EL ANLISIS BIOMECNICO EN NATACIN.

INTRODUCCIN

La Biomecnica Deportiva es una ciencia de muy reciente aparicin y consolidacin en el mbito cientfico internacional. Su objetivo es doble: por un lado la mejora del rendimiento deportivo y, por otro, la prevencin de lesiones. Para lograr este doble objetivo se centra en la optimizacin de la tcnica deportiva y del material y equipamiento utilizado por los deportistas.Centrndonos en la natacin, la Biomecnica Deportiva proporciona conocimientos de aplicacin general a las actividades acuticas (por ejemplo, el Principio de Arqumedes para explicar la flotacin) y conocimientos de aplicacin especfica (por ejemplo, trayectorias y velocidades de la mano durante la traccin en cualquiera de los estilos de competicin). Adems, y como todas las ciencias, proporciona un instrumental de medida que permite el anlisis y la evaluacin de la actividad natatoria de los deportistas. Pero desde hace unos aos estn apareciendo en el mercado instrumentos de menor coste y de fcil manejo, lo que hace posible su adquisicin por parte de entidades con mejores recursos econmicos.

En la presente ponencia se pretende dar una visin amplia de las aportaciones que la Biomecnica Deportiva puede proporcionar al mundo de las actividades acuticas y de la natacin deportiva. Para ello, el texto se presenta en dos apartados; el primero proporciona

El 65% de nosotros es agua, eso dicen, pero cuando el ser humano se introduce en el medio acutico se encuentra en un elemento extrao para el que estamos pobremente diseados y donde nuestra locomocin es poco eficiente. Los peces y otros animales marinos estn equipados con aletas que son relativamente pequeas en comparacin con el tamao de su cuerpo, los humanos tenemos unos miembros superiores e inferiores largos y delgados que proporcionan muy poca superficie con la que interactuar con el agua.

El prrafo anterior, expone la evidencia de que el ser humano no est diseado para la locomocin en el medio acutico. No obstante, la necesidad de cruzar ros, adentrarse en el mar, etc.

Actualmente, el nmero de actividades que se realizan en el agua es inmenso, incluyendo actividades de carcter competitivo, recreativo y teraputico. Sin embargo, no siempre ha sido tan recomendado y aceptado por la sociedad. Nado es un ejercicio laborioso que no debe ser realizado hasta la extenuacin. No es natural para el hombre.

El ineficiente desempeo del ser humano en el medio acutico se debe a las caractersticas propias del agua: un fluido denso y viscoso, en el que resulta difcil aplicar fuerzas propulsivas y donde las fuerzas de resistencia al avance son muy patentes. Para tener una buena comprensin de la locomocin humana en el medio acutico, es necesario conocer qu fuerzas se ponen en juego cuando ste se sumerge en su interior.muestra las cuatro fuerzas que rigen el nado del ser humano: la fuerza peso y el empuje hidrosttico determinan la flotabilidad del nadador, mientras que las fuerzas propulsivas y de resistencia determinan su velocidad de nado.

A continuacin se explican, con algo ms de detalle, como interactan estas cuatro fuerzas durante el nado.

FLOTACIN.

La flotacin de un cuerpo en el agua depende de las fuerzas que se apliquen en un instante dado. En reposo, la flotacin viene determinada por el Principio de Arqumedes, segn el cual, todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical (direccin) y ascendente (sentido) igual al peso del volumen de fluido desalojado. Dicho empuje se denomina empuje hidrosttico (Eh). Consecuentemente, cuando una persona se introduce en el medio acutico, y no realiza ningn movimiento, su flotabilidad depende de su peso y del empuje hidrosttico: cuando el peso sea mayor que el empuje hidrosttico se hundir y cuando sea menor flotar.

Las ecuaciones 1 y 2 muestran como, siendo la gravedad (g) y el volumen del cuerpo y de agua desalojada iguales, lo que determina la flotabilidad de un cuerpo es la relacin de densidades.Ec.1: Eh = magua g = vagua agua g

