È quando il nuoto si fa duro che i fisici cominciano a nuotare. Ebbene sì: c’è letteralmente un mare di fisica nell’acqua che circonda un nuotatore, che sia olimpico oppure no.
Non c’è nessuno sport in cui le prestazioni dipendano così tanto dall’interazione dell’atleta con il mezzo circostante come nel nuoto. Questo spiega perché la comprensione della fluidodinamica di questo gesto sportivo sia così importante da poter far guadagnare addirittura un posto sul podio.
Gli studi scientifici a riguardo spaziano dalle simulazioni numeriche della forza propellente della bracciata, all’analisi di quale sia il materiale migliore per la realizzazione di costumi che minimizzino l’attrito con l’acqua, alle valutazioni sperimentali della resistenza idrodinamica attraverso varie tecniche. E non è tutto. Ogni singolo dettaglio può essere fondamentale per la propulsione in acqua tant’è che anche l’angolo che la mano forma con il braccio e la posizione delle dita possono essere importanti. Ad esempio, meglio nuotare con le dita della mano serrate o aperte?
Prima di provare a rispondere a questa domanda facciamo un piccolo passo indietro per comprendere e definire le principali grandezze fisiche in gioco.
L’efficienza di spinta dipende da due fattori: la dimensione della mano (che chiamiamo superficie A) e la distanza tra le dita della stessa che ne modificano la forma tridimensionale. Un altro importante fattore è il coefficiente di attrito in acqua che dipende dalla forma della mano e quindi, come detto poco fa, è strettamente connesso alla posizione delle dita. Infine la resistenza offerta dall’acqua (R) dipende dalla superficie A, dalla densità dell’acqua ρ, dalla velocità delle braccia in acqua v e e dal coefficiente di resistenza o attrito CD secondo la formula R= 1/2 · ρ · A · v2 · CD.
Una mano più grande (A) e/o un coefficiente di attrito maggiore (CD) possono quindi migliorare l’efficacia della propulsione riducendo la frequenza di bracciata a parità di spinta.
Negli ultimi anni molti gruppi di ricerca hanno studiato con diverse tecniche la relazione tra efficienza biomeccanica e grado di rilassamento della mano arrivando quasi sempre a sostenere che sia più efficiente nuotare se c’è uno spazio fra le dita. Ad esempio nel lavoro di Minetti del 2009 si osserva che il coefficiente di resistenza è massimo per una distanza tra le dita di circa 8 mm.
Coefficiente di attrito (CD) in funzione della distanza tra le dita della mano.
Passando ad analizzare invece la fluidodinamica dei vortici generati sul dorso della mano durante la spinta si osserva che anch’essi hanno una grandezza e direzione diversa a seconda della distanza tra le dita della mano e pure la regione di scia ne è influenzata. In Figura 2 sono riportati tre casi: dita serrate, dita distanziate di 8 mm, dita oltre i 13 mm.
Studio fluidodinamico dei vortici e della regione di scia generati da una mano tenuta con dita serrate, distanziate 8 mm o distanziate più di 13 mm.
Nel primo e ultimo caso la regione di scia ha una superficie inferiore rispetto al secondo caso, che presenta un incremento del 20%. A una regione di scia maggiore corrisponde una maggiore depressione (ΔP) tra il palmo e il dorso della mano che genera una maggiore propulsione. Inoltre, se la spaziatura tra le dita è ottimale, i getti d’acqua prodotti tra le dita impediscono la formazione di vortici e contribuiscono, grazie a una riduzione del riflusso sul dorso della mano, a creare una regione di ristagno con conseguente aumento della propulsione.
Quale sia davvero la migliore spaziatura tra le dita rimane ancora oggetto di discussione tra gli scienziati e addirittura, più recentemente, due ricercatori dell’università di Budapest hanno condotto uno studio giungendo a una conclusione opposta rispetto a quella più sostenuta dalla comunità scientifica e cioè che sarebbe in realtà meglio nuotare con la mano chiusa. Mentre rimaniamo in attesa di nuovi record in questa disciplina olimpica aspettiamo anche di vedere altri risultati delle simulazioni che magari chiariranno il dilemma, ma, nel frattempo, via libera per tutti alla sperimentazione durante le vostre nuotate tra il bagnasciuga e la boa!
Riferimenti
- Bilinauskaite et al. Computational Fluid Dynamics Study of Swimmer’s Hand Velocity, Orientation, and Shape: Contributions to Hydrodynamics, Biomed Res Int. 2013; 2013: 140487. doi: 10.1155/2013/140487
- Darázs and Paál Optimum Finger Spacing for Swimmers, Periodica Polytechnica Mechanical Engineering 60(1), pp. 1-14, 2016 DOI: 10.3311/PPme.7721
- Lorente et al. The constructal-law physics of why swimmers must spread their fingers and toes.” Journal of Theoretical Biology. 308. pp. 141-146. 2012. DOI: 10.1016/j.jtbi.2012.05.033
- Marinho et al. Swimming Propulsion Forces Are Enhanced by a Small Finger Spread. Journal of Applied Biomechanics. 26 (1). pp. 87-92. 2010.
- Minetti et al. The optimum finger spacing in human swimming, J Biomech. 2009 Sep 18;42(13):2188-90. doi: 10.1016/j.jbiomech.2009.06.012. Epub 2009 Aug 3.
- Wei et al. The Fluid Dynamics of Competitive Swimming, Annual Review of Fluid Mechanics, Vol. 46: 547-565 (Volume publication date January 2014) DOI: 10.1146/annurev-fluid-011212-140658