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Fisica-biomeccanica-idrodinamica- tecnica della canoa Prof. Marco Guazzini.

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Presentazione sul tema: "Fisica-biomeccanica-idrodinamica- tecnica della canoa Prof. Marco Guazzini."— Transcript della presentazione:

1 Fisica-biomeccanica-idrodinamica- tecnica della canoa Prof. Marco Guazzini

2 Principi fondamentali di Fisica La fisica descrive in modo quantitativo, con un linguaggio matematico, i fenomeni naturali, tramite le grandezze fisiche, misurabili con gli strumenti. Necessita del metodo sperimentale che consiste in unanalisi critica dei fenomeni, formulando delle ipotesi, e verificandole o fino alla conferma o alla modifica delle ipotesi stesse, con un metodo induttivo, che arriva alla formazione di principi fondamentali o teorie o deduttivo, in cui invece si parte da principi o teorie e si ipotizza dei fenomeni. Le grandezze fisiche fondamentali sono 7: lunghezza, unità di misura metro (m); massa, kilogrammo (kg); tempo, secondo (s); temperatura, kelvin, (K); intensità corrente, ampere (A); intensità luminosa, candela (cd); quantità di sostanza, mole (mol). Grandezze derivate sono 23. A noi interessano le seguenti: superficie, metro quadrato (m 2 ); volume, metro cubo (m 3 ); velocità, metro al secondo (m/s); accelerazione, metro al secondo quadrato (m/s 2 ); frequenza, hertz (Hz); forza, newton (N); lavoro o energia, joule (J); potenza, watt (W); pressione, pascal (Pa); densità, kilogrammi al metro cubo (kg/m 3 ). Le grandezze fisiche si dividono in: scalari (espresse da un n.); vettoriali (espresse da un vettore, che ha punto di applicazione, intensità cioè un numero, direzione, verso). Per scrivere numeri grandi e piccoli (Sistema di misurazione internazionale) si utilizzano le potenze di 10. Esempio: 1000=10 3 cioè 10x10x10; 0,001=10 -3 La branca della fisica che interessa a noi è la meccanica, che studia i fenomeni del movimento. Si divide a sua volta in: cinematica (come si muovono gli oggetti); statica (lequilibrio degli oggetti); dinamica (le cause del movimento). 02/11/20132 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica

3 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 3

4 Velocità, accelerazione, frequenza Velocità Grandezza vettoriale derivata, che esprime la rapidità del moto di un oggetto. E il rapporto tra lo spazio percorso ed il tempo impiegato a percorrerlo. v = spazio(S)/tempo(t), da cui S=vt o t=S/v. Lunità di misura è (1) m/s. Normalmente la v si esprime in km/h. Per passare ai m/s, basta considerare che in 1 ora ci sono 3600 s (60m*60s). Quindi: 1 km/h=(/3,6) 0,278 m/s. Oppure 1 m/s=(*3,6) 3,6 km/h. Accelerazione Grandezza vettoriale derivata, che esprime il rapporto tra una variazione di velocità e il tempo in cui avviene questa variazione. E data dalla velocità che in ogni secondo, provoca la variazione di 1 m/s. Quindi metro al secondo per secondo (m/s 2 ). a = Δv/Δt Frequenza Grandezza scalare derivata. E riferita ad un periodo di tempo T (1s), ed è il numero di giri che un punto compie nellunità di tempo (Hz). Frequenza e periodo sono inversamente proporzionali, quindi f=1/s, o T=1/f. Riportando f a un periodo di1m. Es.: se f(1s) =2(120/min), T=1/2 s, cioè 0,5s; se f(1s) =1(60/min), T=1/1 s, cioè 1s. Nella canoa, per calcolare la f, se abbiamo n. di colpi e s: n.colpi/s prova*60. 02/11/20134 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica

5 I Principi della dinamica 1° principio della dinamica (di inerzia): ogni oggetto continua a muoversi di moto rettilineo uniforme se non subisce delle forze che gli fanno variare la velocità. Linerzia è appunto la tendenza a continuare a muoversi a velocità costante. La massa misura linerzia di un oggetto (tanto è più grande, tanto più loggetto oppone resistenza a essere accelerato). 2° principio della dinamica (legge fondamentale): in ogni istante laccelerazione di un oggetto è proporzionale alla forza che gli viene applicata. Grandezza vettoriale derivata. Forza è qualsiasi causa in grado di far iniziare o modificare il movimento di unoggetto. Forza e accelerazione hanno la stessa direzione e stesso verso. Si esprime con la formula F = m a. (da cui m=F/a, e a=F/m). La massa si misura in kg-massa (kg), la forza in newton (N), cioè la forza che applicata su una massa di 1 kg(massa), gli imprime unaccelerazione di 1 m/s 2. Massa rimane sempre la stessa mentre il peso è legato allaccelerazione di gravità(g)=9,8 m/s 2. Quindi 1 kg massa=9,8 N, cioè 1 kg-peso. 3° principio della dinamica (azione-reazione): quando un oggetto esercita una forza su unaltro oggetto, riceve a sua volta una forza della stessa intensità (=), ma di verso opposto (contraria). 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 5

6 Concetto di Forza 1.In fisiologia: capacità che ha il muscolo di esprimere tensioni; 2.In cinesiologia e biomeccanica: capacità del muscolo di opporsi a resistenze esterne; 3.In fisica (meccanica-cinematica): è la grandezza vettoriale che in un moto generico, conoscendo la massa alla quale è applicata, definisce lo spostamento (F= m a) (Prodotto vettoriale di uno scalare per un vettore). 4.Nel corpo umano i movimenti sono tutti angolari, la forza muscolare corrisponde al momento meccanico (f x b), la sua unità di misura è quindi il Nm. 02/11/20136 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica

7 Lavoro e Potenza Lavoro grandezza scalare derivante dallintensità di una forza x lo spostamento compiuto (L=Fs). Si esprime in joule (J) o Nm, cioè lavoro compiuto da una forza di 1 N per lo spostamento di un metro. In fisiologia: legato ad un costo energetico (si può compiere un lavoro senza spostamento). Potenza lavoro compiuto da una forza, diviso il tempo impiegato. P=L/t. Si esprime in watt (W) o J/s In fisiologia, rappresenta la tensione muscolare espressa nellunità di tempo. 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 7

8 Pressione, Densità, P. di Archimede Pressione Grandezza scalare derivata, definita come il rapporto tra lintensità della forza che preme perpendicolarmente alla superficie e larea di questa superficie. Si esprime con la formula: p=F/S. Lunità di misura è il pascal (Pa), cioè la pressione che esercita una forza di 1 N perpendicolarmente alla superficie di 1 metro quadrato (Pa=N/m 2 ) Densità Grandezza scalare derivata, indica il rapporto tra la massa di un corpo (solido, liquido o gassoso) e il volume che occupa (d=m/V, in Kg/m 3 ) Principio di Archimede Un corpo immerso in un liquido, riceve una spinta (forza) verso lalto uguale al peso (o volume) del liquido spostato. La condizione di galleggiamento è che la densità del corpo sia minore di quella del liquido. Nel caso delle imbarcazioni, pur avendo una densità maggiore dellacqua, sono cave allinterno, quindi hanno molto volume e spostano molta acqua 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 8

9 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 9 Gli aspetti più dibattuti Lesperienza pratica sul campo ci indica che sullargomento tecnica esistono spesso alcune divergenze di opinione. Gli argomenti più dibattuti sono: Lunghezza della propulsione (grado di estensione del braccio allattacco; punto di estrazione) Dinamica della spinta di gambe (grado di uniformità e sincronia con la passata in acqua) Azione/traiettoria del braccio alto (verticalità, incrocio, linearità della pagaiata) Qualità della torsione (grado di sincronia con trazione e spinta) Dinamica del colpo in termini di continuità della propulsione (colpo staccato, colpo rotondo) A volte alcuni divergenze sono generate da una non approfondita conoscenza delle leggi fisiche che spiegano largomento.

