Gli sport in un spin Understand article

Tradotto da Rocco G. Maltese. Per avere successo negli sport è richiesto un duro lavoro e talento, e ci vuole una straordinaria quantità di fisica per determinare un tiro perfetto.

Il volo di una palla nel football che sembra librarsi in aria e superare i difensori e il portiere. Si accorgono appena in tempo per voltarsi e vedere la palla in fondo alla rete. I bravi giocatori sanno come colpire la palla per cercare di battere gli avversari ma cosa succede realmente? La risposta è insita nell’aerodinamica.

Un gioco fluido

L’aerodinamica è una branca della dinamica dei fluidi che ci permette di capire il movimento dei gas, e così poter spiegare una grande varietà di fenomeni della vita di tutti i giorni. Non solo fornisce le conoscenze per la progettazione degli aeroplani, ma ci aiuta anche a capire il comportamento delle palle in volo dal football, al baseball e al tennis da tavolo.

Immagine per gentile
concessione di Ronnie
Macdonald; fonte immagine
Wikimedia Commons

Spesso simuliamo il modello di una palla in volo come quello di un proiettile, ma un calcio può essere a primo impatto, più difficile da rappresentare. Per un tiro teso verso l’alto la velocità iniziale della palla è approssimativamente di 30 m/s. Assumendo che la direzione impressa alla palla sia di 45° il che suggerisce che la palla viaggerà per 120 m, secondo la fisica del moto parabolico. Invece la palla, talvolta viaggia compiendo un percorso molto più breve, con la palla che discende alla fine con un angolo molto più ripido. Il fattore chiave è l’effetto di trascinamento dell’aria, che rallenta la palla.

Tuttavia, vi sono dei trucchetti che i giocatori mettono in atto per far comportare il pallone in modi differenti. Ad esempio, i giocatori esperti sanno di quanto possono incrementare la gittata di un tiro imponendo al pallone il cosiddetto “giro” (in fisica “spin”) verso il basso. Allo stesso modo il “giro” verso l’alto e di lato possono essere utilizzati per mandare il pallone alle spalle dei difensori o effettuare un tiro curvo dal calcio d’angolo. Questo perché dare il “giro” ad una palla la si sottopone al cosiddetto effetto Magnus, dal nome del ricercatore Tedesco del 19mo secolo Gustav Magnus, sebbene Isaac Newton lo avesse osservato precedentemente,  anche nel gioco del tennis.

L’Effetto Magnus

Non appena la palla
accelerata si muove verso
destra il flusso d’aria causa
una leggera differenza di
pressione e la palla risentirà
di una forza che la spinge in
basso

Immagine per gentile
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Kosiorek; fonte immagine
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Quando un pallone viene calciato in alto, attorno al pallone si crea una turbolenza questa provoca solo un minore trascinamento nel suo moto. Tuttavia, anche se minimo questo trascinamento esiste e inizierà a far rallentare la palla. Al di sotto di una certa velocità, l’aria che si muove attorno alla palla presenta un moto laminare, piuttosto che uno turbolento, il che significa che il flusso d’aria si muove secondo delle traiettorie lineari che avvolgono il pallone stando rasenti alla sua superficie. Se alla palla non è stata impressa una rotazione, allora questa transizione non è così importante, ma se alla palla è stata impressa una rotazione, allora la transizione al flusso laminare indica che la rotazione può ritenersi esaurita e la palla comincia a mostrare movimenti ondulatori.

Come si può spiegare? Immaginiamo un pallone a cui è stata impressa una rotazione, si muova nell’aria. Fino a che il pallone ruota, parte della superficie si muove nella direzione del pallone muovendosi così più ‘velocemente’ mentre la superficie opposta alla prima si muove in direzione contraria quindi ‘lentamente’ rispetto alla velocità del centro di massa della palla.

Poiché la superficie del pallone ruota nella direzione di volo sopravanza sfruttando l’attrito, aumentando la pressione dell’aria su quella parte del pallone. Mentre, dall’altra parte del pallone la superficie si muove nella direzione opposta alla traiettoria del pallone in volo, aiutando a spingere l’aria in avanti, riducendo la pressione da quella parte della superficie del pallone. La pressione dell’aria da un lato è aumentata, e dalla parte opposta è diminuita. Questa differenza di pressione da origine ad una forza orientata ad angolo retto rispetto al moto del pallone, così il pallone ondeggia in aria. La direzione della rotazione determina la direzione della forza e così anche la direzione in cui il pallone viaggia.

