Cómo hacer que dos vasos floten en el aire en una trayectoria curva, como un futbolista que pega un tiro libre con efecto

En este experimento, tiraremos al aire dos vasos de papel conectados mientras están girando, lo cual los hará moverse en un arco debido a un fenómeno físico llamado efecto Magnus.

Materiales

  • Dos vasos de papel (también se puede usar la parte interior de un rollo de papel higiénico)
  • Cinta
  •   3 bandas elásticas

El experimento

Mira el experimento en este video.

Una pelota que gira y da vueltas

El tenis es un juego con orígenes muy antiguos (de la Francia del siglo XII). Además, se jugaba al tenis en la Universidad de Cambridge, en Inglaterra, y una de las personas que disfrutaban mirando los partidos fue el famoso físico Isaac Newton. Él observó que, al pegar la pelota de una manera que la haga girar mientras se mueve, la pelota no vuela en línea recta, sino que sigue una trayectoria de arco. Newton incluso escribió sobre el fenómeno en una de sus cartas, pero no lo estudió en profundidad.

Volvamos al presente, y pasemos al fútbol. Los mejores jugadores pueden patear una pelota con efecto, o sea un tipo especial de tiro que hace girar la pelota mientras se mueve por el aire. Como resultado, esta cambia su dirección (a la izquierda o a la derecha) en el aire. Este tiro permite marcar gol sobrepasando la “barrera” de jugadores y suele confundir al arquero. En este video, puedes ver una serie de tiros con efecto de distintos partidos de todo el mundo:

El efecto Magnus

La razón del extraño movimiento de la pelota de tenis que gira, del tiro con efecto en el fútbol y de los vasos voladores de nuestro experimento es un efecto físico conocido como efecto Magnus, en honor al científico que lo estudió. Para comprender lo que está pasando, es importante notar que el aire en el cual nos movemos, si bien es muy liviano, está lleno de partículas, que le dan solo un poquito de densidad. Esta leve densidad causa fricción entre el aire y otras sustancias y hace que algunas partículas del aire se adhieran a casi cualquier objeto que lo atraviesa (muy parecido al comportamiento de los materiales espesos, como la miel). Por lo tanto, si hay una pelota en el aire, hay una capa fina de aire que se le “pega” ligeramente.

Si la pelota gira en el aire, hay una capa fina de aire que la rodea y la acompaña en el movimiento de giro, debido a la fricción entre el aire y la pelota. Esta capa de aire causa el efecto Magnus.

כדור מסתובב והאוויר מסתובב סביבו

Cuando la pelota gira en el aire, una capa fina de aire (flechas verdes) gira junto con ella debido a la fricción entre el aire y la pelota. Ilustración: Avi Saig

Cuando se pega o tira una pelota al aire, esta atraviesa el aire mientras se mueve y el aire fluye o se desplaza durante este movimiento, del mismo modo que sentimos el aire en la cara cuando andamos en bicicleta o viajamos en un automóvil con la ventanilla abierta.

כדור נע ומפלח האוויר
Cuando la pelota se mueve por el aire, el flujo de aire choca contra la pelota y se divide. Ilustración: Avi Saig

Si la pelota gira en el aire alrededor de su eje, entonces, además del flujo de aire creado por el movimiento de la pelota, hay también un flujo de aire leve que gira alrededor de la pelota debido a la densidad del aire. Miremos lo que sucede con estos dos flujos de aire cuando se encuentran, si suponemos que la pelota se está moviendo en el sentido contrario a las agujas del reloj y gira a la derecha en el aire.


Cuando la pelota se mueve a la derecha mientras está girando a la izquierda, el flujo de aire causa un desvío del movimiento del aire hacia abajo (por lo tanto, el efecto Magnus empuja hacia arriba) Ilustración: Avi Saig

Tal como se puede ver en la ilustración de arriba, el flujo de aire que se divide en la parte superior de la pelota se encuentra y se mezcla con la capa fina de aire que gira en su parte superior (las flechas verdes), moviéndose en la misma dirección. Como resultado de esta fusión, este flujo de aire sigue moviéndose alrededor de la pelota, de manera que la pelota luego cambia de dirección junto con la capa de aire que está girando hacia abajo. Aquí entra en juego la tercera ley del movimiento de Newton (el mismo Newton que ya mencionamos): “Para cada acción hay una reacción igual magnitud y sentido contrario”. Una demostración simple de esta ley se hace apoyando la mano en la pared y empujando. Sentiremos inmediatamente que, cuanto más empujamos, más se resiste la pared (o empuja a su vez en la dirección contraria), como si la pared estuviera aplicando fuerza. De hecho, si el piso es lo suficientemente liso, sería muy posible que, como resultado de todo el empuje, nos deslicemos hacia atrás, alejándonos de la pared.

La tercera ley de Newton es el principio en el que se basa el movimiento de los cohetes y los aviones de reacción: estos empujan o liberan una enorme cantidad de gas a alta presión en una dirección y, por lo tanto, se mueven en la dirección contraria. Y eso es lo que sucede con los vasos de papel de nuestro experimento o con la pelota que gira: el movimiento giratorio crea un empuje o un desvío del aire hacia abajo. Según la tercera ley de Newton, ¡el desvío del aire hacia abajo es lo que empuja los vasos de papel hacia arriba! De la misma manera, según el eje y la dirección de giro de una pelota pateada con efecto (o los vasos tirados al aire en dirección vertical a la tierra que mostramos en el video, minuto 3:28), si se empuja el aire hacia la izquierda, la pelota se desviará hacia la derecha y viceversa.

Si nos fijamos en el flujo de aire que se divide en la parte inferior de los vasos o de la pelota, veremos que este se junta y fusiona con la capa fina de aire que gira en la parte inferior de los vasos o la pelota, que se mueven en dirección contraria. Al moverse en direcciones opuestas, el resultado de su fusión es que se anulan entre sí. Por lo tanto, el flujo de aire que se había desviado del flujo central no sigue junto con la capa fina de aire que gira hacia arriba: así que no hay ninguna fuerza empujando hacia abajo. De hecho, la fusión de los flujos de aire contrarios crea una presión del aire que es un poco mayor en la parte inferior de los vasos (o de la pelota), lo cual ayuda a empujar hacia arriba (o a la izquierda o a la derecha, según el movimiento giratorio de la pelota).

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