El deporte no es sólo una demostración de fuerza física o talento natural. También es una compleja serie de movimientos, reacciones y decisiones, todos ellos influidos por las leyes de la física. Aprovechando la tecnología a nuestro alcance, no sólo podemos mejorar nuestro rendimiento, sino también profundizar en nuestra comprensión de los principios científicos que subyacen a cada movimiento, cada salto, cada golpe. Así que, ¿preparado para combinar tu pasión por el deporte con una pizca de ciencia? ¡Toma tu smartphone y comencemos la exploración!
Pero antes de empezar, una advertencia: los teléfonos inteligentes son aparatos delicados, por lo que hay que tener cuidado para asegurarlos cuando se utilizan como instrumentos de medida.
Índice
Instrumentos de medición - Correr - Trampolín - Salto con pértiga - Baloncesto - Lanzamiento de disco - Ciclismo - Boxeo y artes marciales - Buceo - Petanca - Bádminton - Fútbol - Paradeportes/Deportes adaptativos - Conclusión.
Instrumentos de medición
Para llevar a cabo los experimentos descritos en este artículo, utilizará los sensores de un smartphone o una tableta. Los que usaremos están presentes en la mayoría de los dispositivos digitales. Los datos de estos sensores se pueden recopilar mediante aplicaciones científicas disponibles en las tiendas iOS o Android. La aplicación gratuita FizziQ es perfectamente adecuada para el análisis de datos para los experimentos que proponemos.
El GPS: Mediante el análisis de las señales de los satélites, el chip GPS de un smartphone permite medir la velocidad, la altitud y las distancias. Estos datos son útiles para evaluar el rendimiento de corredores o ciclistas e identificar los factores que influyen en sus resultados.
El podómetro: El podómetro mide la cadencia de una marcha o carrera. En el deporte, evalúa el ritmo de una carrera y su regularidad.
El acelerómetro: Este instrumento mide la aceleración lineal y absoluta. Proporciona información valiosa para analizar los saltos en actividades de trampolín o la energía de los impactos en boxeo.
La cámara de vídeo: Utilizada con un software de análisis de vídeo, puede determinar la posición de un objeto o una persona a lo largo del tiempo, a partir de la cual se puede deducir la velocidad, la aceleración o la energía. Los datos recogidos permiten comprender las trayectorias en baloncesto, la transformación de la energía en el salto con pértiga, la trayectoria de un volante en bádminton, el choque de las pelotas de petanca, el efecto Magnus en fútbol o la posición del centro de gravedad durante un clavado.
El giroscopio: Este sensor determina la velocidad de rotación del smartphone. Puede utilizarse en el análisis de movimientos de rotación, como los lanzamientos de disco o martillo.
El micrófono: Utilizado junto con otro instrumento como el acelerómetro, mide la velocidad de reacción de los atletas, por ejemplo, al inicio de una carrera.
Ahora, vamos a explorar cómo podemos utilizar estas herramientas de medición para comprender mejor varios deportes.
Correr
Correr es probablemente el deporte que más fácilmente puede estudiarse. Aparentemente sencillo, es en realidad una compleja danza de biomecánica, fisiología y psicología. Su estudio aborda los temas del rendimiento, la velocidad de reacción y la fisiología del cuerpo humano.
En primer lugar, el análisis del rendimiento. Midiendo la velocidad registrada por el GPS o el número de pasos en el tiempo medido por el podómetro, se puede estudiar la velocidad de la carrera en relación con la distancia, su regularidad, la cadencia de los pasos y su longitud. Comparando estos parámetros para distintos corredores, se puede empezar a comprender qué determina el rendimiento de cada uno.
Otro tema de interés se refiere a la secuencia de inicio de la carrera. Este momento crucial puede estudiarse registrando simultáneamente el volumen del sonido y la medición de la aceleración (función Duo Screen en FizziQ). Comparando estas dos informaciones, se mide la velocidad de reacción del corredor, que es el retardo entre la señal sonora y el movimiento del atleta. Este tiempo puede compararse con el de otros atletas.
