Biomecánica y Bases Neuromusculares de La Actividad Fisica y El Deporte - M. Izquierdo

BIO EcANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA ACTIVIDAD FlslCA Y EL DEPORTE Mike/Izquierdo

·

:_;; of

.

Figura 5.6. Proyeccion del vector A sobre el eje S.

x

Figura 5.7. Sistema de coordenadas cartesianas.

COMPONENTES CARTESIANOS DE UN veCTOR

Su valor viene dado par: A, = A cos tP (si el angulo es~)

SISTEMA DE REFERENCIA CARTESIANO Ala hora de repre~~tar las magnitudes vectoriales en el espacio, utilizamos como siste1lla-de referencia tres ejes de coordenadas perpendiculares entre sf y que se cortan en un punta connin que denominamos «origen de coordenadas» (Fig. 5.7). Este sistema de coordenadas 10 denominamos «sistema de coordenadas cartesianos); en honor a Rene Descartes. Existen otros sistemas de coordenadas, como las coordenadas polares, las coordenadas cilindricas a el sistema de coordenadas esfericas, En 10 que sigue utilizaremos el sistema cartesiano. En el sistema de coordenadas cartesianas un punta en el plano viene determinado par una pareja de mimeros reales P (x, y) y en el espacio par una tema P (x, y, z), tambien llamados «coordenadas cartesianas» (Fig. 5.8).

Figura 5.9.1epresentacion geometrica de las componentes cartesianasAu Ay y A,

delvedorA.

Las componentes cartesianas de un vector en el plano vienen dadas por la figura 5.10 par sus proyecciones sabre los ejes cartesianos. Sin embargo, en este caso, teniendo en cuenta las razones trigonometricas de un triangulo rectangulo, solamente es necesario disponer de un solo angulo, par ejemplo 8, para poder expresar un vector en forroa bipolar: Ax=Acos

Estos puntas pueden venir, a su vez, determinados par un vector que tiene su origen en el orige!l de coordenadas y su extrema en el punta considerado. Dado un vector A, se denominan «componentes» de dicho vector (AxA.,A.) sus proyecciones sabre los ejes de coordenadas corresnondientes (Fig. 5.9). Las componentes cartesianas son mimeros y las representamos en cursiva. Utilizando este sistema de coordenadas podemos representar un vector de forroa analftica definiendo tres vectores unitarios, a sea, de modulo unidad y sin dimensiones, en cada uno de ejes de coordenadas y dirigidos en el sentido positivo de dichos ejes (Fig. 5.9). Estos vectores los designaremos siempre par feen el eje x), feen el eje y) y k (en el eje y las componentes que los definen son i= (1,0, Ol,j = (Q..l, O)J k= (0, 0, 1). Un vector generico se expresa asf: A =:.Ax i + Ay j + A, k, siendo Ax,Ay Y A, las tres componentes del vector A. Estas fomponentes son escalares y de las mismas dimensiones que A, de tal forroa que, en tres dimensiones:

Ax=Acosa Ay=Acos~ A,=Acosy

Ay=Asen

De esta forroa es facil ver (Fig. 5.11) que la suma grsfica que reali-

zabamos par el metodo del pollgono ahara podemos expresarla de forroa analjtica.En !lla p_odemos apreciar que la resultante de la suma de los

De esta forroa, podemos expresar el vector A como: A=AJ +Ay] +A,k= (A cos a); + (A cos ~)] + (Acosy) k

•

Si quisieramos determinar el modulo del vector en funcion de sus componentes, bastarfa con aplicar el teorema de Pitagoras:

C= A + B

Supongamos que en el ejemplo de la figura 5.9:

(Cx, Cy) = (A, + Bx, Ay + By)

11]+6k

Y de forroa general 10 expresamos como:

y su modulo:

Ii= CR., a, RJ = (~)x. Vectorunitario en la direccion de A

z

y

p (x, y)

••••••••••••••••••••••••

: y

:x

..:·

P(x,z,y)

Aprovechemos la ocasiol!)' obtengamos el vector unitario que lleve ignal direccion y sentido que A. Como habfamos descrito en el apartado sabre el producto de un vector par un escalar), el vector unitario vendni dado par: .

· ·

a

IAI

a

x = -Figura 5.8. Representacion de un punta en el plano y en el espacia mediante el sistema de coordenadas cartesianas.

o sea, cada una de las componentes cartesianas de la resultante es el resultado de sumar las componentes respectivas de cada uno de los vectores. y

A

IAI Ay=A sen B

~ = A = (!:_ !!__ !:_) 4; + 11]

x

LAy, LA,)

u =--

z :

Que en nuestro caso sera:

-------L~----------~------------x

vectores A y B es C. Ahara bien, las componentes de C no so~ m~ que el resultado de la soma de las componentes de ambos vectores A y B. Asf, podemos expresar analfticamente la suma de dos vectores como:

IAI =V Ai+A~+Ai A=4;+

e e

4

A'

11

,--,--

( 13,15

A 'A

6)

13,15 13,15

+6£

x

13,15

_

_

= 0,29i +0,83j +0,45k

_

Ax=A cos B

Figura 5.1 O. Componentes redangulares de un vector.

CAN77DADES FfSICAS, UNlDADES Y VECTORES EN EL MOVIMIENTO HUMANO

78

Si la fuerza es de 100 N y al aplicarla forma un angulo de 30° can la horizontal desplazando el objeto a una distancia de 1m, el trabajo mecanico realizado sera de: W = 100 . 1. cos 30 = 86,60 J

Veamos algunas propiedades titiles del producto escalar de dos veetores: . 1. b = b. 2. a '1b +_c) :: a . b~+ a . 3. 0 ~. b= a' (1. b)(paraAER). 4. a·a>O,paraa .. O. 5. Ia.:. bl s a I . Ib I (desigu~d~d de Cauchy-Schwarz), 6. Si a .. 0, b .. 0 y u = 90° ~ a . b = O.EI producto escalar de veetores ortogonales es nulo ya que el cos 90° = o.

y

a·

a.

c.

P

RODUCTO VECTORIAL DE DOS VECTORES. cAl.cULO DE AREAs. MOMENTO DE UNA FUERZA Continuando can los productos entre vectores, ahora nos ocupamos del producto vectorial, que, como su propio nombre indica, es un vector. EI producto vectorial de los vectores y Iise define como un nuevo vector perpendicular al plano formado par los dos vectores (Fig. 5.15) y cuyo sentido se determina par la regia del sacacorchos a de la mano derecha (si con el Indice indicamos la direcci6n del primer vector y con el dedo coraz6n la direccion del segundo vector, el pulgar dara la direccion del producto vectorial) (Fig. 5.16). Otra regia sencilla para conocer el sentido del vector consiste en asignarle el sentido en el que avanzaria un tornillo dextregiro (rosca-

J

Cy Ay

a

PRODUCTOS ESCAlARES DE LOS VECTORES UNITARIOS DE LOS EJES CARTESIAN OS Teniendo en cuenta que los vectores unitarios de los ejes cartesianos, son perpendiculares entre sf, los productos escalares de i,j y k daran como resultado: y. Y = I,I j =0, y. k =0

x

j·j=l,j·Y=O,j·k=O

Figura 5.11. Comflonentes rectangularesde cada vector A, B y del vector resul-

tante de la suma, C.

k·k=l,k·j=O,k·Y=O

PRODUCTO ESCAlAR DE DOS VECTORES En este apartado y el siguiente tratamos los dos tipos de productos que realizamos con los vectores. No son mas que unas herramientas matematicas que utilizamos y que nos vendran muy bien para nuestras magnitudes. A.s}"el producto escalar de dos vectores, como su propio nombre indict, es un escalar y su valor numerico viene dado por: [I] La expresion analftica se obtiene de la suma de los productos formados por cada una de las componentes de uno y otro vector. Es decir, dados dos vectores a y b, expresados en sus componentes cartesianas (Fig. 5.12): a· Ii =~b,+~by+ilzbz=

_La;b;

[2]

;

Se recomienda al lector que realice por su cuenta los productos escalares de los vectores unitarios correspondientes a los ejes de coordenadas como ejercicio. Las operaciones [I]y [2] no s610permiten el calculo de la longitud de los segmentos orientados que representan (sus modules), sino tambien calcular el angulo que hay entre ellos. Suppng(lfilosque a(l, I), Ii.= = (2,0). En este caso:

cosu=

~~+~~

2

y

x

Figura 5.13. Representaciongraficatridimensionalde Jossegmentos del miembro

inferiorde un corredor definido por las coordenadas espaciales que definen 105 centrosarticularesde tobillo (A),rodilla (B)y cadera (C). En este ejemplo, el coseno del angulo comprendido entre los segmentos muslo y pantorrilla corresponde a 0,48. Para poder obtener dicho valor en grados, sera necesario, al igual que hicimos antes, calcular el arcocoseno de dicho valor:

Sentido

arccos (0,48) = 61,31°

W=

Ii· if;" Ii·6,8

= IFllfiSI

axb

Modulo [a x b] = lallblsena

Una magnitud esc alar muy conocida es el trabajo mecanico realizado por una fuerza F al producirle un desplazarniento a un objeto 5.14):

lal ={f=I,4ly Ibl =2 Despejando cos u de [I] y sustituyendo la expresion [2], el angulo entre los dos vectores vendra dado por:

cos n

b

1

-... -. -. -~ u=arccos-=45° lallbl {2'2 Esta expresion es de gran utilidad ya que, conociendo las componentes que definen dos vectores en el espacio, se puede calcular el angulo formado entre ambos. Esto es muy habitual para el calculo del desplazamiento angular en el analisis cinemitico que se realiza en Biomeciaica departiva. Por ejemplo, en la figura 5.13 se presentan los segmentos del miembro inferior de un corredor definido por la posicion de los puntas tobillo (A), rodilla (B) y cadera (C). Para calcular el angulo de la rodilla que forman el muslo y la pierna a pantorrilla se tendrian que tener en cuenta los puntosA(5,1, 3),B (4,3,2) y C (3,2, 6) que definen.los segmentos muslo pantorrilla en un sistema de coordenadas de tres dimensiones. Los vectores posicion instantanea en el espacio del muslo (v) y la pantorrilla (~, respecto al centro articular instantaneo de la rodilla se definen de la siguiente forma:

fi.

V = (3 -4,2-

3,6- 2) = (-1,-1,4)

Figura5.14. Trabajomecanico realizadopor la fuerza Fque forma un angulo a con

Figura 5.15. Productovectorialde dos vectoresa xb, indicandoelsentido, median-

lahorizontal al producir un desplazamiento, LlS,en dicho eje.

te la flecha verde.

B

A Giro de

v

va v' Vector producto vectorial

Avance del destomillador = p vectorial

r= (5 -4,1-

3,3 - 2) = (1,-2,1) EI angulo que forman muslo y pierna en lorna a la articulacion de la rodilla se calculani segiin la siguiente expresion: [email protected]. Representacion geometrica del producto escalar de dos vectores

a yo.

79

BIOMECANICA Y SISTEMA NEUROMUSCULAR EN LA AC77VIDAD FfSICA Y EL DEPORTE

5

cos a Ivllrl

0,48

Figura 5.16. Representaciongeometrica de 105productos vectoriales v xv', asf como su sentido representadopor la direccion de avance del tomillo.

80

BIOMECANICA Y SISTEMA NEUROMUSCULAR EN LA ACTIVIDAD FislCA Y EL DEPORTE

do. a derechas) si girase de a hacia a siguiendo el camino mas corto (FIg. 5.16 B). El modulo 0 maguitud del producto vectorial es isual al producto de sus magnitudes multiplicado por el seno del angulo ;ue forman entre sf los dos vectores, esto es:

[a xb] = lallbl sen a Si queremos hallar el producto vectorial de dos vectores de forma que ~btengamos un vector directamente y no que obtengamos por un lado el modulo y par otro hallar el sentido mediante la regIa de la mana derecha, hemos de utiIizar 10que en Matemsticas se conoce como «determinante de orden 3», es decir:

ax!)=

~ { ~ =Tllly a.1_rla, a.1+kla, llylb, by b, by b, b, b, b, by= T (llyb,-a.by)-

r (a,b,-a.bJ+

k (a,by-a,by-llybJ

Donde, en la primera fila del determinante, situamos los vectores unitarios de los ejes cartesianos, en la segunda las componentes cartesianas del primer vector, y en la tercera las componentes cartesianas del . segundo vector. UtiIizamos la regia de los menores complementarios para desarrollar el determinante. Asi, para los vectores: v = (3 -4,2 - 3,6 - 2) = (-1,-1,4) r = ,(5 -4,1-3,3

-2) = (-1,-2,1)

El producto vectorla}.vendni dado par: i j k vxr = -1 -1 4 =[(-1 +8)-](-1-4) 1 -2 1

+k(2+

1) = 77+57+ 3k

Veamos algunas propiedades del producto vectorial que pueden ser iitiles:

Se recomienda allector que reaIice estos productos vectoriales su cuenta utiIizando la regia de la mana derecha para que ta destreza.

IMo (T) I = IMo (P) I

La maguitud de los momentos sera:

s

[a x b] = lallbl

sena=

La varill~ de la figura 5.18 puede girar aIrededor del punto 0,que permanece fijo. Supongamos, por sencillez, que solo puede moverse en el plano. Por la experiencia cotidiana de abrir puertas, sabemos que el efecto de una fuerza aplicada a la varilla depende no solo de la fuerza sino tambien del punto de la varilla en el que se aplica. Es decir una misma fuerza tiene «distinta capacidad de hacer airar» la varilla s~gun su punto de aplicacion. 0 Ala hora de analizar el equilibrio de la varilla bajo la accion de todas las fuerzas que acnian sobre ella, conviene asociar una masnitud ffsica a su «capacidad de hacer girar» , es decir, asociarl una ma~tud medible que pueda incluirse en una formulacion matematica, e Sin embargo, conocemos algunos aspectos debidos al ilia a dfa. Por ejempl~, sabemos que sea cual sea la fuerza si se aplica en el punto 0, el equilibn? no se altera y que F2 y F3 han de ser opuestas entre sf. Adenuis, cualq~ler fuerza que sea paralela ala varilla no posee «capacidad ~). Es~ experiencias parecen indicar que podemos caracterizar «la eapacidad de giro de una fuerza» mediante la magnitud, que vamos «momento» deuna fuerza F respecto a un punto 0, 3Iproducto vectorial:

axb

PRODUcrOS VEcrORlALES DE LOS VEcrORES UNITARIOS DE LOS EJES CARTESIANOS AI igual q.uebacfamos con el producto escalar, obtengamos los productos vectonales entre los vectores unitarios de los ejes cartesianos. Teniendo en consideracion que estes son perpendiculares entre sf, los productos vectoriales de I:fy K daran como resultado:

=T

P

Figura 5.18. Efec-

MOMENTO DE UNA FUERZA

c.

=-T,kxT

T=250,57N' Cabe observar que el deltoides necesita hacer una fuerza de 250,6 N para manteneren equilibrio un brazocuyo peso es de 31 N, es decir.realiza una fuerza ocho veces superior.

Iblh

a

kXk =O,kX]

de donde:

y ~epresenta el area del paralelogramo que definen ambos vectores (FIg. 5.17), ya que h es la altura del paralelogramo.

110 (F)=rxF

TxT = 0,TX] = k,i x k =-T TxT =o,JxT =-k,]xk ="-T

1110 (T) I = fuerza . brazo = T· 3 IMo (P) I = IrllFI sena=28·31·sen60°

Una aplicacidn irnportante del producto vectorial de dos vectores la encontramos analizando mas profundamente su significado. Consideremos dos vectores a y (Fig. 5.17). EI producto vectorial es un vector perpendicular al plano que forman los dos vectores y, como hemos visto anteriormente, su modulo es:

4. a x (0 + C) = a x 0 + a x 5. A(a x Ii) = (A a) x Ii= a x (A Ii) paraAER. 6. x Ii) x C = x (Ii x C). 7. (a x Ii)2 = (a . a) . (Ii· Ii) - (a. Ii)2.

(a

81

es donde esta aplicada la fuerza articular, la cual desconocemos cornpletamente, y su momenta sen! nulo. Asf pues, ha de cumplirse que:

o

cA.l.CULO DE AREAs

1. a x Ii es perpendicular a a y a 0.

2·laxbl = lal·lbl·sena. 3. a x Ii =- (ii x a).

CANTIDADES FisICAS. UNiDADES Y VECTORES EN EL MOVIMIENTO HUMANO

1..-

-1

to de las fuerzas sabre una varilla que puede girar en tarna a un puntofijaO.

Una aplicacion irnportante del producto vectorial de dos vectores en Biomecanica deportiva es el calculo del momenta de fuerza que aenia sobre un cuerpo, 0 miembro de este, para calcular la efectividad de la fuerza aplicada, causar 0 alterar el movimiento de rotacion de un cuerpo. En este sentido, la magnitud y direecion de la fuerza son importantes, pero tambien 10es el punto de aplicacion. En proximos capftulos veremos como el momenta de una fuerza respecto a un eje de rotacion se define como el producto de la fuerza por la dist~cia perpendicular entre su linea de aplieacion y el eje de rotacion, tambien conocida como «brazo de momento 0 brazo de palanca». En el diagrama de fuerzas presentado en la figura 5.19 se muestra la aceidn del nnisculo deltoides en el hombro para levantar el brazo: la fuerza del peso de todo el brazo esta situada a 28 cm del eje de rotacion situado en la articulacion del hombro. Calculamos los momentos de ambas fuerzas respecto al eje de rotacion de la articulacion del hombro que pasa por el punto y. es perpendicular al plano del papel. EI peso del brazo tiende a producir una rotacion horaria respecto a dicha articulacion, mientras que el nniscu10 deltoides tiende a producir una rotacion antiboraria. EI nnisculo esta unido al lnimero a unos 13 em de la articulacion glenohumeral formando un angulo a con aquel. EI brazo de palanca, d, para la tension muscular es aproxirnadamente de 3 cm. EI peso del brazo de la persona acnia aproxirnadameote en el codo, donde esta el centro de gravedad del brazo. Nosotros 00 resolveremos el problema completo, ya que de estas situaciones nos ocuparemos en otro capftulo, pero realizando un semianalisis estatico se podra calcular la fuerza neta que tienen que realizar los nnisculos flexores del bombro para que el sistema se mantenga en reposo. El brazo de la persona esta en equilibrio. Por ello debe cumplir las ecuaciones de equilibrio para un cuerpo extenso:

RODUcrO MIXTO DE TRES VECTORES. INTERPRETACION GEOMETRtCA A veces.se defineeI producto mixto entre Ires vectores a, oy C, como: a· (iix c)

[3]

Este producto, cuyo resultado puede verse que va a ser un escalar, se puede calcular tambien como el determinante de la matriz de orden 3 que se forma con las componentes de los vectores, es decir: a, b, c,

lly a, by b, = a,byc, + cxllyb, + a,bxcy-a,bycx-c,ilybx-a,b,cy cy c,

Una de las utiIidades del producto mixto es que da el volumen de un paralelepfpedo formado con las aristas de los vectores a, Ii y C, ya que si manejamos un poco [3] tenemos que: a· (iix c)= lalliix

cl cos 8= lallbllcl

T

°

60°

sen a cos 8

I I I I I I I I I I I I I I

---~

I I I I

(I)

P=31 N

(2) Figura 5.17. fl m6dulo del producto vectorialde'dosvectores representael area

del paralelogramo.

Elegiremos como punto para hallar momentos de las fuerzas que acnian sobre el brazo el punto de la articulacion del hombre, 0,ya que

Figura 5.19. Acci6n del muscula deltaides (T) para mantener en equilibria el

braza.

82

BIOMECANICA Y SISTEMA NEUROMUSCULAR EN LA AC77VlDAD ASICA ya DEPORTE

CANTIDADES ASICAS, UNiDADES Y VECTORES EN a MOVIMIENTO HUMANO

donde (bcsen a) no es sino el area de la base del paralelograrno (ver producto escalar y vectorial) formado por bye; y a cos e resulta ser la altura de dicho paralelepfpedo. EI area de la base por la altura da el volumen de este tipo de cuerpos geometricos (Fig. 5.20).

83

f(l TA; por ejemplo, mariposa tronco, patadade braza, mariposa piemas a buceo con monoaleta). - Transcurso asincronico (los segmentos contralaterales no coinciden simultaneamente. Existen dos posibilidades: TA > TFP0 TA < TFP;par ejemplo, march a atletica 0 carrera). Engeneralla estrncturn de los movimientos cfclicos es bifasica, es decir, una fase principal que coincide con la fase fundarnenLai de los movirnientos aciclicos y otra interrnedia similar a una fusion entre la fase final de una accidn y la preparatoria de la accion signiente (Fig. 7.7) (Morante, 1994).

Gestos ddicos Se produce una repeticion multiple de una secuencia fija de movirnientos (por ejemplo, patinaje velocidad 0 ciclismo) (Fig. 7.6) (Morante,1994). Los movimientos ciclicos se pueden clasificar en: 1. En funcion de su simetrfa (movimientos de los segmentos contralaterales respecto al plano sagital): - Simetricos (trayectorias identicas de los segmentos corporales; par ejemplo, ciclismo). - Asimetricos (no describen trayectorias simetricas; par ejempia, kayak).

1. En funcion de la temporalidad de los segmentos corporales contralaterales:

Fase principal Casi todos los movirnientos se realizan con acciones de locomocion. Se diferencian de los gestos acfclicos en que: 1. Solo se dan movirnientos fundamentales con intensas acciones musculares concentricas (excennicas en el caso del frenado). 2. Describen genernlmente trayectorias curvilineas en sentido contrario al desplazarniento. Los movirnientos de la fase principal tienen los signientes objetivos: - Lograr el grado optimo de rozarniento con el agna en la traccion. - A1canzar las trayectorias de empuje a traccion adecuadas para conseguir una maxima eficacia y ampliar el tiempo de la fase principal).

Figura 7.5. Division en rasesde los gestos tecnicos adclicos !modificado de Morante jc. Apuntes de la asignatura. Enseiianza de los modelos tecnicos deportivos de alto rendimiento. Edicion del autor. L€On:INEFde Castillay L€On, 1994).

nea en el adversario con movimientos exagerados y de mayor arnplitud (por ejemplo, cualquier tipo de finta en balonrnano, baloncesto y rutbol). Movimientos de impulso Se producen en el mismo sentido que los movimientos de la fase principal y tienen los signientes objetivos: - Aumentar la velocidad del deportista para incrementar su eficacia y rendirniento en la fase principal. - Adaptar los movimientos a las situaciones de juego (por ejemplo, dar el impulso adecuado a un pase 0 correr para llegar a una posible recepcion acomodando amplitud y frecuencia).

Fase principal Es la parte del movimiento en la que se realizan las acciones que contribuyen directarnente a alcanzar el objetivo principal del movimiento. En esta fase tambien se pueden observar: 1. Movimientos fundarnentales. 2. Movimientos auxiliares,

En esta parte del movimiento se produce el frenado del movimiento y se finalizan los movimientos fundamentales de la fase principal para recuperar el reposo 0 el equilibrio del movimiento. Esto sera especialmente importante en aquellas disciplinas deportivas donde existan lirnitaciones reglamentarias, como las lineas de 6 m que delirnitan los lanzarnientos en balonrnano 0 la finalizacion de movirnientos combinados en patinaje artistico. En esta fase se observan dos tipos de movimientos: 1. Inerciales. 2. De frenado.

Movimientos inercioles Son prolongaciones fluidas del movirniento fundamental, sea por causas de rozarniento, accion de la gravedad, Ifrnite de los recorridos articulares 0 cheques con deterrninadas partes del cuerpo (por ejemplo, swing en golf).

Segmento derecho

Movimiento ddieo d~ transcurso SINCR6NlCO TFP=TA / TFPTA Segmento izquierdo Segmento derecho

'M(J~~i~~t()deii~~ci~~Ilscurs~ AsINCRdNico' . TfPTFi .

Movimientos de frenado En este caso existe una intervencion directa del deportista mediante acciones musculares excentricas que tienen por objetivo frenar el movirniento.

Figura 7.6. Division en fases del gesto lecnico dclico (modificado de Morante jc. Apuntes de la asignatura.Enseiianza de los modelos lecnicos deportivos de alto rendimiento. Edicion del autor. L€On:INEFde Castilla y L€On,1994).

~ 116

BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA ACnVIDAD FfslCA Y EL DEPORTE

ESTRUCTURA YANAuS/S DEL MOVIMIENTO

ten del supuesto de que todos los gestos tecnicos agrupados en funcion de su ciclicidad tienen la misma estructura bifasica, trifasica 0 multifasica. "'" Entre sus fases se establecen una serie de relaciones:

Combinaci6n de movimientos Son uniones 0 concatenaciones de varios gestos acfclicos. En estos movimientos se produce algo similar a 10que sucede en los gestos cfclicos. Se origin a una fusion entre la fase final de la principal de un movimiento y la prep aratoria de la siguiente (por ejemplo, en el casu de la gimnasia artfstica y en los deportes de combate). Su estructura basica es multifasica y depende de un mimero indeterrninado de gestos acfclicos que hay que enlazar. El mimero de fases 10 deterrnina el mimero de gestos que se combinan mas uno. Todos estaran integrados por una fase preparatoria y otra final iinicas y en el medio un mimero indeterminado de fases de enlace e interrnedias (Fig. 7.8) (Morante, 1994). Figura 7.7. Division en fases de los gestos tecnicos dc/icos (modificado de Morante jc. Apuntes de fa asignatura. Ensenanza de los modelos tecnicos deportivos de alto rendimiento. Ediciondel autor.LeOn:INEFde Castillay LeOn, 1994).

- Conseguir el correcto acoplamiento de los movimientos coordiDando de manera'Optima los distintos irnpulsos que se generan en el cuerpo.

Fase intermedia Eslli formada por una fusion de las fases final y preparatoria del movimiento siguiente. Utiliza la fase final como accion de arranque del movimiento siguiente. En esta fase se distinguen movimientos: 1. Inerciales, presentes en escasas ocasiones en los movimientos cfclicos y consecuencia de una continuacion f1uida de los movimientos fundamentales de la fase anterior. En su ejecucion no interviene activamente el deportista. 2. De atranque, frecuentes y numerosos. AI contrario que sucede en los movimientos acfclicos, van en igual sentido que el desplazamiento. . 3. Defrenado, dificiles de observar; por ejemplo, la pronosupinacion en la carrera. Los objetivos de esta fase son: - Conseguir una relajacion-tension adecuadas de la musculatura. - Obtener un preestiramiento muscular con el objetivo de incrementar la produccion de fuerza en la accion muscular concentrica siguiente. - Realizar una transmision f1uida para iniciar la siguiente fase muscular. - Disminuir la violencia de los irnpactos. - Inerementar la amplitud de los movimientos fundamentales. - Adquirir la posicion corporal idonea para iniciar la fase principal.

Fases principales

Las constituyen todos los movimientos que contribuyen directamente a lograr el objetivo de la accion. Existinin tantas fases principales como gestos aciclieos se enlacen. Su caracterfstica fundamental radica en que son independientes unas de otras, pero se interrelacionan entre elIas 0 subordinan, ya que una fase principal depende del movimiento acfclico anterior y de la calidad de ejecucion con la que se haya ejecutado.

Fases de enlace Unen la fase final del movimiento anterior con la preparatoria del siguiente. Tienen una funcion doble: 1. Extincion del movimiento de la fase principal anterior. 2. Preparacion del movimiento de la fase principal posterior.

Estructuracion en lases segun distintos criterios La definicion tecnica del modele deportivo hace referencia a fases en las cuales se describe segiin diferentes criterios como debe ser cada movimiento. En la tabla 7.4 se presenta una comparacion por deportes de uno () varios sistemas de deScription de la tecniea, Segtin los criterios que se tengan en cuenta para la division en etapas 0 fases, los gestos deportivos se pueden estructurar dependiendo de (Grosser et al., 1991): 1. 2. 3.

Criterios temporales. Criterios funcionales. Analisis anatomico-funcional.

Estructuraci6nsegun las fases temporales Meinel y Schnabel (1988) proponen una diVision segiin criterios temporales, es decir: dividir el transcurso del gesto deportivo en partes 0 procesos parciales que se suceden en el tiempo (Fig. 7.9). Estos autores par-

117

1. Efectivas, con la dependencia del resultado (efecto) de la fase anterior. 2. Causales, en la medida en la que una fase es causa de la siguiente. 3. Intencionales: al programar mentaImente cada fase, esta se subordina a la fase posterior. EI golpeo defiitbol (Fig. 7.10 yTabla 7.5) Yel servicio en tenis (Fig. 7.11 YTabla 7.6) son dos ejemplos de como el gesto deportivo se divide en secuencias ordenadas en el tiempo en las que:

iii

• Figura 7.8. Divisionen fasesde un gesto tecnico combinado (modificadode Morante jc. Apuntes de la asignatura.Ensenanza de los modelos tecnicos deportivos de alto rendimiento. Ediciondel autor. LeOn:INEFde Castillay LeOn, 1994).

1. Se prepara el movimiento de la fase principal. 2. Se realiza y ejecuta el principal objetivo del gesto deportivo. 3. Se terrnina y prepara el enlace con la accion siguiente. Estructuraci6nsegun las fases funcionales Otra de las posibilidades de estructuracion se basa en dividir los movimientos en etapas atendiendo ala funcionJobjetivo que se pretenda en cada una de las fases respecto al objetivo general del movimiento (Fig. 7.12). Este tipo de division en fases tiene sobre todo aplicacidn en el proceso de enseiianza-aprendizaje. Se diferencia de la anterior clasificacion. en que no todos los gestos cfclicos tienen la misma division en fases. Las fases del movimiento atienden a agrupaciones de movimiento con la misma funcion. Asi, se diferencian dos tipos de fases funcionales: 1. Las primarias, que son funcionaimente independientes. 2. Las secundarias, que son funcionaimente dependientes, ya que persiguen el objetivo de la fase primaria en la quese engloban.

EsmUCTURA

.....118

Y ANAuSIS DEL MOVIMIENTO

119

BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA AC77VIDAD FislCA Y EL DEPORTE

Fase final

Fase principal

Figura 7.10. Division de golpeo en f6thol seg6n secuencias ordenadasen el tiempo.

Toma de impulso

Golpeo

Reequilibraci6n

Fase preparatoria

Fase principal

Fase final

figura 7.12. fstructuradel movimiento seg6n fases funcionales. Division del gesto de golpeo en fa modalidad de paleta cuero en el deporte de pelota vasca (datosper-

sonales no publicados). minan los grandes grupos musculares utilizados y se define como acnian (par ejemplo, tipo, momento, duracion e intensidad de la accion muscular). Este tipo de anilisis se puede realizar desde dos puntos de vista:

o

I. EI movimiento es analizado en funcion de los desplazarnientos • de los segmentos del cuerpo (por ejemplo, brazo, tronco y muslo) y de sus puntos articulares en relacion a unos pianos (frontal, sagital y horizontal) y a sus correspondientes ejes (longitudinal, lateral y anteroposterior). De esta manera se definen los diferentes tipos de movimientos (flexion, extension, rotacion extemalinter: na, abduccion, adduccion, pronacion y supinacion). 2. Posteriormente se puede analizar segiin la intervencion muscular. Los rmisculos se asocian para formar sinergias musculares y constituyen la fuerza mecanica interna que puede oponerse 0 sumarse a la accion de las fuerzas extemas, como la de gravedad o la de accion de compaiieros y adversarios (Fig. 7.13). Las funciones de los rmisculos en movimiento pueden ser:

Figura 7.11. Division del servicio en tenisseg6nsecuenciasordenadas en el tiempo.

Eslructuraci6nsegun el cncllsls cnotcmlco-lunctonol Los analisis de tipo anstomico-funcional y biomecanico estudian de manera mas detallada 10 que sucede en cada fase. Este tipo de estudios

pretenden ajustar los principios mecanicos, anatomicos y neurofisiologicos del movimiento al estudio de las disciplinas deportivas. En este tipo de division en fases se parte de los ejes de movimiento y de las posibilidades motoras de las articulaciones. A continuaeien se deter-

_ Agonista. Los nuisculos que realizan la funcion principal del movimiento, por ejemplo el mceps braquial, SOD agonistas en la extension del codo. _ Antagonista. Es el nnisculo cuya accion muscular tiende a producir una accion articular exactamente en direccion opuesta a la determinada par el nnisculo agonista. Asf, el mtisculo biceps braquial en la extension del coda es el antagonista del triceps. _ Papel fijador 0 estabilizador. La poseen los grupos musculares con la funcion de afirmar 0 sostener una aniculacion 0 un segmento corporal para que otro nuiseulo tenga una parte firme sobre la que poder realizar una traccion, Por ejemplo, un lanzador diestro bloqueani su parte izquierda (fundamentaImente tobillo, rodilla y cadera) para poder actuar con la derecha.

_ Papel sinergista. Es el que realiza un masculo 0 grupo muscular cuando acnia de forma connin en una determinada accion mientras que por separado tiene diferentes funciones. Cuando se intenta analizar una actividad ffsica desde el punto de vista anatomico-funcionsl se propone el siguiente orden de actuaciones: 1. Identificar la accion y situarse en las particularidades globales de lamisma. 2. Apreciar que tipo de apoyo 0 sustentacion tiene. Se determina el origen distal 0 proximal de las acciones. 3. Determinar si la accion termina en una cadena abierta 0 cerrada y a que nivel se finaliza el movimiento. 4. Observar las particularidades funcionales del tronco y de las extremidades. 5. Clasificar las acciones que conforman la actividad. 6. Determinar la conducta espacial de los segmentos del sistema. 7. Encaso de tratarse de un par dinamico (par ejemplo,judo), se definen primero las caracterfsticas que tiene la accion tecnica y se estudian en cada participante los puntos mencionados anteriormente. Por ultimo, los anilisis anatomico-funcionales dan idea de cuando, cuanto y como acnia una parte determinada del cuerpo en un movimiento determinado. Este tipo de analisis no necesita un material especial para su desarrollo; solo con los conocimientos genericos de anatomfa funcional se puede determinar las aplicaciones en los movimientos deportivos en general (Fig. 7.14).

PROPOSITO MEcANlCO DEL MOVIMIENTO Anteriormente se ha comentado como, una vez que se han identificado los OGR yse han dividido las habilidades en diferentes fases 0 par-

.)20

BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA ACT7VIDAD FislCA Y EL DEPORTE ESTRUCTURA YANAuSIS DEL MOVIMIENTO

121

Cadena

Trabajo abductor anteverso Acciones contralaterales de los rotadores espinales

Articulacion pivote

Acciones abductoras 3

Rotacion intema que neutralize la tendencia rotacional extema

Tendencia rotacional extema provocada por la esquiva, el balance posterolateroizquierdo flexor del tronco

Apoyo-empuje Origen distal de la cadena extensora que facilita la pegada

Rotacion del tronco inferior contrapuesto a la cintura superior

Prornocion de acciones para situar la pegada ---en la extremidad superior izquierda Riposta 0 contragolpe

Balance y equilibrio flexoextensor del pivote

Figura 7.14. Amilisisanatomico-funcional de un go/pea en boxeo (modificado de Grossery Neumaier. Tecnicas de enlrenamiento. Barcelona:MartInez Roca, 1991). Musculos extenso res

tes en las que se pueda distinguir el inicio y el final, la evaluacion del nivel tecnico de un deportista debe tener en cuenta las siguientes acciones (Kreighbaum & Barthels, 1990):

Musculos flexores

- Identificar el PM de cada fase de movimiento. - Enumerar los OB parciales que condicionan la consecucion de los propositos mecanicos. - Identificar los PB que relacionan los objetivos biomecanicos con un rendimiento oprimo. - Enumerar una relacion de las CC de cada parte que puedan ser ejecutadas para satisfacer los PB y que son los que observa el entrenador en iii pista deentrenarniento 0 en la competicion.

Concentrico

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1,46

11,45

Figura 9.15, Va!oraci6nde la eficacia de realizacion en la tecnica de paso de valla. Comparacion de los tiempo:obtenid05 por 12 vallistasde nivel mundial en laspruebas de 110m 11505y 110m vallas. •

En una investigacion desarrollada con 12 vallistas de elite (Salo y Grimshaw, 1998) se obtuvieron los registros comparados del tiempo invertido por diferentes atletas en la distancia de 110 metros lisos con el fin de compararlos con su mejor marca personal (obtenida en competicion oficial). Si observamos los datos de los dos atletas que durante aiios pugnaron por el titulo mundial, podemos concluir que Allen Johnson eviden cia una eficacia tecnica superior dado que la diferencia de tiempos entre el test simplificado (110 m lisos) y el resuliado deportivo (plusmarca personal) es mas pequeiia, mientras que su competidor Collin Jackson Ie supera debido a su mayor potencial fisico (11 ,08 s en la prueba 110 m lisos), 10que permite concluir que Johnson deberia centrar sus esfuerzos de entrenamiento en mejorar su velocidad de carrera, mientras que Jackson presenta su mayor potencial de mejora en el perfeccionamiento de su tecnica de paso de vallas, En los casos en los que el resultado debido y el real se aproxiruan en alto grado, se puede concIuir que el nivel de eficacia y maestria tecnjca

que evidencia un deportista es elevado, mientras que cuanto mayor sea la diferencia a favor del resultado debido, menor sera la cualificacion tecnica del atleta, dado que quedaria patente que el sujeto no posee un nivel de eficacia en sus ejecuciones suficiente, que Ie permita aprovechar optimamente sus capacidades ffsicas.

VALORACION

DE IA MAESTRiA TECNICA DEL DEPORTISTA

CONCEPTO DE «MAESTRiA TECNICAll EN EL AMBITO DEL DEPORTE EI concepto de «maestria tecnica» se emplea con aplicacion a diversas actividades humanas que tienen en comun el empleo de destrezas refinadas y de diffcil ejecucion, como en el ambito musical 0 literario, En el contexto deportivo, a pesar de ser empleado con cierta asiduidad

en la bibliograffa especializada, son escasos los autores que han profundizado en el analisis y la definicion de dicho concepto, Verkhoshansky (2002) establece la necesidad de diferenciar entre la «tecnica deportiva» y la «maestrfa tecnico-deportiva». Asl, segiin este autor, la tecnica deportiva posee un caracter mas abstracto como factor deterrninante del rendimiento que comprende el conjunto de movimientos especificos de una disciplina que se emplean durante la actividad competitiva, mientras que la maestrfa tecnica deportiva se refiere a una capacidad del deportista, que defiene como la «habilidad del atleta para aprovechar de forma efectiva su potencial motor en condiciones de entrenamiento y competicion». Seiiala que la maestna tecnico-deportiva no se puede entender como un estado que el sujeto alcanza de manera definitiva 0 estable, sino mas bien como el resultado actualfpuntual de un proceso evolutivo continuo e interminable de entrenamiento y formacion del deportista; por tanto, el coneepto de «maestrfa tecnica» ha de asociarse con el «nivel de preparacion tecnica» 0 «grado de cualificacion tecnica» que posee un deportista en cada memento del proeeso de formacion deportiva. Resulta neeesario llamar la atenci6n sobre la dificultad para determinar de manera absolutafobjetiva la maesma tecnica de un sujeto, por 10que los metodos empleados se encarninan a estimar el estado 0 nivel de cualificaci6n tecnica del deportista por medio de pacimetrosfcriterios y valoraciones indieativas de dicha maestrfa tecnica que presentan significacion a nivel comparative intersujeto y, especialmente, intrasuieto, permitiendo as! constatar la evolucion que experimenta un sujeto a 10 largo de su formacion deportiva. Asi, en la valoracion de la cualificaci6n tecnica que presenta un deportista, se emplean diferentes indicadores (Fig. 9.16).