10 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 10 Lefficacia propulsiva Efficacia: capacità di produrre leffetto o i risultati voluti; funzionalità in rapporto alla convenienza. Non esiste un modello universale di tecnica ma tante individualizzazioni legate a fattori strutturali, funzionali, mentali e livelli diversi di istruzione tecnica Alcuni parametri di efficacia (economicità) ricorrono con frequenza in atleti di altissimo livello. Questi parametri, in linea con principi fisici fondamentali, riducono al minimo le resistenze idrodinamiche aumentando lefficacia propulsiva Lefficacia propulsiva è ottenibile dallatleta: rendendo il movimento stabile nella sua forma (struttura o immagine esterna), ma flessibile nei particolari (contenuti legati allimmagine interna cinestesica del movimento) agendo su tre fattori: fisiologico, ottimizzando la coordinazione intra e intermuscolare (quantità di lavoro, formazione di automatismi con risparmio di energia); biochimico, ottimizzando e rendendo più specifiche le reazioni chimiche; biomeccanico, ottimizzando la tecnica.

11 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 11 Misurazione dellefficacia della propulsione La misurazione dellefficacia propulsiva ha subito una graduale evoluzione, grazie soprattutto allutilizzo di metodi e strumenti sempre più precisi Negli anni 70-80, le poche ricerche pubblicate a livello internazionale, venivano effettuate valutando parametri relativi ai singoli colpi, come frequenza, lunghezza totale del colpo, lunghezza del braccio di leva di trazione, tempo di durata della fase in acqua, forza applicata in Kg o N (spinta e trazione), potenza compiuta in Kgm/s (documenti sovietici , in: Beaudou e coll., 1987). Molto importante, a livello teorico, è stata negli anni 80, la scuola americana (Plagenhoef, 1979; Mann&Kearney, 1980; Logan&Holt, 1985), che si è orientata prevalentemente sullanalisi della pagaia considerata come una leva e sulle sue applicazioni pratiche. A partire dalla fine degli anni 80, lefficacia della pagaiata è stata valutata anche, mettendo in relazione la forza applicata con il lavoro svolto in kgm o la potenza in kgm/s (Boiko, 1987) o con la velocità (accelerazione) della canoa (Beaudou e coll. 1987), avvicinandosi quindi al concetto di rendimento (lavoro prodotto dalla canoa/energia spesa dal canoista)

12 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 12 Documento sovietico 1977 (da Beaudou e coll., 1987) 1977Modello pagaia/L(cm ) Lunghez za colpo (cm) L.braccio leva trazione (cm) Reazione (Kg) Forza spinta (Kg) Forza trazione (Kg) K1ULiminat/220123,850,815,510,826,3 K1ULiminat/223, 5 128,349,71110,121,1 K1ULiminat/225, ,11026,1 K1DLiminat/210, 7 121,845,4105,915,9 K1DStruer/214112,453,713,512,425,9 K1DLiminat/216117,154,213,312,924,7 C1168,5143,75616,610,326,9 C ,22117,838,8 C1182,5158,368,520,615,736,3

13 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 13 Documento sovietico 1980 (da Beaudou e coll.1987) Categoria TempoFreq/minForza max (Kg) Forza media (Kg) Durata fase acqua (ms) Lunghezza colpo (cm) Pot. (Kgm/s) K2 500 U ,611, ,533,5 K2 500 U ,814, ,543,4 K U ,513, K U ,112, ,737,6 K2 500 D ,310, ,526,6 C ,713, ,1 C , ,535,3

14 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 14 Documento francese 1987-Rapporto forza colpo/velocità canoa (da: Beaudou e coll., 1987)

15 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 15 Documento francese 1987-Rapporto forza applicata/velocità canoa (da: Beaudou e coll., 1987)

16 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 16 Lorientamento metodologico in Italia-1 Colli-Faccini-Perri-Corvò (1988), collaborarono alla nascita di un concetto definibile come avanzamento per colpo, analizzando il parametro metri per pagaiata, in uno studio sulla valutazione funzionale del canoista. Colli-Faccini-Schermi-Introini-Dal Monte (1990), in uno studio sulla valutazione funzionale del canoista, proposero la determinazione della capacità di lavoro massimo per pagaiata Joule/colpo, elaborando un concetto proposto da Boiko (1987) in uno studio sulla forza applicata nel kayak e canadese. Mori (in: Guazzini, 1990), espose i principi fondamentali della dinamica che stanno alla base del sistema canoa-pagaia-canoista, affermando che per incrementare la velocità è necessario un rapporto ottimale fra vari fattori quali frequenza di pagaiata, lunghezza del colpo efficace, forza applicata, tipo di scafo, forma della pagaia. Perri-Toth-Merli-Filippa-Cardente (1992), analizzando le gare dellOlimpiadi di Barcellona 92, mostrarono che i migliori piazzamenti presentavano un rapporto ottimale fra frequenza di pagaiata e avanzamento per colpo in metri. Colli-Introini-Schermi (1993), misero a punto uno strumento lergokayak, da applicare alla pagaia, per rilevare i vari parametri del colpo (forza applicata, tempo di durata delle fasi aerea e in acqua, frequenza di pagaiata, tipologie di pagaiata, rendimento). Perri-Beltrami-Di Giuseppe-Sacchi (1996), analizzarono statisticamente le gare di velocità delle Olimpiadi di Atlanta, con parametri di gara e del colpo come intertempo, potenza, frequenza di pagaiata, metri/colpo, Kgm/colpo, concludendo che la tendenza era quella di migliorare lefficacia di ogni singolo colpo, mantenendo stabile la frequenza di pagaiata.

17 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 17 Lorientamento metodologico in Italia-2 Mori (in: Guazzini, 2000), confermando i principi di dinamica e biomeccanica esposti nel 1990, ampliò le conoscenze con alcuni principi fondamentali di idrodinamica, illustrando inoltre, la meccanica delle pagaie tradizionali e di quelle elicoidali. Colli-Introini (2006) riprendendo i concetti del modello di prestazione esposto nel 1990, indicano che a livello tecnico-metabolico, è fondamentale migliorare il costo energetico a ritmo gara (tecnica a frequenza gara) misurabile con il J/colpo/kg. Guazzini-Mori (2008) facendo il punto sulle conoscenze attuali, analizzano le forze in gioco nel kayak e canadese, gli aspetti idrodinamici e di dinamica più importanti, landamento della decelerazione della canoa, le meccanica delle pagaie tradizionali e elicoidali, i fattori del rapporto frequenza-forza applicata-lunghezza del colpo, e affermano che per lefficacia del colpo, è primario il sincronismo fra tempo di permanenza della pala in acqua e velocità della canoa. Ghelardini-Guazzini (2010) analizzano il gesto tecnico totale sincronizzato con le accelerazioni prodotte e la forza applicata sul puntapiedi, ricavando molte relazioni positive o negative fra le componenti della pagaiata, rispetto al moto della canoa e evidenziando la grande importanza di una corretta estrazione.

