フォークボールの落ちる謎をスパコンで解明

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フォークボールの落ちる謎をスパコンで解明

ポイント

・フォークボールの落ちる理由が「負のマグヌス効果」であることを初めて解明。
・投げた直後の球速、回転速度、回転軸（ボールの縫い目）が分かれば、その後のボールの軌道が予測可能に。

概要

　東京工業大学学術国際情報センターの青木尊之教授を研究代表者とする東工大・九州大・慶應大の共同研究チームは、令和2年度に採択されたHPCI（用語１）システム利用研究課題「回転するハイスピード野球ボールの空力解析」を同センターのスパコンTSUBAME3.0（用語２）にて、野球ボールを縫い目の回転まで詳細に計算する数値流体シミュレーション（用語３）を実施した。その結果、ツーシーム回転のボールでは、縫い目のある範囲の角度において「負のマグヌス効果」（用語５）が発生し、低速回転のツーシームであるフォークボールを落下させる大きな要因となることを初めて見出した。時速151kmの球速と1,100rpm（1分間の回転数）のツーシームとフォーシーム（用語４）を比較し、同じ球速と回転数にもかかわらず縫い目の違いだけで打者の手元での落差が19cmも違うことが明らかになった。
　フォークボールはバックスピンの回転をしているため、マグヌス効果により浮き上がる軌道になるはずであるが、ほとんど浮き上がらず放物線に近い軌道を取ることが知られており、その理由は謎のままであった。
　滑らかな球に対しては、実測でもシミュレーションでも特定の条件が揃ったときに「負のマグヌス効果」という下向きに働く力が確認されていたが、縫い目のある野球ボールでは「ない」と思われてきた。また、高速度カメラによる計測では軌道や球速の変化を測定することはできるが、ボールのどの部分にどのような空力を受けるのか、さらにその時間変化までは分からなかった。
　本研究成果は2020年11月に開催された「日本機械学会シンポジウム：スポーツ工学・ヒューマンダイナミクス2020」にて発表された内容を基に、その後得られた有力なデータを加えて発表するものである。

用語解説

（1）HPCI：革新的ハイパフォーマンス・コンピューティング・インフラ（HPCI）。富岳を中核として国内の大学や研究機関の計算機システムやストレージを高速ネットワークで結ぶことにより、全国の HPC リソースを全国の幅広いユーザーが効率よく利用できる科学技術計算環境。本研究の課題は下記に該当する。
令和 2 年度 HPCI システム利用研究課題募集選定課題 hp200070　
https://www.hpci-office.jp/materials/adoptionlist2020_11.pdf
（2）スパコン TSUBAME3.0：東工大学術国際情報センターが運用するスパコンで、2,160 個の GPU を搭載し、12.15 ペタフロップスのピーク演算性能を持つ。最先端の研究教育の基盤として、広く学内外に計算資源を提供しており、また、産業利用にも大きく貢献している。
（3）数値流体シミュレーション：偏微分方程式である流体方程式を離散化して四則演算で近似し、コンピュータで数値的に解を求めることにより、流体現象をコンピュータ上で再現する。数値流体力学ともいわれる。
（4）ツーシームとフォーシーム：打者から見たときのボールの縫い目（回転）を指す。ツーシームは、ボールの 1 回転中に縫い目が 2 本しか見えない回転のボール。フォークボールやスプリットなどの縫い目の回転はツーシームになっていて、軌道が変化し易いボールとして知られている。対してフォーシームは、打者から見ると、ボールの 1 回転中に縫い目が 4本見える回転のボール。ストレート（直球）などの縫い目の回転はフォーシームになっていて、軌道が素直で回転が速いと浮き上がる感じがするボールとして知られている。
（5）マグヌス効果：回転している球に流れが当たる（球が回転しながら移動する）と、境界層という物体表面にできる薄い層が球の前面と側面では表面に付着しながら流れる。球の上面の速度は流れの向きと同じであるため球から見ると流れが遅くなっており、境界層の剥離位置は下流側に後退する。一方、下面では球表面の速度が流れに対向しているために境界層の剥離位置が上流側に移動し、球を通り過ぎた流れは右下向きになる。このことにより上面の方が球に沿って流れる範囲が広がるために圧力が低下し、流れと垂直方向の揚力が発生する。回転している変化球のカーブが曲がる原理である。