Serven är utan tvekan den viktigaste komponenten i det moderna tennisspelet - och det snabbare, desto bättre.

Men när det bryts ner till mycket förenklade vetenskapliga överväganden, de hastigheter vi rutinmässigt ser toppspelare nå när de levererar en servering är teoretiskt omöjliga.

Så hur gör de det? Svaret innebär Isaac Newton, pingis och lite "fusk" (ur fysikalisk synvinkel).

Att servera snabbt verkar omöjligt

En boll som träffar snabbt och rakt kan inte rensa nätet och landar fortfarande på servicetorget om inte bollen träffas från minst 2,6 meter över marken. Enligt denna ekvation, det finns helt enkelt inte tillräckligt med tid för gravitationen att dra en höghastighetsboll ner i servicetorget.

Även om en spelare och deras racket tillsammans skulle kunna nå upp till nästan tre meter, felmarginalen skulle bara vara 13 centimeter. Och det är bara om du kan tjäna över den lägsta delen av nätet.

Så om du inte är långt över sex fot lång (183 cm), att servera supersnabbt är omöjligt - ur fysikalisk synvinkel. Ändå ser vi regelbundet även de kortaste spelarna som tjänar över 180 km i timmen med stor noggrannhet.

Så hur görs det?

Svaret är naturligtvis att spelarna ger toppsnurr på bollen.

Detta fenomen observerades och åtminstone delvis beskrivs 1672 av Isaac Newton (efter att ha sett tennis)-men en mer välkänd beskrivning av toppsnurr är kopplad till den tyska fysikern HG Magnus, som observerade det i pingis.

Om racketen borstas över bollens ovansida under serveringen, bollen snurrar framåt när den färdas. Luften som omger bollen börjar också snurra med den.

Fysiker kallar denna luft för "gränsskiktet", och det bildas runt alla föremål i rörelse när de färdas (du kommer att känna det här som en storm av vind när en bil, lastbil eller tåg rusar förbi). När bollen trycker in i den mötande luften, luften som rör sig över toppen av bollen kolliderar med den mötande luften. Den luften bromsas och avböjs uppåt från bollen.

Luften som färdas under bollen möter mötande luft som färdas i samma riktning och dras bakom bollen och sedan också uppåt.

Enligt Newtons tredje lag, varje handling har en lika och motsatt reaktion. Så om luft dras uppåt bakom bollen, då måste bollen röra sig nedåt som svar.

En stor demonstration av denna effekt kan ses i den här videon:

Spelare använder ofta topspin -taktiken med stor effekt under den andra serven. Trots risken att inte rensa nätet, en spelare på toppnivå serverar vanligtvis med hög rackethastighet, så att de kan lägga ännu mer toppsnurr på bollen.

Med mindre av rackethastigheten som används för att ge bollen framåt hastighet och mer går över bollen för att skapa snurr, bollen kommer säkert att gå långsammare än vid en första servering.

Men den större toppsnurr möjliggör större felmarginal eftersom bollen enkelt rensar nätet men ändå sjunker snabbt för att landa väl inne på servicetorget.

Bortom brutal kraft

Självklart, muskelkraft har också en roll att spela för att leverera en portion med värme - men kanske inte så mycket som du kanske tror.

Våra muskler är fantastiska motorer och producerar de otroliga krafter vi behöver för att lyfta tunga föremål, gå uppför berg och klättra i träd.

Men det har länge varit känt, och demonstrerade experimentellt för 80 år sedan, att muskler inte kan producera mycket kraft när de förkortas mycket snabbt. Det är teoretiskt omöjligt att tjäna i höga hastigheter genom att enbart förlita sig på muskelkraft. Att göra detta, vi människor måste fuska lite.

Du kanske har märkt att de bästa tennisspelarna "kastar" sin racket mot bollen när de serverar, som du kan se i den här videon:

Denna kastliknande rörelse kräver att spelarens kropp rör sig före armen, överarmen för att röra sig före underarmen, underarmen för att röra sig före handen, och handen att röra sig innan fingrarna.

Handleddet snäpper fram. Racketen rör sig snabbast när benen redan har förlängts och överarmen har slutat röra sig framåt.

När vi använder detta kastliknande mönster, mycket av den energi som genereras av benen och axelmusklerna tidigt i rörelsen överförs till underarmen, sedan hand.

Detta beror på att underarmen och handen fortfarande rör sig i slutet av serven och mycket av energin som fanns i kroppen rör sig till dem under serveringsåtgärden. Handen är mycket mindre än hela kroppen, eller hela armen. Men den har mycket energi, så det rör sig otroligt snabbt.

Tidsskillnaden mellan rörelser i under- och överkroppen tillåter också elastiska vävnader, som senor, att lagra energi. Dessa vävnader backar snabbt senare i servan när armen snäpper framåt, frigöra den lagrade energin med hastigheter mycket snabbare än musklerna kan dra ihop sig.

Det är denna kastliknande rörelse-snarare än brutal kraft-som får handen och racketen att röra sig med mycket högre hastigheter än vad våra muskler möjligen kan tillåta.

Så för att tjäna som bäst, du måste kasta din racket på ett sätt som skjuter bollen i hög hastighet - men lägg till lite snurr. Det är enkel fysik.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.