Fisica-biomeccanica-idrodinamicatecnica della canoa
Prof. Marco Guazzini
Principi fondamentali di Fisica
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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”).
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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.
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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).
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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 19771980, 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)
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Documento sovietico 1977 (da Beaudou e coll., 1987)
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1977
Modello
pagaia/L(cm
)
Lunghez
za colpo
(cm)
L.braccio
leva
trazione
(cm)
“Reazione
” (Kg)
Forza
spinta
(Kg)
Forza
trazione
(Kg)
K1U
Liminat/220
123,8
50,8
15,5
10,8
26,3
K1U
Liminat/223,
5
128,3
49,7
11
10,1
21,1
K1U
Liminat/225,
5
130
50
16,1
10
26,1
K1D
Liminat/210,
7
121,8
45,4
10
5,9
15,9
K1D
Struer/214
112,4
53,7
13,5
12,4
25,9
K1D
Liminat/216
117,1
54,2
13,3
12,9
24,7
C1
168,5
143,7
56
16,6
10,3
26,9
C1
171
144
66,2
21
17,8
38,8
C1
182,5
158,3
68,5
20,6
15,7
36,3
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Documento sovietico 1980 (da Beaudou e
coll.1987)
Tempo
Freq/min
Forza
max (Kg)
Forza media
(Kg)
Durata fase
acqua (ms)
Lunghezza
colpo (cm)
Pot.
(Kgm/s)
K2 500 U
1’41”6
133
15,6
11,1
324
136,5
33,5
K2 500 U
1’40”6
120
19,8
14,3
351
151,5
43,4
K2 1000 U
3’37”
100
18,5
13,1
417
169
37
K4 1000 U
3’17”5
116
17,1
12,6
349
153,7
37,6
K2 500 D
1’56”4
116
13,3
10,2
367
134,5
26,6
C2 500
1’49”5
58
24,7
13,8
612
280
36,1
C2 1000
4’01”
47
24,7
16
674
279,5
35,3
Categoria
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Documento francese 1987-Rapporto forza
colpo/velocità canoa
(da: Beaudou e coll., 1987)
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Documento francese 1987-Rapporto forza applicata/velocità
canoa
(da: Beaudou e coll., 1987)
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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.
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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.
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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; SVForza di spinta verticale.
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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
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Il concetto di “fulcro aereo”
spinta
spinta
estrazione
propulsion
e
attacco
Fulcro alto
Fulcro basso
attacco
trazione
propulsione
estrazione
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.
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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.
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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).
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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)
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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).
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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 (canoacanoista-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)
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25
Grafici di Boiko (1987)
Boiko(1987)- Resistenze idrodinamiche nel kayak
10
9,5
9
8,5
8
7,5
7
6,5
6
5,5
F (Kg) 5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
60 kg
70 kg
80 kg
90 kg
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
V (m /s)
Boiko(1987)- Resistenze idrodinamiche nella canadese
9,5
9
8,5
8
7,5
7
6,5
6
5,5
F (kg) 5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
60 kg
70 kg
80 kg
90 kg
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
V (m /s)
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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.
Grafico 1 - Resistenza F(V). Confronto fra le imbarcazioni
8,5
8,25
8
7,75
7,5
7,25
7
6,75
6,5
6,25
6
5,75
5,5
R (Kg) 5,25
5
4,75
4,5
4,25
4
3,75
3,5
3,25
3
2,75
2,5
2,25
2
2,75
Stinger 72kg
Cleaver 72kg
Cleaver 92kg
Stinger 92kg
3
3,25
3,5
3,75
4
4,25
4,5
4,75
5
V (m /s)
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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
Grafico 3 - Confronto fra valori misurati e valori calcolati
con equazione: F=0,65 V 1,5057
Grafico 2 - Media stimata delle misurazioni
9
8,5
8
7,5
7
6,5
6
5,5
5
R (Kg) 4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
9
8
7
6
5
R (Kg)
4
3
2
1
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
V.misurati
V.calcolati
0
2
3
4
5
V (m/s)
V (m/s)
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1
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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.
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29
Nozioni di dinamica
2° equazione fondamentale della dinamica:
1. F = m a “una forza F, applicata ad un corpo di massa m, gli
imprime un’accelerazione a, proporzionale alla sua intensità”
2. 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”
18/12/2015
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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.
