La física básica del patinaje



Aunque la primera impresión desde la perspectiva de un neófito es que en los patinadores deslizamos o rodamos porque los pies tienen ruedas lo cierto es que no somos magos ni tenemos superpoderes. Los patinadores somos expertos en algunas de las leyes fundamentales de la Física aunque algunos no sean conscientes de ello. Aparte de nuestra propia fuerza de empuje, los patinadores sabemos aprovecharnos de otras "fuerzas del universo" y de que la línea recta no siempre es el camino más corto (rápido).

Primera ley de Newton:

Un objeto en reposo permanece en reposo o, si está en movimiento, permanece en movimiento a una velocidad constante, a menos que una fuerza externa neta actúe sobre él.

La ley de la inercia, como se conoce habitualmente, nos desvela que si ninguna fuerza nos afectase con el primer empujón en patines rodaríamos sin parar a una velocidad constante en línea recta, que cuando estamos parados sobre los patines estos no rodarían solos en las cuestas abajo, que nos cansaríamos igual cuesta arriba que cuesta abajo, que el viento no nos aceleraría o nos frenaría dependiendo de la dirección y el sentido, que daría igual cual fuese la postura de nuestro cuerpo y por tanto el centro de masas, y que existe la fricción entre las ruedas y el suelo o las bolitas de los rodamientos.

Para vencer a todas esas fuerzas que nos quieren impedir disfrutar nos aprovechamos de otras antes de utilizar la del empuje de nuestras piernas.

Segunda ley de Newton:

La aceleración que adquiere un cuerpo es proporcional a la fuerza neta aplicada sobre el mismo.

⅀F = m a

Esta es la ley fundamental de la dinámica y nos aprovechamos de ella bastante más que en otros deportes en las tres dimensiones espaciales.

En el caso más sencillo, como es al desplazarnos en línea recta y horizontal, para mantener la misma velocidad  (a = 0) y en la misma dirección la suma neta de las fuerzas debe ser nula. Si de momento obviamos la componentes lateral de todas ellas, lo que nos lleva a pararnos (a < 0) es la suma de los vectores de fuerza en contra: el aire, la fricción entre el suelo y las ruedas, el rozamiento interno de los rodamientos, etc. 

Esto nos podría llevar a pensar que cada vez que empujamos con la pierna trasera tendríamos que hacerlo con la misma fuerza que la suma de las que tenemos en contra. Sin embargo, sólo tendremos que hacerlo en la cantidad que nos falte para añadir la necesaria a la cantidad de movimiento o momento lineal que tengamos, que es p = m v. Por tanto:
 

Puedes observar que al depender de la masa, igual que al que más pesa le cuesta más arrancar, una vez en marcha el que más pesa tendrá que esforzarse menos en el empuje. Visto de otra manera, no es lo mismo si choca contra ti una mosca a 25 kilómetros por hora que un patinador de 80 kg.

Pero tenemos más trucos para vencer a las "fuerzas del universo" e incluso aprovecharnos de ellas sin esfuerzo para tener que gastar menos energías en el empuje.

El tamaño de las ruedas y la distribución de pesos de sus materiales influye en sus momentos angulares e inercia, y por tanto también en el impulso o momento lineal. Básicamente, cuando mayor tamaño tienen más aportan al momento lineal.

Al flexionar las rodillas y doblar el tronco hacia delante bajamos el centro de masas y lo adelantamos. Esto no sólo disminuye la superficie frontal para reducir la resistencia del aire y tener que realizar aún menos esfuerzo de empuje. Con esta postura provocamos que los pares de fuerzas nos ayuden a mantener el equilibrio y aprovechamos la componente normal de las mismas (la parte perpendicular al desplazamiento de sus vectores), además de las inercias que genera el balanceo con el cambio de piernas como un péndulo pero en posición horizontal. 

