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 (http://www.youtube.com/watch?v=t0GESlaVNdE ), lanzado 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 a través de él.

Quienes juegan futbol saben que cuando se lanza un tiro libre no se patea de frente sino más bien de lado, con la parte lateral del pie, para darle rotación a la bola, como queda muy claro en los últimos 10 segundos de video de este tiro ejecutado por Messi: (https://www.youtube.com/watch?v=Ui1DdvyAH6A ).

 Mientras la bola avanza en el aire está girando lo que crea diferencias en la velocidad del viento a los lados del balón. Es ese movimiento de rotación el responsable curvar la trayectoria de la bola. El lado en que la rotación y la dirección del aire son las mismas la velocidad del viento aumenta respecto al otro, en que la dirección de rotación y el aire son opuestas. Este fenómeno es conocido como efecto de Magnus.

En los puntos donde la velocidad del aire es menor su presión aumenta (Principio de Bernoulli). La presión y la fuerza ejercida sobre la bola están directamente relacionadas, si aumenta la presión lo hace la fuerza. Así la fuerza resultante 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 su dirección de rotación.

                                                             

PERO… (¡Siempre tiene que haber un pero!). Si la Fuerza de Magnus fuera la única necesaria para explicar la desviación de la bola, la curva dibujada sería muy regular y predecible. Sabemos que la curva cambia y se vuelve mucho más pronunciada en la cercanía del marco dejando al portero, en muchos casos, sin posibilidad de reacción y al público celebrando eufórico.

La fuerza de Magnus actúa en combinación con otra que, hasta el momento, no hemos tomado en cuenta, la resistencia del aire al paso de la bola. Podríamos pensar que es insignificante pero es responsable de lo que podríamos llamar “comportamiento caprichoso” del balón. La resistencia del aire está relacionada con la forma, el tipo de superficie 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. En estos experimentos se usan túneles de viento, que, como su nombre lo dice son túneles por los que se hace pasar un flujo controlado de aire, simulando el vuelo de la bola. Para conocer la trayectoria del viento se hacen pasar líneas de humo.

                                

 La resistencia del aire y la turbulencia dejada a su paso dependen de la superficie de la bola, en las fotografías de los túneles de viento se puede ver

como el efecto es mucho mayor para una bola de tenis que para una lisa bola de bolos. En ambos casos las bolas se trasladan sin rotar.

Veamos el efecto de la rotación de la bola:

                                   

Cuando la bola rota desvía el aire y se ve empujada en dirección opuesta por la fuerza de Magnus.

(Es decir, si quieren profundizar más, la fuerza de Magnus puede ser explicada por Tercera Ley de Newton). Las imágenes fueron tomadas de este link dedicado a la física del tenis.

 De estas investigaciones en los túneles se han determinado varias cosas interesantes:

Cuando se patea la bola se genera mucho desorden en el aire que la rodea, por lo que inicia su camino moviéndose en aire turbulento que opone una baja resistencia, en algún punto del recorrido, pasada la línea de la defensa, esta resistencia logra frenar la bola lo suficiente como para que el aire que la rodea se torne ordenado (flujo laminar, se llama en física) y oponga una mayor resistencia al movimiento. Esta mayor resistencia hace que la traslación de la bola sea cada vez más lenta. Debido a esto nos da la impresión de que esta última parte del tiro libre sucede en “cámara lenta”.

En esta parte del recorrido donde la transición de flujo turbulento a laminar aumenta la resistencia del aire, la velocidad de traslación de la bola disminuye pero continúa rotando, por lo que efecto de la fuerza de Magnus se vuelve más importante. Ahí es cuando la bola hace una curva más pronunciada

El domino del “tiro libre perfecto” requiere, como casi todo en la vida, de muchísima práctica ya que tanto la fuerza de Magnus como el arrastre del balón van cambiando a lo largo de la trayectoria de la bola. A eso se debe la magia de esta jugada, es prácticamente impredecible, excepto para quien la hace.

Como plato final les dejo uno de los tiradores más famosos de la historia. Roberto Carlos, con par de jugadas memorables, una en el partido Brasil-Francia poco antes del Mundial de 1998, la segunda que se conoce como “el gol imposible”.

http://www.youtube.com/watch?annotation_id=annotation_924465&feature=iv&src_vid=fOmqDOi4DH0&v=6Lv2rjtBwVw

¿Qué es el sonido?

