完璧な野球の投球の物理学

メジャーリーグの投手は、マウンドに立つと、60 フィート 6 インチの空中で、各投球が本塁を通過する前に、その球を勢いよく投げることができます。しかし、優れた投手と偉大な投手を分けるのは、投球の武器です。2 本指ファストボール、4 本指ファストボール、スライダー、カーブ、カッター、ナックルボールなど、それぞれのオプションは、独特の動きを実現するために、異なる回転をします。

「野球は肉体的な競技というよりは技術的な競技なので、科学に応用できる点がたくさんある」とクリーブランド・インディアンズの先発投手、トレバー・バウアーは言う。バウアーは野球の物理学に詳しいことでは珍しい。大学時代にはカリフォルニア大学ロサンゼルス校で工学を学んだが、科学を愛するようになったのは化学技術者だった父親が科学的手法を教えてくれたからだと言う。

野球ボールをプレート上で落としてカーブさせるには、投手はグリップとタイミングを操作します。ほとんどの投手は投球の物理的性質について考えませんが、三振を奪うのは回転する野球ボールの周りの空気の動き方だとバウアーは言います。他の投手は複雑な流体力学を無意識に取り入れていますが、バウアーはそれを研究して、新しい球種を自分の投球スタイルに加える方法を見つけています。2017年と2018年のシーズンの合間に、バウアーは科学的に、それまでになかったスライダーを開発することができました。そして、そのためには、投球に実際に何が含まれているかを理解する必要があったのです。

「投手が自由に使えるツールはたくさんある」と、野球の物理学を研究しているイリノイ大学の元物理学者アラン・ネイサン氏は言う。「主な役割を果たすのは、スピード、回転数、回転軸だと思う」

ボールが空中でどれだけ動くかは、スピードと回転率によって左右されます。野球ボールが回転すると、空気がボールの周りを動き、ボールの片側から逸れます。ボールが回転する軸と回転率によって、空気がどこに放出され、どれだけの力で放出されるかが決まります。

ミラーボールのように垂直軸上で反時計回り（左回り）に回転するボールは、回転によって空気が右方向に押し出されるため、左方向に進みます。この流れによって左側に低圧領域が生まれ、ボールは真空領域に向かって進むとバウアー氏は言います。この力、つまりマグヌス力が曲げ効果を生み出します。変化球などの投球は、マグヌス力を最大限に活用して、打者に向かってボールの軌道を弧状にします。

しかし、すべての球が劇的に曲がろうとしているわけではありません。フォーシームファストボールは、代わりにマグナス力を利用して重力に対抗します。

「できるだけ速くボールを投げるには、ボールを放つときに指と手をボールの後ろに置きます」とリンチバーグ大学の物理学教授エリック・ゴフは言う。「そうすると、指がボールの後ろで転がり、ボールにバックスピンがかかります。」この上向きの回転により、マグナス力はボールの重量の約 4 分の 1 に相当する力を発揮するとゴフは言う。重力がボールに作用するのを防ぐわけではないが、この投球に少し揚力、つまり野球用語で言う「ホップ」を与える。

変化球は、マグナス力のドラマが実際に効果を発揮する場所です。変化球は、ストライクゾーンの頂点（打者の腹部のほぼ中央）の高さに飛んできて、ホームベースを横切るときに打者の膝まで落ちてくるように見えます。「変化球には、とてもすばらしい錯覚が伴います」とゴフは言います。「ただまっすぐに糸の上で飛んでいるように見えますが、最後の瞬間に落ちるのです。」

ここで重要なのは重力だ。「ボールの落下の 4 分の 3 は、打席までの飛行の最後の半分で起こる」とゴフ氏は言う。投手はボールの前方に指を置くことでボールにトップスピンをかけることができ、そのトップスピンが重力を増し、投球の落下を強める。

しかし、時には、流れが欠けていることが、プレゼンの価値を左右することもあります。

野球ボール全体の空気の流れは、層流または乱流ポケットと呼ばれる滑らかな層状の流れを描きながら動く。縫い目が空気中にどのように向きを変えるかによって流れの違いが生まれ、ボールの動き方に影響を与えるとバウアー氏は言う。

乱気流の塊がナックルボールを作り出します。「野球で本当に上手に投げられたナックルボールは、打席に着くまでに半回転から1回転ほど回転することがあります」とゴフ氏は言います。この回転不足によりマグナス力は作用せず、野球ボールの縫い目が空気を捕らえるときに層流と乱流の組み合わせが残ります。これにより、小さな変化がボールの周りのさまざまな場所で乱流を引き起こし、ボールが空気中を予測できない方向に引っ張られるため、ボールは上下に揺れ動きます。

「ナックルボールの不規則な動きは、物理学者がカオス関数と呼ぶものの一例です」とネイサンは言う。「放出条件の小さな変化が、ボールに起こることに大きな変化をもたらす可能性があります。」ナックルボールに誤って回転をかけると、打者にとって大きなスローピッチになります。ナックルボールを投げるのは、ボールにできるだけ回転をかけないようにするために、指からスイカの種を絞り出すようなものだとゴフは言う。

バウアー氏によると、ボールの一箇所に乱気流のポケットを作ることで、すでにマグヌス力を利用しているボールにさらなる動きを加えることができる。縫い目の位置によってボールに不均一なざらざらした部分ができた場合、乱気流がその方向にボールを引っ張る。「ざらざらした部分は車のタイヤがパンクしたようなものです」とバウアー氏。「右側の乱気流が強くなり、ボールは右に曲がります」。バウアー氏のシンカーでは、縫い目の配置によってドロップとカットの組み合わせが利用されており、これが実際に行われているのがわかる。

