La fisica de los balones (el famoso jabulani)

Una explicación sobre la estructura y comportamiento fisico de los balones en el futbol.

Esquema de molécula compuesta de 60 átomos de carbono.

Creo que casi cualquier “científico-no-futbolero” que le pregunten sobre “relación fútbol-física” va a pensar en una molécula. Pero no cualquier molécula, sino en aquella conformada por 60 átomos de carbono descubierta en 1985 que llamaron fullereno. Ahora… ¿por qué pensar en una molécula?. La respuesta es simple: esta molécula tiene la misma forma que la clásica pelota de fútbol de 32 cascos. Sin embargo, esta molécula es parte de la gran familia de las nanopartículas de carbono (nanotubos, C60, entre muchos otros) que han revolucionado no sólo la física, sino también se pretende su uso en aplicaciones tan increíbles como destrucción selectiva de tejidos cancerosos, entre muchas otras. Tiempo después (años 90′s) se descubrió que estas nanopartículas de carbono ya no sólo es posible encontrarlas en los laboratorios, sino también en los restos de hollín de las ollas y cosas similares.

Tal vez donde la física juega su mayor rol en el fútbol es en la aerodinámica asociada al movimiento de la pelota; y no sólo en lo que algunos podrían pensar como es clásico “lanzamiento de proyectiles” que todos aprendemos en el colegio, sino por los efectos que justamente alejan el movimiento de la pelota de este predecible movimiento. Para quienes vieron la primero ronda del Mundial 2010 se habrán dado cuenta de dos “hechos experimentales”: 1. La baja cantidad de goles marcados en esta fase; y 2. La gran cantidad de tiros sobre el arco, desmedidos y desviados. Ambas observaciones no sólo se explican por el posible nerviosismo o ansiedad de los jugadores, sino también por el cuidadoso diseño y estudio científico del balón mundialero: la Jabulani. Aquella pelota que muchos futbolistas han odiado por no comportarse como ellos acostubran en las otras pelotas profesionales, goza de un profundo estudio científico realizado en la Loughborough University del Reino Unido. En ellos, sus propiedades mecánicas (deformaciones y efectos de variaciones térmicas) y por supuesto, aerodinámicas en túneles de viento fueron detalladamente estudiadas.

Jabulani. La pelota oficial del Mundial Sudáfrica 2010 en estudios aerodinámicos en túnel de viento

Todos los que son deportistas profesionales (futbolistas, tenistas, golfistas, etc.) y los no tanto, saben que es posible darle “efecto” a la pelota al golpearla de tal manera que salga dando vueltas sobre si misma (es decir, darle un cierto “espin”) Este “efecto” hace que la pelota curve su trayectoria en el aire, poniendo en problemas hasta al mejor arquero. La explicación fue descrita en 1852 por el físico alemán Gustav Magnus, basada en las variaciones locales de presión alrededor de la pelota, conocido en física de fluidos como “efecto Bernoulli“. Dado que la pelota gira sobre si misma, las velocidades del fluido en lados opuestos de la pelota son distintas. Estas diferencias, producen una diferencia local en la presión lo que se traduce en una fuerza neta lateral que desvía la pelota (ver figura explicativa de más abajo). Un excelente ejemplo de este efecto puesto en práctica se puede apreciar en el gol hecho por Roberto Carlos en el Mundial de Francia 98
http://www.youtube.com/watch?v=cmgx8K1cl_0

El segundo tipo de efecto hidrodinámico presente en el fútbol son los provocados por las turbulencias formadas detrás del balón en movimiento que generan fuerzas de roce, o arrastre (no se bien la traducción de “drag force“). Tras la pelota en movimiento, los flujos de aire deberían recombinarse para formar un bonito “fluido laminar” en el caso de un fluido ideal sin viscosidad. Pero como la realidad difiere de las aproximaciones ideales, detrás de la pelota los flujos laminares no se reconectan inmediatamente, dando paso a turbulencias. Estas turbulencias generan una fuerza de arrastre que se oponen al movimiento. Una de las características de esta fuerza es que depende de la velocidad del cuerpo. Es por esto que hay tiros muy fuertes que repentinamente cambian su trayectoria como “frenando” en el aire, desconcertando a cualquier arquero. Una excelente descripción de un gol como este fue hecha por otros físicos, relatando de una manera muchisima más entretenida que la mía el golazo de Leonel Sanchez contra Rusia en el Mundial de Chile 62 (link al relato cientfico http://www.quepasa.cl/articulo/3_1005_9.html)

Diagramas de fuerzas y esquemas de una pelota viajando en el aire; junto con gráfico de fuerza de arrastre en función de la velocidad de la pelota.