18 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 18 Il bilancio delle forze nel kayak Sulla canoa: R - Forza di resistenza idrodinamica. Vr (V/L) della canoa, intorno a 2, da cui res. donda 75%, res. attrito 15%, res. appendice e altre 10%; T – Forza propulsiva (T1sedile+ T2puntapiedi); P – Peso del canoista(P1sedere-P2talloni); PA-p.archimede. Sul canoista: Tutte le azioni che danno origine a T applicata al baricentro G; R1 – resistenza dellaria Sulla pagaia: A - Forza appoggio pala sullacqua e –A (p.azione-reazione); TO-Forza trazione orizzontale; TV-Forza trazione verticale; SO-Forza di spinta orizzontale; SV- Forza di spinta verticale.

19 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 19 La pagaia: leva di 3° genere particolare La pagaia può essere considerata una leva di 3° genere un po particolare, perché il fulcro (a nostro avviso: la pala in acqua), non è fisso ma cedevole. Se il braccio di leva di Fs (H) è il doppio del braccio di leva di Ft (h), abbiamo: Ft=2Fs

20 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 20 Il concetto di fulcro aereo Fulcro basso-Spinta dominanteFulcro alto-Trazione dominante attaccoestrazione spinta trazione attaccoestrazione Plagenhoef(1979), Mann-Kearney(1980), introdussero il concetto di fulcro aereo, punto del tutto virtuale (ben visibile con immagini accelerate sul piano sagittale) attorno al quale ruota la pagaia in aria. Da questo concetto deriva che un fulcro alto è associato a una trazione dominante (più lunga), mentre un fulcro basso è associato a una spinta dominante. Fulcro alto Fulcro basso propulsion e trazione spinta

21 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 21 Logan, Holt (1985) In modo meno convincente, Logan-Holt (1985) hanno ipotizzato che il fulcro della leva di 3° genere, fosse rappresentato dalla mano del braccio alto, che per essere tale dovrebbe rimanere il più possibile stabile, con minimo avanzamento orizzontale.

22 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 22 Il bilancio delle forze nella canadese Sulla canoa: R-Forza di resistenza idrodinamica; T-Forza propulsiva (T1ginocchio, T2piede anteriore); P-Peso del canoista+canoa+pagaia (P1ginocchio-P2piede anteriore-P3piede posteriore); PA (p.archimede). Sul canoista: Tutte le azioni che danno origine a T applicate al baricentro G. R1resistenza aria Sulla pagaia: A-Forza appoggio pala sullacqua e –A (p.azione-reazione); To-Forza di trazione orizzontale; Tv-Forza di trazione verticale; So-Forza di spinta orizzontale; Sv-Forza di spinta verticale (stabilizzazione della pagaia).

23 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 23 Concetti di idrodinamica degli scafi La progettazione di uno scafo, dal punto di vista idrodinamico parte dal parametro velocità relativa (Vr o quoziente di Taylor) che confronta gli scafi in base al numero di onde emesse. (Vr=V, in nodi/ L, in piedi) In base al Vr, gli scafi vengono divisi in: dislocanti(fino a 1,34. Navi, petroliere); semidislocanti(da 1,34 a 2. Canoe, C1 fondo Vr 1,60. K1 200 Vr 2,60); plananti (oltre 2. scafi off-shore, gommone). La % delle varie resistenze cambia con laumentare del Vr: fino a 0,7/0,8(dislocanti), la res.attrito prevale sulla res.onda. Oltre quel valore, la res.onda cresce progressivamente superando di gran lunga la res.attrito. Ai Vr della canoa (intorno a 2) la resistenza idrodinamica è formata da: res.donda 75%; res. attrito 15%; res. appendice, scia, vortice e altre 10%; Resistenza donda, moto ondoso longitudinale prodotto dalla pressione dello scafo che avanza contro lacqua (Formula di Taylor: 0,527 Cf P V 4 /L 2 ; Cf-coeff.finezza scafo, P-dislocamento in ton., V-velocità in nodi, L-lunghezza galleg. in m). Onde divergenti e trasversali, di prua e di poppa Resistenza dattrito, attrito dellacqua sulla superficie dello scafo. (Formula di Froude: 0,297 f d S V 1,825 in kg; f-coeff.lunghezza, d-densità fluido, S-superficie bagnata mq, V-velocità in nodi) Resistenza dappendice (timone, derive), di scia (turbolenze dietro lo scafo), di vortice (caduta di pressione sullo scafo dopo la sezione maestra), dellaria (variabile a seconda dellintensità del vento)

24 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 24 Tendenze attuali di scelta degli scafi Le canoe attuali hanno scafi a struttura semidislocante (carena tonda), progettazione relativamente semplice, sottili, stretti con discreto pescaggio, instabili, con grande capacità di accelerazione (ottima partenza), ma anche evidente decelerazione in fase aerea. Da tempo esistono studi su scafi semiplananti (carena piatta o a v), che necessitano di progetti più complessi, più larghi, soprattutto nella poppa, con ridotti pescaggi, più stabili, con minore resistenza donda, scarsa accelerazione (partenza lenta), ma una volta raggiunta la velocità di planata, ottimo mantenimento della scivolata (minore decelerazione).

25 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 25 Boiko (1987); Colli e coll.(1990)(2007) Boiko nel 1987 pubblicò (in russo, tradotto in tedesco nel 1988 da P.Tschiene) uno studio sulla forza applicata nel kayak e canadese, partendo da una formula derivante da studi di idrodinamica effettuati dallautore nel 1972 (prove di trascinamento o elaborazione teorica??). F=S V 2 C, dove F(resistenza frontale della canoa in kg), S(sezione trasversale dello scafo), V 2 (quadrato della velocità), C(coefficiente penetrazione della canoa). Essendo C costante per molte canoe e S legato al peso del sistema (canoa- canoista-pagaia), lautore semplificò dicendo che R(F) è legato ai due parametri: peso (kg) e V 2. Quindi per ogni Kg di peso, abbiamo: F=k (coeff.attrito)*V 2, (da cui k=F/V 2 o V 2 =F/k). I principi di Boiko furono utilizzati da Colli e coll.(1990), in uno studio sulla valutazione funzionale del canoista, individuando il parametro J/colpo/kg, (K*V 2 /n.colpi/Kg) I valori di R sono stati riverificati con le imbarcazioni attuali, in un lavoro svolto presso la vasca navale INSEAN di Roma (La Gala-Colli-Introini, 2007, dati personali non pubblicati), P(W) = k *V^x, ove k ed x sono le variabili in funzione del peso del canoista e v la velocità della canoa in m/s (esempio: soggetti di 70 kg, k = 4,3613 ed x = 2,7143)

26 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 26 Grafici di Boiko (1987)

27 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 27 Mori (1991) Mori (1991, dati personali non pubblicati) effettuò uno studio di progettazione di un K1 per la FICK, rilevando valori di resistenza (F). Le prove di trascinamento, su scafi in assetto libero, molto precisi per lepoca (catamarano-cella di carico risoluzione 10 g-tachimetro a girante assiale in grado di rilevare laumento di densità davanti agli scarichi), mostrarono dati abbastanza dispersi, legati sensibilmente sia al modello di kayak che al peso del sistema (grafico 1). In altre prove, a parità dei fattori modello di kayak e peso del sistema, la resistenza variava sensibilmente con il variare dellassetto e si manifestò una difficoltà a tracciare un diagramma resistenza/velocità, nonché a dare una forma matematica a questa relazione.