INDICADORES DE VOLUMEN Y VARIEDAD TECNICA En las denominadas «disciplinas multirecnicas», como los deportes de adversario directo (por ejemplo, baloneesto, boxeo, waterpolo y tenis), los deportistas han de aprender un elevado mimero de habilidades motrices con el fin de aportar diversidad en sus acciones, creando as! incertidumbre para superar la oposicion de los rivales, por 10que resulta critico que los deportistas dominen un amplio abanico de destrezas tecnicas que puedan emplear en competicioa de manera adaptada a las necesidades de cada situacion que se les presente. En estas disciplinas se emplean indicadores de velamen y variedad tecnica para valorar la maestria 0 cualificacion de los deportistas. Los indicadores de volumen tecnico informan sobre la cantidad total de acciones 0 habilidades tecnicas diferentes (0 variantes de las mismas) que el deportista es capaz de ejecutar, diferenciando entre (Fig. 9.17): - Volumen total. Se encuentra referido a la disciplina objeto de estudio y viene determinado por el numero de habilidades tecnicas y variantes de las mismas que podemos identificar en una modalidad deportiva eoncreta, - Volumen potencial. Se refiere al numero de destrezas tecnicas que el deportista es capaz de ejecutar con eficacia en situacion de entrenamiento. - Volumen competitivo. Representa la cantidad total de habilidades tecnicas que el deportista pone en practica de forma efectiva durante el transcurso de la competicion oficial,

i.VI:llumen\oiali;;"

.

\r\l6Ium~n'gere:i!jE;j;Y "V,?llimen c6rilpetitivo .~fndice dom.lateral

167

.• Estallili9ad _" _. . ·Invaniibilidad ..

-~COllsewila6il' • Automatizaci6n

Figura 9.16. Indicadoresutilizados en la valoraci6nde la maestrfalecnica (modificado de Zatsiorski VM. Metrologfa deportiva. La Habana: Pueblo y Educacion, 1989).

Figura 9.17.lndicadores de volumen utilizados en la valoracionde maestrfa tec-

nica. Por tanto, el volumen total representa el «repertorio» 0 mimero maximo de habilidades tecnicas que podria dominar el deportista, mientras que el volumen potencial indica las posibilidades hiporeticas y el volumen competitivo las destrezas que reaImente domina el deportista. En la cuantificacion del volumen competitive es necesario tener en euenta una serie de premisas importantes, como la necesidad de realizar la observacicn a 10largo de un mimero amplio de competiciones con el fin de minimizer la influencia de diversos factores que condicionan dicho volumen, como el resultado parcial 0 diferencias en el marcador, la cualificacion del adversario, la tacticafestrategia que hay que seguir, faetores psicologicos, etcetera. La valoracion de la maestrfa tecnica del deportista se realiza por medio de la comparaci6n de los tres vohimenes resefiados, donde cobra especial trascendencia el volumen competitive como indicador de cualificaci6n tecnica, dado que el deportista iinicamente emplea durante el transcurso de la competicion oficial aquellas habilidades que verdaderamente domina y que aportan maxima eficacia de actuacion. As! por ejemplo, para analizar el volumen tecnieo que presentan dos jugadores de baloumano de similar demarcacion (porejemplo, dos laterales) en relacion con ellanzamiento a porteria, deberiamos partir de la identifieacion de todas las formas posibles de lanzamiento que se encuentran definidas en esta modalidad (en apoyo, en suspension, en rectifieado, en cafda, a pie cambiado, de eadera, etc.), 10que representaria el volumen total que emplearemos como referencia inicial. Posteriormente

-r

168

EVOLUCI6N DE LA 7ECNICA DEPORT/VA

BIOMECANICA Y SISTEMA NEUROMUSCULAR EN LA ACT/VIDAD FlslCA Y EL DEPORTE

podrfarnos observar a arnbos jugadores a 10largo de diversas sesiones de entrenamiento para analizar las tecnicas de lanzamiento que ponen en practica. Finalmente, deberfarnos realizar un seguimiento de dichos jugadores durante diversos partidos oficiales (por ejemplo, analizando todos los encuentros correspondientes a la primera vuelta de la Iiga) y registra las tecnicas diferentes que emplean en dicha competicion. Por su parte, la variedad tecniea es un indicador vinculado al volumen competitivo y expresa el porcentaje 0 grado de utilizacien que manifiesta el deportista en las habilidades tecnicas que pone en practica durante la competicion (Zatsiorski, 1989),10 que perrnite obtener informacion acerca de las acciones tecnicas que un deportista emplea con mayor frecuencia 0 asiduidad en la competicion, Analicemos el ejemplo de un jugador de fi1tbol que en condiciones «ideales» sabe ejecutar 12 tipos de regate (volumen potencial), de los cuales en competicion iinicamente emplea un total de cuatro (volumen competitivo); analizando ahora la variedad, hemos podido constatar que de esos cuatro tipos de regate que utiliza en los partidos, en e190% de sus acciones de desbordamiento directo del defensor solamente ha usado uno (doble contacto con finta allado contrario y carnbio de direccion); en este caso la variedad tecnica del futbolista objeto de analisis es escasa y, por tanto, tambien 10es su maestrfa tecnica (se supone que practicamente 11 de las tecnicas que puede ejecutar -potencialmenteno las domina en grado suficiente para ponerlas en practica durante el transcurso de una compericion), 10que Ie obliga a ejeeutar practicamente siempre la misma accion de regate, 10 que hace su actuacion muy previsible y facilitaIas posibilidades de anticipaciou de los rivales. En la valoracion de Ii.yariedad tecnica cobra especial importancia el denominado «indice de dominancia lateral» (Zatsiorski, 1989), gue se emplea en el analisis de gestos tecnicos asimetricos y que aporta informacion acerca del equilibrio/desequilibrio que presenta un deportista a la hora de ejecutar una habilidad tecnica utilizando su lado/segmentos dominantes; asi, si observarnos las acciones de entrada a canasta que realiza un jugador de baloncesto a 10 largo de diversos encuentros y constatamos que en e180% de las ocasiones ha realizado una «bandeja» con su mana derecha 0 penetrando por su lado derecho (lado fuerte), mien-

tras que solo en e120% restante etecmo la habilidad con la mana izquierda 0 penetrando por su lado debil, En la interpretacion de estos datos deb~mos considerar logicamente la demarcacion y el puesto especffico del jugador, que podrfan decantar una tendencia hacia la utilizacion, en este :aso, dellado derecho, ~i bien la evidente descompensacion que reflejan los resultados permite valorar que su Indice de dominancia lateral es deficiente y deberfa compensarlo con un entrenarniento especffico. INDICADORES DE GRADO DE ASIMILACION DE LAS HABILIDADES TECNICAS Las acciones tecnicas desde su aprendizaje inicial hasta su consolidacion y automatizacion por parte del deportista pasan por diferentes estados de dominio (Fig. 9.18). La valoracion de la maestrfa tecnica tambien se deterrnina a partir de la evaluacion del nivel de dominio 0 asimilacion que tiene el deportista sobre las habilidades que ejecuta partiendo de la idea de que los sujetos tecnicamente mas cualificados son aquellos que poseen unas habilidades mas consolida~.y estabilizadas como consecuencia de prolongados penodos de aprendizaje y de la aeumulacion de experiencias deportivas. EI grado de asimilacion es un factor relativarnente independiente de la eficacia tecnica, dado que puede suceder que desde los primeros instantes del aprendizaje un deportista pueda ejecutar un movimiento con correccion y eficacia, aunque no posea un dominio elevado sobre dicha accion motriz y no Ie perrnita ejecutar el movimiento con la misma efectividad cuando, por ejemplo, aparecen factores perturbadores, como la fatiga 0 el estres competitivo. EI grado de asimilacion 0 dominio de la tecnica deportiva que posee un deportista se puede deterrninar a partir del analisis y la evaluacion de los siguientes indicadores: -

Estabilidad. Invariabilidad. Conservacion. Automatizacion.

Estabilidad La estabilidad de la tecnica se emplea como indicador del grado de dominio en aquellas disciplinas que emplean habilidades tecnicas que se ejecutan en condiciones de escasa variabilidad (deportes con tecnica regular -Grupo 1-), si bien resulta mas evidente en aquellas disciplinas que presentan escasas 0 moderadas solicitaciones ffsicas y tacticas (por ejemplo, las disciplinas de precision y punterfa). Hace referencia a la dispersion 0 el grado de desviacion que podemos observar, bien en los parametros cinematicos y dinamicos del movimiento, bien en los resultados (Fig. 9.19), cuando una habilidad tecnica se ejecuta repetidamente en condiciones invariables 0 estereotipadas, sin la influencia de ningiin tipo de factor perturbador (por ejemplo, fatiga, presion arnbiental 0 estres psfquico). Logicamente, la estabilidad en los parametres biomecanicos de un movimiento ejecutado repetidarnente nunca puede llegar a ser total, ya que resulta practicamente imposible encontrar una coincidencia exacta entre dos repeticiones. Sin embargo, como indicador del grado de dominio, y por tanto de maestrfa tecnica, se puede observar que en los deportistas mas experimentados que poseen destrezas muy consolidadas, el grado de dispersion que evidencian tanto en los resultados que obtienen como en los propios parametres de los movimientos es notablemente mas reducido que en aquellos otros sujetos que se encuentran en fases no tan avanzadas de aprendizaje. Asl, los atletas de elevada cualificacion poseen un gran dominio tecnico y las desviaciones que registran en sus movimientos (a nivel de la estructura elemental) no rebasan los limites permisibles que podrfan desencadenar una elevada variabilidad en su rendimiento. Con el fin de evitar la presencia de factores perturbadores, una forma sencilla de valorar la estabilidad tecnica es diseiiar test especificos, que, ejecutados en condiciones constantes, perrnitan adecuar las condiciones de realizacion a los requerimientos de estandarizacion deseados; por ejemplo, se puede valorar la estabilidad que presenta un grupo de jugadores de baloncesto en ellanzamiento de tiros Iibres registrando la eficacia que presentan un cinco series de dos lanzamientos ejecutadas cada dfa al inicio de la sesion de entrenamiento Gusto al finalizar el calentamiento para evitar la aparicion de la fatiga). . Finalmente, la evaluacion de la estabilidad tecnica en condiciones de competicion se puede llevar a cabo comparando los resultados que un deportista va obteniendo en las diferentes competiciones en las que participa a 10largo de una temporada; en este ultimo caso resulta necesario tener en cuenta la logica mejora de las cualidades fsicas que experimen-

A

Figura 9.18. Fases0 estados de dominio en el praceso de aprendizaje de las tecnicas deportivas.

169

tara el sujeto en los diferentes perfodos de entrenamiento (por ejemplo, comparar los registros de un atleta de salto de altura a 10largo de la temporada de inviemo -pista cubierta-). Invariabilidad La invariabilidad de la tecnica es un indicador del grado de asimilacion que presenta especial utilidad y posibilidades de aplicacion en las disciplinas que se desarrollan bajo la presencia de factores perturbadores (deportes con tecnica variable -Grupo 2-). Este indicador representa el grado de variacion que experimentan tanto los parametres (cinematicos y dinamicos) del movimiento como la eficacialrendimiento de las acciones cuando las habilidades tecnicas se ejecutan en condiciones adversas (influencia de factores perturbadores). EI uso de este indicador se fundarnenta en el hecho de que los deportistas que poseen una tecnica mas consolidada y automatizada no evidencian un descenso tan acusado del rendimiento cuando aparecen determinados factores perturbadores (por ejemplo, fatiga, intervencion de adversarios 0 tension emocional de la competicion), mientras que en aquellos otros sujetos cuyo grado de dominio tecnico es inferior dichas circunstancias adversas les acarrean importantes variaciones en la eficacia de sus movimientos. La evaluacion del grado de invariabilidad de la tecnica se puede llevar a cabo de manera sencilla comparando el rendimiento que evidencia el deportista en un test tecnico en condiciones «de reposo» y repitiendo posteriormente el mismo test pero con la presencia de factores perturbadores (Fig. 910). Asf por ejemplo, considerando que la fatiga influye negativarnente sobre la eficacia de las acciones tecnicas, especialmente en aquellas habilidades que presentan elevados requerimientos de exactitud y precision, podemos aplicar intencionadarnente una carga fatigante para constatar en que medida afecta a la eficacia tecnica del deportista. De forma similar, la excitaeion, la ansiedad 0 el estres competitive incrementan la variabilidad de la eficacia tecnica como consecuencia de que dichos estados de tension y activacion emocional conllevan frecuentemente mayores manifestaciones de las capacidades ffsicas del deportista (fuerza, velocidad, etc.) 0, por el contrario, cierta inhibicidn de las mismas. Por otro lado, en las disciplinas de adversario directo (deportes colectivos, de combate y de raqueta), la presencia y la actuacion de los rivales representan importantes factores de incertidumbre que originan variaciones de eficacia, que resultan mas acusadas en los deportistas con escasa

B

Figura 9.19. Registroobtenido por un tiradorcon arco novel (A) comparado con

Figura 9.20. Modelo de evaluacion de invariabilidadpara comparar la influencia

un tiradorexperimentado (8), con un elevado dominio de la tlknica, como evidencia la escasa dispersion de sus tiros.

de la ap/icacion de una cargafatigante que conI/eve una fatigacontraladaprevia al retest

_,.170

BIOMECANICA Y SISTEMA NEUROMUSCULAR EN LA ACTIVIDAD FfsICA Y EL DEPORTE EVOLUCION DE LA TECNlCA DEPORTIVA

maestrfa tecnica como consecuencia de que s610 los sujetos que poseen mayor grado de dorninio de las habilidades son capaces de mantener elevados rendirnientos con independencia del adversario al que se enfrenten y de su actuaci6n gracias a que poseen una considerable estabilidad tecnica y un amplio repertorio de variantes que les penni ten enfrentarse a distintos adversarios sin que la efectividad de sus acciones experirnente fluctuaciones muy acusadas. Finairnente, los deportes que se practican al aire libre (por ejemplo, esqui, fiitbol, voley playa 0 piragiiismo) se encuentran sometidos a cierta incertidumbre en las condiciones externas de realizaci6n, que influyen en la variabilidad de las acciones; asi, los inevitables cambios ambientales 0 climatol6gicos (presencia de viento, disrninuci6n de temperatura 0 lluvia) 0 en los materiales y pavimentos (estado de la nieve 0 particularidades del cesped del terreno de juego) conllevan variaciones mas acusadas en aquellos deportistas con un reducido dorninio tecnico que en los atletas mas cualificados tecnicamente, que se caracterizan por una gran invariabilidad incluso ante condiciones cambiantes del entorno.

Conservacion Las destrezas tecnicas que el sujeto adquiere durante el proceso de aprendizaje deportivo se mantienen, al menos a nivel de patrones de ejecuci6n basicos (coordinaci6n grnesa 0 rudimentaria), durante toda la vida, si bien cuando cesa el entrenamiento el atleta va progresivamente perdiendo sensaciones y exactitud en el control de sus movirnientos, por 10 que la coordinaci6n tina y consecuentemente la eficacia y eficiencia de las acciones se van deteri9rando. Las habilidades tecnicas que han sido entrenadas durante perf 6 --> 12 --> 24 --> 48 --> 96 --> 192 --> "') .' La comparacion de los resultados de ambos test aporta informacion de la capacidad del deportista de independizar el pensarniento consciente de la realizacion efectiva del gesto tecnico y, en defmitiva, del grado de dorninio que posee sobre dicha habilidad.

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Aplic:aciones teenol6gicas para el analisis de la actividad fisiea para el rendimiento y la salud J. Gamez, D. Garrido, C Montaner y E Alcantara

Objetivos 1. Conocer el estado del arte de la instrumentaci6n aplicada al deporte 2. Conocer las principales tecnicas de analisis de la actividad ffsica 3. Conocer el concepto de aplicaci6n tecnol6gica en el deporte 4. Entender un nuevo modelo de control en la actividad ffsica y el deporte

Resumen El deporte, al igual que otras areas cielltfjicas, evoluclona y m'anza COilel paso del tiempo debido al aumento del conodmiemo cielltfjico y al desarrollo de la tecllologfa. Este comexio colltribuye a que se tmedan abordar lIuevos retos ciellt{jicosal aportar ill~trumentosde medida mas precisos,jiables y robustas que petmite« estudiar Iluevas variables. La Biomecanica aplicada al deporte es una ciencia que tradicionalmente ha avamodo de la mana de la tecllologfa. Ajinales del siglo XIX dio comiellZo 1Il1 vertiginaso desarrollo que ha dado como resultado una serie de tecnicas y metodologfas que principalmente se dividell en dos grupos, por 1111 lado las ticnicas cineticas y por otto las cinematicas. El estado actual de la utilizacion de la tecnologfa por parte de las ciellcias aplicadas al deporte ell genera! y de la Biomecanica y lajisiologfa en particular requiere WI replanteamiento y un cambio cualitativo. AlIIlque la tecndogfapermite medir un grail Ill/merode variables, esta demasiado desconectada del contexto real de aplicacion y 110 satis/ace las necesidades de los pfofesionales del deporte. Es necesario dar paso a un nuevo concepto tecllologico que, ademis de medir; oJrezcaconocimiento cientfjico que ayude yasesore al profesional del deporte; se trata de las aplicaciones tecnologicas (AT) enfocadas al deporte de rendimiemo y a la actividadfisica para la mejora de la salud. Las AT se componen prillcipalmente de tecnologia aplicada a un comexto espec{jico, como el deporte, y de conocimiemo ciellf{jico,que sirve como herramientapara guiar y asesorar en losprocesos de entrenamiento, renabilitacioll 0 mantenimientofisico.

174

APUCACIONES TECNOLOGICAS PARA EL ANAuSIS DE LA ACnVIDAD FiSICA PARA EL RENDIMIENTO Y LA SALUD

BIOMECANICA Y SISTEMA NEUROMUSCULAR EN LA ACnVIDAD FislCA Y EL DEPORTE

INTRODUCCION En sus origenes, el entrenamiento deportivo era concebido casi como un «ane» en el que el «ojo clfnico», entendido como la union de la experiencia y la capacidad de analisis visual del entrenador, era el principal y casi iinico instrumento de medida y evaluacion. En la actualidad, la teenologia se ha integrado plenamente en el deporte aportando control, rigor y precision al proceso de entrenamiento que se nutre de la medicion objetiva de las variables de interes. EI entrenador puede poner al servicio de su «ojo clfnico» un amplio abanico de avances tecnologicos que facilitari y potencian su labor. En este sentido, el avance en el estudio del funcionamiento del cuerpo humano durante la actividad ffsica esta fntimamente ligado y no hubiera sido posible sin el desarrollo de la tecnologia. Los inicios de la aplicacion de la tecnologfa al analisis del movimiento humano y de las causas que 10originan se remonta a finales del siglo XIX en los trabajos de autores como Muybritge 0 Marey (Fig. 10.1), quienes en 1872 y en 1875 publicaron, respectivamente, los primeros analisis del movimiento mediante imagenes. AI mismo tiempo, Marey y Carlet presentaron en 1875 los primeros estudios en los que median presiones dinamicas, Ya en el siglo xx, el gran desarrollo en campos de la tecnologia como la electronica, la informatica, la optica 0 las telecomunicaciones ha tenido su transferencia al ambito del deporte haciendo posible disponer de numerosos instrumentos que de forma mas fiable, robusta, funcional y precisa permiten medir practicamente todas las variables biomecanicas y fisiologicas de interes. Seguramente, para un entrenador de la decada de los 30 anA!i~ las pulsaciones cardfacas durante la carrera Ie pareceria mas cercano'a la ficcion que a la realidad, pero hoy en dfa es algo muy cormin al a1cance de cualquier persona con el uso del pul-

sometro. Las tecnicas de anilisis biomecanico se dividen en dos grandes grupos para facilitar su aslmilaclon y aprendizaje: - Tecnicas de analisis cinetico, que estudian el movimiento de un sistema relacionado con las causas que 10 producen. - Tecnicas de analisis cinematico, que estudian el movimiento de los cuerpos sin tener en cuenta sus causas. Por su parte, las tecnicas de analisis fisiologico son las utilizadas para analizar los procesos intemos que describen el comportamiento del organismo y que se relacionan con el movimiento humano. Es importante aclarar que es muy connin combinar diferentes metodologias (biomecanicas y fisiologicas) en un mismo estudio con el objetivo de obtener la maxima informacion posible y poder relacionar los datos entre sf. Por

saque, de modo que para los entrenadores es fundamental entrenar la fuerza asi como medir y controlar su evolucion. A continuacion se presentan distintas metodologlas y herramientas para analizar las fuerzas que aparecen en el deporte y la actividad fisica. Las principales tecnicas utilizadas para el analisis cinetico del movimiento son:

ejemplo, para analizar los impactos se suelen utilizar los acelerometros junto con las plataformas de fuerzas y estudios con electromiografia. La aplicacion del abanico de posibilidades que ofrece la tecnologia se ha centrado clasicamente en el ambito del rendimiento deportivo y especialrnente en el ambito del alto rendimiento, dejando de lado otros ambitos, como la deteccion de talentos, los procesos de rehabilitacion despues de alguna lesion 0 la actividad fisica para la salud. En este ultimo ambito se ha observado en los ultimos aiios un aumento espectacular en el mimero de practicantes al mismo tiempo que constantemente, aparecen nuevas tendencias, como la metodologia pilates 0 el spinning, que demandan la generacion de conocimiento cientffico, el empleo de instrumentacion y el asesoramiento teenico dirigido a los profesionales implicados. Por otro lado, la aplicacion de la Biomecanica en el alto rendimiento parece haberse estancado en cuanto a las tecnicas de analisis biomecanico y a su aplicacion se refiere; todo apunta a que existe una desconexion manifiesta entre los estudios y la instrumentacion biomecanica y las necesidades de los profesionales del deporte (Bartlett, 2003), 10 quehace que no se aproveche el potencial tecnologico existente en la actualidad. Asi, parece necesario desarrollar un nuevo paradigrna en el analisis de la actividad fisica que se ajuste a las necesidades de los profesionales del deporte y que se acerque a las nuevas realidades, tanto en el rendimiento deportivo como en el campo de la actividad fisica para la salud. En esa linea, este capitulo presenta las aplicaciones tecnologicas, un nuevo concepto que viene a atender las nuevas necesidades en los campos del rendimiento y la salud. Este concepto va mas alla de la instrumentacion y medida de variables; ademas ofrece conocimiento tffico aiiadido en forma de valores de referencia, perfiles de rendimiento 0 estrategias de entrenamiento y pretende dar un sentido practice a las medici ones y asesorar al colectivo de profesionales del deporte en la planificacion y el control del entrenamiento. EI contenido de este capitulo parte de una revision del estado del de las metodologias principales de analisis biomecanico y fisiologico y luego profundiza en el concepto de aplicacion tecnologica como nuevo paradigrna en el desarrollo de la tecnologfa deportiva.

T ECNOLOGiA APLICADA AL ANALlsls

-

Plataformas dinamometricas. Sistemas de registro y analisis de presiones. Dinamometros. Mesa isocinetica, Fibra optica.

Plataformas dinamometricas Una plataforma dinamometrica es un instrumento para medir las fuerzas de reaccion del suelo ejercidas por un individuo durante la ejecucion de un movimiento 0 gesto transformandolas en seiiales electricas (Fig.l01).A partir de este principio basico es posible la monitorizacion, el registro y el analisis de las interacciones que tienen lugar en el transcurso de un proceso determinado entre un sistema y la superficie de la plataforma. Existen diversas plataformas de fuerzas en el mercado con caracteristicas tecnicas muy similares; entre las mas empleadas en estudios cientfficos cabe destacar marcas comereiales como Kistler 0 AMTI. Por su parte, el mv ha desarrollado una plataforma bajo el nombre comercial de DinascanlIBV que se instrumenta mediante cuatro captadores octogonales, a cada uno de los cuales se han adherido ocho galgas extensometricas (Fig. 1003). Cuatro de estas son sensibles a cargas verticales y las otras cuatro a esfuerzos en la direccion horizontal. De este modo, es posible Jlledir las fuerzas de reaccion con el suelo en las tres direcciones del espacio. Mediante el uso de la plataforma de fuerzas se puede obtener un gran mimero de variables y parametres, como: -

BIOMEcANlCO

EN EL DEPORTE

La biomecanica deportiva es una ciencia multidisciplinar que tiene como objetivo profundizar en el conocimiento del movimiento y de la tecnica deportiva utilizando como base las leyes de la mecanica y lOS principios biologicos inherentes al ser vivo. La Biomecanica, al igual que la mecanica, se clasifica en dos ramas defrnidas en funcion del objetivo que persiguen: la cinetica y la cinemstica,

Las fuerzas verticales. Las fuerzas anteroposteriores. Las fuerzas mediolaterales. EI tiempo de apoyo. La simetrfa del gesto en caso de que acnien las dos piemas. La potencia. . El Indice de manifestacion de la fuerza (IMF).

..••••..••.. I ..

ANALISIS CINElICO DEL MOVIMIENTO

Figura 10.1. Fotoseriacionde la marcha de un nino.

EI anilisis cinetico tiene como objeto el estudio del movimiento relacionado con las causas que 10 producen. La fuerza es una de las variables mas importantes tanto en la mecanica clasica como en las Ciencias del Deporte. Las distintas manifestaciones de Iii fuerza hacen que un atleta corra por una pista de atletismo, que un futbolista se desmarque por un campo de fiitbol 0 que una pelota de tenis alcance los 250 krnJh en un

175

Figura 10.2. Plata(ormadinamometrica 0 de (uerzas.

Figura 10.3. Galgaextensiome-

trica utilizada en las plata(ormas de (uerza. -

La velocidad de despegue. EI momenta torsor sobre la plataforma. La evolucion de la proyeccion del centro de gravedad. La altura de los saltos.

Este instrumento tiene, por tanto, un gran mimero de aplicaciones tanto en el estudio de diferentes gestos, como la mareha, la carrera 0 el salto, como en el analisis del apoyo plantar y del equilibrio. A continuacion se describen algunos ejemplos. El analisis de la marcha es una de las aplicaciones tradicionales de este sistema, especialrnente en la descripcion de los patrones sanos y patologicos de la marcha, asf como en el control en la evolucion desde la marcha patologica hasta la sana. En las siguientes figuras se comparan dos registros de las fuerzas de reaccion del suelo (GRF) durante un apoyo de la marcha con el patron de marcha normal representado por las bandas de colores mas claros; ala izquierda podemos ver que el sujeto estudiado en los Ires ejes del espacio esm dentro de las franjas de normalidad, de modo que se puede considerar un patron de marcha normal, mientras que en el sujeto de la derecha se observa como las curvas de fuerza difieren ampliamente del patron de normalidad, detectsndose asf una marcha patologica en el apoyo derecho e izquierdo (Fig. 10.4). Por otro lado, el analisis de la carrera represento una linea de estudio muy importante durante la decada de los 80. Se encuentran numerosos estudios sobre el tiempo de apoyo en la carrera de velocidad 0 el pico de irnpacto que sufre el deportista corriendo sobre un pavimento empleando un calzado determinado 0 desarrollando eierta tecnica de carrera. A continuacion se ofrece un ejemplo de las GRF resultantes de una tecnica de carrera de talon-punta (Fig. 105 A) y de antepie (Fig. 105 B). Se observa como en el caso de la izqnierda aparece un pico de impacto correspondiente al apoyo del talon (cfrculo rojo), mientras que en el caso de la derecha no se observa tal pico. Diversos trabajos cientfficos demuestran que picos de impacto rapidos y de alta magnitud son perjudiciales, ya que el organismo no puede adaptarse mediante la accion musculoarticular y son las estructuras anatomicas las que absorben las vibraciones del impacto. Como es logico, controlar el pico de impacto del talon y establecer estrategias para atenuarlo mediante la prescripcion de calzado correcto 0 el aprendizaje tecnico seran los objetivos de este tipo de estudios, en los cuales el uso de una plataforma de fuerzas sera fundamental y necesario.

176

T

BIOMECANICA Y SISTEMA NEUROMUSCULAR EN LA ACT/VIOAO FislCA Y EL OEPORTE

A

B

1,1

APL/CACIONES TECN6L6GfCAS PARA EL ANAL/SIS DE LA ACT/VIOAD FisfCA PARA EL RENOIMIENTO Y LA SAWO

177

B 1,0

1,0 Ul

m -u ru .!::!

m

Ul

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0,8

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0,6

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== Izquierdo

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m

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m

= 0

== Derecho

% apoyo del pie

10

20

Izquierdo

30

40

50

60

70

% apoyo del pie

80

90

100

=Derecho

Figura 16.4, Registrode lasfuerzas de reaecion del suelo de ambos pies en un caso de marcha nonnal (A)y olro de marchapalologica (O)lomado del sistema NEDAMHIlBV. ALooo~

~

-.

Figura 10.6. Analisis del equilibria de un sujelo sana (A) y olro can patologia (B).

B 1.600

1.800-1'"'.' " "'-.' 1.600 1.400

Sistemas de registro y analisis de presiones

1.400

-l~;;;;:~=-~~.~c~~;;,~/;;.; ',"''C:c-=o~~c-''':-i~;~:;~ •.~~;''=,=:~ I

1.200

1.200-I7";'~'o=,~-,;oc~=.~='o..='-"'+"_~C \c~~~,:',,,';'="';=~C:='="=1

Reiajari6n

1.000

1.000

800

800~~~~~~~~~~~~~~~~~ 600

600 400

400

2~~~~~~~~~~~~~~~~~:;~~1 i:::,;;~.;,'.,

Las presiones resultantes de la interaccion del deportista con los productos y el entomo son otro tipo de variables cineticas de gran interes y que en los iiltimos alios, gracias ala aparicion de instromental para su medicidn, han sido objeto de numerosos estudios. Actualmente existen diversas tecnologfas que se utilizan para la medicidn de presiones:

200 0

·200

c...

0,1

0,2

~~:i' ~:,~;;;~:;:::::-:~ ;=:.,,~;~:~:;,;:!;~~/;:~ ..~:':~~tl 0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

-200

100 0,5

Figura 10,5. Regislro de las GRF en una carrerasiguiendo una lecnica de talon punta (A) y olra lecnica de carrera de anlepie (0).

El amilisis del apoyo plantar en instantes clave en algunos deportes, como la batida en el salta de longitud 0 el triple salto, aporta informacion de gran utilidad en el estudio de variables como: el tiempo de apoyo, la magnitud de la fuerza maxima 0 el angulo de salida del salta (pertunnen et al., 2001), que son determinantes para el rendimiento deportivo. Otro ejemplo de analisis de apoyos «clave» en el deporte es el estudio del ultimo apoyo en ellanzamiento de jabalina, en el que se analiza la magnitud de las fuerzas de bloqueo dellanzamiento con el objetivo final de analizar la eficacia de la tecniea del atleta. Otra aplicacion importante de la plataforma de fuerzas es la valoracion del equilibrio; para ella se analiza la posicion de la proyeccion vertical del centro de gravedad (cdg) sobre la plataforma. Las personas mayores tienen problemas para mantener el equiiibu() en acciones de la vida cotidiana, de modo que el entrenamiento y la mejora del equilibrio son fundamentales dentro del area de la actividad ffsica para la salud. EI estudio de la evolucion del centro de gravedad ayuda a analizar y controlar la evolucion del tratamiento. En la figura 10.6 se presentan dos ejemplos tornados con una herramienta tecnologica para valorar el equilibrio (NEDSVEIIBV) de un sujeto con un equilibrio normal que es capaz de mantener la proyeccion del cdg estable (izquierda) y otro paciente con el equilibrio aJterado debido a una patologfa; en este caso se aprecia una gran oscilacion de la proyeccion del cdg al mostrar dificuJtades para mantener un equilibrio estable (derecha).

Otra aplicacion importante de la plataforma de fuerzas es la evaluacion y el control de las distintas manifestaciones de la fuerza. Cabe recordar que para la planificacion y el control del entrenamiento es fundamental conocer la evolucion de dichas manifestaciones, las cuales son un reflejo de los efectos que produce el entrenamiento. Seguidamente se presentan algunas posibilidades, como son: - La fuerza isometrica. - La fuerza dinamica maxima, - Lafuerza explosiva, explosive-elastica y explosivo-elilstica-refleja. Lafuerza isometrica maxima ha sido empleada tradicionalmente para el estudio de la fuerza en ellaboratorio y en condiciones controladas, ya que las medidas resultantes poseen alta rigurosidad cientffica. La figura 10.7 muestra la curva fuerza-tiempo de una contraccion isometrica maxima (GonzaJez et al., 1997). En esta curva fuerza-tiempo se estudian parametros importantes para el analisis del estado ffsico y el control del entrenarniento, como el indice de fuerza isometrica maxima, el IMF, el deficit de fuerza 0 el fndice de fatiga muscular. El analisis de la fuerza dinamica maxima es tambien muy interesante, aunque no se utiliza con frecuencia. Ofrece datos muy interesantes para el analisis, la programacion y el control del entrenamiento de fuerza con cargas, como curvas de fuerza-potencia, fuerza-velocidad, IMF 0 deficit de fuerza.

1,0

1.5

Tiernpo (5)

Figura 10.7. CUM fuerza·liempo duranle una conlraedon isometrica.

Las fuerzas explosiva, explosive-elastica y explosivo-elastica-reactiva se analizan a traves de saltos verticales, como el squat jump (SJ), el salto con contramovimiento (CMJ), el drop JUIIIP (OJ) 0 el saltoAbalacov (ABL). La plataforma de fuerzas ofrece datos como la altura del salto, la maxima fuerza vertical desarrollada, el IMF, la velocidad de despegue 0 la potencia maxima desarrollada. La figura 10.8 presenta una grafica tfpica de CMJ. Si se analiza la fuerza vertical, se pueden identificar el inicio del contramovimiento (barra vertical roja), el impulso generado para producir el salto (A), la fase aerea (B) y la cafda del salto (C). Un amplio campo de aplicacion de la plataforma de fuerzas es el estudio de diferentes productos deportivos y su influencia en los gestos deportivos. La bibliograffa presenta numerosos estudios sobre la interaccion del pavimento 0 del calzado con el deportista, con especial atencion al estudio de los picos de impacto que sufre el deportista (Nigg y Herzog, 1995) y a los coeficientes de friccion. Por ejemplo, las graticas de las siguientes figuras corresponden a un estudio sobre la capacidad de reduccion de fuerzas de impacto de dos tipos diferentes de colchoneta para gimnasia deportiva en la recepcion de los ejercicios ~ilsticos: Se observa que con la primera colchoneta (probeta A) se obtienen magrutudes de fuerza menores con las mismas condiciones de ensayo, mostrando asf mayor capacidad de amortiguacion (Fig. 10.9).

- Transductores capacitivos. Constan de dos superficies conductoras separadas por un dielectrico flexible. AI aplicar presion sobre el dispositivo, la distancia entre las superficies conductoras.se reduce, 10 que provoca una respuesta del sensor que se recoge y se relaciona con la presion. Como ventaja fundamental destacamos su comportamiento lineal.· - Transductores piezoelectricos. EI principio de funcionamiento de este tipo de transductores se basa en que ciertas estructuras cristalinas son activas piezoelectricamente y funcionan baja carga mecanica como un paquete de dipolos, de modo que la separacion de cargas es proporcional a la fuerza aplicada sobre el material. Las principales ventajas de este tipo de sensores son la mfnirna deformacien a la que son sometidos durante la carga y una alta linealidad de respuesta.

FZ1=801,2N

L7001#~~~~~~1;t~~~~:1t.~~~~~##~~1 L400-l L100 1.800 1500 1.200 900~~~~~~~~~~ 600-h 300

+"";""''''"0=,,+\

Figura 10.B. Fuerzas de reacdon del suelo duranle un CM].

178

BIOMECANICA Y SISTEMA NEUROMUSCULAR EN LA ACTIVIDAD FfslCA Y EL DEPORTE

Todos estos equipos permiten el ana!isis del apoyo mediante el estudio de diversas variables de tipo general 0 dividiendo la planta del pie en zonas. Las principales variables de estudio son:

~==::::::=::=r=::;==-~j~~

3.300 3.000

2.700 -h-,.·,.c,-~;·· .•'~"" -""~~:_;""·.~-I·'

l£=:c :I~:_~i: ;;,::":J

2.400 2.100 1.800 1.500 1100 900 600~~~~~~~~ 300

1.800 1.500 -I=~=='===i===11\=;0=_~;;;-'·~,'-· r-:~._'_____-,'" '~-"'-

_

1100-l ~"~--'''''--~'''~--'I ~'~'~:==-':"" .. ="~-'='''=~"=-I 900 600~~~~~t-~~==~~~~~ 300~~=-,~~-~~"·~-LI-~~~i.

__~,~~.,·.~-·,,~: ..-

Figurn.10.9. Fuerzas verticales registradasen una recepci6n de un saito de gimnasia artfstica empleando dos colchonelils.

