Tần số quạt tay so với quãng đường mỗi sải tay trong bơi trườn sấp

Trong bơi trườn sấp (bơi sải), vận tốc ($v$) là tích số trực tiếp giữa tần số quạt tay (SF, stroke frequency hoặc stroke rate) và chiều dài sải tay (SL, stroke length hay quãng đường mỗi sải tay): $v=\text{SF}\times \text{SL}$ [7]. Xét từ góc độ năng lượng ($v={\dot{E}}_{\text{tot}}/C$, trong đó ${\dot{E}}_{\text{tot}}$ là tổng công suất đầu vào và $C$ là chi phí năng lượng), việc tăng vận tốc thông qua chiều dài sải tay dài hơn chỉ làm tăng rất ít chi phí năng lượng di chuyển, trong khi tăng vận tốc bằng cách nâng cao tần số quạt tay lại dẫn đến chi phí năng lượng lớn hơn đáng kể [1, 2]. Tuy nhiên, việc cố gắng tối đa hóa tần số quạt tay vượt quá khả năng cơ học của cá nhân sẽ khiến cơ học tạo lực đẩy và hướng bàn tay bị phá vỡ, làm triệt tiêu các lợi ích về hiệu suất [12].

Năng lượng học của chiều dài sải tay và hiệu suất

Hiệu suất bơi thường được đánh giá bằng chỉ số sải tay (stroke index, $\text{SI}=\text{SL}\times v$) và hiệu suất tạo lực đẩy của sải tay (arm stroke propelling efficiency, ${\eta }_p$), vốn định lượng lượng cơ năng đóng góp trực tiếp vào chuyển động về phía trước [7, 17]. Ở các vận động viên bơi lội trẻ thi đấu trong các lượt bơi thử trườn sấp 400 m, chỉ số sải tay tương quan chặt chẽ với hiệu suất tạo lực đẩy ($R=0,74$ ở nam, $R=0,83$ ở nữ) [17]. Những người bơi duy trì được chiều dài sải tay dài hơn sẽ đạt được vận tốc nhất định ở tần số quạt tay thấp hơn, giúp tiết kiệm năng lượng chuyển hóa [7].

Các hoạt động của chi trên tạo ra khoảng 90% vận tốc bơi trườn sấp, trong khi các đòn đạp chân của chi dưới đóng góp 10% còn lại [1, 2]. Mô hình hóa đa cấp chỉ ra rằng vận tốc được dự đoán bởi chiều cao, thời gian quạt tay dưới nước và lực đẩy trung bình của chi thuận [1]. Về mặt cơ sinh học, diện tích bề mặt bàn tay lớn hơn, độ rộng bàn tay lớn hơn và các chi dài hơn cho phép người bơi tác dụng lực đẩy cao hơn và thực hiện ít chu kỳ tay hơn trên một quãng đường nhất định [7]. Hơn nữa, khối lượng cơ nạc lớn hơn giúp duy trì lực đẩy trên mỗi chu kỳ và duy trì chỉ số sải tay khi mệt mỏi, trong khi khối lượng mỡ và độ dày nếp gấp da cao hơn làm tăng diện tích mặt cắt ngang cản nước phía trước và lực cản chủ động [7].

Phân bổ lực đẩy trong bơi trườn sấp:
┌───────────────────────────────────────────────┬─────────┐
│ Chi trên (~90% vận tốc tiến về trước)         │ Chân    │
│ Nguồn tạo lực đẩy chính; quyết định SL và SI  │ (~10%)  │
└───────────────────────────────────────────────┴─────────┘

