corso di fisica e biomeccanica

CORSO DI FISICA E BIOMECCANICA
DEGLI SPORT INVERNALI E DEL GHIACCIO
con applicazioni e misure sul campo
2^ anno – 2008/2009
Prof. Arrigo Canclini
Liceo Scientifico – Ski College G.W. Leibniz
1. Introduzione
“Non è necessario mentre si scia ricordare complicate relazioni matematiche come fa lo sciatore
nella figura accanto. Ma gli sciatori che conoscono qualcosa delle proprietà fisiche della neve, e
cercano di capire meglio perché e come sono possibili i movimenti nello sci, capiranno sempre di
più il piacere dello sport” (da “The Physic of skiing – 2^ ed. di D.Lind e S.P.Sanders – AIP Press).
La vocazione sportiva dell’Alta Valtellina è
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innegabilmente diffusa anche tra gli studenti
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delle scuole superiori tanto che, nei decenni,
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molti dei migliori atleti delle classiche discipline
aereodinamico
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invernali hanno frequentato, anche con ottimi
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risultati, i corsi presenti sul territorio.
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Per avvalorare ed aiutare lo studio delle singole
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discipline, di quelle scientifiche in particolare, si
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propone quindi un corso specifico di “fisica e
biomeccanica degli sport invernali” che possa
incontrare l’interesse di molti degli studenti-atleti che frequentano il Liceo o l’Istituto Tecnico.
L’obiettivo, come per gli autori del testo sopra citato, è renderli più consapevoli delle forze e delle
leggi fisiche che permettono loro di divertirsi e migliorare le prestazioni nel loro sport, nonché di
aiutarli nello studio delle materie scientifiche con un approccio diretto e vicino alla loro esperienza.
2. L’esperienza della prima annualità 2007/2008 e le prospettive
Chi ha partecipato al convegno di presentazione dei risultati del corso in oggetto tenutosi presso
l’istituto a fine giugno, ha potuto constatare direttamente come l’attività di ricerca, finalizzata ad
integrare lo studio delle materie scientifiche ha riscosso un discreto successo presso gli studenti che
si sono distinti anche nella produzione di elaborati e di ricerche di buona qualità. Un paio di tali
lavori sono state presentati anche alle commissioni degli ultimi esami di stato da parte di due
studenti candidati con lusinghieri riscontri.
Si ritiene pertanto che quantomeno gli scopi didattici previsti siano stati pienamente raggiunti da
questa prima esperienza di Laboratorio sul campo che ha coinvolto ed avvicinato alle problematiche
dello studio del movimento sportivo gli studenti, per altro già coinvolti nelle attività sportive legate
agli sport invernali e del ghiaccio.
In particolare si è rivelata determinante la possibilità di procedere ad alcune registrazioni tramite
VIDEO CAMERE, precedute da misurazioni di punti di riferimento disponibili sulla pista, dei gesti
dei migliori atleti impegnati nelle competizioni di Coppa del Mondo organizzate a Bormio e
S.Caterina dal 12 al 16 marzo. Altrettanto importante, anzi fondamentale, il complesso lavoro di
rielaborazione che si è tradotto nella creazione di modelli tridimensionali del movimento degli atleti
che hanno fornito e forniranno indicazioni cinematiche e dinamiche per svariate indagini.
A questi primi incoraggianti risultati, frutto dell’impegno e delle capacità dimostrate dal primo
nucleo di studenti interessati, si intende far seguire una più approfondita analisi dei dati, per altro
già in corso in questi mesi e che è già stata parzialmente utilizzati dai tecnici delle squadre nazionali
della FISI riunitisi di recente allo Stelvio.
Non si nasconde quindi l’ambizione di proseguire l’esperienza a partire già dall’inizio del nuovo
anno scolastico continuando sicuramente l’analisi dei dati già raccolti, ma integrandoli anche con
nuove misurazioni in condizioni più controllate con esperimenti ad hoc di parametri dinamici
(forze, pressioni, ecc.) e fisiologici (consumo di Ossigeno, frequenza cardiaca, ecc..). Per questo
scopo abbiamo anche già attivato alcune importanti collaborazioni con il Prof. Ing, Guido Baroni,
del dipartimento di bioingegneria del Politecnico di Milano, e con il Prof. Renzo Pozzo,
biomeccanico dell’Università di Udine.
Ci si prefigge inoltre di predisporre una nuova campagna di registrazione nel corso delle prove di
Coppa del Mondo di sci di fondo in programma nel febbraio 2009 sulla pista di Valdidentro,
nuovissimo ed interessante campo di gara per le competizioni di questo livello.
