El mundo en una pelota…. y su ciencia

Ya nos encontramos en un nuevo mundial, nada más y nada menos que en el país del jogo bonito. La selección nacional de Brasil ha ganado cinco veces el mundial de fútbol, siendo la selección con más títulos conseguidos en la historia, por si fuera poco es el único país que ha clasificado para todos los mundiales disputados hasta el momento. Su figura más destacada sigue siendo Pelé, quien ganó tres de los cinco mundiales, y ostenta la espectacular marca de 1.284 tantos anotados a lo largo de su carrera. Pero no podríamos hablar de fútbol sin la intervención indispensable de un elemento, ¿Cuál será?

Por supuesto, se trata del balón. Esta esfera elástica es la que permite que la pasión de multitudes se despierte a nivel mundial cada cuatro años. Se cree que el fútbol como lo conocemos fue inventado en Inglaterra a mediados del 1800, pero el juego colectivo con pelotas ya existía en Egipto, en la antigua Grecia, e incluso antes ya era practicado por los pueblos mesoamericanos (olmecas, aztecas y mayas). Este juego con pelota (conocido como Pitz, para los mayas) es probablemente el primer deporte con balón en la Historia de la Humanidad. El juego entre los equipos simbolizaba las batallas entre los dioses del cielo y los del inframundo, y el balón representaba al sol. Existen datos de este tipo de juego, en la cultura olmeca, tan atrás en la historia como el 1400 a.C. Ciertamente, los olmecas estaban muy avanzados en la elaboración del caucho y sus usos; la palabra olmeca proviene del náhuatl, la lengua azteca, y significa “pueblo del caucho”. En este juego ya se usaba una pelota, que consistía en una pequeña esfera bastante elástica, que rebotaba sobre las superficies sólidas con una inusitada intensidad; de hecho cuando los soldados de Hernán Cortés miraron el rebotar de estas pelotas se preguntaron si no estarían poseídas por espíritus malignos. Por supuesto, hoy sabemos que el secreto del energético rebote de las pelotas no tiene nada de místico o mucho menos maligno. Sus notables características se deben al material con el cual eran elaboradas: el látex, que los mesoamericanos extraían del jugo del árbol de hule (Castilla elastica), al cual le agregaban jugo de la enredadera Ipomoea alba, que crecía muy cerca, y se añadía para que la pelota no se desgaste muy rápido. Tiempo después se descubrirían otros árboles que también producían látex, como el árbol del caucho brasileño (Hevea brasiliensis), país que se convertiría en el principal productor mundial de esta materia. Se puede decir sin temor a equivocarse que los pueblos mesoamericanos fueron los primeros que descubrieron los procesos de polimerización y vulcanización. Ellos produjeron diversas mezclas de jugos de Castilla elastica con Ipomoea alba con el objeto de perfeccionar el proceso. La primera planta entrega el hule necesario para la elaboración de la pelota y la segunda contiene aminoácidos que, a su vez, contienen azufre, y que son los responsables de enlazar las cadenas del polímero en la vulcanización, una vez que los jugos se cuecen al fuego; todo esto 3200 años antes de Charles Goodyear.

Para los tiempos modernos, el balón cambio radicalmente con respecto a esta pelota inicial, que por ser demasiado elástica dificultaba el juego del fútbol. El balón pasó a ser de cuero. El caucho se usaba para hacer la vejiga interna del balón. El caucho se calentaba suavemente para poder moldearse con forma de globo. Luego la vejiga se inflaba ligeramente. En este punto, los paneles de cuero se suturan a mano en un tedioso proceso. Una vez que casi todos los paneles han sido cosidos juntos, se introduce la vejiga a medio inflar, los paneles restantes se terminan de coser y finalmente se cierran mostrando un diseño difícil de reconocer en los balones de hoy. El punto culminante del proceso es inflar completamente el balón para asegurarse de que no haya fugas o costuras sueltas. Los balones así construidos duraron un buen tiempo pero presentaban algunos problemas derivados de su método de fabricación. Los balones de fútbol de cuero no sólo carecían de una forma perfectamente esférica, sino que además eran poco elásticos. Cuando llovía absorbían demasiada agua aumentando de peso, lo cual dificultaba en forma importante su manejo y favorecía el riesgo de lesiones para los jugadores.

Actualmente, como pasa con todos los artículos deportivos, el balón de fútbol de última generación es una pieza de diseño que garantiza su belleza como su efectividad, convirtiéndose en uno de los productos deportivos más sofisticados del mercado.  Para los balones de hoy en día, los materiales son esencialmente sintéticos y van desde el caucho, pasando por materiales poliméricos como el poliuretano y el poliacetato de vinilo hasta la tela de poliéster, lo cual garantiza la impermeabilidad y la resistencia al desgaste; además los materiales sintéticos permiten retener el aire dentro del balón hasta unas diez veces más tiempo que los balones de cuero natural. En la elaboración de los balones actuales se acopla una bolsa interior de caucho de butilo hacia paneles exteriores hechos de poliuretano, entre los dos se coloca de una a cuatro capas de tela de poliéster como soporte, finalmente se pegan en su sitio con adhesivo de látex y se sellan al calor (si quieres saber más acerca de polímeros mira aquí).