- Transductores resistivos. Son transductores basados en la variacion de la resistencia electricade un dispositivo originada por factores mecanicos. Dentro de este tipo de sensores se encuentran los transductores piezorresistivos, tambien llamados strain Gages. La principal aplicacion de este instrumental ha ido encaminada al estudio de las presiones que suceden bajo la planta del pie. Basicamente las variables que se obtienen son las presiones plantares a 10 largo del tiempo de medicidn; de esta forma se miden parameiros como las presiones maximas 0 las medias por zonas del pie. Dadas las condiciones en las que se desenvuelven los 4~portes, es decir,movirnientos muy rapidos y de gran energfa cinetica,los ssnsores que mejor se adaptan a las acciones . deportivas son las ceramicas piezoelectricas (Nigg, 1995). Ademas"dada la alta velocidad a la que se desarrollan un gran mimem de acciones deportivas, es necesario emplear frecuencias de muestreo superiores a'I50 Hz. Ante todo esto parece claro que la mejor tecnologfa para el analisis deportivo debe tener una freeuencia de muestreo elevada. Dada la complejidad tecnologica de estos sistemas y los problemas que presentan, su precision, repetitividad y fiabilidad han sido ampliamente estudiadas con el objetivo final de mejorarlos y ofrecer a la comunidad cientffica herramientas tecnologieas que cumplan todos los requisitos para obtener alto rigor ~ientifico' Esta metodologfa es una herramienta muy uti! pero en ocasiones puede inducir a resultados erroneos graves en los estudios cientfficos porque en funcion de las condiciones de uso y del diseiio experiniental se puede incurrir en errores de medida que van del 2 al34% (Hsiao et al., 2002); por ello se debe tener especial cuidado si se pretende lIevar a cabo un estudio con este tipo de tecnologfas; si no responde a las necesidades del equipo investigador, se deberfan buscar otras altemativas, como la medicion con plataforma de fuerzas. Si se deeide inclnir esta metodologfa en un estudio, es aconsejable cnidar especialmente la calibracion del sistema, la durabilidad de los sensores y las condiciones del entomo, ya que los cambios de temperatura afectan a algunos sensores. A continuacion se describen algunos de los equipos comerciales existentes en la actualidad. Estos sistemas se han empleado tradicionalmente en el ambito medico y cientffico aplicado 0 no al deporte. Las plantillas de EMED Pedar de la compaiifa Novel emplean de 256 a 1.024 sensores capacitivos por cada pie en. funcidn de Ia talla del calzado. La frecuencia medida es de 20-80 Hz. Como novedad respeeto

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APUCACIONES TECNOLOGICAS PARA EL ANAuSIS DE LA ACTIVIDAD FiSICA PARA EL RENDIMIENrO Y LA SAWD

al resto de sistemas, Pedar System presenta varios tipos de interfaz inalambricos con el PC: fibra opticalUSB y Bluetooth 1M. Este sistema ha sido aplicado para el analisis de presiones en ellanzamiento de jabalina (Bartlett et al., 1995) 0 para el amilisis de las fuerzas de reaccion del suelo (Forner et al., 2004). EI sistema Dinatto emplea 64 sensores resistivos por plantilla (2 mm de espesor), permitiendo con ella una frecuencia de muestreo de 50 a 70 Hz. La emision de la sefial se hace mediante ondas de radio, 10 que confiere mayor versatilidad al equipo al no requerir cables. EI sistema de plantillas Footscan®sepasa en cuatro pares de plantilIas, un data logger para el registro de los datos de presion, un control remoto, una tarjeta de adquisicion y una tarjeta de memoria. EI equipo permite la medicien a 100 Hz durante 40 s, 0 a 500 Hz durante 8 s. Este equipo se ha empleado para el analisis de las presiones plantares en el antepie y su relacion con las lesiones por sobrecarga provocadas por el calzado de carrera (Cock et al., 2005). El sistema de F-Scan de la empresa Tekscan emplea 960 sensores resistivos por cada pie, permitiendo con ella una frecuencia de muestreo de hasta 165 Hz en el rango de 0 a 1.034 kPa. Los sensores tienen un espesor de 0,15 mm y su calibracion es posible mediante la aplicacion contralada de una carga conocida. Este equipo se ha empleado eb algunos estudios cientificos, como el aniilisis de las fuerzas verticales y su comparacirin con las medidas de una plataforma de fuerzas (Chen y Bates, 2000). Parotee-System utiliza de 16 a 24 sensores piezorresistivos por plantilIa dependiendo de la talla. La frecuencia de muestreo puede variar de los 100 a los 200 Hz, midiendo en el rango de 0 a 625 kPa. La calibracion es posible mediante la aplicacidn controlada de una carga conecida. EI sistema BiofootfIBV (Fig. 10.10) consta de plantillas instrumentadas con 64 ceramicas piezoelectricas de reducido tamaDOy un espesor de 0,7 mm (Fig. 10.11), un amplificador de seiial y un equipo electronico que transmite la seiial por medio de telemetrfa al PC portitil, EI equipo permite medir presiones de hasta 2.000 kPa y con una frecuencia de muestreo maxima de 500 Hz. Algo connin a todos estos sistemas de medida se refiere a las aplicaciones informaticas que permiten la toma y explotaeion de datos 0 la exportacion de archivos para su posterior tratamiento. Esta parte de los sistemas de medida es fundamental para su correcta utilizacion.

_ Evolucion temporal del apoyo plantar. - Tiempo de apoyo. - Evolucion del baricentro. _ Presion maxima por zonas del pie. - Presion media por zonas del pie. Ademas, en los iiltimos aDos se esta intentando aplicar estos sistemas comerciales para el analisis de las GRF. Los resultados de los trabajos encontrados en la bibliograffa coinciden en indicar que se cometen importantes errores en la

. .

.

Figura 10.10. Esquema de (uncionamiento de la plantliia Instrumenlilda BID(ootJIBV.

medicion temporal, especialmente en la deteccion del inicio y final del apoyo, y que sera por tanto necesario avanzar mas en la electronica de estos sistemas para poder medir con precision y rigor cientffico las GRF (Forner et aI., 2004; Chen y Bates, 2000). En cuanto a las aplicaciones de este equipo, cabe destacar el analisis de las patologfas asociadas al apoyo plantar que pudieran condicionar el normal desarrollo de la actividad deportiva. Esta tecnologfa puede aplicarse para desarrollar procesos de personalizacion de productos que interacnian con el deportista, como el calzado. En la siguiente figura se presenta un ejemplo de un corredor de fondo que padecfa una talalgia en el pi~ derecho que fue diaguosticada y controlada mediante esta metedologfa. Los datos resultantes sirvieron para el diseiio de una ortesis plantar personaIizada mediante la cual se reducfan las presiones en el talon de forma considerable (Fig. 10.12). Por otro lado, este equipo permite el analisis y la optimacion del gesto deportivo. Con BiofootllBV 2001 es posible, gracias a sus elevadas frecuencias de muestreo, el analisis del apoyo plantar en gestos deportivos rapidos.lo que permite obtener conclusiones directamente aplicables al entrenamiento y a la evaluacion de la tecnica deportiva. A continuacion se muestra una seriacion del apoyo de una batida de saito de longitud, donde se observa la evoiucion del apoyo desde el talon basta la zon: del primer dedo y se comprueba como la evolucion que desarrolla el atleta es correcta al representar las caracterfsticas de un apoyo seeante tipico en el salto de longitud (Fig. 10.13). Como otro ejemplo de aplicaeion en la mejora de productos depottivos se presenta un estudio de la influencia de las propiedades de las colcbonetas de gimnasia en las presiones plantares durante el aterrizaje. Las presiones bajo el pie derecho de los gimnastas se midieron con el sistema de plantillas instrumentadas BiofootfIBV (Fig. 10.14), que se colocaron dentro de un calzado flexible y ligero de forma que se permitia el aniilisis de las variables de interes. EI pico maximo de presion alcanzado en funcion de las zonas del pie (Fig. 10.15) fue el parametro de esmdio empleado para conocer las propiedades d~ absorc~on de .irnpacto~ de los diferentes tipos de colchonetas. Este estudio ayudo a mejorar el diseiio de las colchonetas de recepcion de gimnasia artfstica. Otro ejemplo practice de aplicacien de este sistema 10 constituye un estudio sobre el calzado de iUthol en el que se pretendfa mejorar las pres-

Figura 10.11. Plantilla instru-

menlilda Bio(ootJIBV. A

1100 1.000

B C-conpH

1100 o-conpl- 0,9 m, no impide el enceste, pues el balon a 3 m esm a una altnra superior a la que eI jugador puede alcanzar. • Para eIIanzamiento con c, = 34,66° . tag 34,66 = 1/3 (9,19 -V 9,192- 2 x 9,19 h - 32)

tag a = 1150 (63,71 ±V 63,7F- 2 x 63,71 (-O~) -502) de donde obtenemos las soluciones: a+ = 64,32° a_= 25,10° que corresponden a los angulos de lanzamiento neeesarios para que el balon entre tocando la linea de portena,

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BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA ACT/VIDAD FfslCA Y EL DEFORTE

Causas de la traslacion lineal de los cuerpos L M. Alegre Duran

Objetivos

Figura 11.21. Momento dellanzamiento a puerta de Nayim en la final de la Recopa de Europade 1995. EItiro 10ejecuta a 25 mls y estaba a una distancia horizontal respedo al punto por donde entra a porterfade 50 m.

1. Entender el concepto de fuerza y sus caracterfsticas 2. Componer y descomponer vectores de fuerza 3. Comprender las diferencias entre masa y peso 4. Comprender la influencia de las tres leyes de Newlon en el movirniento humano 5. Comprender el concepto de impulso y cantidad de movirniento y la relacion entre ellos 6. Ser capaces de entender y elaborar diagramas sencillos de fuerzas

Resumen

»>:--------------;;~------------¥

50 em

Figura 11.22. Representacian esquern5tica dellanzamiento a puerta del gol in extremis del jugador del Zarag0z.a,en'Iafinal europea.

Figura 11.23. Angulos posibles para el gol de Nayim de la Recopa de Europade 1995.

Angulos de lanzamiento para que el balon lIegue tocando ellarguero

Observese que el rango de Ilu+ es de 0,91° y el de ba; de 3,71°.Eso da una idea de 10poco que puede errar en punterfa el jugador para hacer gol. Pero Nayim hizo un tiro alto, 10 que significa que tuvo una dificultad cuatro veces superior a la que habrfa tenido con un tiro bajo. La mecanica newtoniana a veces da idea de la destreza que requieren algunas acciones deportivas.

Segtin la figura 11.22, la altura desde el punto de lanzamiento sera h = 2,44-0,5 + 1,94 m. Igualmente sustituyendo: tag ti = 1/50 (63,71

±V 63,7F-

2 x 63,71 x 1,94- 502)

de donde obtenemos las soluciones: u+=63,41° u_=28,81° Hemos cogido la linea de meta y ellarguero como los puntos extremos de la linea vertical por la que puede entrar el balon, Entonces, los angulos necesarios para que el balon lIegue entre ellarguero y la linea de meta (Fig. 11.23) seran los intervalos: Ilu+ = [63,41°,64,32°] Ilu_ = [25,10°,28,81°]

B IBLIOGRAFiA I. Annenti A. The Physics of Sports. New YOlk American Institute of Physics, 1992. 2. Frohlich C. Physics of Sports. American Association of Physics Teachers,1986. 3. Griffing DF. The dynamics of sports, 3.' ed. Oxford (Ohio): The Dalog Company, 1987. 4. Saviron 1M. Problemas de Fisica General en un aiio olimpico. Barcelona: Revette, 1986. 5. Sears F, Zemansky M, Young H. Fisica Universitaria.Il.' ed. Mexico: Pearson-Educacidn, 2004.

Ell este capitulo se dejillira el concepto defuerza y su c/asijicaci61ly se explican losprillcipales tipos defuerza desde el punto de vista de la mecanica, COil sus prillcipales caraaeristicas y ejemplos de aplicaci61ldentro delmovimiellto humane. Tambien se establecerdnlas diferencias entre masa y peso illtroducielldo las leyes de Newton. Ell elias se enfatizara ell sus aplicaciolles, mas que ell su simple dejillici61l.Analizaremos el concepto de impulso mecanico y ealllidad de movimiento lineal y sus aplicodones enla actividadfisica y el deporte. Veremos c6mo resolver operaciones sellcillas COil vectores defuerza, tanto composici6n como descomposici61lde vectores. Por II/timo, vere11I0S diagramas defuerzas sencillos y estudiaremos slllltilidad y laforma de elaborarlos.

.216

BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA AC77VIDAD FislCA Y EL DEPORTE

DEFINICION DE FUERZA En mecanica, «fuerza» es toda aquella interacci6n que produce 0 tiende a producir movimientos, deformaciones, reacciones y rupturas sobre un cuerpo. Decimos que «tiende a producir» porque no siempre que acnian fuerzas se producen movirnientos, pues a veces las fuerzas pueden lIegar a producir estados de equilibrio. Por ejemplo, si un individuo sedentario intenta levantar del suelo una barra cargada de 150 kg de masa, Ie sera imposible moverla. Si un halterofilo intenta 10 mismo, sf se producira un movimiento de las pesas. En ambos casos se ban aplicado fuerzas sobre la barra cargada, pero s610quien ha aplicado mas fuerza sera capaz de producir movimiento (Fig. 12.1). Las fuerzas son vectores, esto es, poseen un «modulo» y una «direccion». La unidad de fuerza en el sistema interoacional (SI) es el newton (N), que se define como la fuerza que, aplicada a una masa de 1 kg, provoca una aceleracion de 1 rnfs2 en la direccion de la aplicaci6n de la fuerza. Podemos predecir las respuestas que producen las fuerzas si conocemos los siguientes parametres; - Magnitud de la fuerza: cantidad de fuerza aplicada. - Punto de aplicaeion de la fuerza: ellugar donde la fuerza se aplica a un cuerpo. - Direcci6n de la fuerza. - Masas de los cuerpos irnplicados. - Forma, rigidez, dureza, textura, etc., de los cuerpos. - Localizacion de los centros de masas de los cuerpos y sus partes.

MASAt

GRAVEDAD Y"PESO

Todos los cuerpos poseen cierta cantidad de materia, que denominamos «masa». La masa constituye una propiedad intrfnseca de un cuerpo que mide su resistencia a la aceleracion, es decir, es una medida de la inercia de un cuerpo. Si la misma fuerza se aplica ados objetos, el de mas masa es el que acelera menos. La masa de un cuerpo es la misma si el cuerpo esta sobre la Tierra, la Luna 0 el espacio, 0 sea, permanece constante en cualquier lugar del universo. La masa es una magnitud esca-

la, y se mide en kilogramos (kg) en el S1. La inercia explica por que es mas dificil mover a un lanzador olimpico (grande y musculoso) que a un fondista (mas pequeiio y delgado). EI «peso» de un cuerpo es la fuerza que este ejerce debido ala gravedad 0, dicho de otra forma, es la medida de la fuerza con la que la Tierra atrae a su masa. La fuerza gravitacional siempre acnia bacia abajo, bacia el centro de la Tierra. EI peso es una fuerza definida como P = III . g, donde m es la masa del cuerpo y g es la aceleraci6n de la gravedad. Como g es identica para todos los cuerpos en un punto geografico determinado, el peso de un cuerpo es proporcional a su masa. Como la masa de un cuerpo no es una fuerza, no tiene una direcci6n asociada ni es modificada por la fuerza de la gravedad. Sin embargo, el peso sf tiene una direcci6n (bacia el centro de la Tierra) y su magnitud sera modificada por las diferencias en el valor de la gravedad, dependiendo dellugar del planeta donde nos encontremos. EI valor de g (normaImente aceptado como 9,81 rnfs2) disminuye conforme nos alejamos del centro de la Tierra. Asf, los valores de g a nivel del mar son Iigeramente mayores que los que se pueden medir en lugares muy elevados. Ademas, el campo gravitatorio tambien varia con la latitud, pues la Tierra esta acbatada por los polos. Por 10tanto, mientras que la masa de un cuerpo es inmutable, el peso de este cuerpo sera distinto dependiendo dellugar donde nos encontremos. Por ejemplo, en planetas de mayor masa que la Tierra, como Jupiter, la masa de un cuerpo permaneceria constante, mientras que su peso seria mucho mayor que en la Tierra. Si pesasemos a nuestro lanzador y a nuestro fondista en la Luna, tendriamos unos valores seis veces inferiores a los de la Tierra (Fig. 12.2).

LAS LEYESDE NEWTON Isaac Newton (1642-1727) estudio en la Universidad de Cambridge y durante su juventud comenzd con los descubrimientos que Ie harian inmortal. A los 23 aiios estableci61as bases de sus trabajos sobre gravitaci6n universal y mecanica, ampliando los trabajos de Galileo y formulando las leyes del movirniento. Sin embargo, basta los 42 aiios no comenz6 a escribir su libro Philosophiae Natllra/is Principia Matematica,

CAUSAS DE LA TRASLACION UNEAL DE LOS CUERPOS

Masa=75 kg Peso= 735 N

Produce movimienlo

Tiende a producirlo

Figura 12.1. Puedehaber fuerzastanto si hay movimiento (A) como si no fo hay (8). Effevantador de fa izquierda ha producido suficiente fuerza para superarla de su peso masef de fa barra cargada.Poref contrario, fapersona de fa derechaestagenerando fuerza,pero esta no escapaz de superaref peso de fa barra.

peado siempre parara tras recorrer cierta distancia. Sin embargo, este mismo balon recorreni mucha mas distancia sobre superficies lisas y deslizantes. Por 10tanto, se concluy6 que el movimiento se raIentizaba mas o menos dependiendo de factores extemos (en este caso, la fuerza de rozarniento), siempre presentes en cierta medida. Un ejemplo aproxirnado de esta ley es el patinaje de velocidad en linea recta y a velocidad constante. Otro ejemplo 10constituye la fase de vuelo de un salta de longitud (siempre que la resistencia del aire sea pequeiia). La velocidad horizontal del saltador casi no se modificani, mientras que la velocidad vertical sera constantemente modificada por la aceleracion de la gravedad.

SEGUNDA LEYDE NEWTON: LEYDE lA ACELERACION Las modificaciones en la aceleraci6n de un objeto son proporcionales ala fuerza que las provoca, y tienen lugar en igual direcci6n y sentido en el que esta fuerza acnia. «EI cambio en el estado de un cuerpo es proporcional a la magnitud de la fuerza y se da en la misma direccicn de esa fuerza», Esta ley explica 10que Ie ocurre a un cuerpo si se aplica una fuerza resultante extema distinta de cero. Tambien es referida como «Principio fundamental de la dinamicar y se formula matemsticameute de la siguiente forma: F=m'a Figura 12.2. La masade unapersona serafa misma en fa Luna yen fa Tierra.Sin

embargo,su peso, esto es, fa fuerza con fa que estapersona es atrardapor estos cuerpos,seraunasseisvecesmenor en fa Luna.

publicado en 1686 en latin, que era el idioma de los cientificos entonces. Su obra Philosophiae... es la base de la mecanica moderoa, con las tres leyes del movirniento y su ley de la gtavitaci6n universal. Isaac Newton fue uno de los pocos genios que ha recibido reconocimiento en vida y consigui6 demostrar que el universo funciona siguiendo las leyes de la naturaleza, por encirna de las falsas creencias y S1lpetSticioiiesde su epoca. Las dos primeras leyes de Newton perrniten definir el concepto de fuerza y las variables que 10deterrninan.

PRIMERA LEYDE NEWTON: LEYDE lA INERCIA

B

217

«Un cuerpo permanecera en estado de reposo 0 movimiento uniforme hasta que su estado no sea modificado por fuerzas extemas». Como ya hemos seiialado antes, esta caracteristica de los cuerpos se denomina «mercia». La inerciade un cuerpo es su resistencia a cambiar su estado de quietud 0 de movimiento a velocidad constante ypuede ser medida 0 expresada directamente por la masa del objeto, esto es, la cantidad de materia que este posee. A mayor cantidad de materia, mayor inercia. La primera ley de Newton explica 10 que Ie ocurre a un cuerpo si no hay fuerzas extemas actuando sobre el 0 si la fuerza extema resultante es igual a cero. Es evidente, desde la experiencia diaria, que todos los cuerpos presentan dificultades para ser movidos. Sin embargo, la segunda parte de esta ley no es tan obvia, puesto que las fuerzas de rozarniento, la resistencia y la gravedad no perrniten que los cuerpos contimien en movimientos rectilineos y a velocidad uniforme indefinidamente. Antes de Galileo Galilei (1564-1642) se pensaba que todo cuerpo en movimiento tendfa hacia el reposo. De hecho, un balon de rutbol que haya sido gol-

donde F es la fuerza neta exteroa que acnia sobre un cuerpo, 111 es la masa y a es la aceleraci6n. Las fuerzas causan aceleraciones, por 10que si un cuerpo estJiaceleraado, una fuerza exteroa estara actuando sobre eJ. Entonces, i,como saber cuando un cuerpo esta sometido a fuerzas netas externas distintas de cero?: 1. Cuaiido acelera 0 desacelera. 2. Siempre que cambia de direcci6n. Casi todas las fuerzas exteroas que contribuyen a la fuerza resultante (la que acnia realmente sobre un cuerpo) cariibian con el tiempo. Si tomamos como punto de partida una fuerza que se manliene durante el tiempo, esta fuerza acelerara el cuerpo hasta una deterrninada velocidad final, que puede ser calculada par la ecuaci6n I' = a . t.Por 10 tanto, la ecuacion anterior quedaria de la siguiente forma: F·t=m·a·t Como el producto de la aceleracion por el tiempo es igual a la velacidad (I' = a . t), podemos lIegar a la siguiente expresion de la misma ecuacion: F·t=m·/).v Laparte izquierda de la ecuacion (F . t) se denomina «impulso mecanico. y es una magnitud vectorial que se expresa en newtons por segundo (N' s). La parte derecha de la ecuacion (m . Av) se llama «cantidad de movimiento» y se expresa en kilogramos por metro partido por segundo (kg· IlIls). Los cambios en la velocidad vertical durante la batida de un salta pueden ser explicados por el irnpulso sobre el suelo de la persona que salta y son inversamente proporcionales ala masa del saltador. La produccion de grandes impulsos es fundamental en muchos deportes, como aquellos que implican lanzarnientos 0 golpeos. Sin embargo, en mochas ocasiones es necesario un compromiso entre el impulso requerido y el tiempo necesario para hacerlo, puesto que en muchas situaciones del deporte el tiempo en el que se desarrollan los golpeos

""218

CAUSAS DE LA TRASLACION LINEAL DE LOS CUERPOS

BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA AC77VIDAD FfslCA Y EL DEPORTE

o los saltos esta limitado por el reglamento 0 por el desarrollo de la actividad deportiva. En otros gestos deportivos se buscara disminuir los valores de fuerza aumentando el tiempo requerido para detener eI movimiento, como durante las cafdas tras saltos. Cuando midamos irnpulsos en el eje vertical (Fig. 12.3), tendremos en cuenta el peso del cuerpo y calcularemos areas por encirna y por debajo de el, mientras que cuando los movirnientos se den en el eje horizontal, no 10consideraremos. E!irnpulso mecanico es medido en Biomecanica mediante, por ejemplo, plataformas dinamometricas, como el area por debajo 0 por encirna de la curva fuerza-tiempo (Fig. 12.3). Los cuerpos inmoviles no tienen cantidad de movirniento, puesto que su velocidad es cero, y las grandes cantidades de movirniento se consiguen a partir de grandes masas en movirniento, altas velocidades 0 la combinacion de ambas. Por ejemplo, un jugador de rugby con una masa de 100 kg que se desplaza a 5 mls tiene la misma cantidad de movirniento que otro jugador con la mitad de masa (50 kg) pero que se desplaza a 10 mls. En ambos la cantidad de movimiento sera de 500 kg . mls (50 kg' 10 mls 0 100 kg· 5 mls). Para detener a estos jugadores, esto es, para reducir su velocidad a cero, habra que aplicar una fuerza determinada durante cierto tiempo. Si queremos frenarles en muy poco tiempo, tendremos que aplicar una gran fuerza media, mientras que si tuviesemos mucho tiempo para detenerles, la fuerza media necesaria serfa mucho menor. Para provocar cambios en la cantidad de movirniento dependemos del impulso, estoes, de la magnitud de la fuerza y del tiempo que la aplicamos. Cuando buscamos provocar grandes cambios en la veIocidad de un cuerpo, debemoS N· s = -"'-

s

Si consideramos VIla velocidad del cuerpo en el instante tl y V21a velocidad del cuerpo en e1 instante t2; la ecuacion quedaria expresada de la siguiente forma: h

1,

[Fdt=[mdv donde la integral de la primera parte de la ecuaeion se considera el irnpulso que ejerce la fuerza durante el intervalo de tiempo (t2 - tI) Yla integral del segundo tennino es la cantidad de movirniento, donde VI es la velocidad inicial y l'21a final. Ambas magnitudes son vectoriales, esto es, tienen modulo, direccion y sentido.

2.000

2.000

1500

1500

Cuando buscamos aumentar la cantidad de movirniento de un objeto con nuestro cuerpo, tenemos un limite en la fuerza que podemos aplicar, por 10que buscamos aumentar al maximo el tiempo que aplicamos la fuerza, dentro de nuestros limites mecinicos y fisiologicos. En muchos deportes el principal objetivo es conseguir altas velocidades de liberacion de determinados implementos, como balones, pelotas, etc. Por 10 tanto, 10que buscamos es aumentar al maximo la cantidad de movirniento de esos objetos. A1gunas veces ellimite sera la fuerza que hay que aplicar, como cuando buscamos lanzar objetos pesados; sin embargo, cuando lanzamos 0 proyectamos objetos ligeros nuestra limitacion sera el tiempo de aplicacion de esa fuerza. Cuando 10que pretendemos es reducir la cantidad de movirniento de un cuerpo u objeto, por ejemplo durante el aterrizaje de un saito 0 recogiendo una pelota que nos han Ianzado, buscaremos disminuir los valores de fuerza que recibirnos aumentando el tiempo que estamos generando irnpulso. Por ejemplo, si buscamos reaIizar un aterrizaje blando tras un salto, intentaremos flexionar mas nuestras rodillas y tobillos, aumentando asi el recorrido de nuestro centro de gravedad y, por tanto, el tiempo que utilizamos para detener nuestro cuerpo. Por el contrario, ~i empleamos un recorrido (y por tanto un tiempo) muy pequefio para frenar nuestra caida, los valores de fuerza que recibirnos seran mucho mas altos y las posibilidades de lesionamos durante la amortiguacion mucho mayores. En la figura de abajo podemos ver las graficas fuerza-tiempo de una persona que ha realizado la amortiguacion de una caida desde 0,75 m. Como en las dos ocasiones cae desde la misma altura, la cantidad de mov~ento [m' (1' final-v inicial)] sera la misma y, por 10tanto, el irnpulso que tendril que generar para reducir su cantidad de movirniento a cero sera el mismo. E! area gris marca la parte del irnpulso que se debe al peso, por 10que solo tendremos en cuenta la parte del irnpulso que esta por encirna de esa area. En eI aterrizaje de la izquierda eI frenado se consigue con un valor de fuerza muy grande en poco tiempo, mientras que en

219

la grafica de la derecha eI valor maximo de fuerza (y la fuerza media) es mucho menor, casi la mitad, pues se ha utilizado mas tiempo para reducir a cero la cantidad de movirniento. EI segundo aterrizaje 10podriamos caIificar como «blando», mientras que el primero sera percibido por qaien 10realice como «duro» (Fig. 125). . Otra forma de reducir los valores de fuerza medios en irnpactos y caidas y, por tanto, las posibilidades de lesion, consiste en colocar elementos amortiguadores en los lugares donde se va a contactar, como colchonetas, quitamiedos, etc. 10que conseguirnos con estos elementos es, por una parte, aumentar el tiempo de deceleracion del atleta y, por otra, disipar en la deformacion de estos materiales una parte de la cantidad de movirniento, reduciendo asi los valores medios de fuerza. TERCERA LEY DE NEWTON: LEY DE LA ACCION.REACCION Cuando dos cuerpos interaccionan, ejercen fuerzas entre sf. La tercera ley de Newton establece que estas fuerzas son iguales en maguitud, con la misma direccion y sentido opuesto. «A toda fuerza de accion Ie corresponde otra del mismo modulo y direccien, pero de sentido contrario, que se denomina "reaccion'», EI efecto de una fuerza sobre un cuerpo es conocido como «accion», y el efecto inverso de la fuerza sobre el mismo cuerpo se conoce como «reaccion». Si un cuerpo se mueve sin el efecto de una fuerza extema, este no podra cambiar por sf solo su estado. Dicho de otra forma, cuando un objeto ejerce una fuerza sobre otro, el otro objeto ejercera la misma fuerza sobre e1primero, pero en sentido contrario. No obstante, es irnportaote tener en cuenta que, aunque las fuerzas sean de la misma maguitud (aunque de sentido contrario), sus efectos no seran los mismos. Si un defensa de 80 kg de masa choca con un delantero de 70 kg de masa, ejercera la misma fueiza sobre eI delantero que el delantero sobre el. Sin embargo, los efectos de esa fuerza sobre ambos jugadores seran distintos debido a sus diferentes masas. Cuando un atleta salta, esta ejerciendo fuerza sobre el suelo y este se la devuelve con la misma maguitud y direccion, pero en sentido contrario.

.-..

is 4.000

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liempo (5)

0,3

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0,3

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0,5

liempo (5)

Figura 12.3. Cafcufodef impufso mecanico (areabajo fagrafica fuerz~.tiempoypor encima defpeso)en un squat jump 0 saftosin contramovimiento. La f[nea discontinua marca ef pesode fapersona.

U

U

U

U W U liempo (5)

M

~

U

~

M U

U

U

U

W U liempo (5)

M

~

U ~

Fi~ura 1~.5. Graficasde!uerza-tiemf~ ~e dosam~rtiguacionesde una mismapersonadesdeuna afturade 0,75 m. Enambasamortiguacionesfa masade fapersonay fa dlferenCiaentre fa vefoCidadfinaf e Inlclaf es fa mlsma,por fo que ef impufso coincide en fasdossituaciones.Sin embargo,en ef aterrizajeA ef vafor de fuerzamedia es mayor que en B, aunquegeneradaen un tiempo mucho menor.

.....220

CAUSAS DE LA TRASLACION LINEAL DE LOS CUERPOS

BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA ACTIVIDAD FislCA Y EL DEPORTE

Muy a menudo, en los movimientos del ser humano la fuerza de reaccion no es evidente, puesto que el segundo cuerpo implicado es la Tierra. Sin embargo, cuando nos colocamos encima de una superficie flexible 0 deformable, podemos ver mayor 0 menor deformacicn dependiendo de la magnitud de las fuerzas que estemos ejerciendo contra esta superficie. Si en la deformacion perdemos mucha de la fuerza que ejercemos contra el suelo para, por ejemplo, carninar, no habra fuerza de reaccion y, por 10 tanto, no podremos avanzar. Esta es una de las razones por las que es mucho mas complicado carninar sobre arena blanda, pues absorbe gran parte de la fuerza que ejercemos contra el suelo y recibimos menos fuerzas de reacci6n para poder avanzar (Fig. 12.6). Siempre que dos cuerpos entran en contacto 0 hay atraccion gravitatoria entre ellos, recibinin la misma cantidad de fuerza que aplican sobre el otro, pero en sentido contrario. Por ejemplo, la fuerza gravitatoria de la Tierra sobre nuestra masa (el peso) genera una reaccion con igual modulo y direccion, pero en sentido contrario.

Conservacion de la cantidad de movimiento lineal Un cuerpo continuara moviendose con una cantidad de movimiento constante hasta que una fuerza externa acme sobre el. En los movimientos que se realizan en la Tierra, esta fuerza externa es en muchas ocasiones la fuerza de rozamiento. Ademas, la cantidad de movimiento de un cuerpo tambien puede ser modificada por la aplicacidn de otro tipo de fuerzas, como el golpeo del baldn de un rematador en voleibol 0 los impulsos que realiza un patinador sobre hielo para aumentar su velocidad. Un cuerpo que esta en reposo, esto es, con cantidad de movimiento cero, permanecera paraao1!asta que una fuerza externa modifique su estado. Es 10 que se denomina «principio de conservacion de la cantidad de movimiento». Cuando se producen choques 0 colisiones entre objetos, hay'un cambio en la cantidad de movimiento de cada uno de los cuerpos, aunque la cantidad de movimiento total permanece constante. El principio de conservaci6n de la cantidad de movimiento puede servir para predecir el comportamiento de dos cuerpos que chocan, siempre que conozcamos sus velocidades y masas. Esto es simplemente otra forma de expresar la tercera ley de Newton (accion-reaccion). Aplicada en este contexto, el

Acci6n > reacci6n

C lASlFICACION Figura 12.6. Avanzar sobre la arena blanda de la playa es mas diffcll y menDsefi-

ciente que avanzarsobre un pavimento duro, pues parte de las fuerzas de accion provocan la deformacion delsuelo y lasfuerzas de reaccion que nos Ileganson de menor magnitud que las que hemos aplicado. principio de conservaci6n de la cantidad de movimiento dice que cuando dos 0 mas objetos colisionan, la cantidad de movimiento total tras el impacto es igual a la que habra antes del mismo. Si un ciclista con una masa de 70 kg se desplaza a 10 mls y empuja hasta detenerse a un compaiiero de su equipo de su misma masa que esta parado, el resultado final es que el prinierCiclistli se qlledarii paradoy sll C6rripanerode equipo se desplazani a la misma velocidad que el (Fig. 12.7). Como resumen, a continuacion vamos a sefialar los principios basicos que hay que tener en cuenta respecto ala conservaci6n de la cantidad de movimiento: - Mayores impulsos (F . t) aplicados a objetos en reposo produciran mayores cambios en la cantidad de movimiento y, por 10 tanto, mayores ve[ocidades finales. - Para un mismo impulso, cuanto mayor sea la masa del cuerpo que 10 recibe, menor sera su velocidad final.

A

m,.vl

- Si una misma fuerza es aplicada durante mas tiempo, la velocidad fmal del cuerpo sera mayor. - E[ maximo impulso se conseguira maximizando la fuerza, maximizando el tiempo de aplicacicn de [a misma 0 combinando valores optimos de fuerza y tiempo de aplicacion. Este ultimo caso es el que suele emplearse en deporte. - Para mantener la cantidad de movimiento de un cuerpo que recibe fuerzas de rozamiento, siempre sera necesario cierto impulso. Sin embargo, los impulsos necesarios para mantener esta velocidad sieinpre seran mfnimos comparados con aquellos necesarios para pasar de una cantidad de movimiento nula a la actual. DE lAS FUERZAS

Las fuerzas pueden ser identificadas como internas 0 externas en relacion al sistema desde el que se exarninan. Las fuerzas internas acnian desde dentro del sistema, como las generadas por la contraccion muscular 0 por el motor de un coche, mientras que las fuerzas externas se producen desde fuera del sistema, esto es, de la piel 0 de la estructura del automovil hacia fuera. Ladefinicion de fuerzas intemas y externas depende de que establezcamos como sistema. En Biomecanica se suele considerar el cuerpo humano como un sistema y las fuerzas generadas por los •nnisculos como fuerzas intemas. Aunque partimos de la idea de que las fuerzas internas generadas por los nnisculos pueden provocar nuestro movimiento, esto no es completamente cierto. Los rnovimientos producidos en nuestros segrnentos corporales debido a la contraccion muscular solo producinindesp[azamiento si hay fuerzas externas actuando sobre nuestro sistema (sobre nuestro cuerpo), pues eI cuerpo solo puede desplazarse si empuja 0 es empujado por otro cuerpo. Cuando un futbolista quoha saltado para rematar de cabeza se da cuenta de que 10 ha hecho demasiado pronto e intenta modificar su trayectoria en el aire para llegar mas tarde a rematar, es incapaz, puesto que necesita algun apoyo (a1guna fuerza extema) para poder hacerlo. Sin embargo, si consigue apoyar sus brazos 0 sus piernascontraalgo (el suelo u otro jugador), sera capaz de modificar su direcci6n y velocidad puede que consiga rematar ese balon (Fig. 12.8). Esto es, simplemente, una aplicacion de la tercera ley de Newton. -

221

Las fuerzas externas son aquellas que acnian sobre un cuerpo como consecuencia de su interaccidn con 10 que Ie rodea. La gravedad y las fuerzas por contacto entre dos 0 mas cuerpos son fuerzas externas. Por ejemplo, para [anzar un balon 0 para poder caminar, debemos aplicar fuerza sobre e[ halon y sobre el suelo, respeetivamente. La fuerza de reaccion del suelo (Fig. 12.9) permite acelerar nuestro cuerpo y avanzar mientras earninamos. T1POS DE FUERZAS EN MEcANlCA

Fuerzas de reaccion Son [as fuerzas que un cuerpo ejeree sobre otro como respuesta a la fuerza que el primer cuerpo ejeree sobre e[ segundo. La direccion es la misma que la fuerza de accion y el sentido el eontrario. Se basan en la tercera ley de Newton. E[ peso de una persona (la fuerza resultante de [a aceleracion de la gravedad sobre su masa) genera una fuerza de la misma magnitud y direccion, pero de sentido contrario y que se aplica en [a zona donde la persona esta en eontaeto con el suelo, [a fuerza de reaccion del sue[o (Fig. 12.10). Es importante haeer hincapie en que no solo en el suelo se dan fuerzas de reaccion y que, por 10 tanto, pueden tener cualquier direccion y sentido, dependiendo de [os cuerpos que entreu en contacto.

Fuerza ascensional Es la fuerza que experimenta un cuerpo cuando esta sumergido en un fluido, sea aire 0 agua. La magnitud de esta fuerza es explicada por el principio de Arqufinedes: «Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del volumen desalojado». Siempre acnia con direccion vertical y sentido hacia arriba sobre el centro volumetrico del cuerpo sumergido, tambien llamado «centro de flotacion». La fuerza aseensional acuatica, tambien llamada «fuerza de flo-

y

B

m2·0

m,.O

m2'v2 Figura 12.8. Unapersona que esta en el aire sera incapaz de modificar su direc-

Figura12.7. En lasituacion A el primer cic/istalIegacon una gran cantidad de movimiento, provocado por su alta velocidad, y comienza a empujar a un compaiiero que estl parado (con velocidad cero). Cuando el primer cic/ista queda parado, elsegundo tiene la misma cantidad de movimiento que lIevabael primero antes de que entrasen en contado y la cantidad de movimiento total del sistema (105 dos cic/istas)permanece constante. m: masa; v: velocidad.

cion 0 velocidad,puesto que, aunque genera fuerzasintemas, no hay fuerzas externas que actUensobre ella. No podra modificarsu trayedoria 0 velocidad hastaque no se apoye contraalgo y empiecen a aduar fuerzas externas sobre ella.

Figura 12.9. Apoyo en la marchahumana en el que aparecen 105 vedores de fuerza que generamos al tocar elsuelo (accion) y 105 que recibimos, de igual magnitud y direccion, pero de sentido contrario(reaccion). Si no existiese el vector de fuerza de reaccion, serfamos incapaces de avanzar.

