Badacze odkrywają sekret idealnego rzutu piłką

Idealnie rzucony spiral [jest to ciągłe obracanie poprzecznym piłki do footballu amerykańskiego po jej rzuceniu lub kopnięciu] fascynuje fanów footballu amerykańskiego – i fizyków. Zapytaj Timothy’ego Gay’a. Na co dzień zajmuje się fizyką elektronów na University of Nebraska w Lincoln. W wolnym czasie zastanawiał się nad paradoksem sprzed prawie 20 lat: dlaczego nos piłki obraca się i podąża ścieżką piłki do footballu, gdy ta porusza się po łuku? Gay jest częścią trójki badaczy, którzy mogą teraz odpowiedzieć na to pytanie.

Grupa podzieliła się swoimi odkryciami we wrześniowym American Journal of Physics.

Współautor William Moss jest fizykiem w Lawrence Livermore National Laboratory w Livermore w Kalifornii. Pomyśl o wirującej piłce jak o bączku lub żyroskopie, mówi. Żyroskop jest często kołem lub tarczą obracającą się szybko wokół nie ustalonej osi; jego oś może zmieniać kierunek. „Fajne w żyroskopach” – mówi – „jest to, że gdy zacznie się obracać, chce utrzymać swoją oś obrotu w tym samym kierunku”.

Piłka do football amerykański też ma oś obrotu. To wyimaginowana linia, która biegnie wzdłuż piłki. Jest to również wyimaginowana linia, wokół której obraca się piłka. Gdy piłka opuszcza rękę rozgrywającego, oś obrotu piłki jest skierowana w górę. Zanim odbierający złapie piłkę, oś obrotu jest skierowana w dół. Zasadniczo oś obrotu podążała za trajektorią lub ścieżką samej piłki.

Powietrze wpływa na poruszanie się po spirali piłką (faliste linie). Powietrze wywiera siłę (F) na wyimaginowaną linię, wokół której obraca się piłka, zwaną jej osią obrotu (S). W rezultacie oś obrotu zaczyna się chwiać. Gdy się chwieje, oś obrotu śledzi kształt stożka wokół toru piłki. Przyczynia się to do tego, że nos piłki podąża po ścieżce podczas łuku. LAWRENCE LIVERMORE NATIONAL LABORATORY ( CC BY-NC-SA 4.0 )

Gay i jego koledzy użyli programu komputerowego do rozwiązania równań, które były ważne dla zrozumienia tego. Obliczenia wykazały, że piłka naprawdę nurkuje, najpierw nosem. Naukowcy szukali sposobu na wyjaśnienie tego, co pokazuje matematyka w prosty sposób. „W naszym artykule pokazujemy, że grawitacja, siła wiatru i żyroskop działają razem, aby tak się stało” – mówi Moss. Żyroskopowo odnosi się do sposobu, w jaki porusza się żyroskop, a zwłaszcza do jego tendencji do utrzymywania osi obrotu.

Ten żyroskopowy efekt jest również tym, co sprawia, że góra może stać podczas obracania się. Spróbuj odepchnąć palcem oś obrotu od siebie, a góra zamiast tego pochyli się w lewo lub w prawo. Oś porusza się w kierunku pod kątem prostym do pchania. Następnie oś obrotu góry zaczyna się chwiać lub „precesja [zjawisko zmiany kierunku osi obrotu obracającego się ciała.]”. Gdy oś obrotu się chwieje, kreśli kształt stożka wokół oryginalnej osi.

Jak wygląda idealne podanie?

Gay mówi, że rzut piłką jest idealny, gdy kierunek ruchu piłki i jej oś obrotu pokrywają się. Zwykle oznacza to, że czubek piłki jest przechylony do góry.

Wyobraź sobie, że siedzisz na trybunach i piłka jest rzucana z lewej strony. Nawet gdy się wznosi, kierunek ruchu piłki obniża się z powodu grawitacji. Tymczasem jego oś obrotu pozostaje stabilna.

To powoduje coś, co Gay nazywa „kątem ataku”. Powietrze pędzące przez przód piłki chce aby piłka spadała, powietrze wywiera siłę na oś obrotu piłki. Piłka reaguje teraz tak, że zamiast spadać, zaczyna zmieniać się kierunek osi obrotu wokół trajektorii piłki. To ślady wirowania, które kształtują stożek.

Następnym krokiem jest próba ustalenia, czy istnieją sposoby na zwiększenie odległości, jaką może pokonać dobrze rzucona piłka.

„Z tego artykułu dowiedziałam się, że jeśli gramy w piłkę w środowisku pozbawionym powietrza, gra będzie wyglądać zupełnie inaczej” – mówi Ainissa Ramirez. Jest materiałoznawcą i inżynierem. Jest także współautorką Newton’s Football, książki o nauce stojącej za sportem.

Po rzucie łuk piłki zazwyczaj tworzy parabolę. W matematyce parabole to specjalne krzywe w kształcie litery U, które powstają przez przecięcie stożka. Ramirez mówi, że gdyby nie powietrze, piłka nadal podążałaby po paraboli z powodu grawitacji. Jednak jego nos byłby skierowany w górę przez całą drogę, zamiast opadać w dół.

Twierdzi, że jednym z ograniczeń nowego artykułu jest to, że przedstawia on tylko teorię. Mówi, że byłoby interesujące, gdybyśmy mogli przetestować tę teorię w gigantycznej komorze próżniowej.

„Odkrywanie kryjącej się za tym nauki to sposób na połączenie dwóch różnych światów – tak zwanych maniaków nauki i sportowców”.

Źródła: Harini Barath

R.H. Price, W.C. Moss and T. J. Gay. The paradox of the tight spiral pass in American football: A simple resolutionAmerican Journal of Physics.  Vol. 88, September 2020, p. 704. doi: 10.1119/10.0001388.

A. St. John and A.G. Ramirez. Newton’s Football: The science behind America’s game. Penguin Random House books. November 19, 2013.

Zdjęcia: JACKSCOLDSWEAT/E+/GETTY IMAGES PLUS

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x