aerodinámica del béisbol
(Vox Populi de la Ciencia, Radio Bemba)
2 de marzo de 2011
En esta ocasión presentaremos las consideraciones y las conclusiones hechas por Edmund Meyer y John Bohn, dos físicos que trabajan para el Departamento de Física de la Universidad de Colorado y para el Instituto JILA, que pertenece simultáneamente al Instituto Nacional de Tecnología y Estándares (NIST por sus siglas en Inglés) y a la Universidad de Colorado. Estos autores publicaron, en noviembre de 2008, en la revista científica American Journal of Physics, un artículo intitulado “Influencia de la humedad sobre la aerodinámica del beisbol”.
La pelota de béisbol y el campo de juego.
Los investigadores explican que el juego del béisbol está muy influenciado por la aerodinámica de la pelota que se usa para jugar. Ésta tiene un diámetro de cuando menos 7.16 centímetros y cuando mucho 7.64 centímetros. Su masa es de 142 gramos y tiene un centro que puede ser de corcho, de caucho, o de una combinación de ambos. Se le enrolla un hilo y se le agrega una cubierta de piel de dos piezas cocidas con hilo rojo de algodón encerado, con un total de 108 costuras. El color rojo de las costuras, forma parte de una tradición en el béisbol.
En el terreno de juego las bases se encuentran separadas 27 metros con 40 centímetros, la distancia del pitcher al home, donde se encuentra el bateador, es de 18 metros con 39 centímetros. La barda que deben rebasar los bateadores para que sea decretado un homerun se coloca a una distancia que puede variar desde un mínimo de 90 metros hasta un máximo de 155 metros. En el caso del Estadio Coors Field, donde juega el equipo de los Rockies de Colorado, que es la razón del estudio que estamos tratando, la barda en el jardín izquierdo está a 118 metros, en el jardín central se encuentra a 122 metros y en el jardín derecho se ubica a 97.5 metros del home. La altura de la barda es de 2 metros en el jardín izquierdo, de 3 metros en el jardín central y de 6.5 metros en el jardín derecho. Allí juega el equipo de Denver Colorado, que participa en la Liga Nacional de las Ligas Mayores de los Estados Unidos.
Las razones del estudio de Meyer y Bohn
La razón de ser del estudio de Meyer y Bohn es que la Ciudad de Denver se encuentra a mil 600 metros de altura sobre el nivel del mar, el aire tiene menor densidad allí y un homerun que al nivel del mar puede llegar hasta 122 metros de distancia, puede viajar 6 metros y 10 centímetros más lejos en Denver.
El equipo de Denver, llamado Colorado Rockies, empezó a jugar en la división Oeste de la Liga Nacional, pero hubo mucha oposición a que este club fuera incluido porque el estadio Coors Field, que es la sede del equipo, ofrece ventajas para los bateadores, impactando en su favor en el número de homeruns conectados, de hits pegados, y por consecuencia, en el promedio de bateo.
En el año 2002, la organización del equipo Rockies de Colorado intentó calmar las críticas estableciendo un sistema en el que las pelotas que se usan para jugar en su estadio son mantenidas en un ambiente de humedad controlada que conserva una temperatura de 21.1 grados Celsius y una humedad de 50%, según la definición establecida en la meteorología. Previamente se aseguraron de que la empresa que las fabrica, Rawling, admite que esas especificaciones son apropiadas.
A raíz de la medida anterior:
El promedio del número de carreras anotadas por el equipo Rockies de Colorado en su estadio disminuyó de 6.14 a 5.34 por juego.
El promedio del número de carreras anotadas por los equipos visitantes en el estadio de Denver descendió de 6.50 a 5.46 por juego.
El promedio del número de homeruns anotados por juego por el equipo Rockies de Colorado en su estadio bajó de 1.595 a 1.26.
En lo referente a los batazos muy largos, en el sentido de que la pelota se acercó a la barda con la posibilidad de ser homerun, el número de metros promedio que viajó la pelota en el estadio de Denver, cambió de 98 metros con 51.5 centímetros a 96 metros con 99 centímetros.
La disminución en 1 metro con 52.5 centímetros es muy importante porque resulta suficiente para que posibles homerunes dejen de serlo.
Las mediciones y los análisis de Meyer y Bohn.
Los autores decidieron estudiar las propiedades de pelotas de béisbol iguales pero que tenían como única diferencia la de haber sido guardadas a humedad relativa de 32%, 56% y 74%.
¿Pero qué es la humedad relativa?
