DETERMINAÇÃO DA CARGA DE FLUTUAÇÃO DE IMPLEMENTOS
FLUTUANTES UTILIZADOS EM HIDROTERAPIA E HIDROGINÁSTICA.
Vanessa Ghiorzi
1, Flávia Martinez
1, Everton Rocha
2, Jefferson Loss
2.
1
Acquaticus Saúde e movimento ltda
2
Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Escola de Educação Física
Abstract: The purpose of this study was measure the different floating implements used by hydrotherapy and hydrogymnastic techniques. The implements were immersed in the water and tied in a load cell fixed on the floor of the swimming pool. This configuration allowed to measure the difference between the weight and the buoyancy force. The results showed big differences between the implements. Bigger implements have bigger buoyancy force, but this relation it is not linear.
Key-words: floating, buoyancy force; water implement
Introdução
Exercícios no meio líquido tem sido amplamente difundidos em academias, clubes e clínicas de reabilitação com diferentes propósitos. Este meio oferece exercícios que geram cargas articulares mais baixas devido a diminuição do peso hidrostático, além de gerar resistência à movimentação, através de suas forças hidrodinâmicas e de suas propriedades viscosas [1],[2],[3]. Este fato justifica a ampla recomendação de exercícios terapêuticos na água atualmente.
A hidroterapia e/ou a hidroginástica também vêm sendo aceitas como instrumentos de manutenção preventiva e facilitadores de condicionamento físico geral de pessoas saudáveis[1]. O treinamento muscular com sobrecarga progressiva atinge bons resultados tanto em terra quanto em água - muitas vezes não havendo diferenças significativas entre eles em estudos comparativos [4]. Para isso, pode-se recorrer à utilização de implementos que aumentem a resistência da água, durante a realização dos exercícios, sendo os implementos flutuantes uma frequente opção feita pelos profissionais da área.
Os implementos flutuantes são feitos de materiais menos densos do que a água - com grande volume e pequeno peso [5], o que resulta no aumento do efeito de flutuação além de dar suporte, reduzir forças compressivas e/ou impactações, e auxiliar o movimento [6],[7], [8]. Contudo, estes equipamentos utilizados na hidroterapia e/ou na hidroginástica não possuem real carga conhecida.
Sendo assim, o objetivo deste estudo foi determinar a carga de flutuação dos implementos flutuantes utilizados em hidroterapia e hidroginástica.
Metodologia
Os implementos flutuantes utilizados nesta pesquisa foram cedidos pela empresa Aktiv Ltda., a qual é fabricante de equipamentos para atividades aquáticas e pela Acquaticus – Saúde e Movimento, onde foi realizada a pesquisa.
Os tipos de implementos mensurados foram:
1. Cinco pares de halteres de etileno-acetato de vinil (E.V.A.), nos tamanhos “mini” e pequeno (com mesma área frontal, porém de pequena e grande espessura), médio e grande (também com mesma área frontal, com pequena e grande espessura) e “extragrande”;
2. Três pares de “Sorrisos”, nos tamanhos pequeno, médio e grande;
3. Um par de “Harpas”;
4. Três pares de caneleiras de E.V.A., nos tamanhos pequeno, médio e grande;
5. Pranchas de E.V.A., nos tamanhos pequeno, médio e grande;
6. Pranchas de E.V.A. em formatos de estrela, pássaro, peixe e tartaruga;
7. Pranchas “foice”;
8. Duas barras em tamanhos pequeno e grande; 9. Um par de halteres polivalentes;
10. Dois cinturões nos tamanhos médio e grande; 11. Um par de Aquahands;
12. Um par de palmares tipo “morcego”; 13. Pull Buoys pequeno e grande; 14. Um colar cervical “meia lua”;
15. Dois colares cervicais “quadrados” nos tamanhos pequeno e grande;
16. Três pares de “cotonetes”: pequeno, médio e grande;
17. Três aquatubos de etaflon, sendo um inteiro, outro com um orifício ao centro e um terceiro bastante desgastado pelo uso;