マグナス力と気流の影響を理解したバウアーは、2018年のオフシーズンに、回転による垂直方向の動きがなく（重力のみ）、水平方向に7〜10インチ動くスライダーを自分の投球レパートリーに加えられると判断した。スライダーは、通常、速度と動きの量の両方で速球とカーブの中間に位置する。「球種の分類について話すことは、実際にはあまり意味のないカテゴリーにまとめられてしまうため、もう難しい」とバウアーは言う。「今では、投球が実際にどのように動くかを数値化できるようになり、球種の分類は、投手自身がそれを何と呼ぶか​​に依存するため、あまり意味がなくなってきている」。スライダーをどのように定義するかはともかく、バウアーは自分の武器庫を見て、まさにこの動きをする球種の方が危険だと判断した。

彼は、水平方向や垂直方向の動きがないフットボールのジャイロスコープ回転を研究することから始めました。「完全にジャイロスコープであるが、軸が可能な限り垂直方向に傾いているピッチが必要でした」とバウアーは言います。「軸を上に傾けるほど、横方向の動きが大きくなります。」傾きが大きくなると、ボールを横方向に押すマグナス力が大きくなります。バウアーと父親は、回転軸を特定するために画鋲を使用し、バウアーがボールをどう持つかを検討し、ボール全体に層流を発生させてマグナス力の横方向の動きを強める方法を 6 時間かけて研究しました。

グリップが決まると、バウアーはワシントン・ナショナルズのスティーブン・ストラスバーグやトロント・ブルージェイズのマーカス・ストローマンなど、似たような投球をする他の投手のビデオや画像を参考にした。「物理学と原理の理解だけに基づいて、まったく何も知らない状態で私たちがデザインしたグリップが、ストラスバーグとストローマンが使っているグリップとまったく同じだったのです」とバウアーは言う。「父と私がそのグリップを開発するのにかかった時間はたったの 6 時間で、おそらく 20 年も実験と試行錯誤を重ねたわけではないのです」

バウアーが望んでいたスライダーと、同じように考案したチェンジアップを投げられるようになるまで、さらに 6 時間投球とグリップの調整を要した。「でも、自分の腕と投球フォームで実際に投げられるという証拠が得られた」とバウアーは言う。彼はスライダーを春季トレーニングに持ち込み、素晴らしい結果を出した。「とても励みになった。そしてシーズンに入って 2 週目くらいに、スライダーの感覚を完全に失ってしまった」

バウアー氏は、新しい球種の感覚を失うのはよくあることだと言う。「その球種を自分のものにできるかどうかの本当の試金石は、一度それが消えたかどうかだ。なぜなら、それはいずれ消えるからだ」とバウアー氏は言う。「一度消えてしまったら、どうやって取り戻すかを知っているか」

投手は、投球の要である打者のタイミングを狂わせるという点において、多様な動きを武器にする必要がある。打者がスイングを決めるまで、ボールが放たれてから約 10 分の 1 秒の猶予がある、とゴフは言う。「球速を変えることで、打者のタイミングが狂う」とゴフは言う。「投球位置を変えることで、打者は推測し始める」。変化が多ければ多いほど、投手は空振り三振を奪える。バウアーはスライダーでまさにそれを狙っていた。

シーズン最初の 1 か月間、バウアーは試合で他の投球スタイルを披露しながら、スライダーの復活に努めた。彼は、似たようなスライダーを投げるチームメイト、コーリー・クルーバー、マイク・クリービンガー、ストローマンのスローモーション映像を研究し、彼らの握り方を自分のものと比較した。「自分の指がボールの前方に行き過ぎていることに気づきました」とバウアーは言う。「そのため、垂直方向の動きが思ったよりも多く、水平方向の動きが足りませんでした。」

問題は、ボールが手の中に長く留まりすぎていることだった。「グリップを調整すれば、ボールが少し遅く、または少し早く出るようになります」とバウアーは言う。そこで、スライダーを 2 ミリ秒早く出すために、バウアーは親指を通常の位置ではなくボールの下に押し込んだ。現在、彼のスライダーは一貫して 7 ～ 10 インチの水平移動を実現している。

「それが原理を理解し、その重要な瞬間に実際に何が起こっているかを理解することの力です」とバウアー氏は言います。「私はそれを理解し、研究し、設計したので、さまざまな制御パラメータをすべて知っているので、調整が非常に簡単になります。」

バウアーはメジャーリーグでは珍しく、投球の背後にある物理法則を理解しているとネイサンは言う。ほとんどの選手はそれについて考えない。バウアーはそれには十分な理由があると考えている。ゲームの物理法則を分析すると、パフォーマンスの考え方に切り替えて戻る方法を知らないと、パフォーマンスが難しくなるからだ。マイナーリーグでその方法を見つけるのに十分な時間を持てたのは幸運だったが、ほとんどの選手にはそんな余裕はないと彼は言う。そして、彼は投手を目指す選手が彼の方法を真似しようとすべきではないと考えている。彼はむしろ、若い選手は物理法則を研究するのではなく、優秀なコーチに頼るべきだと提案している。

しかし、バウアーがメジャーリーグで投手として活躍する一方で、そこで働く物理学は球場の外にも及んでいる。「この科学は野球だけに当てはまるものではなく、空気中を動くものなら何にでも当てはまるので興味深い」とゴフは言う。