Teoria e didattica degli sport natatori

Definizione di massa, peso e peso specifico

Massa (Kg): quantità di materia di cui è costituito un corpo.

Peso (forza peso): è la forza con cui un oggetto o un essere vivente è attratto dalla Terra (N) e dipende dalla massa e dalla sua distanza dal centro del pianeta.

Peso specifico: peso nell'unità di volume (N/m³). Deriva dal rapporto tra il peso e il volume di un oggetto. Il peso specifico dell'uomo è minore rispetto a quello dell'acqua perciò il corpo galleggia; hanno valori simili, infatti solo una piccola parte del corpo esce dall'acqua. Il peso specifico delle donne è minore di quello degli uomini favorendone un miglior galleggiamento.

Densità di un fluido ed effetti sull’uomo

L'acqua ha una densità (massa/volume) e una viscosità (difficoltà di scorrimento tra le molecole) molto più elevate rispetto all'aria. La densità di un fluido influisce sulla spinta di galleggiamento; se la densità del fluido in cui si è immersi è maggiore dell’acqua dolce (es: acqua salata) si ottiene una spinta molto maggiore. Sia la densità sia la viscosità incidono su tutti gli aspetti dei movimenti acquatici (accelerazione, scivolamento) gravando notevolmente sull'energia utilizzata per la propulsione.

Legge di Pascal

Applicando una pressione in un certo punto del fluido, questa si propaga con la stessa intensità in ogni direzione e in ogni punto del fluido, perciò la pressione non schiaccia e non comprime l’uomo, ma lo avvolge uniformemente. La pressione aumenta con l'aumentare della densità del fluido e con la profondità.

Legge di Stevino

Quando un corpo si allontana dalla superficie, entra in azione una forza aggiuntiva dovuta al peso del liquido sovrastante e alla pressione atmosferica. La pressione aumenta con la profondità e diminuisce con l'altitudine. Le forze di affondamento degli arti inferiori incrementano il consumo energetico speso per il mantenimento della posizione. L'analisi della statica permette di comprendere la spinta idrostatica e il peso che un soggetto acquisisce a seconda del livello di profondità. È possibile modulare la forza gravitazionale eseguendo attività motorie in acqua a diverse profondità (utile per soggetti con difficoltà a svolgere movimenti a carico naturale).

Equilibrio in terra e in acqua

In terra

Dipende dalla posizione verticale del corpo e del capo. Le informazioni sensoriali e i riflessi posturali sono fissi, le informazioni propriocettive sono ben localizzate e la forza esprimibile è proporzionale al peso del soggetto.

In acqua

Dipende dalla posizione orizzontale del corpo e del capo. Le informazioni sensoriali e i riflessi posturali sono disturbati (riflessi plantari assenti). La forza non è costante e gli appoggi non sono fissi.

Legge di Newton sul nuoto

1^a legge

Un corpo resta in stato di quiete (moto rettilineo uniforme) finché non interviene una forza esterna. In acqua è presente la force friction, cioè una forza che tende a frenare il moto rettilineo uniforme. Questa forza dipende dalla viscosità della superficie a contatto con l'acqua.

2^a legge

La forza è data dal prodotto della massa e dell'accelerazione. Il cambiamento della quantità di moto di un corpo è proporzionale alla forza applicata e avviene nella direzione d’applicazione della forza. L'accelerazione nel nuoto dipende da bracciata e gambata.

3^a legge

Ad ogni azione corrisponde una reazione di uguale intensità ma contraria. Nel nuoto questa legge riguarda la propulsione, infatti il nuotatore genera accelerazione imprimendo forza su una massa d’acqua con il movimento delle braccia, dopodiché la massa d'acqua inizia a spostarsi non riuscendo più ad opporre la propria forza di reazione. La mano deve cercare acqua non in movimento per ottenere una spinta utile per l'avanzamento.

Sul nuotatore in movimento agiscono 4 forze contemporaneamente:

• Forza gravitazionale: dall’alto verso il basso.
• Forza idrostatica: dal basso verso l’alto.
• Forza propulsiva: generata dal nuotatore per l’avanzamento.
• Forza drag: forza frenante del fluido.

Ambienti con riduzioni della gravità ed effetti sull'uomo

La forza di gravità è causata dall'accelerazione gravitazionale (9,81m/s²). Influenza diversi meccanismi del corpo umano:

• Capillarità dei vasi sanguigni.
• Processi di osmosi.
• Modificazioni dell’apparato muscolo-scheletrico.

