Immer am Ball: Der United States Bowling Congress
U.S. Bowling Congress
Jährlich besuchen mehr als 70 Millionen Menschen in den USA Bowlinganlagen. Damit steht Bowling an fünfter Stelle unter den beliebtesten Sportarten in den Vereinigten Staaten. Mehr als 2 Millionen Menschen nehmen an den Bowling-Wettkämpfen des United States Bowling Congress teil, und sie nehmen ihren Sport ernst: Ihre Hochleistungs-Bowlingbälle können über 300 US$ kosten. Der United States Bowling Congress (USBC) ist bestrebt, mit Ballspezifikationen und Regeln für faire Wettkämpfe zu sorgen und die Investitionen der Spieler in ihre Bälle zu schützen. Eine dieser Spezifikationen betrifft das statische Gewicht, das sich auf die Laufruhe des Balls auswirkt und zwischen den Fingerlöchern und dem Daumenloch, zwischen der linken und rechten Seite sowie zwischen der oberen und unteren Seite des Balls gemessen wird. Nachdem in einer USBC-Studie gezeigt wurde, dass die aktuellen Werte für das statische Gewicht nur minimale Auswirkungen auf die Ballbewegung haben, argumentierten viele Bowlingspieler, Fachhändler und Hersteller gegen die Reglementierung des statischen Gewichts. Mit dem Argument, dass die Balldynamik und die chemischen Eigenschaften der Schale (des so genannten Coverstocks) der modernen Bowlingbälle stärkere Auswirkungen haben, forderten sie, das maximal zulässige statische Gewicht zu erhöhen oder die Spezifikation aufzuheben. Das Argument schien überzeugend, aber eine Sportregel sollte erst nach gründlicher Abwägung geändert werden. Daher starteten USBC-Forschungstechniker ein Projekt, um genauer zu bestimmen, in welchem Ausmaß das statische Gewicht die Ballbewegung beeinflusst. Sie nutzten die Minitab Statistical Software, um ein effektives und effizientes Experiment auszuarbeiten und die erfassten Daten zu analysieren.
Die Herausforderung
Das USBC-Forschungsteam begann im November 2010 unter der Leitung der USBC-Forschungstechnikerin Nicki Mours im internationalen Schulungs- und Forschungszentrum des USBC in Arlington (Texas) mit den Tests des statischen Gewichts. Das Team verfügte über Spezialausrüstung zum Bestimmen der Ballbewegung, darunter ein Bowlingroboter mit dem Namen E.A.R.L. (Enhanced Automated Robotic Launcher) sowie ein hochkomplexes computergestütztes Verfolgungssystem mit dem Namen Super CATS (Computer-Aided Tracking System). Das Forschungsteam musste mit diesen Instrumenten Daten erfassen, anhand derer die Effekte des statischen Gewichts auf die Ballbewegung ermittelt und dann modelliert werden konnten. Sie beschlossen, die Auswirkungen des oberen/unteren Gewichts, linken/rechten Gewichts, des Gewichts zwischen Fingerlöchern und Daumenloch, der Ballgeschwindigkeit, der Drehzahl und des so genannten Differentials, einem Maß in Zusammenhang mit der internen Gewichtsverteilung, zu ermitteln. Zu den Antwortvariablen zählten die vorgesehene Ballbahn bei 49 und 60 Fuß, die durchschnittliche Ballbahn bei 49 und 60 Fuß, die Abnahme der Ballgeschwindigkeit bei 49 und 58 Fuß, die Winkeländerung bei 48 und 58 Fuß, der erste und zweite Übergangspunkt, die positive und negative Neigung, die gesamte Hakenlänge, Winkel pro Fuß, A-Wert, Breakpoint, erster und zweiter Übergang zum Breakpoint sowie Reibungseffizienz. Die Forscher ermittelten für jeden Faktor eine tiefe und eine hohe Stufe, die außerhalb der aktuellen Spezifikationen des statischen Gewichts lagen, deren Auftreten bei neu erworbenen Bällen jedoch durchaus möglich war.
Einsatz von Minitab
Das Team hatte sechs verschiedene Faktoren bestimmt, die untersucht werden sollten. Das Testen jedes einzelnen Faktors nacheinander hätte einen untragbaren Zeit- und Kostenaufwand bedeutet. Daher nutzten Mours und ihr Team die Funktionen der Versuchsplanung (DOE) in der Minitab Statistical Software. Mit einem Versuchsplan wird die Anzahl der zum Erfassen zuverlässiger Daten erforderlichen Durchläufe verringert. Dies reduziert die Kosten und steigert die Effizienz von Untersuchungen. Durch einen Versuchsplan kann der Versuchsleiter mehrere Faktoren gleichzeitig ändern und dann mit Hilfe von statistischen Methoden bestimmen, welche Faktoren signifikante Effekte auf ein Ergebnis haben.
