Biomechanical analysis of backstroke to breaststroke turns in age-group swimmers: An intervention study (The interplay between the kinematics, dynamometric, hydrodynamics and electromyography factors)

Abstract

Compreender a aquisição de experiência em habilidades de viragens na perspetiva de um jovem nadador em desenvolvimento, geralmente requer o desenvolvimento de uma relação e interação entre as características do movimento efetivo e o processo de ensino-aprendizagem. No entanto, poucas análises biomecânicas de viragens em nadadores de grupos de idade foram conduzidas para facilitar o diagnóstico biomecânico e a intervenção científica em técnicas de viragem nado costas para bruços. Os objetivos desta Tese foram: (1) identificar as características biomecânicas determinantes em cada uma das quatro diferentes técnicas de viragens de nado costas para bruços e (ii) investigar o efeito de 16 treinos de interferência contextuais sistemáticos de 40 minutos cada (quatro semanas), seguido de prática bloqueada, em série e aleatória sobre como facilitar e aprender as técnicas de viragem de nado de costas para nado bruços. Uma abordagem multidisciplinar, incluindo um sistema de captura de movimento, uma plataforma de força tri-axial subaquática personalizada, eletromiografia de superfície (EMG) e uma abordagem dinâmica inversa utilizando variáveis hidrodinâmicas, foi usada para atingir esse objetivo. Começamos (no primeiro estudo) identificando as principais características biomecânicas e determinantes das viragens open, somersault, bucket e crossover. O comportamento eletromiográfico (EMG) e as variáveis cinemáticas selecionadas das quatro técnicas de viragem foram comparadas no segundo estudo, com ênfase particular na eficácia de rotação e no empurrada da parede. O terceiro estudo comparou as características hidrodinâmicas e a estratégia de arrancamento relacionadas à eficácia fase de saída da viragem. O quarto estudo empregou os modelos de aprendizado de máquina linear e baseado em árvore para identificar os modelos altamente realistas de desempenho das viragens com base em variáveis temporais, cinemáticas e cinéticas abrangentes (incluindo hidrodinâmicas). Finalmente, vimos como um programa de intervenção de quatro semanas que ofereceu aumentos sistemáticos na interferência contextual permite que nadadores de grupos de idade melhorem as técnicas de viragens de nado de costas para nado bruços. Os resultados apontaram que um programa de intervenção de quatro semanas melhorou as técnicas de giro de nado de costas para peito de nadadores de grupos de idade. De acordo com os modelos lineares e não lineares previstos, o desempenho de torneamento otimizado foi alcançado por um compromisso e continuidade entre as fases de entrada e saída das viragens. A eficácia de virada foi diretamente influenciada pelas contribuições da velocidade de aproximação à parede e habilidades de rotação na melhoria da velocidade de rolamento e força de empurrão. A atividade eletromiográfica integrada de oito músculos foi semelhante em quatro variantes de rotação, o eretor da espinha e o gastrocnémio medial foram os mais ativados, com viragem crossover tendo os maiores valores de Iemg na rotação e empurre. Uma comparação de medidas cinéticas revela que a viragem bucket tem um pico de força mais alto, enquanto um impulso horizontal mais alto leva a uma velocidade de empurre mais alta na viragem crossover. A viragem somersault apresentou um deslizamento ligeiramente mais profundo, enquanto as características hidrodinâmicas e a estratégia de saída, como determinantes da eficácia da saída na viragem, não diferiram significativamente entre as quatro técnicas de viragem. PALAVRAS-CHAVE: NATACAO, FAIXAS ETARIA, BIOMECHANICA, VIRAGENSUnderstanding the acquisition of expertise in turning skills from the perspective of a developing young swimmer generally requires the development of a relationship and interaction between characteristics of effective movement and the teaching-learning process. However, few turning biomechanical analyses on age-group swimmers have been conducted to facilitate biomechanical diagnosis and scientific intervention in backstroke to breaststroke turning techniques. The objective of this Thesis were twofold: (i) to identify the biomechanical features that have the greatest influence in each of the four different backstroke to breaststroke turning techniques and (ii) to investigate the effect of four weeks and 16 systematically contextual interference training sessions of 40 minutes each, followed by blocked, serial, and random practice on facilitating learning of the backstroke to breaststroke turning techniques. A multidisciplinary approach, including a motion capture system, a customized underwater tri-axial force plate, surface electromyography (EMG) and an inverse dynamic approach utilizing hydrodynamic variables, was used to accomplish this goal. We began (in the first study) by identifying the key biomechanical features and determinants of open, somersault, bucket, and crossover turning performance. The electromyographic (EMG) behavior and selected kinematic variables of the four backstroke to breaststroke turning techniques were compared in the second study, with a particular emphasis on rotation and push-off efficacy. The third analysis compared the hydrodynamic characteristics and pull-out strategy related to turn out efficacy. The fourth study employed the linear and tree-based machine learning models to identify the highly realistic models of backstroke to breaststroke turn performance based on comprehensive temporal, kinematic, kinetic (including hydrodynamic) variables. Finally, we looked at how a four-week intervention program that offered systematic increases in contextual interference allows age-group swimmers to improve backstroke to breaststroke turning techniques. Results pointed out that a four-week intervention program improved age-group swimmers' backstroke to breaststroke turning techniques. According to the linear and nonlinear predicted models, optimized turning performance was achieved by a compromise and continuity between the turn-in and turn-out phases. Turn-in efficacy was directly influenced by the contributions of approaching velocity to the wall and rotating abilities in improving rolling velocity and pushing-off force. The integrated electromyographic activity of eight muscles was similar across four turning techniques. The erector spinae and gastrocnemius medialis were the most activated muscles, with the crossover turn having the highest rotation and push-off iEMG values. A comparison of kinetic measures reveals that the bucket turn has a higher peak force, while a higher horizontal impulse leads to higher push-off velocity in the crossover turn. The somersault has a slightly deeper gliding depth, while hydrodynamic characteristics and pull-out strategy, as determinants of turn-out efficacy, did not differ between turning techniques