Riducendo la forza di gravità (viaggi spaziali) si alterano meccanismi fisiologici di equilibrio tra riassorbimento osseo e formazione ossea (osteoporosi spaziale):

• Perdita di osso con conseguente ipotrofia muscolare da mancata sollecitazione (alleggerimento dell'apparato muscolo-scheletrico).
• Maggiore espulsione di calcio dalle urine.
• Diminuzione dell'attività degli osteoblasti e aumento degli osteoclasti.
• Modificazione nella ripartizione di liquidi corporei e dell'assetto cardio-vascolare.

Differenze tra respirazione in terra ed in acqua

In acqua

I volumi polmonari si riducono a causa della forza idrostatica che spinge il sangue nel torace, comportando un calo della capacità vitale del 10% e del 15% della ventilazione polmonare. Aumenta la frequenza ventilatoria e l'impiego di muscoli respiratori. La respirazione è volontaria, l’inspirazione (1/3 dell’espirazione) è passiva e dalla bocca, mentre l'espirazione è attiva e viene compiuta sia dal naso che dalla bocca.

In terra

Il volume polmonare non cambia consentendo un normale impiego dei muscoli respiratori. La respirazione è involontaria, l'inspirazione è attiva e dal naso, mentre l'espirazione passiva e dalla bocca (durata uguale).

Numero di Reynolds

Valore adimensionale che misura il livello di dinamicità di un flusso. È il rapporto tra le forze inerziali e le forze viscose agenti su un fluido:

• V: velocità del flusso.
• u: viscosità dinamica del flusso che influenza il moto del fluido.
• p: densità del flusso.

Il fluido a seconda della dinamicità del flusso può trovarsi in 3 stati:

• Flusso laminare (Re < 1): stato di quiete (alta viscosità). Il fluido si dispone su strati paralleli.
• Flusso di transizione (1 < Re < 10 ): le particelle aumentano la loro dinamicità generando un aumento di velocità del flusso.
• Flusso turbolento (Re > 10 ): le particelle si muovono in modo rapido ed irregolare. Aumenta ulteriormente la velocità del flusso.

Fattori da cui dipende il drag

Drag: somma delle resistenze che un corpo incontra attraversando un fluido. Influenza velocità e consumo energetico del corpo. Composto da 3 forze resistive:

• Force friction (resistenza di frizione): aumenta linearmente con la velocità. Dipende dalla superficie del corpo (peli, indumenti) a contatto con lo strato lamellare del fluido (rapporto viscoso tra corpo e fluido).
• Force pressure (resistenza di pressione): aumenta al quadrato con la velocità. Dipende dalla forma del corpo a contatto col fluido e dal rapporto con la turbolenza del flusso che si genera attorno. Maggiori sono le dimensioni del corpo a contatto con il fluido e maggiore è il drag di pressione.
• Force wave (resistenza d’onda): aumenta in modo esponenziale con la velocità. Dipende dalla massa d'acqua che il corpo a contatto col fluido spinge avanti a sé. La resistenza si genera al confine tra i 2 fluidi (acqua, aria) ed è caratterizzato dall’invasione del fluido acqua nel fluido aria. La resistenza d’onda è causata da spostamenti che avvengono sulla superficie dell'acqua e tende a calare con l'aumento della profondità fino a scomparire.

Galleria del vento

Misura il drag di oggetti con forme geometriche complesse riproducendo la situazione da analizzare simulando la realtà. Muovendo l’oggetto o il fluido, tramite tecniche di visualizzazione si possono verificare le diverse dinamiche che si possono creare nell'impatto. Permette di studiare gli effetti del vento su edifici, macchine, aerei o gli effetti delle onde su imbarcazioni, pontili… Gli atleti e le loro attrezzature/mezzi vengono messi in simulazione di gara. Calcoli e simulazioni al pc portano indicazioni troppo distanti dalla realtà.

Formula drag

2D = 1/2*p*A*V²*Cd -> Formula completa.

2D: K*V -> Formula semplificata.

• K: coefficiente di drag (racchiude il prodotto di diversi fattori).
• V: velocità del corpo.
• p: densità fluido.
• A: area d’impatto del corpo nel fluido.
• Cd: coefficiente idrodinamico. Dipende dalla tecnica del soggetto e dalla dinamicità del flusso intorno ad esso misurata col numero di Reynolds.

