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?

今や誰もがピックルボールをプレイする時代です。誰もがピックルボールをプレイしています。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適応するためにコートを改装するために廃業しています。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1,360万人以上のアメリカ人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速に増加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、また業界向けに振動と衝撃に関するハンドブックを執筆しています。

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の軌道と基本的に同じです。

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、ラケットの向きを変えたり、コート上での自分の位置取りを調整したりして、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における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。

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

彼は、ピックルボールの科学というハンドブックまで執筆し、ピックルボールの物理的な原理を説明し、ピックルボールを上手にプレイしたい人には、単に素敵な服を着て、良いラケットを購入し、コートに行って上手にプレイするだけではなく、数学と物理学の基礎知識も必要であることを証明しました。

テニスの最速サーブは時速 263.4 km に達しましたが (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 に過ぎませんでした (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、腰より低い位置にサーブを打つことが義務付けられており、これは多くの場合、ネットの高さより低い位置を意味します。

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、速度は速くなります。ヒポルは数式を用いて計算し、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明らかにしました。

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、理論的にはアマチュア選手でも達成可能な範囲にあると言えるでしょう。

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学ぶことで、ショットに変化を加え、相手を翻弄するべきです。

さて、例えば時速105kmの完璧なトップスピンを打ったとしましょう。問題は、そのショットが一発勝負の決め手になるかどうかです。これは、ボールの飛行時間、2人のプレーヤー間の距離、そして人間の臨界筋反応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の場合です。

しかし、複数の刺激を区別したり、ボールの軌道を追ったり、左に打つか右に打つかといった判断を下したりする必要がある複雑な反射神経となると、反応時間は0.2秒から0.4秒程度まで遅くなることがよくあります。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必要な時間です。

しかし、サーブではなくネットショットの場合、2人の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、この音は最大120デシベル（dB）に達することもあるそうです。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。