Des physiciens conçoivent une méthode laser précise pour mesurer la traînée d’une balle de baseball

Le baseball est depuis longtemps un sujet de recherche populaire pour les physiciens, en grande partie à cause de l’aérodynamique complexe d’une balle de baseball en vol. Traditionnellement, les scientifiques s’appuyaient sur des expériences en soufflerie pour mesurer des propriétés clés telles que la vitesse, la rotation, la portance et la traînée, mais cette approche ne peut pas capturer avec précision de minuscules changements de traînée. Et même de petits changements de traînée peuvent avoir des effets importants, comme une augmentation spectaculaire du nombre de circuits.

C’est pourquoi deux physiciens ont développé un système de mesure de la vitesse guidé par laser pour mesurer le changement de vitesse d’une balle de baseball en plein vol, puis ont utilisé cette mesure pour calculer l’accélération, les différentes forces agissant sur la balle, ainsi que la portance et la traînée. Ils ont décrit leur approche dans un article récent publié dans la revue Applied Sciences et ont suggéré qu’elle pourrait également être utilisée pour d’autres sports de balle comme le cricket et le football.

Toute balle en mouvement laisse une traînée d’air lors de son déplacement; la traînée inévitable ralentit la balle. La trajectoire de la balle est affectée par le diamètre et la vitesse et par de minuscules irrégularités sur la surface. Les balles de baseball ne sont pas complètement lisses; ils ont des coutures en forme de huit. Ces points sont suffisamment cahoteux pour affecter le flux d’air autour de la balle de baseball lorsqu’elle est projetée vers le marbre. Lorsqu’une balle de baseball se déplace, elle crée un tourbillon d’air autour d’elle, communément appelé effet Magnus. Les coutures surélevées brassent l’air autour du ballon, créant des zones de haute pression à divers endroits (selon le type de terrain) qui peuvent provoquer des déviations dans sa trajectoire.

La physique moderne du baseball a sans doute commencé avec les efforts d’un physicien nommé Lyman Briggs dans les années 1940. Briggs était un fan de baseball qui était intrigué par la courbe réelle d’une balle courbe. Au départ, il a demandé l’aide du personnel de lanceurs des Sénateurs de Washington au Griffith Stadium pour mesurer la rotation d’une balle lancée; l’idée était de déterminer dans quelle mesure la courbe d’une balle de baseball dépend de sa rotation et de sa vitesse.

Briggs a suivi des expériences en soufflerie au National Bureau of Standards (maintenant l’Institut national des normes et de la technologie) pour effectuer des mesures encore plus précises car il pouvait contrôler la plupart des variables. Il a découvert que la rotation plutôt que la vitesse était le facteur clé de la courbe d’une balle lancée et qu’une balle courbe pouvait plonger jusqu’à 17,5 pouces lorsqu’elle se déplaçait du monticule du lanceur au marbre.

Depuis lors, les physiciens étudient avec enthousiasme divers aspects du baseball. Par exemple, en 2006, des mathématiciens ont étudié les effets de l’élévation des pourcentages de slugging de la Ligue majeure de baseball (MLB) (le nombre total de buts divisé par le nombre d’attaques au bâton) en construisant un modèle statistique. Ils ont constaté que le pourcentage de slugging à Coors Field à Denver, Colorado (alias « Mile-High City »), était d’environ 9,2 % plus élevé qu’à des altitudes moyennes (entre 500 et 1 100 pieds) et 12,5 % plus élevé qu’à des altitudes inférieures à 500 pieds. . Rien d’étonnant à ce que le stade ait la réputation d’être un home-run friendly.

En 2018, nous avons rendu compte d’une étude de l’Utah State University pour expliquer la tournure inattendue de la balle rapide dans les expériences utilisant des balles de baseball de la Petite Ligue. Les scientifiques de l’USU ont tiré les balles une par une à travers une chambre remplie de fumée. Deux capteurs rouges ont détecté les balles alors qu’elles passaient devant, déclenchant des lasers qui agissaient comme des flashs. Ils ont ensuite utilisé la vélocimétrie par images de particules pour calculer le flux d’air à n’importe quel endroit donné autour de la balle.

L’étude actuelle a été inspirée par un récent changement inhabituel dans les pourcentages de coups de circuit dans la MLB. Les coups de circuit sont généralement suivis par une métrique connue sous le nom de HR / BB (coups de circuit par balle frappée). Selon les auteurs, de 1960 à 2015, le ratio HR/BB est généralement tombé entre 0,03 et 0,04. Cela a radicalement changé au cours de la saison 2015 lorsque le ratio HR / BB a augmenté rapidement, atteignant 0,053 en 2017. Il était suffisamment alarmant que la MLB ait en fait chargé un panel d’enquêter. Le panel a publié son rapport en 2018, concluant qu’une légère diminution de la traînée aérodynamique des balles de baseball était le coupable.

Cela, à son tour, a attiré l’attention ces dernières années sur le développement de meilleures méthodes pour mesurer la traînée d’une balle de baseball en vol. Comme nous l’avons déjà signalé, le coefficient de traînée décrit à quel point l’air qui coule « colle » à la surface de la balle. Plus la balle se déplace rapidement, moins la balle devient « collante ». En règle générale, les sillages sont plus grands et les traînées sont plus élevées, à des vitesses lentes. Mais si la balle atteint un seuil de vitesse critique, elle subit une soi-disant «crise de traînée». Le sillage se rétrécit soudainement et la traînée chute lorsque le flux d’air passe brusquement de laminaire (lisse) à turbulent.

Ces types d’expériences ont généralement été réalisés dans des souffleries. Mais cette méthode présente des lacunes prononcées dans la mesure précise de la traînée. « Vous devez vous accrocher au ballon d’une manière ou d’une autre et cela signifie qu’il y aura toujours des imperfections lorsque vous utilisez une soufflerie pour mesurer la traînée », a déclaré le co-auteur Lloyd Smith de l’Université de l’État de Washington.