棒球

棒球在各種運動競賽中，一直是相當受到注目，同時營造出巨額商機的運動。棒球運動中最讓人情緒高昂的部分，除了球員的美技外，絕大部分的目光都聚集在投手與打者間的對決。為了解決打者，投手會投出各種不同行進軌跡的變化球來取得優勢，這也成為棒球空氣動力學興起的淵源。 在討論與棒球有關的空氣動力學理論時，一定都會談論到下列兩個理論：白努利理論（Bernoulli's principle）與邊界層理論（Boundary Layer theory）。而本文將著重在介紹邊界層理論的內容與應用。 邊界層理論的內容是探討當流體流經物體時，會因為表面摩擦力而造成速度的下降，較原速度下降的範圍，稱為「邊界層」。而依照邊界層理論，當氣流壓力變大，會因為壓力之落差而產生逆流。當逆流足以將氣流推離邊界層時，便稱為「邊界層分離」。邊界層分離會產生不穩定的氣流，稱為「尾流」。棒球的空氣動力學需要考慮另一項重要的關鍵，就是球體上的縫線，因此衍生出大家熟知的2縫線與4縫線球。球體上的縫線會導致邊界層分離點的前移或後退，影響球體所受的升降力、側向力與阻力，球體的軌跡也因此改變。

在許多使用球拍的球類運動中，我們常常會注意到球拍的施力與球的行進軌跡及速度的關聯性。近年的物理學研究中，也有許多不同的論文研究指出擊球的過程中，真正影響球行進方向與作用力大小的變數為何。 擊球的瞬間所產生的物理現象大概包含了：球接觸到球棒瞬間的變形、球接觸到球棒所產生的橫波、這股橫波會藉由球棒的軸心傳導至球棒的握把、透過握把，擊球員的手所作的反應、這股作用力透過握把再度傳導回球棒。上述過程何者對擊球的效果影響最大，頗令人好奇。

我們經常會看到棒球的動漫卡通中，在打者擊球瞬間，會出現球體接觸到球棒而變形的畫面。事實上，在球棒與球接觸的瞬間，球會因為速度過快而變得較為扁平，並包覆棒頭擊球點，之後藉由對球棒的推力反彈。在這個過程中，會產生所謂的「彈簧床效應」（trampoline effect）。 彈簧床效應運用在棒球物理上，是指球與球棒接觸的瞬間，會因為摩擦力而將球的動能轉為熱能，造成能量的流失，而球棒的材質如果較硬，球的變形程度會提升，接觸面積增加導致摩擦力提升，能量也相對流失較多；相對地，當球棒材質較有彈性，變形程度則降低，能量流失較少。因此，從物理學的角度來看，現今的球棒研究試圖改善鋁棒，加入強度較高的合金，讓球棒變得更細卻不削減其功能，就是要提升彈簧床效應。而在棒球運動中，也有不少案例顯示球員試圖在木棒中填塞軟木塞，也是同樣的道理。