Ec.2: P = mcuerpo g = vcuerpo cuerpo g

vagua = vcuerpo

g = g

fluido cuerpo

La densidad del agua vara ligeramente con la temperatura, pero puede considerarse prxima a los 1000 kg/m3. Aquellos cuerpos que tengan densidades superiores se hundirn, mientras que los que tengan densidades inferiores flotarn. El cuerpo humano no tiene una densidad homognea, sino que existen diferencias importantes entre los diferentes tejidos que lo forman. El ms denso es el tejido seo, con unos 1800 kg/m3, tejidos como el muscular, el tendinoso y el ligamentoso poseen densidades ligeramente superiores a las del agua, unos 1020-1050 kg/m3, y, el nico tejido menos denso que el agua, es el tejido adiposo, con una densidad de unos 950 kg/m3. Por consiguiente, el ser humano debera hundirse siempre por qu no ocurre esto? La respuesta hay que buscarla en el aire ubicado en pulmones y vas respiratorias, puesto que la densidad del aire es unas mil veces menor que la del agua, es decir, 1 kg/m3. De esta manera, los pulmones actan como flotadores: durante la inspiracin se hinchan y durante la expiracin se deshinchan. Por lo tanto, la habilidad el ser humano para flotar (flotacin pasiva) depende, bsicamente, de su habilidad para expandir su caja torcica

Como muestra la figura 3, el peso y el empuje hidrosttivo se aplican en puntos distintos: el peso se aplica en el centro de gravedad, mientras que el empuje hidrosttico se aplica en el centro de flotacin o de carena. De esta manera, un cuerpo en posicin ventral se ve sometido a un momento torsor (par de fuerzas) que obliga al cuerpo a girar hasta que las lneas de accin de las dos fuerzas mencionadas sean coincidentes, cosa que ocurre cuando el cuerpo queda en posicin vertical y, siempre, con el centro de gravedad por debajo del centro de flotacin.

RESISTENCIA QUE OPONE EL AGUA AL AVANCE DEL SER HUMANO EN SU INTERIOR.La resistencia es una fuerza con la misma direccin y sentido contrario al avance, de manera que dificulta o impide el desplazamiento de un cuerpo en el seno del agua. Cuando el nadador se desplaza en el agua aparecen tres tipos de resistencias: resistencia de forma, resistencia por oleaje y resistencia por friccin.

1. Resistencia de forma o presin. Es la ms importante de las tres y es debida a que durante el nado se genera una zona de alta presin delante del cuerpo y otra de baja presin detrs de l. Dicho gradiente de presiones frena el avance del cuerpo . Esto es debido principalmente a que el agua deja de fluir laminarmente, apareciendo flujos turbulentos.

Este tipo de resistencia puede cuantificarse mediante la ecuacin 3 (formulada por Newton en el s.XVIII), y que relaciona las diferentes variables que intervienen.

Ec. 3: Rde forma = S Cx V2

Donde: S = superficie frontal de contacto

Cx = coeficiente de forma o penetrabilidad V2 = velocidad, elevada al cuadrado

= densidad

Esta ecuacin es adecuada para medir la resistencia pasiva, es decir, cuando el nadador mantiene una posicin fija y es arrastrado por algn mecanismo. Sin embargo, durante el nado los nadadores continuamente cambian la alineacin de su cuerpo y las posiciones de sus miembros inferiores e inferiores. Por ello, para medir la resistencia activa hay que cambiar S por la llamada rea superficial corporal A. Con esto, el Cxse transforma en el coeficiente de resistencia activa, CDa (este coeficiente se calcula a partir del denominado nmero de Froude. En general, a mayor nmero de Froude menor resistencia activa y viceversa):

Ec. 4: Ractiva = S CDa V2

Dado que la densidad no puede modificarse (slo un poco con la temperatura) y la velocidad no interesa disminuirla, sino todo lo contrario, para disminuir la resistencia de forma hay que intentar disminuir el coeficiente de resistencia y la superficie frontal. Esto se consigue, bsicamente, con una buena alineacin del cuerpo, tal y como muestra la figura 5. Adems, los nadadores pueden experimentar cierto nivel de elevacin hidrodinmica, lo que disminuye la superficie de choque con el agua (Takagi & Sanders, 2000). Del mismo modo, un incremento de la flotacin debido al uso de trajes de neopreno puede disminuir la resistencia en un 15% (Toussaint y cols. 1988). En el dado opuesto, un excesivo volumen muscular puede ser contraproducente, puesto que aumenta la citada superficie frontal efectiva. Esto puede justificar el hecho de que muchos nadadores empeoran sus marcas tras perodos de entrenamiento de la fuerza en seco: las ganancias en fuerza no compensan el aumento de resistencia asociado al incremento de volumen muscular.

