Fisica dell’acqua

Il Principio di Archimede descrive le proprietà di galleggiamento nell’acqua. Quando una persona è in posizione eretta in acqua, è soggetto a due forze opposte: quella della gravità verso il basso e del galleggiamento verso l’alto; l’incidenza dell’una o dell’altra è data da quanto il corpo è sommerso: se è immerso fino al collo è maggiore la forza di galleggiamento e più difficile il controllo e l’allineamento verticale dei segmenti corporei; se al contrario si è immersi fino al petto, si sostiene circa il 25-35% del proprio peso corporeo, il che è sufficiente a rendere controllabili i movimenti effettuati. Il grado di galleggiamento, oltre che dalla profondità dell’acqua, è dato dalle dimensioni e dalla densità del corpo sommerso. Se il peso del corpo è inferiore al peso dell’acqua spostata, la persona galleggerà. Il galleggiamento offre molti benefici per l’allenamento in acqua; innanzi tutto diminuisce gli effetti della gravità, e il peso o compressione sulle articolazioni; molte persone che non possono allenarsi a terra sostenendo il proprio peso corporeo, possono farlo tranquillamente in acqua. Come la gravità incide sui movimenti sulla terra, così il galleggiamento lo fa in acqua. Qualsiasi movimento verso la superficie dell’acqua è facilitato dal galleggiamento, movimenti verso il fondo, sono ostacolati da esso. Gli effetti della facilitazione o della resistenza del galleggiamento, non sono evidenti e spesso mascherati dalla viscosità dell’acqua. La tendenza è di adoperare la resistenza dell’acqua anziché il galleggiamento, ma quando si utilizzano attrezzi, gravità e galleggiamento diventano più importanti e incidono maggiormente sull’esercizio, in base all’attrezzo che si adopera. Non possiamo a questo punto non considerare un’altra caratteristica dell’acqua, che seppur non ha incidenza per quel che riguarda l’intensità dell’allenamento, esercita una benefica influenza sugli altri organi del corpo. Secondo il “Principio di Archimede”riassumendo si potrà affermare che il peso del corpo umano immerso verticalmente risulta apparentemente ridotto al 95% del peso reale quando è immerso fino ai polpacci, all’80% quando l’acqua giunge a coprire la coscia, al 50% all’ombelico, al 20% nell’immersione fino alle ascelle, al 7% alla base del collo, fino al 3% in immersione totale.

Isaac Newton, fece delle ricerche sulle leggi della gravità e sul movimento; le forze che causano il movimento si possono analizzare con le tre leggi di Newton: Inerzia, Accelerazione e Azione/Reazione.

La Legge dell’inerzia afferma che: “un corpo in stato di quiete, tende a rimanere fermo, al contrario uno in movimento tende a continuare il suo moto uniforme, ad una velocità costante a meno che sia applicata una forza esterna”; nell’aria, lo sforzo muscolare dello spostamento in avanti o indietro di un arto, è dovuto maggiormente all’inerzia; nell’acqua all’effetto dell’inerzia vanno aggiunti altri effetti dovuti alla Viscosità.

Affinché il corpo passi dallo stato di riposo a quello di moto, serve trasformare energia; quando il corpo o parte di esso è in movimento su una linea retta ad una velocità costante, le maggiori richieste energetiche sono dovute all’attrito; verrà richiesta ancora più energia quando, si tenterà di cambiare direzione o di fermare il movimento del corpo. L’inerzia dell’intero corpo potrà contribuire all’ intensità dell’ allenamento se si aggiunge lo spostamento del corpo in acqua. Un altro modo di utilizzare l’inerzia è, ad esempio, eseguire vari passi in avanti, l’acqua si sposterà anch’ essa nella medesima direzione; se poi ci si muove nella direzione opposta, prima ci si dovrà fermare per poi indirizzare, nella direzione dello spostamento, la massa del corpo e quella dell’acqua. La combinazione di questi effetti aumenterà l’intensità del carico di lavoro. Nell’utilizzare la legge d’inerzia bisogna tener conto di un fattore importante: Il paziente deve essere in buone condizioni fisiche per poter seguire schemi più o meno complessi, che comportano cambi di movimento e di direzione. Dunque interpretare gli effetti di tale legge, aiuterà il terapista a personalizzare gli esercizi per ogni paziente (pur essendo affetti dalla medesima patologia), in modo che questi ultimi possano raggiungere gli effetti desiderati.

