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Jul 27, 2023

La física guarda el secreto del "servicio flotante" altamente impredecible del voleibol

Jennifer Ouellette - 14 de noviembre de 2019 2:59 p. m. UTC Un buen saque flotante en

Jennifer Ouellette - 14 de noviembre de 2019 14:59 UTC

Un buen servicio flotante en el momento justo en voleibol puede hacer o deshacer un juego apretado, ya que la trayectoria de la pelota es muy difícil de predecir. Son los paneles de la superficie de los balones de voleibol convencionales los que dan lugar a estas trayectorias impredecibles, y la modificación de los patrones de la superficie podría lograr un vuelo más consistente, según un artículo reciente en Applied Sciences.

Todo se reduce a la gravedad y la aerodinámica. Cualquier bola en movimiento deja una estela de aire que la sigue mientras vuela por el aire. El arrastre inevitable frena la pelota. Las trayectorias de varios balones deportivos se ven afectadas no solo por su diámetro y velocidad, sino también por cualquier pequeña irregularidad en su superficie. Las pelotas de golf tienen hoyuelos, por ejemplo, mientras que las pelotas de béisbol tienen costuras en forma de ocho, ambas lo suficientemente irregulares como para afectar el flujo de aire alrededor de la pelota.

Es bien sabido que el movimiento de una pelota de béisbol crea un remolino de aire a su alrededor, comúnmente conocido como el efecto Magnus. Las costuras levantadas agitan el aire alrededor de la pelota, creando zonas de alta presión en varios lugares que (dependiendo del tipo de campo) pueden causar desviaciones en su trayectoria. Los hoyuelos de la pelota de golf reducen el flujo de arrastre al crear una capa límite turbulenta de aire, mientras que el giro de la pelota genera sustentación al crear un área de mayor presión de aire en la parte inferior de la pelota que en la parte superior.

Los patrones de la superficie de las pelotas de voleibol también pueden afectar sus trayectorias. Los balones de voleibol convencionales tienen seis paneles, pero los diseños más recientes tienen ocho paneles, un patrón de panal hexagonal o hoyuelos.

Ha habido numerosos estudios anteriores que examinan la aerodinámica de las pelotas deportivas: pelotas de golf, cricket, tenis, béisbol, rugby y fútbol. Pero por alguna razón, ha habido escasez de investigaciones centradas en la física de los balones de voleibol. En 2010, Takeshi Asai de la Universidad de Tsukuba y varios colegas japoneses decidieron remediarlo realizando una serie de experimentos en túneles de viento con tres tipos de bolas con patrones de superficie claramente diferentes: una bola fundida convencional con seis paneles; una bola fundida más nueva con un patrón de panal; y una pelota con hoyuelos de Mikasa. Usaron un dispositivo robótico para "servir" las bolas para garantizar la consistencia, luego midieron los coeficientes de arrastre de cada bola.

El coeficiente de arrastre describe cuánto se "pega" el aire que fluye a la superficie de la pelota. Cuanto más rápido se mueve la pelota, menos "pegajosa" se vuelve la pelota. Por lo general, las estelas son más grandes y las resistencias son más altas a velocidades lentas, pero si la pelota alcanza un umbral de velocidad crítico, experimenta una llamada "crisis de resistencia": la estela se encoge repentinamente y la resistencia cae en picado. Es básicamente el punto donde el flujo de aire cambia abruptamente de laminar (suave) a turbulento. Ese umbral de velocidad crítica, la velocidad a la que el flujo de aire se vuelve verdaderamente turbulento, puede variar significativamente solo entre las pelotas de voleibol.

En el estudio de 2010, cada pelota se sirvió 20 veces con tres orientaciones de panel diferentes. Los autores encontraron que para esferas perfectamente lisas, la velocidad crítica es de alrededor de 25 metros por segundo, o alrededor de 56 millas por hora. Todas las pelotas de voleibol que probaron mostraron velocidades críticas más bajas que la esfera lisa. La bola fundida tradicional tenía un arrastre bajo similar, mientras que la bola fundida con patrón de panal tenía un arrastre final más alto. Asai y sus coautores sugirieron que esto podría deberse a que el patrón de panal aumentó la rugosidad de la superficie de la pelota, mientras que la orientación del panel de la superficie (en direcciones transversales o diagonales) en la pelota tradicional a medida que se sirve cambia la forma en que el aire fluye alrededor de la pelota en el medio. -vuelo, afectando su trayectoria.

Para este último estudio, Asai y varios colegas utilizaron cuatro tipos diferentes de pelotas de voleibol, dos con paneles, una con patrón de panal y una pelota con hoyuelos, para estudiar la aerodinámica del saque flotante. A diferencia de un servicio rápido con top-spin o un servicio con salto, los cuales siguen trayectorias de vuelo bastante predecibles, un servicio flotante no tiene efecto. Eso hace que sea difícil predecir la trayectoria de la pelota; puede desviarse inesperadamente, dando al servidor una ventaja competitiva.

Desde el punto de vista de la física, el servicio flotante es similar a lanzar una bola de nudillos en el béisbol, que en gran medida no se ve afectado por la fuerza de Magnus, porque no tiene efecto. Su trayectoria está determinada por completo por cómo las costuras afectan el flujo de aire turbulento alrededor de la pelota de béisbol. Las costuras de una pelota de béisbol pueden cambiar la velocidad (velocidad) del aire cerca de la superficie de la pelota, acelerando o desacelerando la pelota, dependiendo de si dichas costuras están en la parte superior o inferior. Los paneles de las pelotas de voleibol convencionales tienen un efecto similar.

En este último estudio, cada pelota se probó 30 veces, para un total de 240 pruebas. Los resultados: las bolas con paneles tenían el umbral de velocidad crítica más alto, lo que generaba patrones de vuelo impredecibles. La bola con patrón de panal tenía un umbral crítico mucho más bajo, mientras que el patrón con hoyuelos aumentaba el umbral. Tanto las bolas de nido de abeja como las de hoyuelos también tuvieron menos diferencia en la crisis de arrastre, independientemente de la orientación del panel. Entonces, los autores suponen que debería ser posible controlar cuándo ocurre la crisis de arrastre simplemente cambiando el diseño de la superficie de la pelota.

"Las pelotas de voleibol más utilizadas tienen seis paneles con tres franjas rectangulares paralelas", dijo Asai sobre estos resultados. "Usar un patrón hexagonal o con hoyuelos en su lugar podría aumentar significativamente la consistencia de su vuelo. Esta investigación puede tener implicaciones importantes no solo dentro de los deportes, sino también para desarrollar drones más eficientes y estables".

DOI: Ciencias aplicadas, 2019. 10.3390/app9194007 (Acerca de los DOI).