valutazione delle capacita` di scivolamento in acqua

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI MILANO
FACOLTA’ DI SCIENZE MOTORIE
CORSO DI LAUREA IN SCIENZE MOTORIE SPORT E SALUTE
VALUTAZIONE DELLE CAPACITA’
DI SCIVOLAMENTO IN ACQUA
ATTRAVERSO L’UTILIZZO
DI UN SOFTWARE SPERIMENTALE
Relatore: Chiar.mo Prof. PIETRO LUIGI INVERNIZZI
Tesi di Laurea di:
CLAUDIO CIAPPARELLI
Matricola Nr. 744804
ANNO ACCADEMICO 2010/2011
INDICE
INTRODUZIONE
Pag. 2
SCOPO DELL’ELABORATO
Pag. 4
MATERIALI E METODI
Pag. 7
RISULTATI
Pag. 20
DISCUSSIONE E CONCLUSIONI
Pag. 22
INTRODUZIONE
Negli anni ‘80 e ‘90 le sole opzioni legate al miglioramento della performance
natatoria erano correlate allo sviluppo di innovative metodologie di allenamento e
all’utilizzo di pratiche depilatorie per ridurre gli attriti del corpo a contatto con il fluido
acqua. L’evoluzione tecnologica invece negli ultimi anni, ha condizionato in maniera
evidente la prestazione. Coprire il corpo con materiali all’avanguardia ha la funzione
di ridurre in maniera sensibile la componente d’attrito, di migliorare il galleggiamento e
lo scivolamento. La ricerca scientifica applicata alla creazione di materiali sempre più
performanti ha permesso di cancellare un numero elevatissimo di primati mondiali.
Prima ancora che nel nuoto, in altri sport come lo sci alpino, dove l’aspetto legato alla
velocità risulta determinante, sono già state utilizzate tute speciali concepite con
tecnologie altamente sofisticate per esaltare al massimo la prestazione dell’atleta.
La ricerca di una maggiore velocità in acqua ha apportato innovazioni nell’ambito di
nuove tipologie di corsie, di blocchi di partenza e di vasche per le competizioni
agonistiche progettate e costruite con materiali particolarmente performanti:
nessun aspetto che possa comportare significativi incrementi delle prestazioni è stato
trascurato. A partire dalle Olimpiadi di Sydney nel 2000 inizia un epocale
cambiamento per quanto concerne i materiali utilizzati per la fabbricazione dei costumi
da competizione. I Giochi Olimpici di Pechino del 2008 hanno rappresentato un
ulteriore e significativa svolta nella ricerca e sviluppo di nuove tecnologie applicate
alla performance natatoria. Chatard JC, e Lavoie JM. (1), sostengono che i nuotatori
di alto livello hanno un Drag passivo ( la resistenza passiva che si oppone
all’avanzamento in acqua nelle fasi di scivolo) molto inferiore ai nuotatori di medio
livello, questo fenomeno ci spiega che valutare la capacità di scivolamento è
importante per stabilire anche la qualità dell’atleta. Chatard JC, e Wilson B. (2),
hanno evidenziato come i costumi (New Fastskin) (3), interi o parziali (solo arti
inferiori) riducano significativamente il Drag passivo (4), con conseguente decremento
del costo energetico del nuoto sottomassimale e determinino un incremento
dell’ampiezza di bracciata a parità di frequenza. Si registra anche un miglioramento
della velocità legata alla performance specifica.
I materiali hi-tec tipicamente utilizzati sono il neoprene e il poliuretano.
Il neoprene è stato utilizzato nei body in corrispondenza del dorso dell’atleta, dove è
posizionata la cerniera interna; la sua funzione è quella di permettere una maggiore
galleggiabilità. Il poliuretano, a sua volta, consente meno attrito e, di conseguenza,
più scivolamento, poiché l’acqua non penetra nelle sue parti gommose.
Nel biennio 2008-2009 è stato battuto un numero sempre più crescente di record
mondiali, attestandosi all’eccezionale cifra di 243 primati migliorati in soli ventiquattro
mesi di gare. Dopo questa “abbuffata”, la Federazione Internazionale (FINA), pur tra
mille polemiche a partire dal 1° Gennaio 2010, ha deciso di porre un freno all’utilizzo
di costumi hi-tec. Vengono banditi i materiali come il poliuretano e il neoprene e si
ritorna ai costumi tradizionali composti da semplici tessuti idrorepellenti.
In questi due anni 2009-2010 si è discusso in modo molto approfondito su come si
potessero testare qualitativamente i costumi da gara con un protocollo semplice e
quasi immediato; in realtà valutare effettivamente quale sia il costume migliore è un
procedura decisamente complessa e articolata.
