Tal vez hayas visto en un partido de fútbol cómo el balón, tras un tiro libre, supera la barrera defensiva, traza una curva pronunciada y se cuela por una esquina de la portería. En el tenis de mesa o en el tenis, un golpe cortado también puede hacer que la pelota se desvíe de repente o caiga en picado en el lado del rival. ¿Cómo puede variar tanto la trayectoria de una misma pelota?
Dicho de forma sencilla, el efecto Magnus es el fenómeno por el cual un objeto que gira mientras se desplaza por el aire o el agua recibe una fuerza perpendicular a su dirección de avance y se desvía. Su nombre oficial, efecto Magnus (Magnus Effect), procede del físico alemán Heinrich Gustav Magnus, que lo demostró experimentalmente en 1852.
En este artículo veremos, por orden, cómo se descubrió el efecto Magnus, por qué la rotación genera una fuerza lateral, cómo se aprovecha en el deporte, en los barcos y en los aviones, y qué limitaciones tiene.
El efecto Magnus y sus aplicaciones
Una observación que empezó con una pelota de tenis
Isaac Newton fue el primero en dejar por escrito que una pelota en rotación se desvía. En una carta sobre la luz de 1672, recordó cómo en Cambridge una pelota de tenis había volado en curva al recibir un golpe con la raqueta inclinada y explicó que la rotación hacía que la pelota empujara el aire con más fuerza hacia un lado.
En 1742, el experto británico en balística Benjamin Robins descubrió que la rotación hacía que las balas se desviaran lateralmente y erraran el blanco. Colgó una bola de madera de una cuerda retorcida y la puso a oscilar. Así mostró que, cuando la cuerda se desenroscaba y la bola empezaba a girar, la dirección de la oscilación se desviaba hacia un lado.
Más tarde, en 1852, Magnus, de la Universidad de Berlín, utilizó un soplador para dirigir una corriente de aire contra un cilindro de latón que giraba rápidamente. En cuanto el cilindro empezó a girar, se desplazó claramente en dirección perpendicular a la corriente de aire, y el fenómeno recibió su nombre.
Cómo la rotación genera una fuerza lateral
El efecto Magnus se debe a que el aire fluye a distinta velocidad sobre la superficie de cada lado de un objeto en rotación. Es fácil entenderlo paso a paso.
(1) La superficie arrastra el aire al girar
Al girar, la superficie de la pelota arrastra consigo la fina capa de aire con la que está en contacto. Así, el aire que rodea la pelota también se mueve ligeramente en el sentido de su rotación.
(2) El aire fluye a distinta velocidad a cada lado
El aire fluye más rápido en el lado donde la superficie de la pelota se mueve en el mismo sentido que la corriente de aire. En el lado opuesto, donde la superficie se mueve a contracorriente, el aire fluye más despacio.
(3) Se produce una diferencia de presión
La presión disminuye en el lado donde el aire fluye más rápido y aumenta en el lado donde fluye más despacio. La corriente de aire que pasa por detrás de la pelota también se desvía hacia un lado.
(4) La pelota es empujada hacia el lado de menor presión
Cuando el aire se desvía hacia un lado, la pelota recibe por reacción una fuerza hacia el lado opuesto, es decir, hacia el de menor presión. Como esta fuerza es perpendicular a la dirección de avance, la trayectoria de la pelota se curva.
Esta fuerza aumenta con la velocidad de la pelota, su velocidad de rotación y su tamaño. Se manifiesta en cualquier fluido, como el aire o el agua.
Fuente: NASA Glenn Sustentación de un cilindro giratorio · Sustentación de un balón de fútbol · Elaborado por GK Library
Aplicaciones en el deporte y en el mar
El efecto Magnus se ve más a menudo en el campo de juego que en los libros de ciencias. Los deportistas aprovechan esta fuerza con sus movimientos, aunque desconozcan su nombre.
- Tiro con efecto en fútbol (Curve Kick). Al golpear un costado del balón para hacerlo girar sobre su eje vertical, este rodea la barrera defensiva y entra con una pronunciada curva lateral.
- Lanzamiento con efecto en béisbol (Breaking Ball). La bola curva cae por su rotación hacia delante, mientras que la rotación hacia atrás de la bola rápida ralentiza su caída y hace que parezca elevarse.
- Tenis de mesa y tenis (Topspin and Backspin). Al golpear la pelota con un movimiento ascendente, esta cae rápidamente. Con un golpe cortado hacia abajo, la pelota se eleva y recorre una mayor distancia.
- Buque con velas de rotor (Rotor Ship). En 1926, el alemán Anton Flettner cruzó el Atlántico a bordo del Baden-Baden, equipado con dos enormes cilindros en lugar de velas. Hoy se vuelven a instalar velas de cilindros giratorios en buques de carga para ahorrar combustible.
La pelota de golf también vuela más lejos gracias a su rotación hacia atrás, con un giro hacia abajo que genera una fuerza ascendente. Las pequeñas hendiduras de su superficie, llamadas hoyuelos, desplazan hacia atrás el punto donde el aire se separa de la superficie de la pelota, lo que reduce la resistencia aerodinámica.
Qué conviene tener en cuenta al estudiar el efecto Magnus
El efecto Magnus se observa fácilmente, aunque es más complejo de lo que parece. Para entenderlo bien, conviene conocer algunos errores comunes y sus limitaciones.
Errores comunes y limitaciones
- Explicación basada solo en Bernoulli (Bernoulli-only Explanation). La relación entre velocidad y presión por sí sola es insuficiente. Para explicar el fenómeno con precisión, también hay que considerar la capa de aire junto a la superficie y cómo se desvía el flujo por detrás del objeto.
- Efecto Magnus inverso (Inverse Magnus Effect). A determinadas velocidades, puede cambiar la forma en que la capa de aire se separa de la superficie de una pelota lisa, lo que a veces hace que la pelota se desvíe en el sentido contrario.
- Relación entre la velocidad de rotación y la de avance (Spin-to-Speed Ratio). Si la rotación es demasiado lenta, la trayectoria apenas se curva. En ciertas condiciones, la curvatura se acentúa a medida que la pelota pierde velocidad, de modo que al final del vuelo puede parecer que se desvía bruscamente.
- Límites prácticos (Practical Limits). Desde la década de 1910 se han ensayado aviones con cilindros giratorios, pero el esfuerzo necesario para hacer girar los cilindros y su peso impidieron que sustituyeran a las alas.
En definitiva, el efecto Magnus resulta de la interacción de la rotación con la forma, la superficie y la velocidad del objeto, así como con el flujo que lo rodea. Por eso, incluso un mismo tiro puede curvarse de forma diferente según el tipo de balón y las condiciones meteorológicas.
El efecto Magnus es un fenómeno físico conocido desde hace mucho tiempo. Su estudio comenzó con la pelota de tenis que observó Newton, pasó por el experimento de Magnus con el cilindro y llega hasta los actuales lanzamientos con efecto en el deporte y las velas giratorias en el mar. Incluso sobre una sola pelota en vuelo actúa continuamente una corriente de aire invisible.
Aprender a reconocer esas diferencias en un flujo invisible es el primer paso para comprender el movimiento desde la física.
