Tres grupos de investigadores han
desvelado algunos de los secretos de la trayectoria curva que
describe un balón después de ser golpeado, algo que se podrá
ver fácilmente durante el mundial de Corea y Japón de este
año.
El objetivo de los investigadores era
comprender la técnica empleada en el "arte" de marcar goles
desde posiciones de balón parado, perfeccionado por
futbolistas tan populares como Roberto Carlos, Michael Ballack
o David Beckham. Ingenieros del Grupo de Investigación
Deportiva de la Universidad de Sheffield, del Laboratorio de
Ciencias Deportivas de la Universidad de Yamagata y de Fluent
Benelux han llevado a cabo un análisis científico y técnico
fundamental para conocer este punto en particular del juego
del fútbol.
"Creemos que nuestra investigación sobre las fuerzas
físicas que actúan sobre los balones de fútbol es crucial para
ayudarnos a explicar mejor la técnica de los lanzamientos
directos", ha manifestado el doctor Matt Carré, del Grupo
de Investigación Deportiva de la Universidad de Sheffield.
"La combinación de experimentos en
túneles de viento, análisis con videocámaras de alta
velocidad, simulaciones de trayectorias y técnicas de
modelación por ordenador nos han permitido explicar lo que
sucede cuando un futbolista golpea a la pelota balón parado.
El trabajo que hemos realizado nos proporciona una mayor
comprensión de los factores que influyen en el diseño de los
balones más idóneos, especialmente los que están pensados para
un rendimiento superior en los lanzamientos a balón parado.
Además, creemos que los resultados de nuestra aproximación al
estudio de los aspectos físicos del fútbol podrán ser
aplicados a los entrenamientos y a la mejora de las técnicas
de los jóvenes futbolistas".
El doctor Keith Hanna, director de comunicación y marketing de
Fluent, ha comentado: "Cada vez que se celebra un mundial
de fútbol se habla mucho de los lanzamientos de falta, que son
muy difíciles de detener para los defensas y los porteros
debido a la trayectoria curva que describe la pelota durante
su vuelo. Durante el segundo o segundo y medio que permanece
en vuelo la pelota tras el lanzamiento de una falta, aquella
está sometida a fuerzas físicas muy complejas.
El trabajo de simulación que hemos
realizado en colaboración con las universidades de Sheffield y
Yamagata es muy importante y nos permitirá avanzar en una
nueva gama de estudios. Todavía me sorprende que jugadores de
élite como Beckham o Roberto Carlos sean capaces de hacer lo
que hacen cuando lanzan una falta bajo una presión inmensa en
partidos cruciales. Sus cerebros deben analizar cálculos de
trayectoria muy detallados en pocos segundos a partir sólo de
su instinto y de la práctica. Nuestros ordenadores necesitan
varias horas para realizar los mismos cálculos y, aunque ahora
podemos explicar mejor la ciencia subyacente en un lanzamiento
de falta directo, sigue siendo espectacular ver a estos
jugadores en acción".
Estudios en túneles de viento y simulación de trayectoria
El trabajo realizado por la Universidad de Sheffield con un
balón de fútbol en un túnel de viento ha demostrado que el
aire alrededor de la pelota pasa de un flujo laminar a un
flujo turbulento entre 8 y 10 metros por segundo, aunque
depende en gran medida de la estructura y la textura de la
superficie del balón.
Se trata de un descubrimiento muy
importante por que la resistencia experimentada por la pelota
durante su vuelo influye mucho en su trayectoria,
especialmente si la bola permanece en rotación. El movimiento
de rotación de la pelota provoca que se desvíe la trayectoria
de la misma 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 rotación 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.
Este desequilibrio en la presión produce
la aparición de la fuerza lateral de Magnus, que es muy
pronunciada al final del vuelo del balón, cuando su velocidad
es menor, y cuando se le ha aplicado mucho efecto de rotación
en el golpeo. La relación entre la fuerza de desviación
lateral y la fuerza de resistencia es la misma durante la
mayor parte de la trayectoria de la pelota, pero se altera
considerablemente cerca de la portería, cuando el flujo de
aire alrededor de la pelota deja de ser plano y se vuelve
turbulento.
El doctor Carré ha añadido: "Las pruebas en el túnel de
viento han demostrado algo que sospechábamos los científicos
desde hace mucho tiempo: que una balón de fútbol golpeado sin
efecto de rotación se enfrenta a una resistencia similar a la
de una pelota de golf y es muy distinta de la de una esfera
lisa. El punto de transición desde un flujo de aire turbulento
a plano alrededor de la pelota es esencial en los lanzamientos
directos de falta porque la resistencia experimentada por el
balón aumenta un 150% en una mínima fracción de segundo cuando
se produce la transición. Este fenómeno, unido a la fuerza
Magnus casi constante, es lo que produce la desviación lateral
de los lanzamientos de falta a medida que la pelota se acerca
a la portería. La transición desde un flujo turbulento a otro
plano también está relacionada con la intensidad de la
rotación y con el dibujo de la superficie del balón. Cuando la
velocidad de rotación es muy alta, la transición del flujo de
aire se produce más rápidamente".
