F=ma. Fuerza es igual a masa por aceleración. Es la segunda ley de Newton, y no solo es clave para aprobar Física o para ser ingeniero — también es central en el deporte. Un artículo publicado en el American Journal of Sports Science sostiene que conocerla es esencial para entender el rendimiento físico y, al mismo tiempo, ayuda a prevenir lesiones.
Cómo la segunda ley de Newton explica el deporte
Cuando una persona se mueve, ejecuta una acción que implica transferencia de fuerzas. Con la segunda ley de Newton se puede calcular cuánta fuerza hace falta para mover el cuerpo a la velocidad deseada. Es una fórmula que sirve para entender desde la fuerza necesaria en natación para impulsarse contra la pared (junto con variables como la resistencia del agua y la biomecánica), hasta el lanzamiento de bala, o, en deportes como el fútbol y el básquet, para estudiar el impulso necesario para alcanzar determinada altura en un salto vertical.
Los investigadores recomiendan incorporar el deporte a metodologías basadas en la indagación y en herramientas multimedia interactivas, porque mejoran la capacidad de los estudiantes para aplicar los principios de la física de forma efectiva.
Aplicaciones prácticas en el entrenamiento y la prevención de lesiones
En las ciencias del deporte de hoy, ya no hace falta trabajar en un laboratorio con atletas. Con cámaras de movimiento y sensores portátiles se puede obtener información precisa de cada zancada en una carrera o cada despegue en un salto, para planificar entrenamientos personalizados a partir de datos recolectados en tiempo real. También permite detectar si un jugador carga demasiado peso en una pierna, si salta con la fuerza correcta, y evaluar el riesgo de lesión. Aunque hacen falta modelos biomecánicos complejos y una calibración meticulosa de las herramientas, todos los cálculos parten de F=ma.
El deporte como herramienta para enseñar física
Por eso los investigadores recomiendan incorporar el deporte a metodologías basadas en la indagación y en el uso de herramientas multimedia interactivas: mejoran la capacidad de los estudiantes para aplicar los principios de la física de forma efectiva. F=ma es una simplificación útil, pero con otros ejemplos se pueden considerar fuerzas más múltiples y complejas (fuerzas internas, fricción, resistencia, etc.).
El programa para estudiantes que propone el American Journal of Sports Science incluye:
- Lanzamiento de martillo: en esta técnica se puede verificar la relación entre fuerza, masa y aceleración para lograr buenas velocidades de lanzamiento.
- Entrenamiento de resistencia neumática: una herramienta que aporta resistencia con aire comprimido proporcional a la fuerza ejercida sobre ella. Una técnica que estresa menos las articulaciones que las pesas.
- Estudio sobre aceleraciones de cabeza en remates de balón: F=ma resultó una ley fundamental para medir impactos, lo que llevó a recomendar reducir la presión de inflado de los balones para disminuir el riesgo de lesión en jugadores jóvenes.
- Estudios sobre la presión que se ejerce contra el suelo al correr o saltar. Con F=ma se puede calcular con muchísima precisión cuánta fuerza ejerce el cuerpo contra el piso.
- Análisis de la dinámica de fuerzas en el sistema musculoesquelético: hay numerosos estudios en este campo realizados con F=ma, como los que analizan las propiedades elásticas del hueso cortical (la parte externa de los huesos) para relacionar la dinámica de fuerza y desplazamiento de la estructura ósea y su capacidad de carga, o investigaciones que midieron el impacto del entrenamiento de fuerza sobre el rendimiento muscular.
Como sostienen los estudios de pedagogía, estudiar física no sirve solo para "saber más": también ayuda a los estudiantes a pensar mejor, resolver problemas y desarrollar habilidades científicas que les sirven para el resto de la vida. Hay prácticamente unanimidad en la literatura científica en que el modelo de indagación guiada — donde el docente incentiva a los propios estudiantes a investigar, experimentar y descubrir — mejora sus resultados.
Usar el deporte para dar ejemplos en clase es una opción óptima, porque sigue siendo uno de los entretenimientos favoritos de los más jóvenes. El estudio que citamos se centró en la segunda ley de Newton, pero sus tres leyes sirven para explicar todas las disciplinas deportivas, incluso en sus aspectos más sofisticados.
