Che “fisico”! La fisica applicata allo sport

La fisica, quella materia a volte ostica e noiosa che insegnano nei licei, ha un ruolo fondamentale per capire meglio le azioni, le posture e i gesti compiuti mentre si fa sport. Infatti, dal nuoto alla battuta del tennis al sollevamento pesi, le leggi fisiche spiegano ciò che succede e aiutano a migliorare le prestazioni. 

Gli atleti e allenatori professionisti si avvalgono di consulenze fisiche per migliorare il fisico (scusate il gioco di parole!), ma anche gli atleti amatoriali possono imparare qualcosa di nuovo, o semplicemente sfoggiare la loro conoscenza negli spogliatoi!

Vediamo una veloce carrellata di leggi fisiche applicate alle discipline più disparate, per avere un assaggio della loro versatilità.

Azione e reazione

Forse qualcuna ricorderà le famose leggi di Newton studiate a scuola. A noi interessa la terza, detta di “azione e reazione”: un corpo che applica una forza su un altro, ne riceve una uguale e contraria. Cosa significa? Che, se spingo un mobile, il mobile spinge me, in senso uguale e contrario. Ecco una ragione per cui faccio fatica a spostare gli armadi. 

Il principio di azione e reazione, tra le altre cose, è quello che ci permette di saltare. Come funziona? Semplicemente, se diamo forza a terra, la Terra ci restituirà la stessa forza, indirizzata verso l’alto. Dato che la Terra pesa molto più di noi, non si sposta di una virgola, mentre il nostro corpo viene proiettato verso l’alto. 

Un salto fatto bene, quindi, non si fa “tirando su le gambe”: così facendo, i piedi si staccano da terra, ma il nostro corpo non si muove molto. Invece, salti potenti – e, aggiungo, meno faticosi da effettuare – si fanno dando forti “urti” al terreno, e mantenendo una buona rigidità articolare per non disperdere il “colpo” di ritorno. Nella pallavolo, ad esempio, un buon salto a schiacciare si fa con una bella rincorsa per accumulare energia, un impatto sonoro a terra per scaricarla verso il basso, e la fase di elevazione successiva. Lo stesso dicasi per il salto in alto, le schiacciate del basket o il salto alla corda: picchia a terra, sii reattiva.

Un’altra applicazione è la partenza coi blocchi nell’atletica. A saperli usare bene, danno una spinta ponente in avanti. Perché? Perché se l’atleta spinge forte sul blocco, questo lo spinge a sua volta. Dato che è ancorato a terra, è come se la Terra stessa spingesse l’atleta. Quindi la partenza ottimale non è trascinare avanti le ginocchia, ma spingere il blocco. La gamba parte in avanti come conseguenza della “reazione”.

Fluidodinamica: un trucchetto per nuotare meglio

Nuotare significa avanzare in un fluido denso e molesto – molto più dell’aria, per lo meno. Serve, quindi, generare una forza che ci spinga avanti, mentre la massa d’acqua tende a fermarci. Per nuotare meglio, ci sono quindi due aspetti da considerare: aumentare la forza che ci spinge, e diminuire la resistenza dell’acqua.

Per ottenere la seconda, occorre minimizzare l’area che “impatta” sul muro d’acqua: mantenere una postura quanto più orizzontale, “a freccia” possibile ci permette di fruttare al meglio le spinte. Quindi, fai anche attenzione alle gambe: se cascano verso il basso possono rovinare tutto il gioco!

Poi, come aumentare la forza verso l’avanti (di “trazione”)? Innanzitutto, muovendo in modo coordinato braccia e gambe, per far sì che la spinta sia coerente. Inoltre, per chi ama lo stile libero, c’è un trucchetto su come tenere le dita che può dare una mano.

Si sa che i nuotatori professionisti non tengono le dita della mano unite, ma per un bel po’ di tempo si è pensato che fosse più un vezzo, o una comodità. Invece, studi recenti di fluidodinamica (la scienza che studia il moto dei liquidi) hanno appurato che ha un effetto positivo sulla forza di trazione. Infatti, l’acqua che scorre tra le dita leggermente aperte crea turbolenza (piccoli mulinelli), che crea una maggiore spinta. In pratica, è come se la mano fosse leggermente più ampia, riuscisse a spostare più acqua e spingesse di più. 

