Vật lý bóng chày: Đo lực cản, hướng bóng, tốc độ,... bằng đường hầm gió cho đến tia laser

Các thử nghiệm đo dựa trên tia laser vừa được phát minh có vẻ thực tế và chính xác hơn so với các phép đo lực cản của đường hầm gió truyền thống từ các nhà khoa học.

Bóng chày từ lâu đã trở thành một chủ đề nghiên cứu phổ biến của các nhà vật lý, phần lớn là do tính chất khí động học phức tạp của một quả bóng chày khi đang bay. Theo truyền thống, các nhà khoa học dựa vào các thí nghiệm trong đường hầm gió đo các đặc tính chính như tốc độ, quay, lực nâng và lực cản, nhưng phương pháp này không thể nắm bắt chính xác những thay đổi nhỏ trong lực cản. Và ngay cả những thay đổi nhỏ về lực cản cũng có thể có những tác động lớn - chẳng hạn như sự gia tăng đáng kể số lần chạy trên sân nhà.

Đó là lý do tại sao các nhà vật lý đã phát triển một hệ thống đo tốc độ dẫn hướng bằng laser để đo sự thay đổi tốc độ của một quả bóng chày khi bay trên không và sau đó sử dụng phép đo đó để tính gia tốc, các lực khác nhau tác động lên quả bóng, lực nâng và lực cản. Cách tiếp cận mới đã được trình bày trong bài báo vừa được xuất bản và họ gợi ý rằng nó cũng có thể được sử dụng cho các môn thể thao bóng khác như cricket và bóng đá.

Bất kỳ quả bóng đang chuyển động nào cũng sẽ để lại một vệt đường trong không khí khi nó di chuyển, lực cản không khí rõ ràng có ảnh hưởng đến tốc độ bóng khi bay. Quỹ đạo của quả bóng bị ảnh hưởng bởi đường kính và tốc độ của nó, và từ các đặc điểm khác nhau trên bề mặt của nó. Bề mặt bóng chày cũng không hoàn toàn trơn tru, chúng thường có đường khâu theo mẫu hình số 8, những đường khâu đó đủ gập ghềnh để ảnh hưởng đến luồng không khí xung quanh quả bóng chày khi nó được ném trên sân. Khi một quả bóng chày di chuyển, nó tạo ra một luồng khí xoáy xung quanh nó, thường được gọi là hiệu ứng Magnus. Các đường nối nâng lên khuấy động không khí xung quanh quả bóng, tạo ra các vùng áp suất cao ở các vị trí khác nhau, và cũng tùy thuộc vào loại sân có thể gây ra sai lệch quỹ đạo của nó.

Lyman Briggs đã tiến hành các thí nghiệm với bóng chày trong đường hầm gió vào những năm 1940

Vật lý bóng chày hiện đại được cho là bắt đầu với những nỗ lực của một nhà vật lý tên là Lyman Briggs vào những năm 1940. Briggs là một người hâm mộ bóng chày, ông bị hấp dẫn câu hỏi liệu một quả bóng có thực sự cong hay không. Ban đầu, anh nhờ đến sự trợ giúp của các vận động viên tại Sân vận động Griffith để đo độ xoáy của một quả bóng ném với ý tưởng xác định đường cong một quả bóng chày phụ thuộc vào độ xoáy và tốc độ của nó.

Briggs đã theo dõi các thí nghiệm trong đường hầm gió tại Văn phòng Tiêu chuẩn Quốc gia (nay là Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia) để thực hiện các phép đo thậm chí chính xác hơn vì tại đây ông có thể kiểm soát hầu hết các biến số. Ông phát hiện ra rằng độ xoáy thay vì tốc độ là yếu tố quan trọng khiến một quả bóng ném bị cong, một quả bóng có đường cong có thể giảm tới 17,5 inch khi nó di chuyển từ vị trí của người ném bóng đến sân nhà.

Các nhà vật lý học sau đó đã nhiệt tình nghiên cứu các khía cạnh khác nhau của bóng chày kể từ đó. Chẳng hạn vào năm 2006, các nhà toán học đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ cao đối với tỷ lệ trượt của giải bóng chày MLB - Major League (tổng cơ số quả bóng đi qua gôn chia cho lượt đánh bóng) bằng cách xây dựng một mô hình thống kê. Họ phát hiện ra rằng tỷ lệ trượt ngã tại sân Coors Field ở Denver, Colorado cao hơn khoảng 9,2% so với độ cao trung bình từ 152 mét đến 335 mét, và và cao hơn 12,5% so với độ cao dưới 152 mét. Điều đáng ngạc nhiên là sân vận động này nổi tiếng là sân nhà thân thiện.

