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BIOMECCANICA

 

La Biomeccanica nel nuoto si compone di cinematica, dinamica e meccanica dei fluidi. La cinematica studia le traiettorie, la dinamica l’applicazione delle forze e la meccanica dei fluidi la resistenza del mezzo.
Nel nuoto, in maniera particolare, per fare un’analisi biomeccanica completa bisogna distinguere due punti di vista: quello dell’atleta e quello del fluido.

Rispetto all’atleta si studia la traiettoria, velocità e  tempo di percorrenza ed esecuzione del gesto, applicazione della forza;
rispetto al fluido:  drag, lift, galleggiamento, equilibrio, onde e  leggi della meccanica dei fluidi in generale.
La sintesi di questi studi ci darà la ricerca dei parametri fisici della prestazione.

 

Elementi essenziali della meccanica dei fluidi

A  Forza espressa in funzione della pressione

B  Spinta archimedea

La Spinta archimedea definisce il principio di galleggiamento di un corpo immerso in acqua


Il galleggiamento determina anche le condizioni di equilibrio rispetto alla geometria variabile del corpo

Quando il metacentro si trova all’interno del corpo si ha il galleggiamento

C  Tensione superficiale : Lavoro svolto per portare un numero sufficientemente alto di particelle sulla superficie per riformarla.

La tensione superficiale ci spiega che ogni perdita di contatto del corpo dall’acqua crea un moto locale di turbolenza

D                               Dinamica dei Fluidi

Il nuoto è uno sport che si svolge in condizioni di moto non stazionario ed irrotazionale. Pertanto le analisi stazionarie e l’uso dei tubi di flusso sono approssimazioni troppo deboli. Bisogna affrontare il problema in maniera di

versa, utilizzando l’idea che un corpo in movimento in fluido presenta una differenziazione fisica dal punto di impatto con il fluido mentre avanza fino alla scia.

D   Effetto Magnus:

Un corpo in rotazione forma una serie di filetti di fluido in rotazione.

FORME DI FLUSSO


Flusso Vorticoso:  quando la velocità supera quella critica per cui si perde la stratificazione.

Flusso laminare:  Quando lo sforzo di taglio, forza di coesione tra molecole e quantità di moto agiscono localmente.

Flusso turbolento:  Quando sforzo di taglio, di coesione e quantità di moto agiscono su zone intere.

Moto Vorticoso

Si dice di un fluido in cui il suo moto presenta anche velocità angolare per cui il moto si dice rotazionale, per cui superata la velocità critica si creano vortici in modo naturale.
I mulinelli in acqua e i tornado nell’aria sono tipici vortici irrotazionali.
Nel caso del nuoto sono importanti i vortici di scia dovuti all’allontanamento dello strato limite per corpi molto lunghi. In questo caso si creano i tubi di moto vorticoso

 

 

RESISTENZA DELL’ACQUA

La resistenza dell'acqua è espressa come drag.

In questa sezione trattiamo brvemente solo il drag passivo in relazione allle proprietà del corpo immerso.

Regola: per conservare l’attrito di pelle e body bisogna conservare un flusso laminare che manifesti solo turbolenze locali.

Drag di forma

Dipende dalla geometria dell’atleta, agisce sia attivamente che passivamente.

Drag d’onda

Si ha nella formazione dell’onda da parte dell’atleta e si evidenzia con il vortice di scia e la turbolenza dovuta alla tensione superficiale. E’ la componente principale del drag attivo. A delfino e a stile è provocato solitamente da un tuffo eccessivo a seguito della respirazione e da un affondamento delle spalle. A dorso è provocato da una scorretta azione nel rollio, dovuta anche da una scorretta meccanica della bracciata.
Per tutti e quattro gli stili, la causa maggiore del drag d'onda è data dallo sfasamento dell'azione delle gambe con quella delle braccia.
Questo accade quando non si ottiene un pieno controllo dell'azione guida - l'efferenza che guida tutto il gesto -

Infine tutti i movimenti fuori dagli assi longitudinali e trasverso e movimenti verticali e laterali provocano la produzione del drag d'onda.


