使用的铝制棒球，以及性能上更显优势的复合材料，例如美国Worth公司制成称为Copper head的电子棒球棒中使用的压电材料就是一种符合材料。
材料质地的选择与棒球的性能好坏有着莫大的关系[5][6]，因为不同材料的球棒在碰撞后产生的振动过程中的能量损耗不同。就木质和铝制的球棒而言，木质球棒的构造与铝棒的构造就有很大的不同，木质球棒多是由枫树做成。木棒与铝棒相比木棒的把手比较粗而棒筒比较细，这是因为如果把手比较细的话容易被折断。两种材质球棒的质心不同，铝棒的执行通常距离球棒的端点12.63英尺，而木棒通常是11.25英尺。因为铝棒的质心相对于木棒更加靠近握棒点，也就是说，击球手挥动铝棒相对比较容易，击出的球速也较快。研究表明铝棒相对于木棒可以传递给球更多的能量，所以铝棒击出的球速明显大于木棒。
另外，橡胶具有良好的弹性。在球棒大头挖空一个圆柱形，用橡胶填充。在冲击过程中，橡胶吸收能量，减少球对棒的冲击，导致球棒对手的作用力变小。因此，橡胶也是改善球棒性能的材料之一。由数据表明使用填充橡胶，或是金属球棒都可以很好地改善球棒的性能，提高击球效果。对于是否有填充物质的棒球的对击球速度的影响，研究表明当球棒质量减轻时，最佳击球点向着握手方向移动。
除了材料的选择对球棒性能有一定的影响作用，球棒的空间结构的设计也对其性能产生很大的影响。在棒球的发展之初，球棒是用实心实木所制，后来使用铝制材料，大多采用空心结构。建立在空心的结构之上，依据对棒球的甜心效应，以及蹦床效应的考虑，棒球设计者又在此基础上对棒球的结构进行了改进，例如双层棒体，紧跟其后的还有在两层棒体件增加各种结构件以在最大程度上提高球棒的性能。
3、我国棒球棒的专利发展
我国就相关于棒球的专利申请见于1985年，之后逐年增加。2012年的年申请量为146件，达到有史以来的申请最高峰。申请量的逐年增加也标志着棒球在国内的地位不断提升，对棒球的重视度也在不断提高，如图2所示。 图2 棒球在国内的年申请量
在所统计的申请中，又对主要申请人的申请量作了相关统计，得到图3所示。其中耐克公司在国内的申请量高达150件，这也是与耐克公司在体育用品领域的独占鳌头的实际相符的。
图3 棒球主要申请人在国内的申请量
下面对申请的棒球棒的结构设计等方面详细介绍棒球棒的整个发展过程，并对其今后的发展趋势进行相关的介绍。
棒球棒最初只是一根实心棒体，讲究是材质的选择来改善击球的效果，发展至今，除了材料的不同之外，结构上也发生了很大的变化。
首先是棒体外观轮廓的变化。球棒的整体分为棒柄，过渡段，最佳击球区和棒头四段。外形的设计重点是在保持原棒的力学特性基础上突出击球区域的位置，使得运动员在击球时能以最佳击球点将球击出，产生很好的效果。之后又有了金属元素的添加，以及中空的结构设计，使得球棒越来越多元化。
图4 前期棒球
尤其是中空的设计结构，如图4中所示的前期棒球，使得球棒发生了质的变化，并且之后的申请多是在中空的结构之上进行的改进。木棒的结构较为脆弱，容易裂损甚至折断；其次，木棒的整体重量较重，且其重心偏靠头部，平衡性不佳，因此，在挥动木棒时较为吃力、挥棒速度较慢，使得击出去的球较不强劲、飞行距离较短；而且木棒在中球时所产生的震动十分剧烈，会使打击者手部感到酥麻甚至造成伤害。