Физиката на Knuckleball

С олимпийските игри в последните си няколко дни имаше много възможности да видим едно от най-странните и най-загадъчни спектакли в спорта: knuckleball. Дори ако никога не сте чували за кнукбол, вероятно сте го виждали точно пред очите ви. Knuckleball е основно, когато сферичен снаряд е ударен или хвърлен така, че въртенето на топката е сведено до минимум, създавайки непредвидима зигзагова траектория, която може да улови противоположния отбор (както и играчите на собствения отбор) от изненада.

Името произлиза от начина, по който старите бейзболни питчери в ранните дни на Major League Baseball (най-вече Eddie Cicotte от Chicago White Sox) се използват за хващане на топката с кокалчетата на пръстите си преди хвърляне. Целта е да се даде на топката възможно най-малко въртеливо въртене.

Това води до траектория на терена, която е засегната от вариации в въздушния поток, улеснен от разликите в гладките повърхности на топката и по-грубите шевове на шевовете (или така това е идеята - повече за това защо това може да не е вярно в малко), По същество принуждавате въздушния поток да създава асиметрично влачене, което създава стъпка, подобна на зигзаг. Топката, по пътя си към родната си планета, по същество ще прилича на трептящата му страна или нагоре и надолу.

Разбира се, не искате да хвърляте топка, която има не въртене - само леко, когато топката покрива разстоянието, без да завършва повече от половин ротация. Може да считате knuckleball за обратна версия на кривите свободни удари на футбола, в които целта е да приложите много енергично въртене на топката, за да я накарате да се движи към една посока.

Опитът да се хвърли топката в този много тесен ротационен праг е невероятно трудна задача - и това е причината, поради която малко питчери, които са играли в големите класове, са го усъвършенствали. Освен това, скоростта е най-високо класираната метрика при оценяването на питчерите - и тъй като knuckleball се движи по-бавно от всеки друг вид терена, по-малко и по-малко стимул тези дни да бъде перфектен.

Въпреки, че knuckleballs са най-видно в бейзбола, те се срещат и в спорта като футбол и волейбол - но също така странно липсват в игри като тенис на маса, скуош и баскетбол. И в много от тези спортове, на топките липсват шевове или висока степен на асиметрия на повърхността. Защо все още виждаме knuckleballs в други спортове?

Този въпрос ни довежда до двойка изследвания на физиката на knuckleballs, на които е работил изследователят на флуидната динамика Baptiste Darbois Texier. През 2012 г., чрез експеримента за флуидна динамика, която изпусна стоманени, стъклени и пластмасови перли с различни размери във вода, тя и колегите й установиха, че сфера в поток - като кнукбол - ще изпита феномен, при който започва сила на влачене върху обекта. да се намали рязко. А странична сила се спуска в, което причинява "криза на влачене" - причинявайки топката да трепери напред-назад и да се движи напред.

В по-ново проучване, публикувано едва миналия месец в Нов физически журнал, Texier и нейният екип използваха аеродинамични тестове за по-добро охарактеризиране на поведението на knuckleballs и възпроизвеждане на движенията им в контролирана среда. С помощта на специално разработен апарат за „ритане на машина“, за да пресъздаде кнукалните топки в футбола, екипът установи, че „всички топки, летящи във въздуха с такава скорост и без спин, могат да следват зигзагообразната траектория, дори ако нямат шевове“, казва Texier обратен, "Този факт доказва, че не въртяща се и гладка сфера, движеща се във въздуха, изпитва променливи сили на издигане, които са в състояние да произведат нелинейни траектории."

Това е в противоречие с предишното схващане, което обяснява зигзаговите траектории на спортни топки с наличието на шевове и малко количество спин. Texier казва, че част от експеримента, включващ тестване на движението на гладки боксови топки, падна във вода. "Неравномерните траектории на такива плътни и гладки топки бяха наистина неочаквани за нас", казва тя. „Дължината на вълната на зиг-заг е много по-голяма от обичайното разстояние на снимане в спортно поле. Този факт обяснява защо зигзагообразните пътеки никога не се наблюдават в боче.

Големият въпрос обаче остава специфичен за бейзбола: Ще видим ли knuckleballs, ако обектът е гладък и безшевен? Texier няма отговор на това, но това остава на следващия въпрос.