Un último tema se refiere a los riesgos médicos asociados a la carrera. Utilizando el acelerómetro, se mide la fuerza de impacto de cada paso en las piernas, que suele ser de 5 a 10 veces el peso del corredor, es decir, de 5 a 10 g. Esta observación abre debates sobre muchas cuestiones, como si es más saludable correr descalzo o con zapatillas, o si practicar este deporte a partir de cierta edad es recomendable para las articulaciones.
Trampolín
El trampolín, mucho más que un juego de niños, es de hecho un campo de experimentación muy interesante para la gravitación. Utilizando el acelerómetro, se pueden estudiar numerosos aspectos del salto, especialmente los rebotes y el vuelo.
Siempre es un poco difícil conceptualizar que, durante la fase de vuelo, el atleta no sólo está en caída libre, sino que, desde su marco de referencia, también está en ingravidez, como demostró Einstein en un famoso experimento mental. Así, durante la fase de vuelo, el acelerómetro mostrará una aceleración nula, confirmando que el atleta se encuentra en estado de ingravidez. El fenómeno, que puede parecer fugaz en un trampolín, puede evaluarse con precisión: ¿cuánto tiempo pasa realmente un atleta en estado de caída libre? ¿Comprobamos que la aceleración absoluta es cero?
Al aterrizar, pueden abordarse otras cuestiones: ¿cuál es la aceleración cuando el atleta vuelve a entrar en contacto con la colchoneta, y cómo influye en el siguiente salto? ¿Cuál es la amortiguación si el atleta no realiza ninguna acción?
Salto con pértiga
El salto con pértiga, un ballet aéreo en el que los seres humanos tratan de desafiar a la gravedad, es un homenaje a la biomecánica humana y a las leyes de la física. Detrás de cada lanzamiento hay una coreografía de ángulos, fuerzas y momentos cruciales, cada uno de los cuales desempeña un papel crucial en la búsqueda de la altura.
Durante la carrera, el sistema atleta-pértiga adquiere cierta energía cinética. Esta energía se transforma en energía elástica de la pértiga después de plantarse, y el atleta despega. Mediante un movimiento de balanceo, el saltador aumenta aún más la energía elástica. Durante el ascenso, la pértiga se suelta, convirtiendo la energía elástica en energía potencial del atleta. Durante la fase de inversión, el atleta sigue elevándose cabeza abajo y supera el listón tras un impulso final. El salto con pértiga es, por tanto, un movimiento muy complejo y técnico.
La mejor herramienta para estudiar la mecánica del salto con pértiga es el análisis cinemático de un vídeo o cronofotografía. Se puede filmar a un saltador o utilizar un vídeo de la biblioteca cinemática FizziQ. Con esta herramienta, se puede estudiar cómo, durante cada fase, la transformación y el aporte de energía permiten al atleta alcanzar el punto más alto posible. Por ejemplo: ¿cuál es la contribución de la carrera al aumento de altura? ¿Cuál es la energía elástica almacenada en la pértiga? ¿Ayuda el empuje final a que el atleta llegue más alto? ¿Cómo crea más energía elástica el movimiento de inclinación?
Baloncesto
El vuelo de una pelota de baloncesto hacia el aro es algo más que un gesto deportivo; es una parábola viviente, una ilustración perfecta de las leyes de la física que puede estudiarse fácilmente utilizando la cámara de un smartphone y el módulo de análisis cinemático FizziQ.
Estudiar la trayectoria de un tiro libre en baloncesto es un ejercicio muy interesante para los alumnos, que también pueden hacer su propio vídeo para analizarlo. Para ello, el smartphone se coloca a una distancia suficiente para evitar distorsiones debidas al gran angular. La toma debe permanecer fija durante la duración del vídeo. Se utilizará una frecuencia de 30 o 60 fotogramas por segundo. La altura del aro puede servir como escala (consulta este enlace para más detalles sobre la creación de vídeos para cinemáticas).
