El Análisis Biomecánico en la Natación - Parte 1 (Dr. Salvador Llana Belloch)

INTRODUCCIÓN

La Biomecánica Deportiva es una ciencia de muy reciente aparición y consolidación en el ámbito científico internacional. Su objetivo es doble: por un lado la mejora del rendimiento deportivo y, por otro, la prevención de lesiones. Para lograr este doble objetivo se centra en la optimización de la técnica deportiva y del material y equipamiento utilizado por los deportistas.
Centrándonos en la natación, la Biomecánica Deportiva proporciona conocimientos de aplicación general a las actividades acuáticas (por ejemplo, el Principio de Arquímedes para explicar la flotación) y conocimientos de aplicación específica (por ejemplo, trayectorias y velocidades de la mano durante la tracción en cualquiera de los estilos de competición). Además, y como todas las ciencias, proporciona un instrumental de medida que permite el análisis y la evaluación de la actividad natatoria de los deportistas. Tradicionalmente, dicho instrumental ha sido muy caro y de difícil manejo, por lo que solamente ha estado al alcance de determinados centros de investigación (Centros de Alto Rendimiento Deportivo, Facultades e INEFs), pero desde hace unos años están apareciendo en el mercado instrumentos de menor coste y de fácil manejo, lo que hace posible su adquisición por parte de entidades con mejores recursos económicos.
En la presente ponencia se pretende dar una visión amplia de las aportaciones que la Biomecánica Deportiva puede proporcionar al mundo de las actividades acuáticas y de la natación deportiva. Para ello, el texto se presenta en dos apartados; el primero proporciona los conceptos biomecánicos básicos que justifican el desempeño humano en el medio acuático y, el segundo, presenta el instrumental de medida de más frecuente utilización en el estudio de dicho desempeño.


CONCEPTOS BIOMECÁNICOS BÁSICOS DEL NADO

“El 65% de nosotros es agua, eso dicen, pero cuando el ser humano se introduce en el medio acuático se encuentra en un elemento extraño para el que estamos pobremente diseñados y donde nuestra locomoción es poco eficiente. Los peces y otros animales marinos están equipados con aletas que son relativamente pequeñas en comparación con el tamaño de su cuerpo, los humanos tenemos unos miembros superiores e inferiores largos y delgados que proporcionan muy poca superficie con la que interactuar con el agua.” (Counsilman & Counsilman, 1994).
El párrafo anterior, expone la evidencia de que el ser humano no está diseñado para la locomoción en el medio acuático. No obstante, la necesidad de cruzar ríos, adentrarse en el mar, etc. obligó al ser humano a introducirse en este medio “extraño”. Como ejemplo de estas incipientes incursiones en el medio acuático se puede destacar que en el Museo Británico hay una vasija asiria que data del 800 A.C. que muestra tres guerreros cruzando a nado un río.
Actualmente, el número de actividades que se realizan en el agua es inmenso, incluyendo actividades de carácter competitivo, recreativo y terapéutico. Sin embargo, no siempre ha sido tan recomendado y aceptado por la sociedad, como pone de manifiesto el Diccionario Médico Londinense de Bartholomew Parr (1902): “El nado es un ejercicio laborioso que no debe ser realizado hasta la extenuación. No es natural para el hombre ...”.
El ineficiente desempeño del ser humano en el medio acuático se debe a las características propias del agua: un fluido denso y viscoso, en el que resulta difícil aplicar fuerzas propulsivas y donde las fuerzas de resistencia al avance son muy patentes. Para tener una buena comprensión de la locomoción humana en el medio acuático, es necesario conocer qué fuerzas se ponen en juego cuando éste se sumerge en su interior. La figura 1 muestra las cuatro fuerzas que rigen el nado del ser humano: la fuerza peso y el empuje hidrostático determinan la flotabilidad del nadador, mientras que las fuerzas propulsivas y de resistencia determinan su velocidad de nado.
Figura 1

A continuación se explican, con algo más de detalle, como interactúan estas cuatro fuerzas durante el nado.

