Physicien chevronné et spécialiste de la supraconductivité, Patrick Fournier, de l’université de Sherbrooke, s’intéresse à un sujet brûlant. Comment les joueurs de baseball réussissent-ils à fracasser aussi souvent le record des circuits établi en 1961 par Roger Maris?

La question peut sembler anodine. Son explication physique pourrait néanmoins vous surprendre.

Le baseball est le passe-temps national des Américains; c’est aussi l’obsession de Patrick Fournier, membre du Regroupement québécois sur les matériaux de pointe ainsi que du programme sur les matériaux quantiques de l’Institut canadien de recherches avancées. Son expérience en tant que receveur – il a joué pendant 20 ans à tous les niveaux – lui a permis d’apprécier la grande panoplie de phénomènes physiques se rattachant à la pratique de ce sport.

« Tout comme la calligraphie, frapper une balle de baseball est un art d’une précision incroyable, raconte-t-il. En particulier pour obtenir le fameux coup de circuit. » Dans ses temps libres, le chercheur a dépouillé de multiples documents et a effectué des simulations numériques qui l’ont mené à la conclusion suivante : les records de coups de circuit seraient affaire de hauteur des coutures sur les balles. Rien de plus scientifique!

Question de friction

Le tout repose sur la friction de l’air, qui affecte grandement le mouvement de la balle. À une certaine vitesse, l’écoulement de l’air autour de la balle connaît un changement subtil qui peut transformer les performances du frappeur. « Entre 50 et 80 km/h – une vitesse faible pour un lanceur professionnel – le coefficient de friction de l’air sur la balle est constant, explique le chercheur. Mais si on dépasse ce stade et qu’on atteint des vitesses entre 80 et 130 km/h, la rugosité de la balle combinée à sa rotation entraînent une modification substantielle de l’écoulement de l’air. Contrairement à ce qu’on pourrait penser, la friction de l’air n’augmente pas, elle diminue. L’effet est contre-intuitif! »

Dans les faits, l’écoulement de l’air autour de la balle passe d’un régime laminaire à basse vitesse à un régime turbulent à haute vitesse. C’est la rugosité causée par les coutures qui entraîne la balle dans ce régime turbulent. Ainsi, dans un certain intervalle de vitesse, plus la rugosité est importante, plus la friction de l’air est faible. « On peut faire l’analogie avec la balle de golf. Celle-ci ne volerait pas très loin si elle n’avait pas tous ces petits trous sur sa surface. L’absence de rugosité sur la balle de ping-pong a l’effet contraire. Elle peut atteindre de grandes vitesses, mais elle ralentit rapidement. »

Une pluie de balles!

Patrick Fournier pense en fait que si les balles de baseball pleuvent plus souvent dans les gradins aujourd’hui qu’à l’époque de Roger Maris, c’est en partie à cause de la façon dont elles sont fabriquées. « Jusqu’à tout récemment, les balles étaient cousues à la main. Leur qualité pouvait être sujette à des variations statistiques non négligeables. Maintenant, elles sont assemblées par machines et statistiquement, elles sont presque identiques. Par ailleurs, leurs coutures sont différentes et un peu plus proéminentes. Ajoutons à cela que les joueurs sont "programmés" à frapper la même balle de la même façon. Toutes ces petites différences peuvent placer la balle une dizaine de mètres plus loin. »

S’il sait atteindre les vitesses adéquates, le lanceur peut tirer avantage de la friction de l’air. « Pour le lanceur, renchérit Patrick Fournier, le plus difficile est de dépasser le stade critique des vitesses. Quelques km/h de plus font toute la différence, mais atteindre ces km/h supplémentaires exige bien des efforts. Personnellement, j’ai découvert tout cela un peu trop tard! »