I suggerimenti sulla costruzione della nuotata efficacie sono secondo noi i seguenti:

Massima ricerca dello scivolamento;
Minimizzare i movimenti verticali ed orizzontali laterali
Le alterazioni tecniche vanno proposte solo per la riduzione del drag;
Evitare cambiamenti tecnici che richiedono tanto controllo.

ANALISI DELLE FORZE


Gli stili nel nuoto si dividono in due categorie: assi lunghi – stile e dorso – e assi corti – rana e delfino -. Negli assi lunghi l’azione propulsiva avviene intorno all’asse sagittale mediante il rollio.
Le proprietà meccaniche del rollio sono riconducibili al momento di torsione del corpo che penetra l’acqua riducendo il drag di forma.
Sia a dorso che a stile il trasferimento dell’attacco della bracciata sul fianco, anziché sul torace, permette un uso completo e corretto della cuffia dei rotatori della spalla, un maggior allungamento del braccio in entrata e una maggiore profondità della bracciata con uso prevalente del gran dorsale nella massima fase di applicazione della forza.
Negli assi corti l’azione propulsiva avviene intorno all’asse traverso mediante la ricerca del tuffo in avanti.
Sia a rana che a delfino il punto di massima propulsione si ha quando il nuotatore riesce a far coincidere il centro di massa con il punto di galleggiamento. Questo è il momento in cui il delfinista ha la possibilità di creare il massimo avanzamento con le braccia, mentre per il ranista rappresenta il punto di massimo equilibrio da cui esplodere la spinta delle gambe.

Azioni delle forze

L’evoluzione tecnica della nuotata tende a far coincidere il punto in cui agisce la forza di gravità con quello ascensionale della spinta archimedea tale che
PFp = PSA   che porta un drag lineare e di forma massimi per cui bisogna evitare di spingere le gambe in basso e mantenere una condizione di turbolenza.
Questa considerazione è valida per tutti e quattro gli stili poiché consideriamo l’avanzamento nel nuoto ottenuta grazie ad un’azione tuffata in avanti, per cui  l’asse traverso diventa fondamentale.

AZIONI IDROSTATICHE

Nella sezione precedente abbiamo parlato di variazioni dello stato di equilibrio, uno studio tecnico e didattico di tale situazione parte dalle azioni idrostatiche.
Se partiamo dalle condizioni di equilibrio date dalla sovrapposizione dei punti di galleggiamento e centro di massa, possiamo dividere le condizioni di propulsione in due categorie: scivolamento toracico e ventrale per gli stili in pronazione (stile libero, delfino e rana ) e lo scivolamento sull’arco dorsale e lombosacrale per lo stile in supinazione(dorso)

La seconda tipologia di nuotata è tipica di chi cerca di stare sempre sull’onda. Ciò implica la capacità di mantenere un grosso ritmo di nuotata e di rendere indipendente la parte lombo sacrale del busto dalla testa e le braccia.
Questa caratterizzazione vale per tutti e tre gli stili in pronazione, anche nella rana una postura alta e piatta sull’acqua determina una totale indipendenza dell’arco lombosacrale e dell’anca rispetto alla parte superiore del tronco.
Le considerazioni per il dorso sono molto simili anche se più ristrette.
Infatti uno scivolamento sull’arco lombosacrale è giustificabile nelle gare di velocità e nell’uscita dalle fasi subacquee per acquistare un ritmo maggiore di nuotata.

AZIONI DELLE FORZE IN AVANZAMENTO

Principio di Bernoulli

Il lift o portanza crea una linea di separazione di potenziale tra la parte sottostante il corpo e quella sovrastante che produce un spinta ascensionale.
La fase di presa che è responsabile di questa situazione fluidodinamica si ha con uno scivolamento della mano in avanti e quindi con l’avanzamento.

Osservazione
L’azione di scivolamento riduce il carico di impegno muscolare.
Il punto di inserzione del lift non inficia le condizioni di presa ed è irrilevante al fine della propulsione.

