Tras la pista: tecnología para corredores Understand article

Traducción de Elisa López Schiaffino. Cuando vemos a un corredor profesional romper un récord mundial, rara vez pensamos en la química y la física de la pista de atletismo.

Figura 1: El estadio olímpico
João Havelange en Río de
Janeiro, sede de los Juegos
Olímpicos 2016

Imagen cortesía de Andrew
Hecker; origen de la imagen:
Wikimedia Commons

Este año, los Juegos Olímpicos les permitirán a los mejores atletas del mundo ponerse a prueba y romper récords en los juegos en Río de Janeiro (Brasil). Además del entrenamiento, el buen estado físico y el talento personal, los competidores cuentan con otro elemento que los pueden ayudar a triunfar: la tecnología.

Para los corredores, lo que les permite desempeñarse de la mejor manera es la última tecnología de los materiales de la superficie de la pista. Puede ser sorprendente, pero mientras los corredores aficionados que se ejercitan en las calles y en los parques necesitan que su calzado deportivo les brinde amortiguación y propulsión, para los corredores profesionales es la pista la que cumple este papel. Esto permite ver la diferencia de niveles de rendimiento que existe entre los deportes escolares o de aficionados y de los competitivos de primer nivel. La energía empleada al acelerar, desacelerar, saltar, etc., es notablemente diferente: un velocista olímpico que corre a toda velocidad podría lesionarse en una pista de superficie dura debido al alto impacto en las articulaciones. En cambio, una persona que trota o un estudiante que usa zapatillas acolchadas encontraría a la pista de atletismo demasiado blanda.

Figura 2: Un atleta se ubica en la línea de salida. Sus zapatillas no tienen amortiguación de ningún tipo: en las competencias de primer nivel, lo que absorbe el impacto durante la carrera es la pista, no el calzado
Imagen cortesía de Mondo SpA

Fuerzas en acción

Correr es, de hecho, una serie de impactos controlados sobre el suelo. Entonces, la superficie ideal debería absorber el impacto para evitar lesiones (especialmente en los tobillos, rodillas y ligamentos) a la vez que debería ofrecer una base fuerte y estable para permitirle al atleta impulsarse hacia adelante.

Pensemos en las fuerzas que el atleta y la superficie ejercen mientras el atleta corre. A cada paso, el atleta usa los músculos de las piernas (y la fricción entre la pista y la suela de la zapatilla) para empujar contra el piso. La tercer ley del movimiento de Newton dice que:

A cada acción [fuerza] le corresponde una reacción igual y contraria [fuerza].

Esto significa que cuando el atleta empuja contra el piso, la pista ejerce una fuerza igual y contraria sobre el atleta, que lo impulsa hacia adelante. Esto se llama fuerza de reacción del suelo.

La segunda ley del movimiento de Newton dice:

Fuerza = masa × aceleración

Entonces, para el atleta, a mayor fuerza de impulso hacia adelante, mayor su aceleración.

Figura 3. Un velocista está por comenzar una carrera
Imagen cortesía de tableatny; origen de la imagen: Wikimedia Commons

La segunda ley de Newton ayuda a explicar lo que pasa cada vez que un atleta apoya el pie en el suelo mientras corre. Cuando el pie golpea el piso, desacelera y para, y luego despega de la pista otra vez. Cuanto más rápida es la desaceleración, mayor será la fuerza del impacto en el pie. Entonces la pista debe encargarse de que la desaceleración sea lo suficientemente lenta como para hacer que el impacto sea soportable, pero lo suficientemente rápida como para mantener la velocidad de la carrera. Aquí se hacen necesarios materiales especiales para producir una pista que no sea demasiado blanda ni demasiado dura.

Figura 4. Estadio olímpico de Londres con superficies poliméricas de caucho para pruebas de atletismo
Imagen cortesía de Mondo SpA

Materiales duros y blandos

En la vida cotidiana, encontramos materiales de una consistencia variada: desde metales duros y sólidos hasta líquidos que fluyen. Detengámonos a pensar en estas características.