28 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 28 Mori (1991) Se analizziamo il grafico 2, della media stimata di tutte le misurazioni (da 1m/s), notiamo uno scalino intorno ai 3,10 m/s, seguito da una deflessione intorno a 3,5 m/s, definibile come velocità dislocamento max, cioè la 2° cresta dellonda di prua raggiunge la poppa, e lo scafo è in scia a sé stesso. Abbandonata londa di poppa, lo scafo subisce un forte incremento di resistenza. Volendo rappresentare questa curva in forma matematica, dobbiamo introdurre delle approssimazioni che portano alla formula del grafico 3, in cui si confrontano i dati misurati con dati ipotetici derivanti dallequazione: F=0,65 V 1,5057

29 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 29 Mori (1991) Se invece ci limitiamo a studiare i dati relativi alla curva sopra al gradino relativo alle velocità che ci interessano in canoa (3,5 m/s=445 km) si ottiene addirittura un polinomio di grado 5: F=3,10478 V ,9634 V ,73 V V ,69 V-2705,31. Il risultato non ci sorprende perché la resistenza totale è la somma di varie resistenze, delle quali la principale (res.onda) mostra V 4, e laltra (res.attrito) V 2. Concludendo è importante dire che i risultati, nonostante la precisione e la validità scientifica, non furono del tutto soddisfacenti perché non in grado, come tutte le prove di trascinamento senza canoista, di riprodurre beccheggio e scodinzolo, fattori in grado alle alte velocità (causati prevalentemente da tecniche non efficaci del canoista) di ridimensionare molto la validità di scafi, dimostratisi eccellenti alla prova di trascinamento.

30 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 30 Nozioni di dinamica 2° equazione fondamentale della dinamica: 1.F = m a una forza F, applicata ad un corpo di massa m, gli imprime unaccelerazione a, proporzionale alla sua intensità 2.Ft (Impulso di forza) = mv (variazione quantità di moto), limpulso che una forza comunica ad un corpo in un certo tempo, è uguale alla variazione della quantità di moto che esso subisce nello stesso tempo (da cui: F = m v / t, ma v/t=a, quindi: F=m a) Seguendo la 1° interpretazione e considerando che nella canoa F differisce da T, solo per azioni parassite presenti nella trasmissione del moto sul puntapiedi o sedile, abbiamo: F (T)– (R+R1) = m a, cioè se F vince le resistenze dellacqua e dellaria, produce a Con laumentare della velocità però, le resistenze aumentano notevolmente (R:V 2 ), fino a quando F=R, e non esiste più a

31 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 31 Accelerazione/decelerazione La velocità di una canoa è costituita da continue accelerazioni e decelerazioni a seconda che F (T), sia maggiore di R, nella fase propulsiva, o minore di R, nella fase aerea.

32 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 32 La decelerazione Le prove di decelerazione in canoa, presenti in letteratura scientifica, sono scarsissime In passato, (Guazzini, ), mi sono basato su dati di origine tedesca (Flunker, 1986; in: Beaudou e coll.1987) che mostravano misurazioni effettuate su canoe con scafi sorpassati e soprattutto con metodiche e strumenti non troppo precisi (probabilmente su analisi video) Attualmente levoluzione degli strumenti (Ergokayak 2) ci permette di analizzare landamento della decelerazione, utilizzando dati con maggiore precisione scientifica

33 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 33 Flunker, 1986-Resistenza e decelerazione K1-140 K2-130 (N)

34 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 34 Andamento della decelerazione K1 a vel 4,03 m/s (2'04"/500)K1 a vel 4,62 m/s (1'48"/500) Tempo dallo stop (ms)Vel (m/s)% dalla vel.inizialeTempo dallo stop (ms)Vel (m/s)% dalla vel.iniziale 04,0304, ,74-7,20%2004,16-9,96% 4003,58-11,17%4003,82-17,32% 6003,51-12,90%6003,67-20,56% 8003,44-14,64%8003,56-22,94% 10003,37-16,38%10003,49-24,46% C1 a vel 4,46 m/s (1'52"/500) Tempo dallo stop (ms)Vel (m/s)% dalla vel.iniziale 04, ,89-12,78% 4003,39-23,99% 6003,05-31,61% 8002,9-34,98% 10002,78-37,67% Test eseguiti con accelerometria assiale (Ergokayak 2), raggiungendo una determinata velocità e mantenendo la posizione senza propulsione per 3 (K1 Nelo-Vanquisch e Scorpion; C1 Plastex-Olimpia)(Colli-Introini, 2004, dati personali non pubblicati, modificati)

35 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 35 Rapporto fase aerea/fase in acqua Freq/minTempo fase acqua (ms) Tempo fase aerea (ms) Tempo pagaiata totale (ms) % tempo in acqua /tempo totale Kayak % % % % % % % % % Canadese % % Dati riferiti a tempi registrati con ergokayak, su varie prove massimali di 150 metri (rec.3), eseguiti su canoisti di alto livello (2 kayak, 1 canadese). (Colli, Introini, 2004, dati personali non pubblicati)

36 Ghelardini e Guazzini, 2010 Rapporto % fra fase in acqua e fase in aria, conferma i dati della letteratura. (r=- 0,86, fra aumento frequenza pagaiata-diminuzione fase in acqua). La fase positiva della pagaiata (che produce accelerazione) è circa il 68% del colpo in acqua. Quindi disperdo 32% (immersione-estrazione). Laumento della velocità è fortemente correlato (r=0,99) allaumento della frequenza. La fase positiva della pagaiata, diminuisce con laumentare della frequenza, per la diminuzione del colpo in acqua (r=-0,88, aumento velocità-diminuzione fase positiva). Laumento dellaccelerazione longitudinale, è il risultato anche dellaumento delle accelerazioni verticali e laterali. Esistono spesso asimmetrie anche in atleti di alto livello. Laumento dellaccelerazione longitudinale è in relazione con laumento della forza sul puntapiedi. Aumento dellefficacia del colpo è in relazione anche alla rapidità della fase in acqua e lunghezza del colpo ma anche angoli biomeccanici sul piano frontale e sagittale. La sincronizzazione immagini-accelerometro-solette, mostra: immersione con canoa in decelerazione (da fase aerea); crescita accelerazione long. Fino alla mx, quando pagaia verticale (p.sag.) e max spinta puntapiedi; 2° metà propulsione riduzione sensibile acc. fino alla decelerazione, quando la pagaia è ancora in acqua. 02/11/ Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica

37 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 37 Considerazioni meccaniche e biomeccaniche La decelerazione è tanto più evidente quanto più veloce è la canoa (R=kV 2,7 ). Alle frequenze di gara (90/120) gran parte della velocità (70-100%) viene persa nei primi millisecondi. La fase aerea ha una durata variabile a seconda della frequenza e della velocità del colpo in acqua, ma comunque che rimane fra 150 millisecondi circa (a 130 colpi) e 500 millisecondi circa (a 60 colpi); Dal punto di vista puramente meccanico (idrodinamico) sarebbe più efficace una pagaiata il più possibile continua, senza interruzioni fra le fasi in acqua, per eliminare tutte le decelerazioni; Dal punto di vista biomeccanico, ciò non è possibile per la presenza di due lati di propulsione e di una fase di cambio da un lato allaltro (fase aerea), durante la quale il braccio di spinta recupera la lunghezza efficace (rilassando gli antagonisti cioè i muscoli della trazione) per la successiva entrata in acqua. Questa fase difficilmente può effettuarsi con tempi inferiori a ms, nel kayak e ms nella canadese. A conferma di questo è necessario osservare la tecnica alle alte frequenze, oltre 120 nel kayak e oltre 70 nella canadese, nelle quali la fase aerea è inferiore a 180 ms e 400 ms nella canadese, e dove il gesto viene compiuto in maniera incompleta, cioè senza il recupero della lunghezza efficace; Essendo la decelerazione durante la fase aerea molto rapida, una esigenza primaria per il canoista è sfruttare la fase aerea solo nel tempo necessario al recupero ottimale della lunghezza efficace nonché coordinare un movimento più corretto, legati entrambi a fattori individuali (antropometrici, neuro-muscolari).