La Legge dell’Accelerazione invece, descrive la velocità con la quale un oggetto cambia direzione, o velocità quando è sottoposto all’azione di una forza. I movimenti esplosivi degli esercizi pliometrici dimostrano questa legge sulla terra. Inoltre si può dire che maggiore è la forza applicata, maggiore sarà lo spostamento dell’oggetto; se applichiamo una stessa forza a due oggetti di diverse dimensioni si sposterà di più quello di minore massa. Quindi, questo cambio di velocità, o di accelerazione, dipende dalla quantità di forza applicata o dalla massa dell’oggetto. La quantità di forza che un soggetto può esplicare, dipende dal diametro e forma del suo muscolo, numero e tipo di fibre, coordinazione, capacità nervosa. La sua massa è determinata dal suo peso corporeo; quindi una persona che risulti più pesante di un’altra, in relazione al rapporto tra la sua massa magra e la sua massa grassa, dovrà impiegare più forza per spostarsi; allo stesso modo, una persona più allenata potrà esplicare più forza di una che lo è meno. E’ importante tener presenti queste differenze, e come esse incidano sulle esecuzioni personali dei pazienti durante l’esercizio in acqua. In quest’ultimo, la legge dell’accelerazione, può essere utilizzata in due modi, per modificare l’intensità: esplicando più forza contro la resistenza dell’ acqua con gli arti inferiori e o superiori, o esplicando più forza contro il fondo della vasca per spingere il corpo fuori dall’acqua. Nel primo caso, esplicando più forza contro la resistenza dell’acqua si ottengono benefici per la tonicità muscolare dei gruppi muscolari agonisti dell’esercizio; nel secondo caso, esplicare più forza contro il fondo, comporta aumento in elevazione, o aumento della distanza coperta con ogni balzo; in entrambi i casi è richiesto un maggiore impegno e sforzo fisico. Per diminuire l’intensità dell’esercizio è sufficiente ridurre l’ampiezza di movimento, eseguire passi più piccoli o diminuire l’impatto con il fondo vasca.

La Terza Legge di Newton è una dichiarazione importante riguardante la forza. Newton scoprì che le forze si manifestano in coppia e chiamò questa: Coppia di forza Azione- Reazione. Nell’acqua, questa legge diventa evidente: se si spingono i piedi contro il fondo della vasca, la reazione è del sollevamento del corpo verso l’ alto; più forza si imprimerà all’azione, più forte sarà la reazione. Questo non è specifico dell’acqua, la stessa reazione accade a terra quando spingiamo con Quando si spostano le mani verso sinistra (azione), il corpo si sposta verso destra (reazione); questo ambiente comporta un maggior impegno quando si cerca di combinare movimenti delle braccia con le gambe. Movimenti delle braccia combinati con quelli delle gambe, possono facilitare o impedire lo spostamento verso la direzione desiderata: spingendo le braccia in avanti, quando si cammina in avanti nell’acqua rende lo spostamento più difficile e intenso, in quanto si crea più turbolenza e resistenza; quindi se le braccia lavorano in opposizione alle gambe, viene prodotta più turbolenza e resistenza e l’esercizio diventa più intenso; quando le braccia assistono le gambe nello spostamento o lavorano insieme in un esercizio sul posto, si forma meno turbolenza e resistenza e quindi il movimento è meno intenso. Bisogna considerare il livello d’efficienza fisica per adoperare la legge d’azione – reazione, perché il paziente deve possedere la forza e coordinazione per mantenere la corretta postura ed allineamento, fondamentali per combinare movimenti delle braccia e delle gambe. Modificare l’intensità dell’esercizio con queste varianti non compromette né l’ampiezza del movimento, né la sicurezza; l’ utilizzo delle leggi e delle caratteristiche dell’acqua fanno sì che tutti possano allenarsi in vasca, con esercizi a completa ampiezza di movimento in tutte le direzioni, promuovendo l’ equilibrio muscolare.

Un altro fattore che incide sull’intensità dell’allenamento in acqua è la Resistenza Frontale: questa è la risultante delle forze orizzontali dell’acqua. Le dimensioni della superficie frontale di un corpo in acqua determina il consumo energetico per il suo spostamento. La maggioranza delle imbarcazioni, sono a punta sulla prua, per poter tagliare l’acqua, creando meno turbolenza e attrito; questa superficie limitata permette lo spostamento più veloce ed un minor consumo energetico. Nell’attività fisica in acqua, una superficie frontale piccola nella direzione dello spostamento, faciliterà il movimento. Movimenti laterali del corpo, causano minor resistenza rispetto ai movimenti frontali. Per poter sfruttare il principio di resistenza frontale è comunque necessario uno spostamento del corpo. Oltre che le dimensioni di quest’ultimo, incidono, sull’intensità, la posizione degli arti che se aperti sul piano frontale aumenterebbero, ulteriormente, la superficie corporea con il risultato di una maggiore richiesta energetica per spostarsi; di conseguenza è maggiore l’intensità del movimento. Nell’acqua, la gravità non è la maggiore forza che agisce sul corpo, perché la spinta verso il basso, viene compensata dalla spinta verso l’alto (galleggiamento).

