¿Por qué cuando pateamos una pelota de fútbol alcanza muchas más velocidad si esta nos viene en sentido contrario, que si ésta está quieta?

Respuesta:
En efecto,es un efecto que supongo bien conocido entre amantes de deportes de pelota varios, entre los que también está el tenis: la respuesta a un mandoble del oponente suele salir de nuestra raqueta mucho más “fuerte” (a más velocidad) que un golpe dado con la pelota quieta con respecto a nosotros.

Responderé esta pregunta con otra pregunta: ¿Por qué un balón que rebota contra una pared llega más lejos cuando viene contra ella muy rápido, si lo comparamos con otro balón que llega “llorando”? La pared no es sospechosa de participar dando efecto al balón o nada parecido, ni siquiera una humilde patadita. La respuesta está en tres palabras: energía potencial elástica.

Antes de meternos en harina, hay que demostrar un postulado básico para nuestra tesis. Llamemos a un invitado que nunca nos ha fallado en esta página y al que pocos esperaban ver en una entrada como ésta. Invoquemos a Albert Einstein. Einstein, en su Relatividad Especial o restringida (la primera, la de 1905, la de E=mc2), afirmó que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz en el vacío. Una de las consecuencias de esta afirmación es que no existen los cuerpos incompresibles. En efecto, todo cuerpo que choque con otro sufrirá algún grado de deformación, ya sea temporal (cuerpos elásticos) o permanente (cuerpos inelásticos o plásticos). Veamos por qué:

Imaginemos una pelota que choca contra una pared. Imaginemos que la pelota está hecha del material más duro del Universo, un material cuyos átomos están tan fuertemente ligados entre ellos que no hay fuerza humana que consiga separarlos. Lancemos esa pelota contra una pared. La velocidad da igual.

La parte delantera de la pelota, cuando entra en contacto con la pared, sufre una fuerza que la frena. Es posible que la pared se rompa, es posible que no, pero lo que nos importa es que la pared contra la que choca la pelota la está frenando. Los primeros en notar el frenazo son los átomos “de delante” de la pelota. Esos átomos notan la fuerza de la pared, se desaceleran e interaccionan con los átomos de la pelota que vienen detrás, frenándolos a su vez…

El caso es que la velocidad a la que se van desplazando estas interacciones entre los átomos de la pelota nunca podrán superar la velocidad de la luz (si pudieran superarla, podríamos fabricarnos un telégrafo morse que transmitiera impulsos vibratorios a velocidad superlumínica, cosa imposible según las leyes conocidas de la física), por lo que los átomos del final de la pelota seguirán moviéndose hasta que la onda de compresión les alcance. ¿Y qué pasa cuando a un sólido se le van frenando los átomos de delante mientras los de detrás siguen moviéndose a la velocidad inicial? Que se deforma, por compresión. Vámonos al bar, que en una servilleta queda todo más pulcro:
La fisica en el futbol
Servilleta 1: La pelota siempre se deforma. La pared, por dura que sea, también se deforma (efecto no mostrado aquí).

Así pues, hemos empezado demostrando que al pegarle un neque a un cuerpo, éste se deforma. Ahora nos acercamos al proceso de pegarle una patada a un balón:

1.- En un primer momento, el pie, que suele tener una velocidad de entre 15 y 20 m/s, entra en contacto con la pelota. Se produce la primera deformación a medida que el pie sigue avanzando y la pelota no se mueve muy rápido todavía.

2.- En una segunda parte, la deformación alcanza su máximo, la pelota va cada vez más rápido y alcanza la velocidad del pie.

3.- En una última etapa, la pelota llega a moverse más rápido que el pie y sale disparada ayudada por la energía elástica que ha almacenado al deformarse, que la propulsa, apoyándose en el pie, para abandonar el contacto con éste a una velocidad mayor que la del propio pie (hasta 38 m/s, unos 140 km/h, si uno es Roberto Carlos).
Una pelota de fútbol que llega a nosotros a gran velocidad posee, si despreciamos su rotación, una cierta cantidad de energía cinética, que depende tanto de la masa como de la velocidad de la pelota. Cuando esa pelota choca contra un obstáculo, o sea, nuestro pie, que avanza hacia ella, la energía cinética que poseía el balón se convierte en energía potencial elástica, sumándose a la energía que le proporciona nuestro pie y provocando una compresión mayor del balón. Al liberar mayor energía en la compresión, el balón es equivalente a un muelle más comprimido, que saltará más lejos cuando lo liberemos que un muelle poco comprimido.

¡Ojo! ¡Nuestro pie también se comprime! Los tejidos y huesos de nuestro pie que entran en contacto con el balón sufren una compresión también. El grado de compresión depende de las masas relativas y la velocidad del choque.
La energía potencial elástica también ayuda a explicar por qué se suele llegar más lejos al patear dándole un puntazo a la pelota. La puntera del pie, al ser de menor superficie que el empeine, provoca mayor presión, lo cual deforma más el balón, que adquiere algo más de energía elástica que si le damos con todo el pie. Los buenos futbolistas le dan con el empeine para controlar la dirección y el efecto, pero con un puntazo se puede alcanzar mayor distancia.

Y eso es todo. Resumiendo, cuando un balón llega a toda velocidad hacia ti ya trae una energía (cinética). Al patearlo, la pelota se comprime más que si estuviera quieta, por lo que almacena mayor cantidad de energía potencial elástica, que libera de nuevo al rebotar, alcanzando una mayor distancia.

Fuente:
http://curiosoperoinutil.com/2008/05/27/devolviendo-el-golpe/