BIOMECANICA DEPORTIVA
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CAPÍTULO 1 POSICIÓN, VELOCIDAD Y ACELERACIÓN En una carrera de 200 metros lisos, ¿quién es más probable que gane, el corredor cuya aceleración es mayor o el corredor que desarrolla una mayor velocidad máxima? Al final de este capítulo deberías ser capaz de: • Describir las distintas formas de movimiento y diferenciar entre magnitudes vectoriales y escalares (por ejemplo, entre desplazamiento y distancia). • Definir la dirección de un movimiento. • Elaborar un modelo biomecánico sencillo para determinar la importancia de cada segmento de una carrera (por ejemplo, la fase de aceleración frente a la fase de velocidad máxima). • Describir el modo en que las mejoras en el rendimiento y las distintas fases de una carrera afectan su resultado. 1 • POSICIÓN, VELOCIDAD Y ACELERACIÓN FIG. 1.1 Un velocista que corre por la calle interior de una pista de atletismo se desplaza (s) 123,8 m en un ángulo de 36°,cubriendo una distancia (d) de 200 m. La distancia, una magnitud escalar, es en este caso más importante que el desplazamiento, una magnitud vectorial. carrera de 200 m radica en recorrer esa distancia lo más rápido posible, razón por la cual lo único que interesa es la distancia. En la carrera rectilínea de 100 m lisos, distancia y desplazamiento son lo mismo, aunque haya que especificar la dirección si describimos el desplazamiento. RECUADRO 1.1 CÁLCULO DE VECTORES Calcular el desplazamiento de una persona o un objeto es relativamente sencillo si el movimiento ocurre en dos direcciones, como en el ejemplo de la figura 1. Sin embargo, si quieres calcular un desplazamiento con múltiples trayectos, puedes optar por usar el método «de principio a fin». Se representa un movimiento individual con una flecha que tiene una longitud, una dirección y un sentido (recuerda que un vector, p. ej., un desplazamiento, se compone tanto de una cantidad como de una dirección y un sentido). Si pones el extremo de una flecha pegado a la punta de la flecha precedente, puedes determinar el desplazamiento final (flecha discontinua). FIG. 1 3 10 BIOMECÁNICA DEPORTIVA A B C D E FIG. 1.3 En la prueba de agilidad, el deportista acelera positivamente hacia la izquierda (nuestra derecha) de la fotografía (de A a B), luego acelera negativamente de B a C y D. La aceleración vuelve a ser positiva de D a E. Las fotografías B a C y D a E muestran al deportista ‘desacelerando’. curvas de la velocidad y el desplazamiento –en ese orden– a partir de un gráfico sobre la aceleración. La figura 1.4 muestra un gráfico sobre la aceleración, y debajo de él hay dos gráficos que deberás cubrir con un papel. Sin mirar, determina cómo debería ser el gráfico de la velocidad usando la información procedente del gráfico sobre la aceleración. Luego, a partir del gráfico de la velocidad, intenta determinar el gráfico del desplazamiento. No te preocupes si no lo consigues la primera vez. Hasta Albert Einstein tuvo que intentar las cosas más de una vez. ¡Incluso suspendió el examen de ingreso en la escuela técnica donde iba a estudiar ingeniería eléctrica! CAPÍTULO 2 POSICIÓN, VELOCIDAD Y ACELERACIÓN ANGULARES ¿Qué importancia tiene la longitud del brazo en la distancia a la que se lanza un disco? ¿Es más o menos importante que la velocidad angular del brazo para determinar la velocidad de lanzamiento? Al final de este capítulo deberías ser capaz de: • Definir los términos posición angular, velocidad angular y aceleración angular, y enumerar sus unidades de medida. • Describir la relación entre la velocidad rotacional de un objeto y la velocidad lineal de un punto en ella. • Elaborar un modelo sencillo para determinar el impacto de los factores que influyen en la velocidad de lanzamiento del disco. 16 BIOMECÁNICA DEPORTIVA Para responder a estas preguntas, primero tenemos que aprender a predecir la velocidad del lanzamiento del disco (la velocidad a la que sale de la mano del lanzador). La velocidad del lanzamiento equivale a la velocidad del disco justo inmediatamente antes de soltarlo. El lanzador genera gran velocidad girando sobre su eje vertical (los recuadros 2.1 y 2.2 nos asesoran sobre la descripción de planos, ejes y localizaciones relativas de partes del cuerpo) con el brazo extendido. Cuanto más rápida sea la velocidad angular del cuerpo, más rápido se moverá el disco. La velocidad angular es el índice de cambio del ángulo del lanzador. Es evidente que cuando más rápido gire el lanzador (es decir, cuanto mayor sea su velocidad angular), más rápido se desplazará el disco. ¿Qué es ‘velocidad angular’ y cómo podemos calcularla? RECUADRO 2.1 PLANOS Y EJES PRINCIPALES DEL CUERPO A menudo resulta útil describir el eje sobre el que una persona (o cualquier otro objeto) gira, se mueve, experimenta un empuje o tracción, etc. Por lo general, el cuerpo humano se divide en tres planos y gira sobre tres ejes. Describir los movimientos en estos planos y sobre estos ejes reduce la necesidad de complicadas descripciones sobre cómo nos movemos. Sagital Transverso Frontal FIG. 1 Tres planos, los ‘planos cardinales’, dividen el cuerpo en tres dimensiones. El plano frontal (o coronal) corta el cuerpo en las mitades anterior y posterior; el plano sagital corta el cuerpo en las mitades derecha e izquierda, y el plano transverso divide el cuerpo en las mitades superior e inferior. El cuerpo puede girar sobre estos tres planos. Por ejemplo, si haces la rueda, lo que haces es girar sobre el plano frontal (es decir, no dejas de mirar hacia delante). Si das un voltereta hacia delante, giras sobre el plano sagital (la cabeza desciende hacia delante mientras giras), y si haces una pirueta, lo que haces es girar sobre el plano transverso. 