El Análisis Biomecánico en la Natación - Parte 2 (Dr. Salvador Llana Belloch)

INSTRUMENTAL DE MEDIDA PARA EL ANÁLISIS Y LA EVALUACIÓN DE LA ACTIVIDAD NATATORIA

Tradicionalmente, las herramientas o instrumental de medida que la Biomecánica Deportiva aporta para el análisis y evaluación de las prácticas físico-deportivas se clasifican en dos grandes grupos (Brizuela y Llana, 1997):
• Herramientas para el análisis cinemático del movimiento
• Herramientas para el análisis cinético del movimiento

HERRAMIENTAS PARA EL ANÁLISIS CINEMÁTICO DEL MOVIMIENTO:
El instrumental para el análisis cinemático ofrece información sobre el movimiento para un análisis descriptivo del mismo, sin tener en consideración las fuerzas que originan el movimiento. Los datos aportados por este grupo de herramientas se expresan en términos de desplazamientos, velocidades y aceleraciones lineales y/o angulares.
Dentro de este grupo, aparecen varios tipos de herramientas:
• Goniómetros para medir ángulos entre segmentos articulados.
• Acelerómetros para medir aceleraciones, generalmente usados en impactos.
• Fotocélulas y plataformas de contacto para medir tiempos parciales o de vuelo.
• Cámaras de vídeo para análisis cualitativos y cuantitativos de la actividad deportiva.
• Cable-velocímetro: se explicará en la ponencia del Dr. Víctor Tella Muñoz
• Otros.
De entre todos ellos, tan sólo las cámaras de vídeo (también de cine, pero en la actualidad cada vez menos) son profusamente usadas en el análisis temporal y de la técnica natatoria. Hablaremos en primer lugar del estudio de la técnica de nado y, en segundo lugar, de los sistemas de análisis temporal.

ANÁLISIS DE LA TÉCNICA DE NADO:
Hasta la década de 1980, los datos y referencias que se disponían para explicar y justificar los movimientos técnicos de los nadadores eran fundamentalmente cualitativos. Con motivo de los JJOO de Los Ángeles en 1984, se realizó un exhaustivo análisis de la técnica de los nadadores del equipo americano concentrado en Palo Alto (California). Dicho estudio corrió a cargo un equipo liderado por Schleihauf, donde figuraban algunos de los más reputados especialistas tanto en natación, como Ernest Maglischo, como en Biomecánica Deportiva, como el español Jesús Dapena.
Dicho estudio se realizó con cámaras de cine, pero la metodología utilizada es similar a la actualmente en vigor, y que se explica a continuación. En natación, la trayectoria de los diferentes segmentos corporales, y fundamentalmente las manos, ocurre en más de un plano. Con el objeto de poder realizar análisis tridimensionales (3D), se requiere un mínimo de 2 cámaras para ver los movimientos subacuáticos, y otras dos para ver los movimientos aéreos. Estas cámaras han de situarse de manera que en todo momento se observen los puntos anatómicos de interés durante la filmación, por lo que generalmente se ubican formando un ángulo de 70-90º entre sí.
En estos estudios, denominados de fotogrametría (medida de la información contenida en fotogramas), el cuerpo humano (o una porción de éste) ha de ser simplificado a un modelo de segmentos articulados entre sí delimitados por referencias externas (marcadores) que determinan los segmentos del cuerpo humano que interesa estudiar (figura 12). Estos marcadores permiten, una vez digitalizada la filmación, crear sistemas de coordenadas locales en cada segmento, con lo que se pueden conocer sus posiciones relativas, es decir, los ángulos formados entre los segmentos. Por ejemplo, que en el instante de tiempo 0 (inicio de la digitalización) el ángulo formado entre el antebrazo y el brazo sea de 90º, y en el instante de tiempo 0'5 (medio segundo después) sea de 175º.
Figura 12: Modelo “alámbrico” de 14 segmentos del cuerpo humano utilizado por Cappaert y Cols (1996) para el análisis de la técnica de nado en el Campeonato del Mundo de 1991 y en los JJOO de 1992.