18. Um par de “Chinelões”, utilizado em membros inferiores;
19. Um par de bóias para braço, feitas de plástico e infláveis.
A fim de facilitar a compreensão dos dados obtidos nesta pesquisa, os flutuadores disponíveis foram divididos em duas categorias, de acordo com sua finalidade: flutuadores de sobrecarga (geralmente utilizados como uma resistência a mais durante os exercícios aquáticos) e os flutuadores de sustentação (mais usados para sustentar o corpo, ou alguma parte dele, durante a realização de atividades na água). Entre os flutuadores de sobrecarga encontram-se: barras, halteres, caneleiras, “cotonetes”, “sorrisos”, palmares
“morcego”, aquahands, “harpas” e “chinelões”. Já os flutuadores de sustentação compreendem as pranchas, os cinturões, os colares cervicais e os pull buoys.
Os aquatubos, que também tiveram seus valores de empuxo verificados no estudo, porém foram analisados separadamente, pois este material foi destinado a avaliar o desgaste dos implementos flutuantes em função do uso, apesar de que são usados com freqüência tanto para sobrecarga, quanto para sustentação.
Para que a devida coleta de dados proposta por este estudo fosse realizada, fez-se necessário o uso de uma célula de carga (dinamômetro) modelo ZX250 (Figura 1), fabricada pela empresa Alfa Instrumentos. Este equipamento, imerso em água, possibilita a quantificação da força gerada pela atuação do empuxo sobre o implemento flutuante.
Trata-se de um instrumento que passou por um processo de impermeabilização, tornando-o à prova d´água. Sua capacidade nominal é de 250 kg e é feito de aço inox, cuja sensibilidade é de 2 mV/V ± 0,1%, o erro combinado é menor que 0,03% e a temperatura útil de trabalho varia entre -5 e +60 oC. As dimensões do
dinamômetro encontram-se ilustradas na Figura 2.
Figura 1: Célula de Carga Modelo ZX250
Figura 2: Dimensões da Célula de Carga
Conectado ao dinamômetro, utilizou-se um condicionador de sinais modelo 3103 (Figura 3), também fabricado pela empresa Alfa Instrumentos, com função de leitura local de força/peso, registrados pelo dinamômetro. O procedimento de calibração da célula de carga foi realizado previamente à coleta de dados e fora da água, segundo as orientações do fabricante. Esse processo consistiu basicamente de aplicação de 2 cargas conhecidas (pesos mortos, aferidos em balança digital)
para a respectiva conversão dos valores de unidades elétricas (milivolts – mV) em unidades de força (quilogramos-força - kgf).
Figura 3: Condicionador de Sinais Modelo 3103.
As cargas escolhidas foram 0 kgf e 4 kgf, por representarem os limites esperados para as forças mensuradas, e foram ajustadas de modo a tracionar a célula de carga, sendo os valores das medições armazenados na memória do equipamento (condicionador de sinais 3103). Após o procedimento de calibração, o condicionador de sinais passou a indicar, em seu visor digital, os valores da carga de tração diretamente em kgf.
Para a determinação do peso hidrostático é importante que seja determinada a capacidade de flutuação oferecida pelo flutuador, quando submerso e em repouso. Para tanto, foi fixada uma célula de carga (dinamômetro) ao fundo de uma piscina que apresenta um metro e vinte centímetros de profundidade. Com fio barbante, o dinamômetro foi amarrado em uma barra de metal constituinte das barras paralelas já adaptadas à piscina. Essa barra de metal encontrava-se rente ao solo. A célula de carga permaneceu o tempo todo sob tração constante, com intuito de eliminar o efeito de empuxo do próprio dinamômetro durante as medições. Para isso, no decorrer de toda a coleta, a ela foi mantida fixa (através de fio barbante) uma caneleira média de empuxo igual a 0,2 kgf. A partir de então, utilizou-se a função de tara do equipamento para neutralizar, automaticamente, esse valor de tração. Após esse processo, cada flutuador foi amarrado com o mesmo tipo de fio barbante, a fim de que pudessem ser acoplados à célula de carga ficando totalmente submersos. Por apresentarem tamanhos e formas distintas, os flutuadores foram submetidos a um sistema de amarras distinto, de modo que ficassem em equilíbrio e paralelos à superfície da água.
