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viernes, 25 de junio de 2010

Jabulani: el terror en Sudáfrica 2010


Continuando con el tema de la Copa del Mundo, es casi imposible dejar de notar los comentarios de descontento con respecto al balón de la Adidas, el Jabulani. Estos comentarios provienen especialmente de los guardametas ¿Cuál podrá ser la razón de su descontento, si después de todo se supone que el Jabulani fue diseñado científicamente para ser el " balón perfecto"?
Repasemos primero algunas de sus características. A pedido de la famosa fabricante de artículos deportivos, Jabulani fue diseñada en la universidad británica de Loughborough donde el equipo de investigación trabajó durante 3 años para producir el balón más perfecto posible. Su nombre significa " celebración" en zulú. Una de las principales diferencias con respecto a los balones tradicionales, es que la Jabulani es una bola formada por 8 paneles 3 dimendionales que fueron unidos entre sí en caliente. Esto permite que cuando la bola se llena de aire para inflarla, haya la menor deformación posible y el balón tenga una forma esférica perfecta. En la bola tradicional, las 32 piezas que conforman su superficie son planas y se cosen entre sí. Al inflar el balón, las piezas se estiran no necesariamente todas de la misma manera, pues esto depende de las costuras en sí, que no son completamente idénticas. El resultado es una esfera menos perfecta.  Para diseños aerodimámicos, la forma del objeto es de gran importancia para determinar la resistencia al movimiento a través del aire. Un segundo factor también importante en la aerodinámica es la superficie del objeto. Jabulani posee surcos y una superficie rugosa (como las bolas de golf) que le permiten avanzar a través del aire sin perder estabilidad. De hecho, la Jabulani ha demostrado alcanzar velocidades 5% mayores que la Teamgeist de la Copa del Mundo del 2006.
Entonces, si el Jabulani es un balón en apariencia tan perfecto (por lo menos desde el punto de vista aerodinámico), porqué hay tantas quejas? Justamente, el balón fue diseñado para adquirir altas velocidades facilmente, y esto sin duda puede desconcertar a jugadores y en especial a los porteros, quienes podrían no tener tiempo de reaccionar.
El ingeniero Takeshi Asai, de la Universidad de Tsukuba en Japón, tuvo la oportunidad de estudiar la Jabulani. Mediante pruebas hechas en túneles de viento, se ha determinado que el problema está precisamente cuando la bola no se encuentra viajando a velocidades tan altas. Como Natalia discutió en la publicación anterior, a altas velocidades el flujo de aire alrededor de la bola es lo que se llama un flujo turbulento, lo que implica un cierto "desorden" en las líneas de corriente. (inciso (b) de la figura a la izquierda) Esto ocurre principalmente al inicio de su movimiento (o sea inmediatamente después de la patada). Es  aquí donde las ranuras y la superficie de la bola entran en acción: su función  es propiciar turbulencia para disminuir la resistencia de avance de la bola a través del aire. Pero a velocidades bajas, el flujo se vuelve laminar o ordenado (de hecho se puede describir como capas paralelas de aire en movimiento alrededor del objeto, como el de la figura (a) a la izquierda).  En este tipo de flujo la resistencia al avance se vuelve mayor, el balón se frena y su  comportamiento se vuelve es impredecible . En ese caso las bolas tradicionales llevan ventaja, pues sus bordes ayudan a crear turbulencias adicionales que disminuyen su resistencia al movimiento a través del aire ¡ Tal vez sea por esto que el arquero Julio César dijo que las bolas que se compran en el supermercado son mejores que la Jabulani! (figura ilustrativa sobre los flujos laminares y turbulentos tomada de este enlace)

Según Derek Leinweber,  profesor de física de la Universidad de Adelaida (Australia) hay un detalle más que debemos considerar: las ciudades donde se jugarán los partidos en general se encuentran a más de 1000m sobre el nivel del mar. Esto hace que la densidad del aire sea más baja que en otras ciudades donde se ha jugado con el Jabulani, y por esto el balón sea más rápido. Ud. puede escuchar un podcast de la conferencia del profesor Leinweber en este enlace (en inglés).
Hay un punto en común entre científicos y fabricantes de la Jabulani: las quejas se acabarán cuando los jugadores se acostumbren a jugar con ella, ¡o por lo menos eso esperamos todos los que queremos ver más acción en las canchas de esta Copa del Mundo!

