如何在数学上打出全中

微分方程有望改进保龄球手的训练方案和比赛设计。
Bowling ball striking pins
新的建模依赖于一个被称为欧拉公式的通用方程。图片来源:Deposit Photos

普通保龄球手打出完美的300分——也就是全中——的几率大约是1/11500,所以除非你致力于精进你的技艺,否则最好还是珍惜每次的全中机会。或者,你可以参考麻省理工学院和普林斯顿大学提出的一套新的微分方程系统,该系统旨在确定最理想的保龄球放置位置。他们的研究成果有望为这项运动带来突破,这得益于物理学、工程学、数学和化学领域最通用的公式之一。这项研究于4月15日发表在《AIP Advances》上,并与新墨西哥大学、拉夫堡大学和斯沃斯莫尔学院的专家合作完成。

在他们最近的工作之前,大多数保龄球策略都依赖于对职业保龄球手的统计分析。虽然这些方法很有帮助,但它们忽略了对球、球道状况和保龄球瓶之间物理动力学的更深入研究。这意味着即使是微小的姿势变化也可能极大地影响玩家的表现。

Math equation diagram illustrating calculations for bowling a strike
美国保龄球协会(USBC)批准的保龄球道有39块板,每块板的宽度约为2.73厘米(1.07英寸)。x轴以板为单位。y轴与配重块的最小转动惯量轴对齐。图片来源:Simon Ji

然而,Hooper和他的同事们选择了一种基于一个基本原理——欧拉公式——的不同方法。由18世纪瑞士博学家莱昂哈德·欧拉(Leonhard Euler)提出的这个方程,建立了复指数函数和三角函数之间的基本联系。细节会变得更加复杂,但欧拉的工作已成为许多数学突破的基石,并被广泛应用于从计算复利到确定放射性同位素半衰期等各种领域。现在,它也被用于保龄球。

与以往的研究不同,新的模型考虑了比赛中的各种物理条件,例如球道上的油。球道上的油最初是以稀薄、相对均匀的层分布的,但很快就会不均匀地扩散,形成独特而不一致的摩擦表面。保龄球手传统上根据主观经验和直觉来调整他们的打法,即使是顶尖选手,这种方法也有其局限性。

“我们的模型通过构建一个保龄球模型来解决这两个问题,该模型在给定影响球体运动的所有重要因素的输入时,可以准确计算出保龄球的轨迹,”Hooper解释说。“同时,它还会计算出‘容错空间’,以适应人为的不准确性,从而让保龄球手找到自己最佳的瞄准策略。”

确定他们的新方程需要考虑多种难以描述的因素,例如描述保龄球表面微小的不对称性。该团队还需要找到方法,将复杂的数学输入转化为对保龄球手、教练和行业专业人士真正有用的语言。最终,他们相信他们的新方程将很快应用于训练方案、制造过程和职业比赛中。

目前,对于普通保龄球手来说,最好还是坚持“熟能生巧”的心态。

 

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Andrew Paul

特约撰稿人

Andrew Paul 是 Popular Science 的特约撰稿人。


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