Biomechanical analysis of swimming relay starts

Qiu, Xiao (2021). Biomechanical analysis of swimming relay starts. Thesis (Doctoral), Facultad de Ciencias de la Actividad Física y del Deporte (INEF) (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.67970.

Description

Title: Biomechanical analysis of swimming relay starts
Author/s:
  • Qiu, Xiao
Contributor/s:
  • Lorenzo Calvo, Alberto
  • Veiga Fernández, Santiago
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2021
Subjects:
Freetext Keywords: swimming; performance analysis; race analysis; biomechanics; kinematics; centre of mass; competitions; dive start; underwater; longitudinal data = natación; análisis del rendimiento; análisis de la carrera; biomecánica; cinemática; centro de masas; competiciones; salida de cabeza; nado subacuático; datos longitudinales
Faculty: Facultad de Ciencias de la Actividad Física y del Deporte (INEF) (UPM)
Department: Ciencias Sociales de la Actividad Física, del Deporte y del Ocio
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Swimming start has been shown to associate strongly with overall race outcomes. Competing in a swimming relay race differs from the individual race, mainly reflected on the starting block. Previously, the research of swimming relay starts has addressed the difference of starting behaviours between various techniques, the advantages of relay start over the individual start, as well as the importance of the particular component in relay start – change-over time. However, research limitations still need to be further discussed, such as what is the best technique for relay starts, what are the kinematic determinants of relay start performance and what are the differences between the individual and relay start. Therefore, the general aim of this thesis was to analyse swimming relay start performances both in empirical and competition contexts through the appropriate approaches. To achieve the research goals, this thesis can be summarised in three sections and five chapters (Chapter 2 to 6). The first section aimed to determine the biomechanical and kinematic characteristics among various relay start techniques and between relay and individual starts in each sub-phase. Chapter 2 compared the kinematic characteristics of different relay start techniques. Eleven international youth swimmers performed three relay start techniques and their centre of mass kinematics calculated with two-dimensional direct linear transformation (2D-DLT) algorithms. Results indicate that differences between techniques were detected in the spatiotemporal parameters of the block and aerial start phases and in selected parameters of the underwater phase, but no statistical effects were found in performance times nor in horizontal take-off velocity. Results suggest that differences between relay techniques could rely more on the swimmer’s body posture (angular kinematics) on the block, flight and underwater phases than on the centre of mass linear kinematics. Chapter 3 compared relay and individual swimming starts and related the kinematic variables to 5 m performance for both starts. Twelve elite-level swimmers performed 2 × 25 m with two type of starts randomly. 2D-DLT algorithms were used to calculate swimmers’ centre of mass (CM) kinematics during each subphase. Results show faster performance times for relay start than individual start as well as the differences at specific parameters, but no differences in take-off horizontal velocity between start techniques. Large correlations to performance times were found in block time, horizontal take-off velocity, take-off velocity and entry angle for individual start, but in changeover time, take-off height and entry distance for relay start. Differences on swim start regulations between individual and relay events were in line with different key parameters related to start performances in each event. This should be considered by swimmers and coaches when addressing the starting improvement. The second section aimed to investigate whether swimmers’ performances of the starting and turning segments were different between individual and relay events in competitions. Chapter 4 and 5 examined the race performances of swimmers competed in both relays 4 × 100 m finals (freestyle, medley and mixed freestyle) and individuals 100 m finals or semi-finals (butterfly, breaststroke and freestyle) from LEN European Swimming Championships. The results indicated swimmers presented 5 – 7 % faster starts in relay than in the corresponding individual events, despite no differences on the flight phase and a lower performance (shorter distances and slower velocities) on the underwater start section. Also, 15 m turn times were slower in the butterfly relay races although no specific differences on the underwater parameters were observed. These results suggest that specific training of the starting and turning segments should be performed in relay conditions to optimise pacing and performance on the underwater sections. The third section aimed to analyse the particular determinant of relay starts – change-over times, estimating its meaning for the race outcomes. Chapter 6 replicated a recent study by Fischer et al. (2019) with a substantially larger scale dataset of 4 × 100 m freestyle relays from World Championships and Olympic Games over the past 20 years (2000 – 2019) and secondly, an analysis of change-over times was conducted accounting for the current race position and gender. The results confirm the previous findings of Fischer et al. (2019); further, a correspondence was detected between change-over times and gender resp. final race-position (medallists vs. non-medallists). However, current race ranking showed no apparent effect on change-over time for both genders. It is recommended that coaches and swimmers should not only focus on reducing change-over times but also consider the psychological aspects (i.e. loss aversion) that could impact the odds of risk-taking change-over behaviour. Findings from this PhD thesis could add novel insights into swimming relay starts content for the scientific and technical community, providing practical recommendations to sport scientists and coaches how swimming relay starts could be addressed for improving swimmers’ performances. ----------RESUMEN---------- Se ha demostrado que la salida en natación se asocia significativamente con los resultados finales de la prueba. Competir en una prueba de relevos de natación