En estos enlaces puede leer más sobre este tema:
http://news.suite101.net/article.cfm/jabulani-el-balon-estrella-del-mundial-de-sudfrica-a19251
http://www.foxnews.com/scitech/2010/06/09/world-cup-ball-soccer-jabulani/
http://veja.abril.com.br/230610/popup_jabulani.html

viernes, 18 de junio de 2010

La física de los tiros libres

Un buen tiro libre es absolutamente emocionante y queda en la memoria de todos, por más o menos futboleros que seamos. Si lo dudan empiecen por ver este, tirado por el hábil (entre otros atributos) David Beckham en el partido de Inglaterra contra Grecia para la clasificación al mundial Corea-Japón.


Lo primero que debemos considerar para entender la curva que hace la bola es algo que obviamos debido a la costumbre, vivimos inmersos en un mar de aire, los efectos que hace una bola, no sólo de fútbol, si no de cualquier deporte se deben a que avanza en el aire.



Los que juegan futbol saben que cuando se lanza un tiro libre la bola no se patea de frente con la punta de pie sino más bien de lado con la parte lateral del pie para que mientras que el balón avanza, a la vez, vaya rotando.



El movimiento de rotación de la pelota provoca que se desvíe su trayectoria hacia un lado u otro mientras está en el aire debido a un fenómeno conocido como fuerza de Magnus. Esta fuerza está causada por el hecho de que en el lado de una pelota en la que el aire y el movimiento de rotación van en la misma dirección, la velocidad de circulación del aire se incrementa y disminuye la presión; en el lado opuesto, disminuye la velocidad del aire y aumenta la presión.(Esto se explica por medio del principio de Bernoulli)

La fuerza y la presión están directamente relacionadas, es decir si aumenta la presión lo hace la fuerza y viceversa, así la fuerza resultante (la flecha verde en la ilustración de arriba) será en dirección de la presión mayor a la menor. La dirección de desvío de la bola será la de la fuerza de Magnus y estará relacionada con la dirección en que esta rote.









Entonces debido a este efecto es que es que la bola hace una curva cuando se lanza el tiro libre ¡el secreto está en la rotación del balón!





PERO… (¿Por qué siempre tiene que haber un pero?). Si la Fuerza de Magnus fuera la única necesaria para explicar la trayectoria del balón tendríamos una curva muy pareja y a final de cuentas predecible para bloquear y evitar el gol, bien sabemos que la curva se vuelve mucho más pronunciada a en la cercanía del marco dejando al portero en muchos casos sin posibilidad de reacción y al público celebrando eufórico…¡Nada mejor que lo inesperado!



Resulta que la fuerza de Magnus actúa en combinación con otra que no hemos tomado en cuenta, la de la resistencia del aire al paso de la bola. Podríamos pensar que es insignificante pero es responsable de lo que podríamos llamar “comportamiento caprichoso” de la bola. La resistencia del aire está relacionada con la forma y velocidad de la bola y además de características propias como su viscosidad.



Describir exactamente que sucede con la bola durante los aproximadamente 1,5 segundos que dura el vuelo del tiro libre es extremadamente difícil pero los científicos han hecho muchísimas pruebas de laboratorio como para arriesgarse a dar explicaciones satisfactorias de su trayectoria. En estos experimentos se pone la bola en túneles de viento, que, como su nombre lo dice es un túnel por el que se hace pasar un flujo controlado de aire, simulando el vuelo de la bola.



De estas investigaciones se han determinado varias cosas interesantes:



Cuando se patea la bola se genera mucho desorden en el aire que la rodea, por lo tanto la bola inicia su recorrido moviéndose en aire que está turbulento y que opone una baja resistencia al movimiento de la bola, en algún punto pasada la línea de la defensa esta resistencia al paso de la bola la logra frenar suficiente como para que el aire que la rodea se vuelva muy ordenado (fluido laminar, lo llamamos los físicos) y que opone una mayor resistencia al movimiento. Esta mayor resistencia hace que la bola se mueva cada vez más lento, por eso nos da la impresión de que esta última parte del tiro libre sucede en cámara lenta.



Sabemos que en este punto es cuando la bola hace una curva más pronunciada, esto se debe a otro descubrimiento hecho en los túneles de viento: entre más grande sea la rotación de la bola mayor será el efecto de la fuerza de Magnus, pero una bola que va avanza lento tendrá una mayor fuerza de Magnus que una que avance muy rápido y que tenga la misma rotación.