-

222

BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA ACTIVIDAD FfslCA Y EL DEPORTE

Figura 12.10. Fue/ZaSde accion y reaccion generadaspor fa aceferacion de fagra-

vedad sobre fa masa de una persona.

tacion», es la que perrnite que se pueda flotar en los deportes acuaticos y la «fuerza ascensional aeree es la responsable del vuelo de los globos aerostaticos. Los cuerpos flotan cuando la fuerza de su peso es menor 0 igual (Fig. 12.U) ala fuerza ascensional que generan debido aI peso del velamen de aire 0 agua que desalojan. Cuando el peso de un cuerpo es mayor que la fuerza ascensional que genera, este descendera,

CAUSAS DELA TRASLA_

ca, resulta proporcional. La fuerza de rozamiento impedini que el disco se deslice a 10 largo de la superficie y, mientras el disco no se mueva, su maguitud sen! la misma que la de la componente de fuerza tangencial que lira del disco hacia abajo (Fig. 12.13). La fuerza de rozamiento no depende del area que entra en contacto entre dos superficies,aunqueen principiopueda parecer que es asf.Como hemos comentado, la fuerza de rozamiento depende de la interaccion entre las moleculasy, en principio, cuando aumentamosla superficie que esrnen contacto, habra mas molecules interaccionando. Sin embargo, si la fuerza normalpermanececonstante,esta se distribuinien un area mayor y la presion entre las dos superficies sera menor. Las fuerzas de interaccion entre cada una de las molecules senin tambien menores.Por 10 tanto, el aumento en la superficie de contacto llevara a un aumento del mimero de interaccionesentre moleculas,pero debido ala menor presion, estas seran mas debiles y, por 10 tanto, el efecto total sobre la fuerza de rozamiento resultara nulo (Fig. 12.14). EI otro factor que determina que entre dos superficies haya mayor 0 menor fuerza de rozamientoes el coeficiente de rozamiento, normalmente llamado J1.. El valor de J1. varia dependiendo de las caracterfsticas de las superficies que estan en contacto y podemos modificarlo muy facilmente mediante cambios en la temperatura, aiiadiendo sustancias que 10 aumenten 0 disminuyan, mojando una de las superficies, etc. La fuerza de rozamiento, junto con la de resistencia, son las responsables de que los cuerpos no permanezcan a velocidad constante cuando se desplazan en linea recta.

\

B

de rozamiento Fuerza normal

Figura 12.14. Cuando la fuerza normal y el coeficiente de rozamiento {JI} son constantes, la fuerza de rozamiento entre dos cuerpos permanecera constante. Enambas situaciones, lapersona esta tirando de la caja sin poder desplazarla, por 10 que fa fuerza tangencial sera igual a fa fuerza de rozamiento. A pesar de fa distinta superficie que esta en contado en la situacion A y en la situacion B, la fuerza de rozamiento sera la misma en las dos.

La ecuacion que expresa el valor de la fuerza de rozamiento es: Fuerza de rozamiento = 11'F. donde J1. es el coeficiente de rozamiento y F, la fuerza normal.

Fuer:za de rozamiento Fuer:za de resistencia

Se origina por la interaccion entre las moleculas de las superficies de dos cuerpos.Incluso las Stlpemciesque pueden parecer muy lisas presentan irregularidades cuando son vistas aI microscopio (Fig. 12.12).Su direccion es paralela aI desplazamiento entre superficies, pero el sentido resulta contrario aI movimiento relativo. Cuando la fuerza de rozamiento acnia entre dos superficies que no se mueven entre sf, existe rozamiento estatico y cuando las superficies se mueven entre sf hay rozamiento dinamico, La fuerza de rozamiento maxima es mayor cuando un objeto esta parado que cuando ha iniciado su desplazamiento. Si colocamos un disco de musculacion sobre una superficie inclinada y 10 intentamos desplazar, costara mas hacerlo si el disco pesa 200 N que si pesa 100N. La parte del vector del peso que cae perpendiculara la superficiesobrela que esrnel disco se denomina efuerza normal», y la fuerza de rozamiento, tanto la estatica como la dinami-

Todos sabemos por experiencia que requiere mucho mas esfuerzo mantener una velocidad alta sobre la bicicleta que ir despacio. La fuerza deresistencia aI avance se origina por el avance de un cuerpo en un fluido 0 por el paso de un fluido por un cuerpo, por 10 que 10 importante es el movimientorelativo del fluido sobre el cuerpo. Esta fuerza puede lIegara limitar en gran medida el avance en el aire y el agua, dependiendo de la velocidad a la que nos desplacemos.La direccion de esta fuerza es la del avance del cuerpo y su sentido contrario a este avance. La fuerza de resistencia depende de los siguientes factores: Figura 12.12. Aunque dos superficies pueden parecer completam~nte lisas,siempre hay irregularidadesentre elias que producen rozamiento. En la Figuravemos como si aumentamos 10 suficiente la zona de interaccion entre las dos superficies, aparecen esas irregularidades.

Fuerza de flotadon .

UNEACDELOSCUERPOS~

- La forma y el perfil del cuerpo y su acabado (mas 0 menos liso,

con muchas rugosidades, etcetera). - EI area del cuerpo que entra en contacto con el fluido en movimiento. - La densidad del fluido. - La velocidad relativa entre el fluido y el cuerpo.

discos, esferas 0 cilindros que giran mientras se desplazan. Se origina siguiendo el principio de Bernoulli, que dice que cuando la velocidad de un fluido es alta, la presion resulta menor,y cuando la velocidad es baja, la presion mayor; dicho de otra forma, la suma de las presiones estatica y dinamica es constante para una misma altura. La diferencia de presioDesque existe, por ejemplo, entre los lados de un ala hace que se origine una fuerza perpendicular aI flujo relativo (Fig. 12.15). La fuerza generadase da en cualquierdirecciondel espacio,con sentido hacia laozona de baja presion y perpendicular a la direccion del viento relativo.La fuerza de sustentacion afecta a las trayectorias de cuerpos que se desplazan en el aire y el agua, como aviones, discos de atletismo y saltadores de esquf. Fuer:zas centrifuga

y centripeta

Los movimientosangularesse producenpor la modificacionconstante del vectorde velocidadpor la lIamada«aceleracioncentripeta»,que tiene un sentido hacia el centro del recorrido angular que estamos realizando. Se originan en los movimientos angulares, con direccion radial respecto aI eje de giro, sentido hacia fuera (centrifuga)y hacia dentro (centrfpeta). Fuerza de sustentad6n

La ecuacion que explica esta fuerza es la siguiente: Fuerza de resistencia = 1/2 Cx • S . P . v2

Flujo de aire relativo

donde e, es el coeficiente aerodinamico,que viene dado por la forma del perfil del cuerpo, S es la superficie que entra en contacto con el flujo de aire 0 agua, p es la densidad del aire 0 del agua yves la velocidad relativa de la corriente de aire 0 agua aI chocar con el cuerpo. Peso Figura 12.11. Cuando ef peso de un cuerpo es iguaf a fa fuerza de flotacion gene-

radapor ef peso del vofumen de agua que desafoja, este flotara, sin ascender ni descender ICF:centro de flotacion; cdg: centro de gravedad}ladaptada de Hochmuth, 1984; 76.

Figura 12.13. Fuerzade rozamiento de un disco de musculacion en un plano inclinado. La (uerzanormalIF,)es la componente del peso IF perpendicular a lasuperficie inclinada. Mientrasel disco no comience a resbalar,la fuerza de rozamiento IFJsera igual a la componente tangencial de la fuerza IF). EIvedor de esta com-

ti

ponente ha side desplazado para colocarlo en la misma /(nea de accion que la fuerza de rozamiento.

Fuer:za de sustentacion

Cuando se produce interaccion entre el movimiento de un cuerpo en un fluido bajo determinadas circunstancias, aparece la fuerza de sustentacion. Se presenta en cuerpos con perfiles simetricos, asimenicos 0 en

Figura 12.15. EIperfil del ala de un avian hace que el airepase mas rapidopor su parte superior,originandoasruna zona de bajapresion relativaque a su vez genera la fuerza de sustentacion que mantiene al avian en el aire. Cuanto mas rapido pase el flujo de airepor laparte superior respedo a laparte inferior,mayor sera la fuerza de sustentacion.

224

CAUSAS DE LA TRASLACION UNEAL DE LOS CUERPOS

BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA ACTIVIDAD FislCA Y EL DEPORTE

De la segunda ley de Newton sabemos que F = m . a, por 10que la fuerza centripeta estJi influida por la masa del cuerpo en movirniento, por la aceleracion angular 0 tangencial, con las siguientes ecuaciones: Fuerza centripeta = m . (02 • r Fuerza centripeta = m-

v2

r donde m es la masa del objeto, (0 la velocidad angular, v la velocidad tangencial y r el eje de giro. Por la ley de la accion-reacclon sabemos que cada fuerza tiene su reaccion de igual magnitud y de sentido opuesto. Para la fuerza centrfpeta la reaccion es llamada «fuerza centrifuga», y acnia en sentido contrario al centro de giro. Cuando un jugador de balonroano lanza un balon, se genera una fuerza hacia el eje de giro, el hombro, y otra hacia fuera del eje de giro, la fuerza centrifuga. Cuarito mayor sea la velocidad de giro de la mano respecto al hombro y cuanto mayor sea la distancia del hombro ala mano, mayor sera la fuerza centrifuga y mas fuerza tendra que hacer el deportista para poder sujetar el balon (Fig. 12.16).

LA FUERZA COMO VEcrOR PROPIEDADES DE LA FUERZA Una magnitud es algo que se puede medir; par ejemplo, una distancia en metros 0 una fuerza en newtons ... Las magnitudes escalares son aquellas defrnidas simplemente por un mimero, como la masa, el voluFuerza centrifuga

men 0 la temperatura. Las magnitudes vectoriales son tambien definidas por mimeros, pero ademas poseen una direccion y un senti do. Todas las magnitudes vectoriales, entre ellas la fuerza, deben ser definidas por los siguientes parametres (Fig. 12.17): -

Magnitud: cantidad de fuerza aplicada. Direccion de la fuerza. Punto de aplicacion; lugar donde es aplicada la fuerza. Linea de accidn: linea recta que se extiende desde e1 punto de aplicacion en la direccion de la fuerza a ambos sentidos e indefinidamente. Las fuerzas producen la misa aceleracion a los cuerpos en cualquier punto de su linea de accion.

Cuando trabajamos con fuerzas grificamente podemos modificar su posicion, siempre que respetemos las siguientes reglas: 1. Podemos desplazar el vector a 10largo de la linea de accion, siempre que no modifiquemos su modulo. 2. Tambien podemos moverIo en el plano en el que estemos trabajando para, por ejemplo, colocar su punto de aplicacion en la cabeza de otro vector que queremos sumar, siempre sin modificar el modulo y la direccion. 3. Siempre debemos mantener la escala de todos los vectores con los que estemos trabajando.

COMPOSICION Y RESOLUCION DE FUERZAS Las operaciones con magnitudes vectoriales no pueden ser realizadas de la misma forma que las. escalares. Por ejemplo, la masa puede ser sumada, restada, multiplicada y dividida, pero los valores de dos 0 mas fuerzas no pueden ser sumados a no ser que se encuentren en la misma direccion, Los resultados de operaciones con vectores pueden ser calculados matematicamente y de forma grafica, A continuacion veremos los resultados de algunas operaciones sencillas con vectores, tanto de forma gnfica como numerics. Cuando hallemos la composicion 0 la resolucion de vectores gnificamente, debemos ser muy cuidadosos con la longitud de los modules, sus angulos y el factor de escala. Si sabemos realizar operaciones con vectores de fuerzas, podremos, por ejemplo, hallar la suma de todas fuerzas que acnian sobre un cuerpo 0 descomponerIas para hallar sus distintas componentes y simplificar los calculos,

Suma y resta de vedores Cuando se suman dos 0 mas fuerzas el resultado se suele Hamar «composicion de fuerzas», El vector que se obtiene de una composicion de vectores se denoroina «fuerza resultante» 0 «resultante», Una composicion de fuerzas aparece cuando mas de una fuerza extema es aplicada a un cuerpo 0 sistema. El efecto global de estas fuerzas es 10que deterroina hacia donde se moveni el cuerpo. Debemos entender la coreposicion como una combinacion de fuerzas. En la figura 12.18 los vectores que se suman esuin en azul y la resultante en rojo: lOON + lOON =200N Si se suman dos fuerzas con la misma direccion pero distinto sentido, el vector resultante tendra el sentido del vector con mayor modulo y su modulo sera igual ala diferencia de modules de los dos vectores originales (Fig. 12.19). Laforma matematica de expresar estas dos operaciones es: 200 N + (-100 N) 100 N

A+(-B)=R A-B= R Hasta ahara los ejemplos que hemos presentado muestran fuerzas que acnian en la misma linea de accion, 10 que hace que hallar los vectores resultantes sea sencillo, tanto gnifica como matematicamente. Cuando las fuerzas que se suman estan en el mismo plano pero no en la misma direccion, el vector resultante puede ser hallado colocando el punto de aplicacion del segundo vector en la cola del primer vector (Fig. 12.20 A). Otra forma de solucionar graficamente este problema es utilizar vectores concurrentes, esto es, aquellos con un mismo punto de aplicacion pero direcciones distintas (Fig. 1210 B). La resolucion matematica de esta operacicn se realizaria con la siguiente ecuacion;

•

A

8

,..

'--

+

'

...'.'

...'

A

.......

••

Punta de aphcaaan

A

tgB=-::;-, B

La resta de un vector sobre otro de distinta direccion tambien puede ser resuelta graficamente tratando el problema como una sUlllaje veetores (Fig. 1212). Por ejel!l.Plo,~ resta de vectores de fuerzaA - B puede sertratada como la sumaA + (-B). La figura 12.23 muestra la resultante de cuatro vectores de fuerza que acnian a la vez sobre un cuerpo. Laresolucion se ha realizado mediante la consnuccion de un poligono. La descomposicion de fuerzas es muy uti! en Biomecanica, por ejemplo para conocer los componentes vertical y anteroposterior en las fuerzas de reaccion del suelo (Fig. 12.24).

Figura 12.21.

I ~:;,

...

--11

A

B = arctg-:;B

....

A

-8

_'+~=R~

12.22.

+

._8

Figura 12.19 .

'

+)f

A= 'I11III\:;;........

~beza a

Dondq R t?!l la magnitud del vector resultante yael angulo entre los veetoresAyB. Si los vectores forman un aagulo recto (Fig. 12.21), podemos conocer el angulo del vector resultante por trigonometria mediante la siguiente ecuacion:

Figura 12.18.

)I

..' .' .. .'

R

,.

225

A

)10

= 8Jf

)10 , A

c

LY.

+8J( B

+ ~

= 84/if1!J1l:~~

_

A

B

A

••••••• Unea de acci6n

Figura 12.16. Diagramade fuerzas de una persona lanzando un balon en el que se han marcado las fuerzas centrfpeta y centrffuga.

Figura 12.23. Resolucion de cuatro vectores de fuerza aduando ala vez sabre un Figura 12.17. Parametrosque componen un vector.

Figura 12.20. Dos formas (Ay B) de hallarun vector resultantegraficamente.

cuerpo.

..,. 226

CAUSAS DE LA TRASLACI6N UNEAL DE LOS CUERPOS

BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA AC77VIDAD FislCA Y EL DEPORTE

po, que son simplemente representaciones mecanicas de los cuerpos. Las fuerzas externas suelen ser dibujadas como vectores a escala, de forma que sus longitudes equivalen a sus magnitudes. Todos los puntos donde un cuerpo toea a1goexterno a el son puntos donde puede haber fuerzas actuando. Para evitar confusiones, y como solo interesan las fuerzas que acnian sobre el deportista, 10dibujaremos solo, aislado de 10que Ie rodea. Los pasos que hay que seguir para realizar un diagrama de fuerzas son los siguientes:

Figura 12.24. Esquema de los componentes vertical y anteroposterior sobre una plata[ormade fuelZas.

Algunos fenomenos se entienden mas facilmente si el vector de fuerza que los provoca es dividido en sus componentes. En la figura 12.25podemos ver el vector original en azul y sus componentes en rojo. EI proceso consiste en trazar paralelas a los ejes horizontal y vertical tomando como referencia el punto de aplicacion de ambos vectores y las proyecciones de ambos sobre los 'ejes. A veces en vez de los ejes horizontal y vertical utilizamos las componentes normal y tangencial a una superficie, por ejemplo, un plano inclinado. Como ya sefialamos antes, la componente normal representa la parte de la fuerza que acnia perpendicularrnente sobre la superficie, mientras que la tangencial es paralela a esta superficie. Ambas componentes son perpendiculares entre sf. Matematicamente las eomponentes normal y tangencial de un vector de fuerza se hallan meaiBnte trigonometria (Fig. 12.26).

1. Aislar el cuerpo que queremos estudiar de 10que Ie rodea. 2. Determinar las fuerzas externas que acnian sobre el cuerpo. 3. Resolver independientemente las fuerzas verticales y las horizontales y aquellas que no son ni horizontales ni verticales dividirlas en sus componentes vertical y horizontal. 4. Resolver las operaciones con vectores, bien graficamente, bien de forma matematica. Cuando una persona esta sobre el suelo tiene aI menos dos vectores de fuerza vertical actuando sobre ella: el primero es su peso y el segundo la fuerza de reaccion del suelo. Como se puede ver en la figura 12.27,la figura de la persona ha sido aislada de 10que la rodea y las fuerzas de reaccion se han dibujado en los puntos donde acnian sobre el cuerpo. En la figura 1218podemos ver como hallar la resultante de las fuerzas que acnian sobre una persona que se desplaza corriendo. A diferencia del diagrama de fuerzas de la figura 12.27,la fuerza neta que acnia sobre esta persona es distinta de cero, por 10que esta experimentara una aceleracion en la direccion y el sentido de la fuerza resultante.

D

IAGRAMA DE lAS FUERZASQUE AcrUAN SOBRE UN CUERPO Cuando un cuerpo es sometido a fuerzas externas, los cambios en su estado son determinados por la resultante de esas fuerzas, Para poder visualizar y comprender mejor el efecto de estas fuerzas externas sobre el cuerpo, se dibujan los diagramas de fuerzas que acnian sobre un cuer-

I y~ - !---?i'] ;L........ ~i ~ ~0 ~t l.,.. ~ .....~ if,

>

if,

Figura 12.27. Eneste diagramade [ueaas se muestran la [uelZa del peso y la de reaccion del suelo. Ambas tienen la misma magnitud y direccion, pero sentido contrario,por 10 que se anulan y la [uelZaneta resultante es cero.

!

By=Bsenq>

81

I

.... ~ ...J B,= B cosq>

R,=Rsena

! Ay=AsenO

o : .................................. / A,=Acos 0

1--------------

......... ~

......;'

Figura 12.28. Fueaas que actuan sobre un atleta cuando esta corriendo. Que el

deportistaavance 0 no dependera de la rt;sultantede las fuelZas que actUa~sob~e el, como el peso IFJ,la iueas de reaccion del suelo IF) y la [uelZade reslstencla al avance del aire IF) ladaptadade Hay, 1993; 70).

Figura 12.30. Resolucion del diagramade [uelZasde la Figuraanterior.F, y F,son

los componentes normal y tangencial del peso, respectivamente, y F",es la reaccion a la [ueaa normal. F,es la fuelZa de reaccion neta y F,la [uelZade resistencia al avance provocada por el desplazamiento del cic/istaen el aire. Fees la fuerza generada por el cic/ista al pedalear y R el vector de [uelZaresultante de todas las fuelZas extemas que actuan sobre el cic/ista.

rozamiento'sea mayor 0 igual que la resultante de las fuerzas que !iran del ciclista hacia abajo. Debido a las fuerzas de resistencia aI avance (FJ y de rozarniento (Fr),no es posible mantener tina velocidad constante a no ser que haya otras fuerzas externas actuando en el sentido del movimiento. En este caso, las fuerzas extemas son, primero, la fuerza que Figura 12.29. Diagramade las iueuss ~emas gue aO

s

fit

de-pararse50n mayores que la magnitud del desplazamiento angular efectuado.

a> (DRAB, 2006). 360 mfs al nivel del mar y disminuye con la altitud hasta 300 mfs a 10.000 m). Existe una relacion, conocida como «mimero de Mach» (velocidad relativalvelocidad souido), que permite B '.\ afirmar que en la mayorfa de las actividades ffsicas y deportivas (practicamente en todas) el aire se comporta como un fIuido incompresible. Para ello, el mimero de Mach debe ser inferior a 0,4. Consideremos entonces una de las actividades que se realizan a mayor velocidad en el medio aereo, como el esqul de velocidad, donde el frances Philippe Goitschel consiguid, en el aiio 2002, una velocidad maxima de 250,7 kmfh (69,6 mfs): Figura 17.8. A. Esqu(de velocidad, ambito de las Ciencias de la adividad f(sica y del deporte. B. Diseiio de un avian, ambito de laAeronautica. n," Mach = 69,6J3OO-36O = 0,232-0,193.

C

Figura 17.6. Velocidad relativadel aire cuando un atleta corre a 5 mls en las rectas de meta y contrameta de una pista de atletismo con un viento de 2 mls.

304

BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA ACnVIDAD FislCA Y EL DEPORTE

La densidad se calcula mediante el cociente entre la masa de un objeto (m) y el volumen (V) que este ocupa: D = roN.Asi, por ejemplo, la densidad media aceptada del agua es de 1.000 kg/m', para el aire de 1,293 kg/m', para un hombre adulto normal de 1.100 kg/m' y, si dividimos a este en los diferentes tejidos que 10componen (hueso, miisculo y grasa), de 1.700 kg/m', 1.060 kgfm3 y 900 kgfml, respectivamente (Fig. 17.9). La densidad especifica de una sustancia (objeto, f1uido, tejido, etc.) es una medida adimensional relativa a la densidad de la misma comparada con la densidad del agua: Despo:ilica = D51lSUIlcJD,,,,,. Si el valor obtenido es mayor de I siguifica que la sustancia no f10iara en el agua y, si es menor de I, sf que flotara en la misma (Gutierrez, 1999). Para conocer que porcentaje de la sustancia estara sumergido en el agua (nivel de f1otaci6n) en funci6n de su densidad, s610es necesario multiplicar la densidad por 100 y obtener asi el nivel de f1otaci6n. Por ejemplo, un cubo relleno de tejido graso humano estara sumergido en el agua un 90% porque Despo:ilica = Dgras:I (900 kgfm3)fD,='1lJ(1.000 kg/m') = 0,9, que, multiplicado por 100, es un 90% (Fig. 17.10 A).

Aire (1,293 kg/m')

Grasa (900 kg/m')

DINAMICA DE FLUIDOS: EL EFECTO DEL AGUA Y DEL AIRE

Las personas en general suelen flotar en el agua cuando respiran normaImente, aunque, como se ha dicho, la densidad especifica de un hombre adulto normal es de 1,1 y, por 10 tanto, no deberia f1otar.Esto es debido a que los calculos de densidad del cuerpo humane se llevan a cabo con todo el volumen de aire de los pulmones espirado (excepto el volumen del espacio muerto anat6mico). Sin embargo, la mayoria de las veces que nos sumergimos en el agua no espiramos todo el aire de nuestros pulmones, que puede aumentar hasta en un volumen de 4litros de aire, 10 que hace disminuir mucho la densidad del cuerpo en su totalidad. Por ello, si nos introducimos en el agua y respiramos normaImente, no tendremos tiempo de apreciar que nos hundimos hacia el fondo de la piscina, pero si espiramos todo el aire de los pulmones, comenzaremos a descender progresivamente (Fig. 17.10 B). La fuerza ascensional es aquella que hace que un objeto se vea empujado hacia arriba, tanto en el medio aereo como acuatico (algunos autores han distinguido entre fuerza ascensional aerea y acuatica, respectivamente). Cuando la fuerza asceosional acontece en el medio acuatico se

Agua (1.000 kg/m')

Musculo (1.060 kg/m')

Hombre adulto (1.100 kg/m')

conoce corminmente como« fuerza de flotacion» (eo ingles buoyallcy force 0, simplemente, buoyallcy) (Kreighbaum y Barthels, 1996; McGinnis, 1999) 0 «fuerza de empuje» (Gutierrez, 1999). Estos conceptos hacen referencia al principio de Arquimedes, que dice que todo cuerpo parcial o totaImente sumergido en un fluido experimenta una fuerza de empuje vertical que es igual al peso del volumen de fluido desplazado por el cuerpo. Por 10 tanto, la densidad y la densidad especifica de un fluido y la fuerza ascensional estan Intimamente relacionadas porque el peso del volumen del fluido desplazado por el cuerpo va a depender directamente de su densidad. Siguieodo con el ejemplo anterior, al inspirar 4litros de aire 0 0,004 m3 estamos desplazando el mismo volumen de agua, s610 que el aire pesaria 0,05 N (0,004 m' . 1293 kgfml. 9,81 mis2) y el agua pesa 39,24 N (0,004 m' ·1000 kgfm3. 9,81 mis2), 10que genera unafuerza ascensional de 39,19 N (39,24-0,05 N). EI principio de Arquimedes fue utilizado, originaImente, para determioar si la corona que le regalaron al rey Hieron II era de oro puro, 10 cual Arquimedes deterrnin6 midiendo su densidad. Tras conseguirlo, se pase6 desnudo por las calles de Siracusa gritando su famosa palabra: «eureka» (he encontrado la soluci6n) (Connor y Robertson, 1999). En Ia actualidad este principio es especiaImente util en el estudio de actividades en los medios acuatico (por ejemplo, una persona 0 embarcaci6n) y aereo (por ejemplo, globos aerostaticos). En el medio acuatico la fuerza ascensional (de flotaci6n) suele estar en equilibrio con la fuerza de la gravedad (peso), determinandose facilmente asi el volumen de agua desplazado y el nivel de flotaci6n (Fig. 17.11 A). Si observamos detenidamente un casco de un barco, veremos que existen lineas horizontales pintadas en orden ascendente, que deterrninan el nivel de flotaci6n maximo (de seguridad) al que se puede lIegar, cargando el barco con pesos, para asegurar unas condiciones de estabilidad. Igualmente, existe una pieza

305

metalica en forma de aleta que se prolonga hacia abajo (la quiIJa) y que provoca un descenso del centro de masas de la embarcaci6n mejorando su estabilidad (se encuentra por debajo y a mayor distancia del centro volumetrico). En el medio aereo la fuerza ascensional es utilizada en difere-ntes actividades para elevarse del suelo. Por ejemplo (Fig. 17.11 B), al calentar un volumen de aire de un globo (6.000 m'), la densidad del misrno dismiouye (de 1.293 a 1.210 kg/m') , generando una fuerza ascensional que es la diferencia de los pesos ocupados por el aire a las dos densidades y que es mayor que la fuerza de la gravedad, 10 que provoca que el globo se eleve. No obstante, cuando las personas nos desplazamos en el medio aereo, la fuerza ascensional se considera despreciable porque el volumen de aire que desalojamos es muy pequefio (una persona de 70 kg y densidad de 1.100 kgfml desaloja 0,063 m' de airel y porque el peso del mismo tambien es pequeiio debido a la baja densidad del aire (0,063 m' . 1.293 kgfm3. 9,81 mis2 = 0,8 N). Una vez conocidos los conceptos de densidad y fuerza ascensional, entenderernos mejor por que las personas flotamos mas en el agua del mar (D = 1.025 kg/m') que en el agua de una piscina (D = 1.000 kgfm3) y por que el hielo (D = 920 kgfm3) siempre flota en el agua. Aparte de estas aplicaciones, una cuesti6n interesante es conocer los factores que pueden afectar a la densidad del agua y del aire y, por 10tanto, a la fuerza ascensional. Estos factores son la temperatura y la presi6n atmosferica, ya que los efectos de la humedad en el aire se consideran despreciables. En teoria, y segiin la definici6n del agua (fluido liquido) como f1uido incompresible, ambas variables no deberian afectarla; sin embargo, en la praerica no es ast, pues pueden dismiouir su densidad hasta en un 1% con un aumento de temperatura de 40 DC(Fig. 17.12 A). Las aplicaciones practices de este fen6meno son dos: Fuerza ascensional de 4.886 N (76.106-71.220 N)

Hueso (1.700 kg/m')

Figura 17.9. ~ensidades del aire, agua y cuerpo humano y diferentes tejidos del mismo Imodificado de Kreighbaum f, BarthelsKM.Biomechanics: A QualitativeApproach for Studymg Human Movement, 4~ed. Boston:Allyn and Bacon, 1996).

A

B

Flotadon (1.000 N) Volumen del globo (6.000 m' 6 6·10' I)

A

B

Nivel de flotadon Densidad del aire caliente (1.210 kg/m') Peso (71.220 N)

Volumen de agua (1 m' 6 LOOO I)

Densidad del aire frfo (1.293 kg/m3) Peso (76.106 N) Cubo de grasa (900 kg/rns)

Aire inspirado

Aire espirado

Fig~~ 17.1~. A',~ivel, d~ flotaci6n de un cubo?e grasaparcialmente sume;gido en agua. B. Comportamiento tfpico de unapersona en eJ"aguaen condiciones de inspiraclOny esp,raclOnmaxima Imodlficado de Krelghbaum f, Barthe/sKM.Biomechanics: A QualitativeApproach for Studying Human Movement 4thed.Boston:Allyn and Bacon, 1996). r

Peso (3,000 N)

Figura 17.11. A. Fuerzade flotaci6n, nivel de flotaci6n y vo/umen de aguadesplazado por una embarcaci6n. B. Fuerzaascensional de un g/obo de 6000 m' de volumen

trascalentar el aire que contiene.

306

B/OMECAN/CA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA AC77V/DAD FiS/CA Y EL DEPORTE D/NAM/CA DE FLU/DOS: EL EFECTO DEL AGUA Y DEL A1RE

307

1.000

A

A

999

B

998

~

E "Co

997

u to u 'in c

-=-

996

OJ

995

0

994 993 992 10

20

30

o Centro de f1otaci6n

40

Temperatura ("C)

® Centro de gravedad

Figura 17.12. Efectosde la temperaturay lapresion en la densidad del agua (A) y del aire (8).

1. Un mismo objeto 0 persona flotani menos a medida que el agua este mas caliente. 2. La temperatura del agna de la piscina en una competicidn de nata. cion esta regulada por la Federacion Intemacional de Natacion para que los participantes no puedan manipular esta variable (se vera en posteriores apartados). En relacion al aire, tanto la temperatura como la presion afectan a su densidad (Fig. 17.12 B),:y mas la presion atmosferica, que tiene un rango de variacidn mas ampliQ,durante la practice de actividades ffsicas y deportivas (Ia temperatura se expresea en grados Kelvin 0 "K), La aplicacion practica de este fenomeno la observamos cuando en algunas modalidades deportivas se elige competir en altitud (por ejemplo, ciclismo, pruebas de velocidad en adetismo, etc.), por encima del nivel del mar, para disminuir la densidad del aire y, por 10 tanto, las fuerzas aerodinamicas que se oponen al avance (se vera en posteriores apartados). A diferencia del agna, el aire puede modificar ampliamente su densidad, 10que se aprecia en el signiente ejemplo: la presion atmosferica a 2.000 m de altitud es, aproximadamente, de 593 mmHg; manteniendo la temperatura estdndar (0 DC0 273 OK), la densidad del aire disminuirfa un 22% desde 1.293 kg/m) (densidad del aire estandar) hasta 1.009 kg/m) (p = [1.293 . 273 . 593]/[760 . 273]). En el agna otros factores, ademas de la densidad, pueden afectar a la fuerza de flotacion 0 ala capacidad de flotar (flotabilidad). Estos factores son el genero, la edad y la raza, y seran abordados con mayor profundidad en posteriores capftulos: . . .." -. 1. Genera. Diferentes estudios demuestran que las mujeres flotan m~s ~ mejor que los hombres (Oi Prampera, 1972; McLean y Hinrichs, 1998), sobre todo a partir de la pubertad, donde las caracterfsticas de cada sexo empiezan a ser mucho mas diferen. ciadas (Zamparo et al., 1996). Flotan mas porque su densidad corporal es menor, al tener un mayor porcentaje de tejido graso. Flotan mejor porque la distancia entre su centro de gravedad y de flotacion es menor, ya que acumulan mas tejido graso en las piernas y tienen menor capacidad pulmonar, 10cual hace que su centro de flotacion este relativamente mas bajo, a menor distancia

del centro de gravedad, por 10que necesita menor coste de energfa para mantener la posicion horizontal en el agua (Fig. 17.13 A). En general, y segiin los estudios de Whiting en la decada de los 60, muy pocas mujeres (solo seis) y ningtin hombre de 291 fueron capaces de mantener la posicion deciibito ventral en el agua con los brazos extendidos a 10largo del cuerpo sin que las pieruas empezaran a hundirse (Hay, 1993),10 que indica que el centro de gravedad siempre esta debajo del centro de •. v._'::..>~,........ . '1'" 2. Edad. Iambien esta demostrado que los niflos y ancianos flotar; mas que los adultos (Bouchard, 2001) porque la composicion corporal cambia con la edad y, en general, la menor densidad corporal se obtiene en los extremos de la vida, 0 sea, en la infancia.y ancianidad (Hay, 1993). Los niiios, edemas, presentan menores distancias entre sus centros de gravedad y de floracion, 10 cual mejora la economia de nado. Sin embargo, estos beneficios se ven enmascarados por una peor tecnica de nado, 10que hace que su gasto energetico en la natacion sea similar al de los adultos (Kjendlie el al., 2004). 3. Raza. Resulta extraiio que la raza negra domine en muchas disciplinas atleticas y no en natacion, Esto tambien puede deberse a que flotan menos, ya que desde hace muchos aiios en las universidades americanas diferentes investigadores observaron que mas personas de raza negra se hundfan en inspiracion maxima en el agna que personas de raza blanca (Llana, 2002). Otros estudios '..han mostrado que sus densidades cmporalesson . a un menor porcentaje de tejido graso y un mayor porcentaje de tejido magro (Esparza, 1993); 0 que su Indice de masa corporal (lMC) es mayor (lMC [kg/m2] = masa [kg]/talla2 [m2]) y pesan mas para una misma talla que otras razas (Deurenberg et al., 1998) (Fig. 17.13 B).

Figura 17.13. A. Efectosde la distancia entre el centro de gravedad y de flotacion (d) en la dificultadpara mantener laposicion horizontal en natacion ~v) (dibujo ~ul1!ano modificado de KreighbaumE,BarthelsKM.Biomechanics: A QualitativeApproach for Studying Human Movement, 41hed. B?ston:Allyn and Bacon, 1~96). B. Ind,ce de masa corporal(fMC)obtenido en diferentesrazas 0 etnias(modificadode Deurenberg P, YapM, VanStaverenWA. Body mass mdex andpercent body fat. a meta analy-

sis among different ethnic groups. Int) Obes RelatMetab Disorri,199B;22 (12):1164-1171). Sistema Interuacional es el pascal (pa) (DRAB, 2006). La ecuacion mas sencilla para calcular la presion es aquella que utiliza el cociente entre la fuerza aplicada (F) y la superficie sobre la que se aplica (S): P = F/S. Por 10 tanto, 1Pa de presion equivale ala fuerza de 1 N aplicada sobre una superficie de 1 m', La presion tambien puede medirse en atmosferas en honor a los primeros ensayos de Torricelli para determinar la presian atmosferica (al nivel del mar), que concluyeron que esta elevaba 760 rom una columna de mercurio (Fig. 17.14). Porlo tanto, 1 atmosfera es ig~al que 101.325 Pa, 760 mmHg, 760 Torr 0 1.013,25 mbar. No obstante, aunque los experimentos de Torricelli sobre la presion se reaIizaron a nivel generico, existe un comportamiento claramente distinto de la presion en el aire y en el agua, puesto que el primera es un fluido compresible, mientras que el segnndo no. La presion que ejerce el aire de la atmosfera sobre un objeto es mayor aI nivel del mar que a cualquier a1titud porque a mayor a1titud el cuerpo soporta menor columna de aire y, por 10 tanto, menor peso de la atmosfera sobre el. Se acepta que la presion atmosferica disminuye la mitad cada 5JOO m de altitud, y se puede calcular la presion a cualquier altitud mediante la ecuacidn

PRESION DE UN FLUIDO: APLlCACION A DIFERENTES ACTMDADES La presion de un fluido (P) es la magnitud ffsica que expresa la fuerza ejercida por un cuerpo sobre la unidad de superficie. Su unidad en el

Figura 17.14. Ensayode Torricellipara medirla presion~tmosferiSafde la colum-

na de aire de laatm6sfera)al nivel del mar con un manometro claslco.