Importanza del Lift.

1) Area di scivolamento sul torace;
2) Effetto Magnus sull’asse trasverso di rotazione;
3) Avanzamento mediante un’azione tuffata in avanti che equivale a dire perdita di equilibrio sull’asse orizzontale.

AZIONE DELLA TERZA DI NEWTON

Diamo alcune esemplificazioni utilizzando lo schema per il delfino precisando che queste considerazioni possono essere fatte, muatis mutandis anche per gli altri stili, sempre partendo dall’idea espressa nelle sezioni precedenti della prevalenza dell’asse traverso per le fasi di avanzamento.

AZIONI DELLE GAMBE  E FORZE VERTICALI

L’abbassamento delle gambe implca lo spostamento in avanti del punto di galleggiamento per cui il punto di applicazione della forza peso e della spinta archimedea coincidono. Segue l’azione della forza in basso del busto e della coscia e la successiva reazione verso l’alto dell’acqua.

Distensione delle gambe e trazione delle braccia che crea una spinta in basso a cui reagisce una spinta ascensionale pari al volume di acqua spostato.

ova flessione delle gambe e inizio della fase di spinta. Esiste un equilibrio tra forze.

Inizio del recupero con una nuova distensione delle gambe. Esiste ancora un equilibrio tra le forze verticali.

Regola Aurea

Si ha propulsione quando esiste un equilibrio tra forze verticali
Bisogna correggere la (i)

Basta anticipare leggermente l’ingresso della testa in acqua per avere l’equilibrio delle forze.

COSTRUZIONE DEL GESTO PER LE PRECONDIZIONI GARA


1) Esistono dei fenomeni fisici che condizionano il gesto
2) Esistono delle abilità che se allenate creano il gesto proprio dell’atleta
3) Allenare le abilità


!-3 vivono in un ambito prettamente neuro fisiologico e neuro muscolare.
I parametri fisici che vengono coinvolti sono la velocità del gesto e il tempo dello stesso. Il ritmo inteso sia come tempo che durata.
Inteso come tempo implica i cambi di velocità nelle varie fasi – locali – del ciclo e globali- nell’intero ciclo -.
Inteso come durata riguarda la ritenzione del gesto in tutta la sua fase.
I sistemi allenanti in cui tutto ciò vive sono A2 e C3.


COSTRUZIONE DEL GESTO PER LE CONDIZIONI GARA


4) Esistono dei fenomeni fisici che condizionano il gesto in gara
5) Esistono delle capacità che se allenate creano il gesto proprio dell’atleta
6) Allenare le capacità

 

Elementi essenziali della meccanica dei fluidi

A  Forza espressa in funzione della pressione

 

 

 

 

 

B  Spinta archimedea

 

 

 

La Spinta archimedea definisce il principio di galleggiamento di un corpo immerso in acqua


Il galleggiamento determina anche le condizioni di equilibrio rispetto alla geometria variabile del corpo

 

 

 

Quando il metacentro si trova all’interno del corpo si ha il galleggiamento

C  Tensione superficiale : Lavoro svolto per portare un numero sufficientemente alto di particelle sulla superficie per riformarla.

La tensione superficiale ci spiega che ogni perdita di contatto del corpo dall’acqua crea un moto locale di turbolenza

D                               Dinamica dei Fluidi

 

 

Il nuoto è uno sport che si svolge in condizioni di moto non stazionario ed irrotazionale. Pertanto le analisi stazionarie e l’uso dei tubi di flusso sono approssimazioni troppo deboli. Bisogna affrontare il problema in maniera diversa, utilizzando l’idea che un corpo in movimento in fluido presenta una differenziazione fisica dal punto di impatto con il fluido mentre avanza fino alla scia.

 

 

 

 

D   Effetto Magnus:

Un corpo in rotazione forma una serie di filetti di fluido in rotazione.

 

 

FORME DI FLUSSO


Flusso Vorticoso:  quando la velocità supera quella critica per cui si perde la stratificazione.

