Energetica del nuoto

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1 Energetica del nuoto Carlo Capelli, Dip.to di Scienze Neurologiche, Neuropsicologiche, Morfologiche e Motorie - Sezione di Scienze Motorie, Università di Verona 17/04/12 Gemona Febbraio

2 Scienze Motorie Verona 17/04/12 Gemona Febbraio

3 Definizione Costo energetico della locomozione umana! Quantità di energia metabolica spesa per unità di distanza per avanzare ad una determinata velocità (kj km -1 ; J m -1 kg -1 ; ml O 2 m -1 kg -1 ) (20.9 J = 1 mlo 2 se RQ = 0.96) E = C v 17/04/12 Gemona Febbraio

4 Alle condizioni massimali E max = C v max = C d t min -1 v max = d t min -1 = E max C -1 Dove E max corrisponde alla massima potenza metabolica che può essere mantenuta a livello costante per tutta la durata della gara sino al tempo di esaurimento t min 17/04/12 Gemona Febbraio

5 Come determinare C s Velocità sotto massimali aerobiche E < V O 2max C s = V O 2ss v -1 E ATP = cv O 2ss 17/04/12 Gemona Febbraio

6 C s è diverso nei vari stili 1.5 Breaststroke C n (kj m -1 ) 1.0 Butterfly Backstroke 0.5 Crawl m s -1 17/04/12 Gemona Febbraio

7 C s dipende dal livello tecnico dei nuotatori 2.0 C n (kj m -1 ) m s -1 17/04/12 Gemona Febbraio

8 C s è diverso nelle donne e negli uomini Le donne sono più economiche degli uomini (di Prampero et al 1974, Pendergast et al 1977, Costill et al. 1985, Monpetit et al. 1983, Van Handel et al 1988,Chatard et al, 1991 (16 %)) Style Gender n C (kj m-1) C (J m-1kg 1) Crawl M F Breastroke M F /04/12 Gemona Febbraio

9 Determinanti di C s 1 Resistenza Idrodinamica Totale del Nuoto o Drag (F d, N) F d = K v 2 F d = 30 v 2 K = (0.5 C d r A) v 2 E la somma di drag di attrito (F a ), di pressione (o di forma) (F p ) e di onda (F o ) 17/04/12 Gemona Febbraio

10 Dimensioni di Drag F d corrisponde al lavoro speso per unità di distanza per vincere la resistenza idrodinamica F d = N = (N m) m -1 = J m -1 La potenza meccanica dissipata per vincere F d è proporzionale al cubo della velocità w d = F d v = A v 3 17/04/12 Gemona Febbraio

11 Lavoro totale nel nuoto Lavoro totale w t : Vincere il drag Contrastare l affondamento Accelerare all indietro di una massa di acqua ( m i ) ad ogni battuta di durata T imprimendole una variazione di velocità v i Forza Propulsiva = 1/T m i v i 17/04/12 Gemona Febbraio

12 Lavoro dissipato nel nuoto La massa di acqua m i spinta all indietro acquisisce un energia cinetica E k E k = 0.5 m i ( v i ) 2 Conclusione: parte di w t durante la fase di spinta è spesa per muovere nel verso opposto all avanzamento una massa di acqua m i 17/04/12 Gemona Febbraio

13 REGRESSO 17/04/12 Gemona Febbraio

14 Significato del regresso Quindi: Lo spostamento in avanti lungo il piano orizzontale del centro di massa del nuotatore nel corso di una bracciata è sempre inferiore alla distanza effettivamente percorsa dal punto di applicazione della forza propulsiva in acqua. Lavoro Totale w t = w d +w * k Potenza Totale w t = w t v * * convertita in energia cinetica impressa a m i per unità di distanza 17/04/12 Gemona Febbraio

15 Rendimento nel Nuoto η p = w d /w t = w d /( w d + w k ) η p : rendimento di propulsione ( ) η m = w t / E m η m : rendimento meccanico (0.09) 17/04/12 Gemona Febbraio

16 Drag e propelling efficiencies η d = η p η m = (w d /w t ) (w t / E m ) = w d / E m η d : drag efficiency ( ) E m = w d / (η p η m ) Quindi: Se vuoi nuotare velocemente Abbatti il drag Ed aumenta η p! 17/04/12 Gemona Febbraio

17 C s e Drag E m = w d / (η p η m ) C s = D/ (η p η m ) 17/04/12 Gemona Febbraio

18 C s è influenzato dalla fatica? Scopo dello studio (Capelli et al, 2005) Determinare C s in un gruppo di atleti maschi e femmine, nuotatori di elite sulle lunghe distance; Valutare il possibili effetti della fatica su C s Soggetti 5 femmine (24 ± 5.9 yy; 167 ± 1.6 cm; 59 ± 5.4 kg) and; 5 maschi male (28 ± 4.0 yy; 180 ± 4.8 cm; 77 ± 9.6 kg) Della nazionale italian di fondo 17/04/12 Gemona Febbraio

19 C s e fatica - Protocollo 1. 3 serie sui 400-m a velocità crescenti in una piscina di C s determinato ad ogni velocità 3. Subito dopo, un trial di 2 km alla veolocità corrispondente alla loro velocità record sui 10 km 4. Al termine, C s era di nuovo determinato al termine di tre serie (F) nuotate alla stessa velocità mantenuta durante le prime (PF) 17/04/12 Gemona Febbraio

