La Physique du Base-ball
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La Physique du Base-ball
La Physique du Base-ball Renaud Seigneuric Renaud Seigneuric, Dr, PhD 100 1 80 0. 9 0. 8 60 0. 7 0. 6 • Modélisation des dynamiques de Population – • 0. 5 40 0. 4 0. 3 20 0. 2 0. 1 0 0 -10 -20 0 5 10 15 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 20 Laboratoire de Biologie Quantitative, Toulouse Modélisation des arythmies cardiaques – • Laboratoire de Biomathématiques, Lyon Expérimentation & Analyse d’arythmies – • Hôpital du Sacré-Cœur, Montréal, Canada Cancer & Bioinformatique – • Laboratoire MAASTRO, Maastricht, Pays-Bas Nanosciences & Pharmacie – Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne 70 60 50 40 30 20 10 0 -20 Systèmes complexes à différentes échelles Dimension(s) temporelle et/ou spatiale Modélisation & Expérimentation Approches ascendantes & descendantes Projets interdisciplinaires 0 20 40 60 80 100 120 Qui veut gagner des neurones ? ? A B C D Q1 Qui veut gagner des neurones ? Un bon batteur (professionnel ou non) a une réussite à la frappe de : A 11% B 33% C 66% D 99% Q2 Qui veut gagner des neurones ? En défense, combien de joueurs sont sur le terrain ? A 5 B 11 C 9 D 15 Q3 Qui veut gagner des neurones ? Mise à part son enveloppe de cuir, une balle de base-ball est constituée de : A Caoutchouc + Laine B Liège + réponse A C Bois D Bois + Laine Q4 Qui veut gagner des neurones ? Le lanceur et le receveur sont-ils dans la même équipe ? A Oui B Non Le Base-ball était-il un Jeu Olympique en 2008 ? C Oui D Non Q5 Qui veut gagner des neurones ? Le base-ball est pratiqué dans la plupart des pays. Dans quel(s) pays est-il très populaire? (1) Etats-Unis (2) France (3) Japon (4) Pays-Bas (5) Cuba A 1 B 1&2&3 C 1&4 D 1&3&5 Références [email protected] • • • • • • Baseball Canada http://www.baseball.ca/ Baseball Québec http://www.rds.ca/baseballquebec/ Ducs de Bourgogne http://www.duc-baseball.org/ Fédération Française de Baseball Softball & Cricket http://www.ffbsc.org/ International BAseball Federation http://www.ibaf.org/ Major League Baseball http://mlb.mlb.com/ • • • • • • Terry Bahill, Rod Cross, Jerry Kindall, Becky Olrich, Alan Nathan, Thomas Nivot “Our aim is not to reform baseball but to understand it.” Robert Adair Physique & Base-ball • • • • • • • • Introduction (historique, principe) Balle Batte Gant Lancer Frappe Réception Conclusion Base-ball : introduction • Origines : Rounders, Thèque, Schlagball, Cricket • Codification des règles en 1845 (Alexander Cartwright, New York) • • • Expansion : • • • Knickerbockers vs. New York Club (New Jersey) Système d ’unités impérial (1 pouce = 2,54 cm; 1 pied = 0,305 mètre) américaine après la Guerre de sécession (1861–1865), – « National Pastime » internationale (fin XIX° siècle): – Cuba en 1864, – Japon en 1873, – République dominicaine en 1891, – Taïwan en 1895, – Pays-Bas ~ 1900. Aujourd ’hui : 30 millions de par le monde Base-ball : introduction Foot-ball, Basket-ball Hand-ball, Base-ball, Base-ball : introduction Foot-ball, Basket-ball Hand-ball, Base-ball, Base-ball : introduction « Jeu d ’échec joué dehors en crampons » • Terrain: non rectangulaire (~ secteur angulaire) – champ extérieur • • • • • – dimensions variables Champ centre : 400 pieds (122 m): circuit Champ droit ou gauche minimum: 97,45 mètres ex: Babe Ruth, Hank Aaron (Braves, Atlanta) champ intérieur • • • dimensions fixées carré de côté : 27,432 mètres (90 pieds) 4 bases, sens trigonométrique 2 3 – • zone des balles fausses Marquer 1 point : accéder successivement en 1°, 2° et 3° base