Artes marciales, móviles y modelos 3D para enseñar física en las aulas

Alberto Corbi, CC BY-SA

Alberto Corbi Bellot, UNIR – Universidad Internacional de La Rioja

Es ampliamente conocido que cualquier actividad deportiva colectiva implica traslación e interacción. Estas acciones pueden, a su vez, acontecer entre los mismos jugadores o entre los jugadores y el medio (el campo, la pelota, el balón, las paredes, la red, la canasta, etc.). Las artes marciales pertenecen a la primera categoría.

De igual manera, la visualización, seguimiento o, mejor aún, práctica continuada de todo deporte representa una maravillosa oportunidad para estudiar una gran diversidad de disciplinas asociadas. Aunque tengan, en apariencia, poco que ver con el juego en cuestión.

Típicamente se suele citar a la ética como una de estas áreas hermanas del deporte, pero hay otras: economía, medicina, nutrición, etc. Sin embargo, de todas ellas, quizás sea la física, y concretamente la dinámica, la más representativa. Simultáneamente, esta materia se encuentra muy presente en el currículo de educación secundaria y, en particular, en el de las líneas CTIM (STEM, en inglés): siglas de ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas.

Aquí cabría hacer mención a infinitos ejemplos que aúnan deporte y esta ciencia básica. Todos ellos muy típicos de libros de texto y de pruebas de acceso a niveles universitarios. Algunos casos son los siguientes:

  • Lanzamiento de un objeto (pelota, jabalina, martillo, etc.) en tiro parabólico.
  • Conservación del momento lineal entre elementos que colisionan (un balón contra una superficie, dos esféricos impulsados el uno contra el otro… ).
  • Reducción del coeficiente de rozamiento del hielo en el curioso curling (que por extraño que parezca, es deporte olímpico desde 1998).
Jugadora de curling.
Chase N./Flickr, CC BY-SA

Artes marciales y física

Con todo, centrémonos en las artes marciales. En la mayor parte de estas disciplinas (boxeo, lucha grecorromana, taekwondo, krav maga, etc.), la física se reduce a la termodinámica. Es decir, se ensalza la transformación de cualquier tipo de energía (cinética, potencial, química, etc.) en calor. Expresado de otra manera: en estos tipos de lucha, los contrincantes buscan, por encima de todo, los choques inelásticos. Son los más eficientes para infligir dolor (esto es, calor) en el oponente.

Para lograr este objetivo, el cuerpo del taekwondista, boxeador o karateka se deforma, estira, gira, desequilibra y articula a voluntad… casi de manera artística. En este sentido, pese a la belleza de muchas de las técnicas de combate asociadas a estas artes marciales, resulta bastante complicado su uso como ejemplo para la enseñanza de conceptos de dinámica básicos.

La física (y sobre todo la didáctica de la misma) busca siempre la generalización y el reduccionismo (metáfora de la vaca esférica). A modo de ejemplo, un twi-myo dwi chagi (en taekwondo: patada voladora con piruético giro hacia atrás) no consigue transmitir precisamente eso.

Aikido: el arte marcial más físico

Sin embargo, esto cambia con otros estilos tales como el judo o el aikido. Este último arte marcial es un poco más especial, pues es puramente defensivo. Es decir, no existen técnicas de ataque ad hoc más allá de las estándares: puñetazos, patadas, golpes descendentes u oblicuos, agarres variados, etc.

En este contexto, es el receptor del ataque o tori (y el que verdaderamente practica la técnica) el encargado de minimizar su propio momento de inercia (Itori) y el del sistema conformado por él mismo y su atacante o uke (Ifinal = Itori + Iuke). Recordemos brevemente que, así como la inercia representa la resistencia de la naturaleza a cambiar de estado de movimiento, el momento de inercia representa a su vez la oposición de la misma a modificar su forma de girar.

Más allá del ejercicio físico (que siempre es beneficioso) y de toda búsqueda de paz y armonía propia de cualquier arte marcial (o deporte en general), en esencia, la práctica de aikido va enfocada precisamente a buscar esa minimización perfecta del momento de inercia del sistema solidario integrado por ambos practicantes. Los aikidocas llaman a esto estar centrado o buscar el hara.

En la práctica, lo anterior implica, por parte del tori, mantener el centro de masas lo más cerca posible de su posición original (que en el cuerpo humano se halla levemente por encima del eje de la cadera). Es decir, el tori tiene como misión la reducción del factor Ifinal para aumentar todo lo posible la velocidad angular (ωfinal) del tándem marcial.

Esta velocidad es usada contra el uke, el cual acaba finalmente proyectado. De ahí que muchas técnicas en aikido acaben en el sufijo -nage, que significa precisamente eso: propulsar. Eventualmente, el uke puede ser también inmovilizado mediante alguna suerte de llave (aunque esta acepción no suele gustar), pero incluso la ejecución de la misma está regida por los mismos sencillos principios de la dinámica.