Calcolo e definizione del Cd

Valore adimensionale utile per misurare il drag di un corpo in movimento in un fluido. È il rapporto tra l'organizzazione del fluido e la forza del corpo che lo attraversa. Coinvolge 2 tipi di resistenza fluidodinamica (resistenza d'attrito e resistenza di forza) È il rapporto tra la resistenza idrodinamica (drag) ed il prodotto tra la densità del fluido, l'area d'impatto del corpo nel fluido e la velocità al quadrato del corpo rispetto al fluido.

Force friction (drag d’attrito)

Resistenza di frizione o sfregamento che dipende dal rapporto viscoso tra il tipo di superficie a contatto e il fluido (le molecole d'acqua possono agganciarsi al corpo). Deriva dalla formazione dello strato limite intorno al corpo che si muove nel fluido. Se lo strato limite è separato dalla pelle, il drag d'attrito è nullo, se aumenta lo spessore dello strato limite aumenta il drag d'attrito. Aumenta linearmente con l'aumento della velocità. Il costume tecnico aumenta la velocità del nuotatore riducendo i veri drag:

• Drag d’attrito: massima compressione del corpo per ridurre la frizione tra fluido e corpo (impermeabilità).
• Drag d’impatto: innalzamento di gambe e tronco.
• Drag di pressione: maggior galleggiamento dinamico.
• Drag passivo.

Force pressure (drag d’impatto)

Resistenza di pressione incontrata nell'avanzamento che dipende dall'impatto del corpo nel fluido. Rapporta la forma del corpo e la turbolenza del flusso intorno ad esso. La forma del nuotatore influenza la dinamicità del flusso attorno ad esso. È determinata del valore di pressione dinamica dell'acqua che aumenta nelle zone d'impatto frontale del corpo a causa di una maggiore area di contatto e si riduce nella parte posteriore del nuotatore a causa dei vortici. Aumenta al quadrato con l'aumento della velocità.

Force wave (drag d’onda)

Resistenza d'onda che dipende dall'energia potenziale dell’onda (massa d’acqua) che il corpo spinge davanti a sé e che tende a tornare nella posizione di partenza. L'azione del drag d'onda avviene al confine tra i 2 fluidi (acqua e aria) ed è causato dalla invasione del fluido acqua nel fluido aria. Il drag d'onda è proprio degli spostamenti che avvengono sulla superficie dell'acqua e tende a sparire con la profondità. È la resistenza che incide di più sulla velocità del corpo perché aumenta in modo esponenziale con l’aumento della velocità.

Metodi di misurazione del drag passivo

Il drag passivo è la resistenza totale che un corpo offre in posizione idrodinamica (corpo esteso e allineato, braccia alte e unite con le mani sovrapposte e la testa tra di esse con sguardo verso il basso, gambe tese, unite e immobili con i piedi estesi) mentre si sposta nel fluido senza cambiare posizione per produrre propulsione. È più facile da misurare rispetto al drag attivo. Esistono 4 metodi:

• Metodo di traino: si misura il drag passivo trainando il nuotatore tramite un motore elettrico dove è possibile impostare la velocità e misurare la resistenza al traino con un dinamometro o impostare la resistenza e misurare la velocità.
• Metodo della perdita dell’accelerazione (si basa sulla 2^a legge di Newton): le forze che agiscono sul movimento dipendono dalla massa che si muove ed dalla sua accelerazione. Si misura la decelerazione di un corpo nel momento in cui termina la forza propulsiva, cioè quando resta solo la forza resistiva.
• Metodo della vasca (simile al traino): si misura il drag passivo in una vasca idrodinamica, ma il nuotatore è fermo mentre il flusso d'acqua viene messo in movimento a velocità controllata e progressiva. Non è attendibile perché l'H₂O presenta turbolenze data dall'azione delle turbine.
• Metodo del CFD: si misura il drag passivo con il CFD, cioè un metodo di fluidodinamica computazionale che sfrutta l’analisi numerica e algoritmi per risolvere i problemi di fluidodinamica tramite il pc. Richiede la scannerizzazione tridimensionale del corpo del nuotatore.