(Fig. 17.15 A): P = 760/(2.7182 [0,124' kml), donde km es la a1titud en

kilometros y P se obtiene en mmHg. Contrariamente a 10que ocurre en la atmosfera, cuando un objeto se sumerge en el agua, la presion sobre el aumenta porque el peso de la columna de agna es mayor. Se acepta que la presion del agua aumenta 1 atmosfera (101.425 Pa) cada 10 m de inmersion (tambien teniendo en cuenta la columna de aire sobre el agua, que ejerce una presion de 1 atmosfera aI nivel del mar). Para confirmar esta regIa y calcular la presion a cualquier profundidad de inmersion, se u~a la siguiente ecuacion,obteniendoseP en pascales (Fig; 17.15 B): P=Po + (p' g' h), do_nde Po es la presion atmosferica antes de la inmersion (101.325 Pa aI nivel del mar), p es Ia densidad del fluido (el agna, 1.000 kg/m'), g es la gravedad (en la tierra, 9,81 mls2) Y h es la altura de la columna de fluido (profundidad de la inmersion, en este caso, 10 m). Se obtiene que P = 101325 + (1000' 9,81'10) = 101325 + 98.100 = 199.425 Pa = 2 atrnosferas. Por 10tanto, se esti consideraado que 98.100 Pa = 1 atmosfera, 10 cual, constituye una buena aproximacidn. . Las principales aplicaciones practicas de la disminucion de presion atmosferica con la a1titud las encontramos en las actividades de montana y en a1gnnas actividades de aventura, como parapente 0 ala delta. Asf, por ejemplo, los practicantes de estos iiltimos saben que «cuanto mas calor y a mayor a1turase encuentre eI puato de despegne, mas tendremos que correr para despegar» (Aupetit: ,1990) porque el au.me~to d~,temperatura y la disminucion de la preston provocan una disminucion en la densidad del aire y esta en las fuerzas aerodinamicas que son necesarias para el despegne (fuerza de sustentacien, que abordaremos posterionnente). De esta forma, «sin viento, hay que correr a 32 kmIh para despegar en el Teide con unAlaque despegne ordinariamente a 25 kmIh. Un poco de viento en contra no esta de mas» (Aupetit, 1990). No es segnra que una persona sedentaria pueda a1canzar con un ala delta u~a velocidad de 32 kmIh, por 10que estas actividades en eI Teide deben dejarse para practicantes muy avanzados y «atleticos». En las actividades de montaiia encontramos unos lfmites para practicarlas a partir de ciertas altitudes, ya que la disminucion de la presion

...308

BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA ACT/VIDAD FfslCA Y EL DEPORTE

DINAMICA DE FLUIDOS: EL EFECTO DEL AGUA Y DEL AIRE

A

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40

50

Profundidad (m)

Figura 17.15. A. ffecto de la altitud (km) en la presion atmosferica (mm HgJ. B. Hecto de la profundidad (m) en lapresion del agua (kPayatm).

atmosferica se ve acompaiiada de un descenso en la presion parcial de oxfgeno (Pp = P: %/100, donde Pp es la presion parcial y P presion total en mmHg y el porcentaje es la concentracidn del gas en la atmosfera), un gas imprescindible para la vida, puesto que somos seres aerobicos, y que se encuentra concentrado al21 % en la atmosfera. De esta forma, al nivel del mar laPp del oxfgeno es de 159,6 mmHg (Pp = 760· 211100), de los cuales 100 mmHg IIei3.J1hasta los alveolos saturando la hemoglobina de la sangre hasta un 98%1 con cerca de 100 mmHg de oxfgeno en la sangre. Sin embargo, a 4500 m de altitud, donde la presion atmoSferica es de 435 mmHg (P = 760/2.7182[0.124X41),estos valores son insufi- ' cientes (Tabla 17.1), ya que se aconseja teneruna Pp de oxfgeno en los alveolos de 60-100 mmHg, manteniendo la hemoglobina saturada por encima del 87%. Esta saturacion suele darse a una altitud de 3.000 m, que puede ser tolerable por las personas en general. Cuando las actividades se reaJizan a mayor altitud, no se tiene el entrenarniento 0 la aclimatacion adecuada 0 no se cuenta con los equipos y las estrategias adecuadas, sobreviene un sfntoma conocido como «mal de altura», Las principales aplicaciones practicas del aumento de la presion al sumergirse en el agua las encontramos en el ambito de la fisioterapia y en las actividades de buceo. Como hemos visto, descender 10 m en el agua aumenta la presion en 1 atmosfera, por 10 que estar de pie en una piscina con el agua a 1-1 ~ m de profundidad va a provocar que en los pies se aplique una presion 0,1-0,15 atmosferas mayor que en la zona no sumergida (entre la cresta iliac a y el abdomen de una persona de estatura media). Esta presion va disminuyendo en sentido proxfmal, favore-

ciendo el retomo venoso y Iinfatico, por 10que es una estrategia muy utiIizada en algunas tecnicas de fisioterapia. En las actividades de buceo y submarinismo, cuando se desciende a ciertas profundidades, es necesario utiIizar bombonas de aire para aumentar el tiempo de la actividad. Estas bombonas se rellenan con aire atmosferico a una presion mayor, 0 muy aproximada, a la presion existente en la zona donde vamos a descender. Un ensayo para demostrar por que esto es necesario serfa sentarse en el fondo de una piscina de 4-5 m e intentar respirar aire de la atmosfera mediante un tubo; nos dariamos cuenta de que resulta practicamente imposible porque no somos capaces de expandir nuestra caja toracica para generar la diferencia un gradiente de presion y que el aire entre en nuestros puJrnones (debido a la presion que el agua ejerce sobre elIos). Por este motivo las bombonas de buceo tienen una elevada presion, que es administrada mediante un regulador que detecta la presion de la zona donde estamos buceando. Este aumento de presion en el medio y en el aire respirado conlleva problemas durante el buceo (estos problemas no existiran si el buceador reaJiza la actividad sin bombonas, en apnea y con el propio aire de sus pulmones): 1. Narcosis del buceador. Es una intoxicacion debida a la respiracion, durante un penodo de tiempo aproxfmado de 30-45 minutos, de gas de la atmosfera comprimido en la bombona. AI comprimir los principales gases de la atmosfera (21 % de oxfgeno y 79% de nitr6geno) a una presion elevada (por ejemplo, para bucear a 40 m; una presion de cinco atmosferas), la presion parcial de estos gases se esta multiplicando por cinco (de 159,6 a 758 mmHg Y de 600,4

Tabla 17.1. Efectos de la altltiid en la presion atmosfenca (P);la presion parcial del oxigeno en la atl110sfera(Pp02 atmosf.), los alveolos (Pp02 alveolar) y la sangre arterial (Pp02arteriill); y en la saturacion de la hemoglobina arterial (Satur-hemoglobina) ,

309

a 3002 mmHg, respectivamente). No ocurre nada con el oxfgeno, Por ultimo, cabe nombrar el principio de BemouilIi, relacionado con la presion de los f1uidos (gases y lfquidos), que sera abordado en posteel cuallas personas somos capaces de respirarlo hasta en estado riores apartados, relacionado con la fuerza de arrastre y sustentacion, puro (ambito hospitalario), pero sf con el nitrogeno, que en elevaEste principio dice que si la velocidad de un f1uido aumenta, la presion das presiones parciales produce «narcosis». En teorfa para prevedel fluido disminuye, y viceversa. Adenuis, los f1uidos se mueven de las nir esta intoxicacicn se podrian rellenar las bombonas proporciozonas de mayor presion (0 menor velocidad) a las de menor presion (0 nalmente con otros gases nobles, como el helio, que se respirarian sin ningiin problema. De esta forma, sobre el mismo ejemplo antemayor velocidad). Matematicamente este principio se resume en la siguiente ecuacidn: P + 1/2. P . v2= cte. Un aumento en la velocidad del rior, se podria bucear tranquilamente a 40 m de profundidad con fluido disminuira exponencialmente su presion. Esto sirve para explicar una concentracion en la bombona del 4-5% de oxfgeno, el16% de por que los objetos (automoviles, bicicJetas, etc.) generan zonas de bajas nitrogeno y eI79-80% de helio (se han reducido una quinta parte presiones que generan resistencias de presion al desplazarse en el aire y las concentraciones de oxfgeno y nitr6geno en la atmosfera), manel agua (fuerza de arrastre de forma). Tambien sirve para entender por que teniendo las presiones parciales de los dos primeros en la atmosfelos parapentes, alas delta, discos y jabalinas de atietismo,freesbee, etc., ra. Esta estrategia sf es adoptada por personas que trabajan duranson capaces de elevarse del suelo solo con la fuerza que produce el aire te mycho tiempo en el fondo del mar (explotaciones petroliferas, (fuerza de sustentacion), por ejemplo), pero no es utiIizada en las actividades de buceo porque aumenta el coste de las bombonas (lugares especializados para V1SCOSIDAD, TENSION SUPERFICIALY CAPILARlDAD hacer las mezcJas y bombonas mas resistentes), que curiosamente los buceadores IIaman «nitros». Por 10tanto, la solucion adoptada DE LOS FLUIDOS por los buceadores es guiarse por unas tablas que indican el tiemLaviscosidad es una propiedad de los fluidos que se refiere a la fuerpo maximo de buceo en funcion de la profundidad a la que se quieza de rozarniento intema entre las panfculas de los mismos. Cuando un re bucear; dicho de otra forma, el tiempo maximo de buceo para objeto se desplaza en un fluido 0 es el fluido quien choca con el objeto, que la «narcosis» sea tolerable por el organismo. las diferentes capas del fluido (mas adelante, lineas de corriente) van per• 2. Edemas pulmonares por descompresion insuficiente. Este prodiendo velocidad por el rozarniento entre elIas y IIega un momento en el blema esta asociado a la Ley de Boyle-Mariotte, que solo es aplique no pueden mantener su comportarniento 0 regimen de circulacion cable a los gases: si un gas se mantiene a temperatura constante, (mas adelante, regimen laminar y turbulento). De esta forma, detras del su volumen es inversamente proporcional a la presion. Si se comobjeto queda una zona sin fluido 0 con el fluido a mayor velocidad (regiprime un gas hasta la mitad de su volumen inicial! se duplica la men turbulento) que provoca bajas presiones y una fuerza que frena eJ presion. Por 10 tanto, a temperatura constante, P: v = constante. avance del objeto (mas adelante, fuerza de arrastre de forma). Si este fenriDe esta forma, cuando un buceador desciende a 10 m de profunmeno no aconteciera, se cumpJiria la paradoja d'Aiembert (que precisa~didad (Fig. 17.16), el volumen de los pulmones en la atmosfera mente es una paradoja porque nunca acontece), que desprecia la viscosi(6 Iitros) desciende a la mitad (3 Iitros); y asf ocurre proporciodad entre las capas del fluido al considerar que este chocara con el objeto nalmente en fuacion de la profundidad de la inmersidn. Cada vez se respira aire de la bombona a mayor presion que ocupa meProfundidad Presion nos volumen; esto no es excesivamente problematico mientras se desciende, pero sf cuando se inicia el ascenso. Eneste momento es necesario realizar varias paradas en diferentes zonas de profundidad para que el aire alveolar a alta presion vaya aumentando progresivamente de volumen. Si el ascenso es muy brusco 0 no se respetan las zonas de descompresion, los alveolos pueden IIegar a romperse y provocar un edema pulmonar. En este sentido, en diferentes lugares donde el buceo es una actividad rutinaria (por ejemplo, bases militares del Ejercito de la Marina), existen cimaras hiperbaricas donde se reanima a los buceadores que padecen estos problemas por una descompresion insufiFigura 17.16. ffecto de la profundidad de buceo en la presion y el volume.ndel ~ire.de 105 pulm?n~ (modificado de Willmore JH, CostillDL. Physiologyof Sport and ExerCISe,2nded. Champaign, IIImOls:Human Kmetlcs, 1999). ciente.

310

DINAM/CA DE FLU/DOS: EL EFECTO DEL AGUA Y DEL AIRE

B/OMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA ACnV/DAD Fis/CA Y EL DEPORTE

(0 viceversa), 10rodeara y finalmente mantendra el mismo regimen de circulacion (regimen laminar) que antes de haber intemctuado con a (Fig. 17.17). En la vidacotidiana puede apreciarse como la viscosidad del aire es mucho menor que la del agua y esta menor que el aceite 0 la miel. En cierta forma, y como puede apreciarse en este ejemplo, la viscosidad depende directamente de la densidad del fluido. Pam medir esta cualidad se utiliza el Pascal por segundo (Pa . s); la viscosidad del agua es mas de 50 veces superior a la del aire (el coeficiente de viscosidad del agua a 20,2 °C es de 1 ml'a- s y el del aire de 0,Ql8 mPa . s). La principal aplicacion practica de la viscosidad, ademas de explicar por que acontece la fuerza de arrastre de forma (y qne esta es mayor en el agua que en el airel, es que en los fluidos Jfquidos (por ejemplo, agua) disminuye con la temperatura; ocurre 10 contrario con los gases. De esta forma, en las pruebas de natacion los nadadores se verfan beneficiados por un ligero aumento de la temperatura, ya que disminuiria la viscosidad y, por 10tanto, la zona de bajas presiones que dejarian tras de sf. En concreto, se sabe que la viscosidad del agua disminuye un 1,5% porcadaO,5 °Cque aumentela temperatura (1,31, 1,13 yO,98 ml'a- s a 18,28 Y38°C, respectivamente). La Federacion Internacional de Natacion (FINA) regula la temperatura del agua en las piscinas de competicion, que debe estar entre 25 y 28°C (art. 2.11 de la reglamentacion). Existen trabajos experimentales que han intentado cuantificar los efectos de la temperatura del agua en el rendimiento en pruebas cortas y largas de natacion (Fig. 17.18). Su principal conclusion ha sido que el efecto de la temperatura es notable al pasar de 20 a 26°C, pero no es apreciable al pasar de 26 a 32°C. Este efecto es mucho mas apreciable en las pruebas cortas, dondeJ.a!elocidad de los nadadores es mayor (Mougios y Deligiannis, 1993). Suiembargo, estos estudios han intentado justificar los efectos de la temperatura del agua en el rendimiento desde un punto de vista fisiologico sin tener en cuenta que un aumento de 6 °C en la temperatura del agua disminuye su viscosidad un 9%. En un futuro los pnntos de vista fisiologico y biomecanico deben tenerse en cuenta para dar una explicacion global a este fenomeno, La capilaridad «es la habilidad de un tuba delgado para succionar un Jfquido en contra de la fuerza de la gmvedad. Sucede cuando las fuerzas intermoleculares adhesivas entre el Jfquido y el solido son mas fuertes que las fuerzas intermoleculares cohesivas entre el Jfquido ... Este es el mismo efecto que causa que materiales porosos absorban lfquidos» (Wikipedia, 2006). La tension superficial es el «fenomeno por el cual la superficie de un Jfquido tiende a comportarse como si fuera una delgada peJfcula elastica, Este efecto permite a algunos insectos, como el zapatero (Hydrometra stagnorum), desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. La tension superficial (una manifestacion de las fuerzas intermoleculares en los Jfquidos),junto a las fuerzas que se daIl entre

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Temperatura del agua eC) -

Pruebas cortas

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Pruebas largas

Figura 17.18. Efectode la temperatura del agua en el rendimiento en pruebas cortas (tiempo empleado en nadar: 100 m) y largas(distancia recorridaen 30 minutos) de natacion (modificado de Mougios V, Deligiannis A. Effectof water tempe-

ratureon perfonnance, lactateproduction and heart rate at swimming of maximal and submaximal intensity. J Sports Med Physical Fitness, 1993; 33 [J J:27-33). los Jfquidos y las superficies solidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad» (Wikipedia, 2006). Como puede observarse en las definiciones, los fenomenos de capilaridad y tension superficial estan muy vinculados (Fig. 17.19), puesto que los liquidos (en este caso, el agua) ascenderan por pequefios tubos 0 atravesaran solidos porosos siempre y cuando las fuerzas intermoleculares adhesivas sean menores que las fuerzas intermoleculares cohesivas (tension superficial). Es neceCapilaridad

Tension superficial

sario destacar que el agua tiene la maxima tension superficial de entre los lfquidos. La capilaridad tiene un efecto muy importante en la biologfa en general, ya que el agua sube por capilaridad desde las raices de los arboles hasta las hojas; tambien por capilaridad se IIeva a cabo gran parte de la irrigacion del organismo de los animales de sangre caliente; ademas, muchos de los intercambios a nivel celular (donde el agua atraviesa las membranas) son posibles gracias ala capilaridad. Su magnitud depende directamente de la tension superficial del agua (la mayor de los Jfquidos) e inversamente del diameno del tuba 0 el espacio por el que pretende introducirse (Fig. 17.19). Asf, un tuba de vidrio de 0,1 mm de diametro es capaz de elevar 30 em una columna de agua y en capiJares de l um de diametro el agua puede IIegar hasta 15 m de altura. La tension superficial podemos apreciarla cuando intentamos despegar un vasa de agua de una mesa de crista!, ya que eI espacio entre el vasa y la mesa se reduce mucho (menos de l um de espesor) y la fuerza necesaria para separar ambos objetos tiene que ser grande (entre ambos objetos generan una presion de 1,5 atmosferas) debido a las fuerzas de cohesion entre las moleculas de agua y a las fuerzas de adherencia del agua con el vidrio. Tambien puede apreciarse al despegar un balon de goma de la superficie del agua del mar 0 de una piscina, al romperse un term6metro de mercurio y quedar este dividido en pequefias bolas de forma esferica 0 al hacer flotar una aguja de acero (mas denso que el agua) en un vasa de agua; si no existiera gmvedad, los Jfquidos adoptarian siempre una forma esferica por la cohesion entre sus molecules.

CIRCULACION lAMINAR Y TURBULENTA: NUMERO DE REYNOLDS dn objeto que circula dentro de un fluido crea una region proxima que se ve afectada por su paso y que recibe el nombre de «capa Ifmite». La capa Ifmite esta formada por numerosas Iineas de corriente, que son lfneas de fluido que circulan ala misma velocidad. La capa Ifmite esta delimitada por la linea de corriente mas proxima al objeto y por la ultima linea de corriente que se ve afectada por el paso del mismo. La capa limite puede tener un regimen de circulacion laminar 0 turbulento (Fig. 17.20),10 que va a depender del mimero de Reynolds. EI regimen de circulacion laminar provoca que la capalfmite tenga menor espesor y,

B

Regimen turbulento Baja presion

--=====---....:::

Figura 17.17. A. Comportamiento de un fluido ideal que no tiene visCDsidad(paradojad'Alembert). B. Comportamiento de un fluido no ideal (aire,agua, etcetera).

B

~

l!l

8

.~

.~ A

ademas, que en el interior de la misma se disipe menos energfa porque las Ifneas de corriente Bevan una velocidad menor. El regimen de circuIacidn turbulenta provoca 10contrario a 10que se ha descrito al aurnentar la fuerza de arrastre viscoso (ver posteriores apartados) 0, 10 que es 10 mismo, el rozarniento entre las partfculas de aire 0 agua. El mimero de Reynolds (Re) es un mimero adimensional utilizado en dinamica de fluidos descrito por Osborne Reynolds en 1883. Se calcula mediante la formula: Re = p . v . UIl,donde p es la densidad del fluido, v es la velocidad del fluido, L es la longitud del objeto y f1 es la viscosidad del fluido. Re perrnite predecir si el regimen de circulacion de la capa Ifmite sera laminar 0 turbulento; existe una zona de transicion que se corresponde con el «mimero de Reynolds crffico». EI regimen de circulacion laminar 0 turbulento va a ser crucial en las resistencias aerodinamicas e hidrodinamicas de los objetos, tal y como se comenta en posteriores apartados. Un ejemplo clasico para diferenciar estas zonas se observa en una columna de hurno donde, al principio, el regimen de circulacion es laminar, pasa por un regimen de transicion y llega a un regimen turbulento donde el humo se expande. EI mecanismo y muchas de las razones por las cuales un flujo es laminar 0 turbulento es todavfa hoy objeto de especulacion, 10dificulta el conocimiento de las fuerzas aerodinamicas e hidrodinamicas en diferentes actividades ffsicas y deportivas. Tengamos en cuenta que, en un mismo objeto, el mimero de Reynolds entice depende de la velocidad relativa del fluido y de pequeiias variaciones en la superficie del mismo. Asf, por ejemplo, en funcidn de la velocidad del ensayo, en una esfera lisa el mimero de Reynolds critico puede variar entre 2· WS Y 4 . WS algunos autores han asumido el valor de 2,1 . WS (McElroy, 1979) y otros el de 2,5 . lOS(Hubbard, 2000). Por otro lado, en una pelota de golf, que es una esfera con hoyuelos, el mimero de Reynolds critico se ha determinado entre 1 . WS Y2,4' lOS (Tai et al., 2006). A pesar de las dificultades que existen pam·medir el mimero de Reynolds critico (limite entre circulacion laminar y turbulenta), existen dos ejemplos que demuestran como influyen los regfmenes de circulacion laminar y turbulenta en el vuelo de los objetos: pelotas de golf y balones de voleibol (Fig. 17.21). Asociada al mimero de Reynolds entice existe una «velocidad critica» (despejada de la ecuacion anterior) pam ambos objetos donde el aire sufre una transicion de flujo laminar a turbulento, o viceversa. La transicion de flujo laminar a turbulento provoca que la

A

Figura 17.19. Representacionde 105 fenomenos de capilaridady tensionsuperficial.

c: OJ

OJ -cJ

OJ -cJ

Vl

Vl

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311

'" OJ :§

Figura 17.20. Representacion de una l,nea de corriente, una capa trmite laminar (A) y turbulenta (B).

----------------------===--======-

I !;

""'312

D/NAM/CA DE FLU/DOS: EL EFECTO DEL AGUA Y DEL A/RE B/OMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA AC77V/DAD Fis/CA Y EL DEPORTE

A F1ujoturbulento (Re > Re entice)

B F1ujolaminar (Re < Re crttico)

...............................

~.....

............. _ ••••

Trayectoria real Trayectoria te6rica

••••••• -,

"

..•....•../ ...~ Velocidad critica (Re critico)

.'.

.......... -,

...........

Figura 17.21. Comportamiento de un flujo laminar y turbulento en una pelota de golf(A). Trayectoriareal y teorica de un golpeo estandar en una pelota de golf y un

75.000) (Smits & Smith, mente se manifie.sta la fuerza de arrastre, 10cual, en el ambito deportiyes del objeto, gen~r:mdo asi una zona de bajas presiones y, por 10 tanto, persona diestra. Asf, en el caso del beisbol (Fig. 17.39 A) la pelota rota1994; citado por Hubbard, 2000). Por ultimo, que la superficie del objeyo, suele den?mm~se «I~zamiento 0 golpeo plano» (Fig. 17.38 A). fuerza de sust:ntaclOn. Aunque las primeras investigaciones cientfficas ni hacia la izquierda, desviandose de su trayectoria hasta 0,45 m en una to esferico sea rngosa tambien aumenta el efecto Magnus, ya que las Cuando el objeto gira haciaa delante (en ingles topspin), la capa limite sobre este fenomeno fueron realizadas por Robins (1742), se denomina distancia de 18 m (Barlett, 1997), con 10 que pasa por debajo del mismo 10 hace a mayor velocidad, generando que sera mucho mas diffcil de golpear por el bateador. Otra manifestaci6n la A observamos en los golpeos de faltas en B fiitbol por el exterior de la barrera y en los saques de esquina que entran diree:; tos en la porteria (goles olfmpicos) (Figs. 39 B Y C). En estos ejemplos la desviacion en la trayectoria de la pelota pennite sortear la barrera humana y el poste +v-p de la porterfa, respectivamente. Es necesario destacar que a1gunas veces la rotaci6n puede producirse en el eje antero-posterior, como ocurre en el lanzamiento de jabalina, donde €sta rota sobre sf misma, afectando ala trayectoria dellanzamiento (Hubbard, 2000). Este fenomeno sen! abordado en otros capftulo del presente Iibro. Ademas, puede ocurrir que exista una rotacion Figura17.~8: Represen!acionde la velocidad (V), lapresion (Pi lasfuerzasde arrast~" . combinada entre ejes que genere sustenFigura17.39. Trayedoriasde 105objetos esfericos(balonesy pe{otas)durantelanzamientos y go{peasde unapersona ca en el ette:(A) no ease rotacion(nospin); (8) rotacianhaci!delante 0 liftadoIt· e ~Fi r~e sust~?la%lO?iFJ 9ue se producen duranteel avance de un objeto esferitacion en dos sentidos. Por ejemplo, exisdiestra:(A) beisbol, (8) fallasen f6tbo{y (0 saques de esquina en f6tbo{(modificadode HayjG. Thebiomechanics of clones anterlOresparaun lanzamiento 0 golpea de identicascaraderfsticas. opspm, rotaclOn sae atr.is 0 cartado (backspin);(0) trayedoriade las Iressituaten tecnicas en beisbol que hacen girar sportstechniques, 4~ed. NelVjersey:retince-Hall, 1993). "-_"

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B/OMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA ACTIV/DAD Fis/CA Y EL DEPORTE

capas limite del intrad6s/extrad6s yen mas afectada su velocidad al chocar contra una superficie rugosa y la diferencia de presiones creada entre ellas es mayor, par 10que aumenta el Cs. En la tahla 17.4 se resumen los factores que potencian a disminuyen el efecto Magnus. Existen varios ejemplos de c6mo la rugosidad de la superficie de los objetos esfericos puede afectar al efecto Magnus. En tenis a medida que se desarrolla la competici6n las bolas usadas se cambian par otras nuevas, ya que van perdiendo parte del pelo que las recubre, 10que afecta al Cs (Goodwill et al., 2004). Si a una pelota de tenis le quitaramos el pelo que la recubre, jugar dentro de los limites de la pista resultarfa bastante diffcil, ya que, ademas de disminuir la fuerza de sustentaci6n tambien disminnirfa la fuerza de arrastre y caerfa fuera de los limites de la pista. Observense las diferencias entre una pelota de tenis y otra de frontenis, 10cual puede justificarse porque en esta ultima actividad el gesto tecnico mas utilizado es el «golpe plano» (no liftado ni cortado) contra la pared (realizado a altas velocidades) y no son determinantes los efectos que cage la pelota. En fiitbol durante los dos tiltimos Campeonatos del Mundo (Corea'02 y Alemania'06) han surgido bastantes polemicas en toruo al diseiin de los balones por parte de la marca comercial Adidas", ya que los jugadores se han quejado de un comportarniento anormal de estos balones durante el vuelo. Concretamente en Alemania'06 se lanz6 al mercado el modelo Adidas + Teamgeist™ Berlin (Fig. 17.40 A), que sustitufa las 32 piezas (pentagonos y hexagonos) deun bal6n convencional (Fig. 17.40 B) par 14 piezas que encajaban perfectamente entre sf (vease fignra 17.40 A).

AbrBViaturasEn Ia f!]Uffi 17.31 B.

Aerodinamicamente el objetivo era que el bal6n resultase mas esferico y asf tuviese un vuelo mas predecible, 10que podria favorecer tanto a los delanteros (en la ejecuci6n de los golpeos) como a los porteros (en la predicci6n de la trayectorias), pero nada mas lejos de la realidad, y las crlticas de porteros y delanteros de varias selecciones (la propia Alemania y tambien Brasil) no tardaron en lIegar. Lo que parecfa un bal6n perfecto se habfa convertido en una dificultad para los especialistas en lanzamientos de faltas y tambien para los porteros. EI bal6n + TeamgeistTh! fue testado para todas las caracterfsticas que exige la UEFA (peso, tamano, retenci6n de agna, elasticidad, deformaci6n con el uso, etc.), dentro de las cuales no se tiene en cuenta la aerodlnamica, Observando detenidamente el comportarniento aerodinamico de un bal6n convencional (Fig. 17.40 B), es diffcil no pensar que el + Ieamgeist'" altere la aerodinamica respecto de aquel, ya que tiene muchas menos costuras y, por 10tanto, menor rugosidad, y esto puede afectar tanto a la fuerza de arrastre (vease mimero de Reynolds) como a la de sustentaci6n. Serfa recomendable que los futuros balones utilizados en campeonatos oficiales de gran trascendencia tambien fueran testados aerodinlimicamente, sobre todo porque hoy dfa se cuenta can la tecnologfa necesaria para no dejar al azar este factor.

RELACION ENTRE LA FUERZA DE ARRASTRE Y LA FUERZA DE SUSTENTACION Una vez analizados todos los factores que afectan a las fuerzas de arrastre y sustentaci6n, es necesario destacar que, en algunas situaciones que se han comentado, un aumento en la fuerza de sustentaci6n puede conlJevar tambien un aumento en la fuerza de arrastre, y viceversa. Por ejemplo, el aumento del angulo de ataque de un objeto puede aumentar el Cs (y, por 10 tanto, la fuerza de sustentaci6n), pero tambien hace que el area (S) y el coeficiente de arrastre (Cx) del objeto que interacnia can el aire sea mayor, 10 que incrementa la fuerza de arrastre. La situaci6n contraria la observamos al disminuir la densidad del aire (lanzarnientos a golpeos en zonas de mayor altitud), con 10que disminuye la fuerza de sustentaci6n y tambien la fuerza de arrastre. Se puede hablar entonces de un cociente 0 relaci6n entre ambas fuerzas, fundamental para el comportarniento del objeto, pero distinto en cada objeto y situaci6n tecnica analizada. EI rendimiento 6ptimo se consigue cuando el cociente arrastre/sustentaci6n es 6ptimo.

Figura 17.40. A. Bal6n Adidas + TeamgeisirM Berlrnutilizado en el Campeonato del Mundo de FutbolAlemania'06 (14 piezas). B. Comportamiento de la capa Irmite de aire al interactuarcon un bal6n convencional de 32 piezas Ipentagonos yexagonos).

D/NAM/CA DE FLU/DOS: EL EFECTO DEL AGUA Y DEL A/RE

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En el golf el Cx de las pelotas sin rotaci6n es mayor para una pelode la Federacion Espanola de Tenis decidio que la final se jugara en el ta lisa que para una pelota rugosa (Fig. 17.28), por 10cual, en principio, Estadio Olimpico de la Cartuja (Sevilla, a 0 m de altitud sobre el nivel serfa mejor una pelota rugosa para lograr un mayor alcance. Sin embardel mar). En primera instancia 10argumento porque la densidad del aire go, cuando esta pelota gira, el Cx puede aumentar 2-2,5 veces su valor serfa mayor en Sevilla, 10 que podria contrarrestar la potencia de saque inicial, 10cual perjudicarfa el alcance. Esta situaci6n se ve compensada de uno de los mejores jugadores del equipo estadounidense (Andy Rodpor el hecho de que el Cs al girar aumenta mas de tres veces su valor inidick), que posefa el record de velocidad del servicio en 249 krnIh; esta cial (datos para Re = 40.000 en Hubbard, 2000). Por 10tanto, para conpotencia era un parametro determinante en e1 rendimiento en tenis maseuseguir el mayor rendimiento en un swing de golf es necesaria una pelolino. Sin duda habfa otras justificaciones (polfticas, capacidad del estata bastante rugosa a la cual se Ie haga girar a altas revoluciones. Esta dio, etc.) para celebrar la final en Sevilla en vez de en Madrid, pero a situaci6n posiblemente sera distinta al realizar el swing un golfista expernosotros, desde el punto de vista de la aerodinamica, nos interesa saber to frente a un novato (menor velocidad lineal y angular de la pelota en si esta justificacion carece 0 no de sentido. el golpeo). Podriamos pensar que, al igual que la potencia de saque disminuye En la F6rmula I, e1 Cx de los autom6viles puede variar en un rango al aumentar la densidad del aire, tambien pueden verse afectados los golentre 0,7 y 1,1 (tabla 17.2) solo cambiando la posicion de los alerones pes liftados, que tendrian mayor efecto Magnus en Sevilla que en Madrid delantero y trasero (su angulo de ataque). Este cambio se produce en fun(densidades del aire de 1,20 kgm' y 1,10 kg/ml,respectivamente). Obserci6n de las caractensticas del circuito (Fig. 17.41), de manera que en un vando algunos datos sobre coeficientes aerodinamicos de arrastre y suscircuito rapido (por ejemplo, el Circuito de Monza, Italia), con pocas curtentaci6n de pelotas de tenis (Goodwill et al., 2004) a 2000 rpm, vemos vas, se buscara que el Cx sea de 0,7 para conseguir mayores velocidades que el Cx (0,65) es cuatro veces mayor que el Cs (0,15), por 10que un maximas, mientras que en un circuito lento (por ejemplo, el Circuito inteaumento de la densidad del aire (un 8% de Sevilla a Madrid) afectara rurbano de Monaco), con muchas curvas, el Cx sera de 1,1, consecuenmas ala fuerza de arrastre que ala fuerza de sustentacion, Por 10 tanto, cia de buscar una mayor fuerza de sustentacion que pegue el coche al una mayor altitud durante la competici6n en tenis aumentara la potencia suelo durante la curva, consiguiendo asf mayores velocidades medias en de saque de los jugadores, asf como las velocidades de todos sus golpes, las curvas. El resultado final es sirnulado por los ingenieros de cada escuafectando, en menor medida, a los efectos de estos golpes. Los jugadodena automovilistica, los cuales deben buscar un equilibrio perfecto arrasres deberan prestar atenci6n para no sobrepasar la linea de saque durantre/sustentacion para conseguir menores tiempos totales en cada vuelta te sus servicios y la linea de fonda durante el juego, ya que para un golpe del circuito. a 180 krnIh la disminucion de la densidad del aire en un 8% (y par 10 En los lanzarnientos de disco y jabalina tambien debe buscarse este tanto de la fuerza de arrastre) hani que la pelota se desplace hasta 30 cm equilibrio entre las fuerzas de arrastre y sustentacion haciendo que el mas lejos (Fig. 17.42). cociente entre ambas sea 6ptimo (el mayor). EI mejor cociente para el disco parece estar sabre los 30° (datos extrafdos de Bartlett, 1992) de FUERZA DE OLEAJE angulo de ataque, mientras que para la jabalina se halJa en tomo a los 35° (datos extrafdos de Hubbard, 2000). A partir de los 40° en el disco y de En ingles wave drag (Hay, 1993; Kreighbaum y Barthels, 1996) a los 45° en la jabalina, las fuerzas de arrastre son mayores que las de suswave-making resistance (Vorontsov y Rumyantsev, 2000), estas definitentaci6n y disminuye la distancia dellanzarniento. Ningtin trabajo de ciones dan una idea de su naturaleza (fuerza de arrastre de la ala a fuerinvestigacion ha tenido en cuenta ambos factores conjuntamente, ya que za para generar la ola, respectivamente) y, aunque nosotros hemos difeademas de ellos es necesario considerar que can el angulo de ataque no renciado entre fuerzas de arrastre, sustentacion y oleaje, algunos autores s610 se aumentan Cs y Cx, sino que el area frontal tambien aumenta. Otra c1asifican todas dentro de la resistencia de presion. Es una fuerza resisaplicaci6n de la importancia del equilibrio arrastre/sustentaci6n es que tiva que aparece cuando cualquier objeto se mueve en la superficie del los lanzarnientos de disco y jabalina disminuyen su distancia en altitud agua a a una pequeiia profundidad de la rnisma formando alas delante(menor densidad del aire). Observando los angulos 6ptirnos que se han ras que se elevan y se desplazan hacia adelante en busca de un nivel estacomentado, los Cs son mayores que los Cx y, por 10tanto, una bajada en ble (equilibria). Asf es como se forma la primera ala, para 10 cual parte la densidad del aire disminuira mas la fuerza de sustentacidn que la fuerde la energfa cinetica (derivada del movimiento) del nadador debe ser za de arrastre haciendo que e1 cociente entra ambas no sea maximo. Una anecdcta relacionada con la altitud de la competicion y su efecto en las fuerzas de arrastre y sustentaci6n aeontecio durante la Final de la Copa Davis'04 entre Espana y Estados Unidos, que debfa disputarse en suelo espafiol, Con motivo de la candidatura de Madrid para organizar la OIirnpiada de 2012, granparte de los organismos politicos de esta ciudad (700 m de altitud sobre el nivel del mar) querfan que se celebrase la competici6n alli para proFigura 17.41. Posicion de los alerones en un circuito lento (a) y rapido (b) de F6rmula 1./nf/uencia de estos en la fuermocionarla. Sin embargo, el presidente za de arrastreIF,.}y de sustentaci6n IFs).

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B/OMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA ACTIV/DAD Fis/CA Y EL DEPORTE D/NAM/CA DE FLU/DOS: EL EFECTO DEL AGUA Y DEL A/RE

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Distanciahorizontal en la pista (m) •••• Trayectoria en altitud

-

Trayectoria al nivel del mar

Representaci6n de la trayectoriade una pelota de tenis al nivel del mar y a 700 m de altitud !densidad del ai:e un 8% menor). 5e han tenido en cuenta las fuerzas de arrastrey sustentaci6n. 5aque desde 2,7 m de altura, veloC/dadde 1~Oknvh Y 2:000 rpm de velocidad de rotaci6nde lapelota !modificado de GoodlViII5R, Chin 58, Haake 5J.Aerodynamics of spmnmg and non-spinning tennis bal/s.J Wind EngIndAerod, 2004; 92 (11):935-958). Figura 17.42.

empleada en crear energfa potencial para elevar el agna; posteriormente el cuerpo choca continuamente contra la ola (es como si la empujase) y se genera una depresio» 0 diferencia de presiones entre la parte del cuerpo que choca con la olajmayor presion) y la parte trasera del cuerpo (menor presion). La cantid!lJi de energfa para elevar el agna y la diferencia de presiones se incrementa conforme aumenta la velocidad del nadador; es proporcional a la fuerza de oleaje (Fa) necesaria para generar la primera ola, que puede obtenerse mediante la ecuacion (Vorontsov y Rumyantsev, 2000): Fo = P . W . U) . (v . sen a)3. cos a . At donde p es la densidad del agna, A es la amplitud de la ola, L es la longitud de la ola, V es la velocidad del nadador, I1t es el tiempo y a es el angulo entre la direccion del centro de masas del nadador y la cresta de la primera ola, En la ecuacion se observa que Foes proporcional al cubo de la velocidad, mientras que la fuerza de arrastre solo es proporcional al cuadrado de la misma (las fuerzas de arrastre y de oleaje son las dos principales fuerzas resistivas en natacion), Esto significa que la contribucion relativa de F0 a la resistencia hidrodinamica total es muy importante en velocidades cercanas a la maxima y, por 10 tanto, es un factor que limita los incrementos en la velocidad de nado en tales circunstancias. Cuando se nada a bajas velocidades F 0 no es importante. AI aumentar la velocidad de nado el tamaiio de las olas aumenta formando una especie de muro de agna delante del nadador. Un rasgo distintivo de las olas generadas por el nadador es que viajan a la misma velocidad que este y que la longitud entre las crestas de dos olas consecutivas es igual ala distancia recorrida por el nadador en un segnndo. Por 10 tanto, a medida que Ia velocidad de nado aumenta, la distancia entre crestas tambien aumenta hasta que la longitud de la parte del cuerpo sumergida del nadador es ignal a Ia distancia entre ellas. Este punto es conocido como hull speed y fue introducido de la ingenierfa naval a la natacion por Millar en 1975

(citado por Vorontsov y Rumyantsev 2000). A la velocidad hull speed el nada: dor se encuentra atrapado por la depresion generada entre las dos crestas de las olas y, por mucho esfuerzo que realice, Ie resulta muy diffcil «escalar la OIID)que el mismo ha generado. Aplicado a otros deportes nauticos, el termino hull speed es muy utilizado para saber la velocidad maxima que puede alcanzar una embarcackin, 10cual tiene bastante que ver con su longitud, siempre y cuando no se aumente desmesuradamente la fuerza de arrastre viscoso (friccion entre el fluido y el objeto). Este hecho podemos comprobarlo observando la gran longitud de las embarcaciones participantes en la Copa America, cuya iiaica fuente de propulsion es el viento (Fig. 17.43 A), Y tambien en las canoas de competicion K4, donde la iinica fuente de propulsion la constituyen los competidores (Fig. 17.43 B). Una manera de simplificar la ecua-

cion anterior, muy compleja porque deben medirse las caracterfsticas de las olas, es tener en cuenta las dimensiones del nadador(o de la embarcacion) y su influenciaen el hull speed. Para ello recurrimos al mimero de Froude (Fr), que debe su nombre al ingeniero hidrodinamico y arquitecio naval ingles William Froude (18101879). EI Fr maximo esta relacionado con el hull speed del nadador. Se trata de un mimero adimensional utiIizado para valorar la resistencia de oleaje a partir de los estudios de William Froude, en los que compare la generacion de olas de diferentes objetos de diferentes tamaiios y formas. Estas olas pueden ser divergentes (generadas por la parte delantera y trasera del cuerpo, separandose de el) y convergentes 0 transversales (generadas por segmentos del euerpo, pero que no infIuyen en la direccion del nado). Para calcular el Fr solo se tienen en cuenta las olas que estan en un sector de 39° respecto al eje longitudinal del nadador; se obtiene la ecuacion; Fr=v/..[{iTJ donde v es la velocidad del nadador, g es la aceleracion de la gravedad y L es la longitud del nadador. Utilizando los conceptos anteriores serfa imposible nadar en la superficie del agna a nna velocidad mayor que la longitud del cuerpo por segundo, 10cual perjudicarfa a los nadadores de menor longitud. Esta afirmacion no ha sido corrohorada por estudios cientfficos, annque es nna opinion generalizada de los investigadores en la materia. No se ha podido demostrar cientfficamente porque el nivel tecnico del nadador infIuye en la fuerza de oleaje, ya que puede alterarse la longitud del nadador considerando la mana de este como nna prolongacion en el agua. Asf es como se justifica que la velocidad maxima teorica sea de 1,9-2,6 mls para nadadores de 1,95-2,00 m y de 1,70-2,30 mls para nadadores de 1,75-1,85 m (Vorontsov y Rumyantsev, 2000). Por 10 tanto, ia tecnica del nadador puede permitir aumentar su longitud en determinadas fases del cicio de nado, disminuyendo asf la fuerza por oleaje, 10cual sf ha sido demostrado cientfficamente (Takamoto et al., 1985). Las olas son una evidencia

Figura 17,43.