38 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 38 Fattori dellincremento della velocità I parametri dinamici, quindi, sui quali è possibile agire per cercare di ottenere elevata velocità con moto il più possibile uniforme, sono costituiti da un rapporto ottimale fra: Forza applicata Lunghezza del colpo efficace Frequenza dei colpi Questo rapporto varia da atleta ad atleta, poiché è in relazione alle capacità muscolari e alle misure antropometriche, da scafo a scafo, da gara a gara e deve essere ottimizzato con lallenamento. Inoltre, lo scafo dovrebbe presentare bassa resistenza allavanzamento e mantenere la scivolata durante la fase aerea (inerzia: K4>K2>K1)

39 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 39 Forza applicata Limpulso di forza (I=F t) applicato alla pagaia, è legato a vari fattori principali, fra cui rivestono importanza fondamentale quelli tecnici cioè in che modo lavora la pala in acqua ed in misura ridotta, il tempo di esecuzione della fase in acqua (rapidità del colpo). Per aumentare limpulso di forza applicata alla pagaia, possiamo agire sui due fattori del rapporto e cioè su un corretto lavoro della pala in acqua e sullaumento della rapidità del colpo stesso. Perché la pala possa svolgere un lavoro in acqua più efficace possibile, è indispensabile che: la pagaia entri velocemente in pressione ed esca velocemente dallacqua, fattori entrambi legati alla sua forma (forma del bordo e superficie superiore; inclinazione della pala rispetto al manico; superficie vicino al manico) ma anche alla sensibilità dellatleta, poiché una messa in pressione della pala tardiva, può essere causata da una spinta anticipata sulla trazione. la pagaia venga verticalizzata velocemente durante immersione e propulsione, fino ad un angolo ottimale della pala sul piano frontale di circa 65-70° (sul piano frontale la pagaia copre il braccio). Tale azione favorisce il raggiungimento della posizione alare della pala in acqua, indispensabile per la portanza della pala e per offrire maggiore superficie della pala alla direzione del moto. venga svolta un azione di contrasto del braccio alto che accompagna la torsione con minimo lavoro di spinta (L=F s), fino al passaggio della mano davanti al viso. In tal modo si evita lanticipo della spinta sulla trazione, fattore responsabile di riduzione di carico. le gambe compiano unazione di spinta decisa, omogenea e sincrona con tutta la passata in acqua, iniziando nello stesso istante dellimmersione e terminando un attimo prima dellestrazione.

40 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 40 Forza applicata: traiettoria della pala La traiettoria che la pala segue in acqua, inteso come angolo rispetto al piano sagittale, dipende dalla forma della pala in particolare del ricciolo (spessore del profilo) più o meno grosso. Generalmente tale angolo è intorno ai 30°/40° ma è evidente che se il ricciolo della pala è più grosso, leffetto portante sarà maggiore e la traiettoria sarà più aperta verso lesterno (angolo oltre 40°), mentre se il ricciolo sarà più piccolo (minore effetto portante), la traiettoria sarà più vicina alla canoa con un angolo minore di 35°. Può essere una buona soluzione utilizzare una pala che riesce ad effettuare una traiettoria parallela e molto vicina allonda di scia. Per quanto riguarda la rapidità della fase in acqua, è necessario considerare che sia questo parametro che ancor più la fase aerea, aumentano con laumentare della velocità della canoa. E importante inoltre, ricordare che se aumenta il parametro rapidità del colpo a basse frequenze, aumenterà inevitabilmente la durata della fase aerea (variando il rapporto %) e limpulso di forza conseguentemente non potrà aumentare.

41 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 41 Lunghezza efficace del colpo Di fondamentale importanza perché più avanti riesco a prendere lacqua, più lungo risulterà lavanzamento della canoa, sempre che questo avvenga con movimento biomeccanicamente coordinato e senza arretramento della pala. Va = frequenza(f) x ampiezza(l) da cui: f=Va/l, infatti, se: f=n/tempo = n/t x l; da cui [se: n x l = S (spazio percorso)] = S / t. Quindi: f = S / l x t, cioè f=Va/l. La lunghezza efficace del colpo è definibile come: parte del colpo in grado di produrre propulsione, quindi accelerazione della canoa. E inevitabilmente più breve dellintera passata, perché non comprende due momenti importanti della passata in acqua, come la messa in pressione della pala (immersione), legata alla sua forma e angolazione, oltre che alla sensibilità dellatleta, e lestrazione, che deve essere veloce (non ritardata) per non creare resistenze di vortice e quindi calo di carico. Esaurita lazione di contrasto del braccio alto che accompagna la torsione del busto, durante lestrazione e la fase aerea, il braccio alto con un lavoro di estensione, recupera la lunghezza della leva del braccio, importante per la lunghezza efficace della propulsione. Esaurita lazione di contrasto in associazione alla torsione, durante la fase aerea, il braccio alto recupera la lunghezza efficace.

42 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 42 Frequenza dei colpi-1 E inversamente proporzionale allampiezza del gesto e (negli atleti meno esperti) alla forza applicata. Risente di fattori individuali fisiologici, muscolari (qualità delle fibre) e antropometrici (lunghezza della leva). Generalmente una bassa frequenza causa una evidente decelerazione durante la fase aerea (più lunga) mentre una frequenza eccessiva provoca, lunghezza efficace non ottimale, difficoltà di messa in pressione della pala e di sincronismo tronco-gambe. Le frequenze di gara nelle manifestazioni di alto livello si aggirano mediamente su questi valori: K1 500M-115/120; K2 500M-120/125; K4 500M-130/135 (Media: 124). K1 500W-110/115; K2 500W-115; K4 500W-120 (Media: 115). C /65; C /70 (Media: 65). K W-100/108; K2 1000W-110/115 (Media: 108). K1 1000M-110/115; K2 1000M-115/120; K4 1000M-120/125 (Media: 118).

43 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 43 Frequenza dei colpi-2 Langolazione delle pale e la lunghezza della pagaia incidono in maniera consistente su tale fattore. Langolazione delle pale incide sul grado di rotazione della pala sinistra prima dellimmersione. In pratica più langolo è grande (70-80°) maggiore dovrà essere lestensione del polso destro in uscita, con conseguente rotazione della pala durante la fase aerea prima dellimmersione a sinistra. Viceversa se langolo molto piccolo (>60°), minore dovrà essere la rotazione del polso destro dopo lestrazione, però, come contropartita sarò costretto ad un abbassamento del braccio di spinta, con conseguente maggiore difficoltà di verticalizzazione e appoggio della pala sullacqua. La variazione del rapporto fase aerea/fase in acqua alle diverse frequenze, ci mostra che se il canoista necessita di frequenze più alte per esigenze agonistiche (velocità) o muscolari, minore sarà la fase aerea e più vantaggioso risulterà un angolo più piccolo. Langolazione ottimale delle pale è quindi un compromesso e attualmente è intorno ai 65° (62°/68°). Anche la lunghezza della pala, incide in maniera consistente sulla frequenza dei colpi, aumentando la possibilità di lunghezza efficace. La lunghezza ottimale è nei maschi 2.15/2.19 e nelle femmine 2.10/2.13.