El caucho de butilo es un  tipo de caucho sintético consistente  en  un copolímero (mezcla de dos monómeros) de isobutileno con isopreno; su abreviatura a nivel industrial es IIR (Isobutylene Isoprene Rubber). El adhesivo de látex consiste en pequeñas partículas de polímeros suspendidas en agua. Al secarse el disolvente  las partículas se sinterizan (se unen por acción del calor) y quedan unidas mediante fuerzas de van der Waals. Además el calentamiento funde al polímero y mejora las propiedades físicas del producto final. Los adhesivos de látex para balones son de poliacetato de vinilo y son excelentes para pegar los materiales en su conjunto. Como seguramente ya lo dedujiste este tipo de balones carece de costuras manuales lo cual brinda gran precisión y equilibrio en su trayectoria ¡Cuantos goles más habría logrado Pelé con este balón!

 Estructura polimérica del caucho de butilo (IIR). n y m corresponden al número de veces que se repiten las unidades  de isobutileno e isopreno respectivamente. 

La tecnología y el diseño de balones es tan exclusivo que se produce uno para cada mundial e incluso existen versiones especiales para las finales, tal es el caso del +Teamgeist Berlín elaborado para la Copa Mundial de la FIFA 2006, o la Jo’bulani, versión del famoso Jabulani diseñado exclusivamente para la final del campeonato mundial de Sudáfrica 2010. En estos balones la tecnología se llevó al límite. La Universidad de Loughborough, en el Reino Unido, desarrolló un balón en cuyo interior se colocó diminutas micro cápsulas rellenas de aire que garantizan su elasticidad y escasa deformación. Independiente de las condiciones externas y la fuerza que se le aplique, incluso con lluvia intensa, el balón mantiene su peso original y su trayectoria. La Teamgeist fue construido especialmente con sólo 14 caras curvas en lugar de las tradicionales 32. Este diseño eliminó al máximo las irregularidades superficiales, resultando en un balón perfectamente redondo que brinda enorme precisión a quien lo patee. Según Adidas, la clave del rendimiento del Teamgeist es su configuración de 14 piezas, que reduce la cantidad de puntos de contacto entre tres piezas en un 60%.

Pero no todo es bueno, el Jabulani, que se construyó únicamente con ocho paneles en forma 3D moldeadas en forma esférica y unidas térmicamente; llego a ser tan ligero en movimiento que varios porteros internacionales como Fernando Muslera (Uruguay), Iker Casillas (España), Gianluigi Buffon (Italia) y Claudio Bravo (Chile) afirmaron que era muy difícil de atrapar. El asunto llegó a tal punto que investigadores japoneses e incluso la NASA se dieron a la tarea de analizar el Jabulani. Se determinó que el comportamiento del balón a una velocidad superior a los 70 kilómetros por hora era impredecible (Roberto Carlos, también brasileño, podía enviar un balón a la asombrosa velocidad de 130 km/h). Los expertos en aerodinámica concluyeron que el poco peso del esférico, 423 gramos, su perfecta simetría y la prácticamente nula rugosidad debida a costuras, hacen que al ser golpeado con violencia el balón flote en el aire experimentando un efecto, denominado nudillo, que consigue que su dirección cambie de forma totalmente aleatoria durante el vuelo. Moraleja: “No todo lo perfecto es esencialmente bueno”

De eso, hacen ya cuatro años. Para el mundial en curso, el balón se denominó Brazuca y ha sido sometido a más pruebas que ninguno, todo con el fin de dar por olvidado el molesto Jabulani. Durante dos años y medio el Brazuca ha sido testando rigurosamente, tanto en simulaciones computacionales, como en túneles de viento y con jugadores elegidos (Lionel Messi, Iker Casillas, Bastian Schweinsteiger, Zinedine Zidane) quienes lo probaron en terreno de juego. El resultado muestra un balón, increíblemente compuesto por solo seis paneles de poliuretano en forma de hélice, que se unen térmicamente a una esfera interna hecha de látex. Los problemas de estabilidad de trayectoria se han logrado corregir aumentado su peso en 14 gramos, hasta los 437, y hundiendo ligeramente las costuras. De igual manera la superficie presenta una textura rugosa con el fin de mejorar la precisión una vez golpeado, todo sin perder las excelentes propiedades de resistencia e impermeabilidad (solo 0,2 % de absorción de agua). El problema final, su costo. Tanta innovación y pruebas exigen que el fanático que quiera hacerse con el Brazuca deba desembolsar unos no despreciables 160 dólares. 

