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Jul 27, 2023

バレーボールの非常に予測不可能な「フロートサーブ」の秘密は物理学にある

Jennifer Ouellette - 14 novembre 2019 14:59 UTC

ジェニファー・ウエレット - 2019 年 11 月 14 日午後 2 時 59 分 UTC

バレーボールでは、ボールの軌道を予測するのが非常に難しいため、適切なタイミングで優れたフロートサーブを打てば、接戦を制することができます。 Applied Sciences誌に掲載された最近の論文によると、このような予測不可能な軌道を生み出しているのは従来のバレーボールの表面パネルであり、表面パターンを変更することでより安定した飛行が可能になる可能性があるという。

すべては重力と空気力学に帰着します。 動いているボールは空気の流れを残し、それが空中を飛ぶときにその後ろに尾を引きます。 避けられない抗力により、ボールの速度が低下します。 さまざまなスポーツボールの軌道は、その直径や速度だけでなく、表面の微細な凹凸によっても影響を受けます。 たとえば、ゴルフ ボールにはディンプルがあり、野球ボールには 8 の字パターンのステッチがあり、どちらもボールの周りの空気の流れに影響を与えるほど十分に凹凸があります。

野球ボールの動きによって、一般にマグナス効果として知られる空気の渦が生じることはよく知られています。 盛り上がった縫い目によりボールの周囲の空気がかき回され、さまざまな場所に高圧ゾーンが形成され、(投球の種類によっては) 軌道のずれが生じる可能性があります。 ゴルフ ボールのディンプルは、空気の乱流境界層を作成することによって抗力の流れを減少させますが、ボールのスピンはボールの上部よりも下部に高い空気圧領域を作り出すことによって揚力を生成します。

バレーボールの表面のパターンも軌道に影響を与える可能性があります。 従来のバレーボールには 6 つのパネルがありますが、最近のデザインでは 8 つのパネル、六角形のハニカム パターン、またはディンプルが付いています。

ゴルフ、クリケット、テニス、野球、ラグビー、サッカーボールなどのスポーツボールの空気力学を調査した過去の研究は数多くあります。 しかし、何らかの理由で、バレーボールの物理学に焦点を当てた研究は不足しています。 2010 年に遡り、筑波大学の浅井武氏と数名の日本人同僚は、表面パターンが明らかに異なる 3 種類のボールを使用して一連の風洞実験を行うことで、この問題を解決することを決定しました。 ハニカムパターンの新しいモルテンボール。 そしてミカサのディンプルボール。 彼らはロボット装置を使用してボールを「サーブ」し、一貫性を確保し、各ボールの抗力係数を測定しました。

抗力係数は、流れる空気がボールの表面にどれだけ「くっつく」かを表します。 ボールが速く動くほど、ボールの「粘り」は少なくなります。 通常、低速では後流が大きくなり、抗力が大きくなりますが、ボールが臨界速度のしきい値に達すると、いわゆる「抗力危機」が発生します。つまり、後流が突然縮小し、抗力が急激に低下します。 これは基本的に、空気の流れが層流 (滑らかな) から乱流に突然切り替わるポイントです。 臨界速度のしきい値、つまり空気の流れが本当に乱流になる速度は、バレーボールの種類によって大きく異なります。

2010 年の研究では、3 つの異なるパネルの向きで各ボールが 20 回サーブされました。 著者らは、完全に滑らかな球の場合、臨界速度は毎秒約 25 メートル、つまり時速約 56 マイルであることを発見しました。 彼らがテストしたすべてのバレーボールは、滑らかな球体よりも低い臨界速度を示しました。 従来のモルテン ボールは同様に低い抵抗力を持っていましたが、ハニカムパターンのモルテン ボールはより高い最終抵抗力を持っていました。 浅井氏と彼の共著者らは、これはハニカムパターンがボールの表面粗さを増大させる一方、サーブ時の従来のボールの表面パネルの向き（横方向または斜め方向）によってボールの周囲の空気の流れが変化するためではないかと示唆した。 -飛行、その軌道に影響を与える。

この最新の研究では、浅井氏と数名の同僚は、4 種類の異なるバレーボール (パネル付き 2 種類、ハニカム模様付き 1 種類、ディンプル付きボール 1 種類) を使用して、フロートサーブの空気力学を研究しました。 高速のトップスピンサーブやジャンプサーブ (どちらもかなり予測可能な飛行経路をたどります) とは異なり、フロートサーブにはスピンがありません。 そのため、ボールの軌道を予測するのが難しくなります。 予期せず方向転換する可能性があり、サーバーに競争上の優位性をもたらします。

物理的な観点から見ると、フロートサーブは野球でナックルボールを投げることに似ており、スピンがないためマグナス力の影響をほとんど受けません。 その軌道は、縫い目が野球ボールの周りの乱気流にどのような影響を与えるかによって完全に決まります。 野球の縫い目は、ボールの表面付近の空気の速度 (速度) を変えることができ、縫い目が上側にあるか下側にあるかによって、ボールの速度を上げたり下げたりすることができます。 従来のバレーボールのパネルにも同様の効果があります。

この最新の研究では、各ボールが 30 回テストされ、合計 240 回のテストが行​​われました。 その結果、パネル付きのボールは臨界速度の閾値が最も高く、予測不可能な飛行パターンを引き起こしました。 ハニカムパターンのボールの臨界閾値ははるかに低く、ディンプルパターンの臨界閾値は上昇しました。 ハニカムボールとディンプルボールの両方とも、パネルの向きに関係なく、抗力の危機における差が小さかった。 したがって、著者らは、ボールの表面デザインを変更するだけで、抗力危機がいつ起こるかを制御できるはずだと推測しています。

「最も一般的に使用されているバレーボールには、3 つの平行な長方形のストリップを備えた 6 枚のパネルがあります」と浅井氏はこれらの結果について述べました。 「代わりに六角形またはディンプルのパターンを使用すると、飛行の安定性が大幅に向上する可能性があります。この研究は、スポーツの分野だけでなく、より効率的で安定したドローンの開発にも重要な意味を持つ可能性があります。」

DOI: 応用科学、2019。10.3390/app9194007 (DOI について)。