2. Resistencia debida al oleaje. Es un tipo de resistencia que aparece cuando un cuerpo se mueve en la interfase del agua y el aire, por lo que no existe en los desplazamientos subacuticos. A velocidades bajas es poco importante, pero a altasvelocidades puede llegar a convertirse en la resistencia ms importante (Kreighbaum & Barthels, 1990). Es debida al choque del nadador con la masa de agua de las olas que se forman como consecuencia de su avance y, especialmente, de los movimientos ascendentes-descendentes de los segmentos corporales.

Durante el nado subacutico tras las salidas y los virajes, no aparece este tipo de resistencia. Los estudios de Little & Blanksby (2000) indican que la profundidad ptima debe oscilar entre 035-045 metros. Por otro lado, los estudios del propio Blanksby (2000), y de Shimizu y cols. (1997), demuestran que la resistencia al avance durante el nado subacutico disminuye, solamente, a velocidades superiores a 19 m/s.

Aplicando la ley de accin-reaccin (tercera ley de Newton), al chocar el cuerpo del nadador con las olas, el agua ser desplazada hacia delante mientras que el nadador ser desplazado hacia atrs. La prdida en velocidad que experimentar el nadador ser equivalente a la cantidad de momento (P = m v) que ste le aplique a la masa de agua que desplaza hacia delante.

Al igual que ocurre con la resistencia de forma, una buena tcnica disminuye el oleaje y, como consecuencia, la resistencia asociada al mismo. As, para dos grupos de nadadores con diferente nivel tcnico que nadan a la misma velocidad, el oleaje es menor en el grupo de mayor nivel tcnico (Takamoto, Ohmichi y Miyashita, 1985).

Paradjicamente, cierto nivel de oleaje puede ser positivo en el caso del estilo crol, puesto que la depresin de agua creada alrededor de la cabeza facilita la respiracin. A esta depresin de agua se le denomina el bolsillo de aire, y es tanto mayor cuanta mayor es la velocidad de nado.

3. Resistencia por friccin o debida al arrastre viscoso (superficial). Es la menos importante de las tres y, sin embargo, es la que ms a revolucionado la esttica de los nadadores; durante dcadas al incitarles a la depilacin y, actualmente, al desarrollarse baadores de cuerpo entero. Su valor es dependiente de la cantidad de superficie encontacto con el agua, de la viscosidad del agua (que puede modificarse ligeramente con la temperatura), del coeficiente de friccin de la piel, pelo y baador, y de la velocidad de nado.

PROPULSINEn la mayora de libros y artculos que tratan sobre el tema, se acepta que son dos las leyes del movimiento que justifican la propulsin de los nadadores: la ley de accin-reaccin y el teorema de Bernouilli. Sin embargo, todava existe cierta controversia respecto a su contribucin, especialmente desde que a mediados de 1980 se postul la posibilidad de generar propulsin en base a la formacin de vrtices (Colwin, 1984, 1985).Gran parte de la investigacin en biomecnica del nado de la ltima dcada ha ido encaminada a desvelar este problema (Arellano, 1996) pero an estamos lejos de una teora unificada que explique la propulsin humana en el medio acutico.En 1968 J. Counsilman postul que la propulsin generada por las manos de los nadadores poda ser explicada mediante la ley de accin-reaccin (tercera ley de Newton). Segn sus postulados la mano deba entrar al agua con el codo extendido, para posteriormente flexionarse y volverse a extender. De esta manera resultara posible empujar el agua durante un mayor recorrido horizontal hacia atrs y, por reaccin, desplazar su cuerpo hacia delante a mayor velocidad. La aceptacin de esta teora, conocida como teora propulsiva de arrastre, dio lugar a la terminologa todava hoy utilizada de:

Tirn: primera mitad de la traccin, cuando el codo se flexiona.

Empuje: segunda mitad de la traccin, cuando el codo se extiende.

Asimilando la propulsin acutica a la terrestre, se postul que la trayectoria de la mano deba ser rectilnea (figura 7). Sin embargo, pronto result patente que los mejores nadadores no realizaban trayectorias rectilneas, sino que las manos describan un patrones curvilneos (figura 8). No obstante, lejos de revocar la propulsin mediante la ley de accin-reaccin, lleg a la conclusin de que esta trayectoria permita empujar mejor el agua hacia atrs debido a que los cambios de trayectoria de la mano permitan al nadador apoyarse en aguas quietas: una vez el agua es acelerada hacia detrs, adquiere momento lineal (cantidad de movimiento; P = masa x velocidad) de manera que seguir acelerndola resulta tanto ms difcil cuanto mayor es su velocidad, por consiguiente, al modificar ltrayectoria de la mano se consigue mover aguas que no poseen momento lineal

los nadadores se propulsan utilizando movimientos de zingladura en los que los movimientos de la mano hacia arriba-abajo y hacia dentro-fuera son ms importantes que los movimientos hacia atrs.