et revenir au point de départ (marbre) 1 Base-ball : introduction Base-ball : introduction • • B R Terrain non-symétrique occupation alternée du terrain Une partie = phases d ’attaque + phases de défense – – phases d’attaque (batte), ordre de frappe, tout le monde frappe à son tour Objectif : marquer le plus de point sans se faire éliminer – – phases de défense (gant): chacun a une place déterminée Objectif : prendre le moins de points possible et faire le plus rapidement possible 3 éliminés pour passer à son tour en phase d’attaque 8 7 i A 6 A 9 4 5 3 1 A i 1 2 A 2 3 4 5 6 7 8 9 Base-ball : introduction B R En défense : Objectif : éliminer 3 joueurs adverses en prenant le moins de points possible 1) Lanceur (sur monticule) 2) Receveur 3) 1ère base 8 7 i A 6 6) Arrêt-court 7) Voltigeur de gauche 8) Voltigeur de centre 9) Voltigeur de droit 9 4 5 3 1 4) 2ème base 5) 3ème base A A i 1 2 A 2 3 4 5 6 7 8 9 En attaque : Objectif : marquer le plus de points avant que 3 des attaquants ne soient éliminés 2 Instructeurs (signaux) Arbitres: 4 [1; 6] Base-ball : introduction B R • • Phases d’attaque (batte), ordre de frappe, tout le monde frappe à son tour Objectif : marquer le plus de point sans se faire éliminer • • Phases de défense (gant): chacun a une place déterminée Objectif : prendre le moins de points possible et faire le plus rapidement possible 3 éliminés pour passer à son tour en phase d’attaque 8 7 i A 6 A 9 4 5 3 1 A i 1 2 A 2 3 4 5 6 7 8 9 Base-ball : introduction B R • • Phases d’attaque (batte), ordre de frappe, tout le monde frappe à son tour Objectif : marquer le plus de point sans se faire éliminer • • Phases de défense (gant): chacun a une place déterminée Objectif : prendre le moins de points possible et faire le plus rapidement possible 3 éliminés pour passer à son tour en phase d’attaque 8 7 i A 6 A 9 4 5 3 1 1 A i 2 2 A 3 4 5 6 7 8 9 Base-ball : introduction B R 1 • • Phases d’attaque (batte), ordre de frappe, tout le monde frappe à son tour Objectif : marquer le plus de point sans se faire éliminer • • Phases de défense (gant): chacun a une place déterminée Objectif : prendre le moins de points possible et faire le plus rapidement possible 3 éliminés pour passer à son tour en phase d’attaque 8 7 i 6 A 1 A 5 2 9 4 3 1 A i 3 2 A 4 5 6 7 8 9 Base-ball : introduction B R 1 • • Phases d’attaque (batte), ordre de frappe, tout le monde frappe à son tour Objectif : marquer le plus de point sans se faire éliminer • • Phases de défense (gant): chacun a une place déterminée Objectif : prendre le moins de points possible et faire le plus rapidement possible 3 éliminés pour passer à son tour en phase d’attaque 8 7 i 6 A 2 A 9 4 5 3 3 1 A i 4 2 A 5 6 7 8 9 1 Base-ball : introduction • R Unité de temps : pas les minutes mais le nombre de manches 1 manche = 1 phase d ’attaque + 1 phase de défense • • • B Fin de la partie : 9 manches (~2-3h) Communication par signaux Pas d ’égalité possible (prolongations) 8 7 i A 6 A 9 4 5 3 1 A i 1 2 A 2 3 4 5 6 7 8 9 Physique & Base-ball • • • • • • • • Introduction Balle Batte Gant Lancer Frappe Réception Conclusion Balle • Pas une simple enveloppe remplie d ’air (comme foot, rugby, volley, etc.) • « Hardball » : évolution de la balle de rounders, 1845 • 3 parties parties principales : – noyau (~ 2cm de diamètre) • • • Avant 1911 : « Dead ball » Post 1911 : « Lively ball » : – cœur en liège (« livelier cork-centered ball ») – cœur en liège entouré de caoutchouc – pelotes denses de laine (et polyester/coton): bonne mémoire de forme, en 4 couches de différentes épaisseurs – enveloppe de cuir