Tomado de Toussaint, H.M. & Hollander, Peter & Berg, C. & Vorontsov, Andrei. (2000). Biomechanics of swimming. Exercise and sport science. 639-660. El artículo lo pueden encontrar acá
¿Alguna vez te has preguntado qué hace que los nadadores olímpicos sean tan rápidos? La respuesta está en la biomecánica de la natación, un fascinante campo que combina física, fisiología y técnica.
Resistencia al agua: El gran desafío
Cuando nadas, tu cuerpo experimenta resistencia o “arrastre”. Esta fuerza que te frena se debe a tres factores principales:
1. Fricción: El roce entre tu piel y el agua.
2. Presión: La diferencia de presión entre tu frente y tu espalda.
3. Olas: Las ondas que creas al moverte en la superficie.
Cuanto más rápido nades, mayor será esta resistencia. De hecho, ¡aumenta con el cuadrado de tu velocidad! Esto explica por qué es tan difícil aumentar tu velocidad de nado más allá de cierto punto.
Midiendo el arrastre: No es tarea fácil
Los científicos han desarrollado varios métodos ingeniosos para medir esta resistencia, desde remolcar nadadores detrás de botes hasta sistemas computerizados complejos. Sorprendentemente, descubrieron que la resistencia cuando nadas activamente no es muy diferente a cuando te dejas llevar pasivamente por el agua.
Factores que afectan la resistencia
Tu altura, forma corporal y técnica influyen en cuánta resistencia experimentas. Los nadadores más altos tienen ciertas ventajas, ya que pueden “deslizarse” sobre las olas que crean. Sin embargo, un cuerpo más grande también significa más resistencia, así que es un arma de doble filo.
Propulsión: No es solo empujar agua hacia atrás
Resulta que nadar rápido no se trata solo de mover los brazos como un molino de viento enloquecido. Es una danza acuática compleja entre fuerzas de arrastre, elevación y vórtices. Sí, has leído bien: ¡vórtices!
Contrariamente a la creencia popular, nadar rápido no se trata solo de empujar agua hacia atrás como un remo. Los nadadores eficientes mueven sus manos en patrones curvos complejos, buscando constantemente “agua quieta” para empujar.
Imagina que tu mano es como un ala de avión en miniatura. Cuando la mueves por el agua, crea zonas de alta y baja presión que generan elevación. Pero espera, ¡hay más! Tu mano también crea pequeños remolinos de agua llamados vórtices. Estos vórtices son como pequeños “empujones” extra que te ayudan a avanzar.
Los científicos solían pensar que nadar era solo cuestión de empujar el agua hacia atrás. Pero resulta que es mucho más complicado. Tu mano hace todo tipo de movimientos locos: se retuerce, gira y se mueve en patrones en forma de S (esto da para toda una entrada aparte, así que no lo discutiré ahora).
La importancia de la técnica
Una buena técnica puede reducir significativamente tu resistencia al agua. Los nadadores de élite son expertos en mantener una posición corporal estable y sincronizar sus movimientos para minimizar las fluctuaciones de velocidad.
Y hablando de invisible, los investigadores han usado todo tipo de trucos ingeniosos para estudiar el flujo del agua alrededor de los nadadores. Han atado pequeñas hebras de lana a las manos de los nadadores e incluso han usado humo en modelos robóticos. ¡Imagina a un robot nadador rodeado de humo!
Pero la biomecánica es solo la mitad de la historia. También está la cuestión de la energía. Nadar es como tratar de correr en gelatina: requiere mucha energía. Los científicos han hecho que la gente nade con máscaras de oxígeno, los han remolcado detrás de botes e incluso los han hecho nadar en piscinas circulares como hámsters acuáticos gigantes, todo para medir cuánta energía se necesita para nadar.
Energía y eficiencia
El éxito en la natación no solo depende de las fuerzas propulsivas, sino también de las capacidades aeróbicas y anaeróbicas del nadador. Por lo tanto, es crucial analizar la energética de la natación.
