Vật lý của Knuckleball

Với Thế vận hội trong vài ngày cuối cùng của nó, đã có rất nhiều cơ hội để nhìn thấy một trong những cảnh tượng kỳ lạ và bí ẩn nhất trong thể thao: bóng ném. Ngay cả khi bạn không bao giờ nghe nói về bóng ném, bạn có thể thấy nó xảy ra ngay trước mắt bạn. Một quả bóng ném về cơ bản là khi một quả đạn hình cầu bị bắn hoặc ném sao cho độ xoáy của quả bóng được giảm thiểu, tạo ra một quỹ đạo ngoằn ngoèo khó lường có thể khiến đội đối diện (cũng như những người chơi trong một đội của riêng mình) bất ngờ.

Cái tên này bắt nguồn từ cách những người ném bóng chày cũ trong những ngày đầu của Giải bóng chày Major League (đáng chú ý nhất là Eddie Cicotte của Chicago White Sox) đã từng cầm bóng bằng đốt ngón tay trước khi ném. Mục tiêu là cung cấp cho quả bóng càng ít vòng quay càng tốt.

Làm như vậy dẫn đến một quỹ đạo sân bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của luồng khí được tạo điều kiện bởi sự khác biệt trong các bề mặt nhẵn của quả bóng và đường khâu khó khăn hơn (hoặc đó là ý tưởng - thêm về lý do tại sao điều này có thể không đúng một chút). Về cơ bản, bạn có thể buộc luồng không khí tạo ra lực cản không đối xứng tạo ra một sân giống như ngoằn ngoèo. Quả bóng, trên đường đến hành tinh quê nhà của nó, về cơ bản sẽ trông giống như rung động từ bên này sang bên kia hoặc lên xuống.

Tất nhiên, bạn không muốn ném một quả bóng có Không quay - chỉ một cái nhẹ trong đó quả bóng bao phủ khoảng cách mà không hoàn thành nhiều hơn một nửa vòng quay. Bạn có thể coi bóng ném là một phiên bản nghịch đảo của những cú đá phạt cong bóng đá, trong đó mục tiêu là áp dụng một cú xoáy rất mạnh vào một quả bóng để khiến nó di chuyển theo một hướng.

Cố gắng ném một quả bóng trong ngưỡng quay rất hẹp này là một nhiệm vụ cực kỳ khó khăn - và đó là lý do rất ít người ném bóng mà chơi trong các chuyên ngành đã hoàn thiện nó. Hơn nữa, tốc độ là chỉ số được xếp hạng hàng đầu trong việc đánh giá người ném bóng - và bởi vì bóng ném di chuyển chậm hơn mọi loại sân khác, nên ngày càng ít khuyến khích trở nên hoàn hảo.

Mặc dù bóng ném được nhìn thấy rõ nhất trong bóng chày, chúng cũng xuất hiện trong các môn thể thao như bóng đá và bóng chuyền - nhưng cũng vắng mặt một cách kỳ lạ trong các trò chơi như bóng bàn, bóng quần và bóng rổ. Và trong nhiều môn thể thao này, những quả bóng thiếu đường nối hoặc mức độ bất đối xứng cao trên bề mặt. Vậy tại sao chúng ta vẫn thấy bóng ném trong các môn thể thao khác?

Câu hỏi đó đưa chúng ta đến một cặp nghiên cứu về vật lý của bóng ném mà nhà nghiên cứu động lực học chất lỏng Baptiste Darbois Texier đã nghiên cứu. Vào năm 2012, thông qua một thí nghiệm động lực học chất lỏng thả các hạt thép, thủy tinh và nhựa có kích cỡ khác nhau vào nước, cô và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng một quả cầu trong dòng chảy - giống như một quả bóng ném - sẽ gặp phải hiện tượng bắt đầu kéo lực lên vật thể giảm mạnh. Một lực đẩy sang một bên trong đó gây ra cuộc khủng hoảng kéo dài - làm cho quả bóng bay qua lại và di chuyển về phía trước.

Trong một nghiên cứu mới hơn được công bố vào tháng trước Tạp chí Vật lý mới, Texier và nhóm của cô đã sử dụng thử nghiệm đường hầm gió để mô tả rõ hơn hành vi của bóng ném và tái tạo chuyển động của chúng trong một môi trường có kiểm soát. Sử dụng một cỗ máy đá bóng được chế tạo tùy chỉnh để thiết lập lại bóng ném trong bóng đá, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng tất cả các quả bóng bay trong không khí với tốc độ như vậy và không có xoáy có thể đi theo quỹ đạo ngoằn ngoèo, ngay cả khi chúng không có đường nối, Tex Texier kể Nghịch đảo. Thực tế này chứng minh rằng một quả cầu không quay và trơn tru di chuyển trong không khí trải qua các lực nâng dao động có thể tạo ra quỹ đạo không thẳng.

Điều này trái ngược với một quan niệm trước đây đã giải thích quỹ đạo ngoằn ngoèo của những quả bóng thể thao với sự hiện diện của các đường nối và một lượng nhỏ xoáy. Texier cho biết một phần của thí nghiệm liên quan đến việc thử nghiệm chuyển động của những quả bóng bocce mịn rơi vào nước. Cô ấy nói rằng quỹ đạo không thẳng của những quả bóng dày và mịn như vậy thực sự bất ngờ đối với chúng tôi, cô nói. Bước sóng zigzag lớn hơn nhiều so với khoảng cách bắn thông thường gặp trong một lĩnh vực thể thao. Một thực tế như vậy giải thích tại sao những con đường ngoằn ngoèo không bao giờ được quan sát thấy trong bocce.

Một câu hỏi lớn vẫn dành riêng cho bóng chày, tuy nhiên: chúng ta sẽ thấy bóng ném nếu đối tượng trơn tru và liền mạch? Texier doesn không có câu trả lời cho điều đó, nhưng đó vẫn là câu hỏi tiếp theo còn lại để trả lời.