Debido principalmente a la complejidad aerodinámica de una pelota de beísbol en vuelo, este deporte ha sido durante mucho tiempo un tema popular de investigación para los físicos. Tradicionalmente, para medir propiedades clave como la velocidad, el giro, la sustentación y la resistencia, los científicos se basaban en experimentos en túneles de viento, pero este método no puede captar con precisión los pequeños cambios en la resistencia. Incluso los pequeños cambios en la resistencia pueden tener grandes efectos, como un aumento drástico en el número de jonrones.
Por esta razón, dos físicos han desarrollado un sistema de medición de la velocidad guiado por láser para medir el cambio de velocidad de una pelota de béisbol en pleno vuelo, para luego, utilizar esa medición para calcular la aceleración, las distintas fuerzas que actúan sobre la pelota y la sustentación y la resistencia. En un artículo publicado recientemente en la revista Applied Sciences, describen su método y sugieren que también podría utilizarse para otros deportes de pelota como el cricket y el fútbol.
Cualquier pelota en movimiento deja una estela de aire en su recorrido; la inevitable resistencia frena el balón. La trayectoria de la pelota se ve afectada por el diámetro y la velocidad y por las pequeñas irregularidades de la superficie. Las pelotas de béisbol no son completamente lisas, sino que tienen costuras en forma de un ocho. Esas costuras son lo suficientemente irregulares como para afectar al flujo de aire que rodea a la pelota cuando se lanza hacia la base de meta. Cuando una pelota de béisbol se mueve, crea un remolino de aire a su alrededor, lo que se conoce como efecto Magnus. Las costuras elevadas agitan el aire alrededor de la pelota, creando zonas de alta presión en varios lugares (dependiendo del tipo de lanzamiento) que pueden causar desviaciones en su trayectoria.
Se podría decir que la física moderna del béisbol comenzó con los esfuerzos de un físico llamado Lyman Briggs en la década de 1940. Briggs era un aficionado al béisbol que estaba intrigado por saber si una bola curva era realmente curva. Al principio, solicitó la ayuda del personal de lanzamiento de los Senadores de Washington en el estadio Griffith para medir el giro de una bola lanzada; la idea era determinar en qué medida la curva de una bola de béisbol depende de su giro y velocidad.
Briggs siguió con experimentos en el túnel de viento de la Oficina Nacional de Estándares (ahora el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología) para realizar mediciones aún más precisas, ya que podía controlar la mayoría de las variables. Descubrió que el giro, más que la velocidad, era el factor clave para que una bola lanzada se curvara y que una bola curva podía bajar hasta 17,5 pulgadas en su recorrido desde el montículo del lanzador hasta la base.
Desde entonces, los físicos han estudiado con entusiasmo diversos aspectos de las pelotas de béisbol. Por ejemplo, en 2006, los matemáticos estudiaron los efectos de la elevación en los porcentajes de bateo de la Major League Baseball (MLB) (el número total de bases dividido por el número de bateos) construyendo un modelo estadístico. Descubrieron que el porcentaje de bateo en el estadio Coors Field de Denver, Colorado (también conocido como la "Mile-High City"), era aproximadamente un 9,2% más alto que en elevaciones medias (entre 500 y 1.100 pies) y un 12,5% más alto que en elevaciones inferiores a 500 pies. No es de extrañar que el estadio tenga la reputación de ser amigable con los jonrones.
Un estudio en 2018 de la Universidad Estatal de Utah (USU) explica el giro inesperado de la bola rápida en experimentos con pelotas de béisbol de las Ligas Menores. Los científicos de la USU dispararon las pelotas una a una a través de una cámara llena de humo. Dos sensores rojos detectaron las pelotas a su paso, disparando láseres que actuaban como flashes de bombillas. Posteriormente, utilizaron la velocimetría de imágenes de partículas para calcular el flujo de aire en cualquier punto alrededor de la pelota.
El estudio actual se inspiró en un cambio reciente e inusual en los porcentajes de jonrones en la MLB. Los jonrones se suelen controlar mediante una métrica conocida como HR/BB (“home runs per batted ball” o jonrones por bola bateada). Desde 1960 hasta 2015, según los autores, el porcentaje de HR/BB se situaba generalmente entre 0,03 y 0,04. Eso cambió drásticamente en la temporada 2015, cuando el índice de HR/BB aumentó rápidamente, llegando a 0,053 en 2017. Fue lo suficientemente alarmante como para que la MLB realmente encargara una investigación a un panel. El panel emitió su informe en 2018, concluyendo que una pequeña disminución en la resistencia aerodinámica de las pelotas de béisbol era la culpable.
En los últimos años se ha centrado la atención en el desarrollo de mejores métodos para medir la resistencia de una pelota de béisbol en vuelo. El coeficiente de resistencia describe cuánto se "pega" el aire que fluye a la superficie de la pelota. Cuanto más rápido se mueve la pelota, menos se "pega" a ella. Normalmente, las estelas son más grandes, y la resistencia es mayor, a velocidades lentas. Pero si la pelota alcanza un umbral de velocidad crítico, experimenta la llamada "crisis de arrastre". La estela se reduce repentinamente y la resistencia cae en picado cuando el flujo de aire pasa bruscamente de laminar (suave) a turbulento.