Quando foi atingida uma situação de equilíbrio entre a célula e o flutuador, o dinamômetro registrou a capacidade de flutuação do implemento, sendo já subtraído o valor de seu peso, a partir da obtenção da medida do peso hidrostático (equação 1) correspondente a cada equipamento flutuante [9].
PH = P-E (1)
onde,
PH=Peso hidrostático, P = Peso,
E = Empuxo
Valores negativos de peso hidrostático, indicam a prevalência da força do empuxo sobre a força peso dos implementos e, portanto, o sentido do vetor resultante da subtração entre as duas forças, uma vez que a força peso é tradicionalmente expressa em valores positivos.
Resultados
As tabelas a seguir demonstram os resultados obtidos na mensuração do peso hidrostático dos implementos flutuantes de sobrecarga (Tabela 1) e dos aquatubos (Tabela 2) respectivamente:
Tabela 1: Valores dos Pesos Hidrostáticos dos
Respectivos Implementos Flutuantes de Sobrecarga
Implemento Flutuante (sobrecarga) Peso Hidrostático (kgf) Barra pequena - 1,70 Barra grande - 4,00 Halteres “mini” - 0,75 Halteres pequenos - 1,00 Halteres médios - 1,25 Halteres grandes - 1,90 Halteres “extragrandes” - 3,50 Halteres Polivalentes - 1,50 Caneleira pequena - 0,50 Caneleira média - 1,20 Caneleira grande - 1,55 “Sorriso” pequeno - 0,90 “Sorriso” médio - 1,20 “Sorriso” grande - 1,55 “Cotonete” pequeno - 0,15 “Cotonete” médio - 0,25 “Cotonete” grande - 0,33 Palmar “Morcego” - 0,35 Aquahands - 1,20 “Harpa” - 0,75 “Chinelão” - 1,40
Os implementos flutuantes de sobrecarga apresentaram peso hidrostático médio de 1,28 kgf, com um desvio padrão de 0,96 kgf.
Tabela 2: Valores dos Pesos Hidrostáticos nas
Variações de Aquatubos
Aquatubos Hidrostático Peso
(kgf)
Com orifício interno - 4,20
Sem orifício - 4,60
Com orifício vedado - 4,70
Com orifício interno (desgastado pelo uso e
encharcado) - 3,60
Os aquatubos apresentaram peso hidrostático médio de 4,27 kgf, com um desvio padrão de 0,5 kgf.
A Tabela 3 descreve os resultados encontrados na mensuração do peso hidrostático dos implementos flutuantes de sustentação.
Tabela 3: Valores dos Pesos Hidrostático dos
Respectivos Implementos Flutuantes de Sustentação
Implemento Flutuante
(Sustentação) Hidrostático Peso
(kgf) Prancha pequena - 1,50 Prancha média - 2,20 Prancha grande - 3,10 Prancha Gaivota - 1,15 Prancha Tartaruga - 1,70 Prancha Estrela - 1,20 Prancha Peixe - 0,45 Prancha “Foice” - 1,50 Cinturão pequeno - 2,55 Cinturão grande - 3,70
Colar Cervical (“1/2 Lua”) - 1,45
Colar Cervical pequeno
(Quadrado) - 2,10
Colar Cervical grande (Quadrado) - 3,15
Pull Buoy pequeno - 1,10
Pull Buoy grande - 1,35
Bóia de Braço Inflável - 2,75 Os implementos flutuantes de sustentação, por sua vez, apresentaram peso hidrostático médio superior ao dos implementos flutuantes de sobrecarga (1,93 ± 0,90).