La física para optimizar el rendimiento deportivo
Por ejemplo, como explicó un grupo de científicos deportivos chinos, la primera ley de Newton dice que si algo está quieto, se mantiene quieto, y si algo se mueve, sigue moviéndose a menos que algo lo frene o lo empuje. Esta teoría, aplicada al rendimiento físico, tiene matices importantes. Cuando un atleta corre a un ritmo constante, sin cambios de velocidad, aceleraciones ni frenadas, gasta menos energía y por lo tanto logra mejores marcas. Lo mismo pasa con las flexiones de brazos: si no te detenés entre una y otra, el cuerpo aprovecha la inercia para continuar. Mantener el movimiento optimiza el rendimiento en muchos contextos deportivos.
En el caso de la tercera ley — que dice que cuando empujamos algo, ese algo nos empuja de vuelta con la misma fuerza pero en dirección opuesta — se puede aplicar a los saltos. Al empujar el suelo hacia abajo con los pies, el suelo devuelve esa fuerza hacia arriba, lo que nos hace despegar. Es un principio válido tanto para los tacos de salida en atletismo como para el borde de la pileta en natación.
Otra modalidad didáctica es enseñar física e historia del deporte al mismo tiempo. Un ejemplo es el Fosbury Flop, la técnica revolucionaria de salto de altura que introdujo Dick Fosbury en México 1968, donde se llevó la medalla de oro. Usó una carrera curva para generar una rotación natural del cuerpo, se impulsó con el pie exterior (el más alejado del listón) para elevar el centro de gravedad y, durante el vuelo, giró el cuerpo para orientar la espalda hacia el listón y arquearla, facilitando el pasaje por encima. Antes de ese día, los saltadores usaban la técnica vertical (con el pecho hacia abajo al girar), el rodillo ventral (de costado), o las tijeras — pasando primero una pierna y después, siguiendo el movimiento, la otra. Fosbury, sobre todo, supo aprovechar mejor la inercia. Su técnica terminó convirtiéndose en el estándar universal.
En el salto con garrocha también se puede apreciar perfectamente la conservación de la energía y la acción y reacción de la tercera ley de Newton. La energía química que produce el cuerpo del atleta se transforma en energía cinética durante la carrera, en energía potencial elástica cuando se flexiona la garrocha, y en energía potencial gravitatoria y cinética al impulsarlo hacia el listón.
Para entender la inercia se puede aplicar el ejemplo del patinaje artístico: al abrir los brazos, la masa se aleja del eje y el giro se hace más lento; al cerrarlos, la masa se acerca al centro de rotación y el giro se acelera.
Cuando la patinadora gira sobre sí misma y abre los brazos, lo hace más lento, porque su masa está más lejos del eje y eso hace mayor el momento de inercia. En cambio, si acerca los brazos y una pierna hacia el cuerpo, la masa queda más cerca del centro de rotación, reduciendo el momento de inercia y provocando que el cuerpo aumente la velocidad de giro.
En el fútbol, además de todas las posibilidades que ofrecen la carrera, la aceleración y el salto, está el remate con efecto. Cuando se patea con rosca, entra en juego el efecto Magnus. Si la pelota se golpea de un lado, en vez de en el centro, sale girando sobre sí misma. Esa rotación hace que el aire se mueva más rápido de un lado que del otro, generando una diferencia de presión que curva la trayectoria de la pelota. En el básquet, el efecto más común es el backspin: la pelota gira hacia atrás sobre sí misma, de modo que al golpear el tablero rebota hacia abajo en vez de salir despedida.
Lecturas esenciales sobre física del deporte y biomecánica
Sobre todos estos temas, y para todo tipo de deportes, hay varios libros publicados. La saga en dos volúmenes The Physics of Sports, coordinada por Angelo Armenti, profesor de Física en la Universidad de California, donde se explican todos los deportes en términos de las leyes fundamentales de la física. Physical Laws and Athletic Performance, de Peter Brancazio, profesor de Física en Brooklyn College, donde se analizan técnicas deportivas desde la física, la biomecánica y la anatomía. Y un clásico para estudiantes de ciencias del deporte: The Biomechanics of Sports Techniques, de James G. Hay, que explica la fisiología del movimiento desde la física.