  • Los metales, además de ser duros, son materiales elásticos. Al igual que un resorte, un alambre se estira cuando se ejerce una fuerza sobre él, y luego vuelve a su largo original cuando se retira dicha fuerza. (Si la fuerza es demasiado fuerte y estira al metal más allá de su límite elástico, el alambre quedará estirado en forma permanente). El material almacena energía cuando se estira y luego la libera cuando vuelve a su largo original.
  • Los líquidos son materiales blandos y no son elásticos. Fluyen libremente si se ejerce una fuerza sobre ellos (como la gravedad) y no mantienen su forma. La energía mecánica se disipa, no se almacena en el material. A este tipo de materiales se los denomina viscosos.

Como muestra la figura 5, un material puramente elástico (como el metal o el hormigón) almacena la energía del impacto y la devuelve al instante. Sin embargo, esto produce una fuerza de reacción del suelo que no resulta segura para los corredores; el material de la pista debe absorber algo de energía. En cambio, las superficies viscosas absorben la energía del impacto del pie pero no la devuelven.

Entre estos dos extremos se encuentran los materiales viscoelásticos. Pueden disipar parte de la energía del impacto (lo suficiente como para proteger los ligamentos del atleta) y al mismo tiempo conservar energía suficiente como para brindar una fuerza de reacción adecuada que impulse al atleta hacia adelante.

Figura 5. Gráfico de fuerza (F) vs. deformación (D) que muestra cómo responden los materiales plásticos (A), viscoelásticos (B) y viscosos (C) ante las fuerzas aplicadas
Imagen cortesía de Joao Bomfim

Por qué los polímeros pueden ser la solución

Entonces, ¿dónde podemos encontrar un material con las características viscoelásticas adecuadas? Un grupo importante de materiales viscoelásticos son los polímeros: un conjunto de materiales que incluyen a los plásticos, el caucho y el pegamento. Los polímeros están compuestos de enormes moléculas formadas por cientos o incluso miles de átomos. Debido a su tamaño, las moléculas de los polímeros pueden interactuar entre ellas al alinearse y enredarse. Las moléculas de caucho son especiales porque, aunque se enredan, normalmente no se alinean entre sí y quedan algo ‘sueltas’; tienen lo que los especialistas en polímeros llaman volumen libre. Esto significa que las moléculas pueden doblarse, moverse y desplazarse, lo que permite que el material se estire.

Figura 6. El caucho natural
(A) reacciona con el azufre
(S), lo que produce como
resultado caucho vulcanizado
(B)

Imagen cortesía de Joao
Bomfim

Además de las interacciones físicas, entre las moléculas de los polímeros se pueden formar enlaces (covalentes) químicos llamados enlaces cruzados. Los materiales de los polímeros con muchos enlaces cruzados frecuentemente son duros; un ejemplo es el adhesivo epoxi. En cambio, la mayoría de los cauchos tienen una cantidad relativamente pequeña de enlaces cruzados, por lo que son más blandos. El caucho puede endurecerse mediante un proceso llamado vulcanización, en el que los átomos de azufre forman enlaces cruzados adicionales entre las moléculas (figura 6).

El volumen libre permite que el caucho se estire;  y las fuerzas y los entrelazamientos entre las moléculas de los polímeros, en especial los enlaces cruzados, hacen que el caucho vuelva a su posición original, lo que le da al caucho elasticidad.

Figura 7. Neumáticos
desechados que serán
reciclados o incinerados

Imagen cortesía de Mark
Buckawicki; origen de la
imagen: Wikimedia Commons

La tarea de un químico de polímeros es saber elegir el material adecuado y conocer las condiciones del proceso de elaboración para sus distintos usos, como por ejemplo para las pistas de atletismo. Además de elegir el caucho indicado con la cantidad adecuada de enlaces cruzados, un químico de polímeros debe tener en cuenta los antioxidantes apropiados para que la pista no se degrade. Se sabe que el calor y la luz ultravioleta provenientes de la exposición solar y las condiciones del tiempo originan reacciones químicas. Esto se debe a que el proceso de endurecimiento del caucho (por vulcanización, envejecimiento o la acción de las condiciones del tiempo) nunca cesa. Sin los antioxidantes apropiados para evitar que se formen cada vez más enlaces cruzados, la pista de atletismo se endurecería y perdería capacidad de amortiguación, y se comportaría cada vez más como un material puramente elástico, por lo que los corredores podrían llegar a sentir que están corriendo sobre hormigón.