3. Scopi
Scopo del corso è definire e/o rafforzare la conoscenza delle grandezze fisiche e delle leggi
fondamentali che regolano il movimento di un sistema. Nella trattazione si forniranno altresì
informazioni sul metodo scientifico sperimentale, che ha portato alla determinazione delle varie
leggi di moto, ed è utilizzato per studiare il movimento di un qualsiasi sistema, quindi anche quello
di uno sciatore, pattinatore o sportivo in generale.
In questo particolare caso, e in tutti quelli in cui si studia il moto di un sistema vivente o di parti di
esso, il problema viene affrontato con i metodi sviluppati da un settore della scienza noto come
“biomeccanica”.
I contenuti teorici saranno, ove possibile, esplorati attraverso semplici esperimenti e misure in
laboratorio e sul campo.
4. Contenuti
Fondamenti di Meccanica e la dinamica del corpo umano
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Definizione di forza, braccio, momento
Leggi del moto di Newton
Proprietà Inerziali dei corpi
Spostamento, velocità, accelerazione
Dinamica dei corpi in moto
Lavoro ed energia
Condizioni di equilibrio e moto di un corpo umano
Parametri dei segmenti del corpo (massa, momenti di inerzia etc.)
Metodi di misura della cinematica e dinamica di un corpo e dei segmenti
Forze agenti su un corpo e loro possibile misura attraverso piattaforme di forza, celle di
carico, trasduttori, etc.
 Analisi tridimensionale della cinematica e cinetica del movimento
La fisica dello sci e degli sport di scivolamento
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Dinamica dello scivolamento in linea retta
Azioni dinamiche nelle manovre dello sci alpino
Il ruolo del campo di azione: neve/ghiaccio e le forze di attrito; le forze aerodinamiche
L’intervento degli arti al fine della progressione sugli sci/pattini
Metodi sperimentali di misura in biomeccanica
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Filosofia della ricerca
Statistica descrittiva: raccolta dati e campionamento, teoria degli errori, analisi attraverso
grafici e correlazioni
Metodi di analisi cinematica del movimento del corpo o delle parti
Metodi optoelettrometrici di analisi tridimensionale del movimento
Metodi di misura diretta ed indiretta delle forze
5. Metodi, studenti interessati e suddivisione temporale
La complessità degli argomenti trattati, nonché la necessità di confrontarsi con studenti della scuola
superiore non provvisti di basi matematiche sufficienti (soprattutto per il calcolo infinitesimale)
impone di proporre, su base volontaria, il corso a studenti che frequentino il triennio.
Le attività formative e laboratoriali dovrebbe interessare tutto l’anno scolastico per un complesso di
70 ore (35 ore nel periodo ottobre-gennaio + 35 ore febbraio-giugno).
Nella fase iniziale, al fine di fornire linguaggio e metodi base se pur elementari, un primo periodo di
15 ore sarà dedicato a fornire le basi teoriche (o a ribadirle) della meccanica newtoniana, senza
trascurare di riferirsi, ove possibile, ad esempi noti all’esperienza di sciatori o sportivi degli
studenti. In questa prima fase le lezioni saranno per lo più di tipo classico (o frontali) senza
trascurare l’ausilio di strumenti interattivi e multimediali.
Una seconda fase, dedicata soprattutto all’introduzione dei metodi di misura e della ricerca
sperimentale sarà effettuata direttamente sul campo ( a secco o innevato) al fine di mettere in
contato gli studenti con le problematiche della misura, degli errori, della descrizione e
documentazione. Al proposito saranno fondamentali gli interessi, le attitudini dei singoli studenti,
nonché uno stretto rapporto con i tecnici delle singole discipline che dovranno essere interessati e
coinvolti per coprogettare eventuali attività senza sconvolgere il normale lavoro di allenamento. Per
questa fase si ipotizza di utilizzare 20 ore (10 sul campo e 10 di analisi dei dati, anche quelli già
registrati nella passata annualità).
Nel secondo periodo (febbraio/giugno) il principale impegno sul campo sarà rivolto, per lo sci di
fondo, alla registrazione ed analisi delle gare di Coppa del Mondo del 13-14 febbraio di
Valdidentro. In seguito, così come per lo sci alpino con dati ottenuti in gare simulate, sono previsti
una serie di approfondimenti teorici e applicativi sia della “fisica dello sci” sugli argomenti ritenuti
più interessanti dagli studenti, sia delle attività svolte sul campo con la stesura di semplici relazioni
con l’analisi dei dati e, se possibile, un minimo di modellazione dei risultati. Per tali attività sono
previste complessivamente 35 ore.
Si prevede infine, nel corso dell’anno in data da concordare sottoforma di seminario, l’intervento
dei consulenti Prof. Ing, Guido Baroni, del dipartimento di bioingegneria del Politecnico di Milano,
e con il Prof. Renzo Pozzo, biomeccanico dell’Università di Udine.
redatto da Arrigo Canclini – Bormio settembre 2008