FLOTACION:
La flotación de un cuerpo en el agua depende de las fuerzas que se apliquen en un instante dado. En reposo, la flotación viene determinada por el Principio de Arquímedes, según el cual, “todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical (dirección) y ascendente (sentido) igual al peso del volumen de fluido desalojado”. Dicho empuje se denomina empuje hidrostático (Eh). Consecuentemente, cuando una persona se introduce en el medio acuático, y no realiza ningún movimiento, su flotabilidad depende de su peso y del empuje hidrostático: cuando el peso sea mayor que el empuje hidrostático se hundirá y cuando sea menor flotará.
Las ecuaciones 1 y 2 muestran como, siendo la gravedad (g) y el volumen del cuerpo y de agua desalojada iguales, lo que determina la flotabilidad de un cuerpo es la relación de densidades.

Ec.1: Eh = magua g = vagua ρagua g
Ec.2: P = mcuerpo g = vcuerpo ρcuerpo g
vagua = vcuerpo
g = g
ρfluido ≠ ρcuerpo

La densidad del agua varía ligeramente con la temperatura, pero puede considerarse próxima a los 1000 kg/m3. Aquellos cuerpos que tengan densidades superiores se hundirán, mientras que los que tengan densidades inferiores flotarán. El cuerpo humano no tiene una densidad homogénea, sino que existen diferencias importantes entre los diferentes tejidos que lo forman. El más denso es el tejido óseo, con unos 1800 kg/m3, tejidos como el muscular, el tendinoso y el ligamentoso poseen densidades ligeramente superiores a las del agua, unos 1020-1050 kg/m3, y, el único tejido menos denso que el agua, es el tejido adiposo, con una densidad de unos 950 kg/m3. Por consiguiente, el ser humano debería hundirse siempre ¿por qué no ocurre esto? La respuesta hay que buscarla en el aire ubicado en pulmones y vías respiratorias, puesto que la densidad del aire es unas mil veces menor que la del agua, es decir, 1 kg/m3. De esta manera, los pulmones actúan como flotadores: durante la inspiración “se hinchan” y durante la expiración “se deshinchan”. Por lo tanto, la habilidad el ser humano para flotar (flotación pasiva) depende, básicamente, de su habilidad para expandir su caja torácica (figura 2).

Figura 2

Como muestra la figura 3, el peso y el empuje hidrostático se aplican en puntos distintos: el peso se aplica en el centro de gravedad, mientras que el empuje hidrostático se aplica en el centro de flotación o de carena. De esta manera, un cuerpo en posición ventral se ve sometido a un momento torsor (par de fuerzas) que obliga al cuerpo a girar hasta que las líneas de acción de las dos fuerzas mencionadas sean coincidentes, cosa que ocurre cuando el cuerpo queda en posición vertical y, siempre, con el centro de gravedad por debajo del centro de flotación.

Figura 3


RESISTENCIA QUE OPONE EL AGUA AL AVANCE DEL SER HUMANO EN SU INTERIOR:
La resistencia es una fuerza con la misma dirección y sentido contrario al avance, de manera que dificulta o impide el desplazamiento de un cuerpo en el seno del agua. Cuando el nadador se desplaza en el agua aparecen tres tipos de resistencias: resistencia de forma, resistencia por oleaje y resistencia por fricción.
1. Resistencia de forma o presión. Es la más importante de las tres y es debida a que durante el nado se genera una zona de alta presión delante del cuerpo y otra de baja presión detrás de él. Dicho gradiente de presiones frena el avance del cuerpo (figura 4). Esto es debido principalmente a que el agua deja de fluir laminarmente, apareciendo flujos turbulentos.

Figura 4

Este tipo de resistencia puede cuantificarse mediante la ecuación 3 (formulada por Newton en el s.XVIII), y que relaciona las diferentes variables que intervienen.

