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.