Il Drag attivo (5), esprime la resistenza che il corpo del nuotatore offre in acqua
mentre nuota, è molto difficile da calcolare, uno strumento che è in grado di misurarlo
si chiama MAD system (5). Viene registrata la forza che si applica ad ogni bracciata, e
nel momento in cui la velocità del nuotatore è costante , la forza di propulsione per
l’avanzamento è identica alla resistenza. Lo strumento è adatto solo per lo stile libero.
Il Drag passivo (6), è stato misurato attraverso l’utilizzo di un dinamometro e di una
carrucola, la quale garantiva una velocità di traino costante. Prendendo spunto da un
articolo apparso su un notissimo quotidiano sportivo qualche tempo fa, un atleta della
Nazionale Italiana di Nuoto, aveva testato alcuni dei costumi più in voga al momento,
con delle prove ripetute sui 50 metri. Al termine di queste prove, riassumeva per ogni
costume i lati positivi e quelli negativi. Ho ritenuto il test come un punto di partenza
interessante, l’idea è stata quindi quella di implementarlo con delle modalità che
potessero trasmettere al nuotatore dei dati chiari, che non si basassero solo su
sensazioni. Il progetto era quello di rendere scientifico qualcosa che in realtà non
aveva nulla di certo. Ho maturato quindi la decisione di creare un protocollo pratico
per valutare in modo molto preciso le qualità idrodinamiche dei costumi da gara.
L’investimento è stato decisamente rilevante sia per le attrezzature tecnologiche
indispensabili per rendere scientifico il progetto, sia per le prove sperimentali eseguite
prima di avere dei risultati attendibili e certi. E’ stato un lavoro assai complesso, che
mi ha impegnato in oltre due anni di ricerca.
SCOPO DELL’ELABORATO
Il presente lavoro illustra un protocollo sperimentale che vuole valutare le perdite
viscose nel nuoto, protocollo che successivamente è stato implementato sotto forma
di software in linguaggio Visual Basic e Matlab. Le perdite cui si fa riferimento sono
quelle legate alla qualità dei materiali indossati che definiscono i parametri sensibili
per ogni costume, come il galleggiamento e l’idrodinamicità. L’obiettivo è stabilire
quale tra i costumi testati sia il più performante. Il primo passo è stato quello di definire
e quantificare in modo esatto le forze che si sviluppano in acqua, lavorando quindi
sugli aspetti legati alla fluido dinamica.
Durante le fasi della nuotata l’atleta incontra una resistenza definita (“Drag”), che si
oppone all’avanzamento. L’acqua presenta una densità (rapporto tra la sua massa e il
volume) molto superiore a quella dell’aria (997 kg/m3 per l’acqua dolce, contro
1,2 kg /m3 per l’aria) e una maggiore viscosità (rapporto tra la forza necessaria per
mantenere un corpo in moto a velocità costante nel fluido e la velocità stessa);
l’acqua risulta essere 50 volte più viscosa rispetto all’aria (7).
Questi componenti influiscono direttamente sulla nuotata, inficiando pesantemente
sulla propulsione legata all’ avanzamento. Con valori energetici così importanti, anche
più piccoli interventi tecnici possono risultare particolarmente significativi e tutti i
parametri devono essere adeguatamente analizzati. Si definisce Drag attivo, la
resistenza incontrata dall’atleta nell’atto di produrre propulsione modificando quindi in
continuazione il suo assetto. Si ha invece Drag passivo quando il nuotatore, durante
lo spostamento, mantiene la sua posizione idrodinamica (tipicamente braccia in alto
e tese, capo racchiuso tra le braccia, mani sovrapposte e piedi in estensione),
che è la posizione assunta nella fasi di scivolamento dopo il tuffo, la virata o
tra le fasi intermedie di scivolamento delle nuotate).
La differenza tra i due tipi di Drag è importante, il Drag passivo grazie
alla mantenuta stabilità di posizione si può misurare con particolare precisione e
relativa facilità.
Di converso, la quantificazione di quello attivo risulta estremamente complessa e i
risultati emersi presentano significative difformità.
Un espressione analitica semplificata del Drag attivo (8),(9), può essere la
seguente:
Da = K*Vn
Da = forza di Drag attivo (N).
n = è un valore leggermente superiore a 1.
V = velocità del nuotatore (m/s).
K = “coefficiente correttivo” basso nei nuotatori con buona tecnica di esecuzione dei
vari stili.
Questo valore, inoltre può diminuire nello stesso nuotatore correggendo gli errori della
nuotata.
