Digital Debunking: ¿Es posible diseñar una raqueta de tenis indestructible?

Los arrebatos en la pista se han convertido en una parte integral del deporte, como demuestran figuras icónicas como John McEnroe o Serena Williams. Es imposible olvidar el episodio de Nick Kyrgios en el US Open 2022, cuando rompió dos raquetas tras una derrota, o el más reciente estallido emocional de Alexander Bublik, que destrozó tres durante un torneo ATP.

¿Es posible diseñar una raqueta pensada para los jugadores más irascibles, capaz de resistir cualquier impacto? Una raqueta indestructible no resolvería, desde luego, el problema del temperamento, pero demostraría un compromiso extraordinario con la durabilidad y la calidad del producto.

Aunque pueda parecer una cuestión marginal, la resistencia al impacto es un factor crítico en el diseño no solo de las raquetas de tenis, sino de gran parte de los artículos deportivos. El análisis del impacto es un problema no lineal que tradicionalmente se aborda mediante el uso de métodos de elementos finitos explícitos (FEM), conocidos por su elevado coste computacional. Aunque estos métodos proporcionan resultados detallados, generalmente se limitan a un escenario específico. Sin embargo, cada rotura de una raqueta se produce de forma diferente, por lo que es necesario simular múltiples escenarios de impacto.

Afortunadamente, Altair® MotionSolve® representa una alternativa más eficiente para simular el contacto y el impacto. Con MotionSolve, los diseñadores pueden probar numerosos escenarios en una fracción del tiempo necesario con el enfoque FEM, reduciendo tiempos y costes. Solo el diseño final y los casos de impacto más severos requerirían, en su caso, una validación mediante FEM explícito.

El análisis de impacto en un contexto multicuerpo puede implementarse fácilmente utilizando las herramientas de modelización y visualización de la suite Altair® HyperWorks®. En particular, hemos utilizado MotionSolve y Altair® MotionView® para analizar la acción de un tenista que arroja o lanza su propia raqueta y los efectos resultantes sobre el equipamiento.

Creación del modelo FEM de la raqueta

El primer paso consiste en generar una malla de tipo Shell de la geometría del marco y el mango de la raqueta, asignando las propiedades de espesor y los materiales. La malla debe ser lo suficientemente fina como para representar con precisión la geometría.

En nuestro ejemplo, se ha utilizado un material lineal (MAT1) de grafito, uno de los más comunes en las raquetas profesionales. A los componentes se les ha asignado un espesor de 3 mm. El mango se ha considerado rígido y se ha modelado mediante un elemento RBE2, que conecta los nodos de la empuñadura con un nodo independiente situado en el centro. El modelo obtenido se ha exportado a Altair® OptiStruct®.

Conversión del modelo FEM en cuerpo flexible

En el contexto multicuerpo, los cuerpos se tratan generalmente como rígidos; sin embargo, la flexibilidad puede representarse mediante una aproximación modal, obtenida al convertir el modelo FEM en un cuerpo flexible (flexbody). Este proceso se gestiona mediante la herramienta FlexPrep de MotionView, que utiliza OptiStruct en segundo plano para generar un archivo .h3d del cuerpo flexible.

Modelo multicuerpo de la raqueta

El modelo generado representa la raqueta propiamente dicha. En MotionView se ha construido un sistema que representa el brazo humano, con las articulaciones modeladas como cuerpos rígidos, que simula el movimiento del brazo durante el impacto. Se ha definido un contacto entre la raqueta y el suelo, y se ha configurado una cinemática del brazo que reproduce la dinámica de un golpe violento.

Se han simulado dos casos principales:

1. La raqueta se golpea contra el suelo con fuerza.
2. La raqueta se lanza verticalmente hacia el suelo.

Mejora de la precisión del modelo

Al gestionar el contacto entre cuerpos flexibles, es necesario incluir modos adicionales para representar correctamente la deformación y las tensiones. Estos se generan mediante el método Predicted Contact Loadset: inicialmente se simula el impacto con el flexbody original, se recopilan las cargas alrededor del marco y se vuelve a generar el flexbody utilizando el método Craig-Chang-Contact (CCC). Este nuevo archivo .h3d sustituye al anterior para realizar un análisis transitorio final más preciso.

El impacto se produce con un ángulo controlado.

Se analizan deformaciones, tensiones y fuerzas de contacto.

El modelo proporciona resultados en el rango lineal en aproximadamente 28 segundos.

Todas las magnitudes mecánicas se visualizan rápidamente.

La raqueta se lanza verticalmente (como hizo Kyrgios).

Se registran las deformaciones y las tensiones en el primer impacto.

Las fuerzas de contacto se calculan y visualizan.

Las simulaciones se ejecutan en pocos segundos, lo que permite realizar análisis rápidos y múltiples iteraciones.

Es posible realizar numerosas iteraciones de diseño para optimizar la respuesta de la raqueta en el rango lineal. Finalmente, el diseño definitivo puede someterse a una simulación FEM detallada para una validación completa.

La simulación multicuerpo se confirma como una herramienta altamente eficaz para el análisis de impacto, gracias a su eficiencia y versatilidad.

Los tenistas, al igual que los fabricantes, también quieren ahorrar: basta pensar que Novak Djokovic fue multado con 8.000 dólares por destruir su raqueta en la final de Wimbledon 2023 contra Carlos Alcaraz. Mediante la optimización del diseño, sería posible crear una raqueta más resistente, capaz de soportar los momentos de frustración.