La Resistenza in acqua è determinata quindi da diversi parametri, tra i quali assume particolare importanza la velocità del corpo e quella del liquido in cui è immerso; per questo in assenza di velocità rilevante dell’acqua, un corpo o un arto che si muove lentamente, incontrerà una modesta resistenza (molto utile nelle fasi iniziali della riabilitazione); basterà aumentare di poco progressivamente la velocità, per incrementare la resistenza e l’impegno muscolare. La resistenza può essere aumentata secondo le necessità anche modificando la superficie frontale di spostamento, ricorrendo a strumenti opportuni quali pinne, manubri, tavolette, guanti palmati.

L’attrito è la forza che si genera muovendosi nell’acqua; questa forza è influenzata dalla superficie frontale dell’oggetto, dalla velocità dell’oggetto e dalla forma. La maggioranza dei muscoli produce movimenti attorno alle articolazioni che nell’acqua sono ostacolati da momenti di forza e dall’inerzia. I momenti sono il prodotto della forza e della distanza della forza dalle articolazioni, fulcri del movimento. Inoltre la velocità di un oggetto (ad esempio la mano) è in funzione della distanza dall’articolazione, fulcro del movimento. Questa combinazione di effetti si può illustrare nel fatto che l’attrito causato dalla mano, diventa di estrema importanza nel modificare l’intensità degli esercizi per i muscoli delle spalle e delle braccia. Quindi per l’attrito formato dalla mano il lavoro dei muscoli delle spalle, viene modificato, sia per il cambio di movimento della mano sia per la distanza della mano dalla spalla. L’attrito in relazione alla forma della mano è un altro effetto da prendere in considerazione; questo è dovuto sia alla superficie frontale che alla sua forma. Tutti si possono rendere conto quanto vari la resistenza nell’usare la mano a “lama” e “tagliare” l’acqua anziché usarla piatta. L’effetto della forma si può sentire facilmente usando la mano a “scodella”; la mano a scodella ha un più alto coefficiente d’attrito rispetto ad una mano piatta delle stesse dimensioni. La forza d’attrito aumenta circa del 40%. Le file di persone che camminano nell’acqua sono come i ciclisti: le persone dietro il primo della fila sentiranno meno attrito e lavoreranno meno. Se un gruppo di persone formano un cerchio e camminano tutti nella stessa direzione, l’acqua vicino al gruppo viene accelerata alla stessa velocità di spostamento. Quando il gruppo cambia direzione per la legge di inerzia l’acqua continuerà a spostarsi nella direzione originale, allora i pazienti dovranno esplicare più forza contro il fondo vasca e l’acqua per cambiare la direzione di quest’ultima. Si genererà ancora più il fenomeno della Turbolenza se i cerchi sono concentrici e con movimenti in direzioni opposte.

La Pressione Idrostatica, definita come la pressione esercitata dalle molecole di un liquido su di un corpo sommerso.

Secondo la Legge di Pascal, la pressione viene esercitata in ugual modo su tutte le superfici di un corpo a riposo sommerso ad una data profondità. Questa aumenta con la profondità e la densità dell’acqua; agisce sugli organi interni oltre che sulla superficie del corpo o sulla pelle. Può diminuire eventuali gonfiori specialmente negli arti inferiori che sono più in profondità. La pressione idrostatica si contrappone alla tendenza del sangue di rimanere negli arti inferiori facilitando l’afflusso venoso verso il cuore; aiuta i muscoli respiratori per la pressione esercitata sulla cavità toracica, anche se bisogna tener presente che persone con problemi al sistema respiratorio possono avere difficoltà in acqua proprio per la suddetta pressione.

La spinta idrostatica, che aumenta con la profondità, esercita un benefico effetto compressivo centripeto sul sistema vascolare, normalizzando la funzione circolatoria e riducendo eventuali edemi distali.

L’effetto termico dell’acqua, di solito mantenuta a temperatura costante di 31°-32°, determina un’azione decontratturante sulla muscolatura, nonché un’azione sedativa generale, una modesta vasodilatazione periferica con velocizzazione degli scambi metabolici e miglioramento del trofismo tessutale.