Lo que esto quiere decir es que en la última parte del recorrido donde ocurre la transición de fluido turbulento a laminar aumentando la resistencia del aire la velocidad de la bola disminuye pero continua rotando entonces la fuerza de Magnus toma un mayor valor, y por lo tanto se desvía más que en la parte anterior del recorrido. Es muy difícil para portero adivinar adonde irá a parar.





Como plato final les dejo uno de los tiros libres más famosos de la historia. Roberto Carlos, en un partido Brasil-Francia poco antes del Mundial de 1998. (Copa Confederaciones, 1997)





De más está decir que mucha de está investigación está dirigida por las compañías deportivas con el fin de crear la “bola perfecta” y cobrar mucho por ella, claro. Con el tiempo han llegado a desarrollar mejores materiales y diseños no solo para la bola, si no también para los tacos, apoyados en los estudios científicos que hacen físicos e ingenieros.





Nota: A los que les interese ahondar más en las explicaciones de la fuerza de Magnus y de la resistencia del aire al paso de la bola en flujos turbulentos y laminares (y tener acceso a ecuaciones, gráficos y demás) pueden pedírmelas por el blog o por facebook.


miércoles, 9 de junio de 2010

Física en la cocina: las microondas

 (ilustración tomada de este enlace)

¿ Te has preguntado alguna vez porqué el horno de microondas, elemento casi indispensable en las cocinas modernas, es tan eficiente calentando nuestra comida?
Las microondas
Las microondas, así como la luz visible, los rayos ultravioleta, rayos x, ondas de radio y ondas infrarrojas son ondas electromagnéticas. Este tipo de ondas transversales, como las descritas en la publicación anterior Los colores en el cielo ¿Por qué el cielo es azul?, transportan energía (no materia). A diferencia del sonido, no necesitan de un medio para propagarse, y se producen a partir de campos magnéticos cuya intensidad cambia en función del tiempo.

Recordemos que para una onda de este tipo, la distancia entre dos crestas o dos valles consecutivos se denomina longitud de onda y caracteriza a la onda. Los colores, por ejemplo, son ondas con diferentes longitudes de onda.   Algunas veces, en vez de hablar de la longitud de la onda se habla de su frecuencia.  Para un observador en un punto fijo, el tiempo transcurrido entre la observación de dos crestas o dos valles consecutivos de la onda es el periodo. El inverso del periodo (1 dividido por el periodo) es la frecuencia, que se mide en Hertz.  Para onda electromagnéticas, la frecuencia nos da una idea de que tan rápido cambian los campos eléctricos y magnéticos. A mayor frecuencia, más rápido cambian los campos. La frecuencia y la longitud de onda no son independientes una de otra, sino que se relacionan por medio de la velocidad de la onda. 
Las microondas tienen una frecuencia de 2.45 mil millones de Hz, y su longitud de onda es de 12.2 cm. Como las microondas son ondas electromagnéticas, viajan a la velocidad de la luz, aproximadamente 0.3 mil millones de km por segundo o 18 mil millones de km por hora.
Efecto sobre la molécula de agua

La mayoría de nuestra comida proviene de materia orgánica, la cual, así como nosotros mismos, está compuesta en un alto porcentaje por agua. La molécula de agua está formada por un átomo oxígeno y dos de hidrógeno y es una molécula dipolar. Esto significa que los átomos no comparten los electrones por igual. El átomo de oxígeno atrae más los electrones que los átomos de hidrógeno, por lo que podemos  pensar que se forma una región cargada negativamente a su alrededor y una carga positiva en la regiónc ercana a los hidrógenos (figura tomada de este enlace). 
Pensemos ahora en una molécula de agua en un campo eléctrico. Los campos eléctricos son la manera en que las cargas eléctricas se relacionan con su entorno. Por ejemplo, son los responsables por el hecho de que las cargas de igual signo se repelan mientras que las de signos opuestos se atraigan.  En el caso del agua, la molécula  buscará una orientación que minimice su interacción con el campo. Los campos eléctricos ejercen una fuerza sobre  el dipolo de la molécula de agua, la molécula gira hasta alcanzar una posición  en la cual el campo no ejerce más fuerza sobre ella. Vea una animación en este enlace. Si cambiamos la dirección del campo eléctrico, la molécula rotará para ajustarse a la nueva dirección.  Que tan rápido la molécula puede reaccionar a los cambios en del campo va a depender de factores tales como su tamaño y la libertad de movimiento que tenga. Para agua líquida, el tiempo requerido para la rotación de moléculas corresponde al periodo de  las microondas. Por este motivo, el efecto de las microondas es específicamente sobre las moléculas de agua en los alimentos. 
El calentamiento 
Teniendo esta información en cuenta, ¿cómo es que las microondas calientan nuestra comida?
El efecto de calentamiento por microondas se produce por la fricción entre las moléculas que rotan y el medio. La temperatura es una manifestación del movimiento aleatorio (al azar) de moléculas o partículas. El movimiento de las moléculas de agua transmite energía cinética (o energía de movimiento) a otras moléculas que empiezan a moverse aleatoriamente. Entre más energía se transfiera de las moléculas de agua al resto de las moléculas, más se mueven estas últimas y  mas aumenta la temperatura. 
Lo anterior explica también porque descongelar alimentos es más difícil que calentarlos: en su estado sólido (hielo) las moléculas de agua no pueden moverse tan fácilmente, por que el efecto de las microondas es menor.
Esta interacción entre las microondas y las moléculas de agua contenida en los alimentos explica también el hecho de que en el horno de microondas se calienta simultaneamente todo el volumen alimento, mientras que en los hornos convencionales se calientan primero las superficies y ese calor se transmite al resto del cuerpo.