Flusso laminare:  Quando lo sforzo di taglio, forza di coesione tra molecole e quantità di moto agiscono localmente.

Flusso turbolento:  Quando sforzo di taglio, di coesione e quantità di moto agiscono su zone intere.

 

 

Moto Vorticoso

Si dice di un fluido in cui il suo moto presenta anche velocità angolare per cui il moto si dice rotazionale, per cui superata la velocità critica si creano vortici in modo naturale.
I mulinelli in acqua e i tornado nell’aria sono tipici vortici irrotazionali.
Nel caso del nuoto sono importanti i vortici di scia dovuti all’allontanamento dello strato limite per corpi molto lunghi. In questo caso si creano i tubi di moto vorticoso.
Tali tubi se si formano paralleli alle linee di flusso rappresentano una forma di attrito. Se si formano ortogonali alle linee di flusso aumentano l’energia di propagazione dell’onda.

 

 


Numero di Reynolds

Discrimina il passaggio dal moto laminare a quello turbolento.

Legge di Stokes

Da la resistenza all’avanzamento rispetto al tipo di moto

 

 

Nb Tutti gli studi sul drag fanno uso della legge di Stokes.


E’ possibile riformulare il numero di Reynolds rispetto alle forze che agiscono sul moto.

 

NR=Fi/Fv    dove Fi = forza di inerzia.

 

Se il numero di Reynolds è minore di 2000 si ha un moto laminare, altrimenti il moto è turbolento

Oss Rana e delfino sono moti turbolenti perché la forza inerziale ha un grosso peso negli aspetti propulsivi.

ONDE

Def. Propagazione nello spazio di una quantità di energia che modifica localmente le grandezze fisiche.

Il movimento dell’onda non implica l traslazione sistematica del mezzo di propagazione ma una semplice oscillazione.

L’onda del mare ha un  movimento circolare di particelle che vengono localizzate nelle propagazione e traslazione di energia.

 

 

 

Onde Sinusoidali

 

 

 


Formule derivate

 

k = 2p/l numero di onde prodotte in ogni periodo

v= 2p/T = 2p*f frequenza angolare

v = l*f velocità di avnzamento

 

In tutti gli sport ciclici la velocità è data dalla frequenza per la lunghezza della falcata o bracciata.  Pertanto è possibile ricondurre il nuoto ad una produzione di onde. Inoltre nel nuoto la velocità è data dal prodotto teorico della tecnica per la flessibilità.

Possiamo quindi scrivere:

v = t*F dove t = tecnica e F = flessibilità

Pertanto possiamo, in via del tutto teorica, dare questa semplice relazione:

t/l = f/F

 

La tecnica sta alla ampiezza di bracciata come la frequenza di bracciata sta alla flessibilità dell’ atleta. Questa relazione è del tutto accettabile.

 

 

RESISTENZA DELL’ACQUA

La resistenza dell'acqua è espressa come drag.

In questa sezione trattiamo brvemente solo il drag passivo in relazione allle proprietà del corpo immerso.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Regola: per conservare l’attrito di pelle e body bisogna conservare un flusso laminare che manifesti solo turbolenze locali.

Drag di forma

Dipende dalla geometria dell’atleta, agisce sia attivamente che passivamente.

 

 

 

 

Drag d’onda

Si ha nella formazione dell’onda da parte dell’atleta e si evidenzia con il vortice di scia e la turbolenza dovuta alla tensione superficiale. E’ la componente principale del drag attivo. A delfino e a stile è provocato solitamente da un tuffo eccessivo a seguito della respirazione e da un affondamento delle spalle. A dorso è provocato da una scorretta azione nel rollio, dovuta anche da una scorretta meccanica della bracciata.
Per tutti e quattro gli stili, la causa maggiore del drag d'onda è data dallo sfasamento dell'azione delle gambe con quella delle braccia.
Questo accade quando non si ottiene un pieno controllo dell'azione guida - l'efferenza che guida tutto il gesto -

Infine tutti i movimenti fuori dagli assi longitudinali e trasverso e movimenti verticali e laterali provocano la produzione del drag d'onda.