Ec. 3: Rde forma = ½ S Cx V2 ρ
Donde: S = superficie frontal de contacto
Cx = coeficiente de forma o penetrabilidad
V2 = velocidad, elevada al cuadrado
ρ = densidad

Esta ecuación es adecuada para medir la resistencia pasiva, es decir, cuando el nadador mantiene una posición fija y es arrastrado por algún mecanismo. Sin embargo, durante el nado los nadadores continuamente cambian la alineación de su cuerpo y las posiciones de sus miembros inferiores e inferiores. Por ello, para medir la resistencia activa hay que cambiar “S” por la llamada área superficial corporal “A”. Con esto, el “Cx”se transforma en el coeficiente de resistencia activa, “CDa” (este coeficiente se calcula a partir del denominado número de Froude. En general, a mayor número de Froude menor resistencia activa y viceversa):

Ec. 4: Ractiva = ½ S CDa V2 ρ

Dado que la densidad no puede modificarse (sólo un poco con la temperatura) y la velocidad no interesa disminuirla, sino todo lo contrario, para disminuir la resistencia de forma hay que intentar disminuir el coeficiente de resistencia y la superficie frontal. Esto se consigue, básicamente, con una buena alineación del cuerpo, tal y como muestra la figura 5. Además, los nadadores pueden experimentar cierto nivel de “elevación hidrodinámica”, lo que disminuye la superficie de choque con el agua (Takagi & Sanders, 2000). Del mismo modo, un incremento de la flotación debido al uso de trajes de neopreno puede disminuir la resistencia en un 15% (Toussaint y cols. 1988). En el dado opuesto, un excesivo volumen muscular puede ser contraproducente, puesto que aumenta la citada superficie frontal efectiva. Esto puede justificar el hecho de que muchos nadadores empeoran sus marcas tras períodos de entrenamiento de la fuerza en seco: las ganancias en fuerza no compensan el aumento de resistencia asociado al incremento de volumen muscular.

Figura 5

2. Resistencia debida al oleaje. Es un tipo de resistencia que aparece cuando un cuerpo se mueve en la interfase del agua y el aire, por lo que no existe en los desplazamientos subacuáticos. A velocidades bajas es poco importante, pero a altas velocidades puede llegar a convertirse en la resistencia más importante (Kreighbaum & Barthels, 1990). Es debida al choque del nadador con la masa de agua de las olas que se forman como consecuencia de su avance y, especialmente, de los movimientos ascendentes-descendentes de los segmentos corporales.
Durante el nado subacuático tras las salidas y los virajes, no aparece este tipo de resistencia. Los estudios de Little & Blanksby (2000) indican que la profundidad óptima debe oscilar entre 0´35-0´45 metros. Por otro lado, los estudios del propio Blanksby (2000), y de Shimizu y cols. (1997), demuestran que la resistencia al avance durante el nado subacuático disminuye, solamente, a velocidades superiores a 1´9 m/s.
Aplicando la ley de acción-reacción (tercera ley de Newton), al chocar el cuerpo del nadador con las olas, el agua será desplazada hacia delante mientras que el nadador será desplazado hacia atrás. La pérdida en velocidad que experimentará el nadador será equivalente a la cantidad de momento (P = m v) que éste le aplique a la masa de agua que desplaza hacia delante.
Al igual que ocurre con la resistencia de forma, una buena técnica disminuye el oleaje y, como consecuencia, la resistencia asociada al mismo. Así, para dos grupos de nadadores con diferente nivel técnico que nadan a la misma velocidad, el oleaje es menor en el grupo de mayor nivel técnico (Takamoto, Ohmichi y Miyashita, 1985).
Paradójicamente, cierto nivel de oleaje puede ser positivo en el caso del estilo crol, puesto que la depresión de agua creada alrededor de la cabeza facilita la respiración. A esta depresión de agua se le denomina el “bolsillo de aire”, y es tanto mayor cuanta mayor es la velocidad de nado.