Cơ học thân dưới cũng ảnh hưởng đến quãng đường mỗi sải tay. Các mô hình mô phỏng cho thấy kiểu đập chân 6 nhịp tiêu chuẩn cung cấp 20% đến 30% tổng lực đẩy và 20% hiệu suất tạo lực đẩy chủ yếu bằng cách nâng cao hông và chân, tăng cường thăng bằng và ổn định chuyển động xoay thân trục [4]. Nếu không có sự ổn định đủ từ cú đập chân, độ nghiêng chúc xuống của chân sẽ làm tăng diện tích bề mặt phía trước và lực cản áp suất, làm tăng chi phí năng lượng khi bơi—một tác động được giảm thiểu phần nào nhờ tỷ lệ bàn chân so với cẳng chân cao hơn [7]. Trong thử nghiệm bơi trườn sấp 100 m, số lượng đập chân tương quan thuận với chiều dài sải tay ($r=0,96,p=0,05$) và tương quan nghịch với tần số quạt tay ($r=-0,03,p<0,05$) [4].

Yêu cầu bơi nước rút so với bơi đường dài và các tổ hợp tối ưu

Trong các đánh giá bơi nước rút ở vận động viên bơi lội trẻ, các tổ hợp tối ưu cho nội dung 25 m tự do được xác định là SF 0,80 Hz với SL 2,20 m (vận tốc: 1,75 m/s) đối với nam, và SF 0,80 Hz với SL 1,90 m (vận tốc: 1,56 m/s) đối với nữ [1]. Phân tích ANOVA hai yếu tố chứng minh rằng hiệu ứng tương tác giữa chiều dài sải tay và tần số quạt tay lên vận tốc bơi có ý nghĩa thống kê ở nữ giới ($F=8,00,p=0,001,{\eta }^2=0,05$), nhưng không đạt mức ý nghĩa thống kê ở nam giới ($F=1,60,p=0,172,{\eta }^2=0,04$) [1].

Sự phụ thuộc vào chiều dài sải tay so với tần số quạt tay có sự thay đổi giữa các cự ly thi đấu. Phân tích ước lượng mật độ hạt nhân 2D trên 324 vận động viên bơi lội ưu tú tại Giải vô địch bể ngắn châu Âu 2019 tiết lộ rằng chiều dài sải tay có mối tương quan mạnh nhất với tốc độ trong cự ly nước rút 50 m (nam: $\rho =0,57$; nữ: $\rho =0,50$), với các tương quan không đáng kể đối với tần số quạt tay [10]. Ngược lại, trong các nội dung đường dài, tương quan của tần số quạt tay mạnh lên (1.500 m nam: $\rho =0,37$; 800 m nữ: $\rho =0,45$) trong khi tương quan của chiều dài sải tay lại suy yếu [10].

Trong các nội dung bơi tự do nước rút 50 m hết sức, các vận động viên bơi lội ưu tú áp dụng chiến thuật phân phối tốc độ dương (positive pacing strategy), trong đó vận tốc bơi giảm dần trong suốt cuộc đua; sự giảm tốc này được đặc trưng bởi sự suy giảm tần số quạt tay song hành với sự gia tăng chiều dài sải tay [2]. Trong điều kiện cường độ cực hạn, những người bơi có tốc độ cao hơn duy trì hiệu suất tạo lực đẩy, công suất cơ học và tần số quạt tay lớn hơn so với các đối thủ có tốc độ thấp hơn [8].

Động học nước rút so với đường dài (Bể ngắn ưu tú):
┌───────────────┬───────────────────────────┬───────────────────────────┐
│ Chỉ số        │ Nước rút (50 m Tự do)     │ Đường dài (800/1.500 m)   │
├───────────────┼───────────────────────────┼───────────────────────────┤
│ Chiều dài     │ Yếu tố dự báo tốc độ      │ Tương quan yếu hơn        │
│ sải tay       │ mạnh nhất (nam ρ=0,57,    │                           │
│               │ nữ ρ=0,50)                │                           │
│ Tần số        │ Tương quan không đáng kể  │ Yếu tố dự báo tốc độ      │
│ quạt tay      │ với tốc độ                │ mạnh hơn (nam ρ=0,37,     │
│               │                           │ nữ ρ=0,45)                │
└───────────────┴───────────────────────────┴───────────────────────────┘