REFERENCIAS: http://conexioncausal.wordpress.com/2010/06/28/fisica-en-el-futbol/

Otro punto de vista sobre el tiro con efecto (con chanfle) de Jorge Flores Valdés, investigador emérito del Instituto de Física (IF) de la UNAM

• En términos físicos, la patada es un ejemplo de fuerza impulsiva, grande y de corta duración, señaló Jorge Flores
• El balón es una esfera con gajos, que resultan indispensables para predecir el movimiento de la pelota en combinación con el aire, porque éste también produce fuerzas sobre la bola, explicó
• En física existe el principio de Bernoulli, que indica que entre mayor sea la velocidad de un fluido, en este caso el aire, menor será su presión
• Cuando la pelota gira en el aire sufre una fuerza lateral, el efecto llamado Magnus, refirió

El fútbol no es un deporte como todos, es tan conocido y practicado, que se le considera el más popular del mundo, y es precisamente en el que jugadores profesionales o simples aficionados a la “cascarita”, intentan el llamado chanfle.
En términos físicos, la patada es ejemplo de fuerza impulsiva, grande y de corta duración, y lo que se puede observar en este fenómeno es que la pelota sube y, eventualmente, cae con una curva parabólica, como si fuera un proyectil, explicó Jorge Flores Valdés, investigador emérito del Instituto de Física (IF) de la UNAM.
En el tratamiento más simple, se supone que el balón es un punto masa que se mueve a causa de la fuerza impulsiva y, posteriormente, está sujeto a la fuerza de atracción de la Tierra. Esta última es la que rige, porque las masas de todos los jugadores es mucho menor que la del planeta. El objeto redondo al final cae, siguiendo una trayectoria parabólica, expuso.
Pero, ¿cómo pegarle al balón para producir un chanfle? Según el especialista en física teórica, éste es un efecto que se imprime a la pelota al golpearla con el pie.
La dirección del golpe no debe pasar por el centro de la bola, para que comience a girar y con sus gajos arrastre al aire, haciendo que cambie la velocidad de éste con respecto al objeto redondo; la velocidad del aire puede ser mayor en un lado del balón respecto al otro, lo que a su vez causa una diferencia de presiones.
En consecuencia, el arco que con mucha frecuencia hace la pelota no es precisamente una parábola, porque ésta es una curva plana, y el balón muchas veces se sale de este plano para que el portero no sepa la trayectoria que seguirá.

El balón de fútbol

El balón es una esfera con gajos, cuya distribución resulta indispensable para predecir el movimiento que hace en combinación con el aire, porque éste también produce fuerzas sobre la bola.
Flores Valdés comentó que “en el aire hay cierta viscosidad que se opone al movimiento, y tiende a bajar la velocidad del objeto redondo; además, cuando va girando, se producen efectos tan interesantes como el chanfle”.
Cuando una esfera o un cuerpo macroscópico gira en el aire, al tiempo que se mueve en una trayectoria, arrastra al viento en la misma dirección que su velocidad, o tal vez en sentido contrario, dependiendo del giro de la pelota. La velocidad de la corriente de aire arriba, puede ser mayor que abajo, explicó.

Por otra parte, precisó que en física existe lo que se conoce como principio de Bernoulli, que indica que a mayor velocidad de un fluido, menor es su presión; así, mientras más rápido gire el balón respecto al aire, menor presión tendrá este último.
Eso provocaría que la pelota ya no siga la trayectoria parabólica, sino que suba, baje, se vaya a la izquierda o a la derecha, según sean el sentido y la dirección del giro. Pero eso no es todo. Cuando el balón va girando, se origina otra fuerza denominada de Magnus, llamada así porque era el nombre del físico alemán que discutió este efecto, por primera vez, en el siglo XIX, sostuvo.
Entonces, resumió, el balón arrastra al aire debido a los gajos de su estructura y produce turbulencias, que se pegan a la pelota y se desprenden más rápido que si fuera despacio, causando una fuerza perpendicular que provoca que se salga del plano y dé origen a la curva que engaña al portero.
“El que la pelota vaya girando es lo que genera los cambios físicos: primero, por el principio de Bernoulli produce una disminución de la presión, pero luego como el aire es viscoso, se originan turbulencias que hacen que existan fuerzas perpendiculares a la dirección del movimiento, que tienden a sacarlo del plano”, resumió.
Así, la física de Newton aplicada a los medios continuos, ciencia que se conoce como hidrodinámica, explica desde el punto de vista cualitativo todo lo que ocurre con una pelota que gira cuando se mueve en el aire. También, permite entender el movimiento de balones que giran sobre una superficie rugosa, lo que se aplica en otros juegos como el boliche o el tenis.
Por último, mencionó que el peso del balón, su tamaño, la forma de los gajos, y el material del que está hecho, influyen en su movimiento y en el número de goles que puedan anotarse.

 referencias http://www.dgcs.unam.mx/boletin/bdboletin/2010_361.html

la fisica de los tiros libres

Para todos los que todavia no entendemos ni realizamos los tiros libres con efecto precisos, aqui una explicacion en  fisica que nos sirve para entender el funcionamiento de estos tiros y poder relizarlos con una mayor precisión. En esta explicacion conoceremos los factores o maganitudes fisicas que contribuyen a la relización del disparo como lo son la fuerza, la velocidad y la frecuencia.

