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Piedras y hielo: la física del Curling


Entrada escrita por Víctor Buendía Ruiz-Azuaga

Esta semana he tenido la oportunidad de asistir a un partido en directo de curling, durante la Universiada de Invierno que se celebra en Granada. Tras ver un buen partido, y realizar una pequeña investigación, he descubierto que un movimiento aparentemente muy simple da para escribir bastantes artículos científicos y generar un debate interesante sobre dinámica. Aquí os traigo un resumen de cómo funciona un deporte que, si bien no es muy conocido, sí que es realmente interesante, tanto desde el punto deportivo, como desde el físico.

El curling

Para comenzar, voy a explicar brevemente en qué consiste este deporte. La pista de curling es una pista de hielo, de unos 45 metros de largo y 5 de ancho. Juegan dos equipos, de cuatro personas. Desde un extremo de la pista debe hacerse deslizar una piedra de granito de unos 20 kg hasta el otro extremo, donde hay una diana pintada. Se trata de que en el lanzamiento se aproxime los más posible al centro de la diana. Se juega por turnos, lanzando cada equipo una piedra, y la estrategia consiste principalmente en defender las piezas propias y tratar de golpear las del rival para echarlas de la diana. Para más emoción, la trayectoria de la piedra puede controlarse después de ser lanzada, barriendo (literamente) el hielo con fuerza.  En cada ronda se lanzan 8 piedras de cada equipo, y al final hay recuento de puntos, que gana el equipo que aproxime más su piedra al centro. El partido termina tras 10 rondas.

Y si no le queda demasiado claro, un vídeo donde se ve a los jugadores en acción resuelve algunas dudas.

Hay que hacer notar que lo de barrer, si bien no parece tener efecto cuando la piedra va muy rápido, sí se aprecia realmente cuando las piedras avanzan lento. Cuando se quiere mover una piedra que está a punto de pararse, se frota con ganas. Los espectadores verán que la piedra tarda muchísimo más en detenerse, permitiendo sacar de la diana piedras del rival o mover las propias hasta una mejor posición.

El movimiento de las piedras

Sin embargo, el curling plantea alguna que otra pregunta a cualquiera que observe con atención. Por ejemplo, en las piedras lanzadas en las primeras rondas, que se colocan con suavidad para establecer y defender las posiciones de la diana, se puede observar cómo la piedra gira sobre sí misma. Y este giro, además, permite desplazarse a la piedra a la izquierda o a la derecha. Los lanzadores juegan con esto para añadir efecto a sus tiradas.

Lo curioso es lo siguiente: una piedra que, vista desde arriba, gire en el sentido contrario de las agujas del reloj, se mueve hacia la izquierda del lanzador. No hay ningún problema hasta aquí, parece. Si alguien lo piensa lo suficiente, podría llegar a la conclusión de que lo que ocurre es lo siguiente: por algún motivo, hay algo que frena ligeramente a la piedra en el lado izquierdo y le hace rotar. Al avanzar más rápido por el lado derecho, obviamente se desvía a su izquierda.

Sin embargo, este razonamiento es completamente falso. De hecho es un comportamiento muy extraño: le propongo que coja un vaso de cristal, boca abajo, sobre una superficie deslizante, y lo lance “con efecto” haciéndolo girar en el sentido contrario a las agujas del reloj (¡cuidado de no romper el vaso!). Si lo hace bien, observará que el vaso se desvía hacia la derecha. ¿Por qué entonces la piedra de curling se desvía hacia la izquierda?

Por otro lado, lo primero que todo el mundo se pregunta es por qué afanarse tanto en barrer el hielo. La idea intuitiva que uno piensa es que se raspa o se alisa, con lo cual la piedra puede deslizar mejor, y en realidad parece una idea tan bien ajustada a la realidad que nadie le da demasiadas vueltas más. Sin embargo, lo que ocurre es algo totalmente distinto y está directamente relacionada con la cuestión anterior.

¿Cómo funciona?

Sobre el hielo suceden muchos efectos, como vamos a ver, tanto mecánicos como termodinámicos, que complican bastante el tratamiento del problema. Un análisis exhaustivo requiere ver la asimetría de las fuerzas de rozamiento (que ayudan a la rotación de la piedra) y un análisis caso por caso de los efecto termodinámicos. El que esté interesado en ver el efecto paso a paso puede consultar las referencias de los artículos técnicos que señalo al final, los cuales contienen unas discusiones cualitativas más detalladas. Aquí me conformaré con una explicación más para andar por casa.

