La ciencia del voleibol: Heureux, físico y jugador de playa, examina el saque flotante

El saque flotante, cuando se ejecuta bien, confunde a los oponentes.

Pete Heureux, quien se graduó con un título en física de la Universidad Politécnica Estatal de California, San Luis Obispo (Cal Poly), no sólo es un ávido jugador de playa por más de 20 años, sino que es nuestro hombre de confianza para analizar el saque flotante.

Le pedimos que examinara la física del saque flotante: lo que hace flotar a un saque y cómo un sacador puede maximizar la flotación. Lo que sigue podría ser más de lo que alguna vez has considerado acerca de sacar en voleibol y tal vez información que podría convertirte en un mejor jugador.

Pete Heureux no sólo es un ávido jugador de voleibol, sino también un físico y estudioso del juego. Foto: Ed Chan/VBshots.com
Pete Heureux no sólo es un ávido jugador de voleibol, sino también un físico y estudioso del juego. Foto: Ed Chan/VBshots.com

Ver el video de Dalhausser sacando cuatro ases consecutivos en Long Beach me inspira a mejorar mi saque, pero tengo que ser realista. Si pongo toda mi energía en un saque en salto fuerte, no me quedaría nada para el resto del juego. A los 53 años también tengo que ser amable con mi hombro si quiero jugar otros 30 años.

¡Pero aún quiero esos ases!

Me encanta cuando contacto con la pelota a la perfección y navega suavemente hasta la red y luego empieza a moverse por todas partes. Los cambios en las expresiones faciales de mi oponente me dan gran satisfacción a medida que sus emociones pasan de la confianza, a la concentración, a la preocupación y luego rápidamente a través de la alarma, el pánico y la desesperación. Ver cómo se desarrolla esto me distrae tanto que a menudo me olvido de volver a correr a la cancha para defenderme contra el one-over, que es la mejor ofensiva que el otro equipo puede ensayar.

Si tan sólo pudiera hacer eso cada vez. El problema es que no tengo ni idea de cómo hice ese saque en primer lugar, aparte de golpearlo plano para que no gire.

El saque top-spin de alta velocidad es desalentador, pero al menos es predecible. Cualquiera que haya tenido que enfrentarse a un típico saque en salto sabe cómo se comporta la pelota. Se sumerge. Cuanto más rápido se acerque o gire, más rápido caerá hacia sus pies o caerá detrás de su hombro. La física del saque en salto es directa. A medida que la pelota gira desde arriba, arrastra más aire debajo de la pelota, que debe moverse más rápido que el aire en la parte superior para mantenerse en la misma cantidad de tiempo.

El principio de Bernoulli establece que el aire más rápido tiene una presión más baja, de modo que más presión de aire en la parte superior y menos en la parte inferior fuerzan la pelotan hacia abajo. Un jugador tiene menos tiempo para reaccionar a un saque en salto, pero todavía puede desarrollar respuestas intuitivas a la ruta de vuelo predecible.

Por el contrario, la física del saque flotante garantiza que no se puede saber a dónde va a ir. Una pelota no giratoria está sujeta a interacciones impredecibles entre arrastre, sustentación, y una estrecha ventana de oportunidad llamada la «crisis de arrastre». Con una mejor comprensión de los detalles de estas fuerzas podemos empezar a mejorar nuestra intuición de cómo manipular las dos cosas que podemos controlar en un saque flotante: la velocidad de contacto y el ángulo. Una vez que deja nuestra mano, confiamos en que la física se encargue de generar el as para nosotros.

El aire que se mueve más allá de una esfera viaja en un flujo laminar a medida que la velocidad del aire en movimiento aumenta desde cero. La fricción entre la pelota y el aire en movimiento hace que se forme una capa límite de aire cerca de la superficie.

Figura 1: flujo laminar
Figura 1: flujo laminar

A velocidades muy bajas, el aire que toca la pelota no se mueve en absoluto (con respecto a la pelota), desde el borde de ataque hasta el punto de fuga. A medida que roza contra la siguiente capa, el aire se ralentiza. El espesor de una capa límite se mide por la distancia desde la superficie en la que la velocidad del aire es la misma que tenía antes de entrar en contacto con la pelota (las líneas rectas de la figura 1). El coeficiente de arrastre es una medida de la tenacidad con la que el aire se adhiere a la superficie de la pelota. Cuando la pelota se mueve más rápido a través del aire es más difícil que el aire se sostenga en el borde de fuga. A medida que estas moléculas pierden su fijación, la pelota se vuelve menos pegajosa y el coeficiente de arrastre disminuye.

