Тріщина летучої миші

1. Теорія Адера
2. Експеримент
3. Деякі дані Scottsdale
4. Посилання та ресурси

Для багатьох це квінтесенційний звук літа. Він зосередить колективну увагу 40 тисяч шанувальників за частку секунди. Ця відмінна реверберація, тріщина летучої миші, існує довше, ніж бейсбол. Але, наскільки я знаю, фізика тріщини бити описана тільки теоретично, а експериментальні дані рідкісні.

Багато вболівальників, так само як і гравці, скажуть вам, що добре влучений гомер звучить чітко відрізняється від ледачого летячого м'яча. Тренери стверджують, що вони можуть оцінити потенціал молодого нападаючого лише за звук, створений, коли його битою відповідає м'яч.

Щоб пролити світло на такі твердження, ми з подругою відправилися в Фенікс на весняний тренінг у 2014 році. Далі йде резюме теорії, що стоїть за тріщиною бити, а також обговорення наших вимірів.

Теорія Адера

У 2001 році Роберт Адір - відомий Фізика бейсболу - попросили виступити на акустиці та бейсболі. Він стверджував, що знає «нічого з акустики», але докладно пояснив те, що ми маємо зараз, що стосується тріщин бити. Його аргумент наводить на думку, що звук має два джерела: витіснення повітря під час удару м'яча і миші, а також вібрація бити після завершення зіткнення.

За його оцінками, внески цих двох осіб приблизно однакові. Більш вражаючий з моєї точки зору, обидва створюють звуки досить голосні щоб бути почуті всюди ballpark заповнився з 40.000 вентиляторами.

Звук створюється, коли повітря витісняється з одного простору і в інше. Найпростіший приклад - плескати руками. Коли ваші руки підходять один до одного, повітря між ними витісняється, створюючи звукові хвилі. Повільно зближуючи руки, ви створюєте звук нижчої частоти в порівнянні зі швидким зближенням. Спробуй це. Час зіткнення для ваших рук визначає частоту результуючого звуку.

Те ж саме стосується і зіткнення м'яча. Час зіткнення між м'ячем і бітою становить близько 0,6 мілісекунди (мс) для добре влученого м'яча. На щастя, я не буду вдаватися в подробиці теорії хвиль. Однак виходить, що можна очікувати широкої збірки частот з центром навколо зворотного часу зіткнення, близько 1,7 кілогерц (кГц).

Для погано влученого м'яча час зіткнення зазвичай довший, що призводить до збору частот з центром на меншій частоті. Цей зсув частоти є потенційним джерелом різниці в звуці для гомера проти слабкого м'яча.

Звук, пов'язаний з вібрацією кажана, аналогічний звукам, що створюються вібраційними струнами гітари. Коли ви вибираєте верхній рядок, ви в першу чергу чуєте 82Hz. Крім того, ви також почуєте - у зменшенні обсягів - 164 герц (Гц), 246Гц, 328Гц тощо. Вони часто називаються "власними частотами" рядка.

Перші чотири власні частоти для кажанів, як відомо, становлять близько 170 Гц, 600 Гц, 1200 Гц і 2000 Гц, хоча вони дещо відрізняються від кажанів до битою. Для добре влученого м'яча має бути відносно мало збудження цих коливальних режимів, тому що всі вони мають вузли, поблизу яких добре влучений м'яч вражає биту. Проте, для менш ударої кульки, що вражає кінець кажана, ці режими збуджуються до різної міри.

Підсумовуючи, теорія Адаєра передбачає широку групу частот, зосереджених у зворотному часі зіткнення, плюс внески від частот природних коливань кажана. Для добре влученого м'яча група частот повинна бути трохи вищою, і внесок від власних частот бити повинен бути незначним. Для погано удареного м'яча група частот повинна бути трохи нижчою, і має бути внесок з боку власних частот бити.

Експеримент

Девід і Крістін Верньє Програмне забезпечення та технології Vernier надали нам Мікрофон MCA-BTA підключено до LabQuest Mini (LQ-MINI) інтерфейс, який ми підключили до нашого ноутбука. Ми використовували Програмне забезпечення Logger Pro для запису мікрофонного сліду для сотень зіткнень м'яча-миші з безпечно за межами огорожі за домашніми пластинами. Супутнє програмне забезпечення створювало частотний спектр.

Щоб підготуватися до нашої поїздки до весняної підготовки, тренер Дейв Тейлор був достатньо люб'язний, щоб дати нам дозвіл на збір деяких попередніх даних з Каліфорнійського державного університету, бейсбольної команди Чіко під час практики. Вони використовують нелісові кажани. У цьому середовищі «тріщина летучої миші» замінюється на «пінг бити».