2 • POSICIÓN, VELOCIDAD Y ACELERACIÓN ANGULARES Alternativamente, podemos decir que giras sobre los tres ejes de rotación. Al hacer la rueda, giras sobre el eje anteroposterior (giras literalmente sobre una línea de delante atrás); durante una voltereta hacia delante, giras sobre el eje mediolateral (sobre una línea desde el medio del cuerpo hasta el lateral), y durante una pirueta giras sobre el eje longitudinal (es decir, trazando una línea desde la cabeza hasta los pies). En la fotografía del jugador de rugby, las piernas y brazos se mueven en el plano sagital y giran sobre el eje mediolateral y la cabeza ha girado en el plano transverso sobre el eje longitudinal, pero ninguna parte del cuerpo se ha movido significativamente en el plano frontal (girando sobre el eje anteroposterior). Eje anteroposterior Eje mediolateral FIG. 2 Si observas la figura 2.1, puedes imaginar que la línea en A es una sencilla representación de una línea del hombro izquierdo al derecho del lanzador de disco. Cuando el lanzador gira, el ángulo de la línea cambia respecto a su posición FIG. 2.1 Posición, desplazamiento, velocidad y aceleración angulares. La línea en A es una línea imaginaria que une los hombros izquierdo y derecho de un lanzador. En B, los hombros han girado 15°. 17 CAPÍTULO 3 MOVIMIENTO DE LOS PROYECTILES ¿Cuál es el ángulo de trayectoria óptimo (es decir, el ángulo de lanzamiento respecto al suelo) para un lanzador de peso que quiere alcanzar una gran distancia? (Consejo: nunca 45°.) ¿Qué factores influyen en la distancia máxima de un lanzamiento y en qué medida? Al final de este capítulo deberías ser capaz de: • Enumerar los factores que influyen en la trayectoria de un objeto. • Usar las ecuaciones del movimiento de proyectiles para calcular el tiempo de vuelo, el alcance y los ángulos de proyección de los proyectiles. • Elaborar un modelo sencillo para determinar la influencia de los factores que afectan el alcance de los lanzamientos. • Crear una hoja de cálculo para hacer más rápido los cálculos y mejorar el rendimiento en los lanzamientos deportivos. • Analizar vídeos de lanzamientos para mejorar el rendimiento. 26 BIOMECÁNICA DEPORTIVA FIG. 3.1 Trayectoria de una pelota de tenis. La gravedad hace que la pelota acelere en dirección al suelo con el mismo ritmo sin importar si el tenista deja caer la bola o si la golpea perfecta y horizontalmente. Sin embargo, la trayectoria de la pelota es distinta en las dos circunstancias. Por movimiento de proyectiles se entiende el movimiento de un objeto (por ejemplo, un peso, una pelota o un cuerpo humano) que se proyecta con cierto ángulo en el aire. La gravedad y la resistencia del aire afectan estos objetos, aunque en muchos casos la resistencia del aire se considera tan pequeña que se pasa por alto. Un objeto lanzado se puede mover en cualquier ángulo entre la horizontal (0°) y la vertical (90°), aunque la gravedad sólo actúa sobre el componente vertical del movimiento de los cuerpos. En la trayectoria influye la velocidad, el ángulo y la altura relativa de proyección (es decir, la distancia vertical entre los puntos de lanzamiento y aterrizaje; por ejemplo, en un lanzamiento de béisbol que aterriza en el suelo, la distancia vertical es la altura por encima del suelo a la que se lanzó la pelota). En la distancia que cubre un proyectil, su alcance, influye la velocidad de proyección. Cuanto mayor sea la velocidad de proyección, más lejos llegará el objeto. Si se lanza un objeto por el aire, la distancia que recorre antes de tocar el suelo (su alcance) será una función de la velocidad horizontal y del tiempo de vuelo (es decir, velocidad × tiempo, como se vio en el capítulo 1). En la figura 3.1 se ve que una pelota lanzada al aire por un tenista tocará el suelo al mismo tiempo sin importar si el jugador la golpea horizontalmente o si deja que caiga al suelo, aunque la trayectoria de la pelota sea distinta. Si el proyectil se desplaza sólo verticalmente (por ejemplo, una pelota lanzada directamente hacia arriba), su velocidad de proyección determinará la altura que alcance antes que la gravedad la haga acelerar de vuelta a la tierra. Si no tenemos en cuenta la resistencia del aire, la gravedad hace acelerar todos los objetos al CAPÍTULO 4 LAS LEYES DE NEWTON ¿Cómo generamos suficiente fuerza para saltar una altura superior a la de nuestro propio cuerpo? ¿Qué factores mejoran la máxima altura de los saltos? Al final de este capítulo deberías ser capaz de: • Recitar las leyes del movimiento de Newton y usarlas para explicar la producción de fuerza durante diversos movimientos deportivos. • Determinar las combinaciones óptimas de magnitud de fuerza y dirección para distintas tareas deportivas, como los saltos. • Explicar el efecto de la masa corporal sobre el rendimiento en los saltos. • Demostrar que conoces la notación científica. 