BIOMECÂNICA DO MOVIMENTO HUMANO APLICADA AOS ESPORTES*

Prof. Dr. Ricardo Machado Leite de Barros

Biomecânica em Fluidos Conceitos Básicos:

Introdução à mecânica dos fluidos. Movimento relativo. Densidade. Peso específico. Viscosidade. Pressão. Princípio de Pascal. Princípio de Arquimedes. Flutuabilidade. Resistência dinâmica.

Biomecânica Aplicada:

Biomecânica da natação. Trajetórias de implementos esportivos.

Introdução - Mecânica dos Fluidos

- Contrasta-se com o sólido; - Pode escoar ou fluir; - É composto por líquido e gases; - Não possui arranjo ordenado.

* Artigo Disponível on line via: http://www.unicamp.br/fef/Laboratorios/Lib/download/mh603-2005aula13.pdf

MOVIMENTO RELATIVO Influência - velocidade do fluido e a da velocidade do objeto; Velocidade Relativa = velocidade de um corpo em relação a qualquer outra coisa, neste caso, o fluido que circunda o objeto em deslocamento. Densidade (ρ) O conceito de Densidade é a combinação de massa de um corpo com seu volume, assim temos:

Peso Específico O conceito de peso específico é definido como peso por volume, assim temos:

Viscosidade A viscosidade de fluido é a resistência que o fluido apresenta ao fluir. Quanto maior a extensão que o fluido resiste ao fluir sob a atuação de uma força aplicada, maior será sua viscosidade. Pressão Pressão é uma força aplicada perpendicularmente a superfície do fluido, assim temos:

Unidade de medida (SI) 1atm = 1,01 * 105Pa = 760 torr (mm/Hg) = 14,7 lb/in2(psi)

EQUILÍBRIO DE FORÇAS - PRESSÕES HIDROSTÁTICAS A pressão em um ponto de um fluido em equilíbrio estático depende da profundidade desse ponto, mas independe de qualquer dimensão horizontal do fluido ou do seu recipiente.

F2= F1+ mg p2= p1+ ρg(y1 -y2) →Variação de profundidade ou altura

p = p0 + ρgh →Profundidade h Ponto de verificação 1: A figura desenhada no quadro mostra quatro recipientes de azeite de oliva. Ordene-os de acordo com a pressão a uma profundidade h, da maior para menor! Princípio de Pascal O principio de pascal estabelece que a pressão externa aplicada num fluido em equilíbrio transmite-se integralmente a todos os pontos do fluido. Este principio explica o funcionamento da prensa hidráulica.

p = pext+ ρgh Princípio de Arquimedes Quando um corpo esta totalmente ou parcialmente submerso em um fluido, o fluido ao redor exerce uma força de empuxo (Fe) sobre o corpo. A força esta dirigida para cima e possui uma intensidade igual ao peso (mf*g)do fluido que foi deslocado pelo corpo. Fe= mg F = força de empuxo mg= peso do fluido deslocado pela moeda Flutuabilidade Flutuar →densidade do corpo = a densidade do fluido; Aumento do volume de ar nos pulmões →Diminuição a densidade →facilita a flutuação; Aumento da temperatura do fluido → Diminuição a sua densidade fluido →dificultando a flutuação; Maior percentual de gordura no corpo ↓a sua densidade facilita a flutuação.

Fb= V γ

Forças Verticais e Equilíbrio PesoEmpuxo

Resistências Dinâmicas É uma força causada pela ação dinâmica de um fluido que age na direção das correntes livres do fluxo do fluido. Lentificao movimento. Assim temos:

Fres= ½Cr ρAp v2, No qual Cr é o coeficiente de resistência dinâmica e v é a velocidade. Arraste de Superfície Força de Atrito entre o corpo e as moléculas de água que entram em contato com a pele.

Arraste de Forma

Escoamento Laminar: Arraste menor Arraste de Onda Provocado pelas reflexões das ondas no fluido, produzida pelos movimentos dos corpos no fluido.

Escoamento Turbulento: Arraste Maior

FORÇA DE SUSTENTAÇÃO E EFEITO MAGNUS Força de sustentação - perpendicular ao fluxo do fluido, diferença nas velocidades de escoamento do ar em regiões diferentes, perpendicular à velocidade (ex. Chute futebol) Fsust= ½CsρAv2, Efeito Magnus – é o desvio na trajetória de um objeto girando na direção do giro em conseqüência da força Magnus. Força Magnus – força de sustentação criada pelo giro.

Princípio de Bernoulli A pressão em um fluido é inversamente proporcional à velocidade de deslocamento.

BIOMECÂNICA DA NATAÇÃO Mecânica do Nado

- Resistência; - Propulsão; - Aspectos Fundamentais da Propulsão.

Resistência

- Fluxo Laminar e Turbulento; - Efeitos de Forma e Orientação do Nadador; - Características dos Nadadores que Afetam o Arrasto; - Efeito da Velocidade - Tipos de Arrasto -forma, onda efriccional.

Fluxos - Laminar e Turbulento

Turbulência causada pelo corpo do nadador movimentando-se em correntes laminares.

