MH603-BIOMECÂNICA DO MOVIMENTO HUMANO APLICADA AOS ESPORTES

Prof. Dr. Ricardo Machado Leite de Barros Universidade Estadual de Campinas

Faculdade de Educação Física - UNICAMPLaboratório de Instrumentação para Biomecânica

ricardo@fef.unicamp.br

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Programação de aulas

Aula 9: Dinâmica do Movimento HumanoAula 10: ImpulsoAula 11: Trabalho, Energia e Potência em BiomecânicaAula 12: Biomecânica em FluidosAula 13: Princípios BiomecânicosAula 14: Segunda Avaliação Aula 15: Seminários

Aula 1: Caracterização da análise biomecânicaAula 2: Descrição de posições do corpo humano Aula 3: Descrição do movimento humano IAula 4: Laboratório de Biomecânica e InformáticaAula 5: Descrição do movimento humano IIAula 6: InérciaAula 7: Primeira AvaliaçãoAula 8: Estática Aplicada ao corpo humano

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Aula 13: Biomecânica em Fluidos

Conceitos Básicos: Introdução à mecânica dos fluidos. Movimento relativo. Densidade. Peso específico. Viscosidade. Pressão. Princípio de Pascal. Princípio de Arquimedes. Flutuabilidade. Resistência dinâmica.

Biomecânica Aplicada: Biomecânica da natação. Trajetórias de implementos esportivos.

Exemplos e Exercícios:

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Introdução - Mecânica dos Fluidos

Contrasta-se com o sólido;

Pode escoar ou fluir;

É composto por líquido e gases;

Não possui arranjo ordenado.

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Movimento Relativo

Influência - velocidade do fluido e a da velocidade do objeto;

Velocidade Relativa = velocidade de um corpo em relação a qualquer outra coisa, neste caso, o fluido que circunda o objetoem deslocamento

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Densidade e Peso Específico

O conceito de Densidade é a combinação de massa de um corpo com seu volume, assim temos:

O conceito de peso específico é definido como peso por volume, assim temos:

3/ mKgVolumemassa

=ρ

3/)( mNVolume

gmPeso ∗=γ

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Viscosidade

A viscosidade de fluido é a resistência que o fluido apresenta ao fluir.

Quanto maior a extensão que o fluido resiste ao fluir sob a atuação de uma força aplicada, maior será sua viscosidade.

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Pressão

Pressão é uma força aplicada perpendicularmente a superfície do fluido, assim temos:

Unidade de medida (SI)

1atm = 1,01 * 105 Pa = 760 torr (mm/Hg) = 14,7 lb/in2 (psi)

Alpinistas ≠ Mergulhadores

ÁreaForçap =

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Equilíbrio de Forças - Pressões Hidrostáticas

• A pressão em um ponto de um fluido em equilíbrio estático depende da profundidade desse ponto, mas independe de qualquer dimensão horizontal do fluido ou do seu recipiente.

F2 = F1+ mg

p2 = p1+ ρg(y1 - y2) → Variação de profundidade ou altura

p = p0 + ρgh → Profundidade h

Ponto de verificação 1: A figura desenhada no quadro mostra quatro recipientes de azeite de oliva. Ordene-os de acordo com a pressão a uma profundidade h, da maior para menor!

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Princípio de Pascal

O principio de pascal estabelece que a pressão externa aplicada num fluido em equilíbrio transmite-se integralmente a todos os pontos do fluido. Este principio explica o funcionamento da prensa hidráulica.

p = pext + ρgh

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Princípio de Arquimedes

Quando um corpo esta totalmente ou parcialmente submerso em um fluido, o fluido ao redor exerce uma força de empuxo (Fe) sobre o corpo. A força esta dirigida para cima e possui uma intensidade igual ao peso (mf *g)do fluido que foi deslocado pelo corpo.

Fe = mg

F = força de empuxo

mg = peso do fluido deslocado pela moeda

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Flutuabilidade

Flutuar → densidade do corpo = a densidade do fluido; ↑ do volume de ar nos pulmões → ↓ a densidade → facilita a

flutuação;↑ da temperatura do fluido → ↓ a sua densidade fluido →

dificultando a flutuação; Maior percentual de gordura no corpo ↓ a sua densidade facilita a

flutuação.

