Tratado de natación. José Mª Cancela Carral
mg + p1 · A= p2 · A
mg+ρfgx · A= ρfg(x+h) · A
o bien,
mg=ρfh · Ag
El peso del cuerpo mg es igual a la fuerza de empuje ρfh · Ag. Como vemos, la fuerza de empuje tiene su origen en la diferencia de presión entre la parte superior y la parte inferior del cuerpo sumergido en el fluido.
El principio de Arquímedes se enuncia en muchos textos de Física del siguiente modo: «Cuando un cuerpo está parcial o totalmente sumergido en el fluido que le rodea, una fuerza de empuje actúa sobre el cuerpo. Dicha fuerza tiene una dirección hacia arriba y su magnitud es igual al peso del fluido que ha sido desalojado por el cuerpo».
| Sustancia | Densidad (kg/m3) |
| Agua | 1.000 |
| Aceite | 900 |
| Alcohol | 790 |
| Glicerina | 1.260 |
| Mercurio | 13.579 |
2.2. El equilibrio en el agua
El equilibrio estático del cuerpo es determinado por las fuerzas que se ejercen sobre el. Cuatro elementos permiten determinar una fuerza:
• La dirección (vertical, por ejemplo).
• El sentido (de arriba abajo).
• La intensidad (en kg).
• El punto de aplicación.
En tierra, para que un cuerpo permanezca en reposo sobre un plano horizontal, es suficiente que la vertical que baja de su centro de gravedad (CG), o punto de aplicación del peso (fuerza), se sitúe en el interior de la base de sustentación (superficie delimitada por la línea continua que une todos los puntos en contacto con el plano considerado). Si el plano no es horizontal, es necesario además que las fuerzas de contacto sean superiores a aquellas que causarían el deslizamiento.
La noción de equilibrio es generalmente muy vaga si no especificamos la forma. En efecto, el equilibrio puede ser:
• Indiferente.
• Estable.
• Inestable.
El equilibrio indiferente sería el de una esfera perfecta y homogénea que descansa sobre un plano horizontal o flota en un líquido; cualquiera que fuese su orientación inicial, ésta se conservaría.
Existe equilibrio estable cuando las fuerzas que se ejercen sobre un cuerpo tienen sus efectos anulados (coche inmovilizado en una rampa por sus frenos, cuerpo reposando en el fondo o flotando segun una orientación dada).
El equilibrio inestable es por definición el de un cuerpo cuyo movimiento es provocado por una o varias fuerzas cuyos efectos non son anulados.
En el agua, los cuerpos en reposo son sometidos a dos fuerzas: el peso y el empuje (principio de Arquímedes). Estas dos fuerzas, de la misma dirección (vertical), se encuentran en sentidos contrarios (de arriba abajo y de abajo arriba). Su intensidad depende de la masa del cuerpo (peso) y del peso del líquido del volumen sumergido. Si los puntos de aplicación de esas fuerzas no varían, encontramos un equilibrio indiferente. Cuando se trata de cuerpos heterogéneos, el centro de gravedad CG (peso) y el centro de empuje CP (principio de Arquímedes) prácticamente no pueden coincidir nunca. Por ese hecho, su alineación puede orientarse de diversas formas.
Un par de fuerzas actuarán y harán girar un cuerpo en función de su inercia, realizando un cierto número de oscilaciones (equilibrio inestable) antes de que se produzca el alineamiento vertical (equilibrio estable).
Recordemos que el CG en un cuerpo heterogéneo se encuentra desplazado hacia el lado de las partes más densas y más o menos desplazado del centro geométrico del cuerpo, en cuanto que el CP, sea de un cuerpo homogéneo o heterogéneo, se sitúa rigurosamente en el centro geométrico del volumen del cuerpo sumergido.
Siendo el cuerpo humano deformable (cambia de formas y de volumen), la situación del CG está sujeta a variaciones. No olvidemos que las acciones de flexión provocan una disminución del volumen y que, al contrario, las acciones de extensión se acompañan de un aumento del volumen del cuerpo.
Sometido a acciones conjuntas de gravedad y de empuje, el cuerpo humano en el agua flota o se hunde, según la predomine una u otra fuerza. Frecuentemente las dos fuerzas se equilibran y neutralizan y su efecto hace que cierto volumen quede sumergido. No es necesario decir que en situaciones de inspiración se flota mejor que en espiraciones máximas. Vemos pues que la capacidad de flotación de una persona está determinada por las fuerzas presentes y en último lugar por las densidades relativas del medio y del individuo.
3. HIDRODINÁMICA
Para desplazarse en el agua, el nadador utiliza su propia fuerza muscular. De hecho es patente que para mantenerse en movimiento debe utilizarse constantemente la fuerza.
Debemos señalar que la ley de la inercia no actúa sola; en verdad, una nueva fuerza que se opone a la primera entra en acción: la resistencia al avance. Estos datos no aparecen al hablar de la hidroestática. Los problemas mecánicos que se presentan al nadador que se desplaza son de dos tipos:
• Crear y utilizar eficazmente los apoyos motores.
• Reducir lo más posible la resistencia al avance.
3.1. Resistencia al avance
Son tres los tipos de resistencia con que deben enfrentarse los nadadores: por fricción, por forma o presión y por oleaje.
3.1.1. Resistencia por fricción (RFr)
La viscosidad es la resistencia interna de los fluidos, esto es, la fuerza que se opone a que dos capas del fluido se separen entre sí. La viscosidad de un fluido viene determinada por el denominado coeficiente de viscosidad. En el caso del agua a 26 ºC (temperatura de competición) su valor es de 0,897 x 10-3 Nsm-2. Cuando un nadador se mueve, arrastra una determinada cantidad de agua que está «pegada» a su cuerpo debido a la viscosidad de ésta. Es la llamada «capa límite o de contorno» (fig. 4.4). A una determinada distancia del nadador, el agua está quieta. La capa de contorno es frenada por la capa inmediatamente en contacto con ella, ésta es frenada por la siguiente, y así sucesivamente hasta la capa de agua en reposo. Se establece así un gradiente de velocidades entre las diferentes capas de agua que rodean al nadador, lo que ralentiza su avance.
Figura 4.4.
A la izquierda, representación esquemática de la capa límite en el ala de un avión.
A la derecha, modelo de un nadador en posición de mínima resistencia.
Más oscuro aparece una de las zonas anatómicas de mayor resistencia (adaptado de Toussaint H., 2002).
A una determinada velocidad de natación, las capas de agua que rodean al nadador dejan de fluir de forma laminar. Aparecen entonces movimientos erráticos de las partículas de fluido, lo que se denomina régimen turbulento. La aparición de este flujo turbulento depende de la velocidad de natación, y aparece de forma abrupta. Este umbral se determina por el número de Reynolds (Re). Su valor es adimensional y se calcula según la ecuación (Hoerner, 1965):
Re = v · L · ρ/J
Donde: Re = número de Reynolds; v = velocidad de natación en m/s; L= longitud del nadador en m; ρ = densidad del agua en kg/m3; J = viscosidad del agua en Ns/m2.
Dependiendo