Física en el Fútbol

Como era de esperarse, la fiebre mundialera de la Copa Mundial de la Fifa en Sudafrica 2010 también ha llegado a muchos físicos fanáticos a nivel mundial. Pero aunque muchos no lo crean, un increíble gol (los llamados “goles imposibles”) o un buen pase no sólo depende de las habilidades de un buen jugador, sino también de nuestra querida física. Motivados por esta fiebre mundialera (o por el “waka-waka” de Shakira), el Instituto de Física del Reino Unido (IOP) ya ha publicado entretenidos artículos en su medio de divulgación (el PhysicsWorld) sobre el tema y ha puesto a disposición de los futboleros acceso gratuito a algunas investigaciones de física basadas en este “deporte rey” durante el período que dure este Mundial (aquí está el link para los que quieran!). Pero como era de esperarse, los británicos publican en inglés (obvio) y me pareció bueno compartir parte de sus artículos con la comunidad de habla hispana mediante nuestro blog.

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. Pero para hacer un comentario más adecuado, estudiemos un poco de hidrodinámica.

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 (link al precioso gol en YouTube)

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 científico del gol).

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. (Imagen modificada del original en PhysicsWorld)

La gran diferencia que tiene la famosa “Jabulani” es precisamente este último efecto. Su diseño aerodinámico minimiza la formación de vórtices en la parte trasera; haciendo que el efecto del roce viscoso sea mínimo. Eso explica la cantidad de tiros desmedidos sobre el arco y las quejas continuas de los jugadores. El diseño aerodinámico hizo que el vuelo de la pelota se acerque más al vuelo predecible del clásico “lanzamiento de proyectiles”. Al parecer, los futbolistas profesionales deberán “re-calibrar” sus tiros de manera de acostumbrarse a los estudios aerodinámicos… O tal vez quieran dedicarse a estudiar un poco de física antes del próximo Mundial.

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11 respuestas a Física en el Fútbol

  1. Como mi post ya era muy largo, aqui pongo la traducción de la explicación al gol de Roberto Carlos, según la IOP (http://physicsworld.com/cws/article/print/1533)

    “Carlos pateó la pelota con el borde externo haciendo que la pelota girara en sentido opuesto a las manecillas del reloj según su propia perspectiva. Las condiciones eran secas, asi que el spin que le dió a la pelota era alto, talves sobre 10 vueltas por segundo. Al golpearlo con el borde externo le permitió pegarle muy fuerte, probablemente sobre 30 m/s. El flujo de aire sobre la superficie de la bola era turbulento, lo que le dió una cantidad relativamente baja de roce de arrastre. En alguna parte de su viaje – talves cercana a la barrera de la defensa – la velocidad de la pelota bajo lo suficiente de manera que entró en el régimen de fluido laminar. Esto incrementó notoriamente el roce de arrastre en la pelota, lo que la hizo frenar aun más. Esto permitió que la fuerza lateral de Magnus, que ya estaba curvando la pelota hacia el arco, que fuese aún más importante. Suponiendo que la cantidad de giros de la pelota no ha decaido, el coeficiente de roce se incrementó. Esto introdujo una fuerza lateral aun mayor que curvó la pelota mucho más. Finalmente, a medida que la pelota frenaba, la curvatura se volvió más exagerada hasta llegar al fondo de la red – deleitando a todos los físicos de la galeria.”

  2. emulenews dijo:

    Buena entrada. Felicidades.

    • ¡¡Muchas gracias emulenews!! Vi tus posts también en tu blog y son muy interesantes. Eso si, son más detallados en las investigaciones realizadas.
      Te felicito también por tus aportes a divulgación en español.
      Saludos,
      Felipe

  3. Pingback: ¿Beckham como físico? / El “proyectil” de Roberto Carlos. Aerodinámica del balón. « NBP1's Blog

  4. Ahora ya, en la tranquilidad de la nueva temporada futbolera -¡y con la copa en casa- :), leo tu interesante artículo.

    Me alegra pensar que el cambio de balón se debió a importantes razones de física teórica…

    …yo, sin embargo, no puedo dejar de pensar que TODOS los nietos del mundo tenían ya su balón reglamentario, y ya iba siendo hora de que de nuevo los abuelos pidiéramos para el nieto estas Navidades, a los Reyes Magos (o Papá Noël, en su lugar) un nuevo, tecnológico y resplandeciente, ¿como se llamaba???

    ..ah, si: Jabulani.

    ¿sabes que?

    Con esto de la revisión de las pensiones las abuelas, cuando metemos la mano al bolsillo no encontramos mas que pelusas….

  5. Por 1a vez el futbol capta mi atención, exelente post!

    • Que bueno saber que captamos tu atencion!
      Talvez podrias contarnos que mas te aburre (o no capta tu atencion) para ver si podemos escribir algo de fisica/ciencia relacionado con eso para que te interese!

  6. ANA E DIAZ dijo:

    es interesante saber la importancia de la fisica en el futbol y en cualquier deporte que utilizen pelotas con su articulo entendi que no es solo dar patada a un balon si no el efecto y velocidad que pongamos en ella……muy interesante su apresiacion ede ahora en adelante entendere mas el futbol

  7. aron daniel moreras dijo:

    es bueno saber k ahy un lugar donde podemos consultar sobre el futbol y la cienciay sus ramas

  8. me parase bena estaa pagina para cosultar

  9. Graciela dijo:

    Como siempre muy interesante tu artículo. Le estoy haciendo difusión desde mi blog, donde lo dejé linkeado porque es un tema que llama mucho la atención en las clases de hidrodinámica.
    Gracias!!

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