Die Techniker von USBC erstellten mit Minitab einen halbfaktoriellen Versuchsplan mit sechs Faktoren und 32 Durchläufen. In jedem Durchlauf wurde eine Kombination von Faktoreinstellungen verwendet. Für die Durchläufe wurden zwei speziell gefertigte Bowlingbälle verwendet: ein Ball mit symmetrischem Kern und ein Ball mit asymmetrischem Kern. Jeder Durchlauf wurde auf derselben Bahn ausgeführt. Dabei wurde streng kontrolliert, dass die Umgebungstemperatur, Bahnoberflächentemperatur und Luftfeuchtigkeit gleich blieben.
Nach der Datenerfassung nutzten Mours und ihr Team Minitab für die Analyse. Dabei erhielten Sie einen Durchschnittswert der Würfe und ein Diagramm der Ballbahn. Die Ergebnisse boten außerdem eine große Überraschung. In früheren Untersuchungen wurden in der Bewegung des Bowlingballs drei verschiedene, mathematisch prognostizierbare Phasen identifiziert, und das statische Gewicht schien einen sehr geringen Effekt auf diese Phasen zu haben. Die Analyse der neu erfassten Daten mit Minitab zeigte jedoch, dass das statische Gewicht des Balls eine vierte Bewegungsphase verursachen kann, die bisher unbekannt war.
Ein zweiter Versuch wurde durchgeführt, um die praktischen Auswirkungen des statischen Gewichts und der neu ermittelten vierten Phase der Ballbewegung genauer zu untersuchen. Hierfür wurde in Minitab ein Wirkungsflächenversuchsplan mit 15 Durchläufen aufgestellt. Mit einem Wirkungsflächenversuchsplan kann die Krümmung in den Daten einer Antwortvariablen modelliert werden. Daher lässt sich mit dieser Art von Versuchsplan sehr gut darstellen, wie sich Änderungen in Eingabevariablen auf eine Antwortvariable auswirken. Für diese Durchläufe wurden einfache Bohrverfahren verwendet, um einen handelsüblichen Bowlingball 2 1/8 Unzen schwerer als das nach den USBC-Regeln zulässige Höchstgewicht zu machen. Da dieser Fall in einem Bowlingfachgeschäft durchaus eintreten kann, wollten die USBC-Forscher ermitteln, ob die vierte Phase der Ballbewegung bei einem der sechs möglichen statischen Gewichte auftritt.
Ergebnisse
Mours und ihr Team kamen nach der Analyse der Ergebnisse des zweiten Experiments zu folgendem Schluss: Bei einer Streichung oder Erhöhung der aktuellen USBC-Grenzwerte für das statische Gewicht würde sich die typische, aus drei Phasen bestehende Bewegung von Bowlingbällen auf der Bahn erheblich ändern, und die nicht prognostizierbare vierte Bewegungsphase würde auftreten. Der USBC beschloss anhand dieser neuen Erkenntnisse, die aktuellen Spezifikationen für die Grenzwerte des statischen Gewichts in zugelassenen Bowlingbällen beizubehalten. Ohne eine Regulierung des statischen Gewichts wäre es möglich, die Parameter des statischen Gewichts so zu kombinieren, dass der Einschlagwinkel des Bowlingballs auf die Pins ohne besondere Fertigkeiten des Spielers vergrößert wird. So könnten stehen gebliebene Pins mit einem Ball abgeräumt werden, dessen statisches Gewicht den Ball zu den Pins lenkt.
„Unsere Untersuchungen ergaben, dass die aktuellen USBC-Begrenzungen des statischen Gewichts auch im Zeitalter von Hightech-Bowlingbällen noch sinnvoll sind“, konstatiert Neil Stremmel, Geschäftsführer des National Governing Body des USBC. Mours führt indessen weitere Untersuchungen zum statischen Gewicht und vielen anderen Faktoren durch, die sich auf die Leistung von Bowlingbällen auswirken können, und sie verlässt sich für die Analyse der von ihr erfassten Daten auf die Leistungsfähigkeit von Minitab. „Letztendlich möchten wir verhindern, dass ein vom USBC zugelassener Ball, der von einem Bowlingspieler erworben wurde, durch einfache Bohrverfahren in einem Bowlingfachgeschäft so modifiziert werden kann, dass er gegen die Vorschriften verstößt“, erklärt Mours.
Originaltext: Minitab LLC., Minitab Case Studies: On the Ball: The U.S. Bowling Congress