La fuerza de sustentacin es evidente cuando el slido que viaja a travs del fluido presenta un perfil asimtrico, como el ala de un avin o la de un pjaro

A mediados de la dcada de los 80 aparece una nueva perspectiva en el estudio de la propulsin humana en el agua que recibe el nombre de hiptesis propulsiva de los vrtices (Colwin, C. 1984; 1985a). Surge como consecuencia del estudio del nado de los peces y de las corrientes de agua que son generadas durante los movimientos propulsivos, y es la primera vez que se aplican conocimientos de dinmica de fluidos para explicar la propulsin humana durante el nado. Los vrtices surgen como consecuencia del principio de conservacin del momento y como consecuencia del gradiente de velocidades (y presiones) alrededor de un determinado perfil segn indica el teorema de Bernouilli. La figura 11 muestra las ilustraciones realizadas por el propio Colwin para indicar como se forman los vrtices.

INSTRUMENTAL DE MEDIDA PARA EL ANLISIS Y LA EVALUACIN DE LA ACTIVIDAD NATATORIA

Tradicionalmente, las herramientas o instrumental de medida que la Biomecnica Deportiva aporta para el anlisis y evaluacin de las prcticas fsico-deportivas se clasifican en dos grandes grupos (Brizuela y Llana, 1997):

Herramientas para el anlisis cinemtico del movimiento

Herramientas para el anlisis cintico del movimiento

HERRAMIENTAS PARA EL ANLISIS CINEMTICO DEL MOVIMIENTO El instrumental para el anlisis cinemtico ofrece informacin sobre el movimiento

para un anlisis descriptivo del mismo, sin tener en consideracin las fuerzas que originan el movimiento. Los datos aportados por este grupo de herramientas se expresan en trminos de desplazamientos, velocidades y aceleraciones lineales y/o angulares.

Dentro de este grupo, aparecen varios tipos de herramientas:

Gonimetros para medir ngulos entre segmentos articulados.( 18,15 EUROS)

Acelermetros para medir aceleraciones, generalmente usados en impactos. (49,5 EUROS )

Fotoclulas y plataformas de contacto para medir tiempos parciales o de vuelo.

Cmaras de vdeo para anlisis cualitativos y cuantitativos de la actividad deportiva.

Cable-velocmetro: se explicar en la ponencia del Dr. Vctor Tella Muoz

Otros.

Hablaremos en primer lugar del estudio de la tcnica de nado y, en segundo lugar, de los sistemas de anlisis temporal.

ANLISIS DE LA TCNICA DE NADO.

. En natacin, la trayectoria de los diferentes segmentos corporales, y fundamentalmente las manos, ocurre en ms de un plano. Con el objeto de poder realizar anlisis tridimensionales (3D), se requiere un mnimo de 2 cmaras para ver los movimientos subacuticos, y otras dos para ver los movimientos areos. Estas cmaras han de situarse de manera que en todo momento se observen los puntos anatmicos de inters durante la filmacin, por lo que generalmente se ubican formando un ngulo de 70-90 entre s.

En estos estudios, denominados de fotogrametra (medida de la informacin contenida en fotogramas), el cuerpo humano (o una porcin de ste) ha de ser simplificado a un modelo de segmentos articulados entre s delimitados por referencias externas (marcadores) que determinan los segmentos del cuerpo humano que interesa estudiar (figura 12). Estos marcadores permiten, una vez digitalizada la filmacin, crear sistemas de coordenadas locales en cada segmento, con lo que se pueden conocer sus posiciones relativas, es decir, los ngulos formados entre los segmentos. Por ejemplo, que en el instante de tiempo 0 (inicio de la digitalizacin) el ngulo formado entre el antebrazo y el brazo sea de 90, y en el instante de tiempo 05 (medio segundo despus) sea de 175

Velocidad de traccin de las manos y velocidad de avance del cuerpo para el estilo mariposa.

s de Alto Rendimiento Deportivo o de Facultades.

SISTEMA DE ANLISIS TEMPORAL EN NATACIN (TSAS).