I fattori che influenzano il valore di K sono:
•
la posizione del corpo in acqua;
•
le oscillazioni del corpo sui piani perpendicolari alla direzione di avanzamento
(cioè verso l’alto ed il basso e verso sinistra e destra);
•
la simmetria di movimenti degli arti;
•
la tecnica e la velocità del recupero degli arti superiori ed inferiori (nella rana) e
di entrata della mano in acqua (negli altri stili);
•
il rollio durante il nuoto a dorso e a stile libero;
•
la tecnica di respirazione.
Il valore di K dipende anche dal galleggiamento del nuotatore e dalle sue
caratteristiche antropometriche: tipicamente i nuotatori più alti hanno un Drag minore.
Nella letteratura scientifica sono riportati valori di K compresi tra 25 e 60 (10).Il Drag
attivo è una forza ed è la risultante finale di diverse componenti, di cui tre sono però
predominanti; ciascuna è una funzione specifica della velocità di avanzamento.
Queste componenti del Da (forza di Drag attivo) sono:
Da = Ff+Fp+Fw
Ff : (forza di frizione) la resistenza di attrito che dipende dal rapporto viscoso con il
tipo di superficie a contatto con il fluido;
Fp : (forza di pressione) è la resistenza di pressione dipendente principalmente dalla
forma del soggetto e dal suo rapporto di forma rispetto la turbolenza del flusso intorno
a lui;
Fw : (è la resistenza d’onda) data dalla massa d’acqua che l’atleta spinge davanti a sé.
La Ff tende ad aumentare linearmente con la velocità. La Fp tende ad
aumentare al quadrato della velocità (risultando così la componente maggiore).
La Fw tende ad aumentare alla ¾ della potenza e quindi diventa molto importante ad
alte velocità. Per il Drag passivo (11),(12),(13),(14), la modellazione è decisamente
più semplice; questo perché il nuotatore non è impegnato nell’atto di avanzamento, e
il suo assetto risulta costante.
Di conseguenza, fissato un assetto del nuotatore, la differenza nella prestazione è in
funzione del costume, delle dissipazioni ad esso associate.
Per ricavare queste dissipazioni, è necessario innanzitutto introdurre nel sistema
energia in forma nota: la più semplice è quella associata ad una molla:
(E=1/2*k*x2, essendo tipicamente la forza espressa come F=k*x).
Si avrà già intuito a questo punto che il sistema nuotatore + fluido è equiparato ad un
sistema massa/molla/smorzatore, la cui dinamica è governata da un semplice
bilancio di forze:
Fin+Fel+Fd = 0
Il modello sperimentale che ho creato analizza tre tipologie di forze:
Fin = - massa * accelerazione del nuotatore;
Fel = note una volta caratterizzato l’elastico;
Fd = forze dissipative, le incognite del sistema.
Figura 1 – L’esecuzione pratica della prova di idrodinamicità.
MATERIALI E METODI
Gli strumenti utilizzati per la realizzazione del progetto sono:
Elastico della lunghezza di 6,30 m.
Dinamometro digitale della portata di 100 kg per caratterizzare l’elastico.
Tabella relativa alla caratterizzazione dell’elastico.
Misuratore elettronico di velocità (Speed RT).
Software Splash per l’elaborazione dei dati.
Elastico
E’ formato da un cavo in lattice di diametro di 1,5 cm fissato ad cintura imbottita. Ha
La sua estensibilità massima è di 25 m.
Figura 2 – Elastico utilizzato per la prova.
Dinamometro
E’ uno strumento per misurare la forza. Dato che la deformazione elastica di una
molla è proporzionale alla forza applicata, una misura dell’allungamento (x) fornisce
indirettamente una misura della forza (F).
Figura 3 – Dinamometro digitale utilizzato per la caratterizzazione dell’elastico.
Caratterizzazione elastico
La tabella di caratterizzazione dell’elastico è stata effettuata con il dinamometro
digitale per calcolare la corrispondenza di valori tra i metri di allungamento e i kg di
forza.
Posizione
(m)
6,75
7,00
7,50
8,00
8,50
9,00
10,00
11,00
12,00
13,00
14,00
15,00
16,00
17,00
18,00
19,00
20,00
21,00
22,00
23,00
24,00
kg
1,20
1,70
2,75
3,50
4,25
4,90
6,00
6,90
7,75
8,50
9,50
10,10
10,40
11,20
11,95
12,40
13,40
14,10
14,65
16,00
22,10
25,00
27,80
Tabella 1 – Tabella relativa alla caratterizzazione dell’elastico.
Speed RT
Speed RT è un'apparecchiatura portatile per la misurazione dello spostamento nel
tempo di un nuotatore. E' composto da un piccolo mulinello (a cui è fissato il
nuotatore), da un dispositivo elettronico di acquisizione e da uno speciale software per
la visualizzazione in tempo reale su PC e per effettuare l’analisi in post processing.