327

Longitud de las embarcaciones utilizadas en la Copa America (A) yen la competici6n K4 de canoas (B).

visible de la perdida de energia resultante de los movirnientos del cuerpo porque significan que gran cantidad de agna ha sido movida 0 desplazada durante el nado. Se ha reconocido que son determinadas partes del cuerpo, como la cabeza, los hombros 0 las nalgas, las principales generadoras de olas durante el nado debido a sus excesivos movirnientos horizontales y verticales. Estos efectos pueden minirnizarse con una mejora en Ii! tecnica de nado, afectando, por 10 tanto, a la fuerza de oleaje. Un buen ejemplo de la importancia de la fuerza de oleaje 10 encontramos en el clasico libro The Biomechanics a/Sports Techniques (Hay, 1993). Trata sobre la aparicion de una de las reglas del estilo de nado de braza en la competicion de natacion. Cuenta este autor que hasta mediados de la decada de los 50,10 mas connin era que los nadadores de braza se deslizasen por la superficie del agua; sin embargo, los grandes nadadores d;la epoca se dieron cuenta de que eran capaces de nadar mas rapido cuando se sumergfan y empezaron a hacerlo en las competiciones. Asf, en Ia final de los 200 m braza de los Juegos Olfmpicos de 1956 muchos de los mejores competidores nadaron casi toda la longitud del primer trazado de la piscina (50 m) de forma sumergida y solo volvfan ala superficie durante el segundo trazado obligados por la necesidad de respirar. Lo que estos nadadores acababan de descubrir era la gran importancia de la fuerza de oleaje. No se hizo esperar la respuesta de la Federacion Internacional de Natacion (FlNA), que cambio las reglas de la

competicion y acoto que solo se podia realizar una brazada debajo del agna, tras la cuallos nadadores debfan salir a la superficie. Segiin 10 que se ha comentado, aunque no esta demostrado cientficamente en humanos (estcisobradamente demostrado en especies de peces y embarcaciones) debido ala interferencia de la tecnica de los nadadores, los valores bajos en Fr estan asociados a una disminucion en Fo y esta repercute en gran medida en el rendirniento en nataci6n. Asf una mayor taIla del nadador podrfa disminuir Fr y Fa. Toussaint et al. (1990; citado por Vorontsov y Rumyantsev, 2000) demostraron que en nadadores jivenes que fueron valorados durante 2,5 aiios un aumento de la estatura de 1,52 a 1,69 m supuso una disminuci6n del Fr de 0,324 a 0,308 para una velocidad de nado de 1,25 mls (Tabla 175). La resistencia hidrodinamica total no vari6 entre ambas mediciones debido a que aument6 la fuerza de arrastre por un incremento en el area frontal, ala vez que disminuy61a resistencia de oleaje (expresada como Fr) gracias aI aumento de la taIla de los nadadores. Este mantenimiento de la resistencia hidrodinamica total, unido a que los nadadores eran mas adultos y, por 10 tanto, mas fuertes (mas capaces de generar fuerza y potencia propulsiva durante el nado) , provoc6 una mejora en la velocidad maxima y en los tiempos de la prueba de 100 m. Una curva tipo que relaciona la resistencia hidrodinamica total con el Fr (Fig. 17.44) ha sido descrita por diferentes autores (citados por Ven-

MOOiicado 00 Vorootsov AR. Rumy-oJ1tsev VA. ResistiIe forces in S'Ii.mrring. 81: Zatsiorsky V (coonl.). BXJmechanics in sport Malden. USA: Blac1 (modificado ?~~reigbaum E, ~arthels KM. Biomechanics: a qualitative approach for studing human movement, 3.' edlclOn. Ed. Macmillan una fuerza excentrica aI eje de giro que, Publishing Company, 1990). en este caso, son los pies. La distancia minima desde la linea de accion de la _ Fase de vuelo. Unicamente la fuerza peso acnia sabre el girnnasta; fuerza peso y el eje de giro dara lugar aI . en consecuencia, el cdg describira una trayectoria parab6lica en brazo de palanca, que ira aumentando, tal y como el desequifuncion de la maaninid del impulso mecanico aplicado en la fase librio sea mayor. En consecuencia, apareceni un momenta de fuerprevia y el mom:nto angular permanecera constante (invariable). za que resultara de multiplicar la fuerza peso del girnnasta (no _ Segunda fase de apoyo (recepcion). Comienza cuando las manos varia) par el brazo de palanca (mayor a mayor desequilibrio). Este contactan can el suelo, can 10 que, nuevamente, vuelve a aparemomenta de fuerza genera el momento angular necesario para que cer la fuerza de reacci6n generada en la interaccion manos-suelo. el girnnasta, durante la fase de vuelo, pueda girar sabre su cdg y El girnnasta se encuentra en una situacion inversa a la de la batirealizar media mortal atras, can 10 que contactara can las manos da, es decir: cuando las manes contactan can el suelo, la proen el suela.

'Jrl4

ANAL/SIS DE LASACCIONES DEPORnVAS CON TRAYECTORIAS AEREAS Y MOVIMIENTOS CON ROTACI6N

BIOMECANICA Y BASESNEUROMUSCULARES DE LA ACnVIDAD FislCA Y EL DEPORTE

c

F!gura 19.26. La~ecnicade .r~tacian-contfiJfrotacian>es mas eficiente cuando los segmentos corporales[orman90' (mstante B)(modlficado de KrelgbaumE,BarthelsKM.Biomechanics: a qualitativeapproach [or studing human movement, 3.' ed. Macmillan PublishingCompany, 1990).

yeccion vertical del cdg cae por fuera de la base de sustentacion (manos) generando un momento de fuerza con sentido contrario al generado durante la batida. Este momento de fuerza tiende a hacer girar al gimnasta en el sentido de las agujas del reloj (en el caso del ejemplo), 10 que es contrarrestado por el momento (masa por velocidad) del gimnasta, con 10 que el gimnasta vuelve a una situacidn de equilibrio cuando la proyeccion de su cdg vuelve a caer sobre la base de sustentacion, EI caso de la barra fija difiere Iigeramente del anterior porque durante las vueltas el gimnasta esta cogido con las manos ala barra (Fig. 19.30). En este aparato el eje de giro 10 representa la barra y no el cdg del gimnasta. Ademas, el agarre genera fuerza de rozamiento, de manera que el principio de conservacion del momento no se cumpie debido a que no se trata de un sistema aislado, En la posicion A el gimnasta esta en una situacion de equilibrio, puesto que la proyeccion vertical de la fuerza peso cae dentro de su base de sustentacion (zona de agarre manos-barra), 10 que es una fuerza concentrica al eje .de giro. Se trata de un equilibrio inestable porque con una pequeiia fuerza extema se pierde esa situacidn. Una vez

Figura 19.27. Un saltadorde esquI cuyo giro hagapeligrarsu aterrizajepuede pafiJf

dicho giro moviendo sus miembros superiores en el mismo sentido. EImomenta angularpermanece constante, pues la rota cion de los miembros superioresgenera una contrarrotacianen 105 esquIS(modificado de Dyson G. Mecanica def atletismo. Stadium, 1982).

Figura 19.28. Durante el paso de una valla la .pierna de recogida» genera una rotacion que debe ser compensada por una contrarrotacian en 105 miembros superiores (modificado de Dyson G. Mecanica del atletismo. Stadium, 1982).

375

Figura 19.29. FilSede apoyo y vuelo en ef flic-flac

(modificadode KreigbaumE,BarthelsKM.Biomechanics: a qualitativeapproachforstuding human movement, 3.' ed. Macmillan Publishing Company, 1990). desequilibrado, la fuerza peso se convierte en excentrica al eje de giro y aparece un brazo de palanca (distancia minima desde la linea de accion de la fuerza hasta el eje de giro) que in! aumentando hasta alcanzar su valor maximo cuando el cuerpo del gimnasta este en posicion horizontal. A partir de aqui, el brazo de palanca ira disminuyendo hasta anularse cuando vuelva a estar en posicion vertical, pero debajo de la barra. Dado que la fuerza peso del gimnasta permanece constante, el momento de fuerza (par 0 torque) variara de forma equivalente a la variacicn del brazo de palanca (momento de fuerza = fuerza peso x brazo de palauca): sera maximo en la posicion horizontal y nulo en la vertical. Este momento de fuerza genera el momento angular responsable de que el gimnasta gire.

A

Figura 19.30. Giro sobre bam fija. A y D. Situaciones de equilibrio, faproyeccian de fa fuerzapeso cae en sobre la base de sustentacian. B y C. Laproyeccian de fa fuerza peso no cae sobre fa base de sustentacian, aparece un momento de fuerza que originael giro. E y F. Situaciones inversas a B y C, el momenta de fuerza frena ef giro. Observese que en By F ef brazo de pafanca es mayor que en C y E,con 10 que el momento de fuerza tambien 10 es (modificado de Kreigbaum E,Barthefs KM.Biomechanics: a qualitativeapproach for studing human movement, 3.' edici6n. Ed.Macmillan PublishingCompany, J 990).

La fuerza peso, y por tanto el momento de fuerza, acnia a favor del movimiento en la fase de descenso y en contra en la fase de ascenso. Si no existiera rozamiento debido al agarre manos-barra y al aire (ambas son fuerza externas al gimnasta), se conservaria el momento angular y el gimnasta volverfa a la posicion de equilibrio inicial. Sin embargo, en la practica esto no ocurre y ambas fuerzas acnian en sentido contrario al movimiento, por 10 que disminuyen el momento angular, es decir, frenan al gimnasta. Por ello, si el gimnasta quiere volver a la posicion inicial, debe agruparse para disminuir su inercia angular y, en consecuencia, aumentar su velocidad angular, Este aumento en velocidad angular permitira al gimnasta lIegar a la posicion inicial. Este ejemplo de la barra fija es aplicable a los movimientos de los miembros superiores e inferiores. Por ejemplo, durante la fase de

Figura 19.31. Diferente forma de recuperar/a piema enJa fase de oscilaclan en la carrera.A. Enuna carrera de vefocidad (400 m/) el talon lIega a la pelVIS,con 10 que disminuye la inerciaangufary, por tanto, aumenta fa velocidad angular..B. En laspruebas de fondo el movimiento es mas lento, por 10 que no es necesano que ef tafan I/egue a fapelviS.

9'76

BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA ACTIVIDAD FiS/CA Y EL DEPORTE

A

Biomecanica de la natac:i6n

B

Figura 19.32. Dos manerasde realizarel recobro de un miembro superior en cral. A. Can el codo I--------------

oscilacidn (recobro) de una piema en la carrera a pie (Fig. 19.31), cuanto mas se flexione la rodilla y mas cerca pase el pie de los ghiteos, mas rapido sera el movimiento, puesto que al disminuir la inercia, la velocidad angular sera mayor. Por tanto, es normal que en las carreras de velocidad este movimiento este mas acentuado que en las de medio fondo y fondo. En natacion ocurre algo similar con el reeobro de los miembros superiores (Fig. 19.32): a mayor flexion del codo, menor inercia angular y, en consecuencia, mayor velocidad angular.

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extendido aumenta la inerciaangulary, en consecuencia, el movimiento es maslento queen B.

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5. Llana Belloch y P. Perez Soriano

Objetivos 1. Conocer las caracterfstieas propias del medio acuatico y entender por que es un medio extraiio para el ser humano 2. Conocer las leyes ffsicas que rigen las caracterfsticas de flotacicn, propulsion y resistencia hidrodinarnica en el medio acuatico de los cuerpos en general y del ser humano en particular 3. Conocer los principios biologicos que condicionan las diferencias de flotacion, propulsion y resistencia hidrodinamica en funcion de antropomema, edad, genero y raza 4. Conocer el instrumental y las metodologfas de investigacidn utilizados para el estudio de la flotacion, la propulsion.la resistencia hidrodinamica, las salidas y los virajes y para hacer un analisis cinematico de las competiciones 5. Conocer la irnportancia relativa de las fases ciclica (fase de nado) y acfclicas (salida y virajes) en el resultado fmal de las competiciones

Resumen Las actividades acudticas ell general,y la lIataciollellparticular,son actividadesftsicas que se realizan ell 1111 medio para el que el ser humano 110 estli adaptado desde WI pUllfOde vista evolutivo. POl'este motivo, se trata de WI tipo de movimiellfo ollfogelleticoy 110ftlogelletico, como la marcha 0 la carrera ell elmedio terrestre. Consecuentemente, la locomocioll ell este medio presema WIGS caracterfsticas muy particulares. Ellprimer lugar,el cuetpo humane experimenta una sitllacioll de hipogravidez hidrosuuica que Iepermite, enla mayorfa de los casos, flotar. Ell esta cOlldicion,las atticuiaciones dejall de experimenter la carga que supoue sopartar elpeso cO/paral)' elfllifo sallguinea se vefacilitado. Las fuerzas propulsivas se generan al imeracmar los segmemos corporales COlielmedio acuoso y 110 COlisuperficies solidas, po: 10 que la tecaica que se ha de emplear dijiere grandemente de la locomociOIlterrestre.A pesar de ello.la leyfUlldamelltalque e.lplica la gelleraciollde la propulsioll es la misma que ell el medio terrestre: la ley de accioll-reaccioll (tercera ley de Newum). La propulsiollpermite que el cuerpo se desplace, y es emonces cuando aparece lafuerza de resistencia hidrodillamica, que dijiculta enormememe el avance. Enla natacitm de cOll1[Jeticion,adenlaide la/ase ciclica de lIadoarriba indicada, cooranuna grail impottanda las fases adc/icas: salida y virajes. Esto es asi porque es durante estasfases cuando el nadador alcanza sus maximas velocidades de desplazamiento. POI'ello es tall impottame conocer la impottancia relativa de estasfases ellfilllcioll de la prueba de competicion, aspecto que se conoce mediante el allalisis cinemdtico de las competiciones.

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BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA AC77VIDAD FfslCA Y EL DEPORTE

INTRODUCCION

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EI recientemente fallecido James Counsilman (1921-2004), uno de los cientlficos y entrenadores mas reconocidos (sus nadadores consiguieron 47 medallas olfmpicas y 52 records del mundo), escribio en su obra postuma; «EI cuerpo bumano es en un 65% agua, sin embargo, cuando se introduce en el medio acuatico, se encuentra en un elemento extraflo para el que se esta limitadamente diseiiado y donde la Iocomocion es poco eficiente. Los peces y otros animales marinos estan equipados con aletas que son relativamente grandes en comparacion con el tamafio de su cuerpo; los bumanos tenemos unos rniembros superiores e inferiores largos y delgados que proporcionan muy poca superficie con la que interactuar con el agua» (Counsilman y Counsilman, 1994). Lamanera poco eficiente de la locomocion bumana en el medio acuatico se debe, por lin lado, a las caracterfsticas propias del agua: un fluido denso y viscoso en el que resulta diffcil aplicar fuerzas propulsivas y donde las fuerzas de resistencia hidrodinamica son muy notorias. Aun asi, aqueIlos animales que ban evolucionado en el medio acuatico, como peces 0 cetaceos, son capaces de desplazarse en este medio de forma eficiente. Por el contrario, aquellos animales que ban evolucionado en el medio terresIre, como el bombre, aun siendo capaces de desplazarse en su interior, presentan unos niveles de eficiencia muy bajos. Esto es asf por la morfologfa de unos y otros (Fig. 20.1): los animales acuaticos tienen cuerpos con forma de bnso, 10que les bace ser muy hidrodinamicos, y disponen de aletas relativamente grandes en relacion al tamaiio de su cuerpo y planas con las que generar la propulsion. Por el contrario, el ser bumano presenta una morfologfa poco bidrodinaroica y, SDS superficies propulsoras son pequefias y redondeadas. Por ello la eHciencia mecanica (trabajo/energfa gastada) del nado para el ser bumano oscila entre el 0,5 y eI7%, rnientras gue para la carrera a pie oscila entre el20 y eI30%. Para entender la Iocomccion bumana en este medio, es necesario conocer que fuerzas se ponen en juego cuando un nadador se sumerge en su interior. Lafigura 202 muestra las cuatro fuerzas que gobieman el nado del ser bumano: la jiIerza peso y el empuje hidrostatico (0 fuerza de flotacion) deterrninan la flotabilidad del nadador, rnientras que las fuerzas propulsivas y de resistencia bidrodinamica deterrninan su velocidad de nado. Por otro lado, hay situaciones en las que resulta posible apoyarse en superficies solidas para impulsarse, como la salida desde el poyete y los virajes en las paredes de las piscinas. A continuacion se presentan los aspectos mas relevantes de la BiomecaBallena azul nica de la natacion divididos, segtin las fuerzas que se ponen en juego, en la fase cfc1ica (nado propiamente dicbo) y las fases acfclicas (salidas y virajes).

*mas,

f ASE ciCLlCA: EL NADO Se entiende por «fase ciclica» el conjunto de situaciones donde el gesto tee-

BIOMECANICA DE LA NATACI6N

nico se repite de forma constante, cosa que ocurre en mucbas actividades deportivas, como correr, pedalear y nadar. EI inicio y final del cicio se puede establecer arbitrariamente, pero es recomendable utilizar un instante facilmente identificable. En el caso del nado, se suele utilizar la entrada de la mana en el agua. Ademas, como no se interacnia con ningrin movil ni adversario-ccmpaiiero, el nado se realiza en una situacion donde el exterior genera poca incertidumbre, es decir, una simacion cerrada. Por ello se dice que el nado es una actividad cfclica y cerrada. La velocidad de Dado depende de la interaccion de las cuatro fuerzas que se representan en la figura 202. A cominuacion se tratan de forma extensa.

dad del «agua salada» (dos tercios de las sales son cloruro sodico) del mar es, aproximadamente, de 1.035 kg/m', En algunos mares interiores, como el Mar Mediterraneo, la densidad es Iigeramente mayor. EI caso mas extremo es el del Mar Muerto, en la frontera entre Israel y Jordania, pues su densidad Ilega basta los 1.225 kg/m', motivo por el cual es tan facil flotar, basta el punto de que en algunas gufas turfsticas se indica que «es un mar en el que es imposible ahogarse».

Empuje hidrostatico

Figura 20.2. Fuerzas durante el nado.

FLOTACION Marco teorico La flotacion de un cuerpo en el agua depende de la componente vertical de las fuerzas que se apliquen en un instante dado. En reposo la flotacion viene deterrninada por el principio de Arqufroedes (siglo III a.C.) seg6n el cual «todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical (direccion) y ascendente (sentido) igual al peso del volumen de fluido desalojado». Dicbo empuje se denomina «empuje hidrostatico» (EJ 0 «fuerza de flotacion». Consecuentemente, cuando una persona se introduce en el medio acuatico y no realiza ningiin movirniento, su flotacion depende de su peso y del empuje hidrostatico; cuando el peso sea menor que el empuje hidrostatico, flotara, y cuando sea mayor se hundira, En este ultimo caso la iinica posibilidad de permanecer cerca de la superficie del agua depende de que el movirniento de los segmentos corporales genere fuerzas con componente vertical y sentido ascendente que igualen 0 superen la fuerza peso. Se babla entonces de «flotacicn activa».

En las ecuaciones [1] y [2] se muestra como, siendo la gravedad (g) y el volumen del cuerpo sumergido (v,""po) y del agua desalojada (vaguo) iguales, 10que deterrnina la flotacion de un cuerpo es la relacion de densidades. Aquellos cuerpos que tengan densidades superiores al agua se hundiran, rnientras que los que tengan densidades inferiores flotaran. [1] [2]

P= ID""rpa g = vcuerpa Pcuerpa g En consecuencia:

g=g Pa"oua ¢ Pcuerpa La densidad del agua puede variar en funcion de dos aspectos: la temperatura y la osmolaridad: . 1. La temperatura. La figura 20J muestra como la relacion densidad/temperatura para el agua destilada es una «jota invertida», de manera que a 4°C alcanza la densidad maxima de 1.000 kg/mJ y disminuye basta unos 920 kg/m' a los 0 °C Y basta los 958,3 kg/mJ a los 100°C. A la temperatura oficial de competicion, 26°C, la densidad del agua es de unos 987 kg/mJ. 2. La osmolaridad hace referencia a la cantidad de solutos disueltos en el agua: a mas solutos, mas densidad; por ello es mas facil flotar en el mar que en un lago, pues, como valor medio, la densi-

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Figura 20.1. A. Morfologfade peces-cetJceos {modificadode McMahon TA,Bonner]I Tamano y vida. BibliotecaScientific American. Labor, 1986} y (B) morfologfa delser humano ..

Figura 20.3. Relaci6n densidadltemperatura {aguadestilada}.

379

Otros aspectos, como la cantidad de gases disueltos en su interior, tambien pueden afectar a la densidad del agua, pero en cantidades tan pequeiias que, a efectos practices, puede despreciarse. En el caso de la densidad del cuerpo bumano la situacion es algo mas compleja debido a que no tiene una densidad homogenea, sino que existen diferencias importantes entre los diferentes tejidos biolcgicos que 10forman (Clauser et al., 1969): el mas denso es el tejido oseo, con valores entre 1.400 kg/m' (hueso trabecular 0 esponjoso) y 1.800 kg/mJ (hueso cortical 0 compacto); tejidos como el muscular, el tendinoso y el ligamentoso poseen densidades ligeramente superiores a las del agua, de 1.020-1.050 kg/mJ; el iinico tejido menos denso que el agua es el adiposo, con una densidad de 940-950 kg/m'. Estes son valores medios, que pueden variar ligeramente en funcion de la edad, el genero y el estado fisiologico del individuo. Por citar dos ejemplos, pacientes con osteoporosis presentan niveles de densidad osea notablemente disminuidos, rnientras que en el caso de un maratoniano antes de correr la maraton tendra los nnisculos de sus piemas repletos de glucogeno, rnientras que tras la carrera estas reservas estaran agotadas, motivo por el que la densidad de los nnisculos de las piemas es superior antes que despues de la carrera. Segiin 10 arriba indicado, el ser humano deberfa hundirse siempre. /,Por que no ocurre esto? La respuesta hay que buscarla en el aire ubicado en los pulmones y las vias respiratorias, puesto que la densidad del aire es unas 800 veces menor que la del agua, es decir, aproxiroadamente 1). kg/mJ a 20°C. De esta manera, los pulmones acuian como flotadores, pues durante la inspiracion se introducen 4-5litros de aire, que aumentan el volumen del cuerpo con un aumento de peso de tan solo 0,047-0,058 N 00 que equivale a 0,0048-0,006 kg de masa). Por 10 tanto, la babilidad del ser bumano para flotar (flotacion pasiva) depende en gran medida de su habilidad para expandir su caja toracica al inspirar. Asf, para un grupo de 120 estudiantes de nuestra faeultad, todos de raza blanca, e1100% flotaron en la condicion de inspiracion maxima, rnientras que tras una espiracion maxima se bundieron e190% de los varones y el60% de las mujeres. Ademas de estas diferencias entre individuos, la habilidad flotatoria dependiente del volumen pulmonar difiere entre las razas blanca y negra, puesto que la capacidad vital (volumen total de aire movilizado desde una inspiracion maxima basta una espiracion maxima) es alrededor de 0,61 mayor en los individuos de raza blanca frente a los de raza negra (Ghesquiere, 1975). La simacion de bipogravidez hidrostatica que se experimenta en el agua supone una gran descarga, tanto para la musculatura como para las articulaciones del cuerpo. En efecto, la existencia de la fuerza de la gravedad bace que fuera del agua la musculatura tenga que estar permanentemente actuando para mantener la posicion del cuerpo y esta tension, junto con el propio peso de los segmentos corporales, se transrnite de unos segmentos a otros a traves de las articulaciones. Esto ha~e qu~ con el paso del tiempo algunos rmisculos, especialmente los antigravitato-

380'" BIOMECANICA

BIOMECANICA DE L4 NATACION

Y BASES NEUROMUSCUL4RES DE L4 ACTIVIDAD FislCA Y EL DEPORTE

rios, se vuelvan hipertonicos y las articulaciones sufran problemas de desgaste y A B sobrecarga. En el medio acuatico la aparente perdida de peso hace que la accion de los miisculos antigravitatorios para c o mantener la postura no sea necesaria y que la sobrecarga articular se reduzca considerablemente, especialmente en la columna vertebral (Fig. 20.4). Este es el motivo fundamental por el que se recomienda la actividad ffsica en el medio acuatico para aqueUas personas con problemas articulares, especialmente de columna vertebral. En aqueUas situaciones en las que el nivel del agua no cubre por completo el cuerpo, tambien se experimenta cierto nivel de hipogravidez hidrostatica, En Ia tabla 20.1 se muestra el «peso hidrostatico» (peso de un cuerpo inmerso en el Figura 20.4. A. Personade edad avanzada. B. loven. c. 1: Compresion del disco intervertebralen el medio terrestrey agua) en funcion del nivel del agua. Este 2: descompresion en el medio acuatico. aspecto tenma una gran relevancia en las actividades denominadas genericamente «gimnasias acuaticas», por ejemplo, para grupos de poblacion con par torsor) que obliga al cuerpo a girar hasta que las lineas de accion de osteoporosis a los que se les prescribe ejercicio ffsico pero evitando los las dos fuerzas mencionadas sean coincidentes, cosa que ocurre cuando grandes impactos. el cuerpo queda en posicion vertical y, siempre, con el centro de graveOtro aspecto importante en relacion ala habilidad para flotar del ser dad por debajo del centro de flotacion (Fig. 205). Esta simacion final se humano es el hecho de que las fuelY.s peso y enJjluje hidrosllitico, no se denomina de «superequilibrio 0 equilibrio superestable», pues tras apliaplican en el mismo punto. Esto es asi porque la densidad del agua es carle fuerzas extemas que perturben esa simacion el cuerpo siempre volhomogenea, mientras que la del cuerpo humano, como se ha indicado ~ vera a esa condicion. arriba, no 10 es. De esta manera, el peso se aplica en el centro de graveEn el caso de individuos amputados de los miembros inferiores la dad del individuo, generalmente en la zona lumbar-pelvica, mientras que situacion es diferente, pues los puntos de aplicacion de las fuerzas peso el empuje hidrostatico se aplica en el centro de gravedad del volumen de y empuje hidrostatico tienden a estar muy proximos, motivo por el que agua desalojada (centro volumetrico), generaImente en la zona caudal resulta posible flotar en una posicion horizontal. Algo parecido ocurre del torax, La ubicacion de estos dos puntos puede variar dependIendo de con individuos que presentan paralisis de sus miembras inferiores, pues dos factores: por un lado, la posicion de los segmentos corporales y, por la cantidad y densidad de tejido oseo estanreducidas al minimo. La habiotro, la fase de inspiracion-espiracion en la que se encuentre el indiviIidad para la flotacion pasiva tambien difiere segiin genera, edad y raza: duo. Si los centros de gravedad del individuo y del volumen de agua 1. Flotacion segiin el genera. El potcentaje de tejido adiposo en desalojado no coinciden, un cuerpo en la superficie del agua en posicion mujeres es, como valor medio, mayor al de los hombres. Asi, entre horizontal se ve sometido a un momento torsor (momento de fuerzas 0 los 20 y los 39 aiios de edad los hombres tienen un 8-20% de

381

tejido adipose, [rente al21- 33% Empuje hidrostatico de las mujeres (Willmore y Costill, 2004). Esto hace que la flotaA cion de las mujeres sea superior a la de los hombres. Pero, ademas, la localizacion anaiomica del tejido adiposo difiere de un genera a Empuje hidrostatico otro: las mujeres suelen acumular mas grasa en la zona pelvica, mientras que los hombres suelen acumularla en la zona abdominal. Esto hace que la distancia entre los centros de flotacion y de gravedad sea menor en las mujeres y, por 10 tanto, tambien el valor del par torsor. En consecuencia, mantener la posicion horizontal en el agua requiere un menor gasto energetico en las mujeres que en los hombres. Como se muestra en d=o la figura 20.6, el valor del momen• to torsor oscila entre 5 y 15 Nm Figura 20.5. EImomento de {uerzasgenerado por el peso y el empuje hidrostatico (A y BJ es la causa de que el cuerpara las mujeres y entre 10 y po gire hasta la posicion de equilibrio (0 (modificado de KreighbaumEK,BarthelsKM. Biomechanics. A qualitative approach (orstudying human movement. McMillan, 1990). 20 Nm para los hombres (Di Prampera, 1990). 2. Flotacicn segun la edad. Hasta la pubertad no existen diferenA cias importantes de flotacion entre chicos y chicas. Sin embargo, a partir de este periodo la habilidad para flotar evoluciona deJonna diferente. En el caso de los chicos, la maxima flotabilidad se da a los 10-13 aiios debido al aciimulo de tejido adiposo prepuberal. A partir de esta edad los cambios hormonales hacen disminuir el porcentaje de tejido adiposo y aumentar el tejido muscular, con 10 que la flotacion disminuye de forma notable. En las chicas ocurre 10 contrario, es decir, los cambios hormonales ocasionados por la pubertad aumentan los depositos de B tejido adiposo, por 10 que su flotabilidad aumenta a partir de los 12 aiios. 3. Flotacion segiin la raza. Resulta curioso que en la carrera a pie los atletas de raza negra dominen las pruebas desde los 100 m hasta la maraton y, sin embargo, en natacion la presencia de nada_ 1,0 dores de raza negra en las finales sea casi testimonial. Uno de los ~ motivos de que esto sea asf es el hecho de su menor nivel de f10;2 tabilidad. Los primeros estudios sobre el tema (Lane y Mitchem, 0,5 1964) en una mllt'!stra de estudiantes americanOs indiCanqlIe el 67,3% de los estudiantes de raza negra no flotabaa en inspiracion maxima, frente a tan solo un 8,7% de los de raza blanca. i.,Aque es debida esta diferencia de flotaeion? Ghesquiere y Kavonen (1971) justifican la menor flotabilidad debido al menor porcen30 10 20 taje de tejido adiposo, la mayor densidad osea y, sobre todo, su Momento de torsi6n (Nm) menor capacidad pulmonar (Tabla 20.2). Otro aspecto de interes que diferencia el medio acuatico del terrestre es el del aumento de la presion hidrostatica que se experimenta al introducirse en el agua. La presion hidrostatica esta directamente relacionada con la densidad del fluido y el agua es unas 800 veces mas densa que el aire. Esto hace que cada 10 m de profundidad la pre-

Figura 20.6. A. Esquema de como se mide el momento torsoren elser humano. B. Griificade coste eneTg€ticopor m2 de supemcie corporalen {unciondel momen-

to torsorpara el estilo crol en mujeres (cfrculo azul) y hombres (cfrculo rojo) de nivel medio (modificado de Di Prampero.Losmecanismos eneTg€ticosde la natacion. Sport & Medicina, 1990).

\

-982

BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA ACTIVIDAD FislCA Y EL DEPORTE

Tabla 20.2. Cal?!lcI~a~~-vita~pi!abJan~cosfrente a negros segli,n ; ,,~~~~, ~Ghes!lUlere,y).B. Entrada'plana>.

Como se puede observar en la figura 20.51, con antelacion al apoyo de los pies el agua arrastrada por el nadador choca con la pared aplicando una fuerza cuyo pico representa hasta e120% de la fuerza total que aplicara el nadador en la pared. Tras este pico inicial aparece una pequefia succidn que genera una fuerza negativa de aproximadamente un 5% e, inmediatamente, se produce en apoyo con los pies. Tras el impulso, vuelve a aparece una succion de valor similar a la anteriormente citada. Estos efectos del agua arrastrada-succionada deben tenerse en cuenta a la hora de bacer calculos, pues de 10contrario se produce una subestimacion tanto del impulso mecanico aplicado como de los valores maximos de fuerza (Blansky et al., 2005).

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Fase de deslizamiento Abarca desde el final de la fase previa basta que el nadador empieza a generar fuerza propulsiva moviendo sus segmentos corporales. Debe realizarse en posicion de minima resistencia y su duracion es mayor que en la salida, puesto que los nadadores, al impulsarse paralelos a la superficie, no se hunden tanto. Su duracion oscila entre 0,15 y 0,80 segundos. . AI ignal que ocurria con las salidas, siguen las fases de propulsion subacuatica y la de emersion 0 transicion a la superficie, que no se tratan aquf.

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Tiempo(5) 1. Efectode la ola 2. Succiongenerada por el volteo 3. Contactocon la pared 4. Picode fuerza 5. Abandonode la pared Figura 20.51. Grafica fuerzaitiempo para el apoyo en la pared durante un viraj~ (modificado de Blansky B, Skender S, ElliotB, McElroy K, Landers G.An analYSIS

of the backstroke turn by age-group s\Vimmers. Sports Biomechanics, 2005; 3).

4..08

BIOMECANICA

mUDIO

Y BASES NEUROMUSCULARES

DE LA ACTIVIDAD

DE lAS SALIDAS Y LOS VIRAJES

EI estudio biomecanico de salidas y virajes se centra tanto en variables cineticas como cinematicas,

Estudio de las variables cineticas

Ffs/CA Y EL DEPORTE

sobre todo, en la decada de los 80, se empezo a estandarizar el analisis cinematico de la competicion, es decir, el estudio de los tiempos parciales, las velocidades de nado y las longitudes y frecuencias de cicIo. Ya en 1957 King realizd estudios cinematicos de los virajes y establecio 5 m como la distancia que hay que tener en cuenta para analizar la eficiencia de esta acci6n tecnica. En 1968 Winter utilize 10 m como distancia de salida y en 1971 East introdujo la longitud y la frecuencia de cicio como parsmenos que hay que considerar en este tipo de anilisis. Sin embargo no fue hasta 1983 cuando se sentaron las fases de la actual metodologfa de analisis, En este ano Hay establecio el modelo de rendimiento segiin el cual e1 tiempo conseguido por un nadador en competicion es:

Pretende conocer las fuerzas y presiones aplicadas por los pies de los nadadores contra la plataforma de salida 0 la pared. Hasta la fecha poco se sabe sobre las presiones aplicadas en los pies, pues ningun estudio ha utilizado plataformas 0 plantillas instrumentadas para tal efecto. En su Iugar, todos los estudios han utilizado plataformas que registran las fuerzas (Fig. 2052). Este tipo de estudios presentan dos inconvenientes: el primero es que las plataformas deben ser resistentes al agua, 10que encarece el producto, ademas de existir poca variedad en el mercado; el segundo es su instalacion, especialmente en el caso de los virajes, pues no existen sistemas de anclaje en el mercado y hay que fabricarlos ex profeso.

Absaliamov y Timakovoy (1990) denominaron «analisis de la actividad competitiva» a su estudio sobre los JJ.oO. de Moscu-80 estableciendo unas distancias que han sido la base de las actualmente utilizadas (la referencia anatdmica para las distancias es la cabeza).

Estudio de las variables cinematicas

DISTANCIA DE SALIDA

Esta encaminado a conocer las posiciones, los tiempos, las velocidades y las aceleraciones, tanto del centro de gravedad del nadador como de sus segmentos corporales. En estos estudios se utilizan tecnicas de fotogrametrfa, donde se utilizan camaras de video para registrar losrnovimientos. Con antelacion ala grabaci6n de las salidas es necesario colocar un sistema de referencia de dimensiones conocidas (Fig. 2052). Es la misma metodologfa que la utilizada en los deportes terrestres, por 10 que nosetr~taaqufcon mas.qetalle~ i~::"i

A NALISIS CINEfAATICO DE LA COMPETICION En la nataci6n de competici6n el objetivo ultimo de cualquier nadador es emplear el menor tiempo posible en la prueba en la que compite. En este resultado influyen factores de canicter psicologico, fisiologico y biomecanico. De la interacci6n de estos tres factores depende el rendimiento de los nadadores. Por tanto, el estudio del rendimiento del nadador se puede abarcar analizando aisladamente cada uno de estos factores, pero al final es la interaccidn entre ellos 10 que determinara el rendimiento en competicion. Por elIo, ya desde la decada de los 70 y,

Tiempo total = T. de salida + T. de nado + T. de viraje + T. de llegada

Analizaron la distancia que empleaban los nadadores de crol en realizar su primera brazada tras la salida y observaron que la mayona de ellos (92%) la realizaban entre los 7 y los 10 m, por 10que establecieron 10 m como la distancia objeto de analisis. Sin embargo, en la actualidad la distancia de nado subacuatico tras la salida ha aumentado considerablemente por el uso del movimiento ondulatorio subacuaieo, Por ello a principios de la decada de los 90 la FINA establecio15 m como distancia maxima de nado . subacuatico en competicioay, dado que fa mayorfa de nadadores actuales tienden a aprovechar al maximo este limite reglamentario, la comunidad cientffica ha pasado a utilizar 15 m como distancia de salida. EI tiempo empleado en completar dicha distancia (desde que eljuez da la salida hasta que la cabeza pasa por los 15 m) es el tiempo de salida y la velocidad media en completar los 15 m sera la velocidad de salida. En algunos informes se incluyen «tiempos parciales» de la salida,utilizando 5 y 10 m para ello.

