Физики разработали точный лазерный метод измерения сопротивления бейсбольного мяча

Бейсбол долгое время был популярной темой для исследований физиков, в основном из-за сложной аэродинамики бейсбольного мяча в полете. Традиционно ученые полагались на эксперименты в аэродинамической трубе для измерения таких ключевых свойств, как скорость, вращение, подъемная сила и сопротивление, но этот подход не может точно уловить крошечные изменения сопротивления. И даже небольшие изменения сопротивления могут иметь большие последствия — например, резкое увеличение количества хоум-ранов.

Вот почему два физика разработали систему измерения скорости с лазерным наведением для измерения изменения скорости бейсбольного мяча в полете, а затем использовали это измерение для расчета ускорения, различных сил, действующих на мяч, а также подъемной силы и сопротивления. Они описали свой подход в недавней статье, опубликованной в журнале Applied Sciences, и предположили, что его можно использовать и в других видах спорта с мячом, таких как крикет и футбол.

Любой движущийся мяч оставляет за собой воздушный след; неизбежное сопротивление замедляет мяч. На траекторию мяча влияют диаметр и скорость, а также крошечные неровности на поверхности. Бейсбольные мячи не совсем гладкие; у них есть строчка в виде восьмерки. Эти стежки достаточно неровные, чтобы повлиять на воздушный поток вокруг бейсбольного мяча, когда его отбрасывает к домашней тарелке. Когда бейсбольный мяч движется, он создает вокруг себя водоворот воздуха, широко известный как эффект Магнуса. Приподнятые швы взбалтывают воздух вокруг мяча, создавая зоны высокого давления в разных местах (в зависимости от типа поля), которые могут вызвать отклонения в его траектории.

Современная физика бейсбола, возможно, началась с усилий физика по имени Лайман Бриггс в 1940-х годах. Бриггс был фанатом бейсбола и был заинтригован тем, изгибается ли мяч на самом деле. Первоначально он заручился помощью персонала подачи Вашингтонских сенаторов на стадионе Гриффит, чтобы измерить вращение подаваемого мяча; идея заключалась в том, чтобы определить, насколько кривая бейсбольного мяча зависит от его вращения и скорости.

Затем Бриггс провел эксперименты в аэродинамической трубе в Национальном бюро стандартов (ныне Национальный институт стандартов и технологий), чтобы провести еще более точные измерения, поскольку он мог контролировать большинство переменных. Он обнаружил, что вращение, а не скорость, было ключевым фактором, вызывающим искривление подаваемого мяча, и что крученый мяч может опуститься на 17,5 дюймов, когда он движется от насыпи питчера к домашней пластине.

С тех пор физики с энтузиазмом изучают различные аспекты бейсбольных мячей. Например, в 2006 году математики изучили влияние повышения в Главной лиге бейсбола (MLB) на процент промахов (общее количество баз, деленное на количество летучих мышей), построив статистическую модель. Они обнаружили, что процент прострелов на поле Курс в Денвере, штат Колорадо (также известном как «Город на высоте мили»), был примерно на 9,2% выше, чем на средних высотах (от 500 до 1100 футов), и на 12,5% выше, чем на высотах ниже 500 футов. . Неудивительно, что стадион имеет репутацию удобного для хоумранов.

В 2018 году мы сообщали об исследовании, проведенном Университетом штата Юта, чтобы объяснить неожиданный поворот фастбола в экспериментах с использованием бейсбольных мячей Малой лиги. Ученые УрГУ запускали шары один за другим через заполненную дымом камеру. Два красных датчика обнаруживали шары, когда они проносились мимо, запуская лазеры, которые действовали как вспышки. Затем они использовали велосиметрию изображений частиц для расчета воздушного потока в любой заданной точке вокруг мяча.

Текущее исследование было вдохновлено необычным недавним изменением процента хоумранов в MLB. Хоум-раны обычно отслеживаются с помощью показателя, известного как HR / BB (хоум-раны на отбитый мяч). По данным авторов, с 1960 по 2015 год отношение HR/BB обычно колебалось от 0,03 до 0,04. Это резко изменилось в сезоне 2015 года, когда соотношение HR/BB быстро увеличилось, достигнув 0,053 в 2017 году. Было достаточно тревожно, что MLB фактически поручил комиссии провести расследование. В 2018 году комиссия опубликовала свой отчет, в котором пришла к выводу, что причиной стало небольшое снижение аэродинамического сопротивления бейсбольных мячей.

Это, в свою очередь, в последние годы привлекло внимание к разработке более совершенных методов измерения сопротивления бейсбольного мяча в полете. Как мы уже сообщали ранее, коэффициент аэродинамического сопротивления описывает, насколько поток воздуха «прилипает» к поверхности мяча. Чем быстрее движется мяч, тем менее «липким» он становится. Обычно следы больше, а сопротивления выше на малых скоростях. Но если мяч достигает критического порога скорости, он испытывает так называемый «кризис сопротивления». След внезапно сужается, а сопротивление резко падает, когда воздушный поток резко меняется с ламинарного (гладкого) на турбулентный.

Подобные эксперименты обычно проводились в аэродинамических трубах. Но у этого метода есть явные недостатки в точном измерении сопротивления. «Вы должны каким-то образом держаться за мяч, а это означает, что всегда будет какое-то несовершенство, когда вы используете аэродинамическую трубу для измерения сопротивления», — сказал соавтор Ллойд Смит из Университета штата Вашингтон.