Naturalmente, nel gioco del calcio è ben noto il fenomeno del pallone che effettua una traiettoria curva che spesso confonde i difensori, ma quest’anno l’effetto Magnus si vedrà molto più spesso nei vari sport delle Olimpiadi di quest’anno. Ad esempio, i giocatori di tennis tavolo, sono maestri nell’utilizzare l’effetto Magnus per superare in astuzia i loro avversari: se si guarda un incontro in televisione, una ripresa dall’alto  potrebbe rivelare il tiro ad effetto nel servizio in svariati modi.
 

Torniamo al calcio

Potrete verificare gli effetti di accelerazione e l’effetto Magnus con il vostro docente di attività motorie tentando di calciare il pallone in modo da imprimergli differenti effetti per vedere cosa succede. Se non avete un spazio adeguato allo scopo si può costruire uno meccanismo che imprima l’effetto voluto, come spiegato nella sezione risorse dell’Istituto di Fisica nell’articolo (Pensa ai tuoi pidi) ‘Thinking on your feet’w1.

Materiali

  • 2 bicchieri di polistirene o politene

  • Nastro adesivo e forbici

  • 2 elastici

  • Pellicola per alimenti

  • Carta e matite

  • Uno smartphone o una videocamera con la possibilità del rallentì

Procedura

  1. Incollare i due bicchieri alla base per formare una specie di cucchiaio.

  2. Legate gli elastici assieme.

  3. Trattenere uno degli estremi degli elastici sul cucchiaio dove i due bicchieri si uniscono e arrotolarlo attorno per un paio di volte sino a che l’altro estremo dell’elastico è arrivato in fondo ed è rivolto in direzione opposta alla vostra.

  4. Tenere il cucchiaio in una mano e tirare l’elastico con l’altra e quindi lasciarlo cercando di creare un’effetto catapulta con un’accelerazione retrograda. Da che parte piegherà il cucchiaio?

  5. Adesso lanciate il cucchiaio capovolto in modo da fargli guadagnare un effetto sulla parte superiore. Da che parte piegherà adesso il cucchiaio?

  6. Per l’effetto laterale, c’é bisogno di lanciare il cucchiaio di lato, e con un angolo inclinato verso l’alto in modo che non cada troppo rapidamente verso il terreno. (Mettete la pellicola per alimenti sugli estremi dei bicchieri per aumentare il tempo di volo in aria). Da quale parte si piegherà il bicchiere?

  7. Se possedete una videocamera, cercate di catturare la parte più cruciale per ogni tipo di effetto e il moto risultante.
     

Immagine per gentile concessione dell’Istituto di Fisica

Riconoscimenti

Questo articolo è stato ispirato dal lavoro di John Bush del Massachusetts Institute of Technology, US, il cui capitolo ‘The aerodynamics of the beautiful game’ (Bush 2013) (‘L’aerodinamica di un gioco meraviglioso’’) fornisce molte più informazioni sulla fisica che domina il football e dà al lettore l’opportunità di andare un po’ più a fondo nel mondo della meccanica dei fluidi. Il Prof Bush è stato così cortese da supervisionare il preliminare di questo articolo.

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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 – Sviluppato in collaborazione con la squadra dell’Arsenal Football Club, l’Istituto di Fisica del UK che ha pubblicato has published otto attività di fisica inerenti al gioco meraviglioso.

Resources

  • Per ulteriori approfondimenti sul moto dei proiettili vedere:

Author(s)

Laura Howes è una dei redattori di Science in School. Ha studiato chimica all’Universitá di Oxford, UK, e quindi si è trasferita presso una società che si occupa di educazione e apprendimento in UK per iniziare un lavoro di pubblicista e divulgazione scientifica. Nel 2013 Laura si è trasferita in Germania nell’Istituto Europeo di Biologia Molecolare per unirsi al gruppo di Science in School.




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