I suggerimenti sulla costruzione della nuotata efficacie sono secondo noi i seguenti:

Massima ricerca dello scivolamento;
Minimizzare i movimenti verticali ed orizzontali laterali
Le alterazioni tecniche vanno proposte solo per la riduzione del drag;
Evitare cambiamenti tecnici che richiedono tanto controllo.

ANALISI DELLE FORZE


Gli stili nel nuoto si dividono in due categorie: assi lunghi – stile e dorso – e assi corti – rana e delfino -. Negli assi lunghi l’azione propulsiva avviene intorno all’asse sagittale mediante il rollio.
Le proprietà meccaniche del rollio sono riconducibili al momento di torsione del corpo che penetra l’acqua riducendo il drag di forma.
Sia a dorso che a stile il trasferimento dell’attacco della bracciata sul fianco, anziché sul torace, permette un uso completo e corretto della cuffia dei rotatori della spalla, un maggior allungamento del braccio in entrata e una maggiore profondità della bracciata con uso prevalente del gran dorsale nella massima fase di applicazione della forza.
Negli assi corti l’azione propulsiva avviene intorno all’asse traverso mediante la ricerca del tuffo in avanti.
Sia a rana che a delfino il punto di massima propulsione si ha quando il nuotatore riesce a far coincidere il centro di massa con il punto di galleggiamento. Questo è il momento in cui il delfinista ha la possibilità di creare il massimo avanzamento con le braccia, mentre per il ranista rappresenta il punto di massimo equilibrio da cui esplodere la spinta delle gambe

Azioni delle forze

L’evoluzione tecnica della nuotata tende a far coincidere il punto in cui agisce la forza di gravità con quello ascensionale della spinta archimedea tale che
PFp = PSA   che porta un drag lineare e di forma massimi per cui bisogna evitare di spingere le gambe in basso e mantenere una condizione di turbolenza.
Questa considerazione è valida per tutti e quattro gli stili poiché consideriamo l’avanzamento nel nuoto ottenuta grazie ad un’azione tuffata in avanti, per cui  l’asse traverso diventa fondamentale.
In questi termini riteniamo superati o quantomeno da ridefinire i punti di vista legati alla mano ferma in acqua o ancoraggio, alla presa o alle relazioni tra il drag e il lift.
Abbiamo visto che il drag d’onda è la componente più importante dell’avanzamento.
Inoltre abbiamo considerato la sovrapposizione dei punti del centro di massa e di galleggiamento come condizione di equilibrio ideale nel produrre un tuffo in avanti.
Pertanto, nel gioco delle relazioni tra forze inerziali e spinte ascensionali, la gestione delle condizioni di turbolenza è fondamentale per la ricerca dell’efficacia.
Da un punto di vista biomeccanico la turbolenza deve diventare un energetico come l’acido lattico in fisiologia.
Va perseguita la variabilità del sistema di movimento per cui l’avanzamento in acqua, come nella locomozione, avviene mediante una ricerca di condizioni di equilibrio successive ad una perturbazione. In questa ottica si supera l’idea del nuotatore
con assetto stabile come massima espressione del gesto tecnico.
L’idea che qui proponiamo è quella della capacità anticipatrice dell’azione, per cui la ricerca dinamica dell’equilibrio non è altro che la risoluzione immediata di una perturbazione. Bisogna quindi percepire la nuotata come una serie continua di perturbazioni risolte da equilibri dai quali produrre avanzamento.