Зіткнення можна виділити протягом першої мілісекунди у верхній кривій. Інша частина графіка обумовлена ​​вібрацією кажана. Існує широкий діапазон від 800 Гц до 1800 Гц від зіткнення. Накладений на широку смугу - це різкий пік трохи нижче 1500 Гц, що є домінуючою частотою в дзвінку або пінзі летучої миші.

Хоча аналіз пінга мишей був гарною вправою, нам було цікаво, якщо б дані з тріщини бити були значно різними. Нам дуже пощастило отримати дозвіл від Стіва Декера з гігантів Сан-Франциско розмістити мікрофон на 30 футів безпосередньо за дошкою для трьох весняних тренувальних ігор у своєму комплексі Triple-A у Скоттсдейлі, штат Арізос. Ігри, звукове середовище було досить тихо.

Ми зібрали дані для більш ніж 150 зіткнень м'яча мишей. Ми записали перші сім мілісекунд тріщини бити. Цей вибір був необхідний, оскільки це був єдиний спосіб отримати програмне забезпечення для створення частотного спектру в інтервалах 50 Гц. У цей час мікрофон все ще піднімав звук, імовірно, від вібрації кажана. Для кожного зіткнення ми відзначили результат удару і зробили якісне судження про те, наскільки добре м'яч потрапив у шкалі від одного до п'яти.

Деякі дані Scottsdale

Дозвольте мені почати з поганих новин. Наші дані менше, ніж переконливі. З яскравої сторони це явно не суперечить теорії Адера. На рис. 2 і 3 наведені дані з двох різних робочих місць. Верхня крива - це амплітуда звуків у порівнянні з часом. Нижчі криві - частотні розподіли у верхній кривій.

У верхній частині рисунка 2 звук, обумовлений витісненням повітря під час зіткнення, може бути видно протягом першої половини мілісекунди або близько того. Однак, це менш чітко на рисунку 3. Це може бути тому, що звук на малюнку 2 голосніше, ніж на малюнку 3. \ t

Обидва спектри мають значні високочастотні компоненти. Малоймовірно, що вони обумовлені вібраціями летучих мишей. Вони можуть бути артефактами методу, за допомогою якого програмне забезпечення обчислює частотний графік; ми просто не маємо достатніх доказів, щоб точно сказати.

Обидва спектри мають смугу частот з центром навколо 1700 Гц, як і передбачалося. Вони також містять невелику смугу з центром навколо 300 Гц, що може бути фундаментальною вібрацією кажана, і більш сильний пік близько 1000 Гц, який може бути з більш високого частотного режиму.

Рисунок 4 - від погано попаденого грунту. Спектр частот має піки близько 300 Гц і 1000 Гц, як гомери. Хоча домашній біг має смугу близько 1700 Гц, цей погано потрапив м'яч має смугу з центром нижче 1500 Гц. Це може бути викликано довшим часом зіткнення, як ми передбачали.

Відносна висота смуги 1500 Гц порівняно з двома піками нижчої частоти менше, ніж відносна висота смуги 1700 Гц в гомерах. Якщо ці смуги пов'язані з викидом повітря, це свідчить про те, що погано влучений м'яч наносив більше енергії на вібрацію бити, як можна було б очікувати.

Таким чином, дані, які ми зібрали з використанням легкодоступного, готового до використання обладнання, є менш ніж переконливим. Тим не менш, він демонструє аспекти теорії Адера.

У майбутньому ми сподіваємося повторити експеримент з більш складним звуковим обладнанням. Ще один шар витонченості випливає з того, що ми зможемо використовувати дані Statcast, щоб краще визначити, наскільки добре дано м'яч було влучено. Нарешті, це допоможе, якщо ми зможемо виміряти власні частоти кажанів, перш ніж збирати дані. "Так багато зробити, так мало часу", сказав Джеремі Нікуди .

Посилання та ресурси

• Особлива подяка Скотту Гимбалу, майстрові фізики ЧСУ Чіко, який зібрав дані з практики бейсбольної команди Чіко, а також Паулу Робінсону, який допоміг зібрати дані у Феніксі.
• Особлива подяка Вермієру за використання свого обладнання, а також ЧСУ Чіко і Сан-Франциско Гіганти за те, що дозволили нам записати на своїх об'єктах.
• Роберт К. Адейр, Акустичне товариство Америки, "Тріщина ловлі: акустика бита удару по м'ячу" J. Acoust. Soc. Am. 109, 2497 (2001).
• Ден Рассел, фізика та акустика кажанів бейсболу та софтболу, "Crack vs. Ping"
• Алан М. Натан, “Динаміка зіткнення бейсбольної миші”, Am. J. Phys. 68, 979-990 (2000)