...:B;::;fO:::.:M;.:;E:..:c::.A::..:N~fC::.A:..::;.:DELA NATACION 409

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subacuatico tras los virajes). Los tiempos empleados en cubrirestas distancias son el tiempo de aproximacion, desde que la cabeza corta con la linea de referencia hasta que cualquier parte del cuerpo contacta con la pared, y distancia de separacion, desde el final de la fase anterior hasta que la cabeza vuelve a pasar por la linea de referencia. Las velocidades se denominaran «velocidad de aproximacion y de separacien», respectivamente.

Salida 15m

Nado 2,5 m 6 27,S m

Viraje 7,5m

DISTANCIA DE LLEGADA Para determinar esta distancia analizaron los cambios en longitud y frecuencia de cicio cada 5 m en los iiltimos 50 m y observaron que en los iiltimos 10 m era cuando se producian los cambios mas evidentes. Por ello establecieron como distancia de llegada 10 m a partir del corte de la cabeza con la !fnea de referencia. Sin embargo, en la actualidad algunos investigadores prefieren utilizar la distancia de 5 m. Ademas, dado que el contacto con la pared se realiza con los dedos de I.amana y no con la cabeza, algunos investigadores colocan la referencia de 5 m antes de la pared, pero detienen el eronometro a 0,5 m de esta en un intento de eliminar el error que se introduce debido a que son los dedos de la mana los que detienen el tiempo al contactar con la pared, mientras que es la cabeza la referencia anat6mica utilizada en estos estudios. Sin embarso esto introduce otro error, pues no todos los nadadores tienen la misma lonaitud del miembro superior y, ademas, esta suele estar entre 0,75 y o 85 m en los nadadores de elite. EI tiempo empleado en completar la distancia de Ilezada es eJ tiempo de IIegada, y, Ja veJocidad, es la velocidad de llegad~. Nuevamente, algunos investigadores utilizan dos ~istancias de llezada; distancia de llegada 1 para el segmento comprendido entre 10 y 5~ de la pared y distancia de llegada 2 para los tiltimos 5 m. DISTANCIA DE NACO Esta distancia surge al «eliminar» las distancias anteriores, por 10 que es diferente segiin se trate de una piscina de 25 0 de 50 m

Nado lOm635m

Viraje 7,5m

Nado 7,5 m 632,5 m

Uegada 10m

--+i

Figura 20,53, Distanciasestandarizadaspara ha~er~tudios cinema!ic~sde laeompetiei6n. Enef easo del ,nado" fa cifrade la IzqU/erdaes parapisemas de 25 m y fa de fa derecha parapiscinas de 50 m.

(Fig. 20.53). En esta distancia se realiza la fase ciclica del nado, de manera que la velocidad media alcanzada por Jos nadadores depended de las longitudes y frecuencias de cicIo de estes: v=Lc·Fc donde v es la velocidad (mis), Lc la longitud de cicio (oincide con la brazada en mariposa y braza, mientras que en c~ol y espalda un cicl? in~l~ye dos brazadas [m]) y Fe la frecuencia de CIcio. Para su determinacion se suelen utilizar tres ciclos, es decir, tres brazadas en mariposa y braza, y seis brazadas en crol y espalda (hz = S·I). La velocidad de nado y la frecuencia de cicio son faciles de medir directamente, espacio/tiempo y ciclos/tiempo, respectivamente. Sin embargo, la longitud solo se puede- medir directamente si se dispone de tecnicas de fotogrametria. Como esto no suele ser co-

DISTANCIA DE VIRAJE

Del mismo modo que con la salida, observaron que tras el viraje la mayor parte de nadadores realizaban la primera brazada entre 4 y 7~ m de la pared. Por ello establecieron 7~ m como distancia de separacion tras el viraje. Para PC conectado Sistema a la plataforrria simplificar y facilitar los analisis decidiede referenda ron utilizar la misma distancia como distancia de aproximacion. De esta manera, la distancia de viraje esde 15 m: 7~ m de aproximacien y 7,5 m de separacion, En la actualidad se siguen utilizando estas distancias, pero algunos investigadores han utilizado distancias inferiores en la aproximacion, 4 0 5 m, debido a que la fase cfclica del nado no finaliza hasta esta distancia de Ia pared. Asimismo, tambien se han utilizado distancias mayores en la separacion, 10 m, debido ala prolferacion en la utilizacion del nado ondulatoFigura 20.52. A. Disposiei6n del instrumentalpara un an;ilisiscinetico y cinematieo de lassalidas. B, Detallede laplario subacuatico (el reglamento tambien taformaanclada alpoyete. limita a 15 m la distancia maxima de nado

0,00

..... ......

Mariposa Espalda -i>- Braze ...... Crel

0,00 VSalida

V 1"25

2,51

1,90

2,27

1,81

V2"25

VVir.

V3".25

1,87

1,93

1,80

1,71

1,66

1,79

2,00

1,70

1,65

1,59

VSalida

V4" 25 VUegldaSm

2,17

1,61

1,59

1,71

1,52

1,48

1,46

2,53

2,10

.2,02

2,09

1,94

1,85

1,81

...... ...... -0.___

Mariposa Espalda Braza Crel

vv«

V3"25

1,70

1,71

1,65

1,55

1,48

1,61

1,74

1,55

1,52

1,46

1,51

1,47

1,49

1,39

1,35

1,30

1,83

1,79

1,89

1,73

1,66

1,60

V 1"25

V2"25

2,20

1,74

1,93

1,64

1,86

i,25

Figura 20,54, Vefocidadesparciales medias para los euatro estilos en la distancia de 100 m en 10511.00. de Sydney-2000.

V 4" 25 VU",dlSm

_Ai 0

BIOMECANICA DE LA NATACI6N

BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA ACnVIDAD FislCA Y EL DEPORTE

411

Longitud del cicio

Frecuencia del cicio

2,50

2,00

1,50

1,00

0,50

0,00

Mariposa

Espalda

l1li FC 1° 50

l1li FC2° 50

Braza

Crol

Mariposa

D FC (media)

Espalda

l1li FC 1° 50

Braza

III FC2° 50

Cral

2'

D FC (media)

Figura 20.55. Frecuenciasde cicio para mujeres (8) y hombres (A) para los cuatro estilos en la distancia de 100 m en los 11.00.de Sydney-2000.

rmin, 10 que se hace es calcular su valor a partir de los anteriores: Lc =v/Fc. En el caso de la frecuencia, la unidad del sistema intemacional es el hertzio (Hz),que se debe utilizar en las operaciones anteriores; sin embargo, los entrenadores estan mas acostumbrados aI parametro ciclos/minut~. Para convertir los hertzios en ciclos/min basta con multiplicar los hertZIOS por 60. ,~:;_...: A continuacion se presentan, a modo de ejemplo, los valores medios de los finalistas de los Juegos de Sydney-2000 de una prueba de velo~idad, 100 para los cuatro estilos, y otra de medio fondo, los 400 m libres. En el caso de los 100 m la figura 20.54 muestra la distribuci6n de velocidades en la salida, nado (ida), viraje, nado (vuelta) y llegada, para los cuatro estilos y ambos generos, Se puede observar un patron connin en los cuatro estilos en ambos generos; se a1canzan las velocidades parciales mas a1tas en el estilo crol y las mas bajas en el estilo braza. Ademas, las velocidades mas a1tas se a1canzan tras la salida y los virajes en todos los casos, 10 que indica la gran importancia que tiene reaJizar correct~~nte estas fases. T~bien se observa la gran importancia que tiene el viraje en el caso del estilo espalda, pues si bien las velocidades de salida, nado y Ilegada son inferiores a las del estilo mariposa, en el viraje supera a este estilo. Respecto a las longitudes y frecuencias de cicio, la figura 2055 indica como las frecuencias para los cuatro estilos son similares en hombres y mujeres. Sin embargo, la longitud de cicio esta entre 0,18 m (braza) y 0,3 m (crol), mayor en los hombres que en las mujeres. . En el ~aso de los 400 m, I~ figura 2056 vuelve a mostrar un patron bien definido donde las velocidades mas a1tas de nado se a1canzan tras la salida, son a1go menores tras los virajes y menores aiin durante la fase ~iclica de ?ado. ~in em~argo, dado el gran mimero de virajes (siete), la Importanc:a :elauva de esto~ es muy superior a la de la salida. Respecto ala fase cfclica de nado (FIg. 20.57), se observa como las frecuencias son alrededor.de un 13% mayores en mujeres que en hombres, 0,81 Hz frente a 0,69 Hz, pero las longitudes de cicio son un 23% mayores en los hombres: 2,5 frente a 1,92 m.

T S" SOm SOm SOm SOm SOm' SOm SOm SOm Media 1'"

Evolucion de la velocidad

3'"

4'

l1li Masculino

5'

6'

1,0

0,5

--

Masculino

--

Femenino

Figura 20.56. Velocidadesparcialesmedias para la prueba de 400 ml en los }f.00.

de Sydney-2000. Con estos analisis se puede llegar a las siguientes conclusiones generales: a) En relacion a la distancia:

- La importancia de la salida y la llegada disminuye aI aumentar la distancia. - La importancia de los virajes aumenta al aumentar la distancia. - En relacion al tiempo total, el tiempo de nado decrece al aumentar la distancia. - La frecuencia de cicio disminuye aI aumentar la distancia.

l1li Femenino

Figura 20.57. Frecuencias(A) y longitudes (8) del cicio para mujeres y hombres en la prueba de 400 m en losJj.oO. de Sydney-2000.

- La longitud de cicio aumenta aI aumentar la distancia hasta los 400 m; a partir de aqui se estabiliza.

aI genero: - Las variables tiempo total, tiempo de salida, tiempo de viraje, tiempo de nado y tiempo de llegada son mayores en mujeres que en hombres (0, 10 que es 10 mismo, las velocidades parciales y total son mayores en hombres que en mujeres), - Las frecuencias de cicio son similares, 50,100 Y200 m, pero aI aumentar la distancia son mayores en las mujeres. - Las longitudes de cicio son mayores en los hombres en todas las distancias.

1,5

l1li Masculino

l1li Femenino

b) En relacion 2,0

1'" 2' 3'" 4' 5' 6' T S' SOm SOm SOm SOm SOm SOm SOm SOm Media

c) En relacion aI estilo: - EI estilo que menores tiempos parciales y tiempo total presenta (mayores velocidades) es el crol y braza el que mayores tiempos presenta. - Mariposa presenta menores tiempos parciales y total (mayores velocidades) que espalda, excepto en los virajes, donde se invierte esta tendencia. - Las frecuencias mas a1tas se dan en el estilo mariposa y las mas bajas en espalda (y en la prueba de 200 m braza). - Respecto ala longitud del cicio, en los 100 m las mayores longitudes se dan en crol y espalda y son bastante menores en mariposa y, sobre todo, en braza. En 200 m suelen ser mayores en espalda, seguidas con pocas diferencias, de los estilos crol y braza; mariposa constituye el estilo que, con diferencia, presenta menores longitudes de cicio.

METODOLOGiA DEANiu.ISIS EI fundamento de este tipo de analisis consiste en colocar referencias en las distancias parciales estandarizadas y aI investigador perpendicular aI eje longitudinal de la piscina y aJineado con las referencias. A partir de aqui los datos se pueden tomar de dos maneras:

a) Observacion directa. Es el metodo utilizado por los entrenadores. Consiste en tomar los tiempos mediante un cronometro manual. En el caso del calculo de frecuencias existen los denominados «relojes de frecuencias», que proporcionan este dato de forma directa. b) Registros mediante camaras de video. Constituyen el meiodo utilizado por los investigadores, Consiste en colocar camaras de video perpendiculares a las referencias, sincronizadas mediante un «evento connin», por ejemplo unflash de Iuz en el instante de la salida. Hasta hace pocos anos se grabada en cintas de video que luego eran anaJizadas individuaJrnente, pero se trataba de un trabajo lento y laborioso. En la actualidad se tiende a utilizar camaras digitales conectadas a un PC que gestiona toda la informacion e, incJnso, en los ultimos aiios se estan utilizando sofisticadas tecnicas de digitalizacidn automatica. Esto facilita y acelera considerablemente el trabajo, ademas de liberar aI investigador, quien «tan solo» ha de estar controlando que el programa funcione correctamente.

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Manifestation de las fuerzas aerodinamic:as en diferentes deportes: ciclismo y atletismo J. Garcfa L6pez

Objetivos 1. Identificar las fuerzas aerodinamicas en el marco de las fuerzas resistivas en ciclismo 2. Conoeer la influencia de la fuerza de arrastre en las pruebas ciclistas de ruta: pruebas de contrarreloj, pruebas llanas que se realizan en grupo y pruebas con puertos de montaaa 3. Justificar la altitud optima para competir en diferentes pruebas ciclistas en funcidn de la combinacion de factores biomecanicos y fisiologicos 4. Conoeer el efecto de distintas posieiones de los ciclistas en la bicicleta en el area frontal 5. Ser entices con los verdaderos efectos en la fuerza de arrastre de la utilizacion de diferentes indumentarias y el casco 6. Identificar las partes de la bicicleta (cuadro, ruedas y manillar) que pueden minimizar la fuerza de arrastre y mejorar el rendimiento de los ciclistas 7. Conocer la importancia de «ir a rueda» 0 drafting en ciclismo, natacion y atletismo, asl como los factores que condicionan los beneficios obtenidos con el draftillg 8. Saber el efecto que tiene la fuerza de arrastre en las carreras de fondo y de velocidad 9. Cuantificar el efecto de la velocidad del viento y la densidad del aire en las pruebas atleticas de fondo y de velocidad 10. Ser entices con los verdaderos efectos en la fuerza de arrastre de la utilizacion de diferentes indumentarias utilizadas por los atletas II. Justificar en que modalidades de saltos atleticos Iiifuerza de arrastre tiene un papel irnportante y conocer las estrategias que pueden minimizarla 12. Justifiear en que modalidades de lanzarnientos atleticos las fuerzas aerodinamicas tienen UD papel irnportante y conoeer las estrategias para manipularlas 13. Conocer los factores estructurales y biomecanicos que afectan al vuelo de los irnplementos utilizados en pruebas de lanzarnientos atleticos

Resumen Se analizan lasfuerzas aerodinomicas que illjluyen en el rendimiemo del cielismo y del atletismo. Lafuerza de arrasIre consume mas del 90% de la potencia en laspmebas de contrarreloj, dismillleyeesta hasta ell 1111 70% en el centro del peloton yes menor del 10% en subidas. Cuando se illlema batir el record de la hora, la altifledoptimapara competir es de 2500 Ill. La geometr[a del cuadro de la bicieleta, el tipo de tuedas y elmanillar pueden condicionar el rendimiemo ell este deporte. Noe~tt1claro que los cascosy algunas vesimentas dismilllo'aniafieerza de arrastre;solo cubrir las zapatillas del cielista hademoslrado ser efectivo. Ir a rueda (drafting) de otm competidor dismilllo'e lapotencia para desplazarse ell ciclismo (30%), nalaciOIl(20%) y atletismo (8%). Ell eielismo la distallcia entre las tuedas de los eorredores, el tuunerode corredores que eonfonnall el grupo y laposicion del corredor denno delmismo pueden disminuir la potencia 1111 70%. Ennataeionla mejor posiciOIl(20%) es irjusto delras del primer competidor, aunque nadar en parale/o (1 m de separaeioll horizomo! y vertical) tambihl es beneicioso (8%). Ell las carreras defondo (linicas dOlldese hace drafting) dismimcyeel gasto ellergeticoun3-6%. Lafuerza de arrastrees importallle ell lasptuebas de cartera (8% de la enetgia para la velocidad )'4-5% para la de fOlldo)' lafilerza de sustemacioll ell los lallzallliellfosde disco)' jabalilla. Una dislllillliciollenla densidad del aire)' el I'iellloafavor illjllcyellpositivameme ell las carreras de I'elocidody el salta de longitud; sus eJectosSOildudosos ell triple salta)' saito COilpertiga)' perjudiciales ell carretas defOlldo; es necesatio conocer lIlejorsus eJectosell las ptuebas de lallzamiellto.Ell ellallzamiemo de martiI/o,2-4m de la distallciacOllseguidadepelldellde lafilena de arrastre.

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BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA ACnVIDAD FislCA Y EL DEPORTE

INTRODUCCION El presente capftulo aborda las fuerzas aerodinarnicas que afectan al rendirniento en el ciclismo y el atletismo, asf como a las diferentes disci' plinas que conforman estos deportes: pmebas de ruta, contrarreloj y de pista en ciclismo; carreras, saltos y lanzamientos en atletismo. Se han utilizado diferentes estudios cientfficos que cuantifican el efecto de las fuerzas aerodinamicas en estos deportes que ilustran con acontecirnientos historicos el hecho de que verdaderamente puede optimizarse el rendirniento en estas disciplinas conociendo los factores que afectan ala aerodinamica, La velocidad del viento, la densidad del aire, la posicion en diferentes tipos de bicicletas, las caracterfsticas de las ruedas, el uso de casco y la indumentaria, etc. son factores que afectan a la fuerza de arrastre en ciclismo, siendo esta la principal fuerza que se opone al avance de los ciclistas. El viento a favor y la disminucion en la densidad del aire benefician a los atletas que compiten en pruebas de velocidad, cuantificandose el efecto que tienen estos factores en el resultado 0 marca deportiva. Otros factores, como la indumentaria utilizada por los atletas de estas disciplinas, tambien son analizados y discutidos. En general, ir detras de otro competidor resulta beneficioso para los ciclistas, nadadores y atletas. Se analizan las disciplinas donde puede utilizarse esta estrategia y los factores que pueden modificar dichos beneficios. Tambien se pone de relieve el desconocimiento que todavia existe acerca de la influencia de la aerodinamica en estos deportes. Por ejemplo, es necesario evaluar los nuevos cascos de seguridad que estan siendo utilizados en ciclismo, asi como disponer de informacion cientifica y fiablesobre la aerodinamica de los materiales utilizados durante la competicion; es necesario;profundizar en el analisis de la verdadera influencia del viento a favor en las disciplinas de triple salta y salto con pertiga; y son necesarios nuevos estudios que generen base de c~nocimiento sobre los limites de mejora en algunas modaIidades de lanzamientos atleticos (jabalina, disco y martillo). Los fundamentos relacionados con la fuerza aerodinamica (principios, ecuaciones de calculo, etc.) han sido analizados en el capitulo -Dinamlca de fluidos: el efecto del agua y del aire», Cualquier duda que sUIja de este do~umento deberfa poder resolverse con la lectura del anterior, ya que se ha intentado no volver a recordar conceptos basicos para enfocar la problematica desde el punto de vista del deporte que es objeto de estudio.

CICLISMO

MANIFESTACION DE LAS FUERZAS AERODINAMICAS EN DIFERENTES DEPORTES: CICLISMO YATLEnSMO

y giran por encima del suelo (FRr), la fuerza de arrastre tiene su origen en la interaccion entre el sistema ciclista-bicicleta y el aire (FA) y la fuerza de la pendiente depende de la inclinacion del terreno y el peso del sistema ciclista-bicicleta (FP).Aplicando la primera ley de Newton (Kane y Stemheim, 1991), para que un ciclista pedalee a una velocidad estable, es necesario que las fuerzas propulsivas (aplicadas a los pedales y la biela) sean iguales que las resistivas; puede mantenerse una mayor velocidad estable para la misma fuerza propulsiva cuando las fuerzas resistivas son minimizadas (por ejemplo, en pruebas de contrarreloj, persecucion, etc.). Otra posible aplicacidn de esta ley es considerar que la aceleracion de un ciclista sera mayor, siendo constante la fuerza propulsiva, cuanto menores sean las fuerzas resistivas (por ejemplo, durante algunas competiciones de ciclismo en pista, demarraje en ciclismo de ruta, etc.). Se puede hablar, por tanto, de una fuerza resistiva (Fresistiva = FRc + FRr + FA + FP) Y de una potencia resistiva (presitiva = [FRc + FRr + FA + FPj· V) absolutas que determinaran la eficacia de la fuerza propulsiva. La ecnacion empleada para calcular la potencia destinada a veneer la fuerza de rozamiento cinetico es la siguiente (Dahn et a/., 1991): PFRc = V· (91 + 8,7· v)· 10.3 (donde PFRc es la potencia de rozamiento clnetico en W yves la velocidad de desplazamiento en m . S-I). Autores como Martin et a/. (Martin et a/., 1998) han desarrollado modelos matematicos que estiman que las perdidas por rozamiento cinetico son del 1-3% de la potencia total desarrollada por el ciclista, 10 que deja patente la escasa influencia de este factor. No obstante, los ciclistas y mecanicos de un equipo ciclista manipulan cuidadosamente tanto los ejes como las cadenas con el objetivo de disminuir su rozamiento: La ecuacion empleada para calcular la potencia destinada a veneer la fuerza de rozamiento por rodadura es la siguiente (Gutierrez, 1999): PFRr= ur- FN· v (donde PFRres Ia potencia de rozamiento por rodadura en W, ur es el coeficiente de rozamiento por rodadura [adimensional], FN es la fuerza normal en N, que en llano es aproximadamente la fuerza del peso del sistema ciclista-bicicleta, y l' es la velocidad de desplazamiento en m . S-I). Durante las pruebas de ciclismo en nita que se rea.~ lizan en llano (velocidades superiores a 40 km . h-I)las perdidas por rozamiento por rodadura son inferiores allO% de la potencia total desarrollada por el ciclista y durante las pruebas de ciclismo en pista (velocidades superiores a 50 km . lr') dichas perdidas son menores del 3,5% (Di Prampero, 2001). No obstante, modificando cualquiera de estos factores puede conseguirse una mejora importante para los ciclistas de alto nivel. Se considera que el coeficiente de rozamiento por rodadura de un neumatico estandar para las pruebas de ruta es de 0,003-0,004 (Gergor

Las fuerzas aerodinamicas en ciclismo pueden clasificarse dentro del marco general de las variables cineticas que afectan a este deporte; son fuerzas propulsivas cuando favorecen el desplazamiento del sistema ciclista-bicicleta y fuerzas resistivas cuando 10perjudican (Fig. 21.1). La manifestacion mas estudiada de las fuerzas aerodinamicas en cicJismo es la fuerza de arrastre y se considera que siempre deceFUERZAS PROPULSIVAS RJERZASRESISTlVAS lera el sistema ciclista-bicicleta. • Fuerzas generadas en 105 musculos • Fuerza de rozamiento cinetico. Entre las fuerzas resistivas la fuerdel ciclista. • Fuerza de razamiento de todadum: • Fuerzas aplicadas a los pedales y za de rozamiento cinetico se manifiesta • Fuerza de atrastre (aerodinamica). a las bielas de la bkideta. : • Fuerza de la pendiente. en la cadena y los cojinetes de las rueda ........................................... (FRc), la fuerza de rozamiento de rodadura surge cuando las ruedas contactan Figura 21.1. Variablescineticas en ciclismo: principales fuerzas propulsivas y resistivas.

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el a/., 1991; Grappe et a/., 1997) y va disminuyendo a medida que la superficie es mas lisa, tal y como ocurre en las competiciones de pista, donde se consideran valores de 0,0020cO,0027 (Capelli et a/., 1993; Padilla et a/., 2000). Cuando el neumaico es mas ancho (mas de 22-23 rum de tubular), como en el caso de las pruebas de triatlon, los valores son aproximadamente de 0,0066 y aumentan todavia mas para las pruebas con bicicleta de montaiia (Martin et a/., 1998). Como ya se ha desarrollado en anteriores capitulos, la ecuacion empleada para calcular la potencia destin ada a veneer la fuerza de arrastre aerodinamica es la siguiente (Hoerner, 1965; Di Prampero, 2001): PE-I= 0,5 . p- S . Cx . vl (donde PIil es la potencia de arrastre aerodinsmica en W, p es la densidad del aire en kg . m-3, S es el area frontal del sistema ciclista-bicicleta en m', Cx es el coeficiente de arrastre [adimensional], S . Cx es el coeficiente de succion en m' yves la velocidad relativa del aire en m . S-I). La mayor parte de la potencia del ciclista (mas del 90%) esta destinada a veneer la fuerza de arrastre cuando las competiciones ciclistas se desarrollan en llano y a altas velocidades (Fig. 21.2); quizas por este motivo ha sido la resistencia mas analizada en la bibliograffa (Di Prampero, 2001). Su valor depende en gran medida de la velocidad a la que se desarrolle la competicion y del tipo de bicicleta y de las posturas utilizadas. Por 10 tanto, mas del 90% de la potencia total del ciclista se empleara para veneer la fuerza de arrastre cuando circule a mas de 5"0kmih en una bicicIeta de paseo (agarre alto del manillar, totalmente erguido), a mas de 40 kmih en una bicicleta estandar de ruta (agarre bajo del manillar) y a mas de 30 kmih en una bicicleta aerodinamica (manillar de triatlon) (Di Prampero, 2001). La ecuacion empleada para calcular la potencia destinada a veneer la fuerza de la pendiente es la siguiente (Jeukendrup y Martin, 2001): P FP = P . % . v (donde P FP es la potencia debida a la pendiente en W, P es el peso del sistema ciclista-bicicleta en N, o/p es el desnivel 0 inclinacion de la pendiente expresado en tanto por uno yves la velocidad de desplazamiento en m . S-I). Se trata de una ecuacion simplificada para pendientes inferiores al20% (0,20 expresadas en tanto por uno). De esta forma, sobre el hipotetico caso de un ciclista de 60 kg que utiliza una bicicIeta de 10 kg Y que quiere ascender por una pendiente del 10% a 18 kmih (5 mls), la PFP = (60 + 10) . 9,81 ·0,10 = 344 W. Segiin 10 que

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se ha comentado, es bastante probable que en las competiciones ciclistas la fuerza de la pendiente y la fuerza de arrastre consuman mas del 90% de la potencia desarrollada por eJ ciclista. Sin embargo, la contribucion relativa de cada una de elias dependera de la inclinacion de la superficie, ya que esta condicionara la velocidad del sistema ciclista-bicicleta. En un estudio llevado a cabo con ciclistas profesionales que compitieron en la Vuelta a Espana (Rodrfguez-Marroyo et a/., 2003), tomando como referencia las velocidades reales y las pendientes de los puertos que debieron ascender, se ha calculado el porcentaje de la potencia total que los ciclistas emplearon para veneer las resistencias de rodadura, aerodinamica y de la pendiente durante la ascension a puertos de categorfa especial, primera, segunda y tercera (Fig. 21.3). En las tres primeras categonas el porcentaje de potencia empleado para veneer la resistencia aerodinamica fue menor del 5% y practicamente inapreciable en los puertos de categorfa especial. Por su parte, el porcentaje de la potencia total que los ciclistas emplearon para veneer la resistencia de la pendiente fue mayor del 90% . En conclusion, la potencia que los ciclistas destin an a veneer las fuerzas de rozamiento cinetico y por rodadura suele ser inferior allO% y, aunque ambas resistencias pueden minimizarse, no constituyen el principal factor que afecta al rendirniento. Sin embargo, la potencia que los ciclistas destinan a veneer la fuerza de arrastre y la fuerza de la pendiente suele ser mayor del 90% y depende en gran medida de la orografia donde se desarrolla la competicion. En el argot ciclista se sueJe denominar «ciclistas rodadores» a aquellos que tienen la capacidad de minimizar la fuerza de arrastre durante las competiciones en llano y «ciclistas esealadores» a aquellos que tienen la capacidad de minimizar la fuerza de la pendiente durante las competiciones con grandes desniveles 0 puertos de montana. Diferentes estudios cientificos han demostrado el mayor rendimiento de unos grupos de ciclistas en las pruebas lIanas 0 con puertos de montana en funcion de·las caracterfsticas que se han comentado (padilla et ai., 2000; Atkinson et a/., 2003; Jrnpellizzeri et a/., 2005). En el presente apartado se abordan los factores que influyen en el rendimiento ciclista durante pruebas llanas desarrolladas a gran velocidad, donde la fuerza de arrastre constituye la principal fuerza resistiva que se

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Velocidad(km/h) Figura 21.2. Porcentajede patencia total empleada en veneer la resistencia de la aerodinamica y de rodaduradurante una prueba de ciclismo en carreteraen llano (modi-

ficado de Di PramperoPE.Cycling on Earth"in space, on the Moon. EurJ Appl Physiol,2001; 82:345-360).

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BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA AC77VIDAD FislCA Y EL DEPORTE

MANIFESTACION DE LAS FUERZAS AERODINAMICAS EN OIFERENTES DEPORTES: CICUSMO Y ATLE77SMO

tud, respectivamente). Otro factor muy importante es que los velodromos sean cubiertos 0 descubiertos, ya que en estos Ultimos existen mayores posihilidades de alterar la velocidad del viento, 10 que inf1uye negativamente en el rendimiento de los ciclistas.

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EFEeros DEL AREA FRONTAL DEL CICLISTA Y LA BICICLETA

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Puertos de montana

Figura 21.3. Porcentajede potencia total empleada en vencer la resistencia de lapendiente, aerodinamica y de rodadura en una prpeba de ciclismo en carreteraduraii~ te la ascension a puertos de categoria especial, primera, segunda y tercera(modificado de Rodriguez-MarroyoJA, Garda-Lopez J, Avila Me, Jimenez F, Cordova A, Villa JG. Intensity of exercise according to topography in professional cyclists. Me!! Sci Sports Exer,2003; 35:1209-1215).

oponeal avance del sistema ciclista-bicicleta, Para ella se parte de la ecuacion general de la fuerza de arrastre (FA = 0,5' p- S . Cx- v2) y se analizan minuciosamente todas las variables que inf1uyen en la ecuacion, moos DE LA TEMPERATURA Y LA ALTITUD DE LA COMPETICI6N , Seglin se ha comentad6~d1nteriores capitulos, ambas variables afectan a la densidad del aire (p).A nivel teorico, un incremento en la temperatura supondrfa un aumento de la viscosidad del aire y, por 10 tanto, de la fuerza de arrastre viscose (Gonzalez et al., 1998). Sin embargo, este aumento de temperatura afecta mas a la presion del aire al disminuir la densidad del mismo. Si recurrimos ala ecuacion desarrollada en anteriores capitulos, para estimar los efectos de la presion y la temperatllra del aire en la densidad del mismo (p = Pox [2731760]x [pm), nos daremos cuenta de que la temperatura se expresa en grados kelvin eK), por 10 que la inf1uencia de esta variable en la densidad es muy debil, dentro de los margenes tolerados para el esfuerzo humano. Por 10 tanto, desde un punto de vista puramente mecinico, sin tener en cuenta factores como la termorregnlacidn de los ciclistas, un ligero aumento de la temperatura disminuirfa la fuerza de arrastre. Mucho mas influyente en la fuerza de arrastre que la temperatura atmosferica es la presion atmosferica. Recurriendo_ a IamisUl(l.~.cuacion obtendremos que solo a 800 m de altitud (p = 1,171 kg· m') la fuerza de arrastre es cerca de un 10% menor que al nivel del mar. Desde este punto de vista, puramente mecanico, cuanto mayor es la altitud de la competicion, menor resulta la presion atmosferica y; por 10 tanto, el rendimiento de los ciclistas se ve mejorado. No obstante, desde un punto de vista fisiologico, el intercambio gaseoso del oxigeno se produce en funcion de la presion parcial de este gas, que, segun la ley de las presiones parciales (McArdle et al., 1990), sen! el producto de la presion atmosferica en nunHg por la concentracion de oxigeno en el aire. Dicho de otra forma, podria lIegar un momenta donde se comprometiera la capacidad de los ciclistas para consumir oxigeno, lirnitando asi su nivel de rendimiento. Eo un estudio teorico basado en 50 trabajos que midie-

ron el efecto de la altitud 0 la altitud simulada en los valores de consumo maximo de oxigeno registrados al nivel del mar, se obtuvo la siguiente ecuacion para predecir curu serfa la fraccion de consumo maximo de oxigeno obtenido en estas condiciones (Olds, 2001). Puede tomarse como valor de referencia de consumo maximo de oxigeno al nivel del mar el de 80 mI· kg" . minot (Rodriguez-Marroyo et al., 2003): V02mi,_(altitud/V02mi,.(nird del nur) ;TJ624 _'_ [6,85:2,7TS3do'::P)/2l.l1- [0,0018' V02mi. R ~~ la distancia dellaniamiento ~rt m, B es el angulo de lanzamiento en grados,

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diferentes implementos han demostrado que, a medida que aumenta el angulo de lanzamiento, la capacidad de aplicar potencia por parte de los atletas disminuye (Hubbard et al., 2001). Este es el motivo por el cuallos lanzadores utilizan habitualmente aagulos de lanzamiento menores de 42° y las simulaciones obtienen valores optimos de 42-44°. , Debemos reconocer que durante las clases de Biomecanica nosotros tratamos este implemento como un objeto sio influencia de las fuerzas aerodinamicas debido a su baja «aerodinamicidad», 0 cociente entre las fuerzas aerodinamicas que 10 afectan y la fuerza de la gravedad que genera. Este es un concepto importante, ya que de todas las bolas, los balones y las pelotas que se utilizan en diferentes deportes (Fig. 21.38), sin duda la bola de peso es la que menos aerodioamicidad presenta (Hubbard, 2000). EI bajo peso de las pelotas de tenis de mesa (2,5 g) Y la gran rugosidad de las pelotas de tenis (58 g, mas masa que los 46 g de la pelota de golf y los 24 g de la pelota de squash) hacen que obtengan esta gran aerodinamicidad (es un Indice adimensional). Por 10 tanto, estarfa justificado no considerar el efecto de las fuerzas aerodinamicas en la bola de peso. Algunos autores (Hubbard et al., 2001) han estimado que, en el rango de las velocidades de lanzamiento correspondientes a atletas de alto nivel, la influencia de la fuerza de arrastre en la distancia final del peso es menor dell %, por 10 que no supondrfa mas de 2-2,3 cm (los atletas de alto nivellanzan mas de 20 myel record del mundo de 23,12 m fue establecido por Randy Barnes en 1990). Esta fuerza afectaria ell menos de 0,1 ° al angulo optimo de lanzamiento. Sin embargo, otros autores afirman que la fuerza de arrastre puede disminuir la dis- ' tancia de lanzamiento en 5 cm y que los lanzadores tienen la posibilidad de elegir entre diferentes bolas del mismo peso pero de distinto tamaiio, reduciendo asf su area frontal y su resistencia aerodinamica. Esta es una estrategia que mejoraria el rendimiento en 1-2 cm (Kreighbaum y Barthels, 1996).

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Lanzamiento de manillo En esta modalidad sf se ba tenido en consideraci6n la fuerz~ de arra:>tre, annque existe controversia en la bibliograffa acerca de su influenc~a en la distancia final dellanzamiento. Mieetras que Hubbard (1989) estirna que puede reducir un lanzamiento de 90 m.e,n5,7 m, Mes~e (1990) estima que un lanzamiento de 85,9 m 10reducma en.1 ,6 m (cl~dos por Dapena et al., 2003). Parece que el origen de estas discrepancias puede depender de tres factores: 1. Considerar que el centro de masas de la cabeza del marti1lo equivale al centro de masas del sistema agarre-cable-cabeza. 2. Utilizar diferentes valores de S . Cx para calcular la fuerza de arrastre de la cabeza del marti1lo. 3. No tener en cuenta la resistencia aerodinamica del cable. Dapena et at. (2003) han analizado ~~ lanzamientos ~~3ell hombres y 6 en mujeres) durante cuatro compenciones y una sesion de entrenamiento (Tabla 215). Sus resultados muestran c1aramente que se sobreestimarfa la distancia de lanzamiento si se considera que el centro de.masas del sistema (CM) esta colocado en el centro de la cabeza del marti1lo, ya que, como el atleta se encuentra ~ando,. si s~ to~ru:a ,el valor del.CM real (agarre-cable-martiIlo), e1 ra~1Ode giro disminuiria ~ la vel?cldad tansencial tambien. Asi, Ia distancia alcanzada por e1 marti1lo sena 4,30 y 8~80m mayor que la distancia oficial en hombres y mujeres, respectivamente. Cuando se utiliza el CM real en vez del CM de la cabeza. del marti1lo, estas diferencias disminuyen hasta 2,3~ y 5.2.8 m, res'p~clI:amente. Si ademas se introduce el efecto de la resistencia aerodmarruca, las difetencias entre la distancia oficial y la distancia con aire y con CM real vuelven a reducirse hasta -0,46 y 1,16 m, respectivamente. En definitiva, para los lanzamientos analizados el efecto de la fuerza de arrastre serfs de 2,85 m en los lanzamientos de los hombres y de 4,12 m en las mujeres, que son valores intermedios respecto a los descritos por Hubbard (1989) y Maestre (1990). . . La justificacion de las diferencias entre hombres y mujeres viene dada por dos factores (Fig. 2139): 1. Los diametros de la cabeza del marti1lo, que deben estar entre 110 y 130 mm en hombres (media de 120 mm) y entre 95-110 mm en mujeres (media de 102,5 mm). . '

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', bacen necesaria la utilizacion de una placa muy r~busta para el anclaje de los clavos para evitar su rotura y la incorporacIon de entresuela para preveuir los impactos de elevada maguitud sobre

el pie. Ademas, durante el movimiento de batida, realizado en ocasiones con la totalidad del pie, ellanzamiento de la pierna oscilante hacia adelante en la impulsion del saito provoca una gran pronacion del retropie en apoyo. En este sentido resulta esencial que el material de corte disponga de refuerzos para ayudar a controlar dicha hiperpronacion y prevenir lesiones. Triple saito. Los aspectos principales de este tipo de calzado son siruilares a los seguidos en el calzado para el saito de longitud con la particularidad de que, en este caso, los apoyos intermedios asocian un fuerte movimiento de pronacion que debe ser controlado mediante sistemas y refuerzos situados en el material de corte. Saito de altura. EI calzado para el saito de altura es uno de los mas especfficos dado que su uso se restringe a un estilo de saito concreto (por ejemplo, el estilo Fosbury), que llega basta el extremo de que el saltador utiliza distintas zapatillas para cada pie. Los clavos de antepie se utilizan en la propulsion de la carrera previa a I~ batida, ruientras que los de retrnpie se colocan para favorecer Ia estabilizacion del pie de batida. La cuiia de antepie debe ser de material no deformable para evitar que disipe energfa en el instante de la batida. Su utilizacion se basa en que, aI . apoyar el pie de batida y flexionar la pierna, el tobillo queda situado en una posicion de hiperflexion, 10 que permite el maximo aprovechamiento de la energfa elastica de la musculatura posterior de la pierna. En el .ultimo apoyo de Ia carrera previa aI salto, el pie de batida queda situado en una posicion de maxima pronacion, por 10 que resulta de gran utilidad el uso de diversos elementos en el material de corte para limitar dicbo movimiento. Saito con pertiga. Para este tipo de calzado son validas las recomendaciones dadas para el calzado de triple saito.