Mostra l'andamento della velocità, lo spazio percorso, l'accelerazione.
Figura 4 – Misuratore elettronico di velocità (Speed RT).
Software Splash
Il software Splash è formato da due sottoprogrammi.
Il primo sottoprogramma è denominato Filtro il secondo Attrito.
Filtro contiene un algoritmo in grado di “pulire” i dati acquisiti da Speed RT. E’ un
tipico filtro digitale passa-basso: le componenti ad alte frequenze, tipiche dei disturbi
(“rumore”) vengono selettivamente rimosse dal segnale acquisito. Tipicamente , sono
state rimosse le frequenze maggiori di 3Hz.
Attrito rappresenta il cuore pulsante del progetto, è in grado con i dati filtrati di
elaborare il profilo idrodinamico del costume istante per istante e quantificare la
potenza dissipata da esso. Più il valore è inferiore maggiore sarà la qualità del
costume.
Figura 5 – Programma di filtraggio e ricostruzione del segnale.
Figura 6 – Programma di rielaborazione dati e calcolo della potenza dissipata.
Il protocollo di valutazione delle qualità di idrodinamicità dei costumi da gara ha
previsto di testare tre prodotti da competizione per il settore maschile
commercializzati da: Speedo, Diana e Arena.
Lazer Racer Elite per Speedo, Submarine Vega per Diana e Powerskin Evo per
Arena.
Lazer Racer Elite (Speedo)
Utilizzando la tecnologia sviluppata per lo Speedo Lazer Racer, la versione Elite:
•
incorpora: costruzione senza cuciture, i tessuti sono termosaldati per
avere una superficie completamente liscia e flessibile e che aiuti a
mantenere l’assetto in una posizione perfettamente idrodinamica,
riducendo l’attrito dell’acqua intorno al corpodel nuotatore del 6% rispetto
alle normali cuciture;
•
tessuto LZR Pulse®, trattato con nanotecnologia, è il materiale più
leggero per costumi a forte azione di “compressione” muscolare, per
ridurre al minimo l’oscillazione in acqua, è idrorepellente e offre una
notevole diminuzione della resistenza superficiale.
Lazer Racer Elite (Speedo)
Submarine Vega (Diana)
I Submarine Vega sono creati con l’assemblaggio di due soli pezzi di tessuto:
•
questo fatto consente una forte riduzione dell’attrito dinamico ed un
conseguente miglior scivolamento;
•
il tessuto è un’evoluzione della versione precedente, con un aumento
della compressione del 7% ed un miglior scivolamento grazie ad un
nuovo trattamento al plasma freddo che lo rende altamente
idrorepellente.
Submarine Vega (Diana)
Arena Powerskin Evo
E’ un gioiello tecnologico:
•
grazie al tessuto Arena Stealth, high tec e ultra leggero (99 gr/mq) pesa
meno di 100 grammi, garantendo allo stesso tempo una compressione
ottimale e un insuperabile confort;
•
Aiuta il nuotatore a mantenere un’eccellente stabilità ed un assetto
efficiente durante la nuotata. Grazie al tessuto Hydro-Stealth, high-tech
ed ultra leggero, tutti i costumi Powerskin Evo garantiscono lo massima
compressione e al tempo stesso un incomparabile comfort.
Arena Powerskin Evo
PROTOCOLLO DI VALUTAZIONE
Il protocollo di valutazione ha previsto di testare 10 nuotatori con il medesimo peso
(65 kg) con le tre differenti tipologie di costumi. Tutti gli atleti che sono stati testati
hanno partecipato ai Campionati Italiani Giovanili di Nuoto, scelta fatta per cercare di
uniformare i profili idrodinamici. Le prove sono state effettuate in vasca da 25 m
presso la piscina della DDS a Settimo Milanese.
65
Altezza
[m]
1,73
21,72
2
65
1,71
22,23
3
65
1,75
21,22
4
65
1,81
19,84
5
65
1,80
20,06
6
65
1,77
20,75
7
65
1,78
20,52
8
65
1,79
20,29
9
65
1,76
20,98
10
65
1,82
19,62
1,77
±0,83
20,72
±0,04
Atleta n°
Peso
1
Media
65
DEV. ST ±0,00
BMI
Tabella 2 – Dati antropometrici relativi ai dieci nuotatori.
Questo modello sperimentale permette di valutare due caratteristiche fondamentali
dei costumi da competizione:
•
il galleggiamento, quindi la capacità di opporre una superficie
bagnata inferiore per avere una minor resistenza
all’avanzamento in acqua;
•
l’idrodinamicità che rappresenta la qualità performante del
costume, esprimibile come coefficiente di penetrazione in
acqua.
