El fútbol y sus efectos Understand article

Traducción de Elisa López Schiaffino. Para tener éxito en los deportes hace falta talento y mucho esfuerzo. Y para lograr el golpe de pelota perfecto, la física cumple un papel fundamental.

Una pelota de fútbol vuela por el aire y, como por arte de magia, pasa por sobre los defensores y el arquero, que giran justo a tiempo para ver cómo la pelota se mete en el arco. Los jugadores habilidosos saben cómo pegarle a la pelota para confundir a sus contrincantes, pero ¿cómo hacen? La respuesta tiene que ver con la aerodinámica.

Un juego fluido

La aerodinámica es una rama de la dinámica de fluidos que nos permite comprender el movimiento de los gases, y por extensión muchos fenómenos cotidianos. La aerodinámica interviene en el diseño de aviones y automóviles, y además nos ayuda a comprender el movimiento de la pelota en el aire, desde la de fútbol y baloncesto hasta la de tenis de mesa.

Imagen cortesía de Ronnie
Macdonald. Origen de la
imagen: Wikimedia Commons

A menudo la pelota se usa como modelo para comprender la trayectoria de los proyectiles, pero patear una pelota puede ser más complicado de lo que uno piensa en un principio. Al patear una pelota en línea recta, la velocidad inicial de la pelota es alrededor de 30 m/s. Según el movimiento parabólico, con un ángulo de 45° la pelota viajaría 120 m. Pero muchas veces la pelota recorre una distancia más corta, y cae en forma empinada antes de lo previsto. El factor fundamental es la acción del aire, que agrega resistencia y reduce la velocidad de la pelota.

Sin embargo, hay trucos que los jugadores emplean para hacer que la pelota se mueva de diferentes maneras. Por ejemplo, los jugadores con experiencia saben que pueden patear la pelota más lejos si la patean con un efecto hacia atrás (backspin). De manera similar, los golpes con efecto hacia adelante (topspin) y efecto lateral pueden hacer que la pelota esquive una barrera de defensores o que se curve tras un tiro de esquina. Esto se debe a que la pelota que gira se ve afectada por un fenómeno llamado efecto Magnus, denominado así en honor al científico alemán del siglo XIX Gustav Magnus, aunque el efecto ya se había observado anteriormente (incluso lo percibió Isaac Newton, que jugaba al tenis).

El efecto Magnus

Mientras la pelota gira hacia
la derecha, el flujo de aire
origina una leve diferencia de
presión, y por eso se ejerce
una fuerza hacia abajo sobre
la pelota

Imagen cortesía de Bartosz
Kosiorek. Origen de la imagen:
Wikimedia Commons

Cuando se patea una pelota, el aire a su alrededor es turbulento y pone poca resistencia sobre la pelota. Pero esa resistencia existe, y eso hace que la pelota comience a reducir su velocidad. Por debajo de una cierta velocidad, el aire que se mueve alrededor de la pelota se comporta como un flujo laminar en vez de turbulento; es decir, fluye en líneas suaves alrededor de la pelota y permanece cerca de su superficie. Si la pelota no gira al desplazarse en el aire, esta transición no es tan importante, pero si la pelota gira, la transición al flujo laminar causa una curvatura en la trayectoria de la pelota.

¿Cómo se origina el efecto? Imagine una pelota que gira al desplazarse por el aire. Mientras gira, una parte de la superficie de la pelota se mueve en la dirección de giro de la pelota y por eso se mueve más rápido, y otra parte se mueve en la dirección opuesta a la de giro y por eso se mueve más despacio en relación a la velocidad del centro de la pelota.

La pelota gira a la vez que avanza, y al girar “arrastra” el aire que pasa por su superficie y se genera una fuerza de fricción, lo que aumenta la presión de ese lado de la pelota. Mientras tanto, del otro lado de la pelota el aire se mueve rápidamente en dirección opuesta a la trayectoria de la pelota y se produce una disminución de la presión. A un lado de la pelota, la presión del aire aumenta, y al otro disminuye. Esta diferencia de presión causa una fuerza neta perpendicular al movimiento de la pelota, lo que produce una curva en su movimiento. La dirección del giro determina la dirección de la fuerza y, en consecuencia, hacia qué lado se desplaza la pelota.

