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Fútbol: los científicos descubren el secreto de los tiros de falta

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Lebanon, New Hampshire (Estados Unidos), Sheffield (Gran Bretagna), Wavre (Bélgica) e Yamagata (Japón) - 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".

Acerca del Grupo de Investigación Deportiva de la Universidad de Sheffield (SERG)

El SERG forma parte del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Sheffield y fue creado por el doctor Steve Haake en 1996. Desde entonces ha crecido hasta convertirse en uno de los grupos más importantes en su campo en todo el mundo. La ingeniería deportiva es una nueva disciplina que aplica principios y técnicas de ingeniería estándares a la investigación, diseño y desarrollo del equipamiento deportivo utilizado por atletas y deportistas para mejorar su rendimiento. La ingeniería deportiva está muy vinculada a la ciencia deportiva, que se ocupa más del análisis del atleta que del equipamiento, aunque existen áreas comunes de investigación en ambas disciplinas debido a la naturaleza complementaria del rendimiento deportivo. El Grupo de Investigación Deportiva de la Universidad de Sheffield posee una amplia experiencia en el análisis de deportes de pelota o lanzamiento gracias al uso de técnicas avanzadas, tanto experimentales como de modelación asistida por ordenador, y trabaja habitualmente con la Asociación Internacional de Fabricantes de Equipamiento Deportivo (ISEA) y con la red Sports SET.

Para más información sobre el SERG y sus trabajos visite http://www.shef.ac.uk/mecheng/sports, http://www.sportsetnet.org.uk o http://www.sports-engineering.co.uk.

Sobre el Laboratorio de Ciencias Deportivas de la Universidad de Yamagata

El Laboratorio de Ciencias Deportivas de la Universidad de Yamagata fue creado por el doctor Takeshi Asai en Japón. El doctor Asai tiene una experiencia considerable en el examen de las técnicas que influyen en el golpeo del balón de fútbol, por lo que ha colaborado en numerosas ocasiones con fabricantes de calzado deportivo para aplicar sus trabajos. El grupo de la Universidad de Yamagata también ha desarrollado trabajos de simulación para analizar las fuerzas que afectan a los huesos durante el golpeo del balón y la biomecánica de los jugadores de fútbol durante un partido.

Más información sobre el Laboratorio de Ciencia Deportiva de la Universidad de Yamagata en http://www.e.yamagata-u.ac.jp/~asai/index.html.

SOURCE Fluent



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