Quizás el lector se haya percatado de que ambas cantidades físicas I e ω están relacionadas con un fenómeno, cuanto menos curioso, de la naturaleza: la conservación del momento angular. Esta cantidad, denotada normalmente por la letra L, es básicamente el producto de las dos anteriores y es siempre constante para un sistema. Este es el hecho que el tori utiliza a su favor para maximizar la ωfinal.

¿Y cómo vemos todo esto en la práctica?

La metáfora de la vaca esférica (introducida más arriba) viene bien para sustentar la parte teórica sobre una pizarra. Pero, a la hora de experimentar, es necesario salir al campo (al tatami, mejor dicho) y medir.

Afortunadamente, hoy en día contamos con muchos tipos de sensores de movimiento relativamente asequibles: teléfonos móviles, cámaras, etc. que nos permiten registrar, incluso en tiempo real, el movimiento en cualquier actividad deportiva. Típicamente, la información que recogen tiene que ver con la aceleración, ya que los materiales piezoeléctricos son los más usados y estos son sensibles a fuerzas.

Otros dispositivos nos informan directamente de la velocidad angular gracias a circuitos MEMS, que sirven para confeccionar giroscopios de escalas micrométricas. A estos dos últimos tipos de sensores se les llama inerciales.

En estos escenarios prácticos, el alumno de enseñanzas secundarias puede comprobar la conservación del momento angular por él mismo, y lo mejor de todo: siente que sirve para un propósito. Y este no es baladí, pues se trata de… ¡sobrevivir a un ataque!

El éxito de esta aproximación ha quedado demostrada en recientes experiencias llevadas a cabo con alumnos de secundaria en varios eventos en Feria Madrid. Además, fueron descritas en sendos artículos publicados en MDPI Sensors y en IEEE Access. En estas demostraciones, varios practicantes de aikido ejecutaron distintas técnicas y las lecturas de varios sensores inerciales se mostraron en tiempo real en una pantalla gigante.

Datos de aceleración (en la pantalla) de los movimientos de aikido.
Alberto Corbi, CC BY-SA

Nos quedaría digitalizar el momento de inercia (I). Lógicamente, este concepto físico se estudia en los niveles educativos citados anteriormente, pero solo para objetos radicalmente sencillos y, a ser posible, simétricos (esferas, cilindros, etc.). Es decir: tienen escasa aplicación práctica.

El cuerpo humano no cumple estos requisitos geométricos. Sin embargo, en aikido, el rango de movimientos es muy reducido, ya que cualquier exageración de la postura iría en contra del mencionado anhelo por mitigar la contribución de esta variable física.

Este es un buen momento para ampliar las ideas anteriores (aunque sea de manera introductoria) con el concepto de tensor de inercia. Gracias a trabajos de investigación que aúnan medicina, biomecánica y física (junto con un intuitivo programa informático), el alumno puede manipular sencillos modelos del cuerpo humano de manera interactiva y aproximar la cantidad anterior.

Programa para estudiar modelos 3D del cuerpo humano.
Alberto Corbi, CC BY-SA

Sin llegar a realizar cálculos complejos, y sin necesidad de arduas configuraciones informáticas, el estudiante de materias CTIM es capaz de comprobar por él mismo la conservación del momento angular desde los datos reportados por teléfonos móviles y sencillos modelos 3D.

Momento de inercia y velocidad angular del uke y el tori
Alberto Corbi, CC BY-SA

¿Qué más física se puede aprender con aikido?

¡Mucha! Como se ha dicho más arriba, el aikido es el arte marcial más físico y más biomecánico de todos. Conceptos tales como la segunda ley de Newton o el de torque o par motor puede estudiarse desde la práctica (o visualización) de esta disciplina.

Fórmulas físicas que pueden estudiarse con movimientos de akido.
Alberto Corbi, CC BY-SA

Incluso si no se quiere entrar en consideraciones marciales, el currículo de aikido (también conocido como el arte marcial de la paz) incluye movimientos oscilantes y en espiral que propician el estudio de todos los conceptos tratados anteriormente. Uno de estos ejercicios consiste en andar de rodillas o shikko. Otros estudios han valorado este tipo de desplazamientos para su uso didáctica.The Conversation

Variables físicas que rigen el movimiento shikko
Alberto Corbi, CC BY-SA

Alberto Corbi Bellot, Profesor en Escuela Superior de Ingeniería y Tecnología e Investigador en el Instituto de Investigación, Innovación y Tecnología Educativas, UNIR – Universidad Internacional de La Rioja

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.