Cada deporte tiene su propia versión de la curva, una trayectoria que se dobla en la dirección opuesta a la pelota. Solo sucede cuando la pelota gira y avanza al mismo tiempo, un fenómeno llamado efecto Magnus. Pero el efecto Magnus es un poco una curva física en sí misma, que se basa en la física de la turbulencia para hacer su magia.
El principio de Bernoulli
El aire y el agua son fluidos, lo que significa que tienen la capacidad de correr alrededor de varios objetos y permitir que los objetos se muevan a través de ellos. Los fluidos se mueven en caminos distintos llamados líneas de corriente, que representan la dirección y la forma del fluido a medida que se mueve alrededor de un objeto. Los investigadores han realizado amplios estudios para comprender el flujo de fluidos y uno de los conceptos clave que surgieron de esta investigación es el principio de Bernoulli.
El principio de Bernoulli
El principio de Bernoulli es una relación matemática entre la presión y la velocidad de un fluido. Solo se aplica cuando las propiedades del fluido se mantienen constantes, como en el caso de aguas tranquilas. Para comprender mejor este principio, puedes realizar un experimento simple con una hoja de papel. Sostén el papel por los bordes con los dedos, permitiendo que la mayor parte de la hoja cuelgue libremente. Sople aire suavemente sobre la parte superior del papel y observará que el papel se eleva y permanece derecho mientras continúe soplando aire sobre él. Este fenómeno ocurre porque la presión del aire debajo del papel es más alta y el aire está relativamente quieto, mientras que el aire sobre el papel se mueve con mayor velocidad y tiene una presión más baja.
Cuando un objeto tiene una forma curva, puede seguir efectivamente los contornos de las líneas de corriente. Esto provoca un gradiente de presión, que a su vez genera una fuerza que redirige el objeto. Por ejemplo, las alas de un avión tienen superficies aerodinámicas curvadas en la parte superior. Como resultado, el gradiente de presión produce una fuerza de sustentación que ayuda al avión a despegar y mantener la altitud. El principio de Bernoulli se puede aplicar a varios tipos de flujo de fluidos y puede parecer contradictorio, pero la idea central es que dentro de un flujo horizontal de fluidos, los puntos de mayor velocidad del fluido tendrán menos presión que los puntos de menor velocidad del fluido.
El principio de Bernoulli es aplicable a una variedad de escenarios de flujo de fluidos. Aunque al principio pueda parecer contradictorio, su concepto central es que dentro de un flujo horizontal de fluido, las áreas con una velocidad de fluido más rápida tendrán una presión más baja en comparación con las áreas con una velocidad de fluido más lenta. Este principio ayuda a explicar varios fenómenos de dinámica de fluidos en la naturaleza y la ingeniería. También se relaciona con nuestra atracción principal: el Efecto Magnus.
Capa límite
Cada vez que una forma se sumerge en un fluido, hay una capa delgada que la rodea llamada capa límite. Divide el flujo y el aire se ralentiza cerca de la superficie del objeto.
La capa límite puede ser laminar cuando el flujo es muy tranquilo, como ajustar el flujo de un grifo a una presión mínima. O puede ser una capa límite turbulenta cuando la velocidad del fluido es alta, por lo que el agua del grifo cae caóticamente y hay gotas fuera del camino recto del flujo.
Cuando el flujo de fluido es muy suave (como un grifo con una presión de agua mínima), la capa límite puede ser laminar. Esto significa que fluye suave y consistentemente. Por otro lado, cuando la velocidad del fluido es alta, la capa límite puede volverse turbulenta. En este caso, el agua del grifo cae de manera errática y las gotas pueden desviarse del camino recto del flujo principal. Aquí es donde el efecto Magnus comienza a tomar forma.
Fuerza Magnus
Para un objeto circular que gira alrededor de su eje, el flujo de fluido puede alterar significativamente su trayectoria. Gustav Magnus explicó la idea a través de un experimento en 1892. Puso un cilindro unido a su eje y dirigió una corriente de aire hacia él. Al mismo tiempo que el cilindro gira, la corriente redirige el objeto en una trayectoria opuesta a su propio giro. El fenómeno es el efecto Magnus.
Un cilindro que gira en el sentido de las agujas del reloj se empuja en la dirección opuesta, como en la figura, sube. Por el contrario, un movimiento en sentido contrario a las agujas del reloj empujaría el cilindro hacia abajo. Este empuje es conducido por la fuerza de Magnus.
Hay un gradiente de presión que forma esta fuerza, pero no es lo mismo que el principio de Bernoulli. En este caso, la turbulencia es relevante para el fenómeno. En el experimento con papel, como el aire fluye alrededor del papel en un flujo laminar, no hay manera de formar regiones donde la turbulencia sea significativa. Para cilindros o esferas, el espacio detrás del flujo de aire forma pequeños vórtices en la capa límite turbulenta.
La asimetría en la capa límite es la causa de la diferencia de presión. La presión es más baja donde se forman los vórtices, lo que hace que el flujo fluya justo debajo de la bola y la obligue a doblar su camino.
El tiro banana
El efecto Magnus aparece bastante en la vida real. Incluso aparece en los deportes, lo creas o no.
Los jugadores de fútbol habilidosos utilizan el efecto Magnus a su favor para curvar los tiros libres. Esto es útil cuando hay un muro de jugadores frente a la portería. El balón sorteará la pared y llegará a la portería.
En 1997, Roberto Carlos, ex futbolista brasileño, ejecutó esta patada en un partido contra Francia. La portería recibió el sobrenombre de “tiro banana” debido a su forma curva. La velocidad es crucial, de lo contrario no se formaría un flujo turbulento en la capa límite de la pelota. La velocidad del disparo superó los 100 kilómetros por hora.
Además de la velocidad, también es importante el tiempo empleado en interactuar con el aire para que se forme la capa turbulenta. El balón estaba a unos 35 metros de la portería. Si el punto de tiro libre estaba demasiado cerca, la fuerza de Magnus no empujaría el balón. Si estaba demasiado lejos, la patada no sería lo suficientemente fuerte para llegar a la portería. La distancia tenía que ser la correcta, y lo era.
Pero la distancia no es suficiente. También tienes que patear la pelota de la manera correcta. Esto significa patear la pelota con la parte exterior del pie, lo que ayudó a que la pelota girara en sentido contrario a las agujas del reloj. Utilizando la física y el efecto Magnus, Roberto Carlos anotó uno de los mejores goles de la historia.
El efecto Magnus a menudo aparece en deportes que involucran pelotas giratorias, como el fútbol, el golf, el baloncesto, el tenis, el béisbol, el voleibol, el tenis de mesa y el cricket. Sin embargo, este efecto juega un papel en más áreas además de los de deportes. Por ejemplo, puede ser importante en balística y, por supuesto, en aviación y navegación. Se han construido algunos aviones para usar el efecto Magnus para crear sustentación con un cilindro giratorio en lugar de un ala, pero el diseño no resultó exitoso.
En última instancia, el efecto Magnus es un concepto fascinante en el campo de la dinámica de fluidos, con implicaciones de gran alcance en varios aspectos de nuestras vidas. Desde deportes como el fútbol y el tenis, donde los jugadores manipulan el giro de la pelota para crear trayectorias inesperadas, hasta la industria aeroespacial, donde los ingenieros aplican el efecto Magnus para diseñar superficies aerodinámicas y alerones avanzados, este fenómeno sigue desempeñando un papel importante en nuestra comprensión de mecánica de fluidos. Después de todo, no todos los días aparece un efecto en el fútbol y la balística.
Fuente: ZME Science.
