Energetica del nuoto - Carlo Capelli · 17/04/12! Gemona Febbraio 2009! 1! Energetica del nuoto!...

17/04/12 Gemona Febbraio 2009 1

Energetica del nuoto

Carlo Capelli, Dip.to di Scienze Neurologiche, Neuropsicologiche, Morfologiche e Motorie - Sezione di Scienze Motorie, Università di Verona


Scienze Motorie Verona


Definizione

!Quantità di energia metabolica spesa per unità di distanza

per avanzare ad una determinata velocità

(kJ km-1; J m-1 kg-1; ml O2 m-1 kg-1) (20.9 J = 1 mlO2 se RQ = 0.96)

Costo energetico della locomozione umana

E’ = C • v


E’max = C vmax = C d tmin-1

vmax = d tmin -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 tmin

Alle condizioni massimali


Come determinare Cs

Velocità sotto massimali aerobiche

E’< V’O2max

Cs = V’O2ss v-1

E’ ∝ ATP’ = cV’O2ss


Cs è diverso nei vari stili

0.4 0.8 1.2

1.5

1.0

0.5

m s-1

Cn

(kJ

m-1

)

Crawl

Backstroke

Butterfly

Breaststroke


1.41.00.6 1.8 2.2

2.0

1.5

1.0

m s-1

C n (k

J m-1

)

Cs dipende dal livello tecnico dei nuotatori


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 24 1.02 13.6

F 17 0.80 13.2Breastroke M 25 1.43 18.3

F 24 1.12 18.6

Cs è diverso nelle donne e negli uomini


1  Resistenza Idrodinamica Totale del Nuoto o Drag (Fd, N)

Fd = K v2

Fd = 30 v2

•  E’ la somma di drag di attrito (Fa), di pressione (o di forma) (Fp) e di onda (Fo)

K = (0.5 Cd r A) v2

Determinanti di Cs


•  Fd corrisponde al lavoro speso per unità di distanza per vincere la resistenza idrodinamica

Fd = N = (N m) m-1 = J m-1

•  La potenza meccanica dissipata per vincere Fd è proporzionale al cubo della velocità

w’d = Fd v = A v3

Dimensioni di Drag


Lavoro totale wt: •  Vincere il drag •  Contrastare l’affondamento •  Accelerare all’indietro di una massa di acqua

(∑mi) ad ogni battuta di durata T imprimendole una variazione di velocità ∆vi

Forza Propulsiva = 1/T ∑ mi ∆vi

Lavoro totale nel nuoto


La massa di acqua ∑mi spinta all’indietro acquisisce un’energia cinetica Ek

Ek = 0.5 ∑ mi (∆vi)2

Conclusione: parte di wt durante la fase di spinta è spesa per muovere nel verso opposto

all’avanzamento una massa di acqua ∑mi

Lavoro dissipato nel nuoto


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 wt = wd +wk*

* convertita in energia cinetica impressa a ∑mi per unità di distanza

Potenza Totale w’t = wt v*

Significato del regresso


ηp = w’d/w’t = w’d /( w’d + w’k)

ηp: rendimento di propulsione (0.42 - 0.63)

ηm = w’t / E’m

ηm: rendimento meccanico (0.09)

Rendimento nel Nuoto


ηd = ηp ηm = (w’d/w’t ) (w’t / E’m ) = w’d / E’m

ηd: drag efficiency (0.04 - 0.06)

E’m = w’d / (ηp ηm )

Quindi: Se vuoi nuotare velocemente •  Abbatti il drag •  Ed aumenta ηp !

Drag e propelling efficiencies


E’m = w’d / (ηp ηm )

Cs = D/ (ηp ηm )

Cs e Drag


Cs è influenzato dalla fatica ?