Primero, debemos fijarnos bien tanto en la preparación de las piedras como en la de pista. Comencemos con la pista. Esta no es solo una pista de hielo normal y corriente como las de patinaje, sino que una vez se ha terminado de hacer la capa de hielo, se lanza agua pulverizada sobre la pista. Este agua se congela y la superficie de contacto de la pista en realidad es una especie de papel de burbujas. Esto es bueno, puesto que al haber menos superficie de contacto, las piedras pueden deslizar mucho mejor.

Ilustración 1: Representación esquemática de la pista de curling. En lugar de ser hielo plano, está salpicado por pequeñas gotitas de agua congeladas.

Ilustración 1: Representación esquemática de la pista de curling. En lugar de ser hielo plano, está salpicado por pequeñas gotitas de agua congeladas.

En el caso de las piedras las piedras, que parecen tener una base plana, en realidad por debajo están ligeramente hundidas hacia adentro, de modo que la superficie de contacto al final resulta ser un anillo de unos pocos milímetros de grosor, reduciendo nuevamente la superficie de contacto, y aumentando la presión sobre el hielo. La idea más aceptada actualmente es la que proponen Shegelski y su equipo de investigación: cuando la piedra avanza, es capaz de fundirlo ligeramente, gracias al efecto combinado de la presión y del movimiento de la piedra. Al fundirse, aparece una fina capa de agua, que reduce el rozamiento de la piedra. La capa no dura mucho en estado líquido, sino que vuelve a congelarse rápidamente. Por tanto, generalmente en la parte frontal de la piedra el rozamiento es menor que en la trasera, debido a la capa de agua. Esto depende también de factores como la velocidad de la piedra y su velocidad de rotación, pero, en general, la diferencia de rozamiento entre la partes frontal y trasera es lo que le diferencia del vaso que gira alrededor de la mesa, y es el verdadero artífice de la desviación. Además, la piedra es capaz de ir transportando una pequeña cantidad de agua en su movimiento, de modo que el efecto del líquido es mayor en la última fase del movimiento de la piedra.

Ilustración 2: Una piedra de curling de los años 70. Podemos observar que la base no es plana y en realidad se apoya únicamente sobre un pequeño anillo.

Ilustración 2: Una piedra de curling de los años 70. Podemos observar que la base no es plana y en realidad se apoya únicamente sobre un pequeño anillo.

Por otra parte esto ayuda a entender por qué ese interés en frotar el hielo. Cuando se barre, lo que hacemos en realidad es aumentar su temperatura, y, por tanto, que se funda con mayor facilidad, reduciendo mucho el rozamiento de la piedra.  También, al reducir mucho el rozamiento de la piedra, se reduce la desviación que esta sufre debido a su rotación. Barrer sirve para mantener la piedra en línea recta, y ayudar por tanto a los lanzamientos con efecto.

Si bien esta idea ha dado unos resultados bastante buenos con respecto a lo que hacen las piedras de curling de verdad, otro grupo de científicos difiere de esta interpretación y prefiere explicar el efecto de rotación de las piedras mediante pequeñas asimetrías debido a la interacción del suelo burbujeado de la pista y el anillo de piedra. De momento, el debate está abierto y cada grupo sigue su línea de investigación.

Y además, basado en estas mismas investigaciones podéis ver este excelente vídeo que seguro que aclarará muchas más cosas, especialmente si sabéis inglés.

Referencias

  • Shegelski, M. R. A. and Jensen, E. T. The motion of curling rocks: experimental investigation and semi-phenomenological description. Canadian Journal of Physics. 82; 791-809. (2004).
  • Shegelski, M. R. A. and Jensen, E. T. The Motion of a Curling Rock: Analytical Approach. Canadian Journal of Physics. 78; 857-864. (2000).
  • Shegelski, M. R. A., Reid, M., and Niebergall, R. The Motion of Rotating Cylinders Sliding on Pebbled Ice. Canadian Journal of Physics. 77; 847-862. (1999).
  • Nyberg H., Alfredsson, S., Hogmark, S., and Jacobson, S. The asymmetrical friction mechanism that puts the curl in the curling stone. Wear. 301; 583–589. (2013)

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