"Biomecánica de la natación" Especial mundial de natación BCN 2013

Como hace relativamente poco ha comenzado el mundial de natación en Barcelona he decidido hacer un post explicando algunos conceptos básicos sobre la natación desde el punto de vista físico y fisiológico. Varias de las leyes físicas que conocemos y que aplicamos a nuestro día a día también se pueden observar en la natación y que los nadadores tienen que tener en cuenta para realizar una carrera lo más perfecta posible. ¿Para qué gastarte miles 20 euros en clases de natación pudiendo aprender su mecanismo por medio de la física?

FLOTACIÓN

La flotación de un cuerpo sumergido en el agua depende de dos fuerzas verticales que son el peso del cuerpo y el empuje que realiza hacia arriba. En reposo la flotación viene determinada por el principio de Arquímedes (siglo III a.C.) según el cual "todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y ascendente igual al peso del volumen de fluido desalojado". Es decir, cuando una persona está quieta dentro del agua su flotación depende únicamente del peso (y de la densidad como veremos más adelante). Si el peso es mayor que el empuje el cuerpo se hundirá. Sin embargo, cuando el cuerpo se mueve, para poder flotar debe ejercer una fuerza vertical y ascendente que supere el peso del cuerpo. Es el caso de las brazadas que se hacen en natación.

El principio de Arquímedes dice que el cuerpo experimenta un empuje hacia arriba igual al peso

del volumen de agua desplazada. Si este empuje es un peso, entonces se adecua a la fórmula

P_agua = m_agua·g

Además, según la fórmula de la densidad

d = m/V

m = d·V

Ahora cambiamos la masa en cada una de las dos fórmulas de peso:

P_objeto = m_objeto·g → P_objeto = d_objeto·V_objeto·g

P_agua = m_agua·g → P_agua = d_agua·V_agua·g

Podemos deducir que la flotabilidad también depende de la densidad del agua y del cuerpo. Si la densidad del cuerpo es mayor que la del agua este se hunde. El caso del cuerpo humano es algo más complejo ya que no tienen una densidad homogénea. El más denso es el tejido oseo con valores entre 1400 Kg/m³ (hueso trabecular o esponjoso) y 1800 Kg/m³ (hueso cortical o compacto). Tejidos como el muscular, los tendones y los ligamentos poseen densidades ligeramente superiores a las del agua. El único tejido menos denso que el agua es el adiposo.

Según estos datos, el ser humano debería hundirse, pero ¿por qué no ocurre esto? La respuesta reside en el aire almacenado en los pulmones y las vías respiratorias ya que la densidad del aire es 800 veces menor que la del agua. De esta manera los pulmones actúan como flotadores, pues durante la inspiración se introducen de 4 a 5 litros de aire que aumentan el peso muy poco (entre 0,047 y 0,058 Newtons). Por lo tanto la habilidad del ser humano para flotar depende en gran medida de su capacidad para expandir la caja torácica.

FUERZAS PROPULSORAS

Movemos nuestras manos y pies a través del agua empujando o traccionando de esta. De acuerdo con la tercera ley de Newton, se crea una fuerza igual pero de sentido contrario, los nadadores no tienen que mover sus brazos y pies directamente hacia atrás para obtener la fuerza propulsiva hacia adelante. Es decir, la fuerza de elevación no es atribuida al principio de Bernouilli, sino a la tercera ley de Newton. Por tanto, si bien distinguimos entre fuerzas de propulsión y fuerzas de resistencia en realidad las fuerzas de propulsión son las fuerzas de resistencia que se generan en las superficies propulsoras del cuerpo. De esta manera, si la musculatura sostiene firmemente el segmento propulsor, por reacción, sera el cuerpo el que avance.

Efectos de la mano y el antebrazo:

La orientación de la mano respecto al eje longitudinal del cuerpo del nadador viene determinado por la dirección de la brazada y por el ángulo de ataque de la mano. Se ha comprobado que el mayor rendimiento a la hora de nadar es con la palma de la mano dirigida hacia atrás. Así pues si se realiza con los dedos abiertos se generan turbulencias, por tanto la mayor eficiencia es con la palma recta y los dedos cerrados. El efecto es similar al del ala de un ave.

El antebrazo posee una forma cilíndrica que se consigue por medio de la articulación entre cúbito y radio lo que provoca una predominación de la fuerza de tracción en lugar de la fuerza de elevación (que era el caso de la palma de la mano).

Batido de pies:

Este termino se refiere al movimiento de los pies en los estilos de crol y espalda (este último con una ligera diferencia, ya que hay que flexionar más las rodillas). Se ha comprobado que el movimiento de pies apenas contribuye al empuje. Su mecanismo es igual que el de las manos, pero más que propulsora su función es estabilizadora. Estudios han demostrado que el batido de pies ayuda a la propulsión a velocidades que estén entre los 1,3 m/s y 1,5 m/s, más allá si se intenta hacer un batido intenso con el fin de aumentar la velocidad supondría un gasto energético inútil por lo que se concluye que su función es básicamente estabilizar el cuerpo en las tres dimensiones del espacio.

LA SALIDA Y LOS VIRAJES

La natación es un deporte de carácter cíclico continuo, sin embargo cuando se practica en una piscina y se llega a la pared se realiza lo que se conoce como viraje. El viraje consiste en la realización de dos giros justo antes de llegar a la pared sin llegar a tocar esta con las manos. Estos giros consisten en uno sobre el eje transversal (giro y apoyo en la pared) y otro sobre el eje longitudinal (impulso y deslizamiento). El caso de la salida también es una acción acíclica, pero solo se realiza una vez. Existen dos tipos de salida dependiendo de la competición. Si es el caso de una competición individual los nadadores se situarán en el bordillo y su tiempo de reacción al pito de salida oscila entre los 0,6 y 0,9 s. Por otro lado en las pruebas por relevos los nadadores con menos niveles de fuerza explosiva tardan entre 1 y 1,12 s. Las tres direcciones del espacio donde se aplica el impulso mecánico son la anteroposterior, es decir, la que tiene la dirección de la carrera, la transversal y la vertical. Los nadadores de élite en la dirección anteroposterior pueden alcanzar una velocidad de despegue de hasta 5 m/s. Interesa que la transversal sea lo más próxima a 0 posible y que la vertical sea únicamente la del peso, consiguiendo así que el centro de gravedad se desplace hacia adelante y no se pierda el tiempo en un movimiento ascendente. Esto es difícil de conseguir.

En los estilos de crol y espalda se permite que los nadadores toquen la pared con los pies, por tanto el viraje más eficiente es el que se realiza por medio de un giro de 180º sobre el eje transversal. Sin embargo en los estilos mariposa y brazas solo está permitido tocar la pared con las manos, por lo que el mejor viraje será un giro sobre el eje vertical del nadador.

Referencias:

-M. Izquierdo, Biomecánica y bases neuromusculares de la actividad física y el deporte, Médica Panamericana, 2008

“Esta entrada participa en el XXIV Carnaval de Biología acogido en Pero eso es otra historia…“

"Esta entrada participa en el XLIII Carnaval de la Física, que este mes se celebra en El Mundo de las Ideas."

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