No sé si los niños de hoy aún lo hacen. Si no… ¡de lo que se pierden! El teléfono de cordel y vasos plásticos fue una de esas tareas escolares que me marcó (sí, nada como tener un alma sencilla). Podría pensarse que mi naturaleza de niña nerd me hacía especialmente proclive a ese tipo de proyectos que a pocos interesan pero, ojalá que la memoria no me engañe, recuerdo que fue una de esas tareas que logró enganchar al grupo entero.

Lo que no logro recordar es que me dijeran la razón por la que funcionaba. ¿Cómo podía un susurro llegar de forma clara al otro lado? No estoy diciendo que la maestra no lo explicara (no vaya a decir la Niña Flory que le levanto falsos), es más, es muy posible que lo hiciera y que nosotros estuviéramos muy ocupados diciendo secretos por nuestros nuevos teléfonos. Para entender el funcionamiento de estos telefonitos de pasamanería vale la pena entender primero qué es el sonido.

El sonido es una vibración, una onda, para ser más exacta se le clasifica como una onda mecánica. Su principal característica es que necesita de un medio material para propagarse. ¿Qué quiero decir? Por ejemplo en el espacio exterior en que, para efectos prácticos no hay materia, no se escucha sonido alguno. Ya sé que con eso arruino buena parte de las películas con batallas intergalácticas, así que solo por emoción dela Guerra de las Galaxias, de Viaje a las Estrellas y hasta de Futurama les permitiremos ruidosas explosiones, pero rigurosamente sin materia para propagarse no hay sonido.

Nuestra vida se desarrolla en la superficie de la tierra donde tenemos atmósfera, así que para nosotros el medio más usual de propagación del sonido es el aire. Si de alguna manera yo lo perturbo (con una palmada, con la cuerda de una guitarra o con mi voz, por poner algunos ejemplos) se genera una vibración en las moléculas que lo forman. Esta vibración es básicamente una compresión de las moléculas del aire que se va propagando hasta llegar al oído. Para imaginarlo (sé que es difícil imaginar aire comprimiéndose siendo él tan transparente) podemos visualizarlo como la compresión de un resorte.

(a)                                                                                

  (b)                                                                               

Figura 1.Este tipo de vibración se llama onda mecánica longitudinal, el movimiento de las moléculas en el medio tiene la misma dirección que la de propagación de la onda.

(a) El caso del resorte. (b) El sonido propagándose en el aire.

En general (no solo para las ondas de sonido) al propagar una perturbación no se traslada la materia, las moléculas del medio únicamente vibran con respecto a su punto de equilibrio al que vuelven finalmente. Las ondas permiten llevar energía de un punto a otro sin trasladar materia.

El oído es el órgano que se encarga de decodificar la onda sonora que se propaga por el aire, para eso tiene partes específicas que la captan y vibran con ella. Esta vibración se transmite al cerebro por medio de impulsos nerviosos. Es decir, la audición se da en el oído pero los sonidos se crean en el cerebro. Es claro que estoy simplificando infinitamente el proceso de audición, creo que es necesario dedicarle un artículo en una próxima columna.

El sonido se mueve en el aire a una velocidad un poco mayor a los 340 m/s (1220 km/h). Pero el aire no es el único medio en que puede viajar el sonido. También lo hace, como algunos han podido notarlo, en el agua e inclusive en materiales sólidos, el mecanismo de propagación es el mismo, hacer vibrar las moléculas que forman el medio.

Así, finalmente, podemos explicar cómo funcionaba nuestro teléfono de vaso plástico y cordel: al hablar, con nuestras cuerdas vocales generamos ondas sonoras en el aire que hacen vibrar el vasito plástico que se acerca a la boca. Es fundamental que el cordel esté bien tenso (sabemos que si no el teléfono no funciona), solo así la vibración del vaso pasará por el cordel hasta llegar al vaso del otro extremo que, a su vez, hará vibrar el aire dentro de él, el receptor tiene su oído cerca por lo que escuchará, de forma inconfundible, la voz de la otra persona como si hablara justo a su lado.

Es impresionante como un juguete tan simple puede hacernos entender físicamente qué es el sonido. No debemos olvidar que en lo sencillo está la respuesta a mucho de lo que nos preguntamos, no en vano decía mi querida Libertad: “¡A ver! ¡Sé simple!”