blanche 108 coutures extérieures rouge (224cm de fil) Balle • Caractéristiques pour la Ligue majeure (MLB) : – Masse : • • – Circonférence : • • – circonfballe ∈ [ 9; 9.25] pouces circonfballe ∈ [22.86-23.50] centimetres Coefficient de restitution (COR) • • – – mballe ∈ [5; 5,25] onces mballe ∈ [141.75; 148.83] grammes CORballe = hauteur rebond / hauteur initiale CORballe ~ 0,5 pour des vitesses initiales de [60; 120] mph. consommation (MLB) ~ 600.000 balles/an !! durée de vie: 5-7 lancers !! Physique & Base-ball • • • • • • • • Introduction Balle Batte Gant Lancer Frappe Réception Conclusion Batte pivot • Hickory • Frêne / Hickory (finition) • Lamellé-collé (résistance des matériaux) • Aluminium (1970) • • • • • • manche masse moindre (cylindre creux, paroi d ’épaisseur ~2mm) vitesse de la batte accrue meilleur contrôle de la frappe rigidité et durée de vie accrues effet « trampoline » « sweet spot » accru cm cylindre Batte • Détermination (subjective) du « sweet spot » – – • Détermination du nœud du fondamental de vibration ~ 170 Hz – – – • • prise normale de la batte, frapper un objet fin vertical ressenti : absence de choc ou de vibration suspendre la batte, frapper avec un marteau pas de vibration son différent Le « sweet spot » & nœud du fondamental de vibration coïncident Le meilleur point d ’impact semble être le nœud du fondamental du mode de vibration, pas le centre de percussion (Cross 2003). Batte • « Sweet spot » Nodes CG Les simulations concordent avec l’expérience Batte • Au contact : – – • si le manche se déforme, le cylindre ne peut pas (effet trampoline faible) si le manche est rigide, le cylindre peut se déformer et accroître l ’effet trampoline Frapper au niveau de la zone du « sweet spot » – – 2 pouces 5 cm x 1 cm Batte Lanceur 0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 Receveur 25.000 30.000 35.000 Physique & Base-ball • • • • • • • • Introduction Balle Batte Gant Lancer Frappe Réception Conclusion Gant • • • • • • • Pas obligatoire! Apparition après la Guerre de Sécession 1870 : Spalding 1894 : J. Denny, 3° base : dernier joueur à jouer sans gant 1919 : Bill Doak : invention de la poche Principalement en cuir (vache) Forme & fonction : différentes morphologies – – – – – Lanceur Champ intérieur Champ extérieur Joueur de 1° base Receveur 8 7 i A 1885 6 A 3 1 1910 1920 9 4 5 1900 A i 1 2 A 2 1950 1980 Gant • • • Eliminer un joueur adverse : attraper la balle de volée Recherche d ’un puits d ’énergie potentiel maximal Inclinaison & taille de la barrière Physique & Base-ball • • • • • • • • Introduction (historique, principe) Balle Batte Gant Lancer Frappe Réception Conclusion Frapper • Impact violent, durée :< 1ms • Energie dissipée en chaleur, frottement, vibration et son • Balle : – – – • ressort : compression, expansion, énergie cinétique ↔ énergie potentielle pertes : déformation importante, dissipation structure interne, vibrations Nécessité de changer de balle: ~ tous les 5 lancers Batte : déformation, vibrations – – « Tourner la batte d ’un quart de tour après chaque frappe » A l ’impact, la batte recule (perte) : choisir une batte plus lourde (COR + élevé)… mais moins rapide ? Frapper • Modèle de collision à 2 corps (ressorts) • Energie cinétique énergie potentielle énergie cinétique • Energie potentielle : • • partagée entre les ressorts balle & batte (compression mutuelle) • balle : essentiellement dissipée (~80%) • batte : essentiellement restaurée • effet net : énergie potentielle restaurée partiellement COR et BBS élévés Frapper • • • Balle lancée : 90 mph (145km/h) Batte : 70 mph (113km/h) But : maximiser la vitesse de la balle battée (VBB) VBB ≈ 100 mph, 30°-35o (bcp de “backspin”) ⇒ d ≈ 400 ft chaque mph additionnel ⇒ ~ 5 ft – – • Comment varie la vitesse de la balle battée (VBB) ? VBB = q vballe + (1+ q) vbatte – Vitesse de la balle : vballe – – Vitesse de la batte : vbatte Efficacité de la collision : q • • q = 1 (super balle - mur) q = 0,2 (balle frappée autour du “sweet spot”) vballe vbatte VBB Frapper Efficacité de la collision : q = – e-r 1+ r • e: coefficient de restitution ~ 0.50 (dissipation d’énergie, principalement dans la balle, peu dans la batte) • r = mballe /Mbatte,eff : facteur de déformation ~ 0.25 (“sweet spot”) (“bat recoil factor”, conservation de la quantité de mouvement et du moment angulaire) VBB = q vballe + (1+ q) vbatte • A.N. : autour du “sweet spot” : q = 0.2 vballe vbatte 1+ q = 1.2 exemple: VBB = 0.2*90+1.2*70 VBB = 102 mph (~400”) • Prépondérance de vbatte (amorti, circuit) vis-à-vis de vballe VBB Physique & Base-ball • • • • • • • • Introduction Balle Batte Gant Lancer Frappe Réception Conclusion Lancer • • • • • 60-70% de l ’issue d ’un match Séquence cumulée des actions Lancer à 90 mph (145 km/h) Durée ~0.4 s ~150 lancers/match Lancer FMagnus • Newton, 1672 : la trajectoire de la balle de tennis est affectée par le « spin » • Heinrich Gustav Magnus (1802-1870), physicien allemand (cylindre); • Gravité • Résistance de l’air (“Drag”) • Force Effet Magnus r v ω Frésistance air mg Lancer FMagnus FMagnus r v = ½ CL ρ A v 2 Frésistance air= ½ CD ρ A v2 ω Frésistance air • CL : coefficient de portance (« lift ») • CD ~0.5 : coefficient de résistance (« drag ») • ρ : densité de l’air • A : aire de la section de la balle (Πr2) • v : vitesse de la balle mg Lancer • 1. Balles rapides (« Le lancer le plus important du Base-ball ») • • • 2. Balles cassantes (modifier la localisation) • • • balle courbe (casse dans les derniers 0.1s de la trajectoire) balle glissante 3. Changements de vitesse • • 4 coutures (« rising fastball») 2 coutures (« sinking fastball »), moins de rotation balle paume (réduire la vitesse de la balle) 4. Divers: Balle Papillon (réduire la rotation de la balle), etc. Lancer Type de lancer Vitesse initiale (mph) Vitesse initiale (km/h) Balle rapide Balle glissante Balle courbe Balle paume Balle papillon 85-95 80-85 70-80 60-70 60-70 137-153 129-137 113-129 97-113 97-113 Nombre de Vitesse de Vitesse de rotation rotation rotation pendant la (tour/min) (tour/s) trajectoire 1200 20 8 1400 23 10 2000 33 17 400 7 4 30 ½ 1/4 Lancer • • Frappeur : la balle monte, descend, courbe, casse , etc. Lanceur : envoie une balle rapide, courbe, glissante, papillon, etc. • Objectivement la trajectoire dépend de : – – – – • gravité, vitesse = II vecteur vitesse (linéaire) II rotation (spin) = II vecteur vitesse angulaire II ; Effet Magnus-Robin densité de l ’air (2° ordre) Règle(s) de la main droite – – – angulaire : relation / axe coordonnées : établi un système de coordonnées local (lancer droitier ou gaucher) exemples : • • • • tourne-vis (Maxwell) produit vectoriel Bonhomme d ’Ampère (spire parcourue par le courant) Lignes de champ magnétique Lancer • • • Les règles de la main droite permettent de trouver la trajectoire de la balle Règle (angulaire) => axe de rotation Règle (trièdre direct) => déflexion induite par la rotation de la balle Lancer Balle rapide • • « backspin » : l ’effet Magnus résultant s ’oppose à la force de gravité 95 mph (153km/h) : chute de 1,7 pied (52cm) au niveau du point d ’impact Lancer Bahill Balle rapide à 4 coutures Balle rapide à 2 coutures Lancer 1.200 