La humedad relativa es la misma que los meteorólogos llaman humedad ambiental y para explicar qué es necesitamos mencionar primero que un gas cualquiera, como aire, oxígeno o dióxido de carbono, guardados en un recipiente, tienen tres propiedades físicas básicas, que son: la temperatura, la presión y el volumen. Si consideramos el aire libre en la atmósfera, sin cambiar la temperatura ni la presión, podemos estudiar otra propiedad física: su contenido de vapor de agua.
En un recipiente controlado es posible aumentar la cantidad de vapor de agua cuidando de no modificar ni la presión, ni la temperatura y detenerse en el momento en que se empiezan a formar gotas de agua en las paredes del recipiente. Entonces se dice que la humedad es de 100%.
El proceso anterior permite saber cuánto vapor de agua se puede agregar antes de que se inicie la condensación, es decir, la formación de gotas de agua en las paredes del recipiente.
Si el aire del recipiente contiene la mitad de esa cantidad de vapor de agua, se dice que la humedad relativa es de 50%, si contiene únicamente la cuarta parte, se dice que la humedad relativa es de 25%, y así sucesivamente.
Meyer y Bohn guardaron un conjunto de pelotas de béisbol a una humedad relativa de 32% durante 2 meses, después sacaron del recipiente dos conjuntos de bolas para colocar uno de ellos en un recipiente a 50% de humedad relativa y el otro a 74%.
Para cada uno de los conjuntos de pelotas midieron los cambios que habían sufrido en sus diámetros y en sus masas (o pesos en el lenguaje coloquial), encontrando que la pelota seca tiene un diámetro que es 0.24% más pequeño que el de la pelota más húmeda y que su masa (o peso) es 1.6% más liviana que la más húmeda.
Aquí recurriremos a la palabra peso como sinónimo de masa solamente para darnos a entender con el lenguaje que se encuentra más cerca de la costumbre de la población, pero cabe agregar que en un programa futuro explicaremos con detalle que en términos científicos no es lo mismo masa que peso.
Traducido de porcentajes a números, la modificación en el diámetro significa lo siguiente:
Una pelota de béisbol que tenga 7.17 centímetros de diámetro, cambiará a 7.16 centímetros de diámetro.
El cambio anterior en el radio significa que el área que la pelota más húmeda presenta al aire para recibir fricción, es de 40.45 centímetros cuadrados, contra 40.26 centímetros cuadrados de la pelota más seca.
Esta pequeña diferencia significa que la fuerza de fricción en la pelota más húmeda aumenta en un poco menos del medio por ciento. Para ser precisos: la fricción crece 0.46%.
Traduciendo a números, el cambio en la masa (o peso) significa que si la pelota más seca pesa 142 gramos, la más húmeda tendrá 2.27 gramos más, lo cual indica que el bateador se enfrenta a una pelota ligeramente más pesada.
El estudio téorico de Meyer y Bohn.
Los dos investigadores usaron las leyes de la física para estudiar las trayectorias de esta clase de pelotas con dimensiones y pesos diferentes. En ella se incluye la fuerza de fricción, que depende de:
la densidad del aire,
de un número que se llama coeficiente de fricción,
del área que presentan la pelotas al aire cuando vuelan y
del cuadrado de la velocidad con que la pelota viaja, es decir, la magnitud de la velocidad multiplicada por si misma.
Meyer y Bohn estudiaron las aceleraciones, velocidades y distancias de vuelo de las pelotas cuando son lanzadas y cuando son bateadas, encontrando conclusiones aparentemente contradictorias:
1. Las pelotas secas que son lanzadas para que realicen un movimiento curvo producen una curva más pronunciada, lo que en el lenguaje cotidiano del béisbol le llaman: una curva que quiebra más.
2. En cambio, los pitchers y los bateadores reportan que la pelota húmeda produce una curva más pronunciada.
3. Meyer y Bohn concluyen que el hecho anterior no se debe a la aerodinámica de la pelota en vuelo, sino a otra experiencia de los pitchers: que la pelota húmeda es más fácil de asir más fuertemente que la seca, logrando con ello más eficiencia para imprimirle el giro necesario para que se realice la curvatura que se busca para engañar al bateador. Para quienes no tienen la costumbre de usar la palabra asir, agregamos que significa: tomar, coger o agarrar.
4. Meyer y Bohn afirman que la pelota húmeda debería viajar 60 centímetros más, pero que a esto hay que agregarle un efecto contrario: que es el aumento del coeficiente de fricción en la pelota húmeda, lo cual da por consecuencia una disminución de 1 metro con 80 centímetros en la distancia recorrida.
5. Por lo tanto, el efecto combinado de suma y resta produce que la pelota viaje 1 metro con 20 centímetros menos, lo cual se acerca al resultado estadístico que ha dado como resultado una disminución del vuelo de la pelota de 1 metro con 52.5 centímetros.
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