20 C s e fatica - Metodi C s calcolato dividendo V O 2ss per la velocità mantenuta nel corso della corrispondente prova sui 400 m. V O 2ss stimato mediante la metodica della back extrapolation dall analisi del V O 2bb (registrato durante i primi 30 s di ristoro dopo ogni prova (Montpetit RR et al, 1981). 17/04/12 Gemona Febbraio

21 C s e fatica - Risultati C s * * 17/04/12 Gemona Febbraio

22 C s e fatica - Risultati SF (CPM) * * * Maschi F 2 km o PF 2 km 35.0 Femmine F 2 km v (m s-1) PF 2 km 17/04/12 Gemona Febbraio

23 C s e fatica - Conclusioni Il rapporto tra v e SF fornisce la distanza coperta in 1. Nel nuoto, C è determinato dal drag idrodinamico (D) e dal ogni bracciata, un parametro direttament rendimento di propulsione ( p ) 2. E poco probabile che D sia influenzato dalla fatica econnesso con la propelling efficiency (Craig and Pendergast, 1979) Quindi, l aumento di Cs dopo il test sui 2 km è probabilemnet dovuto alla diminuiozione di η p, come suggerito dall aumento di SF. 17/04/12 Gemona Febbraio

24 C s alle velocità sovra massimali C = E d -1 E = MAP t + CAn - MPA t (1-e -t τ -1 ) MPA: Massima Potenza Aerobica; proporzionale al V O 2max ; CAn: Capacità Anaerobica; quantità di energia che è possibile ottenere dalla massima utilizzazione delle fonti energetiche anaerobiche (lattacide + alattacide) τ: costante di tempo con la quale V O 2max viene raggiunto a livello muscolare dopo l inizio dell esercizio (24 s) 17/04/12 Gemona Febbraio

25 Cs vs. speed 3.0 Crawl australiano 3.0 Dorso C s (kj m -1 ) C s (kj m -1 ) speed (m s -1 ) speed (m s -1 ) 17/04/12 Gemona Febbraio

26 Bilancio energetico % E tot AnLac AnAlac Aer Questo approccio ci ha consentito di stimare il contributo percentuale delle diverse vie metaboliche all energia totale prodotta t (s) 17/04/12 Gemona Febbraio

27 % improvement C AnLac AnAlac MAP 5 % C e miglioramento delle prestazioni % Distance (km) Distance (km) 17/04/12 Gemona Febbraio

28 C e miglioramento delle prestazioni Il peso di C nel determinare una data variazione della performance record sembra essere indipendente dalla potenza espressa 17/04/12 Gemona Febbraio

29 2 Il miglioramento di BTP raggiunto, p.e., dalla diminuzione del 5 % di C è paragonabile a quello ottenuto aumentando simultaneamente del 5 % MPA, CAnAl e CAnL % Cycling Running Swimming t (s) 17/04/12 Gemona Febbraio

30 Froude La resistenza d onda di un imbarcazione (di un nuotatore) dipende dal numero adimesionale di Froude (F r ) F r può essere visto come il rapporto tra la forza di inerzia (m a) e la forza di gravità (m g) Froude vide che imbarcazioni grandi e piccole generavano treni di onde simili quando il rapporto del quadrato della velocità diviso per la lunghezza dello scafo erano uguali per le due imbarcazioni Dimostrò quindi, che scafi geometricamente simili erano anche dinamicamente simili F r = v 2 / g L 17/04/12 Gemona Febbraio

31 William Froude, W. Froude, /04/12 Gemona Febbraio

32 Veolocità critica e numero di Froude Si può dimostrare che un imbarcazione che si muove in regime di dislocamento raggiunge la sua velocità critica (v c ) quando v 2 = g/2 π LWL (lunghezza al galleggiamento) = 1,56 LWL v c può anche essere sotto forma di F r sostituendo v 2 con 1,56 LWL In questo modo, quando F r ,42, si raggiunge v c 17/04/12 Gemona Febbraio

33 Velocità critica Alla velocità critica, la barca dislocante avanza adagiata nel cavo di un onda che ha le due creste a poppa e a prua Sarebbe necessaria una potenza di fatto non disponibile per superare la cresta a prua 17/04/12 Gemona Febbraio

34 Velocità critica e potenza Se descriviamo la relazione tra C e v, possiamo anche calcolare dal prodotto C v c la potenza metabolica E c sufficiente e necessaria a raggiungere e mantenere v c Inoltre, conoscendo la velocità massima, possiamo calcolare F r e capire se l equipaggio è in grado di sfruttare completamente il potenziale dell imbarcazione intesa come uno scafo che si muove in dislocamento Ciò è stato, p.e., dimostrato essere il caso per un imbarcazione tradizionale a scafo piatto (Bissa) 17/04/12 Gemona Febbraio

35 F r e velocità nel nuoto E stato dimostrato che a v max, F r nei bambini è in media uguale a 0.37 (Kjendlie et al 2008) Significativamente inferiore a quello riscontrato negli adulti a v max : 0.42 Ciò suggerisce che 1. Il drag d onda ha un influenza diversa a v max nei soggetti giovani e negli adulti 2. Che i soggetti giovani non raggiungono v c in acqua, quindi non sfruttano tutte le potenzialità del loro corpo inteso come scafo avanza in dislocamento Suggerisce di calcolare F r a v max per valutare l evoluzione tecnica di un giovane nuotatore in crescita 17/04/12 Gemona Febbraio

36 Grazie per la vostra gentile attenzione 17/04/12 Gemona Febbraio