En laVelocidad de traccin de las manos y velocidad de avance del cuerpo para el estilo braza.Este tipo de estudios requieren de un instrumental y de un personal de laboratorio altamente cualificado, por lo que estn al alcance exclusivamente de Centro actualidad, dicho mtodo es ampliamente utilizado en muchos pases en sus campeonatos nacionales y, por su puesto, en la LEN, la FINA y el COI permiten desde hace unas dos dcadas que grupos de investigadores realicen dichos anlisis en los campeonatos por ellos organizados.

Dicho anlisis se fundamenta en un modelo de rendimiento en el que el tiempo total de nado se divide en tramos ms cortos, tal y como se indica a continuacin:

Para poder realizar estos estudios es necesario ubicar 2 3 cmaras de vdeo perpendiculares a las calles de la piscina y a una distancia que el plano de filmacin registre todo el nado. La figura 18 muestra un ejemplo de uno de estos Sistemas de Anlisis Temporal en Natac

HERRAMIENTAS PARA EL ANLISIS CINTICO DEL MOVIMIENTO Las herramientas para el anlisis cintico permiten obtener informacin sobre lascargas mecnicas que generan el movimiento. Este instrumental permite el registro de fuerzas, momentos (torques) y presiones actuantes sobre el cuerpo humano en su interaccin con el medio.

Dentro de este grupo, encontramos los siguientes tipos de herramientas:

Medicin de fuerzas: transductores de deformacin (generalmente galgas extensomtricas), clulas de carga y plataformas dinamomtricas.

Medicin de presiones: pequeos transductores presuromtricos (generalmente

piezoelctricos) introducidos en estructuras rgidas, como plataformas, o en superficies flexibles, como plantillas o guantes..

PLATAFORMAS DINAMOMTRICAS (O DE FUERZA)

Las plataformas dinamomtricas son, posiblemente, la herramienta ms utilizada en el mbito de la Biomecnica Deportiva. Permite registrar las fuerzas de reaccin durante la interaccin del deportista, generalmente sus pies, con superficies slidas, generalmente el suelo. Se trata de estructuras slidas y pesadas, y que han de fijarse slidamente al suelo, por lo que se requiere que el laboratorio o zona de uso est preparado para el Dos plataformas, con sensores de tipo extensomtricos, utilizadas para el registro de fuerzas de reaccin en el laboratorio Obsrvese la infraestructura necesaria para su correcta fijacin al suelo

En el caso de la natacin, se utilizan para evaluar la eficiencia de la impulsin durante la salida y durante el viraje, cuando los pies estn en contacto con el poyete y con la pared respectivamente. Para poder colocar la plataforma en el poyete o en la pared de la piscina, es necesario preparar la instalacin: en el caso del poyete se debe extraer la parte superior del mismo e introducir unos anclajes diseados especialmente (figura 21), pero en el caso de los virajes es necesario realizar operaciones de albailera, lo que dificulta enormemente la posibilidad de su uso (en Espaa no existen instalaciones preparadas para este ltimo caso).

Plataforma, con sensores de tipo piezoelctricos,

La plataforma registra las fuerzas en las tres direcciones del espacio: mediolateral o eje x, anteroposterior o eje y, y vertical o eje z (figura 22). En el caso de las salidas, los criterios de eficacia son:

que las fuerzas anteroposteriores (eje y) sean mximas.

que las fuerzas verticales (eje z) no sobrepasen en ms de un 25% la fuerza peso del nadador

que las fuerzas mediolaterales (eje x) sean nulas.

Registro de las fuerzas vertical (azul) y anteroposterior (verde) durante una salida. rojo aparece el pulso de la seal de salida .

GUANTES INSTRUMENTADOS

La propulsin generada por los miembros superiores es la principal responsable del avance del nadador durante el nado (a excepcin de la braza). La fuerza propulsiva generada por las manos viene definida por la ecuacin n 5 de la pgina 14, pero dicha ecuacin slo permite clculos aproximados. Adems, los estudios de Schleihauf (1979) y los de Berger y cols. (1995) utilizaron un modelo de mano que introducan en canales de agua para determinar los valores de fuerza.

Una aproximacin mucho ms real es la llevada a cabo por Takagi utilizando un guante instrumentado con transductores en la palma y en el dorso. Dichos transductores permiten registrar el componente perpendicular de la fuerza hidrodinmica. Los resultados obtenidos al medir la brazada de crol muestran como la mayor parte de la fuerza se produce hacia el final de la brazada, cuando el nadador realiza los barridos hacia adentro y hacia arriba.

Grfica de la fuerza hidrodinmica actuando sobre la mano durante cinco ciclos de crol. Las figuras de arriba indican los diferentes instantes de la brazada