Física y Deporte

Las marcas en el deporte mejoran constantemente gracias al esfuerzo humano y a los nuevos diseños y materiales. Largas horas de entrenamiento, mejores ropas y calzado, nuevos motores o nuevas pértigas y raquetas convierten el deporte en un espectáculo extraordinario. Pero hay algo que permanece inmutable a lo largo de los años, que son las leyes de la Física que lo rigen. Por qué la trayectoria de un balón de fútbol tiene un recorrido tan especial cuando se lanza el balón con efecto, por qué un coche hace un trompo o las piruetas de un avión pueden explicarse por las leyes de la Física. Veamos cómo algunas de estas leyes se aplican a la navegación a vela, que es un deporte que requiere una gran pericia.

Supongamos que tenemos el velero de la figura que sigue, cuya silueta se ha dibujado en color rojo y vamos a estudiar las fuerzas que actúan sobre su vela y cómo ésta las transmite al velero. El viento viene como se indica en la figura y la vela, pintada en azul con trazo muy grueso, ha sido colocada por un marinero en la posición que se ha dibujado, en función de cómo viene el viento y hacia dónde queremos avanzar.

Cuando las líneas de flujo del viento se encuentran con la vela, parte del aire circulará por su cara exterior y parte por la interior. Como por la parte exterior de la vela el recorrido es más largo que por la interior, las líneas se estiran y se juntan y el aire circula por ella a mayor velocidad que por la superficie interior. Por el principio de Bernoulli, este incremento de la velocidad se compensa con una menor presión del viento en la cara exterior. El resultado es que la presión del aire sobre la cara interior de la vela es mucho mayor que la de la cara exterior, dando lugar a la aparición de una fuerza sobre la vela como la fuerza FR dibujada en verde en la figura. Este mismo principio es el que da lugar a la fuerza hacia arriba que reciben las alas de un avión, que es capaz de sustentarlo cuando la velocidad del avión es suficientemente elevada.    

La fuerza resultante FR actúa de la misma manera que lo harían por separado sus dos componentes, FA y FT. La primera impulsará el velero hacia adelante y la segunda será neutralizada por su resistencia a desplazarse en ese sentido, lo que se consigue manejando adecuadamente el timón. La fuerza FA, que es la que empuja el velero, es la fuerza más importante de todas las qua actúan sobre él. También es interesante considerar la reacción que ejerce el barco para evitar su desplazamiento lateral debido a FT. Lo más importante de este juego de fuerzas es que FT y su reacción no pueden estar alineadas, porque, además de otras razones, la posición de la vela no es siempre la misma. Al no estar alineadas, estas dos fuerzas dan lugar a un par de giro que se equilibra con la resistencia del agua y la ayuda del timón, dando lugar a que la línea de avance y el eje longitudinal del velero no coincidan y el velero avance un poco escorado hacia un lado.

Como la figura que se ha dibujado es genérica, se entiende que un velero puede navegar con cualquier viento lateral, y que la fuerza que lo empuja no es la fuerza debida al impacto directo del viento sino la debida la diferencia de presión en la vela por el principio de Bernoulli. Con un viento de popa también podría navegar. Para navegar contra un viento de proa tendría que hacerlo en zig-zag. Las mayores velocidades se alcanzan con vientos que vengan de costado, con ángulos distintos para cada velero en función de su diseño. Lo más sorprendente de todo esto, sobre todo para un profano, es que la velocidad de un velero puede ser mayor que la velocidad del viento que lo empuja. Esta aparente paradoja se aprecia muy bien viendo navegar por un lago una tabla de windsurf, cuyas velas también obedecen al principio de Bernoulli.

Los diseños que se hacen actualmente para los veleros de competición son realmente asombrosos: la vela principal es una vela de doble hoja capaz de adoptar un perfil de ala de avión sumamente favorable en cualquier condición de viento; los veleros se levantan de forma discrecional sobre dos brazos laterales que sumergen en el agua dos planchas o alerones, que también tienen forma de ala de avión y son empujadas hacia arriba por el efecto Bernuilli aplicado a las láminas de agua; y el ángulo de ataque del viento se optimiza con una vela auxiliar que a modo de foque va por delante de la principal. Todo el diseño es absolutamente aerodinámico. Como dicen sus creadores, estos veleros están hechos para volar. En el video que sigue se ve casi volando sobre el agua al velero AC75 en una competición. También pueden verse los brazos de los alerones que los sustentan por encima del agua.

La tabla siguiente muestra valores reales correspondientes a las embarcaciones de Nueva Zelanda y Reino Unido durante una regata. Todas las velocidades superan con creces a la del viento, que siempre estuvo comprendida entre 14 y 19 nudos.

Velocidades	NZ	UK
Velocidad media del barco navegando contra el viento	31,39 nudos	29,35 nudos
Velocidad media del barco navegando a favor del viento	36,88 nudos	35,57 nudos
Máxima velocidad del velero	42,80 nudos	40,47 nudos

 Ahora que se va a celebrar la trigésimo sexta Copa América de Vela (6-21 de Marzo), tendremos una buena ocasión para ver cómo navegan estas embarcaciones.

Vídeo completo: The AC75|Designed to Fly, de America´s Cup, en youtube.com

Fotografía: Pixabay