Risposte alle domande di nuoto, Dispense di T.T.D. Degli Sport Natatori

Domande relative alla fluido-meccanica

1. Caratteristiche e proprietà dell'acqua

L'acqua è un fluido e come tale nella forma liquida non possiede una forma propria ma assume la forma dell'ambiente che la contiene. Oltre a ciò l'acqua mostra una densità molto più elevata dell'aria (circa 1000 volte maggiore) così come una maggiore viscosità (circa 50 volte superiore all'aria). Questi differenti fattori fisici caratterizzano parecchio il movimento in acqua rispetto a quello a secco, dove nel primo si dovrà utilizzare un'energia maggiore per ottenere una propulsione.

La temperatura dell'acqua è fondamentale nel determinare la sua densità, poiché una variazione della temperatura determina una variazione degli spazi intramolecolari e dunque lo stato fisico dell'acqua. L'acqua è l'unica sostanza in natura a trovarsi nei tre stati di aggregazione solido, liquido e gassoso. L'acqua in qualsiasi suo stato risulta sempre essere un composto chimico, unione di due differenti elementi: ossigeno e idrogeno. Due atomi di idrogeno con carica positiva si uniscono a un atomo di ossigeno con due cariche negative, formando la molecola H₂O (formula bruta chimica dell'acqua).

In funzione della temperatura e della pressione (cioè quella atmosferica, praticamente costante) possiamo identificare le trasformazioni che l'acqua subisce. A 0°C (denominato punto di fusione) diventa ghiaccio, aumentando di volume; a 100°C (denominato punto di ebollizione) comincia a bollire e ad evaporare.

2. Descrivi le dinamiche di un fluido ai diversi valori del numero di Reynold

Il numero di Raynold è un valore adimensionale che indica lo stato di viscosità di un fluido, ovvero il livello di dinamica delle molecole che lo compongono. Con un numero di Raynold minore di 1 si ha uno stato definito laminare, dove i diversi strati sono paralleli tra di loro, in quiete e con una forte coesione tra le molecole. Mentre nel caso in cui venga a mutare la velocità del flusso (alzandosi) con un numero di Raynold compreso tra 1 e 10 allora si entra in uno stato definito transizione dove non si trovano più strati paralleli, bensì iniziano ad esserci dinamiche molecolari importanti. L'ultimo stadio di dinamica delle molecole è dato da un numero di Raynold turbolento che descrive uno stato del fluido nel quale le molecole che lo compongono sono molto dinamiche (> 10⁴).

In una applicazione pratica, prima che il nuotatore si tuffi, l'acqua avrà un moto laminare, al momento del tuffo avrà un moto transitorio/turbolento. Rimarrà ovviamente turbolento durante tutto il periodo di nuotata perché il nuotatore romperà costantemente la formazione laminare.

3. Descrivi gli ambienti dove è possibile simulare lo scarico gravitazionale

Non vi è un ambiente sulla terra in completa assenza gravitazionale, ma esistono ambienti in cui il corpo umano è sottoposto a forze che contrastano o annullano la forza gravitazionale.

• Ambiente acqua: è possibile provare una simulazione dello scarico gravitazionale, infatti grazie alla spinta idrostatica il soggetto acquista valori di peso diversificati risulta così possibile modulare lo scarico gravitazionale eseguendo attività motoria in acqua a diverse altezze. La conoscenza di questo principio è particolarmente importante in categorie di soggetti che sono impossibilitati nello svolgere attività motoria a carico naturale.
• Immersione a secco: per riprodurre una situazione di ipostenia (perdita di forza) anti-ortostatica si può attuare un "immersione" a secco ovvero il Bed-rest con un ambiente privo di carichi di peso localizzati.
• Voli parabolici: sono un ulteriore strumento per simulare lo scarico gravitazionale senza dover andare nello spazio, questi infatti permettono di simulare l'assenza di peso grazie ad un particolare metodo di volo che consiste nel salire rapidamente a 45° per circa 30 sec fino a 6.000 metri d'altezza; l'effetto percepito in questa fase sarà di incremento di peso (gravità a 2g), dopodiché l'aereo rallenta descrivendo una parabola che farà invece "perdere" momentaneamente peso ai corpi spinti dalla forza inerziale precedente (gravità a 0g).
• Space-curl: permette di controllare la posizione del proprio corpo tramite la gestione del piede e di tutta la "catena mio fasciale ascendente" simulando uno spostamento del corpo come se fosse senza gravità.