50 BIOMECÁNICA DEPORTIVA FIG. 4.2 Tercera ley de Newton. Se aplica una fuerza vertical (descendente) cuando el pie entra en contacto con el suelo (A). El suelo ejerce una fuerza de reacción igual y opuesta, en este caso llamada fuerza de reacción del suelo (FRS), que impide que el pie se hunda en la tierra. Al correr y al saltar, aplicamos una fuerza de componentes vertical (Fy, fuerza en dirección y) y horizontal (Fx, fuerza en la dirección x). El suelo ejerce una fuerza (FRS) igual y opuesta, que nos hace acelerar hacia delante si la fuerza es lo bastante grande como para vencer nuestra inercia. [Ten en cuenta que algunas personas asignan Fy al componente horizontal y Fz al vertical.] Fíjate en que las flechas indican la magnitud (longitud de la flecha) y la dirección (dirección de la flecha) de los vectores fuerza sobre los que aprendiste en el capítulo 2. Cuando disparas un arma de fuego, la bala se proyecta hacia delante y el arma retrocede con una fuerza igual y opuesta: se llama ‘retroceso’. Para nosotros, esta ley significa que si aplicamos una fuerza contra algo que no se mueve (es decir, la fuerza no vence su inercia), el cuerpo ejercerá una fuerza de reacción igual y opuesta contra nosotros. Esta fuerza de reacción es importante por dos razones. Primera, para aplicar la máxima fuerza sobre nosotros, necesitamos aplicar la máxima fuerza posible contra ese cuerpo. Segunda, si necesitamos la fuerza para que aceleremos en una dirección específica, necesitamos producirla en una dirección opuesta y muy específica. Una pregunta a la hemos de que contestar es: ¿contra qué aplicamos nuestra gran y bien dirigida fuerza durante un salto? En general, aplicaríamos la fuerza contra la tierra (figura 4.2). Dado que la superficie de la tierra es sólida y no cede bajo nuestra fuerza, ejerce una fuerza igual y opuesta siempre que ejercemos una fuerza contra ella. Como F = ma, nuestra masa (m) se acelera (a) a un ritmo proporcional a la fuerza, pero también la tierra. Cada vez que te impulsas sobre ella para saltar, ¡cambias su órbita ligeramente! Pero ¿cómo es que se mueve y no lo notamos? La masa de la Tierra ronda 6 × 1028 (60.000.000.000.000.000.000.000.000.000) kg. (Si no estas familiarizado con la notación científica, te remito al recuadro 4.1.) Si pudieras generar una fuerza equivalente a 2.000 N (una fuerza de 200 kg), que es lo que una persona adulta puede producir si practica un salto vertical con ambas piernas, harías CAPÍTULO 5 RELACIÓN ENTRE IMPULSO Y MOMENTO Un corredor puede plantar los pies en el suelo de diferentes formas y generar fuerzas de distinta duración y diversas direcciones. ¿Qué estrategia de aplicación de fuerza es óptima para los deportistas que necesitan correr a gran velocidad? Al final de este capítulo deberías ser capaz de: • Explicar los conceptos de física sobre el impulso y el momento y su relación con los movimientos deportivos. • Explicar cómo las alteraciones de la magnitud y sincronización de las fuerzas afectan los índices de aceleración de cuerpos e implementos. • Usar los conceptos para describir cualitativamente (es decir, sin números) cómo mejora el rendimiento deportivo la modificación de los patrones de producción de fuerza. 58 BIOMECÁNICA DEPORTIVA Aprendimos en el capítulo 4 que necesitamos ejercer una fuerza para que un cuerpo cambie su velocidad; es decir, para vencer su inercia. Si la fuerza es lo bastante grande o la masa del cuerpo es lo bastante pequeña y la fuerza se dirige apropiadamente, aceleraremos el cuerpo en la dirección deseada, pero ¿es todo cuanto necesitamos saber para mejorar las técnicas deportivas? Desde luego que no. En el capítulo 4 se describió una fuerza de acción continua, que no aumenta ni disminuye con el tiempo, pero éste no suele ser el caso. Mira la gráfica sobre las fuerzas de reacción contra el suelo de dos corredores (figura 5.1). Fíjate en que la gráfica del golpeo del retropié se eleva primero (el pico del impacto), luego desciende ligeramente y se eleva de nuevo (el pico de impulsión) antes de caer. El golpeo del antepié/mesopié sólo tiene una subida y bajada en la fuerza. Por tanto, la fuerza no es constante durante la fase de contacto con el suelo al correr (o en casi todos los otros movimientos). El objetivo de este capítulo es describir el modo en que la manipulación de estas fuerzas contribuye a mejorar el rendimiento. FIG. 5.1 Cuando el pie golpea el suelo al correr, la tierra genera una fuerza de reacción. La gráfica superior muestra la evolución del componente vertical de la fuerza de reacción, llamada fuerza de reacción vertical contra el suelo, de un corredor que golpea primero con el talón (retropié) y un corredor que establece primero contacto con el pie más plano (mesopié). El pico de impacto es mayor en el caso del primer corredor, seguido por una ligera reducción (b) y luego un pico de impulsión (c). La fuerza varía durante el tiempo que dura el contacto entre pie y suelo. Primero, hay que entender el concepto de momento(momento cinético o momento lineal o cantidad de movimiento). Piensa en un enorme autobús que 70 BIOMECÁNICA DEPORTIVA Nelli Cooman en el Toppidrettsentret de Oslo, Noruega, con Leif Olav Alnes. Por encima