Na Figura 4, estão apresentados o aumento progressivo dos pesos hidrostáticos dos implementos flutuantes de mesmo formato, porém com mais de três tamanhos diferentes. 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Halteres Caneleiras "Sorrisos"
"Cotonetes"
Peso Hidrostático (kgf)
"Mini" Pequeno Médio "Extra-grande
Figura 4: Valores de Peso Hidrostático Relativos aos Diferentes Tamanhos de Implementos Flutuantes
Grande
Na Figura 4 nota-se que implementos flutuantes de maior tamanho também possuem maiores valores de peso hidrostático, porém, esta relação não é linear.
Os implementos flutuantes utilizados nesta pesquisa são fabricados de um material denominado etileno-acetato de vinila, comumente conhecido por E.V.A. Este tipo de material é caracterizado por possuir densidade relativa/gravidade específica inferior a 1, o que explica seu poder de flutuação em meio aquático[10],[1],[5],[7].
Ao imergir este tipo de aparato na água, este sofre ação da força de empuxo. Essa força irá oferecer certa resistência à imersão do aparato. Sabe-se que, no meio aquático, várias propriedades hidrodinâmicas são responsáveis pela resistência ao movimento. Além do empuxo, podem ser citadas a própria viscosidade da água e a turbulência, responsáveis pela força de arrasto desencadeada quando um objeto está em movimento[6],[1],[11],[12],[7],[9]. Pesquisas foram executadas a fim de quantificar a força de arrasto: através da criação de modelo de braço e perna humanos, da utilização de implementos com diferentes tamanhos de superfícies frontais e da variação da velocidade nos movimentos simulados[12],[13],[14]. Porém, esta força não foi foco de estudo nesta pesquisa em função da dificuldade existente em obter acesso à instrumentação necessária para determiná-la.
A velocidade, além de ser fator determinante da resistência em exercícios aquáticos, pode, ainda, somar-se à força de flutuação. É comum encontrar essomar-se tipo de situação nos exercícios mistos, tendo a eficiência máxima da união da flutuação e do arrasto quando um flutuador é imerso e emerso com alta velocidade (“Exercícios Mistos Tipo 3”)[15].
Pela razão de explorarem, principalmente, o efeito da força de empuxo, costuma-se utilizar os flutuadores em exercícios aquáticos, tanto para sustentar o corpo (se o objetivo for posicionamento adequado para realização de determinadas atividades, ou redução do peso corporal e conseqüente redução de impacto), quanto para reforço muscular (aumentando a resistência ao movimento e a carga imposta à musculatura que se deseja fortalecer) [6],[7],[9],[8]. Entretanto, não há registros de estudos que determinem o valor da força de flutuação que atua no sistema osteomuscular da pessoa que usufrui de flutuadores durante atividade física no meio aquático.
De acordo com os resultados encontrados na determinação do peso hidrostático dos flutuadores de sobrecarga pela célula de carga, é possível notar que poucos apresentam cargas de valores como 0,5 kgf e inteiros, compatíveis com as cargas conhecidas (pesos de 0,5, 1,0, 2,0 kgf, etc.) comumente utilizadas durante atividades de reforço muscular executadas em terra. Como exceções, cita-se a barra grande, com carga de 4,0 kgf; os halteres pequenos, com 1,0 kgf de carga; e as caneleiras pequenas com 0,5 kgf de carga. A maior parte dos materiais registrou valores racionais positivos para o empuxo, além disso, alguns apresentaram cargas insignificantes – como os “cotonetes” pequenos (0,15 kgf), médios (0,25 kgf) e grandes (0,33 kgf), e o “palmar morcego” (0,35 kgf) – para o objetivo de reforço muscular, baseando-se na resistência imposta pelo empuxo. Desta forma, pode-se deduzir que estes
materiais teriam maior serventia para o fortalecimento muscular ao explorarem a área da superfície que eles apresentam e a velocidade em que os movimentos são executados, beneficiando-se, desta forma, da resistência à movimentação imposta pela força de arrasto gerada[6], [10],[1],[11],[5],[12],[9].
Na prática da natação como desporto, é comum que atletas utilizem palmares durante o treino do nado em qualquer estilo, aumentando a superfície da mão e, conseqüentemente, dificultando a realização do gesto esportivo. Trata-se de uma forma de aumentar a eficiência das braçadas através do fortalecimento da musculatura envolvida na sua execução[6],[14].
