Le baseball fascine les physiciens. Nombre d'entre eux ont réalisé recherches et calculs sur divers sujets tels que l'aérodynamique de la balle en rotation, la fameuse "knuckleball", le coefficient de restitution de la balle et son effet sur son rebond sur la batte, les interactions batte-balle durant leur collision...

La physique de la frappe : dynamique de la collision batte-balle

La batte a longtemps été considérée comme un corps rigide possédant une petite zone près du haut du baril, où les forces de recul sur les mains et les vibrations sont minimisées. Mais dorénavant les chercheurs traitent la batte comme un corps dynamique flexible.

Les premiers calculs ont été réalisés par Van Zandt, qui appliqua la théorie des poutres pour déterminer les modes normaux pour la vibration transverse de la batte. Il résolva le problème de la collision en prenant en compte les vibration induites dans la batte et leurs conséquences sur le vol ultérieur de la balle. En particulier il démontra que la vitesse de la balle est une fonction de la position du point d'impact sur la batte, et que v_f est maximum lorsque le point d'impact est situé sur un noeud du mode fondamental de vibration. La valeur de v_f est dans ce cas celle calculée dans le cas d'une batte considérée comme un corps rigide.

Pour en savoir plus (réservé aux amateurs de mécanique...)

La physique du lancer Le lanceur dispose de différents types de lancers qu'il utilise pour éliminer le frappeur. Chacun de ces types de lancers approche le marbre d'une façon différente, ce qui rend ardue la tache du frappeur. Balles rapides & balles courbes Lorsqu'un lanceur lance une balle courbe, la balle quitte ses doigts différemment du cas d'une balle rapide. Pour lancer une une balle rapide, le lanceur imprime une rétro-rotation à la balle, sans rotation du poignet. Pour lancer une balle courbe, le lanceur effectue une rotation du poignet au moment de lacher la balle, ce qui imprime une rotation oblique à la balle. La trajectoire empruntée par la balle dépend directement de sa rotation dans l'air.

L'air qui entre en contact avec la balle réagit de façon différente selon le type de contact. en effet l'air est un fluide visqueux, qui s'oppose au mouvement de la balle. Sur une face, l'air est accéléré par la rotation de la balle, alors que sur l'autre l'air est freiné. La balle dévie alors du côté où elle est exposée à la plus faible résistance.

La courbe ou "curve ball"

Dans le cas de la courbe, la trajectoire n'est pas contenue dans un simple plan vertical. La déviation horizontale est liée à la rotation oblique de la balle.

La balle rapide ou "fast ball"

Plus la balle se déplace rapidement vers le marbre, moins elle dispose de temps pour dévier de sa trajectoire rectiligne. Les mécanismes physiques qui gouvernent la trajectoire des balles rapides et courbes sont identiques : une balle rapide est une courbe qui dévie vers le haut !

La balle flotante ou "knuckle ball"

La "knuckle ball" est lancée de 50 à 75% de la vitesse d'une balle normale avec une rotationla plus réduite possible. Seuls 4 ou 5 lanceurs de Major Leagues utilisent cet effet. Comme son nom l'indique, la balle est tenue par le lanceur avec les ongles. Malgré sa faible vitesse cette balle est un cauchemard pour les frappeurs. Entre le lanceur et le catcher la balle n'effectue qu'une à deux rotations seulement. Ce n'est donc plus la rotation de la balle qui induit ses différentes déviations successives, mais son "lack thereof". L'absence de rotation de la balle oblige l'air à passer "overs the stitches", ce qui donne des trajectoires brisées imprévisibles. Dans le cas d'une balle en rotation, les coutures n'ont que peu d'effet car elles affectent toutes les faces en même temps. Cependant il a été démontré qu'une balle dépourvue de toute rotation n'a plus l'effet imprevisible sur la trajectoire, car dans ce cas ce sont les coutures qui perturbent l'écoulement de l'air autour de la balle, de façon constante. Ceci signifie que la balle conserve sa déviation initiale et ne change plus de trajectoire comme dans le cas d'une faible rotation. En effet dans le cas d'une faible rotation, les coutures changent de position, ce qui perturbe l'écoulement tout au long du trajet de la balle.