¿Por qué tienen hoyuelos las pelotas de golf?

¿Nunca os habéis preguntado porque las bolas de golf tienen esos hoyuelos tan peculiares? La fabricación de las bolas de golf con hoyuelos es para reducir la resistencia aerodinámica. Esta resistencia es una fuerza que ejerce el aire contra la pelota, por lo que a menor resistencia que ofrezca el aire, mayores distancias se pueden alcanzar lanzando la bola.

Ahora bien, esta reducción en resistencia se debe precisamente a la disminución del form drag. Este form drag en inglés se refiere a la resistencia debida a diferencias de presiones estáticas entre la parte trasera y delantera de la bola. Si en la parte trasera tenemos menos presión estática en comparación con la delantera, la zona de mayor presión sobre la cara anterior ejercerá una fuerza de resistencia teniendo menos presión en la parte posterior.

¿Cómo conseguimos aumentar la presión estática en la parte posterior de la pelota para reducir la resistencia? La respuesta la tiene la Mecánica de Fluidos, por lo que necesitamos conocer ciertos conceptos explicados más abajo para dar la respuesta a esta pregunta.

Básicamente, el flujo de aire sobre cualquier objeto puede ser clasificado en laminar o turbulento. El flujo laminar es un régimen en el cual las líneas de corriente, “trayectorias de las partículas”, fueran visibles, cosa que no pasa en régimen turbulento. Para convencernos de esto último, existe una técnica muy fácil llamada el experimento de Reynolds. Con este experimento podemos ser conscientes de una de las grandes diferencias entre el flujo laminar y turbulento: la visibilidad de una partícula fluida.

En el siguiente video tenemos un ejemplo de experimento de Reynolds:

Se puede apreciar que a medida que aumentamos la velocidad del agua a través del conducto, las líneas de corriente rojas debidas a la inyección de tinta se difuminan. Por ello, a veces, en mecánica de fluidos se habla de que en régimen turbulento no tenemos líneas de corriente.

En un flujo turbulento, si pudiéramos medir el módulo y la dirección de la velocidad en cierto punto dentro del fluido, estas magnitudes cambiarían aleatoriamente con el paso del tiempo. Esto último quiere decir que el flujo turbulento no es para nada estacionario, es decir, cualquier magnitud cambia con del tiempo.

En la siguiente imagen podemos apreciar el carácter no estacionario del flujo turbulento, viendo como la velocidad del fluido medida desde la misma posición cambia aleatoriamente.

La denominación de régimen laminar se debe a que las trayectorias de las partículas describen “láminas” tal como se aprecia en el video anterior a bajas velocidades.

Ahora ya que sabemos que existen distintos regímenes dentro de un campo fluido, podemos retornar a la pregunta anterior: ¿cómo conseguimos aumentar la presión estática en la parte posterior de la pelota para reducir la resistencia?

El aumento de presión en la parte posterior de la bola de golf con el fin de reducir la resistencia ejercida por el aire se debe a la transición de flujo laminar a flujo turbulento en la capa límite.

¿Qué es la capa límite? La capa límite es una región de espesor muy fino adherida a nuestro objeto en movimiento. En la siguiente imagen se puede apreciar la capa límite sobre una esfera en movimiento. Las flechas negras indican la magnitud y dirección de las velocidades dentro de la capa límite.

Flujo Laminar

Por desgracia, en la realidad esta capa muy fina se separa de la superficie en cierto punto, creando detrás del punto de separación una región con presión bastante reducida, cosa que no nos interesa en términos de resistencia aerodinámica. A parte de tener una presión menor, esta región se caracteriza por una alta concentración de vorticidad de las partículas fluidas, con la presencia de flujo turbulento. En la siguiente imagen podemos apreciar en color más claro la región del flujo separada en una esfera:

Esfera y flujo

Lo que se hace introduciendo hoyuelos en las bolas de golf, es conseguir que no sean lisas y así atrasar la separación del flujo. Es importante saber que esta separación tendrá lugar en un punto u otro, pero nos interesa atrasarla y disminuir el tamaño de la región de flujo separado.

La presencia de los hoyuelos hace que la capa límite sea turbulenta, y que así se separe más tarde. En régimen turbulento, la capa límite no se desprende con tanta facilidad en comparación con la capa límite laminar.

En la siguiente imagen se puede apreciar la disminución de la región del flujo separado teniendo una capa límite turbulenta. El punto de desprendimiento de la capa límite pasa de estar a 80º a 120º medidos en sentido horario desde la parte frontal de la esfera, disminuyendo considerablemente la región con presión menor con respecto a la parte delantera.

Separacion flujo

Más abajo tenemos otra oportunidad para entender y ver como el flujo se separa más lejos de la parte frontal. Concretamente, en la siguiente imagen la resistencia aerodinámica disminuye a la mitad atrasando el desprendimiento de la capa límite.

Capa límite

En resumen, si se introducen hoyuelos en la superficie de una bola de golf, éstos permiten tener una capa límite turbulenta, que como ahora ya sabemos, tarda más en desprenderse, disminuyendo la región de flujo separado. Una menor región de flujo separado, el cual contiene aire a menos presión, disminuye la diferencia de presiones entre la cara anterior y posterior de nuestra pelota, reduciendo así la resistencia aerodinámica.

Para concluir, ya somos conscientes de que la forma peculiar de las bolas de golf no es casualidad. El objetivo de no tienen la superficie lisa es para alcanzar distancias mayores, gracias a la reducción de form drag.