 

donde:
D es el diámetro del balón en metros,
f la frecuencia de giro del balón,
V su velocidad.

La fórmula matemática del mortal tiro libre de David Beckham

La primera fuerza es la que conocemos mejor: la gravedad. No hay mucho que descubrir aquí, dado que permanece constante. La segunda es mucho más difícil de cuantificar y manejar. Se la conoce como Fuerza de Magnus (en honor de H.G. Magnus, un físico alemán quien investigó por primera vez sus propiedades hace unos 150 años). Ésta es la fuerza directamente responsable por la curva que el balón realiza fuera de su trayectoria normal. A menos que el esférico sea impactado en su centro geométrico, siempre girará ligeramente mientras se mueve en el aire. Por el hecho que uno de los lados del balón está girando en la misma dirección que la trayectoria de vuelo, mientras que el otro gira en dirección contraria, existe una ligera diferencia en la velocidad relativa del aire en cada costado. Esto crea, en consecuencia, una diferencia de presión que hace que la bola se mueva en una curva en vez de en una línea recta. La regla cardinal dicta que se debe patear el costado izquierdo del balón para darle un giro en contra de las agujas del reloj (visto desde arriba), y curvará hacia la izquierda.



La premisa puede sonar simple, excepto que hacer que el balón salga con "chanfle" no es suficiente. Debe curvar de modo preciso, y aquello no sólo depende del giro, sino también de la velocidad del objeto en el aire. La fuerza del disparo debe ser perfectamente calculada, para optimizar el giro y la velocidad.

Con algo de práctica, incluso el típico deportista dominguero tiene la oportunidad de mandar un balón con "comba" al fondo de las piolas. El verdadero talento surge cuando se tiene que superar también a la barrera de defensores. He ahí donde los maestros muestran su dominio de la tercera fuerza en juego al disparar un tiro libre: el arrastre aerodinámico. Tal como las fuerzas de Magnus, la fuerza de arrastre cambia con la velocidad del balón. El problema radica en que esta fuerza cambia de manera mucho más aleatoria y abrupta, haciéndola mucho más difícil de controlar. Además, esta fuerza influye críticamente la magnitud de la fuerza de Magnus, y por ende, el modo en el que el balón curva.

La solución obvia para esto sería disparar el balón con la misma fuerza todas las veces, y tratar de enfocarse en controlar el giro, pero para un genio de la pelota parada, el arrastre ofrece una manera manejable de engañar a la barrera y al arquero al mismo tiempo. Si se golpea al balón fuertemente en uno de sus costados, por ejemplo a unos 110 km/h, el balón empieza a volar lejos de la barrera, con poco arrastre y sin esperanza de entrar en el arco. Los defensores se relajan, y el arquero se burla para sus adentros de la incapacidad de su oponente. Sin embargo, cuando el balón va perdiendo su impulso inicial, el arrastre aumenta rápidamente, junto con la fuerza de Magnus, causando que el balón curve aún más pronunciadamente. De repente, el arquero ve el balón curvando en dirección al segundo palo, y antes que pueda llegar a ella, el balón se mete en el arco.

Según algunos cálculos científicos, puede haber un desvío de hasta 4,6m (5yd)en un tiro libre a unos 23m (25yd) de la puerta, bastante más que la mitad del ancho total del arco. A veces, se logran disparos que hay que verlos para creerlos, tal como este tiro libre de Roberto Carlos ante Francia en la Copa Confederaciones en junio de 1997:



Roberto Carlos golpeó la bola con el borde externo de su pie izquierdo desde unos 32m (35yd) a unos 137km/h hacia el costado derecho de la barrera. Parecía que el balón iba a aterrizar tan lejos de la puerta que uno de los pasabolas se agachó para evitar el balonazo, pero cuando el balón se fue frenando, la magia de la fuerza de Magnus se hizo presente. Girando contra las manecillas del reloj, el balón curvó aún más hacia la izquierda y entró en el arco.

referencias: http://futbolasociados.blogspot.com/2007/11/la-fsica-de-los-tiros-libres.html