La modellazione del sistema evidenzia quindi le qualità dei materiali utilizzati, senza
che il giudizio sia inficiato dalla nuotata, valutando perciò solo parametri oggettivi.
Per ogni atleta sono state effettuate due prove. Per lo studio è stata analizzata la
prova migliore tra le due eseguite e si è valutata quella in cui il valore di potenza
dissipata fosse minore. L’obiettivo della ricerca è stato quello di valutare quale sia il
costume più performante tra i tre modelli testati al fine di creare un profilo
idrodinamico per ciascun atleta, permettendo in questo modo una scelta corretta
legata ai materiali, razionale e motivata da un contesto matematico certificato.
Il progetto ingegneristico ha l’obiettivo primario di valutare il profilo idrodinamico
personale per ogni nuotatore. Si evince quindi che un costume potrebbe risultare
performante per un determinato atleta, al contrario lo stesso costume potrebbe
essere meno efficace per un altro soggetto.
Il range di velocità analizzato dal software varia tra 1 e 2 m/s, questo perché sono le
velocità che più si avvicinano a quelle ottenute in gara e a basse velocità i segnali
sono più complessi da interpolare con una curva di regressione (sono più “rumorosi”).
La procedura di esecuzione del Test prevede due fasi.
Fase 1 : corrisponde alla posizione statica di partenza, dove l’atleta è in acqua in
atteggiamento prono, con le braccia distese in avanti. Tra le mani tiene la parte
terminale dell’elastico, che è stato precedentemente fissato al lato opposto della
vasca, questo risulta in massima estensione. L’atleta indosserà intorno alla vita una
cintura che sarà direttamente collegata allo Speed RT tramite un cavo speciale. La
distanza in metri tra la parte terminale dell’elastico e il muro è di 2,50 m.
Fase 2 : l’atleta senza spingersi dal muro (di modo che l’energia introdotta nel sistema
è solo quella della molla che noi conosciamo), si lascerà trascinare in avanti
dall’elastico, in contemporanea lo Speed RT acquisisce i dati in tempo reale, che
verranno elaborati in un secondo momento. Il dato finale risultante sarà la potenza
dissipata.
Modellazione del sistema
Il sistema sperimentale è modellato come un sistema massa (nuotatore) + molla
(elastico) + smorzatore (fluido).
La lettura della posizione nel tempo (e conseguentemente della velocità e
dell’accelerazione, ottenute derivando numericamente) è effettuata dall’ encoder,
fissato per un’estremità al bordo piscina e per l’altra estremità al nuotatore.
Figura 7 – Rappresentazione del sistema massa/molla/smorzatore: le forze in gioco
sono quelle d’inerzia, quelle elastiche e quelle viscose.
Equilibrio dinamico
Applicando il principio di D’Alambert, la somma delle forze attive più le forze d’inerzia
deve essere nullo (Equilibrio dinamico).
Essendo note le forze d’inerzia e quelle elastiche è possibile valutare le forze d’attrito
che nel sistema dinamico risultano essere incognite.
L’equazione differenziale che descrive la dinamica del sistema è la seguente:
m . ẍ+ r(ẋ) . (ẋ) + k(x) . x = 0
Derivata a partire dal principio degli equilibri dinamici di D’Alambert :
Fin + Fd + Fel = 0
Ovvero sommatoria delle forze = 0
Figura 8 – Rappresentazione del principio di D’Alambert (Equilibrio dinamico).
Descrizione delle forze
In generale, le forze in gioco possono essere espresse in funzione di:
1.
Cinematica del sistema;
2.
Parametri meccanici (massa del nuotatore).
I parametri cinematici sono in funzione del tempo.
I parametri meccanici si riferiscono alla massa del nuotatore e alla rigidezza della
molla.
Delle forze che agiscono sul sistema alcune sono note, altre (quelle viscose)
non lo sono.
Nella fattispecie, la forza d’inerzia è nota in ogni istante:
Fin = - m*a
Conosciamo sia la massa del nuotatore, sia l’andamento dell’accelerazione istante
per istante durante lo svolgimento della prova (grazie alla misurazione attraverso
l’utilizzo dell’encoder); allo stesso modo, sono note le forze elastiche:
Fel = k*x
Conoscendo la posizione (x) istante per istante, è nota la forza di richiamo della molla
per quel particolare allungamento e di conseguenza è nota anche la forza in quel
preciso istante temporaneo.
L’unica forza non nota è rappresentata da quella viscosa, che viene ottenuta
in ogni istante di tempo della prova, per differenza dalle altre due, dovendo essere la
somma uguale a 0.
Cinematica del sistema
Le variazioni acquisite dall’encoder, relative alle modificazioni metro per metro della
posizione idrodinamica del nuotatore in funzione del tempo, quantificano
l’espressione delle forze elastiche.