de todo, ¿qué importancia atribuyes a un buen conocimiento de la biomecánica para los entrenadores y científicos del deporte? Creo que es tan importante como un buen conocimiento de la fisiología, la nutrición, las tácticas, la psicología, etc. De nada vale una buena nutrición y psicología si el deportista no se mueve óptimamente. En la cadena completa del rendimiento no debería haber eslabones débiles en los conocimientos del entrenador. Por tanto, creo que es muy importante, ¡a menos que uno entrene a jugadores de ajedrez! CAPÍTULO 6 TORQUE Y CENTRO DE MASA Dos deportistas de la misma estatura pueden saltar la misma altura con una sola pierna en una prueba en laboratorio de salto vertical, pero uno de ellos salta por encima de un listón más alto. ¿A qué se debe? ¿Qué técnicas existen para saltar obstáculos? Al final de este capítulo deberías ser capaz de: • Explicar el concepto de torque y describir los factores que influyen en él. • Calcular el centro de masa de un deportista o de un objeto. • Describir cómo puede un deportista manipular la posición del cuerpo en torno a su centro de masa para mantener el equilibrio o esquivar objetos o a contrincantes. • Explicar en estos términos la técnica óptima para saltar por encima del listón en el salto de altura. 76 BIOMECÁNICA DEPORTIVA FIG. 6.6 La gimnasta mantiene el equilibrio porque el centro de gravedad del cuerpo se localiza directamente encima de las manos (base de sustentación). FIG. 6.7 En muchos deportes es importante mantener quietos la cabeza y los ojos durante la ejecución de un movimiento. Esto suele mejorar la precisión de nuestros movimientos. En baloncesto los jugadores manipulan partes del cuerpo mientras el centro de masa (CM) del cuerpo se eleva y desciende durante un salto, según la ley de la conservación del momento (o de la cantidad de movimiento). Primero encogen las piernas bajo el cuerpo, lo cual permite mantener el hemicuerpo superior bajo respecto al CM, y luego extienden rápidamente las piernas para proyectar el hemicuerpo superior hacia arriba mientras desciende el CM del cuerpo. Esta técnica se usa para proyectar objetos en otros deportes, y por los defensas en deportes como el baloncesto y el voleibol. CAPÍTULO 7 DINÁMICA ANGULAR ¿Cuál es el mejor método para mover las piernas al correr? ¿Cómo podemos aumentar la velocidad de las piernas para incrementar la velocidad máxima en carrera? Al final de este capítulo deberías ser capaz de: • Definir los términos momento de inercia, radio de giro y momento angular. • Explicar el teorema de los ejes paralelos y exponer las implicaciones para la rapidez y eficacia de los movimientos. • Mostrar cómo los cambios en la masa, o la distribución de la masa, de un cuerpo u objeto afectan su momento de inercia y el momento angular. • Explicar cómo podemos modificar las técnicas deportivas para influir en estos parámetros y, por tanto, mejorar el rendimiento. • Describir la acción óptima de las piernas en un esprín respecto al momento de la inercia y al momento angular. CAPÍTULO 8 CONSERVACIÓN DEL MOMENTO ANGULAR ¿Por qué movemos los brazos al correr? ¿Cuál es la mejor técnica para mover los brazos? Al final de este capítulo deberías ser capaz de: • Explicar el concepto de la conservación del momento en el contexto de los movimientos deportivos. • Describir el modo en que los deportistas pueden controlar las rotaciones del cuerpo mediante la rotación deliberada de segmentos corporales. • Explicar el modo de mover los brazos al correr para reducir la rotación indeseable del cuerpo y optimizar la producción de fuerza. 104 BIOMECÁNICA DEPORTIVA FIG. 8.1 La rotación de un segmento corporal provoca una rotación reactiva en otros segmentos corporales, según la tercera ley de Newton. A: un jugador de baloncesto ejecutando un ‘mate’. B: un deportista manteniendo el equilibrio dentro del área de juego. La mayoría de los movimientos del hombre se caracterizan por el hecho de que numerosos segmentos corporales se mueven simultáneamente en círculos. Cuando corremos, las piernas se mueven cíclicamente, mientras que los brazos trazan un arco hacia delante y atrás respecto al cuerpo, y vuelta a empezar. Tal y como lo describió Newton, toda acción tiene una reacción igual y opuesta; así, cuando movemos las extremidades de forma cíclica, puede crearse en otro punto una rotación a modo de ‘reacción’ opuesta. Esto se aprecia claramente cuando un jugador de baloncesto practica un ‘mate’ como en la figura 8.1 (A). La rotación anterior y descendente del brazo durante el mate genera una rotación a modo de reacción igual y opuesta en las piernas. Como las piernas generan más inercia, su movimiento es menos apreciable. También se ve este efecto cuando una persona pierde el equilibrio. Al mover los brazos en círculo en una dirección, el cuerpo gira en la otra, como en la figura 8.1 (B). Puedes probar esta estrategia la próxima vez que un amigo intente empujarte a un charco. Éste es el principio de la tercera ley de Newton: Toda acción angular genera una reacción angular igual y opuesta. También podríamos decir que cuando la persona de la figura 8.1 (B) comienza a caer, el momento angular es escaso. La energía no se crea ni se destruye, sino que se mantiene constante; por ejemplo, la