rotations / min 80 rotations / sec 80 Hz 1.200 rotations / min 20 rotations / sec 20 Hz Lancer Simulation de 2 types de balles rapides pour différentes vitesses de rotation (non athlète) La balle rapide à 2 coutures est plus facile à détecter que celle à 4 coutures Lancer Balle courbe • • • • « topspin » : l ’effet Magnus s ’ajoutte à la gravité Amplitude des vitesses : 70-80 mph (113-129 km/h) Vitesse de rotation : 2.000 tour/min 75 mph (121km/h) : chute de 5,7 pied (1,74m!) au niveau du point d ’impact Lancer Balle glissante • • Plus rapide que la balle courbe (=> déflexion moindre, ~1/2 courbe) moins de rotation Lancer Lancer • • Balle tire-bouchon (d, la moins fréquente) Balle paume (e) – – • lente : 60-70 mph (97-113 km/h) même axe de rotation (si même prise que balle rapide) Balle papillon (f) – – lente : 60 mph (97 km/h) moins d ’une rotation pendant sa trajectoire complète ! Lancer Par-dessus 3/4 Sur le côté Par-dessous Toute motion qui n ’est pas strictement par-dessus engendrera une rotation déviant de l ’horizontale (=> déflexion latérale) Physique & Base-ball • • • • • • • • Introduction Balle Batte Gant Lancer Frappe Réception Conclusion Zone de prise • • • • • • • Pas de cage de but, de poteaux mais une zone de prise « virtuelle » 1877, 1887, 1950, 1963, 1969 : équilibre attaque/défense 1969 : Marbre; Genoux, Aisselles: boîte de 20"x23"x17" Prise (« strike »), 50cm Mauvaise balle (« ball ») (Retraits & comptes) 58cm i A 43cm 8 7 6 A 9 4 5 3 1 A i 1 2 A 2 3 4 5 6 7 8 9 Zone de prise • • • • • • • Pas de cage de but, de poteaux mais une zone de prise « virtuelle » 1877, 1887, 1950, 1963, 1969 : équilibre attaque/défense 1969 : Marbre; Genoux, Aisselles: boîte de 20"x23"x17" Prise (« strike »), 50cm Mauvaise balle (« ball ») (Retraits & comptes) 58cm i A 43cm 8 7 6 A 9 4 5 3 1 A i 1 2 A 2 3 4 5 6 7 8 9 Frapper • Confrontation Lanceur - frappeur : • • • • • • Impact : • • • • • • • partie centrale du jeu (60-70% de l ’issue d ’un match) distance : 60 pieds et 6 pouces (18,39 m) vitesse de la balle ~90 mph (145 km/h) temps de trajet de la balle : 0,4 s perte de vue de la balle 10 pieds (~3m) avant son arrivée au marbre durée impact < 1ms balle à 90mph vs. batte à 70 mph Erreur de ~1ms (avance ou retard) => balle fausse Erreur de 3ms : frappe dans le vide... zone d ’impact: qq millimètres trop haut ou trop bas: pop ou roulant Hitting a baseball is « one of the hardest things to do in sports » « A game of inches » Frapper lecture • • • • • • motion 100 ms : voir la balle et envoyer l ’image au cerveau 75 ms : analyser l ’information, estimer la vitesse, la rotation et la localisation de la balle pour estimer la direction et la déflexion 50 ms : décision de s ’élancer ou non, et si oui où? quand? comment? • • • analyse décision décl. 25 ms pour la prise de décision 25 ms pour le choix du type de frappe (haute, basse, intérieure,extérieure) 25 ms : le cerveau déclenche la motion par l ’action des jambes (pas vers l ’avant) 50 ms : le frappeur peut encore arrêter sa motion de frappe 110 ms : la motion ne peut plus être corrigée 150 ms : durée de la motion de frappe Frapper • Conséquences – – réflexe + jugement : nécessité de beaucoup d ’entraînement (coordination œil-main) connaître les lanceurs adverses : prendre des indices pour réduire le nb de lancers possibles : – – – – types de lancers (angle du bras lanceur, point de lâcher, mouvement du poignet, prise de balle à lâcher, rotation au moment du lâcher) habitudes (compte), tics, etc. Moyenne de frappe Puissance de frappe .252 .261 .269 .380 .405 .419 1° neuf, 2° neuf et