•

EI calzado para lanzamientos Lanzamiento de peso. En esta especialidad, practicada generalmente sobre cemento, se requiere una maxima adherencia de la suela. Por esta razdn no se utilizan clavos y los bordes redondeados permiten una mayor superficie de contacto cuando el pie adopta posiciones de supinacion forzada. Habitualmente esta especialidad es practicada por atletas de mucbo peso. En este sentido, la entresuela debe distribuir adecuadamente las presiones evitando puntos de hiperpresion durante la realizacion del esfuerzo. La gran adherencia de la suela que se requiere provoca continuos deslizamientos del pie en el interior del calzado que deben ser evitados mediante un adecuado ajuste del calzado y con un material de corte extraordinariamente reforzado. Lanzamiento de disco y de martillo. En estos calzados, similares aI de lanzamiento de peso, el aspecto fundamental en el diseiio es permitir la realizacion de los giros con la maxima eficacia, por 10 que suelen incorporase suelas con dibujo circular bajo la cabeza del primer metatarsiano. Los materiales de la suela deberan adecuarse aI tipo de superficie sobre la que se realice ellanzamiento, que puede variar entre cementa y sintetico. Lanzamiento de jabalina. En este caso se incorporan clavos tanto en el antepie como en el retropie, Los clavos situados en el antepie penniten la maxima traccion sobre el pavimento en la fase de carrera previa aI lanzamiento. Los clavos situados en el talon cumplen la funcion de frenado y estabilizacion del pie de apoyo en el instante previo a1lanzamiento. Lacana alta y los refuerzos del tobillo se utilizan para preveuir supi-

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naciones excesivas del pie en el instante de su estabilizacion sobre el suelo en los iiltimos apoyos previos a1lanzamiento. CALZADO PARA ACTMDADES AL A1RE LIBRE En los iiltimos anos las actividades aI aire libre ban a1canzado una gran popularidad. Cada vez es mayor el mimero de personas que aprovechan sus momentos de ocio para acercarse a la naturaleza con muy variadas metas, desde dar un simple paseo y disfrutar de un dfa de campo basta embarcarse en la practica de a1guno de los llamados «deportes-avenmra». Las actividades aI aire libre engloban muchas disciplinas, desde caminar por la naturaleza hasta realizar actividades muy tecnicas, como escalada deportiva 0 en hielo. En esta apartado se tratan las actividades mas populares: senderismo y montaiiismo. Un buen calzado para caminar por terrenos virgenes es aquel que aporta las mejores soluciones tecnicas para: - Proporcionar un buen aislamiento termico. - Proteger el pie frente a lesiones articulares y musculares. - Adaptarse a las dimensiones funcionales del pie evitando rozaduras y proporcionandole estabilidad y agarre aI suelo. - Contribuir a la amortiguacion de las cargas proporcionando al pie una alta comodidad . Los priucipales factores que concurren en la marcha por terrenos virgenes con mayor incidencia en el diseiio del calzado son: - La marcha por terreno inclinado provoca cambios en el patron de moviruientos que dependen de la direccion y del sentido de la marcba y que influyen en la flexion de rodilla y tobillo, rotacion de la tibia y pronosupinacidn del tobillo; en las cargas sobre el talon y las cabezas de los metatarsianos; y en el riesgo de inestabilidad, resbalamiento y cafdas. . - La naturaleza irregular del terreno puede dar lugar a problemas de inestabilidad y provocar numerosas lesiones de tobillo, asi como causar traumas mecanicos por choque 0 puncion. - Durante las actividades aI aire libre se pueden a1canzar condiciones de temperatura y bumedad muy adversas y extremas que pueden afectar a las propiedades mecanicas de tejidos blandos y de la piel. - Las marcbas y las actividades aI aire libre pueden sobrepasar en bastantes ocasiones las 10 horas de duracion. Esto bace que e1 cuerpo bumano se someta a cargas derivadas del contacto cfclico de ambos pies con el suelo durante un prolongado perfodo de tiempo. En este sentido debe tenerse en cuenta que la fatiga reduce la capacidad de control del mtisculo sobre la posicion de las articulaciones y por consiguiente la capacidad natural de amortiguacion de cargas. Estas cargas repetitivas pueden provocar lesiones por sobrecarga. . - Caminar por terrenos irregulares acarreando una mochila da lugar a cambios en el patron de marcha. Los principales cambios son: incremento de los picos de impacto, directamente relacionado con el mayor peso soportado por los pies; aumento del tiempo de apoyo bipodal, buscando mayor estabilidad y reparto de peso entre las dos pietnas; incremento de las presiones en las zonas lateral y medial del talon; y aumento del consumo metabolico debido al incremento del peso acarreado.

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BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA AC77VIDAD FislCA Y EL DEPORTE

- En el ambitodel calzadopara tiempolibre y en particularen las botasde montana,dadala duraci6nde las marehasy la incorporaci6n de numerosos elementos tecnicos, el peso del calzado adquiereuna especialimportancia. '..' ..'. Las activid~d~ al aire lib¥,ocasionaig611Illuchosd~6s,entrar.nanriesgos p3fillospies.pn. ~~zadQiIla~~~a~Q.puege;e!1'elmejor.: ;de.los casos,provocarrozad~ y doI6renlo~·pif!Syen~f~prlesio- • ...nes en pies;to~iIIos0 piemas.TJncondicipnantea~cional ~~~ue,en ; c3;S0de 1f!S16nq~edificulteoi!1lpid~laactiyicll!d,se pued~~tar muy .)ejos deunlugar dande se pue,datener asistenciao atenci6nmedica : ..10.que incluso'priedepaner eifpeligroIi jiJieg.ndilddel dep§ftista.?' . : . ~.aslesi?~esd~to~iIIa,cOll1o.lastendiJJig~ deIe~ten~%]as cap'. sulitisy las msuficlenclasdelto~iIIo, son ll1ascomunesen senderisb.ll1oymontana (36%); lI1ienlrasquelos esgui!1cesdetobillo son mas '.• i conlUnesen la.Iriarcha(55~J. ; .., ..'.:'..... ; ,. .. --L> ..·.•·...Las.lesion~~porsobrecarp~.lll.as. frec~~~t~~.enlllarch~..}'sellde;..•risma sane~s~ ll1ayarfa.arti~ulllfes(5leri lllllfchay66~ en sendeL.~smo~?~Us~~'?tengiIl?s~,9lx,Z,!~, ~espe,ctiy~,e~te);9tro tipa' ; de]eslO~~~.fr~suentessonI.~ ongm~ti~ .~Pla.ime,flicci6~)n¥caruca·.·. ; g~,lpie con ~lz~pata. ~1dtspl~rupientp ~?~!iII~a.delpi~ el iIlte: ~rir ?~l calza~o durante larg~ .marchasgu.~g~ pr9g~c~ro~aduras, C. ~ursltlSytendll1i~sdel tend6~~e,~q~iIes:f9r_sup1lrte,Ufiatiistribu-i " Ci6ninadeclladI<

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1I1111~

Figura 28.6. CUM longitud-tension. Los numeros sobre fa CUM corresponden a

los esquemas de sarcomeraen faparte inferiorde la figura(modificado de Gordon AM, Huxley AF,JulianFJ.The variationin isometric tension with sarcomere length in vertebralesmuscle fibres.J Phsyiol, 1966b; 184:170-192).

0

2,0

o

OJ OJ

·E.§ -o~

o· 60

1:

m..g '3

!!!.

\'t g-

1,0

-00 roo.

40

-gE-

'3

~

0

0,5

20

0,0 1,40

1.60

1,75

...ccl

.

donde r es el desplazamiento y k es una constante, tambien conocida como «modulo de Young» (relativo a la rigidez del elemento elastico). Suponiendo que un puente cruzado este enganchado a una distancia .determinada (a) de su posicion de equilibrio (O) (Fig. 28.8), la energia se libera en el desplazamiento de a hasta 0 y equivale a: a ka2 fokxdx=-2 En el caso de que el puente cruzado no llegue a quedar en su posicion de equilibrio x = 0 sino que se quede en alguna otra posicion, por ejerpplo x = -b, entonces la energia liberada desde x = 0 hasta x = -b es: o kb2. f-bkxdx=-2 De aqui se puede deducir que el trabajo total realizado por un puente cruzado enganchado en su desplazamiento desde a hasta -b,es:

1,75

Longitud sarcornerica (urn) _j

por tanto velocidades maximas de acmtamient() ...............••••. ( . (cfrculosabiertos),practicamente no hay relacion entre Ia veIoci dad y la longitud de la sarcomera. [sto es mas evidente con longitudessarcomer;cas superioresa 2,2 um. Tampocoexiste re/acionentre la velocidad de acortamiento y la tension, especialmente con longitudes sarcomericas mayores que 2,2 pm. Sin embargo con longitudes sarcomer;casinferiores a 2,2 11mla velocidad de eaxtamiento (cruces) acompaiiamas 0 menDsen paralela a la tension de la curva longitud-tension isometrica maxima (trazosdiscontinuos) (modificado de Huxley AF, Simmons RM. Proposed mechanism of forcegeneration in striatedmuscle. Nature, 1971; 233:533-538).

593

longitud de una linea Z a la linea M, 0 sea, media sarcomera); el mimero de puentes cruzados por unidad de volumen [A· (s/2)] es igual a m. Sf la distancia entre puentes cruzados en el filamento de miosina es I, practicamente la misma que la distancia entre sitios para los puentes cruzados en el filamento de actina, y si dejamos que la sarcomera se acorte en una extension igual a I,todos los puentes cruzados tendran una oportunidad para realizar solo un cicio de enganche, generacion de fuerza y desenganche . En caso de que el acortamiento fuera mayor que I,podrian realizarse mas ciclos, asi que para no complicar los calculos, estableceremos que la sarcomera se acortara una distancia I.Si asurnimos que T es la tension par unidad de area, entonces el trabajo (TlA) realizado sobre la carga extema en los confines de la linea Z al realizar un acortamiento de magnitud I,por todos los puentes cruzados dentro de media sarcomera sera;

s TIA=L

[n(x}mA-]kxdx 2 En esta ecuacion la expresion entre corchetes representa el mimero de puentes cruzados enganchados en el volumen de media sarcomera desde la distancia x hasta la distancia x + dx, Ellimite irtfinito (00 Y -oo) de la integral es necesario para perrnitir la posibilidad de n distribuciones de puentes cruzados desde los valares mas negatives de x (caso de grandes acortamientos) hasta los valores mas positivos (caso de grandes elongaciones 0 estiramientos). Resolviendo T de la ecuacion anterior tendremos la fuerza 0 tension ejercida en funcion del mimero de puentes cruzados distribuidos en la zona de desplazamiento: msk x T=-f_" n (x) xdx 21 Ladistribucion de puentes cruzados durante un acortamiento se puede calcular y representar junto a otros terminos .de las ecuaciones anteriores (vease Huxley, 1957). Sin de complicar, vamos a describir, saltandonos los pasos intermedios, la ecuacion final con la finalidad de hacer ver como cuando aumenta la velocidad de contraccion disminuye la tension generada poria sarcomere:

_0

a

fobkxdx

Figura 28,7. Relacion ente la velocidad de contraccion y la longitud. Con cargas muy bajas,

0.

-oVl

~3

Fuerza de un puente cruzado = kx

100

~!::

Oro UOl ro N OJ""

Desde los primeros experimentos en los que se utilizaron cambios rapidos en la longitud 0 en la fuerza durante contracciones tetaaicas (Gasser y Hill, 1924) se propuso conceptualmente que en el nnisculo un elemento contractil aenia en serie con un elemento elastico. De este modo surgio la idea de que los puentes cruzados estaban unidos par muelles sin amortiguamiento. Ya veremos mas adelante que los «muelles» en la estructura muscular son mas importantes y complejos que los inicialmente propuestos por los investigadores de la primera mitad del siglo xx. De aqui nacieron numerosas hipotesis acerca de los posibles estados 0 configuraciones de la union entre la cabeza S-I de los filamentos de miosina y los filamentos delgados, algunas de las cuales describimos aquf. Huxley daba por seguro que la tension se origina de la distorsion del elemento elastico que llevan las cabezas de miosina, especialmente la denominada S-I (Fig. 28.8). De hecho, el asumia una relacion lineal entre la distorsion elastica y la fuerza (principio de Hooke):

0

80 1,5

DESARROLLO DE TENSION

Si deseamos conocer el trabajo realizado por la mitad de una sarcomera tenemos que considerar que la sarcomera tiene un volumen igual al area de la seccion de corte A de la sarcomera multiplicado por la longitud (que como hemos dicho que sea la mitad de una sarcomera) s/2 (s: es la longitud de la sarcomera de linea Z a linea Z; por tanto s/2 sera la

0

Elr-. c ~

L-

DE LOS MOTORES MOLECULARES AL MUSCULO ESQUELEnCO. ASPECTOS BIOMECANICOS Y RS/OLOGICOS

BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA AC77VIDAD Fis/CA Y EL DEPORTE

UneaM

Posicion de equilibrio del sitio activo de miosina

T=- msk ( -- fl ) -h2 { 1--V ( l-e 21 fl + gl 2 ~

-illv ) [ 1+1 (fl--+ gl

2

g2

)2 -V ]} ~

Donde IIes la pmbabilidad de que un puente cruzado de miosina este enganchado con un sitio del filamento de actina, gl es la probabilidad de que un puente cruzado no este enganchado, h es la longitud de la mitad de la sarcomera, cI> es la velocidad normalizada a longitudes de media sarcomera por segundo, de enganches y desenganches de puentes cruzados (cI> (fl + gl) hls} yVes la velocidad de acortamiento medida, que puede tener cualquier valor desde el maximo hasta O. De esta ecuacion se puede intuir que cuanto mas grande sea el valor de V tanto mas pequeno sera el valor de T. En caso de que V = 0, condicion isometrica tetanica, el valor de T sera maximo:

Estiramiento _

Figura 28.8. Mode/o primitivode Huxley para contraccionesisotonicas.EIfilamento de miosina esta fijado a la I{neaM; los fifamentos delgados se mueven hacia la

derecha si el musculo es estirado(modificado de Huxley AF.Muscle structureand theories of contraction. ProgBiophys biophysis Chem, 1957; 7:255-318).

Observese en la figura 28.9 que la abscisa es una cantidad adimensional xlh, que en realidad representa la distancia de acortamiento x en

594

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BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE VI ACTIVIDAD FislCA Y EL DEPORTE

cion los puentes cruzados 0 no estan enganchados 0, si 10 estan, estan ejer0,8 ciendo una fuerza negativa 0 en el sentido de resistencia al desplazamiento. 0,6 V=o Conforme la velocidad de acorta0,4 miento va aumentando, el area bajo la 0,1 curva, es decir, el mimero total de puentes cruzados enganchados, disminuye; -1,5 -1,0 -0,5 1,0 0,0 0,5 x/h probablemente porque el deslizamiento n 1,0 aumenta la probabilidad de que algunos B 0,8 puentes cruzados no esten en posici6n de enfrentamiento a sus sitios de reacV=O,1 v.: ci6n naturales en el filamento de actina. Aun mas importante es el hecho de que al acortarse rapidamente algunos puentes cruzados son arrastrados por el pro-1,0 -1,5 -0,5 1,0 0,0 0,5 x/h pio acortamiento a la zona de la abscisa n c en la que xIh < 0 (0 sea, valores negativos) antes de que se desengancben, es decir, cuando aun estan ejerciendo fuerV=O,25Vm,,za; pero al estar en esa zona negativa la fuerza que contimian ejerciendo ya no favorece el acortamiento, sino que en la -1,5 -1,0 -0,5 0,0 1,0 0,5 practica supone un efecto negativo para x/h el desplazamiento, es decir, la fuerza que D ejercen se puede considerar de caracter negative para el acortamiento general de Tasarc6mera. Por 10 tanto, la parte de -L,.",..V""'V"", curva que aparece a la izquierda de la ordenada representa aI mimero de puentes cruzados que estan ejerciendo fuerza -1,5 -1,0 -0,5 1,0 0,0 0,5 x/h negativa. Observese c6mo en el caso de V = V mix. el area bajo la curva en la parte Figura 2B,9, Distribucion de puentes cruzados enganchados sobre eldesplazamiento a 10 largode la distanciaadimenpositiva de la abscisa (xIh > 0) es pnicsional xlh. En el caso representadoen A la velocidad de acortamiento es 0, es decir, la contraccion es isometrica y la ticamente igual al area bajo la curva en probabilidad de encontrarun puente cruzado enganchado a una mol€cula de actina es muyalta (BO%) a todo 10 largo la parte negativa de la abscisa (xIh < 0). de la longitud x = h. Enel caso 0 el mimero de puentes cruzados ejerciendo [uerzapositiva (areabajo la CUM en el En otras palabras, el mimero de puentes lado positivo de la abscisa) es aproximadamente igual al mimero de puentes cruzados que ejercen [uerzan negativa cruzados ejerciendo fuerza 0 tensi6n (areabajo la CUM en ellado negativo de la abscisa),de 10 que se deduce que la fuerza neta ejercida durante acortapositiva es aproximadamente el mismo mientos a velocidades maximas es 0 0 pradicamente O. Paramas informacion vease el texto (modificado de Huxley AF.Muscle structureand theories of contraction. ProgBiophys biophysis Chem, 1957; 7:255-318). que el de los que ejercen fuerza 0 tensi6n negativa, resultando que la fuerza neta relacion con la longitud de la mitad de la sarcomere, h; en la ordenada el ejercida es O. En otras paJabras, cuando la velocidad de acortamiento es valor II representa el mimero (en reaJidad la probabilidad neta) de puenmaxima, la fuerza ejercida es practicamente 0 (extremo de la curva fuerza:velocidad). Efectivamente, esto se ha podido comprobar mas recientes cruzados a 10 largo dela 10ngitlJdx: Eu elcasorepre: la velocidad de acortall1ierito es 0, es deck; temente utilizando datos experimentales y modelos computacionales no hay acortamiento sarcomerico, aunque si tension en los puentes crupoderosos (Lan y Sun, 2005). zados, la saroimera esni en condiciones isometricas y el mlmero de puentes cruzados enganchados y generando fuerza positiva es de 0,8 (0 sea, EL MECANISMO DE DESARROLLO DE FUERZA el 80%) en una longitud maxima de x = h Y con ese limite, El hecbo de POR LOS PUENTES CRUZADOS que no sea 1 ese valor (0 eI100%) deriva de que los fIlamentos delgados de actina nunca llegan hasta la linea M de la sarcomera de donde Los conceptos mas importantes para entender el funcionamiento de salen los fIlamentos gruesos de miosina; por tanto un pequeno porcentala sarcomera proceden de los experimentos de quick release 0 liberacion je de puentes cruzados queda fuera del alcance de sitios de enganche en nipida y controlada de la fIjacion de un extremo de la fibra muscular el fIlamento delgado. El hecho de que a distancias de acortamiento negamientras se esrn reaJizando una contraccion isotonica (se mantiene la tentivas (es decir,xlh < 0) no haya probabilidad de encontrar puentes crusion), Estos experimentos fueron la base de las primeras propuestas de zados enganchados ejerciendo fuerza positiva se debe a que en esa situafuncionamiento basadas en un elemento contnictil que acrua en serie con A

n

1,0

'C',-

'c~="'I='"

un elemento elastico. Los primeros experimentos se hicieron con nnisculos enteros y, aunque el mecanismo de liberacien era rapido, los fendmenos de readaptacion intramusculares duraban unos 30 (ms. Podolsky (1960) fue el primero en describirun fenomeno complejo que se daba al utilizar el metodo de quick release en fibras musculares aisladas, con desplazamientos muy cortos y que no se podfan explicar por los modelos anteriores de Huxley. EI experimento consistin en permitir, durante una contracci6n isot6nica, un acortamiento pequefiu, del orden del 0,5% de la longitud inicial (nmlmitad de sarcornera), El pequeno acortamiento fue un dato importante de estos experimentos, puesto que asf se aseguraba que el deslizamiento posible entre los filamentos delgados y gruesos fuera tan pequefio (del orden de 8 nm) que asegurara que los puentes cruzados no se desengancbaran y reengancharan durante el deslizamiento (Fig. 28.17), Larespuesta de la fibra muscular se muestra en la figura 28.10, Durante el pequefio acortamiento de 8 nm, la tensi6n cae al mismo tiempo que la longitud, justamente como 10haria si los filamentos delgados y ~esos estuvieran atados unos a otros por muelles simples de comportanuento lineal. Latensi6n minima despues del acortamiento cae basta TI·Inmediatamente, la tension empieza a aumentar y a1canza un corto plateau 0 meseta con una tensi6n Tz, por debajo de la tensi6n inicial (antes del acortamiento) To.Tras el plateau, la tensi6n vnelve en unos 5 ms basta la ten. sian inicial To. Cuando se utilizan distintos valores de acortamiento e incluso algunos estiramientos del mismo calibre, se pueden relacionar las tensiones con los cambios rapidos de longitudes sarcomericas y construir asf curvas como las de la figura 28.11. La relaci6n entre la magnitud del acoriarniento y la T, es casi una linea recta, es decir, la respuesta elastica rapida tras el acortamiento, donde quiera que se produzca, se esrn comportando como un mueJle casi lineal. Esta observacion es mas importante de 10 que parece a primera vista. Por ejemplo, si la elasticidad rapida, evidenciada experimentalmente, se atribriyera a enlaces cruzados que se ataran o desataran libremente ante cargas compresivas (se supone que estas cargas actuarian durante el acortamiento), larigidez (es decir, la pendiente

i?

"ClQJ

BE

__ d~'8 Htt++f+H-l+t+l+t+lf+tf-H+H-l 5.!B

QJ "Cl

1

1kg/ern?

H 10 ms

Figura 2B.1O. Respuestaeliisticarapidaen una fibramuscular (experimentos en los que se dejan producir acortamientos muy rapidos y pequeiios de la longitud de la sarcomera mientras se mide la tension mecanica). Cambios de longitud (ilL) de B nm y de tension en una fibrade musculo tibial anterior.La tension cae sincronicamente con el acortamiento hastael valor T,; entonces rapidamente se recupera hasta alcanzar la tension T" en la que se mantiene durante 3-4 ms (fase de meseta 0 plateau) a partirde ahi la tensionse recuperamas lentamente (30-40 ms) hasta casi alcanzar el valor iniciai de tension To-

595

Tension

(relative a la isometria) 1,4

-12

-10

-8

-6

-4

-2

nm de desplazamiento en cada mitad de sarc6mera Figura 2B.11. Relacion entre los cambios de longitud en media sarcomera y los cambios de tension en distintos experimentos, como el reflejadoen la figura 5. 1. Lastensiones T, y T,estan normalizadas respecto a To- Las/{neascontinuas teptesentan 105 datos con acortamientos a partir de longitudessarcomericasde 2,2 JIm. Laslineas discontinuas con cruces representan los datos de experimentos a partir de longitudes sarcamericasde 3, 1 JIm. En el cfrculo se representa el numero rela-

tivo de puentes cruzados aduando en paraleloen las condiciones de acortamiento desde 2,2 JIm y desde 3, 1 JImde longitud sarcomerica. Obsell'ese que las curvas TlT,son casi rectas en las dos situaciones experimentales; sin embargo la pendiente de estas CUMS (que representanla rigidez) que se indica por unas rectas tangentes a las curvas (Rs y RI)no se aproxima a 0 cuando la tension cae cerca de 0, 10 que indica que son capaces de mantener una rigidez que se opo~e a tensiones negativas.Es especialmente interesanteque tanto la CUM TITode Imeacontinua como la de l,nea discontinua con cruces lIegan a interceptarel eje de abscisas con el mismo acortamiento de 6 nm; es deci; tanto si hay muchos puentes cruzados en paralelo y adivados como si hay solo unos pocos, un mismo acortamiento de 6 nm es suficiente para lIevarla (uerza a O. Porotra parte, el nivel de tension en la curva T/To es di(erentesegun el gradode acortamiento,de modo que acortamientos mayores de 3 nm producen una ciertacalda de la tensi6n yacortamientos mayores de 6 nm producen un claro declive de la tension T,; es decir, la relacion longitud-tension para T,es no lineal. de la curva lonzitud-tension, en este caso acortarniento- T,) deberfa ser 0 cuando la tension fuese O. Sin embargo, la rigidez (0 pendiente de la curva; Rs en la figura28.1l) solo es un 10-15% menorcuando la tensi6n es 0 respecto a cuando es To. Esto lIeva a una conclusi6n interesante funcionalmente, que los elementos responsables de la respuesta elastica nipida son capaces de resistir una tensi6n negativa y no se aflojan 0 arrugan cuando la tension cae hasta cerca de O. Por 10 tanto, esta caracterfstica elastica, por su rapidez, no puede ser explicada por el modelo de Hill o el de Huzley, cuyos elementos elasticos en serie con el elemento contnictil tardaban 50 veces mas; probablemente estaba mas relacionada con el papel de los tendones como elementos elasticos en ~erie aunque si?a siendo un elemento elastico en serie, este debe estar mtllDamente asoclado 0 dentro de la estructura de los puentes cruzados. La concepcion de Podolski (1960) se postula hoy dfa como correcta y demostrable con tecnieas de atrapamiento 6ptico 0 resonancia magnetica de mo)(:culas fluorescentes. Otra conclusion importante de este tipo de experimentos se muestra tambien en la figura 28.11. Cuando la To es mayor, bay mas puentes cruzados engancbados en paralelo, pero la misma magnitud en el acorta-

596

DE LOS MOTORES MOLECULARES AL MUSCULO ESQUELEnCO. ASPECTOS BIOMECiwlCOS Y FlSIOLOG/COS

BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA AC71VIDAO FislCA Y EL DEPORTE

miento, es decir, un deslizamiento de 6 nm por mitad de sarccmera, tanto para condiciones de poco solapamiento como de mucho solapamiento, es suficiente para traer la fuerza instantaneamente a 0, sin importar cuantos puentes cruzados estan enganchados, un dato mas para justificar la relacion no lineal entre la fuerza y la velocidad. Estas fueron las primeras bases para entender que dentro de los puentes cruzados habia elementos elasticos en serie capaces de explicar la respuesta rapida elastica de las fibras musculares durante acortamientos nanometricos, restringidos ala activacion de un solo cicIo de puentes cruzados. A partir de aqui, se propuso (Huxley H, 1969; Huxley AF y Simmons RM, 1971) que la fuerza desarrollada por los puentes cruzados se podria originar cuando el fragmento S- I de la meromiosina pesada rotara en relacion a su sitio de union con el filamento delgado (de actina), de manera que el sitio donde se generaba la torsion era el mismo donde se utilizaba el ATP. De hecho, fueron mas finos en sus propuestas, aI postular que un elemento elastico, probablemente el segmento S-2 de la meromiosina, actuaria como un enlace elastico, como un muelIe, entre la region S- I Yel filamento grueso (de miosina). La situacion propuesta se muestra en la figura 28.12, en la que aparece una cabeza S- I en su «posicion original», una posicion intermedia y poco probable para un solo puente cruzado, en la que S- I eslli a la mitad de camino entre la posicion I y la posicion 2. Cuando se pasa de la posicion I ala 2, el segmento S-2 se estira como un muelle. La sucesion de eventos seria asf: la cabeza de miosina S-l se ata aI filamento de actina en la posicion I, pero inmediatamente pasaria a la posicion 2, que es su estado de mas baja energia potencial, estirando el muelle. La fuerza del muelle volviendo a su longitud ruinima gene4~la tension entre fililirielltos: Esta seria 111 base de la generacion de fuerza en la sarcomera y en cuyo proceso aiin no ha intervenido el ATP directamente. • En el caso de un cambio rapido en la longitud de la sarcomera, iniciaImente las cabezas S-I no tienen tiempo de cambiar su estado de enganche aI filamento delgado, por 10que el cambio transitorio y rspido en la fuerza se debe aI cambio de longitudimpuesto al muelle S-2. Inmedia-

Filamento delgado (actina)

---~---,-~

Acortamiento

1------------------------'""11

y

Estiramiento

Figura 28.12. Mode/o de actuacion de un puente cruzado. La cabeza globulosa de miosina pesada 5-1 esta en contacto can el filamento delgado(de actina). EI venice superior de 5-1 se continua can elsegmento 5-2; este segmento puede ser mas carta a mas largosegun se situe en laposicion 1 0 en laposicion 2, respectivamente. Ambas posiciones 1y 2 estan separadaspor la distancia h. Laposicion 80% de 1 RM]). N: />IJmentos de fa EMG en los rnngos artio.JaJBs no entrEredos. 'N: />IJmento de Ia EMG en los mtisculos ilexores del Coda desptE5 de un entrEflaiiiffito que l1lli2a mUl1ip!es saies.' .. ... ... ... ... . ...

gos sugieren que otros factores diferentes a los neura!es (por ejemplo, la hipertrofia muscular) contribuyen a la mejora de la fuerza isomenica maxima con este tipo entrenamiento. Por otra parte, se observa que la velocidad de activaci6n de la iEMG para una fuerza submaxima no se modifica con este tipo de entrenamiento, e incluso a veces puede llegar a empeorar. Por su parte, en otro estudio realizado por Hakkinen y Hakkinen (1995) durante 12 semanas de entrenamiento, tambien se obtuvieron incrementos significativos en la iEMG maxima entre las cuatro y ocho primeras semanas con sujetos de mediana y avanzada edad. Despues de un periodo de seis meses de entrenamiento de fuerza, el aumento de la

fuerza maxima y de la fuerza explosiva se asoci6 a un incremento de la activaci6n maxima voluntaria de los nnisculos agonistas durante la acci6n isometrica de extension de los miembros inferiores (Fig. 33.16) (Hakkinen et oi.; 1998b; Izquierdo, 1997). Tambien se increment6 en todos los sujetos la iEMG maxima del rmisculo biceps femora! durante la acci6n isometrica maxima de flexion de rodillas. Estos resultados concuerdan con el concepto de que en sujetos no entrenados, independientemente de la edad, los incrementos en la fuerza maxima durante las primeras semanas de entrenamiento se atribuyen en gran parte a! incremento de la activaci6n de las UM de los nnisculos agonistas (Moritani y DeVries,

A

693

liempo

B

liempo

... Figura 33.15. ffecto de dos tipos de entrenall)i~n(Q,A._Entren.amiento(le fU~rzaexplosiva. B. Entr~namientode fuerza maxima en la curva fuerza-tiempo e IEMG-tiempo !modificado de Hakkinen K, Komi pv, A/en M. fffect of explosive type strength trainingon isomeUii:force- and relaxation-time,electromyographic and muscle fibre characteristicsof leg extensor muscles. Acta PhysiolScand, 1985b; 125 [41:587-600).

1980; Hakkinen, 1994). Los aumentos inducidos por el entrenamiento en la magnitud de la iEMG podrian ser debidos a! incremento en el mimero de UM activas y a! aumento en su frecuencia de estimulacion (Enoka, 1988; Sale, 1991). Por su parte, los incrementos en la excitaci6n neta de las motoneuronas podrian ser debidos a! aumento en el estimulo de excitaci6n, a la reducci6n en el estimulo de inhibici6n 0 a ambos (Sa!e, 1991). Moritani et al. (1987) investigaron las adaptaciones producidas por un programa de entrenarniento de fuerza explosiva consistente en rea-

lizar a la maxima velocidad posible 30 repeticiones a! dfa (carga: 30% 1 RM) Ires dias por seman a durante dos semanas. Los resultados mostraron que los cambios inducidos por el entrenamiento eran debidos sobre todo a adaptaciones de tipo neural. En este estudio se vio un gran incremento en la activaci6n muscular acompaiiado de un aumento en la sincronizaci6n de la activaci6n de las UM tras el entrenamiento. La frecuencia maxima de reclutamiento de unidades motoras, analizada por tecnicas de electromiograffa de aguja, tambien se puede

...694

BIOMECANICA Y BASES NEUROMUSCULARES DE LA ACnVIDAD FiSICA Y EL DEPORTE

ADAPTACIONES NEUROMUSCULARES Y ENTRENAMIENTO DE FUERZA

requieran agilldad y coordinacien, la coactivacion es trifasica, en la medida en la que la activacion agonista depende de la velocidad, del cambio de direccion y de la distancia de movimiento (Marsden et al., 1983). Diversos estudios transversales han observado que los velocistas tienen 500 575 una mayor coactivaci6n de los rmisculos isquiotibiales durante acciones 450 B 525 rapidas de los miisculos extensores de la rodilla en comparaci6n con los 400 475 corredores de fondo (Ostemig et al., 1986). Despues de 10-14 semanas 350 425 de entrenamiento, la coactivacion antagonista puede permanecer sin cam300 375 bios (Aagaard et al., 2002a; Seger y Thorstensson, 2005) 0 reducirse des250 325 pues de participar en programas de entrenamiento de cuatro semanas 200 275 hasta seis meses (pensini et al., 2002; Hillinen et al., 1998a). Carolan 150 225 y Cafarelli (1992) mostraron una reducci6n del 20% en el grado de coac-I 6 (meses) -I 6 (meses) tivaci6n de los nnisculos isquiotibiales durante acciones maximas voluntarias de extension de rodillas, que principalmente sucedfa en la prirnePeriodo Entrenamiento de la fuerza Periodo Entrenamiento de la fuerza ra semana de entrenamiento. Pearson et al. (2002) no observaron de control de control diferencias entre sujetos entrenados y levantadores de peso que habfan participado en Olimpiadas en la coactivaci6n de los isquiotibiales duranFigura 33.16. Valormedio (±EEJde la actividad electromiografica maxima integrada (iEMC;media de 105 musculos vasto lateral y vasto medial) de 105 miembros inferiores derecho (Al e izquierdo (~l en la accion de fuerza isometrica maxima bilateral de extension de 105 miembros inferiores enWS sujetos de 40 aiios (H40) y de 70 aiios te acciones isometricas maximas de extension de rodilIa. En este senti(H70)durante un mes de perwdo de control (mes -1 a O)y durante 105 seis meses del perfodo de entrenamiento de la fuerza (mes 0 a 6) (modificado de Hiikkinen K Kallido, la coactivaci6n parece ser un mecanismo que tiene Ingar cuando exisnen M, Izquierdo M, Jokelainen K,LassilaH,MiilkiiiE, et al, Changes in agonist-antagonistEMC, muscle GA, and force during strength trainingin middle-aged and older te una ausencia de familiarizaci6n con la actividad que se realiza y parece people. j Appl Physiol, 1998b; 84: 1341-1349). que la magnitud de Ia reducci6n es inferior si se compara con las mejojas de la fuerza (Enoka, 1991; Hillinen et al., 1998a). ver aumentada con el entrenamiento de fuerza. En la figura 33.11 Coactivacion de 105 antagonistas Sin embargo, de la misma manera que este mecanismo de adaptase observa un aumento significativo en la frecuencia de reclutamienci6n neural ha sido poco examinado en personas j6venes (Carolan y Cafato UM cuando se realiza una accion voluntaria de maxima producDurante el movimiento, el fenomeno de coactivacion de los museurelli, 1992), en personas ancianas se desconoce basta que punto la mejolos antagonistas es un mecanismo que se origin a con el proposito de cion de fuerza despues de participar en un program a de entrenara de fuerza con el entrenamiento se debe a un aumento en la activaci6n miento de fuerza. Un resultado interesante estuvo relacionado con mejorar la estabilidad de las articulaciones y la coordinacion del movimientoyfediicif6fri6sgo de lesion. Sin embargo,naydiversaS ,....... ..=.1.... de los nnisculos agonistas 0 a cambios en los patrones de activaci6n agoefnecno de que el aumoo.!,Qen la freCuenCia de estimulacion se nistalantagonista. En un estudio realizado por Hakkinen et al. (1998b) produjo independientemenfe del tamaiio de las UM, en concreto nes en las que la coactivacion puede ser contraproducente (por ejemse Q,bserv6que un programa de seis meses de entrenamiento progresivo del umbra! de reclutamiento y del tiempo que tardaban las UM de (Jifeplo, la produccion elevada de fuerza), ya que puede actuar de manera de fuerza maxima y explosiva tambien origino una reducci6n significarentes tamafios en desarrollar la maxima tension (Van Cutsem et al., contrapuesta a la activacirin de los rmisculos agonistas. La magnitud tiva en la coactivacion de los rmisculos antagonistas durante la acci6n 1998). de la coactivacion esta determinada por diferentes factores: el grupo isometrica maxima y 1 RM de extension de los miembros inferiores en muscular, la velocidad y el tipo de activacion muscular, la intensidad, un grupo de hombres de 70 alios. En la figura 33.18 se observa que al la posicion de la articulacion y el grado de lesioIles, anteriores inicio del perfodo de entrenaniiento hicoactivaci6ii antagomsta que se 2004). En diferentes estudios se ha podido comprobar que los mecai!! registro en los sujetos de mas edad alcanzd aproximadamente los misnismos de adaptaci6n neural inducidos por el entrenamiento de fuerza Q' 0 mos niveles que la registrada para los de mediana edad, los cuales no en sujetos jivenes, sin entrenamiento previo, tienen Iugar, ademas de E -0 150 demostraron cambios en su coactivaci6n (Izquierdo, 1991; Hillinen et por el aumento de la activaci6n de los rmisculos agonistas, por una dism -0 al., 1998b). 'c minuci6n de la coactivaci6n de los nnisculos antagonistas (Sale, 1986; ::J Estos resultados sugieren que el entrenamiento de fuerza maxima .!!l Garfinkel y Cafarelli, 1992) . OJ -0 100 induce no s610aumentos en la activaci6n de los rmisculos agonistas, sino La coactivaci6n antagonista es normalmente excesiva en sujetos prin~ tambien una reducci6n en la coactivaci6n de los nnisculos antagonistas. cipiantes, pero puede ser reducida con el entrenamiento y al familiarizar ~ Estos factores, unidos a la optima activaci6n de los rmisculos sinergisa los sujetos con el movimiento (Solomonow et al., 1988; Carolan y CafaOJ -0 la produccion neta de fuerzade Ios nnisculos 50 OJ relli, 1992). Asf, la.coactivacion de los flexores de.Ia rodilIa durante 1