Flávio Castro & Jefferson Loss 34 CASTRO, F. A. S. ; LOSS, J. F. Forças no meio líquido. In: Paula Hentschel Lobo da Costa. (Org.). Natação e Atividades Aquáticas. Subsídios para o ensino. 1 ed. Barueri: Manole, 2010, v. , p. 34-46.
A movimentação do corpo humano no meio líquido se dá de uma forma peculiar à medida que, para a propulsão, a água não parece ser uma “base firme o suficiente”, enquanto, como resistência, apresenta um grande empecilho ao deslocamento. Classicamente a propulsão em natação é reconhecida como o equilíbrio entre as forças propulsivas e resistivas, quando o objetivo é maximizar as primeiras ao mesmo tempo em que se procura minimizar as últimas. O sucesso deste empreendimento se baseia na compreensão da origem destas forças. Nesta perspectiva, este capítulo fará uma breve revisão das principais forças no meio líquido, suas influências no gesto aquático e, a partir desses conceitos, sugerir atividades que proporcionem vivências no meio aquático adequadas à compreensão prática dessas forças, o que deverá possibilitar um aprendizado mais dinâmico e completo das atividades aquáticas.
Em uma abordagem inicial, as forças que atuam em um corpo imerso no meio líquido podem ser divididas em dois grandes grupos:
o Forças estáticas o Forças dinâmicas
As “forças estáticas” são aquelas que, para agirem sobre o corpo, basta que este esteja imerso, total ou mesmo parcialmente, enquanto as “forças dinâmicas” somente atuarão quando houver movimento relativo entre o corpo e a água.
A principal força estática é o empuxo, que tem sua magnitude associada à quantidade de volume do corpo que estiver submersa. Esta força está baseada na diferença de pressão existente entre a parte “inferior” e a parte “superior” do corpo submerso. A Figura 1 ilustra esta situação.
Flávio Castro & Jefferson Loss 35 “gradiente de pressão”, maior na parte inferior, de forma a haver uma força resultante atuante no corpo apontada para cima. Esta força será proporcional à densidade do meio e ao volume do corpo submerso. Embora haja uma notável diferença nas densidades de meios semelhantes como o mar (água salgada) e a piscina, o volume do corpo submerso é o principal agente sobre a magnitude desta força. Desta forma, quando mais submerso está um corpo, maior será o empuxo. Não obstante, uma vez completamente imerso, o empuxo atinge seu máximo, não fazendo diferença na sua magnitude a profundidade da imersão.
Figura 1 – Desenho esquemático da pressão do meio líquido atuando sobre o corpo submerso, gerando a força de empuxo.
Flávio Castro & Jefferson Loss 36 aplicação da força seria na corda que une os balões ao corpo do indivíduo. No caso da força de empuxo, embora a direção e o sentido sejam bem definidos, o ponto de aplicação da força não o é. O empuxo age sobre “todo o corpo”, assim como a força peso.
Entretanto, da mesma forma que podemos muitas vezes considerar a força peso aplicada em um único ponto, o chamado centro de massa, também podemos considerar a força de empuxo aplicada em um único ponto, o centro de empuxo. Este ponto será no centro volumétrico do corpo. O considerado ponto de aplicação de força é importante para o entendimento do equilíbrio do corpo dentro d’água. Uma concordância do centro de empuxo com o centro de massa ajuda a manter o corpo em equilíbrio, em qualquer posição. Já uma diferença entre os pontos de aplicação de força irá gerar um torque, até que os pontos fiquem alinhados verticalmente. Do ponto de vista da natação, esta diferença pode obrigar o executante a um “esforço extra” para manter uma posição horizontal do corpo. A Figura 2 ilustra esta situação, onde existe uma tendência de torque girando o corpo do nadador de forma que seu hemicorpo inferior afunde.
Flávio Castro & Jefferson Loss 37 Aplicações
Durante a iniciação no meio aquático, normalmente relacionada ao aprendizado posterior das técnicas específicas da natação, o aprendizado da flutuação, sob diversas posições do corpo (horizontal: decúbitos ventral, dorsal, lateral; vertical; sentado; grupado; trocando posições) é um momento-chave. Assim, limitar ao aluno a experiência da flutuação apenas em piscina rasa, onde tenha pé e em poucas posições “permitidas”, é desprezar a possibilidade da melhor compreensão do empuxo e de seus efeitos sobre o corpo. Piscinas que apresentam um trecho onde os alunos não tenham pé oferecem inúmeras possibilidades para os próprios alunos testarem seus corpos sob efeito do empuxo, em posições horizontais, vertical, sentado, grupado e trocando de posição. Evidente que questões relacionadas à composição corporal, levando a maiores ou menores densidades corporais devem ser levadas em consideração quando das experiências de flutuação. Mas seria mais uma forma de compreender a flutuação de modo prático.