Con antelación a la filmación de las escenas de estudio, ha de filmarse un sistema de referencia (SR), es decir, hay que filmar una estructura de dimensiones conocidas (generalmente de características cúbicas), que determina el volumen espacial en el que se ha de realizar el movimiento de estudio. Tras filmar las escenas en las dos cámaras de vídeo se digitalizan los resultados de manera independiente, es decir, que se obtienen las coordenadas planas (2D) de cada una de las cámaras. En el caso del nado, la digitalización ha de ser manual, lo que enlentece y hace muy laborioso el trabajo. Tras la digitalización se obtienen dos matrices de coordenadas planas que se combinan para obtener las coordenadas tridimensionales en función del tiempo de cada marcador del modelo de cuerpo humano utilizado. Esta combinación se realiza mediante unos algoritmos denominados DLT o transformación lineal directa (Abdel-Aziz y Karara, 1971). Posteriormente, las gráficas temporales son suavizadas mediante filtros digitales o mediante funciones “spline” con el propósito de reducir el error asociado al proceso de digitalización. Finalmente, de las gráficas de las funciones temporales de las variables cinemáticas suavizadas se extraen los parámetros de interés con los que se realizará el tratamiento estadístico oportuno. La figura 13 muestra un ejemplo de resultados utilizando esta metodología (Sanders, 1996). Puede observarse el modelo utilizado, así como los ángulos de tronco y de cadera durante un ciclo de nado en estilo braza.
Figura 13: Comparación entre los ángulos de tronco y cadera para la braza ondulatoria (arriba) y la braza plana (abajo). Sandres, 1996.

De esta manera, Schleihauf y Cols. (1986) obtuvieron las primeras gráficas válidas, fiables y precisas de las trayectorias de las manos durante el nado de los 4 estilos competitivos. Dichas gráficas han sido profusamente reproducidas, las figuras 14, 15, 16 y 17 muestran algunas de dichas gráficas extraídas del libro “Swimming Even Faster” de E. Maglischo (1993).
Figura 14: Un ejemplo de patrones de velocidad del cuerpo y de las manos para el estilo de crol, de la nadadora Carrie Stiensiefer, ganadora de los 100m estilo libre en los Juegos Olimpicos de 1984.

Figura 15: Gráficos de la velocidad de la mano y el cuerpo para la mariposista Mary Meagher medidos en 1984.

Figura 16: Patrones de velocidad ideales de la mano y el cuerpo para un espaldista.

Figura 17: Gráficos de velocidad de la mano, pie y cuerpo para el pechista Glenn Mills

Este tipo de estudios requieren de un instrumental y de un personal de laboratorio altamente cualificado, por lo que están al alcance exclusivamente de Centros de Alto Rendimiento Deportivo o de Facultades.

SISTEMA DE ANÁLISIS TEMPORAL EN NATACIÓN (TSAS).
Fueron Absaliamov & Timakovoy (1983) los primeros en utilizar el término “análisis de la actividad competitiva” para presentar los resultados de los JJOO de Moscú 1980. En la actualidad, dicho método es ampliamente utilizado en muchos países en sus campeonatos nacionales y, por su puesto, en la LEN, la FINA y el COI permiten desde hace unas dos décadas que grupos de investigadores realicen dichos análisis en los campeonatos por ellos organizados.
Dicho análisis se fundamenta en un modelo de rendimiento en el que el tiempo total de nado se divide en tramos más cortos, tal y como se indica a continuación:
Para poder realizar estos estudios es necesario ubicar 2 ó 3 cámaras de vídeo perpendiculares a las calles de la piscina y a una distancia que el plano de filmación registre todo el nado. La figura 18 muestra un ejemplo de uno de estos Sistemas de Análisis Temporal en Natación (TSAS).
Figura 18. TSAS para piscina de 50m propuesto por Arellano (1993).