Eventualmente llega una velocidad en la que las capas límite ya no son capaces de mantenerse juntas y se rompen en algún lugar a lo largo del borde de fuga de la pelota. Éste estado se llama flujo turbulento. (ver figura 2)

Figura 2: flujo turbulento
Figura 2: flujo turbulento

Después de que la pelota está completamente en el estado turbulento, el arrastre se reduce significativamente. La transición de flujo laminar a turbulento se conoce como «crisis de arrastre». Hay muchos factores que contribuyen a determinar a qué velocidad una pelota en particular sufrirá éste cambio dramático. El tamaño y la forma de la pelota, la suavidad de su superficie, el aire en el que viaja así como el clima interactúan de una manera complicada que no puede predecirse, sólo medirse, en un túnel de viento. Los físicos han combinado muchos de los factores que contribuyen a éste cambio de estado en una sola entidad que llaman el Número de Reynolds. El número de Reynolds (Re) tiene en cuenta la densidad de la masa y la viscosidad del aire (que dependen mayormente de la temperatura), el diámetro de la pelota y la velocidad del aire que pasa sobre su superficie en la siguiente relación.

Ecuación 1: número de Reynolds (Re)
Ecuación 1: número de Reynolds (Re)

Aunque todos estos factores pueden cambiar de un día para otro o de una pelota a otra, es la velocidad la que marca la mayor diferencia entre un saque y el siguiente. La velocidad a la que una esfera alcanza el flujo turbulento se llama «velocidad crítica». Para una pelota de voleibol típica el número de Reynolds a la velocidad crítica puede variar de 170.000 a 300.000. Números como esos son difíciles de visualizar intuitivamente, así que por razones prácticas me referiré a las velocidades de la pelota que representan, lo que nos da un rango entre 10 metros por segundo y 25 m/s, respectivamente. Dado que el saque más lento que se puede hacer desde la línea de fondo y que se puede esperar que pase por encima de la red es de unos 12 m/s y que los mejores profesionales pueden lanzar un saque de salto a unos 30 m/s, éste es el rango en el que un saque flotante debe existir.

Cuando el científico que hay en mí mira el gráfico de abajo, veo un mundo de información sobre la física de una esfera en vuelo. Como jugador de voleibol me sorprende un pensamiento: mis oponentes estarán en serios problemas la próxima vez que yo vaya al saque.

Figura 3: relación entre el arrastre sobre una esfera y la velocidad del aire que se mueve a través de ella
Figura 3: relación entre el arrastre sobre una esfera y la velocidad del aire que se mueve a través de ella

La Figura 3 describe los resultados de pruebas en el túnel de viento realizadas en Japón en 2010 sobre la aerodinámica de una nueva pelota de voleibol diseñada por Molten. El gráfico muestra la relación entre el arrastre sobre una esfera y la velocidad del aire que se mueve a través de ella, específicamente en el rango que nos interesa. Takeshi Asai y sus colegas de varias universidades de todo Japón descubrieron que una esfera perfectamente lisa (línea punteada gruesa, arriba) pasó por una abrupta crisis de arrastre casi en los 25 m/s, pasando de un coeficiente de arrastre muy alto a uno muy bajo. La pelota de voleibol convencional que probaron, una Molten MTV5SLIT (línea punteada fina arriba), terminó con un arrastre similarmente bajo pero con una velocidad crítica significativamente más baja que la esfera de referencia. Su pelota más nueva, una Molten V5M5000 con la superficie de patrón alveolado, comenzó con características similares a la pelota estándar pero tuvo menor velocidad crítica y mayor arrastre final. Aunque no publicaron los detalles, los ingenieros japoneses también probaron la nueva pelota con hoyuelos Mikasa MVA200 y descubrieron que tenía una velocidad crítica ligeramente inferior a la pelota convencional.

Para explicar mi nueva confianza en el saque, echemos un vistazo a cómo el coeficiente de arrastre nos dice qué fuerzas estarán actuando sobre la pelota después de que salga de nuestras manos. La fuerza ejercida sobre la pelota debido al arrastre depende de varias cosas.

Ecuación 2: la fuerza ejercida sobre la pelota debido al arrastre depende de varias cosas
Ecuación 2: la fuerza ejercida sobre la pelota debido al arrastre depende de varias cosas

Lo más importante que hay que tener en cuenta es que la fuerza de arrastre aumenta con el cuadrado de la velocidad. ¡Esto significa que el doble de velocidad se convierte en cuatro veces más arrastre! Ahora bien, si reorganizamos la segunda ley de Newton (F = ma; fuerza igual a masa por aceleración) vemos que la aceleración (bueno, en realidad la desaceleración) de la pelota es

Ecuación 3: si reorganizamos la segunda ley de Newton vemos la desaceleración de la pelota
Ecuación 3: si reorganizamos la segunda ley de Newton vemos la desaceleración de la pelota

Echando un vistazo a la figura 3 otra vez, imagina que golpeamos la pelota con fuerza para que empiece con una velocidad media más alta, digamos 22 m/s. El arrastre hará que la pelota disminuya su velocidad (moviendo tu dedo a lo largo de la línea sólida de derecha a izquierda) hasta que alcance la velocidad crítica. En ese momento (con suerte justo cuando cruza la red) el arrastre aumenta dramáticamente, la pelota parece caer del cielo, y tu oponente maldice mientras se zambulle en la arena.