Possivelmente, os “cotonetes” e os palmares tipo morcego sejam feitos de E.V.A., apesar de explorarem mais a força de arrasto do que a força de empuxo, em virtude do baixo custo e boa resistência do material[16].
Quaisquer dos implementos flutuantes de sobrecarga podem explorar a força de arrasto além da flutuação. Entretanto, os mais indicados para isto são aqueles que apresentam grande área frontal, como os “sorrisos”, os Aquahands, os halteres polivalentes e as “harpas”[17]. Empiricamente, estes aparatos são chamados, pelos profissionais de hidroterapia e hidroginástica, de implementos flutuantes “híbridos” por apresentarem tanto o poder de flutuação - quando sob influência do empuxo -, quanto uma grande área frontal, o que possibilita explorar a força de arrasto durante os exercícios.
Especificamente, baseando-se os tamanhos de halteres disponíveis para este estudo, pode-se deduzir diversas maneiras de exercícios que explorem a área da superfície que eles apresentam. Os halteres versão “mini” têm a mesma área frontal dos pequenos, porém a espessura do pequeno é maior – o que justifica seu peso hidrostático mais elevado. A mesma situação é encontrada entre os médios e os grandes. Com relação às espessuras, os “minis” têm a mesma espessura que os médios, e os pequenos, a mesma que os grandes.
Relacionando-os com os tipos de exercícios mistos, pode-se ter formas variadas de fortalecimento muscular a partir do posicionamento desses halteres, dependendo dos objetivos estabelecidos. Sempre que se busca utilizar a força de arrasto para fortalecimento muscular, deve-se pensar em todos os implementos “híbridos”, escolhendo e adaptando o tamanho da área frontal às condições musculares do paciente/cliente.
Entre os grupos de flutuadores de sobrecarga de mesmo formato, porém com mais de duas versões em tamanhos diferentes, não foi encontrado um aumento progressivo e regular de carga, considerando seus diferentes tamanhos. Os halteres, por exemplo, constavam em cinco versões com diferentes pesos hidrostáticos: “mini”, pequeno, médio, grande e “extragrande”. Desde o halter “mini” até o médio, houve um aumento progressivo e constante de 0,25 kgf de peso hidrostático. A partir de então, o aumento na carga não foi mais constante: do médio para o grande houve diferença de 0,65 kgf, e do grande para o “extragrande”, de 1,4 kgf. Entre as caneleiras
(pequenas, médias e grandes), também não houve aumentos constantes entre os valores de seus pesos hidrostáticos: da pequena para a média observou-se um acréscimo de 0,7 kgf e da média para a grande, de 0,35. Nos casos dos “cotonetes” e dos “sorrisos” (ambos nos tamanhos pequenos, médios e grandes), o crescimento entre os valores de seus pesos hidrostáticos, de acordo com os tamanhos, não se demonstrou tão discrepante. Entre os “cotonetes”, dos pequenos aos médios o aumento foi de 0,10 kgf e do médio para o grande, foi de 0,8 kgf; com relação aos “sorrisos”, o aumento foi de 0,3 kgf e de 0,35 kgf, respectivamente.
Essa irregularidade no aumento progressivo de carga entre os implementos de mesmo formato demonstra que seus fabricantes não têm conhecimento exato da carga imposta pelos implementos que produzem, impedindo que os profissionais que utilizam esse equipamento tenham controle sobre a real carga imposta em exercícios de fortalecimento muscular. Os pesos conhecidos, usados para exercícios em terra, geralmente apresentam aumento progressivo e constante de carga- 0,5 kgf ou 1,0 kgf-, sendo a verificação desses valores é muito mais simples do que a dos flutuadores na água: basta pesá-los em uma balança, uma vez que sua carga é decorrente do efeito da gravidade [19]. Por outro lado, realizar medições de flutuadores dentro da água não é um procedimento tão simples, primeiramente, porque a carga será determinada pela ação do empuxo, que é uma força antigravitária; depois porque a aparelhagem necessária, ou seja, uma célula de carga impermeável é novidade no mercado.