Scopo dello studio (Capelli et al, 2005)

• Determinare Cs in un gruppo di atleti maschi e femmine, nuotatori di elite sulle lunghe distance;

• Valutare il possibili effetti della fatica su Cs

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


Cs e fatica - Protocollo

1.  3 serie sui 400-m a velocità crescenti in una piscina di 50

2.  Cs 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, Cs era di nuovo determinato al termine di

tre serie (F) nuotate alla stessa velocità mantenuta durante le prime (PF)


Cs e fatica - Metodi

•  Cs calcolato dividendo V’O2ss per la velocità mantenuta nel corso della corrispondente prova sui 400 m.

•  V’O2ss stimato mediante la metodica della “back extrapolation” dall’analisi del V’O2bb (registrato durante i primi 30 s di ristoro dopo ogni prova (Montpetit RR et al, 1981).


Cs e fatica - Risultati

* *

Cs


Cs e fatica - Risultati

o

F 2 km PF 2 km

30.0

35.0

40.0

45.0

50.0

SF(CPM)

1.25 1.30 1.35 1.40 1.45 1.50

v (m s-1)

F 2 km

PF 2 km

Maschi

Femmine

* *

*


Cs e fatica - Conclusioni

1.  Nel nuoto, C è determinato dal drag idrodinamico (D) e dal

rendimento di propulsione (p) 2.  E’ poco probabile che D sia influenzato dalla fatica

•  Il rapporto tra v e SF fornisce la distanza coperta in

ogni bracciata, un parametro direttament

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 ηp,

come suggerito dall’aumento di SF.


Cs 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’O2max;

•  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’O2max viene raggiunto a livello muscolare dopo l’inizio dell’esercizio (24 s)


0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5speed (m s-1)

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

speed (m s-1)

Crawl australiano Dorso

Cs (

kJ m

-1)

Cs (

kJ m

-1)

Cs vs. speed


0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

0 50 100 150 200

t (s)

Aer

AnAlac

AnLac •  Questo approccio ci ha consentito di stimare il contributo percentuale delle diverse vie metaboliche all’energia totale prodotta

% E

tot

Bilancio energetico


0.0

0.5

1.0

1.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0Distance (km)

5 %

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0Distance (km)

10 %

% im

prov

emen

t   C AnLac AnAlac MAP

C e miglioramento delle prestazioni


  Il peso di C nel determinare una data variazione della performance record sembra essere indipendente dalla potenza espressa

C e miglioramento delle prestazioni


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

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

%

0 500 1000 1500 2000 2500

t (s)

Swimming

Running

Cycling


Froude • La resistenza d’onda di un’imbarcazione (di un nuotatore)

dipende dal numero adimesionale di Froude (Fr) • Fr 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

Fr = v2/ g L


William Froude, 1810-1879

W. Froude, 1883


Veolocità critica e numero di Froude

• Si può dimostrare che un’imbarcazione che si muove in regime di dislocamento raggiunge la sua velocità critica (vc) quando • v2 = g/2 • π • LWL (lunghezza al galleggiamento) = 1,56 • LWL

• vc può anche essere sotto forma di Fr sostituendo v2 con 1,56 • LWL

•  In questo modo, quando Fr ≈ 0.40-0,42, si raggiunge vc


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


Velocità critica e potenza

• Se descriviamo la relazione tra C e v, possiamo anche calcolare dal prodotto C • vc la potenza metabolica E’c sufficiente e necessaria a raggiungere e mantenere vc

• Inoltre, conoscendo la velocità massima, possiamo calcolare Fr 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)


Fr e velocità nel nuoto •  E’ stato dimostrato che a vmax, Fr nei bambini è in media uguale

a 0.37 (Kjendlie et al 2008) •  Significativamente inferiore a quello riscontrato negli adulti a

vmax: 0.42 •  Ciò suggerisce che

1.  Il drag d’onda ha un’influenza diversa a vmax nei soggetti giovani e negli adulti

2.  Che i soggetti giovani non raggiungono vc in acqua, quindi non sfruttano tutte le potenzialità del loro corpo inteso come scafo avanza in dislocamento

•  Suggerisce di calcolare Fr a vmax per valutare l’evoluzione tecnica di un giovane nuotatore in crescita


Grazie per la vostra gentile attenzione

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