Idealmente, mentre si nuota a stile libero, le dita andrebbero quindi tenute leggermente separate, a circa 12 gradi: più o meno la distanza che tengono quando lasciamo la mano completamente a riposo (leggermente di più, in realtà). Se tenute così, aumentano la performance fino all’8-10%. Provare per credere!

Termodinamica e alimentazione sportiva

Perché, quando si parla di alimentazione, si menzionano sempre le calorie? Cosa sono, in realtà, e cosa c’entrano con lo sport?

Originariamente, la caloria è un’unità di energia. L’energia è tutto ciò che ci permette di compiere lavoro e modificare il mondo che ci circonda. Il calore è una forma di energia; per spostare una palla da terra a sopra la testa serve energia, eccetera. I legami chimici contenuti nelle molecole “contengono” energia, nel senso che, quando vengono spezzati, la liberano e la rendono disponibile per fare altro. In particolare, la termodinamica è la scienza che studia come questa “quantità latente di energia”, contenuta nei composti chimici, può liberare calore e generare lavoro utile. En passant, è grazie a questa banca della fisica che sono stati sviluppati i motori, perché si è capito come bruciare combustibili, che generano calore, e imbrigliarli per fa fare lavoro, come spostare un carico o un’automobile.

Finalmente arriviamo agli alimenti e allo sport. Semplificando al massimo, nelle nostre cellule esistono “motori”, che prendono un nutriente, lo spacchettano ricavandone energia, e utilizzandola per far lavorare le cellule muscolari, nervose eccetera. In estrema sintesi, siamo una macchina termodinamica, che assume energia chimica sottoforma di alimenti, la converte in energia “spiccia” usata dai muscoli e produce lavoro.

Le calorie alimentari, quindi, misurano quanta energia è, potenzialmente, contenuta in ciò che mangiamo. Per far funzionare il “motore”, il carburante non può mancare: bisogna quindi assumere un quantitativo adeguato di calorie per andare avanti, soprattutto per fare sport dove se ne bruciano parecchie. Tra i nutrienti principali, l’energia “spiccia” è data dai carboidrati, mentre proteine e grassi hanno innanzitutto una funzione strutturale (creano le strutture portanti delle cellule) e di riserva (“accumulano” l’energia in avanzo). Proprio quest’ultima funzione è quella temuta da chi ha paura di ingrassare: se si assume più energia di quanta se ne consuma (ossia, si mangiano più calorie di quante se ne bruciano) questa non scompare nel nulla. Termodinamica: l’energia non si crea né si distrugge. Al contrario, viene spesso accumulata per “il futuro”, di solito sottoforma di grasso. Se si continua ad assumere più di quanto si consuma, si ingrassa. Nella stessa misura, per dimagrire occorre consumare più di quanto si assimila, senza demonizzare specifici alimenti ma mantenendo un deficit energetico.

Una nota: quanto detto vale per chi ha un metabolismo non alterato. Esistono patologie che, a causa di meccanismi che alterano l’efficienza energetica delle cellule e dei processi metabolici, modificano questi schemi semplici e necessitano di studi  più approfonditi.

Due parole in conclusione

Abbiamo visto che le leggi della fisica – nelle sue varie banche e declinazioni – spiegano i processi sportivi e aiutano a ottimizzarli. Quelli presentati qui sono tre singoli esempi, ma se ne possono trovare moltissimi altri. Molto probabilmente, ne parleremo in qualche altro articolo futuro!

Bibliografia 

[1] Minetti, Alberto E., Georgios Machtsiras, and Jonathan C. Masters. “The optimum finger spacing in human swimming.” Journal of biomechanics 42.13 (2009): 2188-2190.

[2] Arasa Cid, Caterina, “The physics of sport”, Elsevier Connect (2016)

[3] Mazzoldi P., Nigro M., Voci C., “Fisica”, Edides (1998) 

[4] Feinman, Richard D., and Eugene J. Fine. “” A calorie is a calorie” violates the second law of thermodynamics.” Nutrition journal 3.1 (2004): 1-5.

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