球種的分類,主要融合球速、轉向、飛行軌跡、投手握球方式、球的自轉速度...等,來做為球種分類的依據。一般而言,球種可以分為快速球、變化球、變速球、飄忽球等四大類;而因進壘位置所形成的外角球、內角球、高球、低球,則是投手控球、投手放球點及變化球特性等所產生進壘角度差異。
如果我們以微觀角度來看一顆旋轉的棒球(以快速球為例),棒球的表面氣流狀態是因為投手給予球的旋轉,因空氣的黏性帶動強大剪力(Shear force),並和周遭流場一起作用,造成在極為靠近棒球表面的地方,且空氣的平均速度受黏性影響的邊界層(Boundary layer )裡,產生局部強勁的漩渦。並且在極為靠近棒球表面的地方,產生作用力。而棒球表面的粗糙,以及棒球縫線的不規則突起,使原本保持速度均勻平滑的層流(Laminar )流場迅速地產生強勁的渦流而轉變為紊流(Turbulence),隨著上游的跡流(如果是曲球則是隨著下游的跡流)離開球體。
棒球風洞實驗圖片中的A與B二處流場發生所謂的邊界層剝離現象,而剝離現象的產生是與邊界層裡流體的動量有關。在A處,由於球的上表面流場是向下來游移,增加了邊界層裡流體動量,延遲了剝離現象的發生。B處則因球的下表面流場是向上來游移,減低了邊界層裡流體動量,導致剝離現象較早發生。在二處流場交互作用下,最後造成偏向下方的紊性跡流,也就是棒球本身得到空氣施予的向上作用力。
由風洞實驗圖片,可以看出幾點與我們原先理想化勢流的差異。第一,流場只在棒球前端一半的地方保持層流的狀態,過了中線之後,明顯有渦流夾雜,呈現典型的紊流型態。第二,球體的轉動並沒有造成如右圖所呈現之勢流模型中的流場(理想化之流場),而受影響的部分似乎只局限在靠近球表面的邊界層裡。球上方的流場分布似乎較密,但也並不如勢流模型裡預測的那麼強烈,藉著上面敘述,我們可以大概了解球的在流場中的微觀現象。
接著我們來簡單討論球的受力狀態,基本上球所受的力量依方向性可分為兩種,一種是阻力,一種是側向力。而阻力又大概可分為空氣阻力與重力,球所受的空氣阻力是四面八方都有,但是相對影響較為明顯的是和球前進方向相反的空氣阻力,它會削弱球前進的力量,側向力的大小可用庫達-賈可斯基定律(Kutta-Joukowski Theorem)來解釋,即球所受各方向側向力的大小會與與球速及環流量成正比。而且從各種電腦模擬及實驗數據來看,快速球的軌跡會受到各種力量的影響,形成像拋物線的軌跡。(即便我們所認知的直球也是如此,它的行進軌跡絕對不會是捕手接球位置和投手出手點連成一直線。)
以快速球為例,從一壘的視角觀察由投手丘投往本壘的快速球,我們可以發現球是往上旋轉(順時針旋轉)。此時我們更進一步的利用風洞實驗來觀察流場變化,並以流體力學角度探討,以柏努利定律(Bernoulli’s Theory)解釋,當流體從左往右流向球時,我們會發覺球體上方呈現的流線較密(代表球體上方有較多流線(流體)經過、流速較快),這表示球體上半部壓力較小,在要達成瞬間力平衡狀態下,自然會讓球產生一個向上的作用力:馬格納斯力(Magnus force)(即升力)。
如果要判斷球是會往左或往右偏移,必須由俯視的角度觀察流場來判斷。以曲球為例,如果由俯視角度觀察,發現球是以順時針的方向旋轉,球體左方呈現的流線較密(代表球體左方有較多流線(流體)經過、流速較快),這表示球體左半部壓力較小,在要達成瞬間力平衡狀態下,這時我們會發現球會產生一股向左的馬格納斯力(Magnus force),使球逐漸往左偏移,這常見於側投投手所投出的曲球。
而相對造成球產生各種變化型態的是馬格列斯力以及上面提到的重力。由於球旋轉所造成的馬格納斯力會因為旋轉軸是否和地面平行,產生和重力方向相同或相反,甚至在同時也形成向左或向右的馬格納斯力,而如果將球所受的各種瞬間力量以及瞬間的位移變化配合三度空間,將其組成,我們就可以清楚的了解球的行進軌跡。
- Apr 02 Mon 2007 21:01
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