Pero dejemos aparte el balanceo o los movimientos a modo de espejo con cada pierna y atendamos a las componentes intrínsecas de la aceleración, que la dividen en tangencial y normal o centrípeta. Al no tener el vector velocidad la misma dirección que el de la fuerza y ser imposible una velocidad constante exacta, el movimiento nunca es rectilíneo con un patín. Todas las zancadas sobre cada patín describen una curva. Y con experiencia, de estas curvas puedes aprovechar sus propias aceleraciones para no pararte nunca sin necesidad de empujar.

Tercera ley de Newton:

Si un objeto A ejerce una fuerza sobre un objeto B, el objeto B ejercerá una fuerza de igual magnitud en dirección opuesta sobre el objeto A.

Esta ley se conoce como la ley de acción-reacción y el caso mas evidente de aplicación en el patinaje es el del deslizamiento en línea recta. Para rodar sobre nuestro patín Izquierdo tenemos que empujar con el Derecho contra el suelo como en la elipse naranja de la figura de arriba, o al revés. Es decir, aplicamos una fuerza contra el suelo y hacia atrás, para que el suelo ejerza la misma Fuerza de reacción sobre nosotros y nos empuje hacia delante.

Visto así bastaría con tener ruedas en un solo pie y empujar con la zapatilla del otro como hacen los chicos que usan patinete. Pero eso es muy cansado y aburrido: no puedes girar igual para los dos lados, si no quieres empujar o en una cuesta abajo tienes que ir de lado, descompensas laterales en tu cuerpo y cerebro, etc. Además, para no perder nada de energía en la fuerza de empuje tendríamos que hacerlo con el patín perpendicular a las ruedas (𝛃 = 90º). Pero eso requiere tanta rotación de la cadera hasta el tobillo que limita nuestra fuerza de empuje con los músculos o, si empujásemos todo lo posible en esa postura nos cansaríamos enseguida. Otro aspecto importante del ámbito de la biomecánica es que, cuanto más flexionado tengo las partes del cuerpo más flexibilidad tengo. En este caso, cuanto más flexiono mis rodillas y cuerpo mayor giro tendré de caderas hasta los pies: más perpendicular podré colocar el patín y mayor tiempo podré ejercer fuerza contra el suelo con la pierna de empuje. 

En teoría todo lo que nos falte de perpendicularidad entre el patín de empuje y la dirección del movimiento (90º - ) sería pérdida de energía, esfuerzo inútil o nos tiraría al suelo de lado. Pero lo que en realidad se genera es un par de fuerzas, de torsión o torque, con un momento angular en dirección a la inclinación y tendencia hacia atrás que compensamos o rectificamos con la conocida flexión de rodillas e inclinación del tronco hacia delante. Para aprovecharnos todo lo posible del momento angular y limitar su efecto contrario colocamos nuestro patín de deslizamiento con un cierto ángulo respecto a la dirección del movimiento (Ɣ = 𝛃 - Ⲁ de la primera figura). Jugamos a inclinar las guías de los patines perdiendo la perpendicularidad respecto al suelo y, junto al balanceo del tren superior, describimos curvas con aceleración. Es decir, sin empujar y sólo con mover el centro de masas de nuestro cuerpo nuestro propio peso nos impulsa a la vez que nos mantiene equilibrados 

Si volvemos a la segunda ley de Newton y tenemos en cuenta que parte de la fuerza de empuje tiene una componente normal - la que es perpendicular a la dirección de las ruedas de deslizamiento - su aceleración también será normal y la trayectoria del patín no es rectilínea. Efectivamente, al existir empujes laterales la trayectoria del patín nunca será la de una línea recta con independencia de la técnica de patinaje que estemos aplicando: clásica, doble empuje o cualquiera de sus variantes y combinaciones. Y teniendo en cuenta que la línea recta no siempre es el camino más rápido, a las variaciones de aceleración en cada zancada (curva) podemos mantener o añadir mayores momentos angulares o lineales con el cambio de posición del centro de masas de nuestro cuerpo para acelerar aún más.

Aplicamos muchas otras leyes físicas y matemáticas como las relacionadas con la cicloide, los péndulos, la curva braquistócrona, la isócrona, etc.