Este tipo de experimentos se han realizado normalmente en túneles de viento. Pero ese método tiene algunas deficiencias pronunciadas en la medición precisa de la resistencia. "Hay que sujetar la pelota de alguna manera y eso significa que siempre habrá alguna imperfección cuando se utiliza un túnel de viento para medir la resistencia", dijo el coautor Lloyd Smith, de la Universidad Estatal de Washington.
Esto se debe a que el soporte utilizado para mantener la bola inmóvil y medir las fuerzas aerodinámicas puede alterar el flujo de aire (y, por tanto, la aerodinámica asociada). Los científicos intentan tener en cuenta esta circunstancia fijando los soportes aguas abajo, minimizando los efectos de interferencia. Sin embargo, la resistencia aerodinámica también se ve influenciada por la orientación de la pelota. Los experimentos de túnel de viento para estudiar la orientación de la bola requieren que ésta se apoye en su eje de giro, que está cerca del punto de separación del flujo. Los autores escribieron, "No está claro cómo afectan estos apoyos a la ubicación de la separación del flujo y a las mediciones de la resistencia".
Es por esto que Smith y su coautor, Andrea Sciacchitano, de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos), se propusieron encontrar un método mejor para medir la resistencia de una pelota de béisbol en vuelo libre. Señalan que las primeras mediciones de este tipo se realizaron durante los Juegos Olímpicos de 1996, utilizando dos cámaras de 120 Hz para seguir las pelotas. Y en 2006, la MLB instaló sistemas de seguimiento de pelotas por vídeo en todos los estadios de la MLB. Los autores escriben que "Los sistemas estaban pensados principalmente para rastrear la velocidad de los lanzamientos, el movimiento de los mismos y la ubicación de la zona de strike, pero también se podía extraer la resistencia de los parámetros de ajuste disponibles públicamente" y añaden que esas mediciones estaban sujetas al ruido y a los efectos del entorno del estadio.
Todas las pelotas de béisbol utilizadas en sus experimentos procedían del mismo fabricante que suministra pelotas a la MLB: Rawlings Sporting Goods. Cada pelota tiene una pastilla de goma de corcho envuelta en tres capas de lana, todo ello envuelto en cuero, con costuras cosidas a mano. Las propiedades de todos esos materiales se controlan cuidadosamente para garantizar la uniformidad de peso, tamaño, dureza, elasticidad, etc., hasta el color de la goma. Smith dice que "Ni en mis mejores sueños pensé que iba a diferenciar entre el cuero del vientre y el cuero del dorso en un balón, pero así es, y resulta que los dos tipos de cuero son diferentes en un balón, y se encuentra menos cuero del vientre que hace unos años".
Gráfico que compara el coeficiente de arrastre MLB para pelotas sin efecto en función de la orientación: en vuelo libre frente a en túnel de viento.
Los dos investigadores utilizaron una máquina de lanzar para disparar pelotas de béisbol y colocaron dos sensores de velocidad para seguir la trayectoria de la pelota mientras pasaba entre pantallas luminosas separadas por unos 40 centímetros. Utilizaron una cuna unida al extremo del pistón neumático de la máquina de lanzar para dar efecto a las pelotas. La velocidad de giro aumentaba con la longitud de la cuna, y podían controlar esa velocidad ajustando la posición de la pelota en la cuna antes de disparar. Midieron la orientación de las pelotas mediante el seguimiento de tres marcadores colocados en cada una de ellas. Todas las trayectorias de las pelotas se grabaron con vídeo de alta velocidad.
Estos experimentos se llevaron a cabo en la Universidad Estatal de Washington (WSU), bajo la supervisión de Smith. Después, Sciacchitano realizó mediciones de velocimetría de imágenes de partículas en el Laboratorio de Aerodinámica de la Universidad Técnica de Delft. El aire del laboratorio se sembró con partículas de agua-glicol de tamaño micrométrico, iluminadas con un láser. Las pelotas de béisbol se lanzaron sin ningún tipo de giro y sus trayectorias se capturaron también en vídeo de alta velocidad. Esto permitió al equipo visualizar las estelas de las pelotas de béisbol que no giraban en vuelo libre.
El método de Smith y Sciacchitano arrojó valores de resistencia aerodinámica coherentes con las mediciones de radar y vídeo, pero significativamente más bajos que los registrados en otras mediciones de túnel de viento. Llegaron a la conclusión de que las pruebas de vuelo libre proporcionan una reproducción más realista de la física del flujo alrededor de una pelota de béisbol en movimiento y sugieren utilizarlas para complementar los experimentos en el túnel de viento en el futuro.
Smith además mencinó que, "Tuvimos que volver atrás y ver qué podíamos hacer para que esto fuera aún más preciso, y lo hicimos. No ha sido sencillo de hacer, y pasamos mucho tiempo calibrando cada día sólo para asegurarnos de que nuestros sensores nos dicen lo que creemos, pero ahora creemos que las mediciones de arrastre que estamos haciendo van a ser capaces de hacer sonar la alarma si hay un cambio. Las diferencias muy pequeñas pueden suponer una gran diferencia".