Carlo Capelli

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 2009
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Scienze Motorie Verona
17/04/12
Gemona Febbraio 2009
2
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 O2 m-1 kg-1)
(20.9 J = 1 mlO2 se RQ = 0.96)
E’ = C • v
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Alle condizioni massimali
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
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Come determinare Cs
Velocità sotto massimali aerobiche
E’< V’O2max
Cs = V’O2ss v-1
E’ ∝ ATP’ = cV’O2ss
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Cs è diverso nei vari stili
Breaststroke
Cn (kJ m -1)
1.5
Backstroke
1.0
Butterfly
Crawl
0.5
0.4
0.8
1.2
m s-1
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Cs dipende dal livello tecnico dei
nuotatori
Cn (kJ m -1)
2.0
1.5
1.0
0.6
1.0
1.4
1.8
2.2
m s-1
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Cs 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
Crawl
Breastroke
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Gender n
C
C
(kJ m-1) (J m-1kg–1)
M
24
1.02
13.6
F
17
0.80
13.2
M
25
1.43
18.3
F
24
1.12
18.6
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Determinanti di Cs
1  Resistenza Idrodinamica Totale del Nuoto o Drag
(Fd, N)
Fd = K v2
Fd = 30 v2
K = (0.5 Cd r A) v2
•  E’ la somma di drag di attrito (Fa), di pressione (o di
forma) (Fp) e di onda (Fo)
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Dimensioni di Drag
•  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
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Lavoro totale nel nuoto
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
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Lavoro dissipato 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
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REGRESSO
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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 wt = wd +wk*
Potenza Totale w’t = wt v*
* convertita in energia cinetica impressa a ∑mi per unità di distanza 17/04/12
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Rendimento nel Nuoto
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) 17/04/12
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Drag e propelling efficiencies
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 !
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Cs e Drag
E’m = w’d / (ηp ηm )
Cs = D/ (ηp ηm )
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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 17/04/12
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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)
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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).
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Cs e fatica - Risultati
Cs
*
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*
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Cs e fatica - Risultati
50.0
SF
(CPM)
*
45.0
Maschi
F 2 km

*
o PF 2 km
*
40.0
Femmine
 F 2 km
35.0
30.0
1.25
1.30
1.35
1.40
1.45
1.50

PF 2 km
v (m s -1)
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Cs 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
rendimento
di propulsione
(!p)
direttament
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 ηp,
come suggerito dall’aumento di SF. 17/04/12
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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)
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Cs vs. speed
Dorso
3.0
Cs (kJ m-1)
Cs (kJ m-1)
3.0
Crawl australiano
2.5
2.0
2.5
2.0
1.5
1.5
1.0
1.0
0.5
0.5
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
speed (m s-1)
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0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
speed (m s-1)
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Bilancio energetico
80.0
AnLac
AnAlac
% Etot
60.0
Aer
40.0
20.0
0.0
0
50
100
150
200
•  Questo approccio
ci ha consentito
di stimare il
contributo
percentuale delle
diverse vie
metaboliche
all’energia totale
prodotta t (s)
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% improvement
  C
 AnLac
AnAlac
 MAP
1.5
C e miglioramento
delle prestazioni
5%
3.0
10 %
2.5
1.0
2.0
1.5
0.5
1.0
0.5
0.0
0.0
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0.5
1.0
Distance (km)
1.5
2.0
0.0
0.0
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0.5
1.0
Distance (km)
1.5
2.0
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C e miglioramento delle
prestazioni
  Il peso di C nel determinare una
data variazione della
performance record sembra
essere indipendente dalla
potenza espressa
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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
70.0
Cycling
%
Running
60.0
Swimming
50.0
40.0
30.0
0
500
1000
1500
2000
2500
t (s)
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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
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William Froude, 1810-1879
W. Froude, 1883
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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
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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
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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)
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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
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Gemona Febbraio 2009
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Grazie per la vostra gentile
attenzione
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