Con estos sistemas se obtienen resultados como los indicados en la tabla 1. El análisis de dichos datos revela como el mejor tiempo de M. Foster se fundamenta en una excepcional salida y un buen viraje, mientras que su tiempo de llegada es el peor de todos los competidores en el Campeonato de Europa en Piscina Corta celebrado en Valencia en 2000. El español J.L. Uribarri destaca por tener el mejor viraje de todos.
Tabla 1. Análisis temporal de la prueba de 50 mariposa en los Campeonatos de Europa en Piscina Corta celebrados en Valencia, 2000.

La figura 19 muestra el “test de 50m + viraje” desarrollado en el CAR de Sierra Nevada bajo la dirección del Dr. Raúl Arellano. Éste es un ejemplo de cómo los TSAS permiten realizar estudios detallados del rendimiento en natación.
Figura 19. Informe completo del test 50m + viraje. García y cols. 2001.


HERRAMIENTAS PARA EL ANÁLISIS CINÉTICO DEL MOVIMIENTO

Las herramientas para el análisis cinético permiten obtener información sobre las cargas mecánicas que generan el movimiento. Este instrumental permite el registro de fuerzas, momentos (torques) y presiones actuantes sobre el cuerpo humano en su interacción con el medio.
Dentro de este grupo, encontramos los siguientes tipos de herramientas:
• Medición de fuerzas: transductores de deformación (generalmente galgas extensométricas), células de carga y plataformas dinamométricas.
• Medición de presiones: pequeños transductores presurométricos (generalmente piezoeléctricos) introducidos en estructuras rígidas, como plataformas, o en superficies flexibles, como plantillas o guantes.
De entre todos estos, los más utilizados en natación son las plataformas dinamométricas, las células de carga y los guantes instrumentados.

PLATAFORMAS DINAMOMÉTRICAS (O DE FUERZA)
Las plataformas dinamométricas son, posiblemente, la herramienta más utilizada en el ámbito de la Biomecánica Deportiva. Permite registrar las fuerzas de reacción durante la interacción del deportista, generalmente sus pies, con superficies sólidas, generalmente el suelo. Se trata de estructuras sólidas y pesadas, y que han de fijarse sólidamente al suelo, por lo que se requiere que el laboratorio o zona de uso esté preparado para ello (figura 20).

Figura 20: Dos plataformas, con sensores de tipo extensométricos, utilizadas registro de fuerzas de reacción en el laboratorio del INEF de León (Aguado y cols. Obsérvese la infraestructura necesaria para su correcta fijación al suelo.

En el caso de la natación, se utilizan para evaluar la eficiencia de la impulsión durante la salida y durante el viraje, cuando los pies están en contacto con el poyete y con la pared respectivamente. Para poder colocar la plataforma en el poyete o en la pared de la piscina, es necesario preparar la instalación: en el caso del poyete se debe extraer la parte superior del mismo e introducir unos anclajes diseñados especialmente (figura 21), pero en el caso de los virajes es necesario realizar operaciones de albañilería, lo que dificulta enormemente la posibilidad de su uso (en España no existen instalaciones preparadas para este último caso).

Figura 21: Plataforma, con sensores de tipo piezoeléctricos, actualmente utilizada en el CAR de Sierra Nevada (García y cols. 2001). Puede observarse los anclajes necesarios para su correcta fijación.

La plataforma registra las fuerzas en las tres direcciones del espacio: mediolateral o eje x, anteroposterior o eje y, y vertical o eje z (figura 22). En el caso de las salidas, los criterios de eficacia son:
• que las fuerzas anteroposteriores (eje y) sean máximas.
• que las fuerzas verticales (eje z) no sobrepasen en más de un 25% la fuerza peso del nadador
• que las fuerzas mediolaterales (eje x) sean nulas.

Figura 22: Registro de las fuerzas vertical (azul) y anteroposterior (verde) durante una salida. En rojo aparece el pulso de la señal de salida (García y cols. 2001).