Efeitos de Forma e Orientação do Nadador

Objetos “afilados” deparam-se com menor resistência que os com cantos “quadrados” e formas convolutas. Forma ideal de um projétil (peixe). Mais rápidos – Mais aerodinâmicos. Características dos Nadadores que afetam o Arrasto

- Área da secção transversal ao fluido. - Velocidade do movimento - Forma assumida, favorecendo o escoamento laminar ou

turbulento - Superfície de contato - Rugosidade

Efeito da Velocidade

- Velocidade →↑Fricção e Turbulência = ↑Arrasto. - 2X Velocidade = 4X Arrasto. - Nadadores + Ritmo = + Chances

Tipos de Arrasto Arrasto Superfície ou friccional - Fricção entre a pele dos nadadores e as moléculas de água que entram em contato com a pele. Superfícies lisas -↓Fricção -Raspagem do corpo – Estudos Arrasto de Onda -Ondas que são geradas pelos nadadores. Nado de Borboleta -Braços rentes água -Velocidade reduzida 30% dentro 1/16s -Efeito Devastador no Desempenho. Arrasto de Forma - Causado pelo porte e pela forma dos corpos dos nadadores em seu deslocamento propulsivo na água.

Propulsão Teorias da propulsão na natação:

“Roda de Pá” “Empurrar Direto para Trás para ir para Frente” “Movimento Sinuoso para Trás”

Teoria –“Roda de Pá”

Teoria -“Empurrar Direto para Trás para ir para Frente” (J. E.Counsilman, 1968 e C.E. Silvia, 1970) Terceira lei de Newton-Ação/ Reação.

“Quando os nadadores empurram a água para trás, a água exerce uma força de igual magnitude para que os empurra para frente”.

Mão utilizada como remo. Ficou conhecido como Teoria de ArrastoPropulsivo. Teoria –“Movimento Sinuoso para Trás” (J. E.Counsilman, 1968 e C.E. Silvia, 1970)

- Movimento submerso em forma de “S”; - Melhor formulação da teoria anterior; - Melhor desempenho do nado (menos esforço – maior

aceleração).

Teorema de Bernoulli na Natação

- Usado para explicar como era produzida a força de Sustentação;

- Quanto maior a velocidade menor a pressão Fluído.

Ângulo de Ataque Ângulo entre a inclinação da mão e do braço(ou perna e pé) -direção em que eles estão se movendo.

- Movimento de um fólio: - Bordo de ataque; - Bordo de fuga.

A propulsão ↓-ângulo de ataque for grande ou pequeno demais. Força de sustentação mínima

Busca Ideal do Ângulo de Ataque

1. Mãos e os pés; 2. Ângulo de ataque adequado; 3. Mudança na sua direção de inclinação; 4. O bordo de ataque e de fuga -a cada mudança de direção.

Bolhas de Ar

- Combinação errada de direção e de ângulo de ataque; - Busca de águas mais tranquilas; - Turbulência e uma concomitante perda de forçapropulsiva.

Velocidade Velocidade das mãos; Movimentos propulsivos; Mudanças de direções das mãos;

Aspectos Fundamentais da Propulsão

- Os nadadores utilizam o palmateio diagonal; - Braçadas movimentam-se como a atividade de uma hélice. - Maglischo: “varredura”–Exercícios de palmateio nas três fases da

braçada.

AS QUATRO VARREDURAS DA NATAÇÃO Varredura para Fora

Varredura para Baixo

Varredura para Dentro

Varredura para Cima

Ponto de Agarre e Cotovelo Elevado Ponto de agarre – ocorre durante a fase submersa da braçada, na qual tem início a propulsão. Defasagem de tempo - tenham seus braços posicionados para deslocar a água para trás. Cotovelo elevado - Aplicação de força propulsiva e maior eficiência. Cotovelo baixo - água para baixo e não para trás. Nados de borboleta e peito Aplicação de força propulsiva-alinhar o antebraço e as mãos. Papel das Pernas na Propulsão da Natação

- Deslocamento da água; - Fluxo da água; - Extensão da perna; - Perda do efeito propulsivo.

Mecanismos de Anéis de Corrente (Colwin-1984 e 1985)

- Transportar, arremessar, acelerar –movimento para frente; - Extensão teoria da sustentação; - Alguns problemas associados à medição.

Papel do Corpo na Propulsão Movimento ondulatórios; Justificativa –animais marinhosLighthill,1969;Ungerechts,1983.

Exercício 1 É melhor ser pisado por uma mulher usando sapato de salto fino (salto alto) ou um de sola lisa e salto baixo (tênis)? Se a mulher pesa 556 N, a área do salto fino é de 4 cm2 e a área do salto baixo é de 175 cm2, qual a pressão exercida por cada tipo de salto? Solução -Exercício 1 Sabemos que: Peso = 556 N Área salto fino = Af= 4 cm2

Área salto baixo e liso = Abl= 175 cm2

Solução: P = F/A para cada tipo de salto = 556 N/ 4 cm2= 139 N/cm2 = 556 N/ 175 cm2= 3,18 N/cm2 Comparando as pressões = Pf/Pbl= 139/3,18 = 43,75 X mais no salto fino Exercício 2 Enquanto prendia uma grande quantidade de ar nos pulmões, uma moça de 22 kg tinha um volume corporal de 0,025 m3. Ela poderá flutuar em água doce se o γ for igual a 9810 N/m3 . Sabendo-se o volume corporal, quanto ela poderia pesar e continuar flutuando?

Solução -Exercício 2 Sabemos que:

m = 22 kg V = 0,025 m3

γ= 9810 N/m3

Solução: Para que a moça esteja realmente flutuando é necessário que a soma das forças verticais seja igual a 0. Fb= V γ= 245,25 N se esta ↑então ela flutuará(parcialmente) P = mg = 215,82 N Pmax = V γ= 245,25 N -Atenção Prof. Dr. Ricardo Machado Leite de Barros – LIB – FEF - Unicamp BIBLIOGRAFIA MAGLISCHO, E. W. Nadando ainda mais rápido. São Paulo: Ed.Manole, 1999. HALL, S. Biomecânica Básica. São Paulo: Ed.Manole, 1999. WALKER, H. R. Fundamentos de Física. Rio de Janeiro: Ed LTC, volume 2, 2001.