batteurs suivants contre les lanceurs MLB (1986-1988) Frapper • Conséquences – acuité visuelle dynamique • • • – – être humain moyen : lire jaquette sur platine 33 tours, Ted Williams : 78 tours/min meilleure chez les athlètes (augmente avec l ’entraînement), recherche d ’un motif, d ’une fréquence de scintillement ? pratique (améliore le Go / No go) en cage de frappe, etc. intercepter & décoder les signaux de l ’équipe adverse (1860 « telegraphing signals ») • • • • • communication lanceur-receveur communication instructeur-frappeur communication défenseur-défenseur communication arbitre-arbitre Plus de 1.000 signaux pour un match de 9 manches Physique & Base-ball • • • • • • • • Introduction Balle Batte Gant Lancer Frappe Réception Conclusion Trajectoires 120 100 no drag or lift Pas de résistance de l’air Pas d’effet Magnus 80 Résistance de l’air Effet Magnus 60 40 drag, no lift drag and lift Résistance de l’air Pas d’effet Magnus 20 0 0 100 200 300 400 500 distance (ft) 600 700 Effet de la résistance de l’air et de l’effet Magnus sur les trajectoires des balles battées • • • Résistance de l ’air (incertitude actuelle ~50 pieds : 15 mètres) Effet Magnus : existant mais relativement faible Trajectoire asymétrique : distance totale ≈ 1.7 x distance au sommet Trajectoires • balles derrières le marbre : – – bcp de « backspin » trajectoires difficiles à estimer 140 120 100 80 60 40 20 0 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 horizontal distance (ft) 40 60 Physique & Base-ball • • • • • • • • Introduction Balle Batte Gant Lancer Frappe Réception Conclusion Qui veut gagner des neurones ? Réponses A B C D Q1 Qui veut gagner des neurones ? Un bon batteur (professionnel ou non) a une réussite à la frappe de : A 11% B 33% C 66% D 99% Q2 Qui veut gagner des neurones ? En défense, combien de joueurs sont sur le terrain ? A 5 B 11 C 9 D 15 Q3 Qui veut gagner des neurones ? Mise à part son enveloppe de cuir, une balle de base-ball est constituée de : A Caoutchouc + Laine B Liège + réponse A C Bois D Bois + Laine Q4 Qui veut gagner des neurones ? Le lanceur et le receveur sont-ils dans la même équipe ? A Oui B Non Le Base-ball était-il un Jeu Olympique en 2008 ? C Oui D Non Q5 Qui veut gagner des neurones ? Le base-ball est pratiqué dans la plupart des pays. Dans quel(s) pay(s) est-il très populaire? (1) Etats-Unis (2) France (3) Japon (4) Pays-Bas (5) Cuba A 1 B 1&2&3 C 1&4 D 1&3&5 Physique & Base-ball • Recherches – – • • • résistance de l ’air collision balle - batte Baseball Cards, Scorage & Statistiques (125 ans) Society for American Baseball Research (SABR) Modélisation (Cy Young Award) Références [email protected] • • • • • • Baseball Canada http://www.baseball.ca/ Baseball Québec http://www.rds.ca/baseballquebec/ Ducs de Bourgogne http://www.duc-baseball.org/ Fédération Française de Baseball Softball & Cricket http://www.ffbsc.org/ International BAseball Federation http://www.ibaf.org/ Major League Baseball http://mlb.mlb.com/ • • • • • • Terry Bahill, Rod Cross, Jerry Kindall, Becky Olrich, Alan Nathan, Thomas Nivot “Our aim is not to reform baseball but to understand it.” Robert Adair Nolan, pendant l’E2PHY : le 27 août 2008 !! Qui veut gagner des neurones ? La Corée, Cuba et les Etats-Unis sont montés sur le podium olympique, mais dans quel ordre ? A Corée; Cuba; USA B USA; Corée; Cuba C USA; Cuba; Corée D Cuba; USA; Corée Qui veut gagner des neurones ? La Corée, Cuba et les Etats-Unis sont montés sur le podium olympique, mais dans quel ordre ? A Corée; Cuba; USA B USA; Corée; Cuba C USA; Cuba; Corée D Cuba; USA; Corée