Retazos de física viendo los mundiales de natación

Se está celebrando ahora el XV campeonato mundial de natación en Barcelona: un buen momento para plantearse algunas ideas sobre la física en la natación.

La natación es una actividad deportiva que se desarrolla a través de la interacción del nadador con el agua y esta interacción puede analizarse físicamente considerando básicamente los siguientes aspectos:
- el empuje que posibilita la flotación y que actúa en sentido vertical y hacia arriba;
- la propulsión que empuja el cuerpo hacia delante y que se consigue moviendo adecuadamente los brazos y las piernas;
- la resistencia del agua que actúa en contra del avance del cuerpo.

EL EMPUJE

Las personas podemos conseguir fácilmente flotar sobre la superficie del agua gracias a la fuerza de empuje que aparece cuando se sumerge un cuerpo en un fluido (líquido o gas). Un cuerpo flota cuando su peso P es igual en magnitud al empuje E. Si, en cambio el peso del cuerpo es superior al empuje (P>E), el cuerpo baja hasta el fondo, es decir, se hunde. Según el principio de Arquímedes, la fuerza de empuje E, que actúa hacia arriba, es igual en magnitud al peso del volumen de fluido (agua) desalojado por el cuerpo:

E = DA·VAD· g

(densidad del agua por volumen de agua desalojada (= volumen de la parte del cuerpo sumergida en agua) por la constante de atracción de la tierra)

El peso, que actúa hacia abajo, viene dado según la segunda ley de Newton por:

P = m·g = DC·VC· g

(densidad media del cuerpo por volumen total del cuerpo por constante de atracción de la tierra)
Por consiguiente, el cuerpo flota a un nivel en el que desplaza exactamente el agua suficiente para que:     E (fuerza de empuje ascendente) = P (fuerza peso descendente)

Las densidades juegan por tanto un papel clave: si el cuerpo tiene una densidad media menor a la del agua (DA= 1000kg/m3 si es agua dulce y ~1025kg/m3 si es agua salada), flotará en la superficie, porque su peso es menor que el del agua desplazada por todo su volumen. Esto se cumple generalmente en el caso del cuerpo humano (densidad media ~ 970kg/m3). No obstante, l@s nadador@s que tienen huesos más pesados y una capacidad de aire contenido menor, al tener una densidad corporal mayor, se hunden algo más en el agua, aunque siguen flotando, y esto es una desventaja en las competiciones de natación.
Para una buena utilización del empuje y mejorar la velocidad al nadar y el aguante, la posición del cuerpo en el agua es también decisiva. Hay que tener aquí en cuenta que hay dos puntos de aplicación de fuerza: el centro de gravedad (CG) y el centro de flotación (CF).
El centro de gravedad CG, que representa la posición media de toda la masa del cuerpo y es el punto de aplicación de la fuerza de gravedad o peso, se encuentra en el ser humano, cuando está en posición recta y con los brazos pegados a los costados, aproximadamente a la altura del ombligo debido a que la zona de las piernas tiene una mayor densidad que la de los pulmones llenos de aire. Una característica del centro de gravedad es que si, por ejemplo, se coloca verticalmente debajo de él una cuña de balanceo, el cuerpo se mantiene en equilibrio porque el peso está ditribuido equitativamente a los dos lados de la vertical (véase la siguiente imagen).
El centro de flotación CF es el centro de gravedad del volumen del líquido desplazado (igual al volumen de la parte sumergida del cuerpo) que coincide con el centro geométrico del volumen (por ser la densidad uniforme en todo este volumen de agua desplazada) y es el punto de aplicación de la fuerza de empuje ascendente. En el ser humano flotando en agua, su posición se encuentra en una posición más próxima al centro del pecho.

Cuando el centro de gravedad y flotación no se encuentran sobre la misma línea de aplicación vertical (casos a y b en la figura), se produce un movimiento rotatorio con el que se hunden más las piernas (parte más pesada del cuerpo) hasta que el centro de gravedad y el de flotación se hallan en la vertical (caso d).
Pero se nada mal y avanza muy poco cuando las piernas cuelgan hacia abajo (en esta posición se aumenta la resistencia del agua).
Para evitar el hundimiento de las piernas, se recomienda respirar abdominalmente y no torácicamente para desplazar así el centro de flotación más hacia el nivel del ombligo. Otra forma para conseguir una flotación más horizontal consiste en estirar los brazos por encima de la cabeza, consiguiéndose así que el centro de gravedad se acerque más al centro del pecho y coincida casi con el centro de flotación (caso d), anulándose por tanto prácticamente la tendencia al giro.

PROPULSIÓN Y RESISTENCIA

Para avanzar en el agua, el deportista tiene que empujar agua para "rebotar" en sentido opuesto. Es decir, tiene que hacer uso del principio de acción y reacción descrito por la tercera ley de Newton. Con la realización de unos movimientos de brazos y piernas según una técnica de natación optimizada, puede conseguir que éstos le proporcionen la máxima propulsión con la menor resistencia posible. En la natación a braza, por ejemplo, tiene que moverse de forma que la fuerza que ejerce sobre el agua sea máxima cuando desplaza los brazos hacia atrás y mínima cuando los vuelve a estirar hacia delante para poder volver a empujar hacia atrás en la siguiente brazada.

Movimiento de brazos y piernas en la natación a braza

Esto lo consigue orientando transversalmente las palmas de sus manos con respecto a la dirección de desplazamiento y poniéndolas en forma de cuchara cuando las desplaza enérgicamente hacia atrás (fase de tirón). En cambio, en la fase de recobro o retorno, debe procurar que la superficie frontal de manos y brazos sea la mínima posible para que la resistencia del agua y el frenado sean lo más pequeños posibles.

Posición de manos para reducir la resistencia en la fase de recobro

Para disminuir la resistencia del agua y su efecto de frenado, pueden tomarse de hecho distintas medidas según el tipo de resistencia::

Para minimizar la resistencia por rozamiento, que depende de la estructura superficial del cuerpo en movimiento y que se origina por el agarre de particulas de agua a la superficie del nadador, puede utilizarse un gorro de baño o optarse por el rasurado de la cabeza, utilizarse un traje de baño de baja fricción e incluso someterse a un afeitado corporal.

Las resistencias de forma y al flujo, que depende de la forma del cuerpo y de los remolinos de agua que se forman al final del cuerpo y actúan en contra del sentido de avance, pueden disminuirse con movimientos y posturas apropiados. 

Mediante los movimientos optimizados para los distintos estilos de natación se generan de hecho también efectos de empuje hidrodinámicos que facilitan el desplazamiento en el agua.

Más sobre el tema:
- Flotación y estabilidad, Recursos para escolares de Planetseed.com
- Biomecánica de la natación. Klaus Reischle. Ed. Gymnos. Madris 1993