Flávio Castro & Jefferson Loss 38 deve procurar manter seu corpo completamente submerso até iniciar o movimento propulsivo dos membros superiores. Ao não proceder desta forma, “romperá a superfície da água”, e conseqüentemente a tensão superficial, e parte da energia será utilizada para esta tarefa, diminuindo a velocidade do deslocamento.
As forças dinâmicas podem, por sua vez, ser divididas conforme a direção de atuação. Quando atuantes em sentido contrário ao movimento, são classificadas em arrasto, quando as forças atuarem perpendicularmente à direção de propagação são denominadas de sustentação. As forças de arrasto podem ser subdivididas em dois subgrupos: arrasto de forma e arrasto de superfície.
As forças de arrasto surgem da movimentação e do contato das moléculas de água próximas ao corpo com a superfície deste corpo, talvez por isso sejam popularmente conhecidas como “forças de atrito com a água”. Na verdade, em biomecânica utiliza-se o termo atrito para se referir à “fricção entre dois corpos”, mas apenas quando ambos forem sólidos. Quando os corpos não forem sólidos, por exemplo, “a fricção das moléculas de água entre si” (neste caso “os corpos” seriam “as moléculas”), a designação muda para “viscosidade”, e quando se tem a “fricção de um corpo sólido com um fluído” fala-se em “arrasto”. Esta força, tendo sua origem na interação entre o corpo e as moléculas de água, será justamente um somatório dos efeitos causados sobre as moléculas de água próximas ao corpo. As moléculas de água paradas tenderão a continuar no seu estado de repouso, conforme a primeira lei de Newton1, quando o corpo do nadador se movimentar na piscina. Entretanto, algumas moléculas que entrarem em contato direto com este corpo, serão “arrastadas” juntamente com ele, e por sua vez, irão afetar outras moléculas próximas que também irão se movimentar. Para movimentar estas moléculas o corpo fará uma pequena força sobre cada um destas moléculas e conseqüentemente uma força de reação2 atuará sobre o corpo. O somatório das forças de reação irá compor a força de arrasto de superfície. A Figura 3 ilustra esta situação em um desenho esquemático microscópico.
Quando o fluxo é laminar, ou seja, quando as moléculas de água deslizam umas sobre as outras como que em camadas, esta força de arrasto tem uma direção resultante
1 Lei da Inércia: um corpo parado tende a permanecer parado e um corpo em movimento tende a permanecer
em movimento retilíneo e uniforme, a menos que uma força atue sobre este corpo.
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Flávio Castro & Jefferson Loss 39 diferente na parte anterior do corpo em relação à parte posterior. Na Figura 3 é possível visualizar que as moléculas da parte posterior do corpo são como que “puxadas” pelo corpo que passa. Como conseqüência haverá um empurrão destas moléculas sobre o corpo, na direção da propagação do movimento, e a força de arrasto total será uma diferença entre o arrasto na parte anterior e o arrasto na parte posterior. Já quando o fluxo é turbulento, ou seja, quando as moléculas de água movimentam-se caoticamente em todas as direções, a força de arrasto na parte posterior do corpo tende a diminuir, aumentando desta forma o arrasto total do corpo da direção de propagação do movimento.
Figura 3 – Desenho esquemático da força de interação entre o corpo em as moléculas próximas a sua superfície.
Flávio Castro & Jefferson Loss 40 direção do vetor velocidade também resulta em uma aceleração, e conseqüentemente em uma força associada, e neste caso, atribuiremos esta mudança do vetor velocidade das moléculas à força de “arrasto de forma”. Assim, um corpo com superfícies arredondadas e curvas suaves fará com que as moléculas de água pelas quais ele cruza mudem menos bruscamente sua direção do que um corpo quadrado com ângulos retos. É claro que um nadador não apresenta um formato “quadrado” do corpo, mesmo assim pode-se diminuir o arrasto de forma adotando uma posição mais “hidrodinâmica”. Um bom exemplo é a impulsão na borda após a virada. Quando o nadador adota uma posição “mais afunilada”, alongando bem os braços com a cabeça bem alinhada com o resto do corpo, o arrasto de forma será perceptivelmente menor do que se a cabeça for “erguida” para cima da região dos ombros.
