Bodo E. Ungerechts

In International Series on Biomechanics,
X-B Vol. 6B, Edited by Bengt Jonsson. Human Kinetics Publishers, Inc. Champaign Illinois, 1987

Tradução: Flávio de Souza Castro

A questão básica na hidrodinâmica aplicada à natação é como um corpo que gera sua própria propulsão pode gerar impulso a fim de atingir altas velocidades de nado? A pergunta é interessante tanto na natação de atletas, quanto na natação de vertebrados, que estão altamente adaptados ao meio aquático. A resposta dessa pergunta também ajuda a distinguir entre múltiplos princípios com relação a corpos que geram sua própria propulsão.

Na pesquisa em natação, os mais populares princípios da propulsão são "ação e reação" e o princípio de Bernoulli ou princípio da força de sustentação. Os princípios foram discutidos em vários estudos (Barthels, 1979; Counsilman, 1971; Schleihauf, 1979), mas uma teoria que abranja a propulsão de corpos auto-propulsivos permanece a ser trabalhada.

Os acima mencionados princípios foram principalmente aplicados ao movimentos de braços e mãos. Quando foram aplicados ao movimento de pernas do peito ou "flutter", ocorreu uma discrepância. Referente à relação da máxima aceleração do corpo com o movimento de pernas, é óbvio que a maior aceleração ocorre quando os pés mudam suas direções (Ungerechts, 1984).

A questão atinge a qual princípio hidrodinâmico para produção de impulso poderia estar envolvido naqueles casos, quando os membros inferiores a recém completaram os movimentos de volta. O que acontece no fluxo que fornece forças propulsivas resultantes em altas velocidades de natação? Este é o propósito deste capítulo: colocar atenção a um outro princípio – o princípio do vórtice – pela descrição do fluxo que se torna visível ao longo de corpos em natação.

Materiais e métodos

A investigação do fluxo foi executada com mergulhadores de scuba com movimentos de pernas de golfinho e de crawl. Aos nadadores foi solicitado para nadarem para frente, 1,5 m abaixo da superfície com os braços estendidos carregando um grande esguicho nas mãos. Do esguicho saía um tubo em direção á superfície dorsal dos pés. O esguicho foi enchido com uma tintura fluorescente, que produzia um fluxo colorido em forma de fita, quando água era injetada por um tubo na direção do fluxo de água. Isso foi filmado, fotografado e então analisado. A descrição do fluxo é apresentada relativa ao movimento do corpo a um sistema de referência fixo (no caso a piscina).

Resultados

Iniciando a análise com a observação do fluxo visível relativo aos movimentos periódicos do corpo, duas seqüências podem ser separadas: (a) um movimento de um lado para outro, a fase de deflexão; e (b) o movimento próximo a cada ponto de mudança, a fase reversa. Durante a fase de deflexão, o fluxo ao longo do pé permanece junto ao superfície dorsal. Esta é uma observação encontrada que indica a falta de um fluxo cruzado da superfície dorsal para a superfície plantar do pé. A falta de um fluxo cruzado intenso contradiz a opinião corrente que impulso do movimento de pernas pode ser derivado exclusivamente a partir da relação com a resistência. Durante a fase reversa do movimento, a trajetória do fluxo muda caracteristicamente. O fluxo é colocado em rotação como indicado pela concentração de tintura fluorescente. Parece que o movimento do corpo fornece um efeito transfigurante no fluxo ao longo do corpo, mudando o movimento do fluxo de translação para rotação. O fluxo atrás do nadador revela o mesmo formato sinoidal irregular que foi reconhecido a partir dos traços de luz fotografados. Mesmo se o nadador já tiver passado, uma corrente de elos de vórtices permanece onde foram produzidos.

Discussão e conclusão

Quando fala-se dos princípios da propulsão em um meio aquático, o ponto de vista deve ser o hidrodinâmico, ou seja, deveria-se considerar o fluído. Ênfase será colocada em como propulsão será realizada pelo fluxo, o qual é colocado em rotação pela ação do corpo. A resposta é que ações periódicas causam mudanças na velocidade do fluxo, resultando em vórtices. Esses vórtices rolarão em um movimento que pode ser imaginado como água em rotação com certa quantidade de torque (Lighthill, 1969). Durante o nado, vários vórtices são deixados para trás, lembrando a "Karman Vortex Street". De acordo com as pioneiras contribuições de Wu (1961) e Lighthill (1969), a produção de propulsão pelo movimento de pernas pode ser pensado como resultado da formação de água em rotação. Lighthill (1969) conjectura que a propulsão é devido a uma trajetória em forma de jato induzida pela água em rotação.

De acordo com o estudo de Elligton (1984), com aplicação matemática, parece claro que forças de sustentação são de origem circular, e o coeficiente médio de sustentação deve ser maior que o máximo em movimento estável (Elligton, 1984).

Finalmente, a rotação da água cria um campo veloz que também gira, influenciando o fluxo ao longo do pé durante a seguida fase de deflexão. Como a direção do campo de velocidade é como o do pé, um fluxo cruzado poderia ser contido, talvez atribuindo-se ao acima mencionado incremento no coeficiente de sustentação circular. A despeito da natureza do provável efeito propulsivo da água em rotação, pode ser estabelecido que vórtices agem de duas maneiras diferentes: aumentando torque e criando um campo de velocidade.

A teoria do vórtice pode, é claro, ser estendida aos vertebrados que nadam rapidamente. Diferença óbvia do efeito do batimento de perna na propulsão em golfinhos e humanos, o qual assume-se ser de um fator de no mínimo 100, pode ser atribuído parcialmente a algumas diferenças morfológicas. Além do maior e melhor formato da superfície do nadadeira relativo à cauda é muito maior do que a de flexão do pé na articulação do tornozelo.

Na natação de competição, técnicos experientes sabem, há longo tempo, que uma pernada efetiva está relacionada a alta flexibilidade na articulação do tornozelo. Baseado na teoria do vórtice, esta inter-relação poderia ser explicada. Melhor flexibilidade causa uma maior fase de deslocamento entre o movimento da perna e pé e produz um torque rotacional poderoso.

No treinamento de nadadores, ênfase deveria ser colocada no treinamento de flexibilidade do tornozelo. Em períodos de treinamento técnico, a idéia de conhecimento hidrodinâmico deveria ser parte da instrução. Atenção deveria ser focada na fase reversa, na qual a água é colocada em vórtices. Para objetivos didáticos, as figuras na literatura concernentes ao movimento de perna na natação deveria demonstrar esta importante fase.