投球の力学の基礎(2)　-ボールに作用する力と力の作用線：剛体の回転の力学-

# はじめに

ここでは，ストレートボール（ファストボール）を例として，ボールの回転制御のメカニズムの基礎を考える．

ボールを球体ととして剛体の力学を考えると，ボールには並進の**力**と，回転を与える**トルク**が作用する．前章：[(1) 「ボールの力学挙動の概要：質点の力学」](https://qiita.com/skill-vis/items/485f5e29d2f1fe8b5d75)では，回転の運動学（姿勢や角速度）と並進の力学について述べたが，ここでは，剛体としてのボールの回転力学の基礎を述べる．

今回の記事では，力とトルクから計算可能な**力の作用点**を導入し，ボールの挙動の物理的意味を理解するための基本事項を整理する．計算方法はまたどこかで述べる．


# 復習
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    図１：復習．投球中のボールの回転挙動の推移．約130km/hのファストボールの例．

[前章](https://qiita.com/skill-vis/items/485f5e29d2f1fe8b5d75)で述べたように，投球開始からしばらくの間，ボールの角速度を観察すると，小さい角速度（回転速度）の**トップスピン**と同じ方向の回転を行っている．ただし，この角速度はボールを手で握っているため手とボールが「一体化」し，腕の回転が反映されているためで，手首のスナップによるいわゆるトップスピンが発生しているわけではない．

そして，リリースの約15msぐらい前に，ボールの回転がトップスピン方向からバックスピン方向に切り替わりスピンが開始する．この切り替わり「スピン開始」のタイミングで，母指がボールから**離脱**し始める．この離脱が能動的に「離す」のか，それとも受動的に「離れる」かについては，後述する．

このバックスピンを与えるトルクは，そのスピン開始からさらに約5msほどさかのぼった時刻に与えられ始め，スピン開始前に「トップスピンの回転の勢いを止める」ために使われる．このトルクを与え始めるタイミングを，ここでは**動力学的回転開始**と呼び，そこからリリースまでの時間を**回転制御フェーズ**と呼ぶ．このようにバックスピンの回転力は，バックスピン開始前から与えていることに注意していただきたい．

# ボールの回転力学の基礎
### トルクと力のモーメント
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    図２：ボールに作用する力がトルクを発生
    (a)ボールの中心からそれた力がボールを回転させる．
    (b)中心から見た接触点の位置ベクトルをとrすると，ボールに作用するトルクの大きさは，
    ベクトルrとベクトルfが作る平行四辺形の面積で定まる．
    (b)のように，紙面の奥に向かっていくベクトルはプラスネジの頭側から見たxで示す．
    ここでは示していないが，反対向きの回転軸は先端側から見た　⦿　で示す．

力の作用点（テコ）$\boldsymbol{r}$と力ベクトル$\boldsymbol{f}$の二つで計算する**トルク**を**力のモーメント**と呼ぶ．ボールには**力**$\boldsymbol{f}$が作用するが，その力はボールを回転させる力，力のモーメントとして作用する（図２）．投球においてそのトルクはいろいろな方法で与えることができるが，ストレートでは主に示指と中指の指先とボール間に作用する力で，ボールにトルクを与える．

もし，力$\boldsymbol{f}$がボールのある点$\boldsymbol{r}$に作用し，その力が「ボールの中心方向」を向いている場合，回転は発生しないが，力$\boldsymbol{f}$がボールの中心からそれた方向に作用することで，回転力が発生する（図２(b)）．そしてそれが中心より下向きならバックスピンを起こす．カーブなどのトップスピンの場合は，上側にそれる必要がある．ここでベクトル$\boldsymbol{r}$はテコに相当し，その矢印の点は**力の作用点**である．

なお，「[投球の力学メカニズム(1)　-母指の離脱はバックスピンを誘発しない-](https://qiita.com/skill-vis/items/13888f707bfdae91432e)」や「[投球の力学メカニズム(2) −バックスピンは運動連鎖−](https://qiita.com/skill-vis/items/daa4eff23b582df7d1a7)」などで述べることになるが，このバックスピンは物理的に「自然」に発生する回転で，自然に投げればスピン開始前のボールに作用する力は下向きに変化し，このことがバックスピンを誘発する．

また，投球の際には，ボールと指間の接触は**面接触**である．したがって力ベクトルは無数の力がボール表面に作用していると考えて良い．ここでは，その無数の「力の総和」を一つの代表する力として扱う．そしてその力の代表値が作用する点を**力の作用点**と呼ぶ．これは，[フォースプレートの力学](https://note.com/ss_sports_lab/n/n49f956012556)で述べたCOPと似ているが，圧力中心とは物理的意味が異なるので，そのことは別途述べる．