A partir de este vídeo (o de uno descargado de Internet), se analiza la curva de movimiento. Se determinará su ecuación, que es una parábola. Este cálculo permitirá a los alumnos de secundaria estimar la aceleración debida a la gravedad, g.
Lanzamiento de disco
El lanzamiento de disco es un ejercicio de transformación de energía que requiere una técnica precisa para obtener los mejores resultados. Durante la fase de rotación, el atleta acumula energía cinética utilizando la fuerza muscular y aprovechando la fricción entre sus pies y el suelo. Esta energía, adquirida por la rotación del cuerpo, se transmite después al disco durante la fase de lanzamiento.
Uno de los elementos críticos de esta técnica es la velocidad de rotación del atleta. Una rotación rápida permite una mayor transferencia de energía al disco, lo que se traduce en un lanzamiento más largo.
Para analizar el lanzamiento, se puede utilizar el giroscopio de un smartphone acoplado al brazo del atleta. Las mediciones determinarán la velocidad de rotación del atleta y proporcionarán una estimación de la energía cinética del disco durante el lanzamiento.
La trayectoria de un disco giratorio no es una parábola. Si el disco se lanza con un ángulo negativo respecto al ángulo de trayectoria inicial, el disco puede viajar mucho más lejos que un peso equivalente lanzado a la misma velocidad. Se puede intentar estimar la diferencia de trayectoria basándose en datos de campo.
Ciclismo
Como deporte mecánico, el ciclismo aborda otras cuestiones deportivas, sobre todo la forma de multiplicar las fuerzas de esfuerzo y resistencia.
El primer análisis se refiere al funcionamiento de la bicicleta y a una parte crucial: el cambio de marchas. Gracias a este invento, los ciclistas pueden mantener una cadencia de pedaleo óptima independientemente de la velocidad de la bicicleta. También permite aplicar pares significativos para las subidas o los arranques. Para comprender mejor la utilidad del cambio de marchas, ¿por qué no realizas el siguiente análisis? Elige una distancia determinada (50 metros, por ejemplo) y mide el tiempo que tarda un ciclista desde parado en alcanzar esa marca lo más rápidamente posible. Mide también la velocidad alcanzada utilizando el GPS. ¿Qué marcha es mejor?
Un segundo análisis está relacionado con la fricción. En efecto, la ecuación del ciclismo en una carretera llana es sencilla: la energía aportada se disipa en forma de energía de fricción, de la cual la principal a partir de cierta velocidad es la resistencia del aire, proporcional a la superficie frontal. Para estudiar el impacto de la resistencia del aire, se puede medir la desaceleración causada por diferentes posiciones del ciclista mediante GPS: en posición de carrera o de pie sobre los pedales.
Boxeo y artes marciales
El boxeo, mezcla de fuerza, técnica y estrategia, es también una ilustración perfecta de las leyes de la física en acción, especialmente las que rigen la fuerza y la energía.
Una de las preguntas más frecuentes en este deporte es: "¿Cuál es la potencia real de un puñetazo?". Conectando un smartphone equipado con un acelerómetro a un saco de boxeo, se puede medir la aceleración que experimenta el saco al ser golpeado. Esta aceleración, combinada con la masa del saco, permite calcular la fuerza del golpe mediante la segunda ley de Newton (Fuerza = masa x aceleración). Además, conociendo la duración de la aplicación de esta fuerza, podemos estimar la energía del golpe. Aunque este método no mide directamente la fuerza del puñetazo del boxeador, proporciona una valiosa indicación del impacto que siente el adversario (o, en este caso, el saco).
En el caso de las artes marciales, también se puede comparar el impacto de un puñetazo y de una patada.