difiere de la prueba individual principalmente en la fase de salida ya que los nadadores/as puedes realizar movimientos preparatorios en el poyete de salida. La investigación previa en las salidas de relevos de natación ha abordado las diferencias entre varias técnicas de salida, las ventajas de la salida de relevos sobre la salida individual, así como la importancia de un componente particular en la salida de relevos: el tiempo de cambio. Sin embargo, todavía hay muchas limitaciones de la investigación como para poder determinar la mejor técnica de salida para las carreras de relevos, los parámetros clave para las salidas de relevos y las diferencias entre la carrera individual y la de relevos. Por lo tanto, el objetivo general de esta tesis fue analizar el rendimiento en las salidas de relevos de natación tanto en contextos empíricos como de competición a través de distintas aproximaciones. Para alcanzar los objetivos de la investigación, esta tesis puede resumirse en tres secciones y cinco capítulos (capítulos 2 a 6). La primera sección tuvo como objetivo analizar las características biomecánicas y cinemáticas entre diferentes técnicas de salida de relevos y entre las salidas de relevos e individuales. El capítulo 2 comparó las características cinemáticas de las diferentes técnicas de salida de relevos. Once nadadores internacionales de categoría junior realizaron tres técnicas de salida de relevos y la cinemática de su centro de masas fue determinado con algoritmos de transformación lineal directa en dos dimensiones (2D-DLT). Los resultados indican que se detectaron diferencias en los parámetros espaciotemporales de las diferentes técnicas de salida tanto en la fase aérea como subacuátca, pero no se encontraron efectos estadísticos en los tiempos de salida ni en la velocidad de despegue horizontal. Los resultados sugieren que las diferencias entre las técnicas de relevos podrían depender más de la postura corporal del nadador (cinemática angular) en las fases de poyete, vuelo y subacuática. En el capítulo 3 se compararon las técnicas de salidas en pruebas de relevos y en pruebas individuales y se relacionaron las variables cinemáticas con el rendimiento en 5 m para ambas salidas. Doce nadadores de nivel de élite realizaron 2 × 25 m con dos tipos de salidas en orden aleatorio. Se utilizaron algoritmos 2D-DLT para calcular la posición del centro de masas (CM) de los nadadores durante cada sub-fase. Los resultados mostraron menores tiempos de salida para la salida individual en comparación con la salida de relevos y también diferencias en otros parámetros específicos, pero no se observaron diferencias en la velocidad horizontal de despegue entre las técnicas de salida. Los tiempos de salida en pruebas individuales se correlacionaron con el tiempo en el poyete, la velocidad horizontal de despegue, la velocidad de despegue y el ángulo de entrada mientras que los tiempos de la salida de relevos se correlacionaron con el tiempo de cambio, la altura de despegue y la distancia de entrada. Las diferencias en el reglamento de la salida de natación entre las pruebas individuales y las de relevos fueron en línea con los diferentes parámetros en cada tipo de salida. Estas diferencias deberían ser considerado por los nadadores y entrenadores a la hora de abordar la mejora de la salida. La segunda sección pretendía investigar si el rendimiento de los nadadores en los segmentos de salida y viraje fueron diferentes entre las pruebas individuales y de relevos en competición. En los capítulos 4 y 5 se examinó el rendimiento de los mismos nadadores tanto en las finales de relevos de 4 × 100 m libre y 4x100 estilos y estilos mixto como en las finales o semifinales de las pruebas individuales de 100 m (estilo mariposa, estilo pecho y nado libre) del Campeonato Europeo Junior LEN 2017. Los resultados indicaron que el tipo de prueba afectó al rendimiento en la salida con un 5 – 7 % de mayor velocidad a los 15m en las pruebas de relevos. Sin embargo, no se observaron diferencias en la fase de vuelo y sí un peor rendimiento (menor distancia y velocidad más lenta) subacuático en relevos respecto a las pruebas individuales; en el segmento del viraje, el tiempo de 15 m fue más lento en las pruebas de relevos de mariposa mientras que no se observó ninguna diferencia estadística en el resto de parámetros. Estos resultados indican que se debe realizar un entrenamiento específico en los segmentos de salida y viraje en condiciones de relevos para optimizar la velocidad y el rendimiento en la fase subacuática. La tercera sección tuvo como objetivo analizar una variable en concreto de las salidas de los relevos, los tiempos de cambio, para estimar su impacto en los resultados de las pruebas. En el capítulo 6 se replicó un estudio reciente de Fischer et al. (2019) a una escala sustancialmente mayor con datos de relevos 4 × 100 m estilo libre celebrados durante los Campeonatos del Mundo y los Juegos Olímpicos durante los últimos 20 años (2000 – 2019). Además, se llevó a cabo el análisis de los tiempos de cambio teniendo en cuenta la posición actual de la carrera y el género. Los resultados confirmaron hallazgos anteriores de Fischer et al. (2019) y, además, se detectó una relación entre los tiempos de cambio y el género y la posición final en la carrera (medallistas frente a no medallistas). Sin embargo, la posición actual de la prueba no mostró ningún efecto aparente en el tiempo de cambio para ambos géneros. Se recomienda que los entrenadores y los nadadores no sólo se centren en reducir los tiempos de cambio, sino que también tengan en cuenta los aspectos psicológicos (es decir, la aversión a la pérdida) que podrían influir en las probabilidades de tener un tiempo de cambio demasiado arriesgado. Los resultados de esta tesis doctoral aportan nuevos conocimientos sobre el contenido de las salidas de los relevos de natación para la comunidad científica y técnica, proporcionando recomendaciones prácticas a los científicos del deporte y a los entrenadores sobre cómo abordar las salidas de los relevos de natación para mejorar el rendimiento de los nadadores.

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Item ID: 67970
DC Identifier: https://oa.upm.es/67970/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:67970
DOI: 10.20868/UPM.thesis.67970
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 22 Sep 2021 07:28
Last Modified: 22 Sep 2021 07:28
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