18/12/2015
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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
18/12/2015
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Flunker, 1986-Resistenza e decelerazione
(N)
(N)
K1-1’40”
K2-1’30”
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33
Andamento della decelerazione
K1 a vel 4,03 m/s (2'04"/500)
Tempo dallo stop (ms)
Vel (m/s)
0
4,03
200
3,74
400
K1 a vel 4,62 m/s (1'48"/500)
% dalla vel.iniziale
Tempo dallo stop (ms)
Vel (m/s)
% dalla
vel.iniziale
0
4,62
-7,20%
200
4,16
-9,96%
3,58
-11,17%
400
3,82
-17,32%
600
3,51
-12,90%
600
3,67
-20,56%
800
3,44
-14,64%
800
3,56
-22,94%
1000
3,37
-16,38%
1000
3,49
-24,46%
C1 a vel 4,46 m/s (1'52"/500)
Tempo dallo stop (ms)
Vel (m/s)
% dalla vel.iniziale
0
4,46
200
3,89
-12,78%
400
3,39
-23,99%
600
3,05
-31,61%
800
2,9
-34,98%
1000
2,78
-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)
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34
Rapporto fase aerea/fase in acqua
Kayak
Canadese
Freq/min
Tempo fase acqua
(ms)
Tempo fase
aerea (ms)
Tempo
pagaiata
totale
(ms)
% tempo in
acqua
/tempo
totale
66
476
433
909
52%
74
445
366
811
55%
82
421
311
732
58%
91
396
263
659
60%
97
376
243
619
61%
104
360
217
577
62%
115
330
192
522
63%
122
316
176
492
64%
130
303
159
462
66%
58
580
454
1034
56%
60
572
428
1000
57%
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)
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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. finoProf.M.Guazzini-Fisica-biomeccanicaalla decelerazione, quando la pagaia è ancora in acqua.
18/12/2015
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).
18/12/2015
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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)
18/12/2015
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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.
18/12/2015
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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.
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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.
18/12/2015
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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).
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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.
18/12/2015
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43
Durata fase aerea/fase acqua e perdita % velocità nel kayak
Freq/m
in
Tempo ogni
pagaiata
(ms)
60
1000
70
Tempo fase
aria(ms)
% tempo in
acqua/
tempo
totale
503
497
50%
857
460
397
54%
-11,17%
80
750
427
323
57%
-9,43%
-13,85%
90
667
399
268
60%
-8,44%
-11,90%
100
600
369
231
62%
-7,94
-11,26%
110
545
343
202
63%
-7,20%
-9,96%
120
500
319
181
64%
-6,45%
-9,09%
130
462
303
159
66%
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Tempo fase
acqua(ms)
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Perdita%vel.
fase aerea
a
vel.4,03m/
s
Perdita%vel. fase
aerea a
4,62m/s
-7,58%
44
Durata fase aerea/fase acqua e perdita % velocità nella
canadese
Frequenza/min
Tempo 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
40
1500
652
848
43%
50
1200
612
588
51%
-29,82%
54
1111
596
515
54%
-28,70%
58
1034
580
454
56%
-26,46%
62
968
564
404
58%
-23,99%
66
909
548
361
60%
-21,52%
72
833
524
309
63%
-18,39%
74
811
516
295
64%
18/12/2015
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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:
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 l’avanzamento (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
nell’estrazione della pala).
18/12/2015
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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 neuromuscolari e antropometriche.
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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
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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.
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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 34 colpi, la pagaia arretra visibilmente, alzando molti spruzzi, manifestazione,
questa da evitare quando si è in velocità.
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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.
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Propulsione: verticalità/perpendicolarità
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Immersione: “cavitazione”
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Propulsione canadese/pagaie tradizionali
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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 all’intera passata, ed inoltre proprio per
abbreviare questa fase, la pagaia deve essere estratta dall’acqua 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 all’atleta di
pagaiare molto vicini all’asse sagittale del sistema canoa-canoista
(diminuzione del braccio), riducendo il momento di rotazione, e quindi
anche la timonata in fase di estrazione (mano davanti all’anca).
• Tale azione genera minore resistenza idrodinamica e maggiore
avanzamento (Figura)
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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 nell’immersione, responsabili del beccheggio della canoa.
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Momento di rotazione nel C1
C1 visto dall’alto. 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
l’avanzamento (A).
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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 l’ala di un aereo, o
come un’elica o un timone, sfruttando, quindi, un principio fisico
diverso rispetto alle pagaie precedenti.
