Fundamentos de la Hidrodinámica: Flotación, Propulsión y Resistencia en la Natación

Principios Hidrodinámicos Aplicados al Medio Acuático

La interacción de un cuerpo con el agua se rige por tres principios fundamentales:

FLOTACIÓN
PROPULSIÓN
RESISTENCIA

1. Flotación

La FLOTACIÓN es el mantenimiento de un cuerpo en la superficie de un líquido o a una profundidad estable dentro de él.

Principio de Arquímedes

Un cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido recibe una fuerza vertical ascendente igual al peso del volumen del líquido que desplaza.

Densidad Relativa y Flotabilidad

Una sustancia flotará sobre otra si su densidad es menor. A continuación, se presentan ejemplos de densidades relativas (g/cm³):

Agua (25 ºC): 0.997
Agua de mar: 1.025
Grasa: 0.94
Aparato muscular: 1.05
Aparato óseo: 1.80
Cuerpo mujer: 0.968
Cuerpo hombre: 0.980

Diferencias de composición corporal:

MUJERES: Mayor acumulación de agua y mayor porcentaje de tejido adiposo (menor densidad total).
HOMBRES: Mayor masa ósea y mayor masa muscular (mayor densidad total).
NIÑOS / JÓVENES: Menor tejido adiposo, mayor peso en las piernas debido al poco desarrollo del tórax.
RAZA NEGRA: Mayor masa ósea y mayor volumen muscular.

Fuerzas que Actúan sobre un Cuerpo Estático en el Agua

Cuando un cuerpo estático se encuentra en el agua, es sometido a dos fuerzas principales:

Peso (P): Generado por la atracción gravitatoria. Orientada hacia el suelo. El punto de aplicación de esta fuerza es el Centro de GRAVEDAD (CG).
Fuerza de Flotación (Empuje): Producida por la masa del agua (fluido) contra nuestro cuerpo, haciendo que este se desplace hacia la superficie. El punto de aplicación de esta fuerza es el Centro de FLOTACIÓN (CF).

Consideraciones sobre los Centros de Fuerza

Si el cuerpo es irregular, los Centros de Flotación y de Gravedad no coinciden.
En el cuerpo humano, el CENTRO DE FLOTACIÓN se encuentra próximo a la vértebra L1.
El CENTRO DE GRAVEDAD se localiza próximo a la vértebra L5.

Efectos de la Separación de los Centros

Estos dos centros, al estar separados en el agua, generan un giro (torque).
Cuando están alineados, en posición vertical, hay equilibrio.
Cuando alteramos el volumen del cuerpo y/o las posiciones de nuestros segmentos, hacemos variar el centro de flotación.
El individuo que presenta los dos puntos bastante separados tiene más problemas para conseguir la horizontalidad y lo tendrá que compensar con un trabajo más continuo en la propulsión de piernas.

2. Propulsión

La propulsión está basada en la Tercera Ley de Newton (acción – reacción): a toda acción en un sentido, corresponde una reacción en sentido contrario. Para una buena reacción, se requiere una buena resistencia. La superficie propulsora ejerce una resistencia y genera la propulsión.

FUERZA TOTAL = Fuerza de REACCIÓN + Fuerza de ELEVACIÓN

Fuerza de Reacción

La fuerza de un cuerpo (A) aplicada sobre un cuerpo (B) provoca que (B) reciba una fuerza de igual intensidad, pero en sentido contrario.
El medio acuático no es estable. Las fuerzas de acción aplicadas en masas de agua me podrán permitir una mejor aceleración.
Conseguimos estabilidad en el medio modificando las trayectorias de movimiento para aprovechar la FUERZA DE REACCIÓN al máximo (ej. la trayectoria en forma de «S» en los estilos de nado).

Fuerza de Elevación (Sustentación)

Teorema de Bernoulli

Si la velocidad de un líquido aumenta, su presión disminuye.
Las partículas que se desplazan a ambos lados de un objeto (sea medio acuático o aéreo) llegan al final de este al mismo tiempo. Cuando la superficie de este cuerpo no es simétrica, allí donde tengan que recorrer mayor distancia irán más rápido y se creará un gradiente de presión menor, que conllevará una fuerza de elevación (sustentación).
En natación, esta fuerza también la aplicamos a los segmentos propulsores (manos y pies).