Fb = V γ

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Forças Verticais e Equilíbrio

Peso

Empuxo

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Resistências Dinâmicas

É uma força causada pela ação dinâmica de um fluido que age na direção das correntes livres do fluxo do fluido. Lentifica o movimento. Assim temos:

Fres = ½ Cr ρ Ap v2

,

No qual Cr é o coeficiente de resistência dinâmica e v é a velocidade.

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Arraste de Superfície

Força de Atrito entre o corpo e as moléculas de água que entramem contato com a pele.

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Arraste de Forma

Escoamento Laminar: Arraste menor

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Arraste de Onda

Provocado pelas reflexões das ondas no fluido, produzida pelos movimentos dos corpos no fluido.

Escoamento Turbulento: Arraste Maior

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Força de Sustentação e Efeito Magnus

Força de sustentação - perpendicular ao fluxo do fluido.diferença nas velocidades de escoamento do

ar em regiões diferentes, perpendicular à velocidade (ex. Chute futebol)

Fsust = ½ Cs ρ A v 2,

Efeito Magnus – é o desvio na trajetória de um objeto girando na direção do giro em conseqüência da força Magnus.

força Magnus – força de sustentação criada pelo giro.

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Princípio de Bernoulli

A pressão em um fluido é inversamente proporcional à velocidade de deslocamento.

Biomecânica da Natação

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Mecânica do Nado

Resistência;

Propulsão;

Aspectos Fundamentais da Propulsão.

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Resistência

Fluxo Laminar e Turbulento;

Efeitos de Forma e Orientação do Nadador;

Características dos Nadadores que Afetam o Arrasto;

Efeito da Velocidade

Tipos de Arrasto - forma, onda e friccional.

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Fluxos - Laminar e Turbulento

Turbulência causada pelo corpo do nadador movimentando-se em correntes laminares.

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Efeitos de Forma e Orientação do Nadador

• Objetos “afilados” deparam-se com menor resistência que os com cantos “quadrados”e formas convolutas. Forma ideal de um

projétil (peixe). Mais rápidos – Mais aerodinâmicos.

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Características dos Nadadores que afetam o aArrasto

Área da secção transversal ao fluido.

Velocidade do movimentoForma assumida,

favorecendo o escoamento laminar ou turbulento

Superfície de contatoRugosidade

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Efeito da Velocidade

Velocidade → ↑Fricção e Turbulência = ↑Arrasto.

2X Velocidade = 4X Arrasto.

Nadadores + Ritmo = + Chances

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Tipos de Arrasto

Arrasto Superfície ou friccional - Fricção entre a pele dos nadadores e as moléculas de água que entram em contato com a pele.

Superfícies lisas - ↓ Fricção - Raspagem do corpo – Estudos

Arrasto de Onda - Ondas que são geradas pelos nadadores.

Nado de Borboleta - Braços rentes água - Velocidade reduzida 30% dentro 1/16s - Efeito Devastador no Desempenho.

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Tipos de Arrasto

Arrasto de Forma - Causado pelo porte e pela forma dos corpos dos nadadores em seu deslocamento propulsivo na água.

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Propulsão

Teorias da propulsão na natação:

“Roda de Pá”

“Empurrar Direto para Trás para ir para Frente”

-“Movimento Sinuoso para Trás”

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Teoria – “Roda de Pá”

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Teoria -“Empurrar Direto para Trás para ir para Frente” (J. E. Counsilman, 1968 e C.E. Silvia, 1970)

Terceira lei de Newton- Ação/ Reação.

“Quando os nadadores empurram a água para trás, a água exerce uma força de igual magnitude para que os empurra para frente”.

Mão utilizada como remo.

Ficou conhecido como Teoria de

Arrasto Propulsivo.

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Teoria – “Movimento Sinuoso para Trás” (J. E.Counsilman, 1968 e C.E. Silvia, 1970)

Movimento submerso em forma de “S”;

Melhor formulação da teoria anterior;

Melhor desempenho do nado ( menos esforço – maior aceleração).

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Teorema de Bernoulli na Natação

Usado para explicar como era produzida a força de Sustentação;

Quanto maior a velocidade menor a pressão Fluído.