energía eléctrica que atraviesa el filamento de una bombilla se transforma exactamente en la misma cantidad de calor y luz. La energía de un sistema en movimiento también se mantiene constante. Sea cual fuere el momento al comenzar, se debe conservar en el sistema a menos que una CAPÍTULO 9 TRABAJO, POTENCIA Y ENERGÍA Un jugador que hace un bloqueo en voleibol necesita poder practicar un gran número de saltos verticales repetidos sin cansarse. ¿Cómo podemos determinar si el entrenamiento mejora la relación entre coste energético y altura de los saltos? Al final de este capítulo deberías ser capaz de: • Definir y calcular las magnitudes del trabajo, la potencia y la energía. • Explicar el concepto de la eficacia con ejemplos de deportes. • Elaborar pruebas para medir el trabajo, la potencia, la energía y la eficacia, y usarlas para mejorar el rendimiento deportivo. CAPÍTULO 10 COLISIONES Corres hacia otro jugador de rugby para placarlo. ¿Cómo estar seguro de que será él y no tú quien retroceda al chocar? Al final de este capítulo deberías ser capaz de: • Explicar el concepto de la conservación del momento en el ámbito de las colisiones. • Predecir el resultado de las colisiones conociendo la masa y velocidad de los cuerpos. • Usar esta información para mejorar el resultado de la colisión de un jugador o un deportista. CAPÍTULO 12 EL ROZAMIENTO ¿Cómo hacer retroceder a un jugador de rugby que tiene los tacos firmemente apoyados en el suelo? Al final de este capítulo deberías ser capaz de: • Definir el término ‘rozamiento’ e identificar sus distintas formas. • Explicar los factores que influyen en el rozamiento, poder manejarlos y medir sus efectos para mejorar el rendimiento deportivo. • Elaborar un modelo sencillo usando una hoja de cálculo para evaluar directamente los efectos del cambio de dirección de la aplicación de fuerza sobre el rozamiento, y la capacidad para desplazar un cuerpo (o un contrincante). 148 BIOMECÁNICA DEPORTIVA presión con una sobre otra lo más fuerte que puedas e intenta deslizarlas. Resulta mucho más difícil (o imposible si eres muy fuerte). La fuerza de empuje de una superficie sobre la otra influye en el rozamiento entre ellas. Como la fuerza de empuje que mantiene unidas las manos actúa perpendicular a las superficies, la llamamos fuerza normal. FIG. 12.2 Cuando la presión entre las manos es ligera y la fuerza de reacción normal es pequeña (A), el rozamiento es menor por lo que las manos se deslizan entre sí con facilidad. Cuando la presión de una mano contra otra es firme y la fuerza de reacción normal es grande (B), la fuerza de rozamiento es grande y las manos no se deslizan una sobre otra. (Por otra parte, una fuerza tangencial actúa paralela o alineada –o podríamos decir en la tangente– con la superficie.) Así, la fuerza de rozamiento está dictada por dos factores: (1) el coeficiente de rozamiento, que nos dice algo sobre el grado de ‘retención’ de dos superficies, y (2) la fuerza de reacción normal, que nos dice algo sobre lo apretadas que están las dos superficies una contra otra. Podemos describir la relación como sigue: Ff = μR Donde ‘Ff’ es la fuerza de rozamiento, ‘m’ es el coeficiente de rozamiento y ‘R’ es la fuerza normal, que es una fuerza de reacción, como viste en los capítulos 4 y 5. Lo que esto significa es que, si conoces el coeficiente del rozamiento estático y la fuerza de reacción normal, puedes calcular la fuerza necesaria para iniciar el movimiento entre las superficies. Si conocieras el coeficiente de rozamiento cinético, podrías calcular la fuerza necesaria para mantenerlas en movimiento. Lo importante es recordar que la fuerza que mantiene juntos ambos cuerpos es siempre la fuerza de reacción normal. Si la fuerza se mide como un ángulo entre las superficies, tendrás que descubrir la magnitud del componente normal, como se ve en la figura 12.3. CAPÍTULO 13 DINÁMICA DE FLUIDOS: RESISTENCIA Sabemos que la aerodinámica es muy importante en el ciclismo, pero ¿cómo determinar la postura aerodinámica óptima del cuerpo sobre una bicicleta? Al final de este capítulo deberías ser capaz de: • Explicar el concepto de resistencia y diferenciar entre sus distintos tipos. • Describir los factores que influyen en la resistencia y cómo podemos manejarlos para mejorar el rendimiento deportivo. • Diseñar experimentos que evalúen el impacto de la posición del cuerpo o las modificaciones del equipamiento sobre la resistencia y el rendimiento subsiguiente. 156 BIOMECÁNICA DEPORTIVA Necesitamos saber qué factores afectan la resistencia para poner de relieve un número probable de ‘mejores posiciones aerodinámicas’, y luego someterlas a prueba. Factores que afectan la resistencia Todos habremos notado que resulta más arduo correr, montar en bicicleta o lanzar un implemento (como una pelota de fútbol) contra un viento fuerte de cara. La razón es que, en estas circunstancias, la fuerza de resistencia se incrementa. La resistencia ocurre cuando moléculas de un fluido (por ‘fluido’ se entiende todo medio que se mueve, incluido el aire) chocan con un objeto y le roban parte de su energía. Como aprendiste en el capítulo 9, todo objeto en movimiento posee energía cinética. Si se pierde energía, la masa o la velocidad tienen que disminuir. Es poco habitual