#### トルク（回転力）もベクトル
[前章](https://qiita.com/skill-vis/items/485f5e29d2f1fe8b5d75)で回転速度（角速度ベクトル）を矢印のベクトルで示したように，トルクもベクトルによる**軸回転**で表現する．

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    図３：トルクも右ネジ表現を行う．
    
##### 回転の軸方向
矢印を右ネジにみたて，そのねじの回転する方向が回転の方向となる．ベクトルの軸がネジの進行方向である（図３）．

##### 回転力の大きさ
その回転力を表すベクトルの**大きさ**はベクトルの長さで表現し，力のモーメントの場合はさらに図２(b)に示したように幾何学的な表示が可能で，力の作用点を示すベクトル$\boldsymbol{r}$と，力ベクトル$\boldsymbol{f}$が形成する**平行四辺形**の面積で表される．

これで力のモーメントの軸方向と大きさが定まる．

繰り返しになるが，このように力の作用点（テコ）のベクトル$\boldsymbol{r}$と，力ベクトル$\boldsymbol{f}$で作り出すトルクを**力のモーメント**と呼ぶ．トルクも力のモーメントも同じ回転力で単位も同じであるが，ここでは図２(b)のような力が回転力を作っていると書き表されるものを力のモーメントと呼ぶ．力のモーメントで記述できないトルクしては，モーターで与えるトルクなどがある．もともとは，力のモーメントの足し合わせのようなものであるが，もはや一つの力のモーメントでは記述でないので，このような回転力はトルクと呼ぶ．トルクと力のモーメントはどちらも回転力だが，力のモーメントはテコと力を使って表現を行う特別なトルクと考えれば良い（図４）．

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    図４：テコによる力のモーメントのイメージ

なお，数学では力のモーメントはベクトルの**外積**$\times$を使って
$$\boldsymbol{r} \times \boldsymbol{f}$$
と記述する．

<img width="400" src="https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2567535/fa9d03e5-2fd4-dba9-9fa1-beaa5fc55c36.png">

    図５：外積a x bの幾何学的意味

外積や力のモーメントなどの詳細は[note記事](https://note.com/ss_sports_lab/n/n49f956012556)を参照されたい．

## ボールに作用するトルクの分解
[前章](https://qiita.com/skill-vis/items/485f5e29d2f1fe8b5d75)では，力学ではあまり馴染みのない方法であったが，ボールに作用する力を投球方向に作用する力と向心力に分解した．

ここでも，ボールのダイナミクスを考える場合に，ボールに作用するトルク（回転力）を，二つのトルクに分解する．ボールの挙動の物理的意味を考える場合，この概念は非常に重要だ．

### ボールに作用する力によって生成される力のモーメント
すでに説明したが，ストレートの場合，おおよそ一つにまとまった一つの領域の指先などで与える力が形成する力のモーメント（図２参照）が，ほぼボールの回転力を支配する．

もしこれが面接触ではなく**点接触**の場合，図２で示した，$\boldsymbol{r} \times \boldsymbol{f}$しか作用しない．しかし面接触の場合は，次のもう一つのモーメントが発生する．

### ねじりモーメント
ボールの表面と指間で**面接触**する場合，接触している領域に力が分布し作用する．そのうち，平面に接する方向の力だけをピックアップしたのが，図６のオレンジ色のベクトルである．つまり力の作用点で球体に接する**接平面**を考え，これらのベクトルがもし図６のように渦を巻いているように分布すると，総和として黒色の矢印で示した**ねじりモーメント**を生成する．

投球ではボールと指先間で必ず**面接触**となるため，ボールには，このねじりモーメント，つまり力の軸まわりの回転力（トルク）が作用する．

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    図６：ボール表面に作用するねじりモーメント

しかし，ここで考えるボールに作用するもうひとつのモーメントは，ボール表面に接する接平面上で作用する力のモーメントではない．少しイメージしにくいかもしれないが，力ベクトル$\boldsymbol{f}$が作用する軸に対して垂直な平面に投影することを考える（図７）．先程の表面の接平面と，この新たな平面の向き（法線方向）は異なるので注意されたい．

<img width="400" src="https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/2567535/e8c3ffd7-cb90-3e36-0910-a6f016601499.png">