4. Da cosa dipende il galleggiamento in un fluido

Grazie alla spinta idrostatica si nota come un oggetto immerso in fluido riceva una spinta dal basso verso l'alto pari al peso del volume del fluido spostato, questa forza è descritta dalla legge di Archimede e si misura in Newton. Pertanto su un corpo completamente immerso in un fluido agiscono due forze: la forza peso P diretta verso il basso (dovuta all'azione dell'accelerazione gravitazionale circa di 9,8 m/s²) che agisce sul baricentro e la spinta di Archimede S diretta verso l'alto che agisce sul centro di galleggiamento.

La risultante di queste due forze definisce il "peso apparente" del corpo immerso nel fluido cioè la forza risultante che agisce su di esso. Dunque la spinta idrostatica a cui è sottoposto un oggetto immerso nell'acqua dipende dalla densità dell'oggetto, del fluido (solitamente per il fluido acqua se dolce e fresca 1) e dai loro volumi; ciò lo si può notare ponendo un confronto tra la spinta di galleggiamento in piscina (con acqua fresca e dolce e una densità di circa ~ 998 Kg*m^-3) ed in mare dove grazie all'alta salinità si può arrivare anche a valori di ~ 1030 Kg*m^-3 che porteranno ad una spinta idrostatica maggiore.

5. Relazioni tra massa, peso, peso specifico e spinta gravitazionale nell'immersione

La massa è una proprietà fisica dei corpi materiali, mentre il peso è variabile ed a secco è una forza data dall'accelerazione per la massa. Queste differenze fisiche fanno sì che un corpo all'interno di un liquido non abbia lo stesso peso che si andrebbe a rilevare a secco, ma un peso definito apparente. In quanto una volta che un corpo è immerso questo è soggetto alla spinta idrostatica, una forza con direzione dal basso verso l'alto con intensità pari al peso del fluido spostato dal corpo. Questa spinta idrostatica o forza d'Archimede dipende da diversi parametri come la densità dell'acqua (solitamente 977 kg/m³ ad una temperatura di 25°), il volume del corpo ed il peso specifico del corpo.

Presa in questione la densità totale del corpo umano questa avrà un peso specifico pari alla somma (in proporzione) di tutte le densità che lo compongono date dall'acqua e dai diversi tessuti come l'adiposo, il muscolare, l'osseo, etc… L'uomo è composto mediamente dal 70% di acqua con delle variazioni specifiche intersoggettive, a seconda della composizione “dell’uomo d’acqua” si avranno livelli di galleggiamento minori o maggiori, più sarà composto da tessuto adiposo e più galleggerà in quanto la densità dello stesso è inferiore a quella dell'acqua. Solitamente un uomo presenta una densità inferiore a quella dell'acqua determinando un galleggiamento per una piccola porzione del corpo.

6. Quali fattori determinano il galleggiamento dell'uomo in acqua

Il galleggiamento di un uomo in acqua è determinato dalla somma di due forze che sono la forza peso e la forza d'Archimede. La prima agisce sul baricentro con direzione dall'alto verso il basso ed è data dall'accelerazione gravitazionale per la massa. Mentre la seconda chiamata anche spinta idrostatica ha azione sul centro di galleggiamento con direzione dal basso verso l'alto ed è una forza proporzionale al peso del fluido spostato dal corpo immerso.

A seconda dell'intensità delle forze (spinta idrostatica e forza peso) si avrà che:

• Se le forze si equivalgono il momento è nullo;
• Se la forza di Archimede è maggiore si avrà un galleggiamento;
• Se la forza di Archimede è minore si avrà affondamento;

A determinare la forza di Archimede (e dunque il galleggiamento) vi sono il volume del corpo, la densità dell'acqua (che solitamente è 977 Kg/m³ alla temperatura di 25°) e la densità del corpo (solitamente minore per il sesso femminile). Se la densità del corpo risulta minore ad esempio se il corpo è costituito da importanti masse grasse (con densità inferiore all'acqua che abbassano il peso specifico totale) si avrà una spinta idrostatica maggiore, non solo anche se la densità dell'acqua risulta maggiore (come nel caso dell'acqua salata) si ha un incremento della spinta idrostatica.