Por otro lado y de forma increíble la naturaleza, a nivel molecular, también ha recurrido a fantásticos modelos estructurales. En lo que a este artículo respecta me refiero a una disposición construida solamente por átomos de carbono y que presenta idéntica simetría al balón de fútbol de 32 segmentos (aquel con el que jugamos cuando niños). Esta magnífica molécula se conoce familiarmente como fullereno (buckyball, en inglés)

La historia comienza hace casi 30 años atrás, época en la que se pensaba que el carbono solo podía existir en dos formas estables: el grafito y el diamante. En la búsqueda por formas diferentes de carbono, el Químico Inglés Harold Kroto de la Universidad de Sussex, imaginó un experimento para demostrar la formación de cadenas largas de carbono en el espacio interestelar. Para el desarrollo de su experimento viajó a la Universidad de Rice, donde el Químico Richard Smalley y su colaborador Robert Curl habían desarrollado una técnica mediante la cual un pulso intenso de luz láser podía vaporizar fácilmente una muestra de grafito. Utilizando un flujo de helio, llevaron el carbono vaporizado a un espectrómetro de masas y determinaron que la muestra contenía agregados de átomos de carbono que correspondían a moléculas en una disposición bastante espectacular: ¡Una esfera perfecta! La molécula tiene 20 hexágonos y 12 pentágonos, carece de bordes y es la más esférica conocida. Con estos resultados el grupo propuso una nueva forma de carbono construida a partir de una alternancia de hexágonos y pentágonos exactamente como ocurre en un balón de fútbol. La radical forma se nombró como “buckminsterfullereno” en reminiscencia a la forma geodésica inventada por el ingeniero estadounidense R. Buckminster Fuller. Desde el descubrimiento del C60, se han encontrado otras estructuras relacionadas, que contienen más o menos átomos de carbono, todas ellas conocidas simplemente como fullerenos. Por su trabajo pionero acerca de los fullerenos, los profesores Smalley, Curl y Kroto fueron galardonados con el Premio Nobel de Química en 1996. En el año 2000 se detectó por vez primera el fullereno más pequeño posible, el C20. Se sabe que esta pequeña estructura es mucho más reactiva que los fullerenos más pesados; adicionalmente en julio de 2010 la NASA, con su telescopio espacial Spitzer, confirmó la presencia de C70 en el espacio, específicamente en la nebulosa planetaria Tc1, lo cual confirma la especulación inicial del Profesor Kroto.

Después de este descubrimiento se ha producido un verdadero boom en el campo de la química. Se han desarrollado métodos fáciles para hacer fullerenos en grandes cantidades, confirmando además su estructura. A partir de entonces, varios científicos han comenzado a hacer fullerenos mixtos con otros elementos para crear posibles superconductores. En forma adicional los fullerenos son los precursores de los nanotubos de carbono, que no son más que largos cilindros de átomos de carbono, que se podrían usar como materiales super-resistentes.

Como lo acaban de leer, por estos días el mundo anda en una pelota (por no decir que está hecho pelota) tanto desde Brasil, como desde los laboratorios que investigan fullerenos y sus derivados: los nanotubos y el fantástico grafeno ¡Feliz Mundial, y que gane el mejor!   

 Alexis Hidrobo P.

Profesor Química Universidad San Francisco de Quito.

 Notas:

• Un bonito vídeo de la fabricación del Adidas Brazuca lo puedes mirar aquí:

http://mundial-brasil2014.net/video-produccion-de-pelota-brazuca-mundial-brasil-2014/

• Este post participa en la Edición XXXVI (Edición del Kriptón) del  Carnaval de Química, cuya anfitriona es Toñi Martínez (@t_martinezii) en su blog cafedeciencia 

Para Saber más:

• Taladoire, E. (2000). ‘El juego de pelota mesoamericano. Origen y desarrollo’. Arqueología Mexicana, 44, 20-27.
• Tarkanian, M.J. Y Hosler, D. (2000). ‘La elaboración de hule en Mesoamérica’. Arqueología Mexicana, 44, 54-57.
• Sánchez, A. (1994). Caracterización fisicoquímica de polímeros. México, D.F: Editorial Limusa.
• Historia de los Mundiales. (2014). Colección editada por el diario El Telégrafo. Ecuador. 
• http://www.dirigentesdigital.com/deporte-y-dinero/43-deporte-y-dinero/216277-brazuca-el-balon-de-adidas-para-olvidar-a-jabulani 
• http://actualidad.rt.com/deporte/view/130964-innovaciones-tecnologicas-copa-mundo-brasil
• http://www.taringa.net/posts/deportes/5880052/Pelotas-desde-la-de-1930-a-la-jabulani.html
• Hidrobo, A. (2013).  El tamaño sí importa y otras historias con Ciencia. Editorial Académica Española. 

Alexis Hidrobo

Invierto mi tiempo en la enseñanza de Química en la Universidad San Francisco de Quito. Además me apasiona la divulgación científica y la ciencia ficción.