Em qualquer dos casos, arrasto de forma ou arrasto de superfície, a força de arrasto pode ser calculada segundo a equação (1):
2 Av c F (1) onde: F – força de arrasto c – coeficiente de arrasto - densidade da água
A – área da seção transversa do corpo
v – velocidade relativa entre o corpo e a água
Flávio Castro & Jefferson Loss 41 de manipulação é a área frontal do corpo. Esta variável está intimamente relacionada à técnica. Quanto melhor a técnica, menor será a área de seção transversa do nadador e conseqüente menor a força de arrasto e melhor o rendimento.
Aplicações
Nas etapas iniciais do aprendizado (mas que pode se perpetuar ao longo da prática como exercício voltado à sensibilidade do nadador em relação ao meio líquido), pode-se buscar a compreensão prática da tensão superficial e do arrasto de forma a partir de seus efeitos sobre o corpo em deslocamento. Exercícios de impulsão de borda e com variação da posição do corpo em relação à superfície da água e variação das posições da cabeça, dos membros superiores e dos membros inferiores são capazes de prover ao aluno ou atleta diferentes sensações relacionadas aos efeitos dessas forças.
Todo atleta de natação sabe, pelo menos de maneira prática, que a posição de menor resistência ao avanço é aquela descrita anteriormente, mas um aprendiz, possivelmente, assumirá essa posição mais facilmente se reconhecê-la como realmente a melhor. Assim pode-se sugerir a posição de “deslize” com variação da (1) da profundidade em que o corpo irá deslizar: na superfície, cortando a superfície da água, ou logo abaixo, onde todas as partes do corpo ficam imersas durante o “deslize”, sem cortar a superfície da água; (2) posição da cabeça: alta, com olhos fora da água; baixa, com queixo no peito; ideal, cabeça protegida entre os braços, outras posições criativas, posição dita ideal; (3) posição dos membros superiores: diferentes ângulos de abdução dos ombros, diferentes ângulos de abdução dos ombros e variação da posição dos cotovelos; diferentes posições de flexão dos ombros (membros superiores mais submersos em relação ao tronco); outras posições criativas, posição dita ideal; e (4) posição dos membros inferiores: em abdução e/ou flexão de quadril, flexão de joelhso, flexão dorsal tornozelos, posição dita ideal, outras posições criativas.
Flávio Castro & Jefferson Loss 42 encontram mais na superfície da água. Aproveitando esse comportamento do meio líquido, exercícios com rápidas mudanças de direção do nado, na borda ou não, podem propiciar diferentes sensações corporais ao se deslocar em meio a fluxo laminar e em meio a fluxo turbulento. Com o mesmo objetivo, mas com execução divergente, deslocamentos caminhando, em piscinas rasas, de frente e de costas, podem mostrar ao aluno as diferenças de fluxo, laminar á frente e turbulento atrás. De maneira complementar, a utilização de um pequeno implemento flutuador, como uma bolinha de “ping-pong”, junto ao corpo do aluno/nadador, imediatamente atrás dele, independente se caminhando de costas ou de frente, mostrará ao mesmo o fluxo turbulento produzido pelo seu corpo. O deslocamento das moléculas de água na mesma direção do corpo que caminha ficará explicitada pelo deslocamento da bolinha (que “persegue” o corpo).
Outra importante força que surge quando há movimento relativo entre o corpo e o fluído é a “força de sustentação”. Apesar do nome “sugerir” esta força não tem sua direção de aplicação necessariamente no sentido de “sustentar” o corpo, ou seja, não é uma força que age exclusivamente “de baixo para cima”. Esta força pode agir em qualquer direção, dependendo do movimento do corpo no fluído. A direção de atuação da força será perpendicular à direção de propagação. A origem desta força pode ser entendida a partir do “Princípio de Bernoulli” que admite que, quando moléculas de água que estavam juntas antes de um corpo as separar, voltarão a se juntar novamente após a passagem do corpo. Esquematicamente, esta idéia pode ser visualizada na Figura 4.