7. Effetti biomeccanici della spinta idrostatica sull'uomo immerso

Un corpo immerso in acqua è soggetto a due forze che sono la spinta idrostatica (con azione sul centro di galleggiamento) e la forza peso (che agisce sul baricentro). Queste agendo su due punti diversi si considerano come una coppia di forze che provocano solitamente un momento torcente dove le gambe tendono ad affondare, per far sì che i due punti siano sulla stessa linea.

Inoltre la spinta idrostatica può essere utilizzata grazie a studi biomeccanici per lo svolgimento di attività fisica in acqua per soggetti che sono impossibilitati per diversi motivi nell'esecuzione a secco. Infatti grazie alla modulazione del livello d'acqua si può ottenere una variazione del peso apparente (determinato dalla somma delle due forze) così da andare a comprimere in maniera diversa le articolazioni simulando uno scarico gravitazionale, situazione che non si potrebbe verificare a secco con tale facilità.

8. Effetti fisiologici della pressione idrostatica sull'organismo umano

La pressione idrostatica, che agisce su un corpo immerso e varia con l'altezza della colonna d'acqua al di sopra di questo, indurrà un spostamento di sangue verso le arterie centrali evitando così manifestazioni ipossiche di organi nobili come il cuore, i polmoni, rene… Questo spostamento centrale del sangue chiamato "blood-shift" va anche a riempire quella porzione lasciata libera dalla riduzione del volume polmonare per la stessa pressione, rappresentando un fattore fondamentale per tutti gli apneisti che grazie a ciò possono scendere in profondità senza essere schiacciati dalla pressione idrostatica.

All'innalzamento della pressione venosa centrale si ha come conseguenza un altro effetto fisiologico ovvero il riflesso di Brainbridge che è un'accelerazione del battito cardiaco. Grazie a questo riflesso si ha un aumento del ritorno venoso dovuto ad un aumento di volume della parete atriale del cuore grazie ad una distensione della stessa, mentre la parete di sinistra si comporta in modo opposto ovvero riducendosi così da aumentare la gittata.

9. Modificazioni cardio-circolatorie dovute all'immersione

• Una delle modificazioni cardio-circolatorie è data dal "diving reflex" ovvero il riflesso di immersione. Si manifesta a partire dal contatto del viso con l'acqua fredda, per stimolazione termica dei recettori del nervo trigemino. Va ad apportare reazioni vagali come la riduzione del battito cardiaco, l'aumento della pressione arteriosa e vasocostrizione. La rapidità e intensità del riflesso è inversamente proporzionale alla temperatura dell'acqua: più questa è fredda, più le reazioni descritte sono forti.
• Una seconda modificazione è data dalla pressione idrostatica, indurrà un spostamento di sangue verso le arterie centrali evitando così manifestazioni ipossiche di organi nobili come il cuore, i polmoni, rene… Questo spostamento centrale del sangue chiamato "blood-shift" va anche a riempire quella porzione lasciata libera dalla riduzione del volume polmonare per la stessa pressione, rappresentando un fattore fondamentale per tutti gli apneisti che grazie a ciò possono scendere in profondità senza essere schiacciati dalla pressione idrostatica.
• All'innalzamento della pressione venosa centrale si ha come conseguenza un altro effetto fisiologico ovvero il riflesso di Brainbridge che è un'accelerazione del battito cardiaco. Grazie a questo riflesso si ha un aumento del ritorno venoso dovuto ad un aumento di volume della parete atriale del cuore grazie ad una distensione della stessa, mentre la parete sinistra si comporta in modo opposto ovvero riducendosi così da aumentare la gittata.

10. Effetti della densità dell'acqua sul movimento umano

L'acqua ha una densità di 0,977 Kg/m³, ovvero un peso specifico circa 1000 volte superiore a quello dell'aria. Pertanto un movimento eseguito a secco comparato con lo stesso movimento ma eseguito nell'ambiente acqua oltre all'utilizzo maggiore di energia si hanno anche tipi di contrazioni diverse. In particolare grazie alla densità dell'acqua se si esegue una flesso-estensione dell'avambraccio sul braccio si nota come il movimento di estensione sia una contrazione concentrica del tricipite brachiale, contrariamente a quanto avviene a secco poiché aiutato dalla forza di gravità.

