Las fuerzas de sustentación y arrastre son vectoriales porque tienen tanto dirección como magnitud. Ambas cualidades deben describirse de forma precisa para comprender su relación con la producción de las fuerzas propulsoras. No hay dificultades para determinar las direcciones de las fuerzas de sustentación y de arrastre que los nadadores producen durante varias fases de sus brazadas subacuáticas. Las fuerzas de arrastre se producen en la dirección opuesta al desplazamiento de las manos, y la fuerza de sustentación se ejerce en dirección perpendicular a la fuerza de arrastre. La dificultad reside en determinar la magnitud de estas dos fuerzas.
La magnitud de cada una se indica en la longitud de su respectivo vector. Si la fuerza de sustentación fuera la mayor de las dos, su vector se dibujaría proporcionalmente más largo en una medida que representase la diferencia entre el mismo y el vector de la fuerza de arrastre. Si la propulsión fuera predominantemente a causa de la fuerza de arrastre, el vector del arrastre sería el más largo. La figura 1.13 muestra gráficos de los vectores de (a) la propulsión predominantemente por sustentación y (b) la propulsión predominantemente por arrastre. Mi argumento es que la propulsión en la natación es predominantemente por arrastre. Creo que los buenos nadadores escogen intuitivamente las direcciones de brazada y los ángulos de ataque de las manos que maximizan la cantidad de fuerza de arrastre que pueden producir, y que al hacerlo utilizan los brazos y las manos como palas para empujar el agua hacia atrás.
Figura 1.13. Ejemplos de propulsión con la sustentación como fuerza dominante y de propulsión con el arrastre como fuerza dominante durante el movimiento ascendente en el estilo libre. La propulsión con la sustentación como fuerza dominante se ilustra con el vector en (a). La propulsión con el arrastre como fuerza dominante se ilustra con el vector en (b).
Existen varias razones que inducen a creer que los nadadores escogen combinaciones de trayectorias de brazada y ángulos de ataque que maximizan la contribución de las fuerzas de arrastre a la fuerza de propulsión que producen. Los grandes ángulos de ataque de las manos que utilizan durante la fase propulsora de la brazada es una. Los grandes ángulos de ataque producen más fuerzas de arrastre que fuerzas de sustentación. Varios estudios lo han demostrado suspendiendo modelos de escayola en canales de agua o desplazándolos por el agua con muchos ángulos de ataque diferentes. Los resultados de uno de estos estudios (Schleifhauf, 1979) se ilustran en la figura 1.14.
Schleifhauf suspendió un modelo de escayola de la mano de un nadador en un canal de agua y hacía fluir el agua con una velocidad constante de 2,13 m/s. Repitió el mismo procedimiento con 10 incrementos con la mano colocada en ángulos de ataque que variaban desde 0º hasta 90º. También colocó la mano con varias orientaciones diferentes – de manera que el agua fluía desde el lado del pulgar hasta el lado del meñique, desde el lado del meñique hasta el lado del pulgar, desde las yemas de los dedos hasta la muñeca y desde la muñeca hasta las yemas de los dedos– para simular todos los diferentes movimientos de la mano en la brazada. Estas diferentes orientaciones a la corriente de agua se denominan ángulos de orientación. El gráfico ilustrado en la figura 1.14 muestra los coeficientes medios de las fuerzas de sustentación y arrastre que se producían según el ángulo de orientación, para cada ángulo de ataque.
Es interesante destacar que los coeficientes de sustentación para la mano de escayola eran mayores que los de arrastre con ángulos de ataque de entre 10º y 30º. Las fuerzas de sustentación y arrastre eran casi iguales con un ángulo de ataque de 40º y los coeficientes de la fuerza de arrastre predominaban con ángulos mayores de ataque. Existen pruebas, que presentaré más adelante, que demuestran que la mayoría de los buenos nadadores, de los que se dispone de esta información, utilizan ángulos de ataque de las manos de entre 50º y 70º durante la fase propulsora de su brazada subacuática en por lo menos tres de los cuatro estilos competitivos. Braza es la única excepción posible, aunque creo que cuando se disponga de más datos encontraremos que la mayoría de los bracistas también utilizan grandes ángulos de ataque de las manos. Por lo tanto, los nadadores parecen escoger ángulos de ataque que maximizarán la producción de las fuerzas de arrastre en detrimento de las fuerzas de sustentación.
Figura 1.14. Coeficientes de sustentación y arrastre medidos con una mano de escayola suspendida en un canal de agua. Los coeficientes ilustrados son medias calculadas por ordenador para una gama completa de ángulos de orientación con una variedad de ángulos de ataque comprendidos entre 0º y 90º.
Adaptada de Schleihauf, 1979.
Otra razón que induce a creer que los nadadores intuitivamente maximizan las aportaciones de la fuerza de arrastre tiene que ver con el hecho de que los coeficientes pueden no ser la mejor manera de estimar las contribuciones relativas de las fuerzas de sustentación y arrastre a la propulsión. “Un alto coeficiente no significa necesariamente que se aplica una fuerza grande” (Bixler, 1999). Los coeficientes son, después de todo, sólo índices que expresan la capacidad hidrodinámica de un objeto para producir sustentación o minimizar el arrastre. Por esta razón, un análisis de las magnitudes reales de las fuerzas de sustentación y arrastre producidas con cada ángulo de ataque debería proporcionar una representación más precisa del papel de cada una en la propulsión del nadador. Tanto Cappaert (1992) y Berger et al., (1995) como Bixler (1999) presentaron las magnitudes de las fuerzas de sustentación y arrastre en tres estudios distintos. Sus resultados proporcionan una evidencia aún más convincente de que la fuerza de arrastre es la fuerza propulsora dominante en la natación humana.
Utilizando modelos de manos que fueron arrastrados por el agua con velocidades de entre 0,3 y 3 m/s, Berger, de Groot y Hollander mostraron que los valores absolutos para las fuerzas de arrastre producidas por los modelos de las manos eran superiores a las de las fuerzas de sustentación con un margen considerable en todos los ángulos de ataque. Los valores para las fuerzas de arrastre eran ligeramente más del doble de las de sustentación, incluso con ángulos de ataque de entre 20º y 40º, y las fuerzas de arrastre eran más del triple con mayores ángulos de ataque.
En el segundo estudio, Cappaert suspendió el modelo de una mano en un canal de nado con una variedad de ángulos de ataque e hizo fluir la corriente de agua a velocidades de 1, 1,5 y 2 m/s. No presentó los valores absolutos para las fuerzas de sustentación y arrastre con cada ángulo de ataque, sino que presentó el valor medio para cada fuerza en todos los ángulos de ataque. Sus resultados muestran que la fuerza media de arrastre era casi seis veces mayor que la fuerza de sustentación con los ángulos de ataque que midió (17,5 N para las fuerzas de arrastre comparado con 3,2 N para las fuerzas de sustentación).
Bixler también calculó las magnitudes reales de las fuerzas de sustentación y arrastre producidas por su modelo computerizado de la mano y el brazo con una serie de ángulos de ataque. Las fuerzas de arrastre fueron bastante superiores a las de sustentación y con una diferencia considerable en todos los ángulos de ataque cuando el lado del pulgar era el borde de ataque en un movimiento hacia dentro simulado. Las fuerzas de arrastre para la mano y el brazo combinados aumentaron desde aproximadamente 30 N hasta más de 60 N al aumentar el ángulo de