miércoles, 2 de junio de 2010

Los colores en el cielo (¿Por qué el cielo es azul?)


Los colores que vemos en el cielo se deben a la manera en que interactúan la luz y la atmósfera, la cual esta formada por diferentes gases y partículas de polvo, agua, ceniza, y diferentes contaminantes. Estos componentes son suficientes para generar diferentes manifestaciones de color en el cielo.
La luz blanca
Las ondas de luz, igual que las olas del mar, tienen crestas y valles, la distancia entre dos crestas consecutivas se llama longitud de onda.
La luz blanca es la combinación de todos colores que ojo puede ver.
Al atravesar un material transparente, cada color contenido en la luz blanca se desviará un ángulo diferente, dando lugar a la separación de la luz donde podemos apreciar los colores del arco iris.
Rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta a cada uno de los cuales asociamos una onda característica. La longitud de onda de cada uno de estos colores aumenta al ir del violeta al rojo.


El cielo azul
La luz que emite el sol es luz blanca que viaja por el espacio hasta llegar a la atmósfera terrestre.
En la atmósfera, los rayos de luz interaccionan con las millones de moléculas de gas que hay en el aire, podemos pensar que “chocan” con estas y así van variando su trayectoria en zigzag a través de la atmósfera hasta que por fin llegan a nuestros ojos. Esta interacción se debe a la relación que hay entre el tamaño de las partículas atmosféricas y la longitud de onda asociada a cada color y es mayor cuanto más pequeña es la longitud de onda, por eso los rayos azules y violetas se ven más afectados que los de los otros colores.
A este proceso se llama dispersión de Rayleigh en honor al físico inglés Lord Rayleigh (1842-1919).

El es cielo azul, el sol amarillo
Cuando vemos hacia arriba la luz azul no parece venir directamente del sol, si no que vienen de todas partes del cielo. De ahí que el cielo nos parezca azul y el sol amarillo, pues los rayos amarillos y rojos son poco desviados y van casi directamente en línea recta desde el sol hasta nuestros ojos.
Vemos, que nuestro cielo azul y nuestro sol amarillo, a los que estamos tan acostumbrados, son el resultado de la dispersión de Rayleigh, pues desde el espacio, donde no hay atmósfera, el Sol se ve blanco y el cielo absolutamente negro.

En resumen:
El color azul del cielo se debe por tanto a la mayor difusión de las ondas cortas. El color del sol es amarillo-rojizo y no blanco, porque si a la luz blanca procedente del Sol -que es suma de todos los colores- se le quita el color azul, se obtiene una luz de color amarillo-roja
El color del cielo, debería ser violeta por ser ésta la longitud de onda más corta, pero no lo es, por dos razones fundamentalmente: porque la luz solar contiene más luz azul que violeta y porque el ojo humano es más sensible a la luz azul que a la violeta.
La dispersión producida por los gases es muy débil, y por eso no la notamos normalmente si por ejemplo prendemos un foco o una luz, sin embargo, cuando el espesor de gas es muy grande, como sucede en la atmósfera, fácilmente se puede observar la luz dispersada.