CÉLULAS DE CARGA
Las células de carga son captadores unidireccionales basados generalmente en transductores extensométricos. Actualmente, existen células de carga comerciales que permiten registrar tanto tracción como compresión. En el caso de la natación han sido profusamente utilizadas para medir la “fuerza de arrastre”, esto es, la fuerza que aplica el nadador estando atado con un cinturón a un cable o goma conectada con la célula de carga (figura 23).

Figura 23: Nadador “atado” con un cable a una célula de carga.

La unión del nadador a la célula de carga puede ser mediante un cable inextensible o mediante gomas elásticas. El cable inextensible tiene la ventaja de no deformarse, por lo que la fuerza aplicada se transmite íntegramente a la célula. Sin embargo, tiene el gran inconveniente de generar un retroceso del nadador, o al menos una disminución en la tensión del cable, durante las fases de menor propulsión, lo que ocasiona la aparición de fuerzas de impacto cada vez que el cable se vuelve a tensar. De este modo, este método de evaluación de la fuerza es difícilmente aplicable a situaciones de nado con poca continuidad propulsiva (braza, mariposa, nadadores discapacitados, sólo brazos, etc.).
Una alternativa a la medición con cable de acero son las gomas quirúrgicas (Arellano, 1992; Platonov, 1988; Keskinen, Tilli y Komi, 1989) previamente calibradas. Este elemento permite el avance del nadador mientras se mide su fuerza propulsiva y evita la generación de fuerzas de impacto (figura 24).

Figura 24: Registros con cable (rojo), y dos gomas de diferente resistencia (azul y verde). Obsérvese los picos y valles que aparecen al registrar con cable.

El uso de gomas permite, además, el cálculo de otras variables biomecánicas de interés. Debido a que previamente se han calibrado, se puede calcular el avance del nadador. Con esto y con el tiempo se calcula la velocidad de nado y, lo que es más importante, con la velocidad y la fuerza registrada se puede calcular la potencia desarrollada por el nadador (figura 25).

Figura 25: Gráfica de fuerza, posición (avance), potencia y velocidad de nado con goma y célula de carga (Brizuela y cols., 2000).


GUANTES INSTRUMENTADOS
La propulsión generada por los miembros superiores es la principal responsable del avance del nadador durante el nado (a excepción de la braza). La fuerza propulsiva generada por las manos viene definida por la ecuación nº 5 de la página 14, pero dicha ecuación sólo permite cálculos aproximados. Además, los estudios de Schleihauf (1979) y los de Berger y cols. (1995) utilizaron un modelo de mano que introducían en canales de agua para determinar los valores de fuerza.
Una aproximación mucho más real es la llevada a cabo por Takagi & Wilson (1999) utilizando un guante instrumentado con transductores en la palma y en el dorso (figura 26). Dichos transductores permiten registrar el componente perpendicular de la fuerza hidrodinámica. Los resultados obtenidos al medir la brazada de crol (figura 27), muestran como la mayor parte de la fuerza se produce hacia el final de la brazada, cuando el nadador realiza los barridos hacia adentro y hacia arriba.

Figura 26: Fotografía y esquema del guante instrumentado con 8 transductores de presión utilizado para medir la fuerza hidrodinámica durante el nado real ( Takagi & Wilson, 1999).

Figura 27: Gráfica de la fuerza hidrodinámica actuando sobre la mano durante cinco ciclos de crol. Las figuras de arriba indican los diferentes instantes de la brazada (Takagi & Wilson, 1999).

BIBLIOGRAFÍA
Abdel-Aziz, Y.I.; Karara, H.M. (1971). Direct linear transformation from comparator coordinates into objectspace coordinates in close range photogrammetry. En American Society of photogrametry: Simposium on close range photogrametry.
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Schleihauf, R.E. (1979) A hydrodinamical analysis of swimming propulsion. En: T. Bedingfield (Ed.) Swimmnig III. Third International Symposium of Biomechanics in Swimming. Baltimore, Maryland. University Press: 70-109.
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