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Ângulo de Ataque

Ângulo entre a inclinação da mão e do braço (ou perna e pé) -direção em que eles estão se movendo.

Movimento de um fólio:Bordo de ataque;Bordo de fuga.

A propulsão ↓ - ângulo de ataque for grande ou pequeno demais.

Força de sustentação mínima

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Ângulo de Ataque

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Busca Ideal do Ângulo de Ataque

1. Mãos e os pés;

2. Ângulo de ataque adequado;

3. Mudança na sua direção de inclinação;

4. O bordo de ataque e de fuga - a cada mudança de direção.

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Bolhas de Ar

Combinação errada de direção e de ângulo de ataque;

Busca de águas mais tranquilas;

Turbulência e uma concomitante perda de força propulsiva.

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Velocidade

Velocidade das mãos;

Movimentos propulsivos;

Mudanças de direções das mãos;

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Aspectos Fundamentais da Propulsão

Os nadadores utilizam o palmateio diagonal;

Braçadas movimentam-se como a atividade de uma hélice.

Maglischo: “varredura” – Exercícios de palmateio nas três fases da braçada.

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As Quatro Varreduras da Natação Varredura para Fora

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As Quatro Varreduras da Natação Varredura para Baixo

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As Quatro Varreduras da Natação Varredura para Dentro

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As Quatro Varreduras da Natação Varredura para Cima

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Ponto de Agarre e Cotovelo Elevado

Ponto de agarre – ocorre durante a fase submersa da braçada, na qual tem início a propulsão.

Defasagem de tempo - tenham seus braços posicionados para deslocar a água para trás.

Cotovelo elevado - Aplicação de força propulsiva e maior eficiência.

Cotovelo baixo - água para baixo e não para trás.

Nados de borboleta e peito

Aplicação de força propulsiva - alinhar o antebraço e as mãos.

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Papel das Pernas na Propulsão da Natação

Deslocamento da água;

Fluxo da água;

Extensão da perna;

Perda do efeito propulsivo.

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Mecanismos de Anéis de Corrente (Colwin-1984 e 1985)

Transportar, arremessar, acelerar – movimento para frente;

Extensão teoria da sustentação;

Alguns problemas associados à medição.

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Papel do Corpo na Propulsão

Movimento ondulatórios;

Justificativa – animais marinhos Lighthill,1969; Ungerechts,1983.

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Exercício 1

É melhor ser pisado por uma mulher usando sapato de salto fino (salto alto) ou um de sola lisa e salto baixo (tênis)? Se a mulher pesa 556 N, a área do salto fino é de 4 cm2 e a área do salto baixo é de 175 cm2, qual a pressão exercida por cada tipo de salto?

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Solução - Exercício 1

Sabemos que:Peso = 556 N

Área salto fino = Af = 4 cm2

Área salto baixo e liso = Abl = 175 cm2

Solução:P = F/A

para cada tipo de salto = 556 N/ 4 cm2 = 139 N/cm2

= 556 N/ 175 cm2 = 3,18 N/cm2

Comparando as pressões = Pf / Pbl = 139/3,18 = 43,75 X mais no salto fino

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Exercício 2

Enquanto prendia uma grande quantidade de ar nos pulmões, uma moça de 22 kg tinha um volume corporal de 0,025 m3. Ela poderá flutuar em água doce se o γ for igual a 9810 N/m3 . Sabendo-se o volume corporal, quanto ela poderia pesar e continuar flutuando?

Figura

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Solução - Exercício 2

Sabemos que:

m = 22 kg

V = 0,025 m3

γ = 9810 N/m3

Solução:

Para que a moça esteja realmente flutuando é necessário que a soma das forças verticais seja igual a 0.

Fb = V γ = 245,25 N se esta ↑ então ela flutuará (parcialmente)

P = mg = 215,82 N

Pmax = V γ = 245,25 N - Atenção

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Bibliografia

MAGLISCHO, E. W. Nadando ainda mais rápido. São Paulo: Ed.Manole, 1999.

HALL, S. Biomecânica Básica. São Paulo: Ed. Manole, 1999.

WALKER, H. R. Fundamentos de Física. Rio de Janeiro: Ed LTC, volume 2, 2001.