NASA のエンジニアの目には、ピクルボールにはどんな興味深い秘密が隠されているのでしょうか?

誰もがピックルボールをプレイし、どの家庭でもピックルボールをプレイする時代です。ピックルボールコートは至る所に出現し、テニスコートのオーナーでさえ、この新しいスポーツに切り替えるためにコートを改装するなど、廃業に追い込まれています。アメリカでは、ピックルボールは4年連続で最も急成長しているスポーツとなっています。

業界団体によると、現在アメリカでは1,360万人以上がピックルボールをプレーしており、新規プレイヤー数が最も急成長しているスポーツとなっています。街や学校、ピックルボールクラブが各地に出現し、あらゆる年齢層や背景を持つ人々を惹きつけています。

このスポーツ熱の震源地からそう遠くないところに、航空宇宙産業で長年の経験を持つ構造力学エンジニア、フィル・ヒポル氏がいます。ヒポル氏はNASA向けに動的環境基準に関するハンドブックを執筆したほか、航空宇宙産業向けに振動と衝撃に関するハンドブックも執筆しています。

そしてピックルボールを始めた時、彼はこのスポーツが自身の専攻分野と多くの共通点を持っていることに突然気づきました。ボールの運動学、ラケット面の質感、そしてピックルボール特有の振動や「ポン」という音まで。ヒポルがピックルボールのコートに行くと、目にするのはラケットとボールではなく、周囲の物理法則だけだと人々は言います。

ピックルボールを支配する物理学の基本原理の一つは、投球動作です。これは、物体が重力の影響下で空中を移動する際の軌道を表します。ピックルボールがプレーヤーのラケットに当たると、放物線と呼ばれる曲線を描きます。これは、ロケットなどの飛行物体と基本的に同じ軌道です。

ボールを打つ角度と速度、そして重力が、ボールの軌道の形と高さを決定します。プレーヤーはラケット面の角度とスイングの強さを調整することで、ボールの軌道をコントロールできます。「ボールの軌道を予測できることが重要です。そうすることで、ラケットの向きやコート上での自分の位置を調整し、狙った方向にボールを返球することができます」とヒポル氏は言います。

運動学の知識により、ピックルボールの速度、加速度、変位、ボールの飛行時間など、ピックルボールの運動の様々な側面を解析することが可能になります。さらに、ラケットやコート面への衝撃力、あるいは空気力学的効果についても考慮する必要があります。

ヒポルは、ピックルボールに焦点を当てた一連の記事の中で、動き、速度、空気抵抗、さらにはボールの摩耗や寿命に関する方程式を開発しました。

彼は、ゲームの物理的原理を説明し、ピックルボールを上手にプレイしたい人は、良い服を着て良いラケットを買うだけでなく、数学と物理学の基礎知識も必要であることを示すために、「ピックルボールの科学」というハンドブックまで執筆しました。

テニスの最速サーブは時速 263.4 km に達し（2012 年にオーストラリアのアスリート、サム・グロスが記録）、ピックルボールの最速サーブは時速 95.56 km にしか達しませんでした（2024 年にアメリカのアスリート、ライリー・ケイシーが記録）。

ヒポルの式は、ピックルボールにおけるボールスピードの遅さの最大の問題は、ラケットやボール、素材や重量の違いではなく、もっと根本的な原因にあることを示しています。ピックルボールのルールでは、サーブは腰より下、つまりほとんどの場合ネットより下の位置で行う必要があります。

このルールに基づくと、ピックルボールがネットの頂点に近づくほど、速度が速くなります。ヒポルは計算式を用いて、ほとんどのピックルボールのサーブはネットの頂点で最大時速64kmにしか達しないことを算出しました。

しかし、マグナス効果と呼ばれる現象を活用すれば、サーブの速度を最大時速105kmまで上げることができます。つまり、ライリー・ケイシーの時速95.56kmという記録は、理論上はアマチュア選手でも破れる可能性があるということです。

マグヌス効果は、19世紀にこの現象を研究したドイツの物理学者ハインリヒ・グスタフ・マグヌスにちなんで名付けられました。マグヌスは、物体が空中を飛行しながら回転している場合、その軌道と速度が変化することを発見しました。

ヒポル氏は、これをピックルボールのサーブに応用し、「トップスピン」と呼ばれるテクニックでラケットをボールの上で滑らせ、上向きの回転を与えることで、ピックルボールの上側の空気の流れを速くし、下側の空気の流れを遅くすることができると述べている。その結果、下向きの力が生まれ、ボールはより速く落下すると同時に、地面に着地した際に高い速度を維持することができる。

トップスピンの使い方を理解しているピックルボール選手は、技術をさらに磨くか、ショットのトップスピン量を増やすことができるラケットを選ぶべきです。さらに、すべての選手はトップスピンの使い方を習得し、ショットに変化を加え、相手を翻弄するべきです。

さて、完璧なトップスピンで時速105kmのボールスピードを生み出したとしましょう。問題は、そのショットが一発勝負の勝利につながるかどうかです。これは、ボールの飛行時間、2人のプレーヤー間の距離、そして人間の重要な筋肉反応の速度によって決まります。

サーブでは、コートの対角線上に立つ2人のプレーヤー間の距離は通常12～14メートルです。トップスピンショットでは、ボールは0.41～0.48秒で届きます。ちなみに、研究によると、単純な動作に対する人間の最速反応時間は通常0.1～0.2秒です。これは健康な人、特にアスリートやよく訓練された若者を基準とした計算です。

しかし、ボールの軌道を追ったり、左に打つか右に打つかなど、複数の刺激を区別したり、判断を下したりする必要がある場合、反応時間は遅くなり、0.2～0.4秒程度になります。幸いなことに、これは相手からの完璧なトップスピンをブロックするのに十分な時間です。

しかし、サーブではなくネットショットの場合、両プレーヤーの距離が5メートルに縮まるため、0.17秒以内に反応する必要があります。これは人間の意識的な反応時間のほぼ限界です。つまり、ネットにトップスピンを打てば、ほぼ確実にポイントを獲得できるのです。

ピックルボールを始めたばかりの人は、まずその音の大きさに驚くでしょう。それは、ラケットがボールに当たった時にラケットから発せられる独特の「ポンッ」という音です。ヒポル氏によると、その音は最大120デシベル（dB）に達するそうです。ちなみに120dBは、ハンマーで釘を打つ音や救急車のサイレンの音とほぼ同じです。