Vào năm 2018, các nhà nghiên cứu đã báo cáo về một nghiên cứu của Đại học Bang Utah để giải thích sự thay đổi bất ngờ của bóng nhanh trong các thí nghiệm sử dụng bóng chày Little League. Các nhà khoa học USU đã bắn từng quả bóng một qua một buồng chứa đầy khói. Các cảm biến màu đỏ phát hiện các quả bóng khi chúng phóng qua, kích hoạt các tia laser hoạt động như các bóng đèn flash. Sau đó, họ sử dụng vận tốc hình ảnh hạt để tính toán luồng không khí tại bất kỳ điểm nhất định nào xung quanh quả bóng.

Hệ thống đo tốc độ

Nghiên cứu hiện tại được truyền cảm hứng từ sự thay đổi bất thường gần đây về tỷ lệ phần trăm vận hành tại nhà trong MLB. Số lần chạy trên sân nhà thường được theo dõi bởi một số liệu được gọi là HR/BB (số lần chạy trên sân nhà trên mỗi quả bóng được đánh). Theo các tác giả, tử năm 1960 đến năm 2015, tỷ lệ HR/BB nói chung rơi vào khoảng 3 đến 4%. Nhưng điều đó đã thay đổi đáng kể vào mùa giải 2015 khi tỷ lệ HR/BB tăng nhanh chóng, chạm mức 0,053 vào năm 2017. Việc MLB thực sự ủy quyền cho một ban điều tra đã cho thấy vấn đề đáng báo động. Ban hội thẩm đã đưa ra báo cáo của mình vào năm 2018, kết luận rằng sự sụt giảm nhỏ trong lực cản khí động học lên quả bóng chày chính là "thủ phạm".

Điều này, tới lượt nó lại làm cho các nhà nghiên cứu tập trung chú ý hơn trong những năm gần đầy vào việc phát triển các phương pháp tốt hơn để đo lực cản của một quả bóng chày trong đường bay của nó. Hệ số cản mô tả lượng không khí chảy "dính" vào bề mặt quả bóng, trong đó bóng di chuyển càng nhanh thì bóng càng ít "dính". Thông thường quả bóng sẽ có sự nhiễu động lớn và lực cản cao hơn ở tốc độ chậm. Nếu quả bóng chạm ngưỡng tốc độ tới hạn, nó sẽ trải qua một cái gọi là "khủng hoảng lực cản". Sự nhiễu động không khí giảm đột ngột và lực cản giảm mạnh khi luồng không khí chuyển từ đồng nhất sang hỗn hợp.

Những loại thí nghiệm này thường được thực hiện trong các đường hầm gió. Nhưng phương pháp này có những hạn chế nhất định trong việc đo chính xác lực cản. "Bạn phải giữ quả bóng theo một cách nào đó và điều đó nghĩa là luôn có một số điểm không hoàn hảo khi sử dụng đường hầm gió để đo lực cản"

Đó là bởi vì giá đỡ được sử dụng để giữ quả bóng đứng yên, đo các lực khí động học có thể làm thay đổi luồng không khí cũng như khí động học liên quan. Các nhà khoa học cố gắng giải quyết vấn đề này bằng cách gắn các giá đỡ xuống phía dưới, giảm thiểu các tác động gây nhiễu. Tuy nhiên, lực cản cũng bị ảnh hưởng bởi hướng bóng. Các thí nghiệm trong đường hầm để nghiên cứu sự định hướng của quả bóng yêu cầu quả bóng phải được đỡ trên trục quay của nó, gần với điểm phân tách đường đi. Các tác giả viết: “Không rõ những phần đính kèm này ảnh hưởng như thế nào đến vị trí của các phép đo phân tách đường đi và lực cản."