相较之下，铝棒即较木棒坚固耐用，而且铝棒的重量较木棒轻盈许多，平衡点亦较趋理想，因此击球性能较佳，但是，铝棒在击球时仍有震动剧烈的问题，并且还会发出尖锐刺耳的击球声及余响。至于后来发展出的碳纤维球棒，则不但具有理想的配重及平衡性，且其结构更为坚韧强固，不易断裂或凹损。但是，只用碳纤维制作的球棒价格高昂，非一般消费者所能接受。因此，所出现的复合式棒球棒，将由纤维塑胶或者金属组成的中空芯管插入到球棒内部，由此，可以提升球棒的结构强度，使其不易断裂或弯曲变形，也可以提升击球部位的强度，使表面不易损伤。另外，中空的结构可减轻球棒的重量，同时使球棒的重心后移而获得较佳的平衡性。
在这种结构的基础上，又衍生出多种带有配重件或是附加件的设计。在附图5中，中空的球棒内前后两端添加有配重块，该配重块可受外力扭转而言该芯管轴向位移。配重块的添加可使球棒在挥击时产生较大的力矩，并且可在一定程度上扩大最佳击球区域，使得使用者容易以球棒击球效果最佳的点击中球体，且击球时更有力道，能将球击地更快更远。
图5 带有配重块的中空棒球棒
现今棒球棒的结构又进入了另一个阶段，在中空的球棒内添加中心管件，构成一种双层结构。2012年9月份申请号CN2010800581762的名称为具有内部撞击缓冲装置的球棒，如图6，其在中空的棒球内部添加有一中心管件，在中心管件的周围又包括有至少一个的限制构件。每一限制构件为能够承受形变的弹性物体。当该球棒撞击棒球时，该球棒棒体瞬时变形，且该棒体的内表面可接触该至少一个限制构件的一个或多个，该中心管件从与该撞击相反的方向上的同轴位置移动，直至该至少一个限制构件在与该撞击相反的侧面上接触该棒体的内表面。该棒体接着返回至其原始、未变形的形状，且该中心管件在其中返回至一同轴位置。该棒体的瞬时变形时藉由与一个或多个至少一个为变形限制构件的接触所限制的。限制该棒体的变形将限制其蹦床效应。
图6 带有中心管件的棒球棒
a b
图7 带有中心管件的棒球棒
在2013年以来，棒球棒的设计集中在复合结构上，附图7中的a上的中心支柱上安装有两个避震圈。该球棒通过与连接部的前端面轴向向外延伸出有支杆，配合该避震环的外侧壁与中空打击部的内侧壁之间形成有回弹间隙，以此使得当中空打击部受冲击力而发生震动时，震动传递到避震环上使得避震环在中空打击部内震动直至停止，避震环的震动难以通过支杆和连接部传递到手柄部上，避震效果佳，从而减弱对使用者手心造成的震动感，令使用者感觉更舒适。图7中b的设计是包含一个上芯管，一个下芯管，以及中间的连接件。利用该球棒本体与该内芯单元的组合，能减轻重量、增加结构强度，提高击球的效果。
4、结束语
现今对棒球棒的设计各有千秋，其所侧重点都有所不同，但最终的目的是提高击球质量，获得最佳击球效果。根据自己的击球方式和风格，找到一根适合自己的球棒，才能打出自己的本垒打。■
参考文献
[1]倪睿.基于有限元分析的棒球最佳击球点问题.南京师范大学学报，2010年9月.
[2]王凤军.棒球棒上的最佳击球点问题分析.第19届全国结构工程学术会议文集（第I册），2010年11月.
[3]蒋泉.棒球击球碰撞过程中的动力学分析.医用生物力学，2010年10月
[4]贾亚俊.基于最佳击球点问题而设计的棒球棒.科技创新导报，2011.
[5]张彤.棒球球棒最佳击球点和材质选择.辽宁科技大学学报，2011年4月.
[6]方舟.关于棒球最佳击球点的探讨.科技教育创新，2010年第12期.
