La pelota de golf, un ejemplo de la evolución de la química de materiales

En los Juegos Olímpicos de París 2024 la competición de golf, que se disputa en el recorrido de Le Golf National (el mismo que acoge anualmente el Open de Francia en el DP World Tour y que fue sede de la Ryder Cup en 2018), celebra una onomástica muy especial. Este deporte se estrenó como modalidad olímpica hace ciento veinticuatro años en los JJOO de 1900 celebrados precisamente en esta misma ciudad. Por esta razón, y por las diferentes disciplinas científicas que se esconden tras la bola de golf, he seleccionado este deporte para ser el protagonista del artículo de hoy de Ciencia Olímpica.

Hasta el siglo XVII, las pelotas de golf se fabricaban con madera maciza. A partir de ese momento, se comenzó a usar un diseño con una cubierta de cuero llena de plumas de oca. Para crear estas pelotas, conocidas como featheries, el primer paso consistía en calentarlas en agua hirviendo, lo que aumentaba su peso. Luego, se colocaban en una pequeña bolsa de cuero. Cuando el cuero se enfriaba y secaba, se contraía y las plumas se expandían, formando una bola compacta. Posteriormente, se pintaban de blanco. Estas pelotas volaban mejor que las de madera, alcanzando distancias de entre 140 y 160 metros. Sin embargo, las featheries eran mucho más costosas debido a su fabricación artesanal y no eran perfectamente redondas, lo que provocaba un vuelo irregular. Además, en condiciones húmedas, las cuerdas que cosían la bolsa de cuero tendían a pudrirse, haciendo que las pelotas se abrieran y reduciendo su durabilidad.

José Manuel López Nicolás

En 1845, se encontró una solución a este problema con la introducción de la gutapercha, un tipo de goma translúcida, sólida y flexible. Hoy en día, se utiliza en la fabricación de telas impermeables y para el aislamiento de cables eléctricos, gracias a sus excelentes propiedades como aislante. La relación de la gutapercha con el golf es bastante estrecha. Durante muchos tiempo, el látex derivado de la gutapercha se calentaba en agua y luego se moldeaba hasta formar una bola sólida. Las pelotas de golf hechas de este material podían recorrer largas distancias al ser golpeadas y, a diferencia de las featheries, eran extremadamente duraderas.

Desde un punto de vista químico, la gutapercha y el caucho son polímeros del isopreno, una molécula ampliamente utilizada en la industria. Sin embargo, tienen dos diferencias clave. El caucho es un isómero cis, mientras que la gutapercha es un isómero trans, lo que le confiere una elasticidad mucho menor. Además, el peso molecular de la gutapercha es al caucho. Estas características hacen que la gutapercha sea fácilmente moldeable en una esfera cuando se calienta, resultando en una pelota muy lisa y resistente conocida como Gutty. Sin embargo, estas pelotas no podían alcanzar las distancias logradas por las featheries. Posteriormente, la balata, un caucho similar a la gutapercha, pero con propiedades diferentes, reemplazó a la gutapercha como el principal material para fabricar pelotas de golf.

A finales de los años 50, la conocida multinacional química DuPont desarrolló un material llamado ionómero, que comercializó bajo el nombre de Surlyn. Cuando la balata fue reemplazada por Surlyn, las pelotas de golf empezaron a alcanzar mayores distancias. No obstante, aún conservaban una cubierta cosida sobre un núcleo de caucho, lo que resultaba en un vuelo irregular. Para resolver este problema, se creó la primera pelota sin costuras, con un núcleo de caucho sintético compuesto por polibutadieno y una cubierta de una sola pieza de poliuretano. Esto permitió que las pelotas alcanzaran distancias significativamente mayores.

Las pelotas de golf modernas tienen un peso máximo de 45,93 gramos, un diámetro mínimo de 42,67 mm, y no pueden superar una velocidad de 76 metros por segundo. Su estructura incluye una capa exterior de poliuretano y tres capas internas hechas de diferentes materiales. Estas capas están diseñadas para adaptarse a distintos tipos de palos y se comprimen para aumentar la velocidad.

La ciencia también influye en el diseño de los agujeritos en las pelotas de golf. Distintas investigaciones descubrieron que una pelota punteada volaba más lejos que una lisa. Este hallazgo llevó rápidamente a la creación de varios diseños, y desde 1930, la pelota de golf con agujeritos se ha convertido en el estándar. Como imaginarán, el vuelo de una pelota de golf está influenciado por la resistencia aerodinámica del aire que la rodea. Esta resistencia depende del tipo de flujo de aire alrededor de la pelota, que puede ser laminar o turbulento. En la dinámica de fluidos, el flujo laminar se caracteriza por trayectorias suaves y regulares de las partículas del fluido, mientras que el flujo turbulento se distingue por el movimiento irregular de dichas partículas.

Si la pelota de golf fuera completamente lisa, el flujo de aire a su alrededor sería laminar, lo que resultaría en una mayor resistencia aerodinámica. No obstante, los agujeros en la pelota causan que el flujo pase de laminar a turbulento, reduciendo así la resistencia y permitiendo que la pelota alcance mayores distancias. Este cambio en el flujo puede medirse con el número de Reynolds, siendo este parámetro más alto en una esfera lisa que en una rugosa, como una pelota de golf

José Manuel López Nicolás

Investigaciones recientes han analizado la resistencia aerodinámica de pelotas de golf con hoyuelos de diversas formas (cuadrados, rectangulares, hexagonales). Los estudios han demostrado que las pelotas con hoyuelos hexagonales tienen un número de Reynolds menor, lo que reduce la resistencia y permite que vuelen más lejos. Por lo tanto, no sería sorprendente que en el futuro veamos pelotas de golf con agujeros hexagonales.

La sustentación es otra fuerza aerodinámica que influye en el vuelo de una pelota de golf. Aunque muchas personas piensan que el giro de la pelota reduce su tiempo en el aire, la realidad es lo contrario. A finales del siglo XIX, el físico matemático escocés P.G. Tait descubrió que una pelota lanzada con efecto sobre un eje horizontal, con la parte superior girando hacia el golfista, genera una fuerza de sustentación. Hoy en día, este giro se conoce como «efecto de retroceso» o backspin entre los golfistas.

El backspin aumenta la velocidad del aire en la parte superior de la pelota y la reduce en la parte inferior. Según el Principio de Bernoulli, que describe el comportamiento de un fluido en movimiento, cuando la velocidad del aire aumenta, la presión disminuye. Por lo tanto, la presión en la parte superior de la pelota es menor que en la parte inferior. Esta diferencia de presión produce una fuerza de sustentación que mantiene la pelota en el aire y finalmente la hace aterrizar en el campo de golf.

Estimados lectores de Muy Interesante, espero que tras leer este artículo se fijen detenidamente en las pelotas de golf que reinarán durante los JJOO de París 2024… son un gran ejemplo de la evolución de la química de materiales.