Metodo MAD per misurare il drag attivo

Il drag attivo è la resistenza totale che un corpo offre cambiando ciclicamente il proprio assetto muovendosi sui 3 assi producendo propulsione con il corpo e gli arti. Il metodo MAD di Toussaint misura il drag attivo tramite la registrazione della propulsione, se la velocità del nuotatore è costante, il drag è uguale alla propulsione prodotta. Si misura la forza impressa della mano su alcuni dinamometri posizionati in acqua valutando il drag a diverse velocità e non solamente alla massima velocità. Lo svantaggio del metodo MAD è che calcola solo la propulsione delle braccia e non quella delle gambe che restano ferme cambiando la posizione del corpo.

Metodo di Prampero per misurare il drag attivo

Si basa sul calcolo dell'energia utilizzata per equilibrare il drag in una situazione di moto continuo valutando il consumo di O₂ del soggetto che aumenta sotto sforzo. Il nuotatore è trainato mentre nuota in una vasca circolare a velocità crescente. Durante la prova si misura il consumo di O₂ del nuotatore e quando il consumo è uguale ai valori di consumo del nuotatore a riposo si determina la forza esterna (per il traino) che è uguale alla forza di drag.

Metodo di Kolmogorov per misurare il drag attivo

È il metodo di perturbazione della velocità che confronta 2 prove eseguite dallo stesso nuotatore alla massima velocità, ma nella 2^a prova si aggiunge una resistenza di drag noto al nuotatore, trainandolo legato alla cintura. Rilevando il tempo delle 2 prove e assumendo che le prove siano state eseguite alla massima potenza del nuotatore, si mettono in relazione deducendo il valore del drag. Non è un metodo preciso perché in realtà la potenza può variare e non è mai uguale nelle 2 prove. Sapendo che la potenza del nuotatore libero (Pf) è uguale alla potenza del nuotatore trainato (Pt), allora Df*Vf = Dt*Vt.

• Df: drag nuotatore libero.
• Vf: velocità nuotatore libero.
• Dt: drag nuotatore trainato.
• Vt: velocità nuotatore trainato.

Metodo planimetrico per misurare il drag attivo

Si misura l'area d'impatto frontale del nuotatore che varia ad una distanza media a seconda dallo stile di nuoto. È eseguito in tutti e 4 gli stili e mediato nell'intero ciclo dalla bracciata. Una volta misurata l'area d'impatto si moltiplica il suo valore per il coefficiente che rappresenta lo stile del nuotatore e si ottiene il valore del drag attivo. Ad ogni tipo di stile corrisponde un coefficiente.

Efficienza propulsiva del nuotatore

Rapporto tra il lavoro sviluppato per vincere la resistenza dell'acqua e il lavoro totale prodotto. In H₂O non ci sono punti d'appoggio fissi che permettono di usare completamente la spinta propulsiva, infatti molta energia è dispersa e trasmessa al fluido come energia cinetica riducendo l'efficienza propulsiva. Per aumentare la propulsione è necessario spostare grandi quantità di H₂O per poco spazio, il modo migliore è il movimento sweep (traiettoria curvilinea della bracciata), infatti la bracciata a battello di vapore o a cingolo non sfrutta a pieno la propulsione del corpo. L'efficienza propulsiva è data dalla velocità di spostamento del nuotatore e dipende dalla Po (potenza meccanica prodotta complessivamente) detta power output, dall’efficienza tecnica che sfrutta al meglio la potenza prodotta per l'avanzamento riducendo le dispersioni e la capacità di ridurre il drag. L'aumento della velocità dipende dall'aumento della Po, dell’efficienza propulsiva e dalla diminuzione del drag (incide maggiormente). L'efficienza propulsiva si può esprimere come un rapporto percentuale tra la Pd (potenza necessaria a vincere il drag) e la Po (potenza meccanica sviluppata complessivamente durante lo sforzo).

Teoria del Vortex

Il vortice è una cavità circolare formata da un fluido che si muove attorno ad un asse di rotazione disposto su qualsiasi piano. È una regione di fluido in movimento delimitata dalle linee di vortice parallele all'asse di rotazione e viene visualizzato dall'attraversamento di un oggetto nel fluido. Nella scia di passaggio di un oggetto resta una traccia definita da vortici con rotazione opposta tra loro. Il vortice si crea come reazione di un impulso propulsivo generato dal nuotatore ed è identificabile come il trasferimento delle quantità di moto del corpo all'acqua. Offre quindi propulsione al nuotatore perché dopo essersi spostato dietro ad egli torna davanti.

Elementi fisici che determinano la velocità

Po: potenza meccanica che il nuotatore è in grado di produrre durante lo sforzo muscolare. Maggiore è la sua potenza espressa maggiore è...