que la masa se reduzca, por lo que normalmente los objetos pierden velocidad. La pérdida de energía que un cuerpo cede a un fluido se puede visualizar de dos formas. La forma teóricamente correcta consiste en asumir que el fluido que se dirige a un cuerpo se divide en dos capas, es decir, no se arremolina. Éste es el flujo laminar, como se muestra en la figura 13.1. El fluido tiene una cierta cantidad de energía, que se mantiene constante, aunque, al pasar junto al cuerpo, cambia de dirección y, por tanto, de velocidad, y así adquiere energía. La energía adquirida por el fluido siempre equivale a la energía perdida por el cuerpo, dado que (como ya sabes) la energía no se crea ni se destruye. Este flujo no laminar se llama flujo turbulento (habrás oído la palabra turbulencia antes, especialmente si tienes miedo a volar). Cuando un fluido como el aire o el agua pasa de flujo laminar a flujo turbulento, su energía aumenta en la medida en que el cuerpo la pierde. FIG. 13.1 Un fluido que se aproxima a un cuerpo muestra un deslizamiento en capas. Este tipo de fluido se llama laminar por su disposición esencialmente en estratos. Al aproximarse a un objeto, el flujo se diversifica. En cierto punto, el flujo del fluido se vuelve turbulento al precipitarse hacia las áreas de baja presión. Este flujo turbulento resta energía al cuerpo. CAPÍTULO 14 HIDRODINÁMICA: RESISTENCIA Hemos analizado a un nadador en 400 m estilo libre (crol) y hemos visto que su marca nadando –el tiempo real de nado, no el de la salida ni el de los virajes– fue peor que la de sus competidores. ¿Cómo mejorar su desplazamiento por el agua para aumentar su velocidad de nado? Al final de este capítulo deberías ser capaz de: • Definir el término ‘resistencia’ y explicar cómo identificar sus distintas formas. • Explicar los factores que influyen en el rozamiento, saber manipularlos y medir sus efectos para mejorar el rendimiento deportivo. • Elaborar un modelo sencillo usando una hoja de cálculo para evaluar directamente los efectos del cambio de dirección de la aplicación de fuerza sobre el rozamiento y la capacidad para desplazar un objeto (o un contrincante). 14 • HIDRODINÁMICA: RESISTENCIA Resistencia del oleaje Recordarás que hay tres tipos principales de resistencia: de la forma, de la superficie y del oleaje. La resistencia del oleaje ocurre en la interfaz del agua y el aire cuando el nadador se desplaza por el agua. La ola que se crea delante del nadador se opone a él restándole celeridad o aumentando la energía necesaria para nadar a una celeridad dada (figura 14.1). Alrededor del cuerpo se forman otras olas debido a las diferencias de presión, que también restan energía. Al nadar, la resistencia del oleaje tiene un efecto muy significativo. De hecho, al nadar estilo crol ‘solo con los brazos’, se ha calculado que la resistencia del oleaje constituye hasta el 50% de la resistencia total del cuerpo (Toussaint y Truijens, 2005). FIG. 14.1 Al nadar las olas se acumulan en la cara anterior del cuerpo. Estas olas se oponen al movimiento hacia delante del nadador. Otras olas se forman alrededor del nadador de acuerdo con diferenciales de presión. FIG. 14.2 Las olas se forman a intervalos alrededor de un barco (A). Cuando el barco pasa de poca (B) a gran celeridad (C), las olas se hacen más altas (es decir, su amplitud es mayor) y aumenta el espacio entre una y otra. Como se ve en C, en cierto punto la distancia entre las olas de proa y de popa será la misma que la longitud del barco. En tal caso, el barco (o nadador) se desplazará en el ‘seno’ entre dos olas. 177 CAPÍTULO 15 HIDRODINÁMICA: PROPULSIÓN Si, después de introducir los cambios necesarios expuestos en el capítulo 14, vemos que las marcas mejoran, pero siguen sin ser tan buenas como las de otros nadadores, ¿qué más podemos hacer? Al final de este capítulo deberías ser capaz de: • Explicar la importancia de la fuerza de resistencia y la fuerza ascensional en la propulsión natatoria. • Describir la técnica propulsiva teóricamente óptima respecto a la producción de resistencia y fuerza ascensional. • Explicar cómo se genera la fuerza ascensional en natación (y en otros deportes) con referencia a las leyes de Newton y el efecto Bernoulli. 15 • HIDRODINÁMICA: PROPULSIÓN discrepancia entre los impulsos predichos sobre modelos de fuerza ascensional y resistencia y las mediciones en natación. Los complicados análisis biomecánicos de nadadores de elite a comienzos de la década de 1990 (p. ej., Cappaert, 1993) también demuestran que la mano adoptaba una trayectoria más recta de lo esperado. Un experimento muy sencillo, realizado por Toussaint et al. (2002), demostró que el potencial de la fuerza ascensional aumentaba mediante el efecto Bernoulli. Daniel Bernoulli nació en Groningen, Holanda, en 1700. Fue el primer científico en describir la relación entre la presión de los fluidos y la velocidad. Bernoulli descubrió que áreas de flujo de gran velocidad en los fluidos se asociaban con una presión más baja. El supuesto de que los fluidos que más rápido se mueven son los que desarrollan una presión más alta no es el caso. FIG. 15.3 Como debe fluir la misma cantidad de agua por todos los puntos de la cañería, el deslizamiento del agua en el punto A es más lento que