作者简介：
王晶（1986-），女，硕士研究生，现就职于国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，主要从事专利的实质审查工作。
关键词：棒球棒；运动力学；中空结构；专利
中图分类号：O326 文献标识码：A
引言：
棒球是一项起源于英国圆场球的体育项目，在美洲大陆得以发展，在美国，日本尤为盛行，被成为“国球”，在美国更是一项“国民运动”。随着国际化发展，棒球运动随之带向全球，现今已经在世界范围内刮起一场追捧热潮。棒球运动同样越来越受到中国人的青睐，尤其在高校，棒球的热度不断高涨，全国很多高校都有自己的棒球队，每年也在全国范围内有棒球联赛。可见，棒球已经成为当今年轻人的时尚运动，棒球也越来越多的进入了中国市场。随着这股潮流，也促使着国人对棒球进行了深入的研究。能够打出本垒打是每个击球者为之不断练习努力的目标。本垒打是一个棒球运动员技艺娴熟的表征，也是其运用球棒的精髓所致。而本垒打的打出并不是一件容易的事情，除了击球运动员超群的技艺外，球棒的精巧设计也是至关重要。棒球棒的最佳击球点是打出本垒打的条件之一，研究棒球棒的材料质地及其设计结构，对于发展棒球运动，提高棒球运动员运动水平等具有重要意义。
1、棒球棒的运动学分析
作为棒球击球者都知道，在棒球棒上有一个“最佳点”，也称之为“sweet point”，从击球者的角度看，最佳击球点也是打出本垒打——球以最快的速度离开球棒并且击球者的手几乎感觉不到振动和冲击的点，如图1所示的B点即为最佳击球点，若球落在A点和C点则得不到最佳效果的球。这个点，使得球和棒的冲击将会导致棒比较小的振动，并把棒的能量尽量多的转移给球，使球能够快速飞出。这就需要在球棒上找到这一撞击中心，球棒撞击时在握把处产生的净作用力被弱化，使得握把处因为震动而产生的能量消耗减到最小，从而最大限度地将能量传递给球，获得最佳的击球效果。这一现象也被成为“甜点”效应。对于棒球棒的研究，首先从棒球棒的运动学原理着手，确定球棒上的最佳击球点。
1.1运动模型
棒球的整个击球过程是一个非常复杂的动力学过程，对于棒球棒的运动学研究，国内有很多种方法对其进行研究说明，为球员的训练提供理论依据。多数的研究是根据冲量矩阵理论，对多刚体铰链模型进行运动力学分析，获得关于棒球在击出的球速的线性方程组，获得求解值，从而获得最佳的击球点。现阶段对棒球棒的运动学原理进行模拟分析的方法主要有限元模型[1]、碰撞模型[2]，铰联接模型[3]，梁振动模型[4]，还有其他的利用动力学原理来对棒球棒的整个运动过程进行剖析。
1.2最佳击球点的确定
击球点是最大限度地将能量传递到球上，即基础速度最大，在此基础上当该击球点在击打球体时球棒对击球手的冲击达到最小，则该点即为最佳击球点。并且在研究中发现，球与球棒的初始速度越大，球被击出速度越大；最佳击球点位置与球和棒的速度有关，而碰撞中心点与速度无关；回复系数对棒球击出速度影响很大，而对最佳击球点与碰撞中心COP位置没有影响。
2、棒球棒的材料与空间设计及其发展趋势
1884年美国Louisville Slugger公司制作了史上第一支白桦木球棒，也开启了当时强打者量身订作球棒的先驱，奠定了以白桦木制作球棒的基础。产自北美洲的白桦木，其特色优点为木质较软、重量较轻、弹性较佳，能提供较佳的打击表现，缺点则是耐用度较差。在严格的职业棒球赛中所用的棒球为木质棒球，而在所使用的材料主要集中在白桦木，枫木和青木，还有少量使用竹棒。美国最大木棒制造上Louisville Slugger在生成木棒的118个年头中曾尝试过不同的木头材质来制造木棒。然而在近一个世界的试验中发现，在所有的木材中最为适合制作木棒的非白桦木莫属。