Figura 9 – Esempio di acquisizione dell’ encoder.
In Figura 9 osserviamo un esempio di acquisizione dell’encoder: posizione in funzione
del tempo. Da questa variabile saremo in grado di ottenere le forze elastiche istante
per istante, semplicemente moltiplicando la posizione letta per la costante elastica
della molla, corrispondente all’allungamento che presenta per quella
posizione/istante temporale (Fel = k(x)*x).
Nelle Figure successive osserviamo come il segnale misurato dall’encoder viene
derivato, una prima volta, per ottenere la velocità (Figura 10) ed una seconda volta
per ottenere l’accelerazione (Figura 11) e di conseguenza le forze d’inerzia (Fin = m*a)
Figura 10 – La variabile indipendente del tempo in relazione alla variabile dipendente
della velocità m/s, identifica quindi le forze che si contrappongono alla variazione di
moto.
Figura 11 – La variabile indipendente del tempo in relazione alla variabile dipendente
accelerazione m/s2, identifica quindi le forze inerziali relative alla massa del nuotatore.
Parametri meccanici
Le forze d’inerzia si riferiscono alla massa del nuotatore, quelle elastiche riguardano
la caratterizzazione sperimentale dell’elastico.
Figura 12 – L’allungamento dell’elastico e le relative espressioni di forza.
Il sistema di acquisizione consente di registrare l’andamento della posizione nel
tempo. Gli altri parametri cinematici possono essere derivati numericamente (il
filtraggio eliminerà l’inevitabile rumore). Le forze d’inerzia e quelle elastiche, definite
in funzione dei parametri cinematici e dei parametri meccanici, risultano note per
ogni punto dell’acquisizione temporale.
Le forze dissipative, ignote, sono derivate dalla condizione di equilibrio del sistema.
Determinazione delle forze viscose
E’ interessante mostrare l’andamento delle forze dissipative (in questo caso della
potenza dissipata) in funzione della velocità.
Potenza media [W]
250,000
Pdiss [W]
200,000
150,000
100,000
50,000
0,000
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
Velocità [m/s]
Figura 13 – Tipico andamento parabolico: Pdiss (v)~v2.
Screenshot del programma
Una volta ottenuto l’andamento delle forze viscose nel tempo, queste forze possono
essere può plottate anziché in funzione del tempo stesso, in funzione della velocità cui
si trovava il nuotatore in quel particolare istante temporale.
Il risultato è interessante: l’andamento delle forze viscose è quadratico rispetto alla
velocità, come ci si aspetta dalla teoria della meccanica dei fluidi.
Chiaramente, la dipendenza delle forze viscose dalla velocità (maggiore o minore
pendenza della curva) consente di confrontare costumi diversi/nuotatori diversi:
minore la pendenza, minore la “penalizzazione” in funzione della velocità, migliore
sarà la performance.
Figura 14 – Screenshot di un costume a bassa performance (alta potenza dissipata).
Confrontando due costumi utilizzati nella prova dallo stessa atleta è possibile anche
graficamente valutare quale dei due risulti essere il migliore. E’ estremamente
importante valutare la performance del costume in base a determinate velocità di
riferimento. Operando in questo specifico modo, possono emergere considerazioni
che creano degli spunti molto utili nell’ambito valutativo dei materiali. E’ possibile
registrare dei cambiamenti della potenza dissipata in base alle velocità, alcuni
costumi potrebbero essere più efficaci a basse velocità per poi non esserlo più nel
momento in cui le stesse velocità tendono ad aumentare.
La logica indubbiamente porta alla considerazione che è importante dissipare meno
ad alte velocità, di converso però a rana dove si raggiungono velocità decisamente
inferiori potrebbe essere scelto un costume che riassume queste caratteristiche.
Le potenzialità del programma
Condizionamento dei segnali acquisiti tramite encoder.
Determinazione dell’andamento temporale di tutte le forze a partire da parametri
meccanici noti (massa nuotatore, lunghezza elastico ecc.).
Caratterizzazione dell’elastico a partire dai dati grezzi.
Determinazione della potenza dissipata in funzione di:
•
•
tempo;
velocità.
Tutto questo processo si sviluppa:
•
esaminando l’intera storia temporale (effetti dinamici del fluido auto
compensati da accelerazione / decelerazione : focus sulle dissipazioni
indotte dal solo costume);
•
nella sola fase di accelerazione: valutazione dell’acquaticità del
nuotatore (influenzata dalla massa fluida spostata, funzione della
posizione del nuotatore);
•
entro campi di accelerazione (e quindi di influenza di forze d’inerzia)
scelti a piacimento.
