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.