市面上的球棒种类繁多，不仅有职业比赛中用的木质棒球，还有作为业余选手使用的铝制棒球，以及性能上更显优势的复合材料，例如美国Worth公司制成称为Copper head的电子棒球棒中使用的压电材料就是一种符合材料。
材料质地的选择与棒球的性能好坏有着莫大的关系[5][6]，因为不同材料的球棒在碰撞后产生的振动过程中的能量损耗不同。就木质和铝制的球棒而言，木质球棒的构造与铝棒的构造就有很大的不同，木质球棒多是由枫树做成。木棒与铝棒相比木棒的把手比较粗而棒筒比较细，这是因为如果把手比较细的话容易被折断。两种材质球棒的质心不同，铝棒的执行通常距离球棒的端点12.63英尺，而木棒通常是11.25英尺。因为铝棒的质心相对于木棒更加靠近握棒点，也就是说，击球手挥动铝棒相对比较容易，击出的球速也较快。研究表明铝棒相对于木棒可以传递给球更多的能量，所以铝棒击出的球速明显大于木棒。
另外，橡胶具有良好的弹性。在球棒大头挖空一个圆柱形，用橡胶填充。在冲击过程中，橡胶吸收能量，减少球对棒的冲击，导致球棒对手的作用力变小。因此，橡胶也是改善球棒性能的材料之一。由数据表明使用填充橡胶，或是金属球棒都可以很好地改善球棒的性能，提高击球效果。对于是否有填充物质的棒球的对击球速度的影响，研究表明当球棒质量减轻时，最佳击球点向着握手方向移动。
除了材料的选择对球棒性能有一定的影响作用，球棒的空间结构的设计也对其性能产生很大的影响。在棒球的发展之初，球棒是用实心实木所制，后来使用铝制材料，大多采用空心结构。建立在空心的结构之上，依据对棒球的甜心效应，以及蹦床效应的考虑，棒球设计者又在此基础上对棒球的结构进行了改进，例如双层棒体，紧跟其后的还有在两层棒体件增加各种结构件以在最大程度上提高球棒的性能。
3、我国棒球棒的专利发展
我国就相关于棒球的专利申请见于1985年，之后逐年增加。2012年的年申请量为146件，达到有史以来的申请最高峰。申请量的逐年增加也标志着棒球在国内的地位不断提升，对棒球的重视度也在不断提高，如图2所示。 图2 棒球在国内的年申请量
在所统计的申请中，又对主要申请人的申请量作了相关统计，得到图3所示。其中耐克公司在国内的申请量高达150件，这也是与耐克公司在体育用品领域的独占鳌头的实际相符的。
图3 棒球主要申请人在国内的申请量
下面对申请的棒球棒的结构设计等方面详细介绍棒球棒的整个发展过程，并对其今后的发展趋势进行相关的介绍。
棒球棒最初只是一根实心棒体，讲究是材质的选择来改善击球的效果，发展至今，除了材料的不同之外，结构上也发生了很大的变化。
首先是棒体外观轮廓的变化。球棒的整体分为棒柄，过渡段，最佳击球区和棒头四段。外形的设计重点是在保持原棒的力学特性基础上突出击球区域的位置，使得运动员在击球时能以最佳击球点将球击出，产生很好的效果。之后又有了金属元素的添加，以及中空的结构设计，使得球棒越来越多元化。
图4 前期棒球