En el fútbol, el fenómeno de la pelota que dobla su trayectoria en el aire es muy conocido, y con frecuencia la pelota desconcierta a los defensores. El efecto Magnus se podrá percibir en las Olimpíadas de este año, en mayor o menor escala, en todos los deportes de pelota. Por ejemplo, los jugadores de tenis de mesa usan el efecto Magnus para ganarles a sus adversarios, y cuando el partido se transmite por televisión, una toma hecha desde arriba permite ver los saques curvos con diferentes efectos.

Experimentos con efectos especiales

Puede investigar el efecto Magnus y la rotación: con ayuda del departamento deportivo de su escuela, los estudiantes pueden patear pelotas de diferentes maneras y ver qué pasa. Si no cuenta con el espacio suficiente para hacer un experimento de este tipo, puede construir un rotor con materiales simples, como se explica en “Pensar con los pies” (“Thinking on your feet”)w1, del Instituto de Física.

Materiales

  • 2 vasos de poliestireno o polietileno
  • Cinta adhesiva y tijeras
  • 2 bandas elásticas
  • Película adherente, del que se usa para envolver alimentos (opcional)
  • Papel y lápices
  • Un teléfono celular o una cámara con función de video en cámara lenta (opcional)

Procedimiento

  1. Para hacer el rotor, una las bases de los vasos con cinta adhesiva.
  2. Ate las dos bandas elásticas.
  3. Coloque un extremo de la banda elástica sobre el rotor, en la unión de los vasos, y dele algunas vueltas alrededor de los vasos hasta que el otro extremo de la banda elástica esté en la parte inferior y en dirección opuesta a la suya.
  4. Sostenga el rotor con una mano y estire el extremo de la banda elástica con la otra. Luego lance el rotor como una catapulta para lograr un efecto hacia atrás (backspin). ¿Hacia qué lado dobla el rotor?
  5. Ahora lance el rotor al revés (con el extremo de la banda elástica en la parte superior) para lograr un efecto hacia adelante (topspin). ¿Hacia qué lado dobla el rotor?
  6. Para lograr un efecto lateral, lance el rotor de costado y en ángulo ascendente para que no caiga al piso demasiado rápido. (Si pone película adherente sobre los extremos de los vasos, se aumenta el tiempo del rotor en el aire.) ¿Hacia qué lado dobla el rotor?
  7. Si tiene una cámara, trate de capturar tomas de video de cada tipo de giro y del movimiento resultante.
Imagen cortesía del Instituto de Física

Agradecimientos

Este artículo se basó en el trabajo de John Bush del Massachusetts Institute of Technology (Instituto Tecnológico de Massachusetts), en Estados Unidos. El capítulo titulado “La aerodinámica en el fútbol” (Bush, 2013) brinda más información sobre la física en el fútbol y le da al lector ls oportunidad de adentrarse en la mecánica de fluidos pertinente. El catedrático Bush además prestó asesoramiento en la redacción de este artículo.

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References

  • Bush JWM, (2013) The aerodynamics of the beautiful game, in Sports Physics, Ed. C. Clanet, Les Editions de l’Ecole Polytechnique, p.171–192

Web References

  • w1- En colaboración con Arsenal Football Club, el Instituto de Física del Reino Unido ha publicado ocho actividades de física relacionadas con el fútbol.

Resources

Author(s)

Laura Howes es editora de Science in School. Estudió química en la Universidad de Oxford (Reino Unido) y luego se unió a una sociedad científica en el Reino Unido y comenzó a trabajar en el campo editorial científico y en el periodismo. En 2013, Laura se mudó a Alemania, se incorporó al European Molecular Biology Laboratory (Laboratorio Europeo de Biología Molecular) y comenzó a trabajar en Science in School.




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