Confronto dei risultati
300,00
250,00
costum e a bas sa perform ance (alta potenza
dis sipata)
Pdiss [W]
200,00
150,00
100,00
costum e ad alta perform ance (bas sa
potenza diss ipata)
50,00
0,00
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
Velocità [m/s]
Figura 15 – Confronto prestazionale tra due costumi utilizzati dal medesimo atleta.
ANALISI STATISTICA
La normalità delle distribuzioni è stata verificata attraverso lo Shapiro Wilk Test.
Verificata quest’assunzione per tutti i parametri utilizzati si è proceduto con il Test of
Within-Subjects-Effects. In tutti i casi il limite di significatività è stato posto come
(p<0.05). Le analisi sono state condotte con SPSS (versione 13.0, SPSS, Chicago,
USA).
RISULTATI
I risultati che emergono dall’analisi dei dati acquisiti dalle prove di scivolamento sono
evidenziati nella (Tabella 3). L’analisi dei dati relativi alle medie per ogni
atleta dei tre costumi testati non ha portato a differenze statisticamente significative
come illustrato nella (Tabella 4).
Tabella 3 – I risultati ottenuti dai dieci atleti con i tre costumi testati.
Speedo - Diana Speedo - Arena Arena - Diana
p=0.287
p=0.288
p=0.282
Tabella 4 - Il limite di significatività è stato posto a (p<0.05).
I dati che sono emersi sono molto simili, questo evidenzia il fatto che i
materiali e le tecnologie utilizzate sono ormai all’avanguardia per qualsiasi azienda
produttrice di costumi da gara di alta qualità.
Le differenze relative alla scelta o meno di un costume sono legate alla decisione
individuale di un singolo atleta. Conta essenzialmente come ci si trova e quali sono le
sensazioni in acqua con quel determinato costume. Lo studio analizza solamente le
caratteristiche relative allo scivolamento, e di conseguenza solo queste sono
direttamente correlate al costume. Tutte queste ipotesi potrebbero cambiare
radicalmente nel momento in cui si riesca a monitorare il costume nelle fasi
propulsive di nuotata, questo tipo di analisi risulterebbe comunque estremamente
complessa da modellizzare.
Come scopi secondari della ricerca ho voluto verificare solamente a livello matematico
le differenze di potenza dissipata tra i tre costumi. Il costume, secondo il protocollo
utilizzato che ha sviluppato una Potenza media più bassa è stato Powerskin Arena
con 96,595 Watt, al secondo posto troviamo LZR di Speedo con 100,787 Watt,
mentre il terzo posto è stato di Arena con 106,892 Watt di Potenza media espressa.
E’ risultato molto utile anche monitorare ed analizzare le differenze di Potenza
all’interno del medesimo atleta impegnato nel test con i tre modelli differenti di
costume (Tabella 5).
Atleta n°
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Speedo Diana Arena
129,204
129,104
121,145
131,177
113,543
117,758
100,787
109,839
131,158
129,913
129,353
125,216
122,655
135,625
112,667
109,839
112,648
117,758
131,114
128,324
124,868
124,150
125,930
116,366
112,648
96,595
128,713
106,892
123,398
115,208
∆ [W] SpeedoDiana
-0,149
3,888
-1,510
-4,448
0,876
7,919
-11,861
-7,919
0,044
1,589
∆ [W] SpeedoArena
4,336
4,954
-4,785
14,811
0,895
21,163
-27,926
2,947
7,760
14,705
∆ [W] DianaArena
4,485
1,066
-3,275
19,259
0,019
13,244
-16,065
10,866
7,716
13,116
Tabella 5 – Le differenze di Potenza tra i tre costumi utilizzati nelle prove.
Questo ha permesso di creare una ipotetica classifica personale per i tre prodotti.
Arena è risultata otto volte su dieci come il costume che ha dissipato meno Watt,
Speedo due volte su dieci, mentre Diana in nessun dei dieci casi è risultato il costume
più performante.
Molto stimolante è stata anche l’analisi delle differenze di Wattaggio (Tabella 6),
all’interno dello stesso costume tra la prova più idrodinamica e quella meno
idrodinamica. Le differenze minori sono a carico del costume della Diana (25,786
Watt di differenza tra le due prove), al secondo posto troviamo Arena (29,33 Watt di
differenza al terzo posto Speedo (30,390 Watt di differenza).
Wattaggio
Speedo Diana Arena
100,787 109,839 96,595
Wattaggio Minimo
131,177 135,625 125,930
Wattaggio Massimo
Differenza di Wattaggio 30,390 25,786 29,335
Tabella 6 – Le differenze di Wattaggio tra il costume più performante e quello meno
performante relative allo stesso modello di costume.