El doctor Carré también ha explicado que la técnica que ha
desarrollado en Sheffiel ha permitido a su grupo analizar en
detalle el gol espectacular que marcó David Beckham en el
partido de clasificación para el mundial de Corea y Japón
disputado entre Inglaterra y Grecia. Beckham golpeó hacia la
izquierda con su pierna derecha a una velocidad de
aproximadamente 36 metros por segundo desde 27 metros, con una
rotación considerable y casi medio metro por encima de la
barrera defensiva.
El balón elevó por encima de la altura del
travesaño durante su vuelo y se desvió lateralmente
aproximadamente tres metros debido al fuerte efecto empleado,
antes de que redujera repentinamente su velocidad a 19 metros
por segundo y cayera en la portería entrando justo por la
escuadra. "Casi con total seguridad el flujo de aire
alrededor de la pelota pasó de turbulento a plano varios
metros antes de llegar a la portería", señala el doctor
Carré. "De no haber sido así, nuestros cálculos sugieren
que el balón habría pasado por encima del travesaño. Beckham
aplicó varias fuerzas físicas muy complejas a su lanzamiento".
Estudio de dinámica de fluidos por ordenador
Las simulaciones de dinámica de fluidos por ordenador para
complementar los estudios del túnel de viento fueron llevadas
a cabo por Joeri Wilms, de Fluent Benelux, que utilizó el
mismo modelo empleado en los análisis experimentales. Su
trabajó se ajustó bastante a los resultados de los análisis
experimentales pero se extendió a áreas en las que el túnel de
viento no es aplicable, además de proporcionar explicaciones
detalladas sobre el fenómeno del flujo de aire.
Por ejemplo, descubrió que a bajas
velocidades y sin efecto de rotación se puede observar una
gran separación de flujos en la pelota. A medida que
incrementa la velocidad del aire, la separación entre los
flujos es menor. Esta separación también se manifestó
lateralmente a medida que se aplicaba efecto de rotación a la
pelota.
El estudio de dinámica de fluidos por
ordenador permitió derivar fácilmente equilibrios de fuerzas
que fueron aplicados después a un modelo de visualización de
la trayectoria de un lanzamiento directo de falta. Wilms ha
confirmado que el dibujo de la superficie del balón provoca
que el aire alrededor del mismo circule por la superficie y
que, dependiendo de la orientación de la pelota respecto al
flujo de aire y de la pauta seguida por los gajos de la
superficie del balón, las separaciones en los flujos de aire
que afectan a la pelota fueron muy diferentes y complejos.
Simulaciones de golpeo del balón
El doctor Takeshi Asai y su grupo de investigadores japoneses
han desarrollado técnicas para analizar grabaciones con
videocámaras de alta velocidad de futbolistas golpeando un
balón. Su objetivo en particular ha sido examinar hasta que
punto se deforman la pelota y el pie del futbolista cuando
impactan. Se trata de un estudio fundamental para comprender y
predecir el movimiento posterior de la pelota en el aire.
La simulación por ordenador de las
deformaciones estructurales involucradas en el golpeo del
balón han permitido al doctor Asai y su grupo predecir la
cantidad de efecto de rotación que puede transmitir un jugador
al balón a una velocidad de impacto, un ángulo de golpeo y un
punto de contacto determinados. Esto ha permitido a este
equipo de científicos deducir el lugar exacto donde debe ser
golpeado un balón para transmitirle el efecto de rotación más
óptimo en los lanzamientos de falta.
Los científicos de la Universidad de
Yamagata han demostrado que si se golpea un balón de fútbol a
unos 80 milímetros aproximadamente del centro de la esfera, la
pelota adquiere casi el doble de efecto (8 revoluciones por
segundo) que si se golpea en un área de 40 milímetros
alrededor del centro esférico (4 revoluciones por segundo).
Además, en un día de lluvía o de alta humedad, en el que el
coeficiente de fricción entre la bota del futbolista y el
balón es menor, la cantidad de efecto de rotación inducida a
la pelota puede disminuir casi un tercio en comparación con un
día seco.
El doctor Asai ha comentado: "Creo que las técnicas de
modelación por ordenador empleadas por mi equipo de
investigadores nos ayudarán a diseñar un mejor calzado
deportivo para futbolistas a corto plazo y explicar cómo se
deforman y de qué manera interactúa la bota del jugador con el
balón. Esto tiene implicaciones muy importantes para las
técnicas de golpeo y para prevenir lesiones en los pies. El
trabajo en colaboración con Fluent y la Universidad de
Sheffield ha supuesto un complemento a la experiencia y
posibilidades individuales de cada una de nuestras
organizaciones para alcanzar un mejor conocimiento de la
ciencia del fútbol. Con este motivo presentaremos un informe
completo en la IV Conferencia Internacional sobre Ingeniería
Deportiva de Kyoto a finales de este año".
El doctor Hanna ha concluido: "Creo que el esfuerzo de
colaboración que hemos aplicado en esta investigación podría
llevarse a la práctica en las técnicas de golpeo para los
lanzamientos directos de falta fuera del área de penalti. Los
jugadores jóvenes podrán ser entrenados para reproducir las
mejores técnicas de golpeo. Además, el trabajo del doctor Asai
puede ser incluso más importante al permitir determinar la
forma y tamaño más óptimos del calzado deportivo para lograr
mejores resultados en los lanzamientos de falta. Tenemos por
delante un trabajo realmente interesante en este sentido".
Para más información sobre el SERG y sus trabajos:
Sobre el Laboratorio de Ciencias
Deportivas de la Universidad de Yamagata
sábado mayo 24, 2014