Aplicación de Fuerzas durante el Nado

En los inicios de la brazada de crol, se aprovecha más la FUERZA DE ELEVACIÓN. Después, cuando la mano pasa por debajo del tórax, aprovechamos más la FUERZA DE REACCIÓN.
La FUERZA de ELEVACIÓN es más aprovechable cuando la mano se encuentra paralela a la horizontal, y la de REACCIÓN cuando la mano propulsa perpendicular a la horizontal.

3. Resistencia

La resistencia es el conjunto de fuerzas que se oponen a nuestro desplazamiento en el agua.

Fórmula de la Resistencia Total

R_T = R_FM (R_f + R_s) + R_o + R_r

R_T: Resistencia Total
R_FM: Resistencia de Forma (Drag)
R_f: Resistencia Frontal
R_s: Resistencia de Succión
R_o: Resistencia de Ondulación (Ola)
R_r: Resistencia de Rozamiento o Fricción

El nadador debe conseguir la posición más hidrodinámica posible, logrando así que las resistencias sean mínimas.

Tipos de Resistencia

Resistencia de Forma (R_FM)

Depende de la geometría del cuerpo y se divide en:

Resistencia Frontal (R_f)
Es la que encontramos por delante del cuerpo.
- Superficies planas: Mayor resistencia.
- Superficies onduladas: Menor resistencia.
Resistencia de Succión (R_s)
Es la que generamos por detrás. Es una consecuencia de la resistencia frontal, creando una zona de baja presión que tira del cuerpo hacia atrás.

Factores que Afectan la Resistencia de Forma

Posición del cuerpo: Cuanto mayor horizontalidad, menor superficie frontal.
Forma del cuerpo: Un diámetro corporal más atrasado permite mayor velocidad.
Tamaño y velocidad: A mayor velocidad, mayor resistencia.

Resistencia de Ondulaciones / Ola (R_o)

Provocadas por el nado. Cuanta más fuerza se emplea para generar una ola, con más fuerza nos perjudicará la ola formada (factores como la profundidad y los bordes de la piscina influyen).
La Resistencia de Ondulación incide mucho en la resistencia total.

Factores que Condicionan la Resistencia de Ondulación

Profundidad del medio: A mayor profundidad, menores olas. Por debajo del agua hay menos resistencia.
Profundidad de la piscina: Al nadar causamos movimientos radiales.
En los laterales de la piscina hay más turbulencias. Las piscinas desbordantes crean menos turbulencias.

Resistencia de Fricción o Rozamiento (R_r)

Producida al contactar nuestra superficie corporal con el agua (frena menos que las otras resistencias).
Cuanto más homogéneo sea el cuerpo (sin vello), más ayudará al deslizamiento.

Factores que Condicionan la Resistencia de Fricción

Cuanto más lisa es la superficie corporal, menor resistencia (ej. depilación en la piel).
Viscosidad y Temperatura: A mayor temperatura, menor viscosidad. Una temperatura entre 24-26 ºC es adecuada. Los componentes disueltos en el agua deben aproximarse a un pH neutro.

Optimización Hidrodinámica Aplicada a la Natación

Estrategias de Flotación

Mantener el cuerpo dentro del agua para una mejor flotación.
Prestar atención a la modificación de posiciones corporales.
Mantener el máximo tiempo y cantidad de aire en los pulmones.

Estrategias de Resistencia

Adoptar una posición hidrodinámica.
Evitar oscilaciones innecesarias.
Realizar la recuperación de brazos de forma aérea (a pesar de que esto dificulta ligeramente la flotación).
Utilizar un bañador adecuado, siguiendo las nuevas tendencias tecnológicas.

Estrategias de Propulsión

Uso eficiente de las palmas de la mano.
Emplear trayectorias curvas (trayectoria en ‘S’).
Mantener la continuidad en la aplicación de la fuerza.
Acelerar la brazada progresivamente.