(Vox Populi de la Ciencia)
9 de febrero de 2011
En esta ocasión abordaremos el caso del vuelo del balón de fútbol americano. La razón es que el domingo 6 de febrero de 2011 se realizó el Supertazón en los Estados Unidos, un juego de futbol americano que enfrenta a los equipos campeones de dos ligas distintas del juego nacional de ese país. Se trata de un deporte de conjunto en el que se enfrentan dos equipos, fue inventado hace más de cien años y en cada equipo participan once jugadores que pueden ser intercambiables.
Todas las acciones se realizan en un rectángulo de 109 metros y 70 centímetros de largo, por 48 metros con 80 centímetros de ancho. El juego se realiza en cuatro etapas de 15 minutos cada una y reciben el nombre de: primero, segundo, tercer y cuarto cuarto.
El balón tiene forma de un esferoide y es similar al elipsoide que se estudia en geometría. Este último es una figura tridimensional que se obtiene cuando se traza una elipse en una hoja y enseguida se pone a girar en torno a su eje mayor. La diferencia entre el balón del futbol americano y el elipsoide es que el balón es de puntas más agudas.
Los lados más largos del rectángulo se llaman bandas y cuando un jugador cruza una de ellas se encuentra fuera del juego, lo mismo ocurre si quien lo hace es el portador el balón, de modo que allí se determina la suspensión de la jugada. Los lados más cortos del rectángulo son las metas a alcanzar, de modo que el equipo que porta el balón es el atacante y trata de avanzar hacia el lado corto del rectángulo que es defendido por el equipo contrario.
Cuando atacan, tienen derecho a hacer solamente un pase, después del cual pueden correr mientras no sean derribados. El receptor del balón está obligado a recibirlo sin que se le caiga, pues de lo contrario se declara nula la jugada y es necesario retroceder al punto inicial. El equipo atacante está obligado a avanzar cuando menos diez yardas, que son nueve metros con catorce centímetros, en tres intentos, si no lo logra, el balón pasa al equipo contrario.
Un equipo puede lograr 6 puntos cuando uno de sus jugadores rebasa la línea que defienden los contrarios, pero debe llevar el balón en su poder, también es posible que el repartidor de juego, llamado en español mariscal de campo, le haga un pase de balón y logre recibirlo del otro lado de la línea mencionada. Además, hay tres modalidades con 1, 2 o 3 puntos, reglamentadas de diversas formas.
Albert Barlett, del Departamento de Física de la Universidad de Boulder Colorad, publicó en septiembre de 2005 un artículo en la revista de difusión de la física que se llama Physics Teacher, que podemos traducir como: Maestro de Física, su artículo se intitula: “Televisión, fútbol, y física: experimentos en cinemática”, allí explicó que a partir de las imágenes de los juegos televisados era posible hacer varias mediciones del movimiento del balón:
Reportó que en un pase del mariscal de campo a un receptor, en el cual el balón puede viajar once metros, el tiempo transcurrido son 7 décimas de segundo, con lo cual la rapidez del balón llega hasta 16 metros por segundo, lo cual es 60% más rápido que le máxima velocidad alcanzada por un corredor de cien metros.
Diagrama del aparato presentado por los autores en su artículo:
Midió también que durante un gol de campo en el cual el balón vuela 50 metros, transcurren 2.8 segundos y la rapidez del balón llega a ser de 23 metros por segundo.
A su vez, cuando se da una patada al balón, en una jugada que recibe el nombre de patada de salida, el vuelo puede ser de 54 metros y la velocidad puede ser de 24 metros por segundo.
Fuente: Albert Barlett, Television, football, and physics: Experiments in kinematics, Physics Teacher, volumen 43, septiembre 2005, pag. 393.
Por su parte, Robert G. Watts y Gary Moore
, del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Tulane, en Nueva Orleans, Lousiana, publicó en la revista American Journal of Physics, en el año 2003, un artículo intitulado “Fuerza de fricción sobre los balones de fútbol americano”. Su propósito fue medir de qué magnitud es la fricción en estos balones.
Fuente. Robert G. Watts y Gary Moore, The drag force on an American football, American Journal of Physics, volumen 71, agosto 2003, p. 791-793.
El objetivo principal de Watts y Moore fue medir la fuerza de fricción de los balones de fútbol americano en un túnel de viento del Laboratorio de Dinámica de Fluidos del Departamento de Ingeniería Mecánica en que ellos trabajan. Para ese fin diseñaron un sistema en el que tuvieron que adecuar el tamaño del balón, conservando la forma, pero reduciéndolo de tamaño para adecuarlo a la anchura del túnel de viento, que tiene 38 centímetros por lado. Lo que querían era evitar la influencia de las paredes del túnel sobre el aire que pasaba por los lados del balón.
Watts y Moore usaron una expresión matemática que establece que la fuerza de fricción es igual a una constante que se llama coeficiente de fricción, por el área que presenta el objeto contra el viento, por el cuadrado de la velocidad relativa entre el viento y la superficie del balón, es decir, lo importante no es si el que se mueve es el balón, o el viento que es movido por un enorme abanico. Lo importante es la existencia de una velocidad entre ambos.
Enseguida realizaron una operación algebraica que en bachillerato le llaman despejar la constante de fricción, para poderla calcular mediante la medición de la fuerza.
Tomaron en cuenta que la velocidad promedio a la que es lanzado el balón es de 20 metros por segundo, con un giro sobre su eje que alcanza una rapidez de 600 giros por minuto.
Colgaron de la parte superior del túnel de viento dos rayos de bicicleta que podían girar si se les aplicaba una fuerza y colgaron enmedio de ellos el balón, pero unido a los ratos de bicicleta con sendas ruedas que los mecánicos en México llaman baleros.
Los baleros tenían la función de facilitar el giro del balón de manera similar a lo que logran hacer quienes saben lanzarlo.
Si consideramos que el viento podría soplar desde el lado izquierdo de la cámara de video que tomaba las escenas, podemos explicar que en el lado derecho del balón colocaron un pequeño motor cuyo papel fue el de hacerlo girar en torno a su eje más largo para simular el hecho que ocurre cuando el mariscal de campo lo lanza hacia un compañero de juego.
El descubrimiento que ellos hicieron es que la fuerza de fricción siempre disminuye cuando el balón está rotando, lo cual se podía notar porque al apagar el motor eléctrico dicha fuerza aumentaba.
Watts y Moore lograron demostrar que cuando el balón viaja a 2.8 metros por segundo la fricción disminuye en 73%, es decir, se reduce a casi la cuarta parte del valor que alcanza cuando no gira.
En cambio, a velocidades de 22.7 metros por segundo, que son las típicas de los mariscales de campo profesionales, la fricción disminuye solamente en 7.9%.
Watts y Moore piensan que el giro del balón, que es de pared rugosa, separa a las moléculas del viento ligeramente, consiguiendo que disminuya su capacidad para frenar el avance del balón en vuelo. Sin embargo, sus mediciones solamente permiten especular que esa podría ser la razón, de modo que la respuesta precisa no se encuentra en su artículo.
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