La variabilidad de la fricción del aire durante el vuelo sería suficiente para hacer un saque efectivo, pero hay más. El arrastre no es la única fuerza en juego durante la crisis de arrastre y el flujo turbulento. Las mismas pruebas en el túnel de viento realizadas por Asai y su equipo también mostraron fuerzas perpendiculares a la dirección del viaje, que los científicos llaman sustentación. A diferencia del ala de un avión, una pelota de voleibol es radialmente simétrica, por lo que la sustentación puede ser en cualquier dirección alrededor de la pelota en un ángulo recto con respecto a la trayectoria de su vuelo.

Figura 4: las pruebas en el túnel de viento mostraron fuerzas perpendiculares a la dirección de desplazamiento
Figura 4: las pruebas en el túnel de viento mostraron fuerzas perpendiculares a la dirección de desplazamiento

Durante el flujo laminar la capa límite es uniforme y por lo tanto no hay fuerzas de sustentación medidas en la esfera lisa o en cualquiera de los dos tipos de pelotas. La Figura 5 abajo es una comparación de las fuerzas de sustentación con el número de Reynolds para las pelotas Molten. Durante las pruebas en el túnel de viento, las pelotas experimentaron una fuerte e impredecible fuerza lateral durante la crisis de arrastre y luego una pequeña pero constante sustentación bajo un flujo turbulento.

Figura 5: comparación de las fuerzas de sustentación con el número de Reynolds (Re)
Figura 5: comparación de las fuerzas de sustentación con el número de Reynolds (Re)

El colapso de la capa límite al principio de la crisis de arrastre causa un caótico remolino de aire en la estela de la pelota a medida que cada pequeño vórtice se libera de la superficie. En la Universidad de Pekín en China, Wei Qing-ding y su equipo creen que la naturaleza aleatoria de la creación de estos vórtices hace que la línea de separación (un anillo alrededor del lado de fuga representado por la línea punteada en la figura 2) se forme fuera del eje del flujo, lo que probablemente explica la sustentación que vemos a velocidades más altas. Asai especula que la orientación de los paneles de la pelota controla la dirección y la fuerza de la desviación.

Un sujeto con el que juego está convencido de que golpear cerca de la válvula afecta la dirección en la que un saque flotante se desviará. Independientemente de la causa, está claro que incluso si usted golpea la pelota lo suficientemente rápido como para que permanezca en un flujo turbulento, el efecto de la sustentación hará que la pelota vire a la izquierda o a la derecha, flote largamente o se sume al efecto descendente de la gravedad.

¿Y mi saque favorito en zig-zag? Wei también encontró que al principio de la crisis de arrastre hay un estrecho rango de velocidades donde la capa límite puede desprender vórtices de lados alternos (ver Figura 6) causando que la fuerza de sustentación cambie de un lado a otro.

Figura 6: en la crisis del arrastre hay un estrecho rango de velocidades en el que la capa límite puede desprender vórtices de lados alternados
Figura 6: en la crisis del arrastre hay un estrecho rango de velocidades en el que la capa límite puede desprender vórtices de lados alternados

Cuando se juntan todos estos factores, el resultado es un saque impredecible. ¿Pero qué tan impredecible es?

Asai y compañía utilizaron un dispositivo de eyección de pelotas a base de impacto para lanzar pelotas de voleibol no giratorias con una velocidad de contacto y ángulo precisos para responder a esta misma pregunta. Hicieron pruebas con los dos estilos de pelotas Molten y la pelota con hoyuelos Mikasa. Cada una de ellas fue sacada veinte veces y con tres orientaciones de panel diferentes. La zona de aterrizaje más estrecha que lograron fue de un metro de ancho por dos metros de largo (área A en la figura 7 abajo) para la pelota alveolada golpeada en el panel principal. La mayoría de las otras pelotas y orientaciones resultaron en un área posible de aproximadamente 1,5 m por 4 m (B). La pelota Mikasa, golpeada perpendicularmente a los paneles, ¡podría aterrizar en cualquier lugar dentro de un óvalo de cinco metros de largo! Y eso sin viento.