Buceo
Es comúnmente aceptado que una pelota lanzada al aire, en ausencia de fricción, seguirá una trayectoria parabólica. Pero cuando se trata de un buceador que realiza un salto mortal, ¿la trayectoria del centro de gravedad sigue siendo parabólica? Para responder a esta pregunta, se puede realizar un estudio práctico durante una visita a una piscina donde se filme la zambullida de un atleta. Para quienes no tengan acceso a una piscina cercana, se puede consultar el vídeo de un clavadista disponible en la videoteca de FizziQ.
Utilizando el vídeo en el módulo cinemático de FizziQ, se pueden realizar varias localizaciones. En un primer análisis, se estudia el movimiento de distintas partes del cuerpo, como la cabeza del buceador, y en un segundo, sus pies. Se observa que las curvas generadas a partir de estos puntos difieren considerablemente.
Sin embargo, la mecánica nos asegura que el centro de gravedad de un cuerpo en caída libre, no afectado por el rozamiento, describe una parábola. Para realizar este análisis, se puede intentar estimar la posición del centro de gravedad del atleta en cada imagen, obteniendo así una trayectoria parabólica para este punto.
También se puede modelar el centro de gravedad del buceador con mayor precisión, localizando cada parte del cuerpo, exportando luego sus coordenadas a Excel y aplicando los pesos de las tablas de Leva que proporcionan la distribución de masas del cuerpo humano. Utilizando este método frecuente de análisis biomecánico, comprobamos a continuación que la trayectoria del centro de gravedad es efectivamente una parábola.
Petanca
La petanca ofrece un campo de juego muy interesante para estudiar un fenómeno que no habíamos explorado antes: las colisiones. Utilizando un smartphone, podemos profundizar en nuestra comprensión de las interacciones físicas que se producen cuando una bola golpea a otra.
El primer análisis consiste en estudiar el resultado de una colisión cuando un jugador lanza "au fer", es decir, la pelota se lanza al aire y golpea la pelota del adversario antes de tocar el suelo. Esta secuencia se filmará a una velocidad de 60 o 120 fotogramas por segundo. Analizando el vídeo con herramientas de análisis cinemático, como la aplicación FizziQ, podemos determinar el coeficiente de restitución durante el golpeo. ¿Qué podemos deducir sobre la estrategia durante el tiro "au fer"?
Otro análisis consiste en medir la frecuencia del sonido cuando dos pelotas se golpean. ¿Varía esta frecuencia en función de las pelotas? ¿Las pelotas de mayor calidad producen un sonido diferente?
Bádminton
El bádminton se distingue de otros deportes de raqueta por su proyectil específico: el volante. Su forma única da lugar a una trayectoria distinta sin rebote, lo que obliga a los jugadores a anticipar sus movimientos. El volante permite una gran variedad de golpes, desde golpes rápidos a caídas sutiles, lo que favorece los intercambios tácticos. Esta especificidad exige a los jugadores una excelente condición física para moverse con rapidez y una estrategia refinada para superar al adversario.
La trayectoria específica del volante de bádminton puede estudiarse fácilmente mediante análisis de vídeo. Si no se dispone de un lugar para captarla, se puede utilizar un vídeo de la biblioteca FizziQ. Es imposible determinar formalmente la ecuación de la trayectoria, pero se pueden identificar tres fases distintas. Una trayectoria inicial rápida: Justo después de ser golpeado, el volante se desplaza a una velocidad relativamente alta, pareciendo casi lineal en una distancia corta. Una fuerte desaceleración: Debido a su forma y construcción, el volante se desacelera con bastante rapidez, lo que da a su trayectoria global una forma generalmente parabólica. Una caída casi vertical: El final de la trayectoria cuando el volante se lanza muy alto tiene las características de una caída vertical.