en el punto B. Esto permite a las partículas interactuar con la tubería y crear una presión. Cuando aumenta la celeridad del agua, las partículas fluyen más a lo largo de la tubería, por lo que es posible una interacción menor y la presión es más baja. Piensa en una tubería por la que corre el agua (figura 15.3). A medida que el volumen de partículas de agua (es decir, la masa) avanza a menor velocidad por la tubería, las partículas en movimiento interactúan más con la superficie de la tubería. Esta interacción genera una presión (es decir, una fuerza sobre un área dada), porque cada partícula ejerce una fuerza al chocar con la tubería. A medida que la tubería se estrecha, la celeridad del agua aumenta, porque el mismo volumen de agua debe fluir por esa sección de la tubería, pero cabe menos agua en un momento dado (debido a la conservación del momento). Las moléculas fluyen ahora más en la dirección de la tubería, por lo que hay menos posibilidades 191 CAPÍTULO 16 EL EFECTO MAGNUS Después de golpearla, una pelota de golf vuela en línea recta, pero al final traza una curva hacia la derecha. ¿Por qué hace eso? ¿Cómo conseguir que la bola vuele sin desviarse? Al final de este capítulo deberías ser capaz de: • Describir cómo se genera una fuerza ascensional mediante la rotación de un objeto haciendo referencia a la ley de Newton y al principio de Bernoulli. • Explicar los efectos de la velocidad relativa del viento y la velocidad de giro de los objetos sobre la magnitud de la fuerza Magnus. • Dar ejemplos sobre cómo el efecto Magnus puede afectar negativamente el rendimiento deportivo. • Dar ejemplos de cómo se puede usar el efecto Magnus para mejorar el rendimiento deportivo. 210 BIOMECÁNICA DEPORTIVA FIG. 16.3 La rotación de la pelota provoca que la capa limítrofe en la superficie se separe antes y se aleje de la pelota. En la parte inferior, la capa limítrofe se separa más tarde y el aire es arrastrado hacia arriba detrás de la pelota. Por tanto, hay una masa de aire con velocidad que asciende detrás de la pelota. Es decir, el aire tiene momento (mVaire, donde m = masa, y v = velocidad). El movimiento ascendente del aire causa una fuerza en la dirección opuesta, mientras que el aire por encima de la pelota desciende para conservar el momento (Fpelota). contraria (es decir, descendente en la figura 16.3). Por eso la fuerza ascensional de una pelota con rotación se explica bien con las leyes de Newton. También podríamos decir que el aire tiene masa y velocidad y, por tanto, momento. Según la ley de la conservación del momento, debe haber momento en otra dirección; es decir, la pelota se tiene que mover en la dirección opuesta. Estos argumentos son muy parecidos a los de la generación de fuerza ascensional, expuestos en el capítulo 15. Al final, las explicaciones de ‘Bernoulli’ y de ‘Newton’ son esencialmente las mismas, aunque deberás entenderlas. No necesitas ser capaz de calcular estas fuerzas (y las matemáticas son complicadas), pero deberías leer el recuadro 16.1. RECUADRO 16.1 LAS MATEMÁTICAS DEL EFECTO MAGNUS Los mecanismos que contribuyen al efecto Magnus son complejos y se requiere un gran esfuerzo matemático para predecir los efectos de cambios en la celeridad de la pelota, la celeridad del viento o la celeridad de rotación sobre la curva de una pelota. En sentido amplio, cuanto más rápido gire o viaje una pelota, mayor será la desviación de su trayectoria. Así, si la pelota vuela contra el viento (por lo que la celeridad relativa de la pelota y el aire es mayor), la pelota variará más su trayectoria con menos rotación. Así, en el tenis, podría ser bueno golpear contra el viento porque puedes imprimir más celeridad horizontal a la pelota sin preocuparte tanto por liftarla mucho. Pero si eres un futbolista principiante que quiere pegar a la pelota en línea recta, podría ser mejor golpearla con el viento a favor, porque incluso un poco de rotación sobre la pelota causará que ésta se desvíe y no llegue a su destino. CAPÍTULO 17 LA CADENA CINÉTICA El «pase de pecho» con ambas manos se suele practicar en deportes como el baloncesto. Aunque es un pase muy preciso, las celeridades alcanzadas son bajas en relación con los lanzamientos a una mano. ¿A qué se debe y qué técnicas podemos emplear para aumentar la celeridad de la pelota? Al final de este capítulo deberías ser capaz de: • Explicar las características distintivas de los patrones de movimiento de empuje y lanzamiento, y los movimientos en cadena cinética abierta y cerrada. • Determinar si un movimiento deportivo concreto mejora con la adopción de un patrón de lanzamiento o de empuje. • Describir cómo podría mejorar el rendimiento deportivo modificando el patrón predominante de movimiento. 