Le differenze di Potenza (Tabella 7) tra la prova migliore relativa al marchio Arena e
quella marchiata Speedo sono nell’ordine di 4,192 (W) a favore dell’azienda Italiana
(Arena).
Le differenze di Potenza (Tabella 7) tra la migliore prova sviluppata da Speedo con
quella di Diana si attesta ad un valore di 9,052 (W) a favore dell’azienda Inglese
(Speedo).
Le differenze di Potenza (Tabella 7) tra la migliore prova sviluppata dal marchio
Arena con quella di Diana si attesta ad un valore di 13,244 Watt a favore dell’azienda
di Tolentino (Arena).
Wattaggio Speedo Diana Arena
+9,052 -4,192
Speedo
-9,052
-13,244
Diana
+4,192 +13,244
Arena
Tabella 7 – Le differenze tra le potenze dissipate in Watt tra il costume più
performante e quello meno performante.
Speedo Lazer Racer Elite
Potenza Dissipata
Diana Submarine Vega
Arena Powerskin Evo
160
potenzadissipata[W
]
140
120
100
80
60
40
20
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
atleti
Figura 16 – Confronto per ogni atleta tra i tre costumi utilizzati durante il protocollo di
valutazione.
DISCUSSIONE E CONCLUSIONI
I risultati scaturiti dal protocollo operativo hanno indubbiamente mostrato la bontà dei
materiali tecnologici utilizzati dalle più grandi aziende produttrici di costumi da gara
per il nuoto. Il software si è dimostrato estremamente sensibile alle variazioni di
posizione idrodinamica durante la prova, registrando anche modificazioni di meno di
un Watt, dimostrando in questo modo l’ alta precisione del progetto ingegneristico.
Il protocollo può rappresentare un strumento da campo assai affidabile per quegli
atleti, società, aziende che abbiano la curiosità di valutare i prodotti utilizzati senza
costi eccessivi. Non essendosi evidenziate differenze statisticamente significative
si è dimostrato che a questi livelli di materiali, relativamente solo alla fase di scivolo,
un costume potrebbe valere un altro senza perdita di performance.
La scelta come già espressa in precedenza cade essenzialmente sull’atleta che, oltre
a parametri soggettivi di comodità e di sensazione, grazie al software può avere a suo
favore un dato su cui riflettere.
Collegandomi al discorso “sensazione in acqua”, il parametro forse più importante per
un nuotatore, ritengo importantissimo segnalare un episodio particolarmente
significativo che è accaduto durante la prova con l’atleta numero cinque, soggetto
che ha dissipato meno in assoluto con il costume dell’Arena. Ebbene il ragazzo al
termine della terza prova proprio con il costume Arena ha espresso agli operatori in
quel momento in vasca la netta sensazione di aver compiuto la prova migliore delle
tre eseguite proprio perché ha percepito uno scivolamento decisamente
superiore rispetto alla altre due.
Sbalordito da tale affermazione, esaminando i dati, ho capito immediatamente la
bontà delle affermazioni dell’atleta. Questo ha consolidato la tesi che, a quasi parità
di materiali la differenza è a carico della sensazione personale del nuotatore. Un
costume potrebbe essere estremamente performante, ma se l’atleta non lo sente suo,
è meglio cercare un’alternativa.
Il software è già stato utilizzato da due realtà sportive per valutare, nel primo caso, il
costume più performante da adottare durante i Campionati Italiani Assoluti di Nuoto
nel Novembre del 2010 e, nel secondo caso, per analizzare i costumi destinati ad una
società di triathlon.
Rendere numerico e matematico un qualcosa che di tutto questo non ha nulla è stato
estremamente utile per cercare di chiarire alcuni aspetti legati alla scelta del costume
più adatto.
Il progetto ha riscosso grande interesse in ambito natatorio e gli sviluppi futuri
potrebbero portare ad approfondimenti relativi all’ambito di valutazione
dei materiali e non solo. In cantiere c’è già infatti un’utilizzazione sperimentale
per monitorare le fasi subacquee del nuotatore.
Il lavoro si è contraddistinto per una grande originalità e nonostante la sua grande
complessità strutturale ha prevalso, senza ombra di dubbio, la componente
applicativa. Si è dimostrato così che la tecnologia, la matematica e l’informatica
riescono a dare risposte sperimentali ma comunque attendibili anche in ambito
sportivo.
Anche con costi non particolarmente elevati, è possibile dunque superare le
difficoltà obiettivamente complesse che la fluidodinamica presenta. Il prossimo passo
sarà quello di valutare tutti i modelli di costumi disponibili sul mercato per creare una
speciale classifica in modo da avere un database estremamente vasto per poter
approfondire ulteriormente il progetto.
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