mecânica da natação
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MH603-BIOMECÂNICA DO MOVIMENTO HUMANO APLICADA AOS ESPORTES
Prof. Dr. Ricardo Machado Leite de Barros Universidade Estadual de Campinas
Faculdade de Educação Física - UNICAMPLaboratório de Instrumentação para Biomecânica
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Programação de aulas
Aula 9: Dinâmica do Movimento HumanoAula 10: ImpulsoAula 11: Trabalho, Energia e Potência em BiomecânicaAula 12: Biomecânica em FluidosAula 13: Princípios BiomecânicosAula 14: Segunda Avaliação Aula 15: Seminários
Aula 1: Caracterização da análise biomecânicaAula 2: Descrição de posições do corpo humano Aula 3: Descrição do movimento humano IAula 4: Laboratório de Biomecânica e InformáticaAula 5: Descrição do movimento humano IIAula 6: InérciaAula 7: Primeira AvaliaçãoAula 8: Estática Aplicada ao corpo humano
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Aula 13: 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.
Exemplos e Exercícios:
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Introdução - Mecânica dos Fluidos
Contrasta-se com o sólido;
Pode escoar ou fluir;
É composto por líquido e gases;
Não possui arranjo ordenado.
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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 objetoem deslocamento
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Densidade e Peso Específico
O conceito de Densidade é a combinação de massa de um corpo com seu volume, assim temos:
O conceito de peso específico é definido como peso por volume, assim temos:
3/ mKgVolumemassa
=ρ
3/)( mNVolume
gmPeso ∗=γ
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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.
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Pressão
Pressão é uma força aplicada perpendicularmente a superfície do fluido, assim temos:
Unidade de medida (SI)
1atm = 1,01 * 105 Pa = 760 torr (mm/Hg) = 14,7 lb/in2 (psi)
Alpinistas ≠ Mergulhadores
ÁreaForçap =
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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!
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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
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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
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Flutuabilidade
Flutuar → densidade do corpo = a densidade do fluido; ↑ do volume de ar nos pulmões → ↓ a densidade → facilita a
flutuação;↑ da temperatura do fluido → ↓ a sua densidade fluido →
dificultando a flutuação; Maior percentual de gordura no corpo ↓ a sua densidade facilita a
flutuação.
Fb = V γ
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Forças Verticais e Equilíbrio
Peso
Empuxo
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Resistências Dinâmicas
É uma força causada pela ação dinâmica de um fluido que age na direção das correntes livres do fluxo do fluido. Lentifica o movimento. Assim temos:
Fres = ½ Cr ρ Ap v2
,
No qual Cr é o coeficiente de resistência dinâmica e v é a velocidade.
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Arraste de Superfície
Força de Atrito entre o corpo e as moléculas de água que entramem contato com a pele.
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Arraste de Forma
Escoamento Laminar: Arraste menor
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Arraste de Onda
Provocado pelas reflexões das ondas no fluido, produzida pelos movimentos dos corpos no fluido.
Escoamento Turbulento: Arraste Maior
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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 = ½ Cs ρ A v 2,
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.
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Princípio de Bernoulli
A pressão em um fluido é inversamente proporcional à velocidade de deslocamento.
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Biomecânica da Natação
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Mecânica do Nado
Resistência;
Propulsão;
Aspectos Fundamentais da Propulsão.
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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 e friccional.
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Fluxos - Laminar e Turbulento
Turbulência causada pelo corpo do nadador movimentando-se em correntes laminares.
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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.
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Características dos Nadadores que afetam o aArrasto
Área da secção transversal ao fluido.
Velocidade do movimentoForma assumida,
favorecendo o escoamento laminar ou turbulento
Superfície de contatoRugosidade
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Efeito da Velocidade
Velocidade → ↑Fricção e Turbulência = ↑Arrasto.
2X Velocidade = 4X Arrasto.
Nadadores + Ritmo = + Chances
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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.
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Tipos de Arrasto
Arrasto de Forma - Causado pelo porte e pela forma dos corpos dos nadadores em seu deslocamento propulsivo na água.
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Propulsão
Teorias da propulsão na natação:
“Roda de Pá”
“Empurrar Direto para Trás para ir para Frente”
-“Movimento Sinuoso para Trás”
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Teoria – “Roda de Pá”
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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
Arrasto Propulsivo.
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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).
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Teorema de Bernoulli na Natação
Usado para explicar como era produzida a força de Sustentação;
Quanto maior a velocidade menor a pressão Fluído.
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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
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Ângulo de Ataque
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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.
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Bolhas de Ar
Combinação errada de direção e de ângulo de ataque;
Busca de águas mais tranquilas;
Turbulência e uma concomitante perda de força propulsiva.
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Velocidade
Velocidade das mãos;
Movimentos propulsivos;
Mudanças de direções das mãos;
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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.
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As Quatro Varreduras da Natação Varredura para Fora
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As Quatro Varreduras da Natação Varredura para Baixo
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As Quatro Varreduras da Natação Varredura para Dentro
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As Quatro Varreduras da Natação Varredura para Cima
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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.
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Papel das Pernas na Propulsão da Natação
Deslocamento da água;
Fluxo da água;
Extensão da perna;
Perda do efeito propulsivo.
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Mecanismos de Anéis de Corrente (Colwin-1984 e 1985)
Transportar, arremessar, acelerar – movimento para frente;
Extensão teoria da sustentação;
Alguns problemas associados à medição.
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Papel do Corpo na Propulsão
Movimento ondulatórios;
Justificativa – animais marinhos Lighthill,1969; Ungerechts,1983.
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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?
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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
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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?
Figura
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Prof. Dr. Ricardo Machado Leite de Barros – LIB – FEF - Unicamp
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
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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.