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變化球有奧祕

圖/樹下繪本

球旋轉造成馬格納斯效應的馬氏力F,形成變化球。圖/樹下繪本

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文/簡麗賢

記得亞洲棒球錦標賽去年12月在台北大巨蛋舉行,球評和媒體記者特別關注投手的球速、控球精準度和「變化球」球種。投球基本要件除了精準度外,變化球的球種及球速,是立足投手丘相當重要的條件,尤其要在美國職棒大聯盟或國際賽受到總教練的賞識,靈活交替使用變化球是優質投手必要的養成歷程。

一顆球加上縫線及手指、手臂等身體姿勢的改變,投出去,竟能如此千變萬化,神奇吧!將球投出去後,除了受到重力和空氣阻力作用外,為何還能改變棒球的運動路徑?

球體旋轉  空氣流動

以物理學的觀點,變化球與改變空氣的流動,使空氣對球體施力,促使球體側移、上升或下墜,物理學家指出,投手投出的球,主要受到旋轉時產生的「馬格納斯效應」(Magnus effect)或「馬氏力」(Magnus force)所影響,造成行進軌跡彎曲。

為何會產生馬格納斯效應?主要是球體旋轉造成周圍空氣改變流動方向造成;球與空氣互相作用,形成作用力與反作用力,而空氣流動時施予球體的反作用力,即是馬格納斯效應的馬氏力。此現象是德國科學家馬格納斯在1852年提出的研究結果。

球在空氣中一邊旋轉一邊移動的飛行過程中,以球飛行移動的角度而言,周圍的空氣流動方向,即氣流方向,與球行進方向相反,當球逆風而行,空氣會沿著球體表面流動,並從球的表面剝離,這是邊界層理論(Boundary Layer theory)。當空氣流經球體時,會因為表面摩擦力而造成速率減小,依照邊界層理論,當氣流壓力變大,會因為壓力差而產生逆向流動。當逆流足以將氣流推離邊界層時,會產生不穩定的氣流,稱為「尾流」。當球體旋轉方向與氣流一致的一側,氣流會受到球體旋轉的牽引,較不容易從球表面剝離。當氣流從球的表面剝離後,偏移至球的後方,會推擠球體後方的空氣向一側偏離。

當球體旋轉時,球體表面周圍的空氣受到球旋轉和移動的作用,改變流動方向,此瞬間,球體也同時受到空氣的反作用力,也就是說球體旋轉改變周圍的氣流,氣流施予球體的反作用力是球體承受的力,這是前面提到的馬格納斯效應的馬氏力。優質的棒球投手能運用球的旋轉產生馬格納斯效應,改變馬氏力的方向和大小,製造往不同方向彎曲側移的變化球。

瞬間下旋  球帶尾勁

電視台轉播棒球比賽,常聽到主播和球評評論投手投出的球帶有尾勁。「有尾勁」的球是怎樣的球?這是一種快速直球,但打擊者會產生錯覺,以為球好像往上飄,形容這樣的球是帶有尾勁的球。投手教練描述產生有尾勁的球在於投手投出瞬間的「下旋」,球面的旋轉方向與球體前進方向相反,可以達到有尾勁的上飄效果。

球在空氣中飛行,主要受到地球引力和空氣阻力影響。當球未受到空氣作用力,很單純就是地球重力作用而向下拋物線墜落,若是下旋的直球,則會因旋轉而受到馬格納斯效應影響,向上的馬氏力與重力略成平衡,形成接近筆直的軌跡前進本壘板,也是另類的變化球。球的旋轉角速度值愈大,馬格納斯效應愈顯著,向上的馬氏力愈大,與重力平衡的效果愈好,球受到重力而下墜的幅度愈小,就能形成有尾勁的直球。能投出有尾勁的直球,投手投球時的下旋技巧要很好,包含球旋轉的速度量值要夠大,才能投出帶有尾勁的直球,造成打擊者錯覺,誤判而揮棒落空。

讀者或許會問棒球為何要有縫線呢?若是棒球上有縫線紋路,其不平滑的表面能拉住薄薄一層空氣跟著旋轉,使變化球效應更顯著。

17 01 2024

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