Se han utilizado diversos métodos para medir el gasto energético en la natación:
1. Medición del consumo de oxígeno durante y después de nadar.
2. Técnicas de retención de la respiración y recolección de gases expirados.
3. Extrapolación de la curva de recuperación de oxígeno.
4. Mediciones directas en natación atada, en canales de agua, piscinas anulares y nado libre.
Los estudios muestran que las mujeres generalmente requieren un 30% menos de energía que los hombres para mantener una velocidad dada. Esto se atribuyó inicialmente a una mayor flotabilidad debido a un mayor porcentaje de grasa corporal, pero investigaciones posteriores sugieren que se debe más a diferencias en el tamaño y forma del cuerpo.
La energía gastada durante el nado a velocidad constante se utiliza principalmente para superar el arrastre. El poder necesario para vencer el arrastre está relacionado con el cubo de la velocidad.
Cuando se relaciona el gasto energético con el poder para superar el arrastre, no se encuentran diferencias significativas entre hombres y mujeres. Las diferencias en el gasto energético se explican principalmente por las diferencias en el área frontal y el tamaño corporal.
El uso de trajes de neopreno en triatlón reduce el arrastre en un 14%, probablemente debido a un aumento de la flotabilidad. Sin embargo, la relación exacta entre flotabilidad, arrastre y gasto energético aún no está completamente determinada.
Pérdida de Energía en la Propulsión
La propulsión en la natación es diferente a las actividades en tierra. En el agua, la aceleración del fluido no puede ignorarse. Según la Segunda Ley de Newton, la fuerza necesaria para acelerar una masa de agua genera un cambio de momento.
Al nadar, parte de la energía mecánica se transfiere al agua en forma de energía cinética, lo que resulta en una pérdida de potencia. Esto se cuantifica mediante la eficiencia propulsora o eficiencia de Froude, que relaciona la potencia útil con la potencia total.
Puntos clave:
1. Las pérdidas de potencia en natación son considerables (eficiencia propulsora << 100%).
2. Estas pérdidas dependen en gran medida de la técnica del nadador.
3. Es más eficiente acelerar una gran masa de agua a baja velocidad que una pequeña masa a alta velocidad.
4. La técnica óptima busca maximizar la fuerza propulsora con la mejor eficiencia y el mínimo arrastre.
5. El uso adecuado de las fuerzas de sustentación puede mejorar la eficiencia propulsora.
Varios autores en los años 70 ya señalaron la importancia de considerar la potencia perdida en el agua en los análisis energéticos de la natación. Sin embargo, muchos estudios posteriores no tuvieron en cuenta este factor, lo que llevó a conclusiones cuestionables sobre el arrastre activo y la eficiencia mecánica en natación.
Factores que determinan la eficiencia propulsora
La fuerza propulsora es causada por el flujo de momento, transmitido por la acción de vórtices. Independientemente del tipo de propulsión, el sistema propulsivo genera vórtices de estela.
La fuerza de un vórtice de estela es proporcional a la velocidad de rotación por el radio del vórtice. Los vórtices transportan momento y energía cinética. La energía transferida al agua es proporcional al cuadrado de la fuerza del vórtice dividido por la raíz cuadrada del área del vórtice.
El vórtice más eficiente es grande en tamaño y tiene baja fuerza. Los vórtices de forma aproximadamente circular llevan una gran cantidad de momento en relación con su energía. Este tipo de vórtice es creado por superficies propulsoras con una forma especial en forma de media luna.
La visualización del flujo en la propulsión de natación podría arrojar más luz sobre este tema. Una cuantificación precisa de la energía cinética del agua desplazada podría resolver las discrepancias en los valores de eficiencia propulsora obtenidos por diferentes métodos.
Como primera aproximación, se puede estimar la energía cinética de la estela si se pueden calcular el diámetro y la velocidad auto-inducida del vórtice anular.”