Além disso, esse estudo apresenta-se limitado, uma vez que contou com uma amostra muito pequena de cada tipo de implemento flutuante, apresentando, no máximo, um par dos tipos e dos diferentes tamanhos (no caso de halteres, caneleiras, “cotonetes”, “sorrisos”, “harpas”, palmares, “chinelões”, Aquahands e bóias infláveis). Portanto, não há como precisar que os valores de peso hidrostático verificados sejam sempre iguais entre os tipos e tamanhos de implementos. Sabe-se, empiricamente, que a matéria utilizada na confecção destes implementos (E.V.A. e etaflon) é adquirida em grandes barras e, sendo estes materiais copolímeros, é comum que encontre diferença na densidade de cada barra, estando umas mais aeradas do que as outras. E, uma vez que apresentem diferentes densidades, terão diferentes capacidades de flutuação[6],[10].
Já os implementos flutuantes de sustentação tiveram suas cargas determinadas, apresentando, também, poucos valores inteiros. A maioria desses implementos estava disponível em exemplares únicos (exceto bóia de braço inflável) o que não garante que outros exemplares tenham a mesma capacidade de flutuação. Mesmo a bóia inflável, constituída de plástico, pode apresentar diferentes pesos hidrostáticos, de acordo com o volume de ar que contém em seu interior.
Porém, de acordo com a maior finalidade desses flutuadores, é mais importante considerar que, ao serem acoplados a qualquer segmento ou parte do corpo humano, a baixa densidade desse material complementa
a flutuação do corpo pela redução da quantidade de massa de água deslocada durante a imersão[9]. Em função da finalidade dos implementos flutuantes de sustentação, seu peso hidrostático médio foi superior ao peso hidrostático médio dos implementos flutuantes de sobrecarga. Conseqüentemente, é uma classe de aparelhos que tem grande valor na reabilitação e no incentivo à prática de atividade física para àquelas pessoas que apresentam doença articular degenerativa em membros inferiores[8] ou que apresente qualquer outra condição que limite a sustentação de peso (fraturas de fadiga, fraturas agudas, pós-operatórios, lesões osteocondrais, artrite reumatóide, etc.)[6].
Sabe-se que a simples imersão do corpo em água, já reduz o peso hidrostático da pessoa pela atuação direta da força de flutuação[18], diminuindo a sobrecarga articular[17]. Essa redução do peso hidrostático está proporcionalmente relacionada com a profundidade da piscina. Considerando um indivíduo em ortostase, pode-se ter desde uma redução de 2%, quando a água está no nível do tornozelo, até de 92%, no nível do pescoço17.
Os flutuadores de sustentação, com seus respectivos pesos hidrostáticos são capazes de reduzir ainda mais a carga sustentada pelos membros inferiores; e, quando utilizados nas atividades, tem a finalidade de permitir sustentação de peso precoce e/ou indolor, prevenindo hipotrofia muscular, perda de mobilidade articular e desenvolvimento de padrões anormais de movimento[6]. Para pacientes obesos e com doença articular degenerativa, a diminuição na sustentação do peso corporal – por permitir movimentação indolor – ainda é um incentivo para exercícios aeróbicos, importantes para a perda de peso[8]. A escolha do implemento ideal para o paciente/cliente deve, portanto, levar em conta a profundidade da piscina de trabalho (geralmente inalterada), a altura do paciente/cliente, e suas condições clínicas.
Conclusão
Os implementos flutuantes de sobrecarga apresentaram peso hidrostático médio de 1,28 kgf, com um desvio padrão de 0,96 kgf.
Os aquatubos apresentaram peso hidrostático médio de 4,27 kgf, com um desvio padrão de 0,5 kgf.
Os implementos flutuantes de sustentação, por sua vez, apresentaram peso hidrostático médio superior ao dos implementos flutuantes de sobrecarga (1,93 ± 0,90) kgf.
Implementos flutuantes de maior tamanho também possuem maiores valores de peso hidrostático, porém, esta relação não é linear.
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e-mail dos autores:
