Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica della canoa

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 un’analisi 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 (m2); volume, metro cubo (m3); velocità, metro al secondo (m/s); accelerazione, metro al secondo quadrato (m/s2); frequenza, hertz (Hz); forza, newton (N); lavoro o energia, joule (J); potenza, watt (W); pressione, pascal (Pa); densità, kilogrammi al metro cubo (kg/m3). • 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=103 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 (“l’equilibrio degli oggetti”); dinamica (“le cause del movimento”). Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

3. 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. L’unità 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/s2). 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 nell’unità 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. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

4. 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. L’inerzia è appunto la tendenza a continuare a muoversi a velocità costante. La massa misura l’inerzia di un oggetto (tanto è più grande, tanto più l’oggetto oppone resistenza a essere accelerato). • 2° principio della dinamica (legge fondamentale): in ogni istante l’accelerazione 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 un’oggetto. 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 un’accelerazione di 1 m/s2. Massa rimane sempre la stessa mentre il peso è legato all’accelerazione di gravità(g)=9,8 m/s2. Quindi 1 kg massa=9,8 N, cioè 1 kg-peso. • 3° principio della dinamica (azione-reazione): quando un oggetto esercita una forza su un’altro oggetto, riceve a sua volta una forza della stessa intensità (=), ma di verso opposto (contraria). Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

5. Concetto di Forza • In fisiologia: capacità che ha il muscolo di esprimere tensioni; • In cinesiologia e biomeccanica: capacità del muscolo di opporsi a resistenze esterne; • 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). • 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. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

6. Lavoro e Potenza Lavoro • grandezza scalare derivante dall’intensità 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 nell’unità di tempo. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

7. Pressione, Densità, P. di Archimede Pressione • Grandezza scalare derivata, definita come il rapporto tra l’intensità della forza che preme perpendicolarmente alla superficie e l’area di questa superficie. Si esprime con la formula: p=F/S. L’unità 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/m2) 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/m3) Principio di Archimede • Un corpo immerso in un liquido, riceve una spinta (forza) verso l’alto 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 dell’acqua, sono cave all’interno, quindi hanno molto volume e spostano molta acqua Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

8. Gli aspetti più dibattuti L’esperienza pratica sul campo ci indica che sull’argomento “tecnica” esistono spesso alcune divergenze di opinione. Gli argomenti più dibattuti sono: • Lunghezza della propulsione (grado di estensione del braccio all’attacco; 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 l’argomento. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

9. L’efficacia propulsiva Efficacia: capacità di produrre l’effetto 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 l’efficacia propulsiva L’efficacia propulsiva è ottenibile dall’atleta: • rendendo il movimento stabile nella sua forma (struttura o immagine esterna), ma flessibile nei particolari (contenuti legati all’immagine 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. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

10. Misurazione dell’efficacia della propulsione • La misurazione dell’efficacia propulsiva ha subito una graduale evoluzione, grazie soprattutto all’utilizzo 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 1977-1980, 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 sull’analisi della pagaia considerata come una leva e sulle sue applicazioni pratiche. • A partire dalla fine degli anni ’80, l’efficacia 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) Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

11. Documento sovietico 1977 (da Beaudou e coll., 1987) Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

12. Documento sovietico 1980 (da Beaudou e coll.1987) Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

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

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

15. L’orientamento 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 dell’Olimpiadi 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 “l’ergokayak”, 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 l’efficacia di ogni singolo colpo, mantenendo stabile la frequenza di pagaiata. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

16. L’orientamento 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, l’andamento 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 l’efficacia 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. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

17. Il bilancio delle forze nel kayak • Sulla canoa:R - Forza di resistenza idrodinamica. Vr (V/√L) della canoa, intorno a 2, da cui res. d’onda 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 dell’aria • Sulla pagaia: A - Forza appoggio pala sull’acqua e –A (p.azione-reazione); TO-Forza trazione orizzontale; TV-Forza trazione verticale; SO-Forza di spinta orizzontale; SV-Forza di spinta verticale. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

18. 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 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

19. Il concetto di “fulcro aereo” spinta spinta propulsione estrazione attacco Fulcro alto Fulcro basso attacco propulsione estrazione trazione trazione Fulcro basso-Spinta dominante Fulcro alto-Trazione dominante 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. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

20. 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. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

21. 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 sull’acqua 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). Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

22. 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 l’aumentare 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.d’onda 75%; res. attrito 15%; res. appendice, scia, vortice e altre 10%; • Resistenza d’onda, moto ondoso longitudinale prodotto dalla pressione dello scafo che avanza contro l’acqua (Formula di Taylor: 0,527 Cf P V4/L2 ; 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 d’attrito, attrito dell’acqua sulla superficie dello scafo. (Formula di Froude: 0,297 f d S V1,825 in kg; f-coeff.lunghezza, d-densità fluido, S-superficie bagnata mq, V-velocità in nodi) • Resistenza d’appendice (timone, derive), di scia (turbolenze dietro lo scafo), di vortice (caduta di pressione sullo scafo dopo la sezione maestra), dell’aria (variabile a seconda dell’intensità del vento) Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

23. 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 d’onda, scarsa accelerazione (partenza lenta), ma una volta raggiunta la velocità di planata, ottimo mantenimento della scivolata (minore decelerazione). Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

24. 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 dall’autore nel 1972 (prove di trascinamento o elaborazione teorica??). F=S V2 C, dove F(resistenza frontale della canoa in kg), S(sezione trasversale dello scafo), V2(quadrato della velocità), C(coefficiente penetrazione della canoa). Essendo C costante per molte canoe e S legato al peso del sistema (canoa-canoista-pagaia), l’autore semplificò dicendo che R(F) è legato ai due parametri: peso (kg) e V2. Quindi per ogni Kg di peso, abbiamo: F=k (coeff.attrito)*V2, (da cui k=F/V2 o V2=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*V2/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) Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

25. Grafici di Boiko (1987) Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

26. 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 l’epoca (catamarano-cella di carico risoluzione 10 g-tachimetro a girante assiale in grado di rilevare l’aumento 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 dell’assetto e si manifestò una difficoltà a tracciare un diagramma resistenza/velocità, nonché a dare una forma matematica a questa relazione. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

27. 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 dell’onda di prua raggiunge la poppa, e lo scafo è “in scia a sé stesso”. Abbandonata l’onda 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 dall’equazione: F=0,65 V1,5057 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

28. 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=4’45” km) si ottiene addirittura un polinomio di grado 5: F=3,10478 V5- 60,9634 V4+475,73 V3-1843 V2+3544,69 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 V4, e l’altra (res.attrito) V2. • 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. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

29. Nozioni di dinamica 2° equazione fondamentale della dinamica: • F = m a “una forza F, applicata ad un corpo di massa m, gli imprime un’accelerazione a, proporzionale alla sua intensità” • F∆t(Impulso di forza) = m∆v (variazione quantità di moto), “l’impulso 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 dell’acqua e dell’aria, produce “a” • Con l’aumentare della velocità però, le resistenze aumentano notevolmente (R:V2), fino a quando F=R, e non esiste più “a” Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

30. 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. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

31. La decelerazione • Le prove di decelerazione in canoa, presenti in letteratura scientifica, sono scarsissime • In passato, (Guazzini, 1990-2000), 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 l’evoluzione degli strumenti (“Ergokayak 2”) ci permette di analizzare l’andamento della decelerazione, utilizzando dati con maggiore precisione scientifica Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

32. Flunker, 1986-Resistenza e decelerazione (N) (N) K1-1’40” K2-1’30” Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

33. Andamento della decelerazione 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) Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

34. Rapporto fase aerea/fase in acqua 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) Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

35. 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). • L’aumento della velocità è fortemente correlato (r=0,99) all’aumento della frequenza. • La fase positiva della pagaiata, diminuisce con l’aumentare della frequenza, per la diminuzione del colpo in acqua (r=-0,88, aumento velocità-diminuzione fase positiva). • L’aumento dell’accelerazione longitudinale, è il risultato anche dell’aumento delle accelerazioni verticali e laterali. Esistono spesso asimmetrie anche in atleti di alto livello. • L’aumento dell’accelerazione longitudinale è in relazione con l’aumento della forza sul puntapiedi. • Aumento dell’efficacia 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. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

36. Considerazioni meccaniche e biomeccaniche • La decelerazione è tanto più evidente quanto più veloce è la canoa (R=kV2,7). Alle frequenze di gara (90/120) gran parte della velocità (70-100%) viene persa nei primi 180-200 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 all’altro (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 180-200 ms, nel kayak e 380-400 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). Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

37. Fattori dell’incremento 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 l’allenamento. • Inoltre, lo scafo dovrebbe presentare bassa resistenza all’avanzamento e mantenere la “scivolata” durante la fase aerea (inerzia: K4>K2>K1) Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

38. Forza applicata L’impulso 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 l’impulso di forza applicata alla pagaia, possiamo agire sui due fattori del rapporto e cioè su un corretto lavoro della pala in acqua e sull’aumento 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 dall’acqua, 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 dell’atleta, 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 l’anticipo della spinta sulla trazione, fattore responsabile di riduzione di carico. • le gambe compiano un’azione di spinta decisa, omogenea e sincrona con tutta la passata in acqua, iniziando nello stesso istante dell’immersione e terminando un attimo prima dell’estrazione. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

39. 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, l’effetto portante sarà maggiore e la traiettoria sarà più aperta verso l’esterno (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 all’onda 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 l’aumentare 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 l’impulso di forza conseguentemente non potrà aumentare. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

40. Lunghezza efficace del colpo • Di fondamentale importanza perché più avanti riesco a prendere l’acqua, più lungo risulterà l’avanzamento 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 dell’intera 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 dell’atleta, e l’estrazione, che deve essere veloce (non ritardata) per non creare resistenze di vortice e quindi calo di carico. • Esaurita l’azione di contrasto del braccio alto che accompagna la torsione del busto, durante l’estrazione 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 l’azione di contrasto in associazione alla torsione, durante la fase aerea, il braccio alto recupera la lunghezza efficace. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

41. Frequenza dei colpi-1 • E’ inversamente proporzionale all’ampiezza 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). • C1 500-60/65; C2 500-65/70 (Media: 65). • K1 1000 W-100/108; K2 1000W-110/115 (Media: 108). • K1 1000M-110/115; K2 1000M-115/120; K4 1000M-120/125 (Media: 118). Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

42. Frequenza dei colpi-2 L’angolazione delle pale e la lunghezza della pagaia incidono in maniera consistente su tale fattore. • L’angolazione delle pale incide sul grado di rotazione della pala sinistra prima dell’immersione. In pratica più l’angolo è grande (70-80°) maggiore dovrà essere l’estensione del polso destro in uscita, con conseguente rotazione della pala durante la fase aerea prima dell’immersione a sinistra. Viceversa se l’angolo molto piccolo (>60°), minore dovrà essere la rotazione del polso destro dopo l’estrazione, però, come contropartita sarò costretto ad un abbassamento del braccio “di spinta”, con conseguente maggiore difficoltà di verticalizzazione e “appoggio” della pala sull’acqua. • 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. L’angolazione 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. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

43. Durata fase aerea/fase acqua e perdita % velocità nel kayak Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

44. Durata fase aerea/fase acqua e perdita % velocità nella canadese Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

45. 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 l’obiettivo principale della pagaiata è l’avanzamento 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 l’avanzamento, che deve essere parallelo alla velocità della canoa. Il canoista quindi si dovrà muovere fra queste esigenze primarie: • 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). • Recuperare la sua lunghezza di leva efficace, con una fase aerea adeguata. • Eseguire la sequenza “aggancio-propulsione-estrazione”, sincronizzando il tempo di permanenza della pala in acqua con l’avanzamento (quindi la velocità) della canoa. • 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 nell’estrazione della pala). Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

46. Durata fase aerea/acqua e calo%vel. • La perdita di velocità diminuisce in maniera evidente con l’aumento 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. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

47. 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 1’50” 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 Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

48. Rendimento • Per la resistenza idrodinamica vengono generalmente adottate le formule: R=kV2; P=kV3, che comunque ci lasciano alcuni giustificati dubbi, date le considerazioni precedenti (Mori, 1991) sulla difficoltà a quantificare l’esponente della velocità (V) e di conseguenza il “k”, soprattutto per l’impossibilità di riprodurre artificialmente le azioni del canoista che producono beccheggio e “scodinzolo”. • La potenza spesa è quantificabile, misurando l’O2 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 l’aumentare del livello del canoista. Il rendimento può essere migliorato quindi, in due modi: • aumentando la potenza espressa, tramite la preparazione condizionale metabolica. • riducendo l’energia spesa, nel nostro caso resistenza all’avanzamento, 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. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

49. 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 V2, 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), V2 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 all’imbarcazione, 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. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica

50. 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 “attaccano”subito alla pala, ma inizialmente “cavitano” (Figura). Inoltre, la pala deve essere sufficientemente larga da consentire subito l’applicazione di un carico elevato, ma non eccessivo. Fase propulsiva • Inizia l’arretramento 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 “indecisione”dell’acqua 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’ l’estrazione. • 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, l’azione di stabilizzazione dall’alto verso il basso del braccio alto, permettono carichi decisamente più elevati. Prof.M.Guazzini-Fisica-biomeccanica-idrodinamica-tecnica