3. Resistencia por fricción o debida al arrastre viscoso (superficial). Es la menos importante de las tres y, sin embargo, es la que más a revolucionado la estética de los nadadores; durante décadas al incitarles a la depilación y, actualmente, al desarrollarse bañadores de cuerpo entero. Su valor es dependiente de la cantidad de superficie en contacto con el agua, de la viscosidad del agua (que puede modificarse ligeramente con la temperatura), del coeficiente de fricción de la piel, pelo y bañador, y de la velocidad de nado.
Los actuales bañadores de piel de tiburón permiten disminuir la resistencia por fricción en cerca de un 8%. Esta reducción es debida al “efecto Riblet”, esto es; la piel del tiburón dispone de unos microscópicos dentículos (figura 6) que originan vórtices verticales o espirales de agua, que permiten mantener ésta cerca de la superficie, evitando así la aparición de zonas de baja presión y flujos turbulentos. La investigación y desarrollo de la piel de Riblet fue llevada a cabo en el Langley Research Center de la NASA en la década de los 80, y puesta en práctica por primera vez en el barco “Barras y estrellas” que ganó la Cópa América de 1987. Durante más de una década los investigadores han intentado aplicar dichos conceptos a los trajes de nado, pero sólo recientemente se han desarrollado trajes realmente eficaces.
Figura 6

PROPULSIÓN:
En la mayoría de libros y artículos que tratan sobre el tema, se acepta que son dos las leyes del movimiento que justifican la propulsión de los nadadores: la ley de acción-reacción y el teorema de Bernouilli. Sin embargo, todavía existe cierta controversia respecto a su contribución, especialmente desde que a mediados de 1980 se postuló la posibilidad de generar propulsión en base a la formación de vórtices (Colwin, 1984, 1985).
Gran parte de la investigación en biomecánica del nado de la última década ha ido encaminada a desvelar este problema (Arellano, 1996) pero aún estamos lejos de una teoría unificada que explique la propulsión humana en el medio acuático.
A continuación se hará un breve repaso histórico de cómo han ido surgiendo las diferentes hipótesis citadas en el párrafo anterior.
Hasta la década de 1960 no existía un soporte científico a las distintas técnicas natatorias, cada entrenador tenía su propia opinión basada en su experiencia personal y en observación de los mejores nadadores. En 1968 J. Counsilman postuló que la propulsión generada por las manos de los nadadores podía ser explicada mediante la ley de acción-reacción (tercera ley de Newton). Según sus postulados la mano debía entrar al agua con el codo extendido, para posteriormente flexionarse y volverse a extender. De esta manera resultaría posible empujar el agua durante un mayor recorrido horizontal hacia atrás y, por reacción, desplazar su cuerpo hacia delante a mayor velocidad. La aceptación de esta teoría, conocida como teoría propulsiva de arrastre, dio lugar a la terminología todavía hoy utilizada de:

Tirón: primera mitad de la tracción, cuando el codo se flexiona.
Empuje: segunda mitad de la tracción, cuando el codo se extiende.

Asimilando la propulsión acuática a la terrestre, se postuló que la trayectoria de la mano debía ser rectilínea (figura 7). Sin embargo, pronto resultó patente que los mejores nadadores no realizaban trayectorias rectilíneas, sino que las manos describían un patrones curvilíneos (figura 8). No obstante, lejos de revocar la propulsión mediante la ley de acción-reacción, llegó a la conclusión de que esta trayectoria permitía empujar mejor el agua hacia atrás debido a que los cambios de trayectoria de la mano permitían al nadador “apoyarse en aguas quietas”: una vez el agua es acelerada hacia detrás, adquiere momento lineal (cantidad de movimiento; P = masa x velocidad) de manera que seguir acelerándola resulta tanto más difícil cuanto mayor es su velocidad, por consiguiente, al modificar la trayectoria de la mano se consigue mover aguas que no poseen momento lineal (aguas quietas = sin momento lineal).
Figura 7

