ゴルフボールのディンプルの役割について

ゴルフボールのディンプルの役割について
1 班 池澤 雄己
1.はじめに ゴルフボールの形を見たことはあるだろうか.ゴ
ルフボールには小さなくぼみがたくさん存在する.
表 面 に 凸 凹 が つ い て い る 理 由 は ,19 世 紀 ま で 遡
る.19 世紀のイギリスではゴルフが大流行していて
皆がゴルフに取り組んでいた.その際、何故かゴルフ
ボールは使い込んでいくうちに飛ぶようになってい
った.このため,ゴルフボールの表面に何か傷があっ
たほうが，飛距離が伸びると考えられた.一説にはデ
ィンプルのあるものと無いものでは飛距離が 2 倍以
上違うといわれている.ディンプルの有無の差には
空気抵抗と揚力の 2 つが関係していると考えられて
いる.そこで，本研究では，ディンプルの有る,無し
で飛距離にどのように差が出てくるのかを実験的に
明らかにすることを目的とする． 2.ディンプルの役割 ディンプルの有無で飛距離に差が出てくる理由に
はゴルフボールの周りの流れが大きくかかわってい
る.ゴルフボールが受ける空気抵抗は圧力抵抗と粘
性抵抗に分けられる.ゴルフボールが空気中を飛ぶ
とき，空気はゴルフボールにそって流れるが，後方
では境界層はく離という現象がおきて、流れがボー
ルから離れる（3)．流れが剥離すると，ホール後方の
圧力は低くなる． 場合，流れはボール表面を層流のままで流れ，真ん
中に付近で剥離する．そうすると,ボールの前方部分
は圧力が高いのに対して,ボールの後方部分は圧力
が低くなり前から後ろへ圧力がかかる.これにより,
飛距離は半減する．図 2 のようにボールにディンプ
ル有る場合，流れは乱流となり,はく離位置がディン
プル無と比べて後ろにずれる．このためボールの前
方部分と後方部分の圧力差は，ディンプルのない場
合に比べて小さくなり，飛距離は伸びる． また,揚力も影響する. 図 3 に揚力が発生を模式
的に示す.球が回転しながら,流体中を一定速度で移
動した場合,球表面に接する流体が粘性によって回
転運動に引きずられ,回転速度及び粘性に相応する
循環一様流に対して垂直の力が発生する（4)．ゴルフ
ボールがバックスピン回転している場合，ボールの
下側の方はバックスピンと空気の流れが速度を相殺
し合って,圧力が高くなる.逆にボールの上側はボー
ルの回転と空気の流れが合わさって速くなり,圧力
が低くなる.ボールにディンプルがあると臨界レイ
ノルズ数が低下し,ボール表面の空気が乱流になる
（2)
．そのため上で述べたマグヌス効果を維持するこ
とができ（4)，より大きな揚力を発生する． 図 1 ディンプル無しの場合の抵抗力 図 3 揚力が発生するメカニズム 図 2 ディンプル有りの場合の抵抗力 図 1 と図 2 にディンプル無と有の時の流れを模式
的に示す.図 1 のようにディンプルの無いボールの
3.実験 図 4 に実験装置を示す.ディンプルの有無で飛距
離の差を調べるために,実際にディンプルの有るゴ
ルフボールとゴルフボールの表面を削って作成した
ディンプルの無いボールを準備し，図 4 に示す振り
子装置で打つ． 図 4 実験装置 ンプルを削った影響は無視できるほど小さい． プ ロ ゴ ル フ ァ ー の 打 つ ボ ー ル の 速 度 は お よ そ
70m/s であるのに対して,今回の実験では,ディンプ
ル有では 1.82m/s,ディンプル無では 1.33m/s 程度で
あり，きわめて小さい.ディンプルは,物体のレイノ
ルズ数を下げる.よって,低い速度で乱流が発生する.
上で述べた通り乱流は気流の物体表面からの剥離を
防ぎ,マグヌス効果を維持する. 𝑈×𝐿
(1) 𝜈
Re レイノルズ数,U 代表速さ(m/s),L 代表長さ(m) ν ： 動 粘 性 係 数 ‥ 空 気 （ 1 気 圧 、 20 ℃ ） : 1.51x10-5(m2/s) （1) 式 (1) よ り , ゴ ル フ ァ ー の レ イ ノ ル ズ 数 は 約
200000 程度であるが，本実験では，約 5000 程度で
あった．このことは,ゴルファーのボールの周りの流
れはより乱流になっていると思われる.したがっ
て,2 章で述べたようにゴルファーのボールの剥離
点はより後方に移り,空気抵抗が減少して,飛距離の
差が本実験よりも大きくなると思われる. 次の理由として,今回の実験では実際と同じよう
にボールにバックスピンをかけるため,打つ部分に
角度をつけたが,打つ部分の表面が滑らかだったた
めにうまくボールが引っかからずにバックスピンが
かからなかったのではないかと考えられる. 5.結論 ディンプル有のボールはディンプル無のボールよ
りも飛距離が伸びる.この原因はディンプルがある
ことにより,空気抵抗が減少し,揚力が増加するため
だと思われる. 参考文献 1) レイノルズ数 経済産業省 http://www.jpo.go.jp/shiryou/s_sonota/hyou
jun_gijutsu/golf_ball/page137.htm (2014/12/20 アクセス) 2) 揚力係数 経済産業省 http://www.jpo.go.jp/shiryou/s_sonota/hyou
jun_gijutsu/golf_ball/page135.htm (2014/12/20 アクセス) 3) ディンプルの効用 経済産業 http://www.jpo.go.jp/shiryou/s_sonota/hyou
jun_gijutsu/golf_ball/page127.htm (2014/12/20 アクセス) 4) マグヌス効果 Wikipedia http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9E%E3%
82%B0%E3%83%8C%E3%82%B9%E5%8A%B9%E6%9E%9C (2014/12/20 アクセス) Re＝
図 5 実験装置(写真) ボールにバックスピンの回転が加わるように打つ
部分に図 4 に示すように，垂線から約 8 度の角度を
つけた打つ力が一定に保たれるように，振り子を地
面と平行になるように持ち上げてから,自由落下で
振り下ろした.この時自由落下するので,振り子の材
質は重いものにするために,アルミを使用した. ボールは同じ種類のボールを 2 個用意し,ひとつ
のボールの表面を削ってディンプルを無くした.使
用したボールの寸法，重量等を表 1 に示す．直径，
重要は，ディンプルのあるなしでほとんど違わない
ことがわかる． 表 1 ディンプル有無のデータ ディンプル有 ディンプル無 直径(㎝) 4.30 4.28 重量(g) 48.9 48.5 ディンプル数 341 0 4．結果と考察 表 2 に，実験結果を示す． 表 2 ディンプル有無による飛距離の違い ディンプル有 ディンプル無 飛距離(m) 3.64 2.40 表 2 により明らかなように，ディンプル有の場合，
とディンプル無の場合と比べると，飛距離が 1.5 倍
程度大きくなった.人がドライバーで打つ場合，ディ
ンプル有のボールを打つと,ディンプル無のボール
より 2 倍以上距離が出るが本研究では，1.5 倍程度
にとどまった． まず,ボールを削ったことにより影響があったか
どうかについて考えると，表 1 に示すように，ディ