AZIONI IDROSTATICHE

Nella sezione precedente abbiamo parlato di variazioni dello stato di equilibrio, uno studio tecnico e didattico di tale situazione parte dalle azioni idrostatiche.
Se partiamo dalle condizioni di equilibrio date dalla sovrapposizione dei punti di galleggiamento e centro di massa, possiamo dividere le condizioni di propulsione in due categorie: scivolamento toracico e ventrale per gli stili in pronazione (stile libero, delfino e rana ) e lo scivolamento sull’arco dorsale e lombosacrale per lo stile in supinazione(dorso)

 

La seconda tipologia di nuotata è tipica di chi cerca di stare sempre sull’onda. Ciò implica la capacità di mantenere un grosso ritmo di nuotata e di rendere indipendente la parte lombo sacrale del busto dalla testa e le braccia.
Questa caratterizzazione vale per tutti e tre gli stili in pronazione, anche nella rana una postura alta e piatta sull’acqua determina una totale indipendenza dell’arco lombosacrale e dell’anca rispetto alla parte superiore del tronco.
Le considerazioni per il dorso sono molto simili anche se più ristrette.
Infatti uno scivolamento sull’arco lombosacrale è giustificabile nelle gare di velocità e nell’uscita dalle fasi subacquee per acquistare un ritmo maggiore di nuotata.

AZIONI DELLE FORZE IN AVANZAMENTO

Principio di Bernoulli

 

Il lift o portanza crea una linea di separazione di potenziale tra la parte sottostante il corpo e quella sovrastante che produce un spinta ascensionale.
La fase di presa che è responsabile di questa situazione fluidodinamica si ha con uno scivolamento della mano in avanti e quindi con l’avanzamento.

 

 

Osservazione
L’azione di scivolamento riduce il carico di impegno muscolare.
Il punto di inserzione del lift non inficia le condizioni di presa ed è irrilevante al fine della propulsione.

Importanza del Lift.

1) Area di scivolamento sul torace;
2) Effetto Magnus sull’asse trasverso di rotazione;
3) Avanzamento mediante un’azione tuffata in avanti che equivale a dire perdita di equilibrio sull’asse orizzontale.

 

AZIONE DELLA TERZA DI NEWTON

Diamo alcune esemplificazioni utilizzando lo schema per il delfino precisando che queste considerazioni possono essere fatte, muatis mutandis anche per gli altri stili, sempre partendo dall’idea espressa nelle sezioni precedenti della prevalenza dell’asse traverso per le fasi di avanzamento.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

AZIONI DELLE GAMBE  E FORZE VERTICALI

 

 

 

 

 

L’abbassamento delle gambe implca lo spostamento in avanti del punto di galleggiamento per cui il punto di applicazione della forza peso e della spinta archimedea coincidono. Segue l’azione della forza in basso del busto e della coscia e la successiva reazione verso l’alto dell’acqua.

 

 

 

 

Distensione delle gambe e trazione delle braccia che crea una spinta in basso a cui reagisce una spinta ascensionale pari al volume di acqua spostato.

 

 

 

 

ova flessione delle gambe e inizio della fase di spinta. Esiste un equilibrio tra forze.

 

 

 

 

 

Inizio del recupero con una nuova distensione delle gambe. Esiste ancora un equilibrio tra le forze verticali.

 

 

Regola Aurea

Si ha propulsione quando esiste un equilibrio tra forze verticali
Bisogna correggere la (i)

 

 

 

Basta anticipare leggermente l’ingresso della testa in acqua per avere l’equilibrio delle forze.

 

 

 

COSTRUZIONE DEL GESTO PER LE PRECONDIZIONI GARA


1) Esistono dei fenomeni fisici che condizionano il gesto
2) Esistono delle abilità che se allenate creano il gesto proprio dell’atleta
3) Allenare le abilità


!-3 vivono in un ambito prettamente neuro fisiologico e neuro muscolare.
I parametri fisici che vengono coinvolti sono la velocità del gesto e il tempo dello stesso. Il ritmo inteso sia come tempo che durata.
Inteso come tempo implica i cambi di velocità nelle varie fasi – locali – del ciclo e globali- nell’intero ciclo -.
Inteso come durata riguarda la ritenzione del gesto in tutta la sua fase.
I sistemi allenanti in cui tutto ciò vive sono A2 e C3.


COSTRUZIONE DEL GESTO PER LE CONDIZIONI GARA


4) Esistono dei fenomeni fisici che condizionano il gesto in gara
5) Esistono delle capacità che se allenate creano il gesto proprio dell’atleta
6) Allenare le capacità

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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