Fútbol
Estudiar el efecto de elevación o Magnus con un balón de fútbol es especialmente interesante, ya que pone de manifiesto los principios de la mecánica de fluidos en acción en este deporte. Este fenómeno se observa a menudo cuando un futbolista da efecto al balón, haciendo que siga una trayectoria curva en lugar de recta. El efecto Magnus se produce cuando la rotación del balón crea una diferencia de presión de un lado a otro, provocando una fuerza perpendicular a su trayectoria.
Para estudiar este efecto con precisión, el análisis de vídeo es una poderosa herramienta. Filmando el disparo de un futbolista desde distintos ángulos, se puede trazar la trayectoria del balón en tiempo real. Utilizando un software de análisis cinemático como FizziQ, se puede marcar la posición del balón fotograma a fotograma, visualizando su trayectoria curva y midiendo el grado de curvatura en función de la rotación inicial dada al balón. Además, comparando los golpes con y sin efecto, se puede comprender mejor la influencia de la rotación en la trayectoria de la pelota. Así pues, utilizar el análisis de vídeo para estudiar la elevación en el fútbol proporciona un medio tangible de explorar y comprender este fascinante fenómeno que es fundamental en muchos momentos deportivos memorables.
Salto de longitud paralímpico
El salto de longitud paralímpico, con el uso de palas de carbono, ofrece una fascinante mezcla de determinación humana y destreza tecnológica. Como todos los demás deportes paralímpicos, encarna la adaptabilidad ante la adversidad y proporciona una plataforma única para estudiar la biomecánica de los movimientos. Además, esta disciplina plantea cuestiones cruciales sobre la equidad en el deporte, al tiempo que sirve de poderoso símbolo de inclusión e inspiración. La interacción entre el atleta y la tecnología moderna en este contexto específico evoca tanto admiración como curiosidad.
Todos los análisis que hemos realizado anteriormente son posibles para los deportes paralímpicos, pero también pueden realizarse otros análisis que arrojen luz sobre la comprensión de estos deportes.
Por ejemplo, en el caso del salto de longitud paralímpico con "cuchillas", se pueden explorar las siguientes cuestiones: ¿Qué asimetría se crea al utilizar prótesis durante la carrera, y es una desventaja? ¿Cómo se compara la rigidez de una "cuchilla" o "lámina" con la de una pierna válida? ¿Es similar el ángulo de despegue entre un atleta paralímpico y uno no paralímpico? Algunas de estas preguntas pueden estudiarse utilizando un smartphone, ya sea mediante medición directa o análisis de vídeo.
Conclusión
A lo largo de los años, la simbiosis entre la ciencia y el deporte se ha fortalecido, allanando el camino para notables avances en la comprensión del rendimiento humano. Las ciencias, ya sean físicas, biológicas o sociales, proporcionan valiosos conocimientos sobre los mecanismos, técnicas y estrategias que mejoran el rendimiento deportivo. Diseccionan, analizan y proponen soluciones innovadoras para ampliar los límites de lo que el cuerpo y la mente pueden lograr.
Sin embargo, el deporte no es sólo un campo de aplicación de las ciencias, sino que también se convierte en un fascinante objeto de estudio por derecho propio. En las escuelas y universidades, el análisis deportivo, facilitado por la disponibilidad de dispositivos digitales de medición como los smartphones, ofrece una oportunidad única para abordar conceptos científicos de forma concreta y vívida, al tiempo que se estimula la curiosidad y el entusiasmo de los estudiantes.
Los próximos Juegos Olímpicos de París ponen aún más de relieve esta interdependencia. Este acontecimiento mundial muestra la excelencia atlética, donde cada fracción de segundo importa, y donde las innovaciones científicas pueden marcar la diferencia. Pero también es un laboratorio al aire libre para los investigadores, que llama la atención sobre la importancia de continuar los estudios interdisciplinarios entre el deporte y las ciencias.
Références
Prothèses tibiales de saut en longueur handisport - Jean BOUTEILLER, Pierre-Adrien BREARD, Paul FRAPART, Cyril VOISARD, Maxime VRAIN