    図７：力ベクトルに垂直な平面に作用するねじりモーメント
    平面は球体の表面に接していない．一部はボール内部に食い込んでいる．

指はそのような面と接触することはないが，ボール表面に接する力分布をこの面に投影していると考えれば良い．すると図７の投影面におけるオレンジ色の破線の力たちは，図６と同様に青色の矢印（軸の向きは力$\boldsymbol{f}$と同じ向き）まわりのモーメントを発生する．これを，ここでは，力ベクトル$\boldsymbol{f}$まわりの**ねじりモーメント**と呼ぶ（後日，適切な名称に変更するかもしれない）．

前章で力を投球方向に作用する力と向心力に分解し，その意味について述べたが，ここでも，ボールに作用するトルクは，**ボールに作用する力がつくる力のモーメント**とその力ベクトルと平行な**ねじりモーメント**の２つに分解できることを示した．

なお，重要なことを付け加えるならば，ボールに作用するトルクは，点接触を行わない限り，力のモーメント$\boldsymbol{n}_f$だけでは記述できず，それに直交する$\boldsymbol{n}_t$も必要となることに注意されたい．

## 各ベクトル間の幾何学関係
ここであらためて，登場したいくつのベクトルに名前を与えて整理する．

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    図８：(a)ボールに作用する力fがつくる力のモーメントnf．(b)摩擦などによって作られる力のモーメントnt
    ボールに作用する力が作るモーメントnfは，力ベクトルと直交する．さらにその力のモーメントnfと摩擦が
    作るモーメントnmは直交する．結果，ボールに作用する力fと摩擦ntが作るモーメントは平行となる

1. 力ベクトル$\boldsymbol{f}$
2. $\boldsymbol{f}$が作る力のモーメント$\boldsymbol{n}_f$
3. ねじりモーメント$\boldsymbol{n}_t$

である．また，

１．力ベクトル$\boldsymbol{f}$と，それが作る力のモーメント$\boldsymbol{n}_f$は，外積の性質（図２，４）を考えれば，それらは**直交**することがわかる．

２．**ボールに作用する力で作り出すモーメントベクトル**$\boldsymbol{n}_f$と，**ねじりモーメント**$\boldsymbol{n}_t$のベクトルも**直交**する．直交するように分解したと述べたほうが良いかもしれない．

３．さらに，力ベクトル$\boldsymbol{f}$とねじりモーメントベクトル$\boldsymbol{n}_t$は平行，つまり同じ方向を向いていることがわかる．つまり，

1. $\boldsymbol{f} \perp \boldsymbol{n}_f$
1. $\boldsymbol{n}_f \perp \boldsymbol{n}_t$
1. $\boldsymbol{f} \parallel \boldsymbol{n}_t$

とかける．

なお，この分解の仕方は，[フォースプレートの力学](https://note.com/ss_sports_lab/n/n49f956012556)の床反力が作るモーメントと摩擦によるモーメント（フリーモーメント）と似ている．しかし，これは作用する力の圧力中心ではないので，注意されたい．

COPは図６のように球面の接平面の法線方向に作用する力の重心（圧力中心）位置で，力の作用点は図７のように力ベクトルに作用する力の代表点であって（その重心かどうかは確認中），物理的意味が異なる．図６は先に接平面（フォースプレートの場合はフォースプレートの表面）を考え，その接平面に垂直なねじりモーメントを考えるが，図７では先にボールに対して作用する合力を考え，その合力の軸周りのねじりモーメントを考えている．どちらも力の代表値だが，考えている座標系が異なり，力の作用点の導出方法はCOPと異なり，結果も微妙に異なる．

# カーブの場合
ストレートの場合，指先で力$\boldsymbol{f}$がボールを押しながらボールを回すモーメント$\boldsymbol{n}_f$は大きいが，それと比して指先でボールを図２(b)の$\boldsymbol{n}_t$の軸まわりに摩擦力で回そうとするモーメントは小さい．

一方，カーブの場合，母指と示指でピンチングすることで，大きな$\boldsymbol{n}_m$を作ることができる．

# おわりに
ここでは，ボールに作用するトルクを，**力の作用点**（テコ）を導入することで，ボールに作用する力$\boldsymbol{f}$によって回転するモーメント$\boldsymbol{n}_f$と，それに直交するねじれモーメント$\boldsymbol{n}_t$とに分解した．

このような分解は，力の作用点を導入することで可能になる．ロボットなど制御ではその力の作用点を計測し解析することはあまりないだろう．今後，力が作用するその代表点として力の作用点を導入することで，さらにボールの回転のダイナミクスがより詳しく理解できることを示し，３次元空間における実際の投球時のボールの力の作用点の計算方法についても述べていく予定である．