Figura 7: zonas de aterrizaje de diferentes pelotas en una cancha de 16 m × 8 m
Figura 7: zonas de aterrizaje de diferentes pelotas en una cancha de 16 m × 8 m

Ahora que sabemos lo que le pasa a la pelota en un saque flotante, y tenemos alguna idea de por qué se mueve durante su vuelo, ¿cómo hacemos que suceda? Revisemos rápidamente la física.

1. Las pelotas de voleibol experimentan una crisis de arrastre (un salto de bajo a alto arrastre) a medida que disminuyen su velocidad. La velocidad a la que esto sucede depende del tipo de pelota y de las condiciones del aire. Las pelotas más lisas tienen una crisis de arrastre a mayor velocidad. Una temperatura del aire más alta equivale a una velocidad crítica más baja.

2. Durante un flujo turbulento a mayor velocidad, una pelota de voleibol experimentará arrastre y sustentación perpendicular, los cuales aumentan a medida que aumenta el cuadrado de la velocidad.

3. La imprevisibilidad de un saque flotante es de 1 a 5 metros de área de aterrizaje.

4. Todos los efectos mencionados anteriormente ocurren SÓLO con una pelota no giratoria.

¿Qué debemos hacer cuando lleguemos a la línea para sacar?

1. ¡Elimina la rotación! Incluso la caída más pequeña reduce la sustentación y la restringe a la dirección de rotación. La rotación también fuerza el estado de flujo turbulento, manteniendo el coeficiente de arrastre en la región por encima de la crisis de arrastre.

2. Evalúa tu equipo para determinar la mejor manera de hacer que tu pelota pase a través de la crisis de arrastre.

  1. Las pelotas lisas se pueden sacar más rápido que las pelotas ásperas
  2. Las pelotas más grandes y livianas se pueden sacar más rápido que las pelotas más pequeñas y pesadas.
  3. El contacto fuera del panel puede provocar más movimiento.

3. Evalúa cómo las condiciones afectarán el movimiento

  1. Con viento en contra se puede sacar más rápido para conseguir más sustentación y arrastre, pero con viento de cola se puede sacar más lento y más cerca de la crisis de arrastre.
  2. Alejarse de la línea de saque da más tiempo para que la sustentación y el arrastre muevan la pelota, pero los saques más lentos desde la línea de fondo son más fáciles de controlar cuando se apunta a la velocidad crítica.
  3. Sacar más lento cuando hace calor y más rápido cuando hace frío si se desea alcanzar la velocidad crítica.

4. Elige la trayectoria de la pelota para tener en cuenta el rango de movimiento.

  1. Saques de arco más alto comienzan y terminan más rápido debido a la gravedad. El movimiento perpendicular puede ser un poco mayor a medida que la pelota cae desde una altura, pero el arrastre sólo ralentiza la pelota sin cambiar su trayectoria. Los saques planos son más fáciles de manipular porque dependen casi por completo de la velocidad de contacto.
  2. Apunta dentro de las líneas. Se supone que los saques flotantes se mueven. Fija tu punto de aterrizaje por lo menos a 1 metro de las líneas laterales y a 2 metros de la red o de la línea de fondo.

5. ¡Elimina la rotación! Vale la pena decirlo de nuevo. En mi experiencia, cuanto más fuerte golpeo la pelota, más difícil es golpearla a la perfección. Cuanto más me acerco a la línea de fondo, más suave puedo hacer contacto y apuntar con más precisión al centro de la pelota.

Desde que investigué éste artículo, mi saque flotante está generando muchos más ases. Puedo ver mejor los cambios en el movimiento de la pelota. Poco a poco, mi intuición de cómo el viento y la sensación de la pelota y mi posición se combinarán para crear los resultados más impredecibles. Ahora sólo tengo que dejar de ver mi hermoso saque flotante y apresurarme a mi posición defensiva.

Bibliografía

Asai, T., Ito, S., Seo, K., & Hitotsubashi, A. (2010). Aerodynamics of a new volleyball. Procedia Engineering, 2(2), 2493-2498. doi: 10.1016/j.proeng.2010.04.021

Qing-ding, W., Rong-sheng, L., & Zhi-jie, L. (1988). Vortex-induced dynamic loads on a non-spinning volleyball. Fluid Dynamics Research, 3(1-4), 231-237. doi: 10.1016/0169-5983(88)90071-8


Éste artículo fue publicado originalmente en VolleyballMag.com

Ed Chan
Ed Chan
Editor y Director de fotografía en VolleyballMag.com

Ed Chan es el editor y director de fotografía de VolleyballMag.com. Ed ha estado involucrado en el deporte por casi 40 años como fotógrafo, dueño de instalaciones, dirigente, entrenador y jugador.