Figura 8. La superficie de un
área de juegos para niños
hecha con caucho reciclado

Imagen cortesía de Oxyman;
origen de la imagen: Wikimedia
Commons

Otra contribución importante de la ciencia a las pistas de atletismo está relacionada con el medioambiente y el reciclado. En efecto, muchas pistas están hechas con caucho reciclado. Es una manera inteligente de reducir los desechos que terminan en un basurero o un incinerador. Los neumáticos son fuertes y flexibles, tienen que soportar el peso de un auto y no deben romperse, ni siquiera si golpean contra el bordillo de la acera o contra un bache en la calle. Los neumáticos viejos pueden triturarse, limpiarse y agregarse a la capa inferior de la pista, que no está visible y no entra en contacto con los atletas. El caucho de los neumáticos tiene excelente propiedades viscoelásticas y, cuando se lo combina con material de caucho nuevo en la superficie de la pista que lo protege de la oxidación, puede dar lugar a una pista de atletismo segura y rápida.  De hecho, ya se usa el caucho de neumático triturado en muchas áreas de juegos a modo de piso acolchado y seguro para proteger a los niños si se caen. De la misma manera, protege a los atletas profesionales mientras intentan romper récords mundiales. Ahora, cuando veas a los atletas competir en los Juegos Olímpicos este verano, puedes apreciar la ciencia detrás de esas medallas de oro.

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Author(s)

João AS Bomfim es químico y tiene un doctorado en ciencia de polímeros de la Universidad Federal de Río de Janeiro (Brasil). Trabajó como científico investigador tanto en el mundo académico como en la industria, y desarrolló nuevos materiales plásticos y de caucho. Luego se incorporó a la sede de Luxemburgo del Grupo Mondo como investigador y especialista en desarrollo a cargo de elaborar nuevas superficies deportivas.


Review

Antes de comenzar a dictar una clase tradicional sobre polímeros o sobre las leyes de Newton, lea este artículo sobre los secretos tecnológicos de las pistas de atletismo modernas. Este texto conciso y sencillo contiene abundante información interesante y muchas ideas inspiradoras para enseñar química orgánica, física, biología y ciencias ambientales. El autor recurre al interés y la curiosidad de los estudiantes por el deporte en los momentos previos a los Juegos Olímpicos 2016, y usa ejemplos claros de la vida cotidiana.

El artículo es apropiado para docentes de ciencia y estudiantes de escuela secundaria. Podría usarse como actividad introductoria antes de presentar química inorgánica (polímeros, estructura química del caucho natural y sintético, enlaces químicos, vulcanización, o propiedades químicas y uso industrial del caucho). También podría usarse como punto de partida de una clase de física (segunda y tercera ley de Newton, elasticidad, viscosidad, o palancas en el cuerpo humano), biología (anatomía, contracción muscular, o biomecánica) o ciencias ambientales (el uso, la producción y la elaboración del caucho, el caucho natural y sintético, el ciclo de vida del caucho, y su desecho y reciclado). Otro tema interesante puede ser la tecnología de las instalaciones deportivas profesionales y las de aficionados. El artículo también puede usarse como punto de partida para investigar detalles técnicos del equipamiento deportivos, como el calzado, las pelotas, los trajes de baño y los cascos.

Se podrían plantear preguntas de comprensión como las siguientes:

  1. Al correr, ¿qué partes del cuerpo NO se lesionan normalmente ante el impacto contra el suelo?
  1. los tobillos
  2. los dedos de los pies
  3. los ligamentos
  4. las rodillas.
  1. En comparación con las pistas para deportes aficionados, las pistas profesionales de atletismo son:
  1. más blandas
  2. más duras
  3. más elásticas
  4. similares.
  1. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre las moléculas de caucho es falsa?
  1. Son polímeros enormes
  2. Están entrelazadas físicamente
  3. Tienen volumen libre
  4. Se alinean entre sí.

Giulia Realdon, Italia




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