216 BIOMECÁNICA DEPORTIVA En este libro hemos descubierto que podemos usar diversas técnicas para practicar tareas deportivas en distintas situaciones, pero ¿existen patrones de movimiento más generalizados que podríamos refinar en situaciones específicas? Como ya sabes, el movimiento humano implica una compleja coordinación de movimientos individuales y de varias articulaciones al mismo tiempo. Tenemos una cadena de partes del cuerpo en movimiento; la cadena cinética. Hay dos categorías principales de patrones de cadena cinética: empuje y lanzamiento. Patrones de movimiento de empuje Un patrón de movimiento de empuje es exactamente lo que esperas que sea: nos movemos como si estuviéramos empujando algo. Es decir, tendemos a extender simultáneamente todas las articulaciones de nuestra cadena cinética en un movimiento único. Son buenos ejemplos del uso de un patrón de empuje el press de banca y los ejercicios de sentadillas que se practican en el entrenamiento con pesas (figura 17.1), los tiros libres en baloncesto, el lanzamiento de dardos y los movimientos más habituales como ponerse de pie estando sentado. FIG. 17.1 El press de piernas (izquierda) y las sentadillas (derecha) son ejemplos de tareas cumplidas mediante un patrón de movimiento de empuje. FIG. 17.2 Los jugadores de rugby usan un patrón de empuje para generar suficiente fuerza con que hacer retroceder a sus contrincantes durante una melé. APÉNDICE A UNIDADES DE MEDIDA Es importante citar las magnitudes científicas con las unidades correctas. He aquí algunas de las unidades de medida más corrientes que puedes usar. Las ecuaciones que se usan para calcular estas variables aparecen en el apéndice D. Variable Nombre de la unidad Abreviatura de la unidad Distancia milímetro metro kilómetro metros por segundo metros por segundo en una dirección dada metros por segundo por segundo kilogramo newton newton-segundo kilogramo-metros por segundo kilogramo-metros al cuadrado por segundo kilogramo-metros al cuadrado newton-metros julios vatios julios mm m km m·s–1 m·s–1 m·s–2 kg N N·s kg·m·s–1 kg·m2·s–1 kg·m2 N·m J W J Celeridad Velocidad Aceleración Masa Fuerza Impulso Momento lineal Momento angular Momento de inercia Torque Trabajo Potencia Energía APÉNDICE B DESTREZAS Y MATEMÁTICAS BÁSICAS Ángulos Los ángulos se definen como la variación angular entre dos líneas o ejes, donde una línea o medición se designa como primaria. En el ejemplo A, el ángulo (θ) se define como positivo de 1 a 2 en sentido horario (‘1’ es la línea primaria, por lo que el ángulo se mide desde aquí), mientras que en el ejemplo B el ángulo se define como positivo de 2 a 1. FIG. B.1 El cálculo del ángulo inverso se indica con un signo negativo. Por ejemplo, el ángulo inverso en B equivale a -1,22 rad o -70°. Hay 6,28 (2π) radianes o 360º en un círculo completo. La velocidad angular y la aceleración angular también se miden del mismo modo, pero son las integrales de tiempo del ángulo. Por ejemplo, la velocidad angular se mide en rad·s–1 o °·s–1, y la aceleración angular en rad·s–2 o °·s–2. La frecuencia con la que un cuerpo rota se mide en ‘ciclos por segundo’ o hercios (Hz). Si un cuerpo gira 6,28 (2π) radianes (360°) por segundo, su frecuencia de rotación es 1 Hz. APÉNDICE C TRIGONOMETRÍA BÁSICA Triángulos rectángulos La trigonometría es una rama de la matemática que aplica las relaciones conocidas entre ángulos y lados de los triángulos para resolver problemas. Las funciones más usadas son las del triángulo rectángulo. Una relación útil es el teorema de Pitágoras, que expresa la relación entre la hipotenusa (el lado más largo) y los catetos u otros dos lados del triángulo rectángulo: El cuadrado de la hipotenusa es igual a la suma de los cuadrados de los catetos C2 = A2 + B2 FIG. C.1 Así puedes calcular la longitud del lado C si sabes la longitud de los catetos A y B. Si el cateto A = 4 m y el cateto B = 5 m, entonces la hipotenusa o lado C es igual a: C2 = A2 + B2 C2 = 42 + 52 C2 = 16 + 25 C2 = 41 C = 41 C = 6,4 m Si supieras la longitud de la hipotenusa (C) y la de uno de los catetos, podrías calcular la longitud del cateto desconocido despejando la ecuación como aprendiste antes. GLOSARIO Aceleración angular. Tasa de cambio de la velocidad angular; igual a la velocidad angular por unidad de tiempo. Aceleración lineal. Índice de cambio de la velocidad lineal; equivale a la velocidad angular por unidad de tiempo. Alcance. Desplazamiento horizontal de un cuerpo desde su proyección hasta su aterrizaje. Alerón. Cuerpo cuya forma genera fuerza ascensional en un fluido en movimiento. Altura de proyección. Diferencia vertical entre la altura del lanzamiento y la del aterrizaje. Angular. Relativo a la rotación sobre una línea o punto. Ángulo de ataque. Ángulo entre el eje longitudinal de un cuerpo y la dirección relativa del flujo del fluido. Ángulo de incidencia. Ángulo entre la trayectoria de un cuerpo y una línea perpendicular a la superficie con la que está actualmente en contacto (es decir, la línea normal). Ángulo de proyección. Ángulo relativo respecto a una superficie definida (por lo general, el suelo) en que se proyecta un cuerpo. Ángulo de reflexión. Ángulo entre la trayectoria de un cuerpo y una línea perpendicular a la superficie contra la que ha rebotado (es decir, la línea normal). Biomecánica. Campo de la ciencia dedicada al conocimiento de los principios mecánicos aplicados a organismos biológicos. Brazo de momento. Distancia perpendicular entre el centro de rotación de un cuerpo y la línea de acción de una fuerza que actúa sobre el cuerpo. Cadena cinética. Segmentos unidos de un cuerpo que se mueven juntos. Campo de visión. Área total cubierta por una cámara con una especificidad de zoom dada. Capa limítrofe. Capa de fluido inmediatamente alrededor de un objeto.