Phối hợp tay và giới hạn của tần số quạt tay

Các kiểu phối hợp tay được phân loại bằng Chỉ số Phối hợp (Index of Coordination - IdC) thành bắt kịp (catch-up, IdC < 0%, có khoảng trễ giữa các pha tạo lực đẩy), đối lập (opposition, IdC = 0%, một tay bắt đầu kéo đúng thời điểm tay kia kết thúc), và gối đầu (superposition, IdC > 0%, các pha tạo lực đẩy gối lên nhau) [11, 12]. Các vận động viên bơi đường dài và ba môn phối hợp thường duy trì phối hợp kiểu bắt kịp để nhấn mạnh vào pha lướt nước và giảm thiểu lực cản chủ động [11].

Khi tần số quạt tay tăng từ 35 lên 55 chu kỳ/phút, người bơi chuyển dần từ kiểu bắt kịp sang kiểu gối đầu [12]. Những người bơi chuyên nghiệp duy trì kiểu bắt kịp lên đến 45 chu kỳ/phút (IdC = -10,4%) trước khi chuyển mạnh sang kiểu gối đầu khi vượt quá 50 chu kỳ/phút (đạt IdC = 0,5% ở mức 55 chu kỳ/phút, so với -1,5% ở người không chuyên) [12]. Mô hình hóa bằng số cho thấy việc căn chỉnh các đỉnh lực đẩy trùng nhau giúp giảm tổng thời gian bơi nhưng làm tăng đáng kể mức tiêu hao năng lượng, trong khi việc so le các đỉnh lực đẩy giúp tiết kiệm năng lượng chuyển hóa nhưng phải đánh đổi bằng tốc độ tối đa [5].

Việc cố gắng tăng tần số quạt tay vượt quá giới hạn kỹ thuật của cá nhân dẫn đến sự suy sụp về cơ học. Việc ép các vận động viên bơi nước rút tự do bơi ở mức 120% tần số quạt tay tối đa khiến góc tấn công trong pha đẩy nước bị sụp đổ gần 26%, đi kèm với sự suy giảm áp lực lòng bàn tay và lực đẩy ròng [12]. Tương tự, khi tần số quạt tay bị ép cao hơn nhịp độ đường dài ưa thích của vận động viên (ví dụ: SR + 3 hoặc SR + 6 chu kỳ/phút), người bơi cho thấy chi phí giật cơ (jerk cost) tăng lên, mức tiêu hao năng lượng tăng cao và mất đi tính hiệu quả của tần số quạt tay [11].

Tạo lực và sự cân bằng hai bên

Việc duy trì quãng đường mỗi sải tay ở vận tốc cao phụ thuộc vào lực phát ra đặc thù dưới nước thay vì sức mạnh cơ bắp cô lập trên cạn. Lực đẩy đỉnh trong bài kiểm tra bơi trườn sấp tối đa có dây giữ cố định trong 15 giây tương quan đáng kể với thành tích thời gian bơi 200 m ($r=-0,55,p<0,05$), trong khi sức mạnh đẳng trường thân trên trên cạn không tương quan trực tiếp với thời gian thi đấu [15]. Lực đỉnh giữa bơi có dây giữ và các bài kiểm tra trên cạn có tương quan vừa phải ($r=0,58$ đến $0,63$), nhưng người bơi thường biểu hiện sự bất đối xứng lực giữa hai bên khoảng ~13% đối với lực đỉnh và ~15% đối với tốc độ phát triển lực [15]. Các vận động viên bơi lội ưu tú tạo nên sự khác biệt nhờ duy trì sự đối xứng lực hai bên chặt chẽ hơn (chênh lệch 13 N giữa hai bên so với 18 N ở nhóm vận động viên cận ưu tú), giúp duy trì tư thế sải tay thẳng trục và quãng đường mỗi sải tay khi mệt mỏi [15].