Flávio Castro & Jefferson Loss 43 Figura 4 – Princípio de Bernoulli, força de sustentação.
A força de sustentação também pode estar presente mesmo quando o corpo não apresenta características assimétricas, basta que o corpo não esteja alinhado com a direção de propagação. Neste caso, a diferença de pressão entre a parte “anterior” do corpo (aquela que encontra se choca com a água em primeira instância) e a parte “posterior” do corpo (aquela onde a água chega depois de deslizar pelo corpo) será responsável pelo surgimento da força de sustentação. Similarmente ao arrasto, a força de sustentação é diretamente proporcional à área e ao quadrado da velocidade. De modo simplificado, as camadas de água que passam pelo corpo apresentam diferentes velocidades de deslocamento, devido às diferentes formas das superfícies corporais (as moléculas de água deverão percorrer diferentes distâncias em um mesmo tempo), essas diferenças de velocidades acabam por gerar diferentes pressões (água que passa mais lentamente, gera uma maior pressão), determinantes para a a produção da força de sustentação. Em relação à mão de um nadador, haverá fluxo de água em mais baixa velocidade na sua palma quando comparada a seu dorso, consequentemente, uma maior pressão na palma em comparação ao dorso.
Flávio Castro & Jefferson Loss 44 atuando as forças de arrasto e sustentação. Como são forças que dependem do quadrado da velocidade, aqueles pontos do braço que apresentarem maior velocidade estarão sujeitos a maiores forças. Desta forma, a parte mais distal do braço, ou seja, a mão, é aquela porção que recebe os maiores esforços. Neste sentido sua forma e orientação serão fundamentais para um bom aproveitamento das forças que derivam do movimento relativo com a água. Mantendo uma leve curvatura dos dedos e da palma da mão como um todo, com que dando a mão um formato de “concha”, estaremos aumentando a assimetria do corpo, contribuindo para uma maior força de sustentação. Por outro lado, estaríamos reduzindo a área da palma da mão, o que reduziria simultaneamente a força de arrasto propulsivo e a própria força de sustentação. O posicionamento da mão, basicamente dado pelo ângulo de prono-supinação, associado ao seu posicionamento em relação ao corpo, oriundo das angulações do cotovelo e ombro, irá fazer com que a “força resultante” entre a sustentação e o arrasto seja em uma direção mais ou menos favorável ao deslocamento do nadador, afetando diretamente sua performance.
Flávio Castro & Jefferson Loss 45 Como não é possível avaliar de forma segura a magnitude da força de arrasto comparativamente a força de sustentação, um ângulo de 45 graus não necessariamente será o ideal. O gesto técnico, de qualquer estilo na natação, é muito mais complexo, mas é possível entender que haverá um ângulo ótimo de posicionamento e movimentação da mão de forma a tornar o resultado das forças dinâmicas o mais eficiente possível.
Aplicações
Uma forma além da natação técnica, formal, baseada apenas nos movimentos dos quatro nados competitivos, para uma melhor compreensão e aplicação dos princípios biomecânicos da locomoção no meio aquático, aqui descritos, é o exercício de palmateio. Movimento básico para a locomoção do nado sincronizado, utilizado no pólo aquático também, seus movimentos em forma de “oito” exibem e dependem da força em direções perpendiculares a superfície. Tanto os palmateios de sustentação, quanto os de propulsão, parecem ser exercícios que provocam uma propulsão mais eficiente pelo aluno/atleta de natação.
De modo prático, professores e treinadores de natação vêm, ultimamente, utilizando essas técnicas importadas do nado sincronizado, a fim de desenvolver o “feel for the water”, ou a sensibilidade do indivíduo em relação à água. Isso nada mais seria do que a busca e o treino de movimentos propulsivos baseados na força de sustentação. Com certeza um palmateio mais técnico, executado por atletas de nado sincronizado, demanda muito tempo de treino para sua execução, por outro lado, nada impede que iniciantes em natação sejam estimulados a executar, pelo menos, ou inicialmente, palmateios de sustentação, explorando, também, diferentes posições do corpo para tal. Nada garante, ainda, que tais exercícios possam, realmente, permitir uma melhor técnica futura de nado, mas, ao mesmo tempo, nada garante que esses alunos que conseguem se sustentar e deslocar no meio aquático, com movimentos além daqueles da natação técnica, de cunho desportivo, se tornarão piores nadadores.