44 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 44 Durata fase aerea/fase acqua e perdita % velocità nel kayak Freq/m in Tempo ogni pagaiata (ms) Tempo fase acqua(ms) Tempo fase aria(ms) % tempo in acqua/ tempo totale Perdita%vel. fase aerea a vel.4,03m/ s Perdita%vel. fase aerea a 4,62m/s % % -11,17% % -9,43%-13,85% % -8,44%-11,90% % -7,94-11,26% % -7,20%-9,96% % -6,45%-9,09% % -7,58%

45 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 45 Durata fase aerea/fase acqua e perdita % velocità nella canadese Frequenza/minTempo ogni pagaiata(ms) Tempo fase acqua(m s) Tempo fase aria(ms ) % tempo acqua/tempo totale Perdita%vel. fase aerea a vel.4,46m/s % % -29,82% % -28,70% % -26,46% % -23,99% % -21,52% % -18,39% %

46 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 46 Sincronismo frequenza colpi/velocità della canoa Come dimostrano le tabelle della decelerazione, durante la fase aerea la velocità della canoa decresce rapidamente in relazione alla velocità della canoa, ma lobiettivo principale della pagaiata è lavanzamento il più possibile uniforme ed efficace. Per questo è necessario una determinata lunghezza del gesto tecnico, senza arretramento della pala in acqua, che riduce la lunghezza del lavoro e quindi lavanzamento, che deve essere parallelo alla velocità della canoa. Il canoista quindi si dovrà muovere fra queste esigenze primarie: 1.Evitare una decelerazione intensa con una fase aerea troppo lunga, cioè una dinamica del colpo adeguata (non colpo staccato con fase in acqua troppo rapida). 2.Recuperare la sua lunghezza di leva efficace, con una fase aerea adeguata. 3.Eseguire la sequenza aggancio-propulsione-estrazione, sincronizzando il tempo di permanenza della pala in acqua con lavanzamento (quindi la velocità) della canoa. 4.Se tale sincronismo non esiste, si verifica un aumento delle resistenze idrodinamiche, come la tardiva messa in pressione della pala (aggancio non efficace per arretramento della pala in acqua) o la frenata (per ritardo nellestrazione della pala).

47 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 47 Durata fase aerea/acqua e calo%vel. La perdita di velocità diminuisce in maniera evidente con laumento della frequenza dei colpi e la relativa diminuzione della durata della fase aerea Questo non vuol dire che basta aumentare la frequenza per raggiungere elevati risultati perché, come abbiamo visto, al di sotto di una determinata durata della fase aerea, diventa molto difficile (biomeccanicamente) recuperare la lunghezza del colpo La durata della fase aerea ottimale sarà quindi quella che permette di recuperare la lunghezza efficace del colpo, fattore questo individuale perché legato alle caratteristiche neuro- muscolari e antropometriche.

48 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 48 La misurazione del rendimento Il rendimento (efficienza propulsiva), risponde alla formula: Potenza sviluppata(P)/Potenza spesa (E). Per quanto riguarda la potenza sviluppata sappiamo che: P = F (R) V, si esprime in watt (Joule/sec). Infatti P = L/T dove L = F (in N o Kg*9,8) s (spostamento in m) e si esprime in Joule (Newton m). Nel nostro caso L = R (N o Kg) s (m), quindi P = R s/t (ma s/t=V) da cui P = R V (e di conseguenza V=P/R e R=P/V). Boiko, nel suo articolo del 1987 (da cui hanno preso spunto varie pubblicazioni e linee metodologiche), descrisse per primo la misurazione della forza con i principi sopra esposti. Infatti, partendo da un esempio di un canoista di 80 kg che voleva fare 150 sui 500 m (4,5 m/s), doveva vincere una R di 7,8 kg m, produrre un lavoro totale di 3900 kgm (unità di misura utilizzata fino a circa 20 anni fa, poi sostituita dai Joule) derivante da F*s (7,8*500). La potenza espressa dal canoista è di 35 kgm (L/t: 3900kgm*110 sec. Oppure R(F)*V: 7,8 kg*4,5 m/s). Se la frequenza ottimale del canoista è 120 colpi al minuto, in 110 s di gara saranno battuti 220 colpi (120/60*110), che ci serviranno per trovare il lavoro/colpo (3900/220=17,7 kgm). Con lo stesso procedimento Colli e coll (1990) arrivarono alla misurazione del J/colpo

49 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 49 Rendimento Per la resistenza idrodinamica vengono generalmente adottate le formule: R=kV 2 ; P=kV 3, che comunque ci lasciano alcuni giustificati dubbi, date le considerazioni precedenti (Mori, 1991) sulla difficoltà a quantificare lesponente della velocità (V) e di conseguenza il k, soprattutto per limpossibilità di riprodurre artificialmente le azioni del canoista che producono beccheggio e scodinzolo. La potenza spesa è quantificabile, misurando lO2 consumato (sapendo che 1 L O2 min=350 Watt). Sappiamo che il rendimento fisiologico nella canoa è 16-18% (Colli e coll., 1993), mentre nel ciclismo può arrivare al 24-25%. Il rendimento meccanico muscolare cioè quanti newton di forza applicata alla pagaia, vengono trasmessi alla canoa, è del 43% circa. Su questo argomento Colli-Introini (2006) hanno effettuato molte ricerche sul campo, misurando il costo energetico (C) in J/m/kg e dimostrando che il C diventa sempre più efficace con laumentare del livello del canoista. Il rendimento può essere migliorato quindi, in due modi: aumentando la potenza espressa, tramite la preparazione condizionale metabolica. riducendo lenergia spesa, nel nostro caso resistenza allavanzamento, rendendo più efficace la tecnica e arrivando a sostenere le stesse velocità con consumi inferiori o velocità superiori con lo stesso consumo, che rappresenta sicuramente il sistema più economico.

50 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 50 Meccanica della pagaia tradizionale e canadese Sfruttano il principio della resistenza come un qualsiasi corpo che si muove in un fluido: Rp = Cpe Y S V 2, dove Cpe è il coefficiente di penetrazione della pala, dipendente dalla sua forma, Y è la viscosità del fluido, S è la superficie che essa espone frontalmente al moto (sezione maestra), V 2 è il quadrato della velocità con cui la pagaia si muove in acqua. Non potendo intervenire su Y, possiamo invece variare R (=sforzo efficace Fe), variando Cpe e S (tipo di pagaia) e V, dipendente invece, da moltissimi fattori (pagaia, scafo, tipo di voga, tipo di gara, caratteristiche del canoista). In altre parole un certo carico Fe, si può ottenere come reazione ad una resistenza R, che può essere ottenuta con piccoli valori di Cpe e S e grandi velocità in acqua, oppure con grossi valori di Cpe ed S e piccole velocità in acqua. Nel primo caso, la pala fugge velocemente, creando un gran movimento di acqua nella direzione opposta allimbarcazione, ma peggiorando le condizioni per spingere avanti la stessa.(poiché se la rapidità del mio gesto in acqua è maggiore della velocità della canoa, la pagaia slitta in acqua) Nel secondo caso invece, la pala si muove poco in acqua e mi permette di agganciarmi e tirarmi avanti. Si deve notare che se la canoa non è abbastanza veloce, tenere la pagaia ferma, fa diminuire molto la frequenza dei colpi. E per questo che in partenza, quando la canoa è ferma, per i primi 3- 4 colpi, la pagaia arretra visibilmente, alzando molti spruzzi, manifestazione, questa da evitare quando si è in velocità.

51 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 51 Immersione-propulsione con p.trad.e canadese Fase di immersione Carico progressivamente crescente se la pala ha una forma adeguata, cioè una giusta inclinazione rispetto al manico, in modo da entrare in acqua senza spruzzi cioè filetti fluidi che non si attaccanosubito alla pala, ma inizialmente cavitano (Figura). Inoltre, la pala deve essere sufficientemente larga da consentire subito lapplicazione di un carico elevato, ma non eccessivo. Fase propulsiva Inizia larretramento della pala, con formazione di pressione sulla faccia della pala stessa e di una forte depressione, accompagnata da vortici, sul dorso. Fase di instabilità con caduta di carico dovuto alla indecisionedellacqua compressa sulla faccia della pagaia, sul verso da prendere (destro o sinistro) per sottrarsi alla compressione. In un sistema equilibrato (forma della pala) l'acqua dovrebbe uscire in parti uguali dai due lati, motivo per il quale, a volte, è stato introdotto nella pala un deflettore centrale (anche chiamato spiga o costola), che indirizzando il flusso acquoso metà a destra e metà a sinistra, rende la pagaia più stabile, complicando un po lestrazione. Dopo questa fase instabile, il carico si mantiene abbastanza costante, per poi finire in una fase sempre meno positiva, nella fase di estrazione. Nella canadese, la forma e la maggiore superficie della pala, la possibilità di lavoro con la pagaia verticale, lazione di stabilizzazione dallalto verso il basso del braccio alto, permettono carichi decisamente più elevati.

52 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 52 Propulsione: verticalità/perpendicolarità

53 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 53 Immersione: cavitazione

54 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 54 Propulsione canadese/pagaie tradizionali

55 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 55 Estrazione con pag.trad.e canadese Nella fase di estrazione la pagaia ha una posizione in acqua, con una componente orizzontale di avanzamento sempre più piccola, ed una verticale (che abbassa la poppa) sempre più grande (Figura). Questa fase è troppo estesa rispetto allintera passata, ed inoltre proprio per abbreviare questa fase, la pagaia deve essere estratta dallacqua con un moto parassita del braccio, cioè con uno sforzo che non partecipa alla propulsione. Nella canadese, inoltre, la timonata, riduce ulteriormente la velocità, rappresentando una frenata. Attualmente la ridotta larghezza delle canadesi, permette allatleta di pagaiare molto vicini allasse sagittale del sistema canoa-canoista (diminuzione del braccio), riducendo il momento di rotazione, e quindi anche la timonata in fase di estrazione (mano davanti allanca). Tale azione genera minore resistenza idrodinamica e maggiore avanzamento (Figura)

56 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 56 Beccheggio canadese Nelle fasi di immersione (1) e estrazione (2), le componenti verticali (v), i bracci (b1-b2) rispetto al centro di spinta (c), generano momenti di rotazione inversi, maggiore nellimmersione, responsabili del beccheggio della canoa.

57 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 57 Momento di rotazione nel C1 C1 visto dallalto. A parità di forza applicata (o), la minore larghezza della canoa, determina un minore braccio (b) con riduzione del momento di rotazione (Mo) della canoa, permettendo minore azione di timonata. Tale effetto riduce la resistenza idrodinamica (R), e aumenta lavanzamento (A).

58 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 58 Il concetto della portanza Le pagaie elicoidali svolgono il loro compito, in maniera totalmente diversa dalle pagaie tradizionali. Infatti una volta esaurita la fase di immersione, si comportano sostanzialmente come lala di un aereo, o come unelica o un timone, sfruttando, quindi, un principio fisico diverso rispetto alle pagaie precedenti. Unala non ha sostentamento se non è investita da un fluido in movimento e non presenta una certa incidenza rispetto al fluido stesso. Cioè unala di forma simmetrica (per esempio il timone), se ha lasse parallelo al moto, non esercita nessun sostentamento ma si limita a dividere il fluido in due flussi distinti ed a generare una resistenza allavanzamento (Figura). Quando lala presenta invece, una certa angolazione rispetto al fluido, la divisione dei due flussi esercita una doppia azione: sul dorso, si verifica un calo di pressione mentre sulla parte inferiore dellala la pressione aumenta. I due effetti si sommano ed il risultato è quello rappresentato nella Figura. Ad una pressione N, che si può considerare perpendicolare allasse di simmetria, corrisponde una componente P, che solleva lala, detta portanza, ed una componente R, che rappresenta la resistenza allavanzamento

59 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 59 La portanza

60 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 60 Caratteristiche pala elicoidale Una buona pagaia deve possedere un elevato P, con un basso R. I valori di P e R, si possono calcolare con le seguenti formule: P = ½ Cp d A V 2 ; R = ½ Cr d A V 2, dove d è la densità del fluido, A è larea della sezione maestra, V 2 è il quadrato della velocità del fluido contro la pagaia, mentre Cp e Cr sono coefficienti che dipendono dalla forma dellala e dalla sua inclinazione rispetto al fluido. Evidentemente una buona ala per presentare un buon rapporto P/R deve avere un buon rapporto Cp/Cr. Fase di immersione: non presenta differenze sostanziali con le pagaie a resistenza, se non per i vantaggi legati alla forma più razionale che consente di eseguire più facilmente un ingresso in acqua tangente alla velocità Vr (Figura). Si ha così l' assenza di spruzzi ma soprattutto una crescita più veloce del carico.

61 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 61 Immersione pagaie elicoidali

62 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 62 Fase propulsiva-pagaia elicoidale La pagaia viene tirata ed essendo asimmetrica rispetto al manico, si dispone spontaneamente in posizione alare(Figura) descrivendo in acqua una traiettoria divergente rispetto al kayak, ma con una grossa componente di forza nel senso dellavanzamento. Il risultato di questa azione è che la pagaia in sostanza non arretra ma si allarga rispetto allo scafo e contemporaneamente si ha una rotazione attorno ad un punto che è allincirca a livello della superficie dellacqua. Inoltre in fase di uscita la pagaia si presenta in posizione molto vantaggiosa, incontrando pochissima resistenza nellestrazione. Pur rimanendo validi i concetti della pala tradizionale, lincremento del carico massimo applicabile dipende soprattutto dal migliore rendimento, che consente una propulsione molto più regolare e fluida, con minori cadute di velocità dello scafo nelle fasi transitorie (ingresso, estrazione, fase aerea), e per confermare ciò basta guardare filmati attuali e filmati di venti anni fa, quando i beccheggi erano molto più accentuati. Infine è importante ricordare, che la muscolatura lavora meglio, perché il particolare moto della pagaia facilita limpiego dei soli muscoli del tronco e permette al braccio di tirare in posizione ergonomica (vicino al tronco), con il solo avambraccio che viene tirato in fuori dalla pagaia stessa.

63 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 63 Posizione alare

64 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 64 Pagaie Wing, Rasmussen e successive Wing: Progettata da tecnici Svedesi nel 1983 e introdotta negli anni 1984/85, per aumentare la stabilità della pala in acqua. Forma simile ad unala (da cui il nome) concava. Maggior parte della concavità vicino al manico (grande superficie in estrazione). Margine estremo della pala non rotondeggiante ma quasi appuntito, (minore superficie in attacco). Profilo (ricciolo) molto evidente soprattutto nella parte centrale della pala Lunghezza delle pagaie Angolatura fra le pale 80-85°. Utilizzo maggiore dei muscoli del tronco (gran dorsale e obliqui) e minore delle braccia (più distese). Rasmussen: Progettata e utilizzata nel , da un canoista Norvegese, da cui il nome. Diffusa nel Evoluzione della wing, ma con forma elicoidale delle pale. Concavità distribuita uniformemente su tutta la lunghezza della pala e non vicino al manico come la wing (minore superficie in estrazione). Margine estremo della pala non a punta come nella wing, ma più arrotondato, con maggiore superficie allattacco. Profilo della pala meno accentuato della wing. Lunghezza della pagaia Angolatura delle pale intorno ai 75°-80°. Dalla Rasmussen derivarono 2 modelli, uno di realizzazione russa (poi Bracsa), laltro di realizzazione cecoslovacca (poi Turbo). Attualmente i modelli presentano, angolatura delle pale 60°-70°; Lungh. 2,15-2,19 M, 2,10-2,13 F.

65 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 65 Pagaie attuali: scheda tecnica ST: Superficie totale pala. S1: Sup. margine sup. S2: Sup. centrale. S3: Sup. vicino manico. S4: Profilo/concavità Tipo di PagaiaSTS1S2S3S4LunghLarghFless.manPeso Bracsa I min ,4/2,6800 Bracsa IV min ,6/2,9750 Jantex Beta large Jantex Beta Medium , Jantex Gamma Large , Jantex Gamma Medium , Turbo men ,5 Turbo women LettmannWarpLCS70-50 (pala+lunga 6 cm) ,5/5716,5/14,7960/ 860 Lettmann NordicLCS ,5/5117/15920/ 820 Gut /4817,5/16,42,90/2,55 Bracsa canoe Gere (legno) ,9-2, Bracsa canoe (carbon) ,51, Lettmann Olympic5522,5730 ST: Superficie totale pala. S1: Sup. margine sup. S2: Sup. centrale. S3: Sup. vicino manico. S4: Profilo/concavità

66 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 66 Pagaia La pagaia deve permettere, in relazione alle proprie caratteristiche antropometriche e neuro-muscolari e alla velocità della canoa, di eseguire un gesto tecnico corretto ed efficace alle intensità (frequenza, forza applicata) necessarie in gara. Leva di 3° genere con fulcro cedevole, azione-reazione, portanza. Angolazione pale 60-70°. Aggancio con angolo giusto Propulsione con traiettoria divergente per rimanere in pressione Verticalità della pagaia per aumentare portanza e superficie frontale Rapidità del colpo, estrazione veloce Pagaia lunga, affondamento eccessivo (manico-mano), ritardo estrazione, innalzamento spalle Pagaia corta, affondamento non completo della pala Barche multiple, maggiore velocità canoa, minore durata fase acqua, pale con più superficie per migliorare leffetto portante, compensando la lunghezza gesto minore e messa in pressione più difficoltosa.

67 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 67 Impugnatura della pagaia Le forze applicate sulla pagaia (Ft, Fs, azione-reazione) dipendono anche dalla larghezza dellimpugnatura. Infatti, più la distanza fra le 2 impugnature è grande e quindi minore è la distanza dallimpugnatura al centro di portanza della pala in acqua, e più la trazione sarà vantaggiosa (dominante sulla spinta), ma per contro minore sarà anche la lunghezza della presa avanti, quindi il vantaggio ottenuto ridurrebbe in questo caso, la lunghezza della leva avanti. E necessario quindi, trovare una distanza ottimale fra impugnatura e centro di portanza della pala in acqua, o per comodità, fra impugnatura e inizio della pala cioè angolo di congiunzione dei 2 bordi della pala stessa (limite massimo di immersione). Da varie misurazioni effettuate, tale distanza risulta essere di circa cm. Considerando infine, che la lunghezza della pagaia, data prevalentemente dalla lunghezza del manico (lunghezza pala: 49/52), varia di 3-4 cm, la larghezza dellimpugnatura non sarebbe guidata solo dalle misure antropometriche (allungo avanti delle braccia; eccedenza mani oltre busto; larghezza biomerale) come spesso avviene, ma del parametro Lunghezza impugnatura/inizio pala. Gli atleti con braccia lunghe, quindi impugnerebbero più stretto (con angoli ai gomiti più bassi), mentre quelli con braccia più corte, impugnerebbero più largo (con angoli ai gomiti più alti).

68 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 68 Conclusioni-1 Il raggiungimento di elevate prestazioni è il risultato di vari fattori quali allenamento condizionale con grandi volumi e elevate intensità ma soprattutto di una tecnica ottimale. Lobiettivo principale della pagaiata deve essere lavanzamento il più possibile uniforme ed efficace. Per questo è necessario una determinata lunghezza del gesto tecnico, senza arretramento della pala in acqua, che riduce la lunghezza del lavoro e quindi lavanzamento. E importante che la pulsazione del colpo (tempo di permanenza della pala in acqua) sia perfettamente coordinata con la pulsazione delloscillazione della velocità della canoa (che determina tale tempo). Devono essere evitate azioni scorrette che aumentano le resistenze idrodinamiche, come la tardiva messa in pressione della pala (aggancio non efficace per arretramento della pala in acqua) o la frenata per ritardo nellestrazione della pala.

69 02/11/2013 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica- idrodinamica-tecnica 69 Conclusioni-2 Lottimizzazione di una tecnica efficace, ottenuta grazie allutilizzo di determinati angoli biomeccanici e di una corretta dinamica del colpo, permette di raggiungere vari obiettivi: maggiore applicazione di forza, legata ad una lunghezza efficace propulsiva, rapidità esecutiva, angolo ottimale della pagaia sul piano frontale, e efficace trasmissione del movimento con una spinta di gambe decisa, omogenea e sincrona, attuata con una catena cinetica che inizia dalla spinta del piede e prosegue con il tronco fino al braccio; riduzione delle resistenze idrodinamiche, velocità della messa in pressione della pala, angolo ottimale di portanza della pala in acqua rispetto allasse sagittale della canoa, mancanza di anticipo della spinta sulla trazione, estrazione veloce legata ad un verticalizzazione ottimale della pagaia; rapporto ottimale tra fase aerea e fase in acqua, ricercato migliorando la sensibilità dellatleta con lobiettivo principale di recuperare durante la fase aerea, la lunghezza efficace del colpo, necessaria per lavanzamento, e ottenuta rilasciando i muscoli agonisti della pagaiata (trazione). La misurazione del rendimento, infine è un parametro decisamente importante dal punto di vista metabolico, ma non in grado di rilevare quale sia lerrore o gli errori tecnici determinanti, per lindividuazione dei quali, rimane insostituibile lanalisi della pagaiata con videocamera in considerazione dei concetti tecnici espressi in questo articolo. Sarebbe, quindi interessante verificare quale siano i parametri tecnici di efficacia, comuni in atleti che mostrano unottimo rendimento e quindi un ottimo costo energetico.


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