La physique de la hauteur et de la distance parcourue par les balles de baseball

  • Des scientifiques de l’Université de l’État de Washington ont mis au point une nouvelle méthode pour déterminer les limites de hauteur et de distance des balles de baseball.
  • En tirant les balles de baseball à travers une ligne de capteurs et en mesurant le changement de vitesse, l’équipe a concocté une méthode plus précise que l’utilisation d’une soufflerie.
  • Ils ont publié leurs résultats plus tôt cette année dans Sciences appliquées.

    Le nombre moyen de coups de circuit dans la Ligue majeure de baseball (MLB) a augmenté de 17 % en 2015. La MLB a pensé qu’il s’agissait d’une erreur dans les données, mais lorsque les balles de baseball ont continué à voler hors de ses 30 parcs à un rythme record, la ligue a voulu savoir pourquoi, créant finalement un panel en 2017 pour enquêter sur le phénomène.

    Lloyd Smith a trouvé le coupable : des coutures en coton rouge sur une balle de baseball. Et il a fallu des outils de laboratoire ingénieux pour déterminer que les coutures aplaties faisaient une différence dans la traînée d’une balle de baseball.

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    Professeur à l’école de génie mécanique et des matériaux de l’Université de l’État de Washington (WSU), Smith travaillait depuis environ une décennie sur un nouveau concept pour suivre la portance ou la traînée d’une balle avec plus de précision qu’avec les pratiques traditionnelles en soufflerie. Sa méthode a donné une nouvelle approche pour propulser une balle vers l’avant, en utilisant la technologie de la porte lumineuse pour mesurer la vitesse. La technologie Light-gate utilise un rideau de lumière et des capteurs pour suivre le moment où un objet passe par des points spécifiques, permettant à l’appareil de suivre la vitesse de l’objet (ou du baseball dans ce cas).

    En associant ces outils à la cartographie laser d’une balle de baseball, l’équipe de la WSU est parvenue à une conclusion stupéfiante : un aplatissement de 0,013 pouce des coutures en coton rouge sur une balle de baseball Rawlings a réduit la traînée de la balle, augmentant ainsi la probabilité d’un home run. Smith et son équipe ont publié leurs résultats plus tôt cette année dans la revue à comité de lecture Sciences appliquées.

    La MLB utilise le même fabricant de ballons, Rawlings, depuis plus de 65 ans. Même si les spécifications du ballon n’ont pas changé depuis des décennies – avec une pastille en caoutchouc de liège soigneusement mesurée, enveloppée de couches de laine et recouverte de cuir de vache – les propriétés faites à la main le laissent sensible à des différences mineures. En d’autres termes, des différences de couture mineures entre les balles de baseball pourraient expliquer l’augmentation majeure du nombre de coups de circuit.

    Les tests

    Système de mesure de vitesse à WSU qui mesure la traînée.

    Université de l’État de Washington

    Traditionnellement, pour suivre les données de traînée et de portance, les chercheurs doivent placer une balle dans une soufflerie, mais cela nécessite d’attacher quelque chose à la balle – appelée le dard – pour la maintenir en place. Smith dit que la stratégie de la soufflerie a bien fonctionné pendant des décennies, mais “si vous essayez vraiment de capturer la traînée avec précision”, dit-il Mécaniques populaires, “La façon dont vous saisissez le ballon peut être un problème. C’est difficile d’enlever les effets du dard avec une balle qui bouge dans la soufflerie. »

    “Si vous avez une boule rugueuse, vous êtes pire que [if] tu étais dans la soufflerie. ”

    WSU utilise un système de barrière lumineuse haut de gamme pour créer un rideau de lumière d’un côté du couloir traversé par la balle, et une série de capteurs de détection de lumière à grande vitesse de l’autre côté pour identifier le passage d’un objet. Avec plusieurs points de signalisation, une barrière lumineuse détermine la vitesse de la balle. “La mesure de la vitesse n’est pas si difficile, c’est assez simple”, dit Smith, “il suffit de l’aligner avec soin.”

    Avec la porte lumineuse alignée, Smith et son équipe savaient qu’ils avaient besoin de quelque chose de mieux qu’un lanceur traditionnel pour faire bouger le ballon. Bien qu’efficaces dans l’entraînement au bâton, les roues de la machine éraflent la surface de la balle dès le premier lancer. “L’aérodynamisme du ballon est très sensible à la surface”, explique Smith. “Si vous avez une boule rugueuse, vous êtes pire que [if] tu étais dans la soufflerie. ”

    Le système de mesure du débit à l'université de technologie de Delft mesure le débit d'air des balles en vol libre

    Le système de mesure du débit de l’Université de technologie de Delft mesure le débit d’air des balles en vol libre.

    Université de l’État de Washington

    L’équipe a créé une machine à lancer qui ressemble à un énorme pistolet à clous, avec un piston de quatre pieds de long pour conduire la balle et l’accélérer à des vitesses allant jusqu’à 400 miles par heure. La conception leur permet de faire passer la balle rapidement à travers la porte lumineuse, tout en évitant d’endommager la surface. Pour créer une rotation sur la balle, un ingénieur du personnel a ajouté un dispositif en forme de U à l’extrémité du canon : un côté était à friction élevée et l’autre était faible, pour donner doucement une rotation.

    Smith dit que la combinaison du canon spécialement conçu et de la porte lumineuse de haut calibre permet à l’équipe d’accélérer la balle à la vitesse souhaitée, de contrôler la rotation et de mesurer avec précision la portance et la traînée.

    Implication de la MLB

    Smith a commencé à développer cette méthode il y a une dizaine d’années, puis a travaillé avec la National Collegiate Athletic Association (NCAA) sur les spécifications du baseball. Lorsque la MLB a créé un panel, la ligue a appelé. Smith dit que son équipe a rapidement découvert que l’utilisation d’un pied à coulisse pour mesurer la hauteur de la couture du coton doux n’était pas assez précise. Ils ont configuré un laser pour prendre 10 000 points de données de la balle afin de mesurer les différences entre les balles, y compris la possibilité d’obtenir une hauteur moyenne de la couture en coton rouge cousue à la main. L’équipe de Smith a ensuite amélioré ses lectures laser pour prendre plus d’un million de points de données sur chaque balle.

    Travaillant maintenant avec la MLB sur une base continue, les nouvelles mesures de laboratoire de la traînée d’une balle de baseball peuvent fonctionner avec pratiquement n’importe quelle balle. Le laboratoire a fait des recherches sur plusieurs types de balles de baseball, de balles molles, de balles de golf et même plus récemment, une étude portant sur les balles de cornichon.

    En ce qui concerne le baseball, Smith sera le premier à savoir si ces hauteurs de couture – ou quoi que ce soit d’autre – changent sur un ballon MLB. “Il y a beaucoup d’aérodynamiques amusantes et intéressantes que vous pouvez faire lorsque vous obtenez cette mesure vraiment précise”, dit-il.

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