尤其是中空的设计结构，如图4中所示的前期棒球，使得球棒发生了质的变化，并且之后的申请多是在中空的结构之上进行的改进。木棒的结构较为脆弱，容易裂损甚至折断；其次，木棒的整体重量较重，且其重心偏靠头部，平衡性不佳，因此，在挥动木棒时较为吃力、挥棒速度较慢，使得击出去的球较不强劲、飞行距离较短；而且木棒在中球时所产生的震动十分剧烈，会使打击者手部感到酥麻甚至造成伤害。相较之下，铝棒即较木棒坚固耐用，而且铝棒的重量较木棒轻盈许多，平衡点亦较趋理想，因此击球性能较佳，但是，铝棒在击球时仍有震动剧烈的问题，并且还会发出尖锐刺耳的击球声及余响。至于后来发展出的碳纤维球棒，则不但具有理想的配重及平衡性，且其结构更为坚韧强固，不易断裂或凹损。但是，只用碳纤维制作的球棒价格高昂，非一般消费者所能接受。因此，所出现的复合式棒球棒，将由纤维塑胶或者金属组成的中空芯管插入到球棒内部，由此，可以提升球棒的结构强度，使其不易断裂或弯曲变形，也可以提升击球部位的强度，使表面不易损伤。另外，中空的结构可减轻球棒的重量，同时使球棒的重心后移而获得较佳的平衡性。
在这种结构的基础上，又衍生出多种带有配重件或是附加件的设计。在附图5中，中空的球棒内前后两端添加有配重块，该配重块可受外力扭转而言该芯管轴向位移。配重块的添加可使球棒在挥击时产生较大的力矩，并且可在一定程度上扩大最佳击球区域，使得使用者容易以球棒击球效果最佳的点击中球体，且击球时更有力道，能将球击地更快更远。
图5 带有配重块的中空棒球棒
现今棒球棒的结构又进入了另一个阶段，在中空的球棒内添加中心管件，构成一种双层结构。2012年9月份申请号CN2010800581762的名称为具有内部撞击缓冲装置的球棒，如图6，其在中空的棒球内部添加有一中心管件，在中心管件的周围又包括有至少一个的限制构件。每一限制构件为能够承受形变的弹性物体。当该球棒撞击棒球时，该球棒棒体瞬时变形，且该棒体的内表面可接触该至少一个限制构件的一个或多个，该中心管件从与该撞击相反的方向上的同轴位置移动，直至该至少一个限制构件在与该撞击相反的侧面上接触该棒体的内表面。该棒体接着返回至其原始、未变形的形状，且该中心管件在其中返回至一同轴位置。该棒体的瞬时变形时藉由与一个或多个至少一个为变形限制构件的接触所限制的。限制该棒体的变形将限制其蹦床效应。
图6 带有中心管件的棒球棒
a b
图7 带有中心管件的棒球棒
在2013年以来，棒球棒的设计集中在复合结构上，附图7中的a上的中心支柱上安装有两个避震圈。该球棒通过与连接部的前端面轴向向外延伸出有支杆，配合该避震环的外侧壁与中空打击部的内侧壁之间形成有回弹间隙，以此使得当中空打击部受冲击力而发生震动时，震动传递到避震环上使得避震环在中空打击部内震动直至停止，避震环的震动难以通过支杆和连接部传递到手柄部上，避震效果佳，从而减弱对使用者手心造成的震动感，令使用者感觉更舒适。图7中b的设计是包含一个上芯管，一个下芯管，以及中间的连接件。利用该球棒本体与该内芯单元的组合，能减轻重量、增加结构强度，提高击球的效果。
4、结束语
现今对棒球棒的设计各有千秋，其所侧重点都有所不同，但最终的目的是提高击球质量，获得最佳击球效果。根据自己的击球方式和风格，找到一根适合自己的球棒，才能打出自己的本垒打。■
参考文献
[1]倪睿.基于有限元分析的棒球最佳击球点问题.南京师范大学学报，2010年9月.
[2]王凤军.棒球棒上的最佳击球点问题分析.第19届全国结构工程学术会议文集（第I册），2010年11月.
[3]蒋泉.棒球击球碰撞过程中的动力学分析.医用生物力学，2010年10月
[4]贾亚俊.基于最佳击球点问题而设计的棒球棒.科技创新导报，2011.
[5]张彤.棒球球棒最佳击球点和材质选择.辽宁科技大学学报，2011年4月.
[6]方舟.关于棒球最佳击球点的探讨.科技教育创新，2010年第12期.
作者简介：
王晶（1986-），女，硕士研究生，现就职于国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，主要从事专利的实质审查工作。