Energetics, kinematics and active drag in the breaststroke swimming technique

• Type: Thesis
• Date: 2025-12-03

Authors

Miriam Natacha Rodrigues Alves (Author) FADEUP

Thesis

Energetics, kinematics and active drag in the breaststroke swimming technique

Doctorate

Thesis

Scientific classification

FOS: Medical and Health sciences > Health sciences

Other information

Resumo (PT): O desempenho na natação depende em grande parte das exigências energéticas, que são moldadas pelas estratégias biomecânicas e padrões motores dos nadadores. O nado de bruços apresenta características biomecânicas e fisiológicas únicas. Embora os padrões respiratórios tenham sido estudados na borboleta e no crol, os seus efeitos em bruços permanecem pouco explorados, apesar da flexibilidade permitida pelas regras da World Aquatics. O principal objetivo desta tese foi comparar e caracterizar dois padrões respiratórios em bruços: respirar a cada ciclo e a cada dois ciclos. Especificamente, pretendeu-se: (1) analisar e comparar esses padrões por meio de parâmetros cinemáticos de pontos-chave (mão, pé, cabeça e centro de massa) em vários planos de movimento e (2) avaliar seus efeitos no custo energético, eficiência e arrasto ativo. Quinze nadadores realizaram uma intervenção de seis semanas para aprender o novo padrão respiratório. Posteriormente, executaram um teste progressivo de 5 × 200 m (incrementos de 0,05 m·s⁻¹ e 30 segundos de descanso), duas repetições máximas de 25 m com o método de perturbação da velocidade e três sprints máximos de 25 m, todos realizados em ambos os padrões respiratórios. Os resultados mostraram que: (i) respirar a cada dois ciclos em bruços esteve associado a valores mais elevados de variáveis bioenergéticas, como pico de lactato, consumo máximo de oxigénio, potência metabólica total e custo energético, especialmente em intensidades moderadas a elevadas; (ii) houve variabilidade individual nas respostas hidrodinâmicas e energéticas aos padrões respiratórios; (iii) as diferenças cinemáticas entre os padrões foram mínimas, sem superioridade clara; (iv) não respirar levou a menores amplitudes verticais e horizontais; (v) este padrão apresentou maior velocidade vertical máxima dos pés e do centro de massa, sugerindo vantagens biomecânicas; (vi) respirar a cada ciclo melhorou a eficiência e estabilização das mãos; (vii) respirar a cada dois ciclos favoreceu a estabilização e deslocamento dos pés; (viii) maior estabilização do percurso motor associou-se a menor custo energético; (ix) os índices de estabilização dos pés correlacionaram-se fortemente com o seu deslocamento; e (x) respirar a cada ciclo teve maior amplitude médio-lateral das mãos e menor velocidade horizontal mínima do centro de massa. Em conclusão, embora alguns nadadores tenham beneficiado da redução da frequência respiratória, a técnica de bruços não foi sistematicamente modificada pelo padrão respiratório. PALAVRAS-CHAVE: PADRÕES RESPIRATÓRIOS; EFICIÊNCIA NA NATAÇÃO; HIDRODINÂMICA; DESEMPENHO; CUSTO ENERGÉTICO; BIOMECÂNICA

Abstract (EN): Swimming performance depends largely on energetic demands, which are shaped by swimmers’ biomechanical and motor strategies. Breaststroke presents unique biomechanical and physiological characteristics. While breathing patterns have been studied in the butterfly technique and front crawl, their effects in breaststroke remain underexplored, despite the flexibility allowed by World Aquatics rules. The primary objective of this doctoral thesis was to compare and characterize two distinct breathing patterns, breathing every cycle and breathing every two cycles, in the breaststroke technique. Specifically, the research aimed to: (1) analyze and compare these breathing patterns through kinematic parameters of key reference points (hand, foot, head, and center of mass) across different movement planes, and (2) evaluate their effects on energy cost, efficiency, and active drag. Fifteen swimmers underwent a six-week intervention to learn the new breathing pattern. Subsequently, they performed a 5 × 200 m step test (with 0.05 m·s⁻¹ increments and 30 seconds rest) under both breathing conditions, two 25 m all-out trials using the velocity perturbation method in each breathing pattern, and three maximal 25 m efforts in each breathing pattern. The results showed that: (i) breathing every two cycles in breaststroke was associated with higher values of key bioenergetic variables, including peak blood lactate concentration, peak oxygen uptake, total metabolic power output, and energy cost, particularly at moderate to high intensities; (ii) inter-individual variability was observed in swimmers’ hydrodynamic and energetic responses to different breathing patterns in breaststroke; (iii) differences in kinematics (amplitudes, angles, velocities, fractal dimension, and intracycle variation of velocity) among the breathing patterns were minimal, with no clear superiority of one breathing pattern over the other; (iv) not breathing was associated with reduced vertical and horizontal head movement amplitudes; (v) this pattern also corresponded with the highest vertical foot velocity and greatest center of mass velocity in the swimming direction, suggesting potential biomechanical advantages; (vi) breathing every cycle enhanced hand efficiency and hand stabilization measures; (vii) breathing every two cycles improved feet stabilization and displacement; (viii) greater motor path stabilization was associated with lower energy cost; (ix) foot and total stabilization indices strongly related to foot displacement; and (x) breathing every cycle showed greater medio-lateral hand amplitude and lower minimum center of mass horizontal velocity. In conclusion, while some swimmers benefited from reduced breathing frequency, overall breaststroke technique was not systematically modified by the breathing pattern.

Language: English