• Un’ala non ha sostentamento se non è investita da un fluido in
movimento e non presenta una certa incidenza rispetto al fluido
stesso. Cioè un’ala di forma simmetrica (per esempio il timone), se ha
l’asse parallelo al moto, non esercita nessun sostentamento ma si
limita a dividere il fluido in due flussi distinti ed a generare una
resistenza all’avanzamento (Figura).
• Quando l’ala 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 dell’ala 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 all’asse di simmetria, corrisponde una
componente P, che solleva l’ala, detta “portanza”, ed una componente
R, che rappresenta la resistenza all’avanzamento
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La “portanza”
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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 V2; R = ½ Cr d A V2, dove d è la
densità del fluido, A è l’area della sezione maestra, V2 è il
quadrato della velocità del fluido contro la pagaia, mentre Cp e
Cr sono coefficienti che dipendono dalla forma dell’ala 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.
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Immersione pagaie elicoidali
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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 dell’avanzamento.
• 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 all’incirca a livello della superficie dell’acqua.
Inoltre in fase di uscita la pagaia si presenta in posizione molto
vantaggiosa, incontrando pochissima resistenza nell’estrazione.
• Pur rimanendo validi i concetti della pala tradizionale, l’incremento 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 l’impiego 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.
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Posizione alare
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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 un’ala (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 2.20-2.24. 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 1987-88, da un canoista Norvegese, da cui il nome.
Diffusa nel 1989. 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 all’attacco. Profilo della pala meno accentuato della wing.
• Lunghezza della pagaia 2.19-2.20. Angolatura delle pale intorno ai 75°-80°.
Dalla Rasmussen derivarono 2 modelli, uno di realizzazione russa (poi Bracsa),
l’altro 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.
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Pagaie attuali: scheda tecnica
Tipo di Pagaia
ST
S1
S2
S3
S4
Lungh
Largh
Fless.man
Peso
Bracsa I min
805
++
++
+
++
52
17
2,4/2,6
800
Bracsa IV min
735
++
++
+
++
49
16
2,6/2,9
750
Jantex Beta large
+
+
++
+
52
17
720800
Jantex Beta Medium
+
+
++
+
50
16,4
680760
Jantex Gamma Large
++
++
+
+
51
17,8
720800
Jantex Gamma Medium
++
++
+
+
49
16,4
680760
Turbo men
++
++
+
++
52
17,5
Turbo women
++
++
+
++
49
16
LettmannWarpLCS70-50
(pala+lunga 6 cm)
+
+
+
+
58,5/57
16,5/14,7
960/
860
Lettmann NordicLCS 50
+
++
++
++
53,5/51
17/15
920/
820
Gut
+++
+++
++
+++
51/48
17,5/16,4
2,90/2,55
55-56
20-22
1,9-2,1
800900
56
20-21,5
1,8-2
800
55
22,5
Bracsa canoe Gere (legno)
Bracsa canoe (carbon)
Lettmann Olympic
9751066
730
ST: Superficie totale pala. S1: Sup. margine sup. S2: Sup. centrale. S3: Sup. vicino manico.
S4: Profilo/concavità
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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 l’effetto portante, compensando la lunghezza gesto minore
e messa in pressione più difficoltosa.
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Impugnatura della pagaia
• Le forze applicate sulla pagaia (Ft, Fs, azione-reazione) dipendono anche
dalla larghezza dell’impugnatura.
• Infatti, più la distanza fra le 2 impugnature è grande e quindi minore è la
distanza dall’impugnatura 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 15-20 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 dell’impugnatura 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).
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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.
• L’obiettivo principale della pagaiata deve essere
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.
• E’ importante che la “pulsazione del colpo” (tempo di
permanenza della pala in acqua) sia perfettamente coordinata
con la “pulsazione dell’oscillazione 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 nell’estrazione della pala.
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Conclusioni-2
L’ottimizzazione di una tecnica efficace, ottenuta grazie all’utilizzo 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 all’asse 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
dell’atleta con l’obiettivo principale di recuperare durante la fase aerea, la
lunghezza efficace del colpo, necessaria per l’avanzamento, 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 l’errore o gli errori
tecnici determinanti, per l’individuazione dei quali, rimane insostituibile l’analisi
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 un’ottimo rendimento e quindi un
ottimo costo energetico.
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