Smith và đồng tác giả của ông, Andrea Sciacchitano thuộc Đại học Công nghệ Delft ở Hà Lan, đã bắt tay vào việc tìm ra một phương pháp tốt hơn để đo lực cản của một quả bóng chày trong một đường bay tự do của nó. Họ lưu ý rằng các phép đo đầu tiên này đã được thực hiện trong Thế vận hội năm 1996, sử dụng hai camera 120fps để theo dõi các quả bóng. Vào năm 2006, MLB đã lắp đặt hệ thống theo dõi bóng chày dựa trên video ở mọi công viên MLB. "Các hệ thống chủ yếu nhằm theo dõi tốc độ cao độ, chuyển động của sân và vị trí khu vực tấn công, nhưng lực cản cũng có thể được trích xuất từ các thông số phù hợp có sẵn được công khai", các tác giả nghiên cứu cũng nói thêm rằng các phép đo như vậy có thể bị nhiễu và ảnh hưởng của môi trường sân bóng.

Tất cả những quả bóng chày được sử dụng trong các thí nghiệm của họ đều đến từ cùng một nhà sản xuất cung cấp bóng cho MLB: Rawlings Sporting Goods. Mỗi quả bóng có một viên cao su được bọc trong 3 lớp len, và tất cả đều được bọc bằng da, với các đường may thủ công. Các thuộc tính vật liệu đều được kiểm soát cẩn thận để đảm bảo tính đồng nhất về trọng lượng, kích thước, độ cứng, độ đàn hồi,... cho đến màu sắc của cao su. Rất nhiều người, kể cả các chuyên gia nói rằng họ rất khó phân biệt được da bụng và da lưng trên một quả bóng, nhưng nó thực sự là hai loại da khác nhau.

Biểu đồ so sánh hệ số cản MLB của các quả bóng không quay.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một máy ném bóng để bắn bóng chày, đặt hai cảm biến tốc độ để theo dõi quả bóng khi nó đi qua giữa các màn ánh sáng cách nhau khoảng 0.4 mét. Họ đã sử dụng một cái nôi gắn vào cuối pít-tông khí nén của máy ném bóng để truyền lực xoáy cho các quả bóng. Tốc độ xoáy tăng lên cùng với chiều dài bệ, họ có thể kiểm soát tốc độ đó bằng cách điều chỉnh vị trí quả bóng trong giá đỡ trước khi bắn. Họ đo hướng bóng bằng cách theo dõi ba điểm đánh dấu được đặt trên mỗi quả bóng. Tất cả quỹ đạo của trái bóng đều được ghi lại bằng video tốc độ cao. Những thí nghiệm này được tiến hành tại WSU.

Sau đó Sciacchitano đã thực hiện các phép đo vận tốc hình ảnh hạt trong Phòng thí nghiệm Khí động lực học tại TU Delft. Không khí trong phòng thí nghiệm được rải các hạt glycol nước có kích thước cỡ micromet, được chiếu sáng bằng tia laser. Các quả bóng chày được ném mà không có bất kỳ độ xoáy nào và quỹ đạo của chúng cũng được ghi lại trên video tốc độ cao. Điều này cho phép nhóm nghiên cứu hình dung những nhiễu động trong không khí của những quả bóng chày không xoáy khi đang bay tự do.

Phương pháp của Smith và Sciacchitano tạo ra các giá trị lực cản phù hợp với các phép đo radar và video, nhưng thấp hơn đáng kể so với báo cáo từ các phép đo đường hầm gió khác. Họ kết luận, các thử nghiệm bay tự do cung cấp tái tạo thực tế hơn về vật lý dòng chảy xung quanh một quả bóng chày chuyển động, đề xuất sử dụng chúng để bổ sung cho các thí nghiệm đường hầm gió trong tương lai.

Smith nói: “Chúng tôi đã phải quay lại và xem xét những gì có thể làm để làm cho điều này chính xác hơn, và chúng tôi đã làm được. Nó không hề đơn giản để thực hiện và chúng tôi dành rất nhiều thời gian để hiệu chỉnh mỗi ngày chỉ để đảm bảo rằng các cảm biến đang cho chúng tôi biết những gì chúng tôi nghĩ, nhưng chúng tôi tin rằng các phép đo lực cản đang thực hiện và đang diễn ra để có thể phát tín hiệu nếu có thay đổi. Những khác biệt rất nhỏ có thể tạo nên sự khác biệt lớn”.

Cập nhật: 25/04/2022 Theo VnReview