Questa tipologia di contrazione (ovvero concentrica del tricipite) la si può percepire meglio se applichiamo alla mano una paletta, così da spostare più acqua e ottenere una maggior resistenza. Grazie all'elevata densità dell'acqua dunque si può sfruttare il principio di azione-reazione (3 legge di Newton) per ottenere una propulsione, fattore che l'uomo non può sfruttare a secco con l'aria. Infatti il nuotatore spingendo una massa d'acqua in una direzione, con una certa intensità e verso, otterrà una forza uguale e contraria proporzionale alla forza applicata alla massa d'acqua promuovendo così una propulsione.

11. Descrivi il procedimento per definire la densità corporea attraverso la pesata idrostatica

La pesata idrostatica è una misurazione di secondo livello (indiretta), utilizzata per valutare la composizione corporea di un individuo. Si basa su due assunti quello della densità della massa grassa (0,9 g/ml) e quello della massa magra (1,1 g/ml) (trovati con metodi di primo livello), e sul principio di Archimede il quale dice che un corpo immerso in acqua è spinto da una forza dal basso verso l'alto con intensità pari al peso del fluido spostato.

L'obiettivo è quello di trovare e ricavare il peso del corpo in acqua (in quanto in ambiente acquatico si ha un peso apparente definito dalla somma della forza peso e della spinta idrostatica) attraverso una pesata idrostatica. Una volta ottenuto il peso del corpo si può ricavare il volume dello stesso dalla formula V=((peso del corpo a secco-peso del corpo in acqua)/densità dell'acqua), una volta trovato il volume lo si va a sostituire nella formula della densità (D=peso/volume) così da ricavare la densità stessa.

Con un'ulteriore analisi sarà possibile stimare la percentuale di massa grassa del soggetto relazionando la densità con delle formule di composizione corporea.

12. Effetti della legge di Pascal sull'uomo immerso

La legge di Pascal è una legge fisica dei fluidi la quale indica che se viene applicata una pressione in un certo punto del fluido, questa si propaga inalterata in ogni direzione. Dunque un innalzamento della pressione venosa centrale dovuto alla pressione idrostatica porta come conseguenza un altro effetto fisiologico ovvero il riflesso di Brainbridge che è un'accelerazione del battito cardiaco. Grazie a questo riflesso si ha un aumento del ritorno venoso dovuto ad un aumento di volume della parete atriale del cuore grazie ad una distensione della stessa, mentre la parete sinistra si comporta in modo opposto ovvero riducendosi così da aumentare la gittata.

13. Effetti della legge di Stevino sull'uomo immerso

In idrostatica la legge di Stevino è un'equazione che permette di calcolare la pressione esistente ad ogni profondità entro una colonna di fluido conoscendo la densità del fluido stesso. Dunque sul corpo immerso in un fluido agisce una pressione, detta pressione idrostatica, dovuta al peso della colonna di liquido che sovrasta la sua superficie. A seconda del livello di profondità durante l'immersione si avrà una pressione su tutto il corpo maggiore o minore. In particolare la pressione idrostatica indurrà un spostamento di sangue verso le arterie centrali evitando così manifestazioni ipossiche di organi nobili come il cuore, i polmoni, rene…

Questo spostamento centrale del sangue chiamato "blood-shift" va anche a riempire quella porzione lasciata libera dalla riduzione del volume polmonare per la stessa pressione, rappresentando un fattore fondamentale per tutti gli apneisti che grazie a ciò possono scendere in profondità senza essere schiacciati dalla pressione idrostatica. All'innalzamento della pressione venosa centrale si ha come conseguenza un altro effetto fisiologico ovvero il riflesso di Brainbridge che è un'accelerazione del battito cardiaco. Grazie a questo riflesso si ha un aumento del ritorno venoso dovuto ad un aumento di volume della parete atriale del cuore grazie ad una distensione della stessa, mentre la parete sinistra si comporta in modo opposto ovvero riducendosi così da aumentare la gittata.

14. Effetti sull'organismo del riflesso d'immersione

Il riflesso da immersione o "diving reflex"