Figura 8

Hasta dichas fechas todos los estudios relativos a la propulsión se habían realizado tomando como sistema de referencia el cuerpo del nadador, lo que se conoce como un sistema de referencia local, es decir, que se representa la trayectoria de la mano en relación a un sistema de referencia móvil. En el año 1971 Brown y Counsilman publican los resultados del primer estudio utilizando un sistema de referencia inercial o fijo. Este estudio es considerado, en palabras de Maglischo (1993) como “la más importante contribución a la biomecánica de la natación hasta la década de los 70”. En este clásico estudio se filmaron mediante técnicas de fotogrametría estroboscópica nadadores que portaban luces en sus manos en una piscina oscura. Los resultados fueron sorprendentes: las trayectorias descritas por las manos tenían un componente más vertical y/o lateral que horizontal hacia atrás. En otras palabras, los nadadores se propulsan utilizando movimientos de zingladura en los que los movimientos de la mano hacia arriba-abajo y hacia dentro-fuera son más importantes que los movimientos hacia atrás.
Estos resultados contradecían la teoría hasta la fecha aceptada, puesto que el movimiento hacia atrás de la mano no es el movimiento más significativo durante la tracción subacuática. Brown y Counsilman postularon que los movimientos curvilíneos o de zingladura eran propulsivos debido a que generaban la denominada fuerza de elevación o sustentación cuya generación se explicaría por el denominado teorema de Bernouilli: “la velocidad de las partículas de un fluido y la presión que éstas ejercen lateralmente, son valores inversamente proporcionales, es decir, que su suma tiende a permanecer constante”. Este principio de Bernouilli, indica que cuando aumenta la velocidad del fluido la presión que dicho fluido ejerce disminuye y viceversa. Consecuentemente el gradiente de presiones que se genera, crea una fuerza ascensional o de sustentación. La fuerza de sustentación es evidente cuando el sólido que viaja a través del fluido presenta un perfil asimétrico, como el ala de un avión o la de un pájaro (figura 9).
Figura 9

Esta teoría adquirió gran aceptación en las décadas de los 70 y 80, de manera que la fuerza propulsiva sería la suma de dos componentes; el componente de la fuerza de arrastre y el componente de la fuerza de sustentación. Así, la fuerza producida por la mano de los nadadores se podía determinar según indica la ecuación 5:

Ec. 5: Fhidrodinámica = ½ (CL + CD ) S V2 ρ
Donde: CL = coeficiente de sustentación
CD = coeficiente de arrastre
S = superficie frontal de contacto
V2 = velocidad, elevada al cuadrado
ρ = densidad

En 1977 R. Schleihauf realizó una réplica en plástico de la mano y la introdujo en un canal de agua que se desplazaba a velocidad conocida, midiendo de esta manera los valores de la fuerza de arrastre y la fuerza de sustentación en función del ángulo de ataque de la mano y de la velocidad del agua (figura 10). Dichos estudios fueron replicados por Berger y cols. (1995), casi dos décadas después, con resultados similares.
Figura 10: Resultados obtenidos en los estudios de Schleihauf (1979) para determinar los valores de los coeficientes de sustentación (lift) y de arrastre (drag).

A mediados de la década de los 80 aparece una nueva perspectiva en el estudio de la propulsión humana en el agua que recibe el nombre de “hipótesis propulsiva de los vórtices” (Colwin, C. 1984; 1985a). Surge como consecuencia del estudio del nado de los peces y de las corrientes de agua que son generadas durante los movimientos propulsivos, y es la primera vez que se aplican conocimientos de dinámica de fluidos para explicar la propulsión humana durante el nado. Los vórtices surgen como consecuencia del principio de conservación del momento y como consecuencia del gradiente de velocidades (y presiones) alrededor de un determinado perfil según indica el teorema de Bernouilli. La figura 11 muestra las ilustraciones realizadas por el propio Colwin para indicar como se forman los vórtices.
Figura 11




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