Aspetti fisiologici di un pilota
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Aspetti fisiologici di un pilota

Durante una gara automobilistica riscontriamo diverse variabili fisiologiche: elevata frequenza cardiaca, aumento della temperatura corporea, aumento della sudorazione, che causa disidratazione, influenza della forza g.

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Aspetti fisiologici di un pilota

Nella figura 1 vediamo indicati a quali stress è sottoposto un pilota di Formula 1; l’atleta durante la gara si trova a dover far fronte a: stress emotivo, temperatura corporea elevata, forza g, vibrazioni e sforzo muscolare, dunque la richiesta fisiologica di questo sport è più elevata di quanto si possa pensare.

Proprio come le macchine che guidano, gli atleti-piloti sono complessi, ma da una prospettiva fisiologica.

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FIGURA 1: STRESS EMOTIVO E FISICO PROVATO DAL PILOTA DI F1.

Misurare le variabili fisiologiche di questo sport è difficile, soprattutto per lo spazio ristretto dell’abitacolo, che non permette di inserire strumenti e sensori di una certa grandezza, per i movimenti limitati del pilota e per le vibrazioni della vettura.

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La Frequenza Cardiaca

Un’elevata e sostenuta frequenza cardiaca è risposta tipica all’attività fisica.

Durante le corse automobilistiche sono state misurate le frequenze cardiache dei piloti e tali misurazioni hanno mostrato che la FC media durante un Gran Premio di Formula 1 si aggira attorno ai 180 bpm, con picchi massimi fino a 200 bpm, mentre per le corse su tracciati ovali e su strada si ha una media rispettiva di 142 bpm e 152 bpm.

L’aumento della FC è dovuta principalmente a 2 importanti fattori interni: il primo è direttamente legato al lavoro fisico a cui è sottoposto l’atleta durante la competizione, il secondo è un incremento dell’output (segnale d’uscita) del Sistema Nervoso Autonomo e lo stress ormonale derivato dall’ansia e dalla competizione; intervengono anche fattori esterni come la velocità elevata, la temperatura ambientale, le vibrazioni della vettura e le manovre compiute dal pilota come accelerazioni, frenate e sterzate. Nel grafico sottostante vediamo l’effetto dell’aumentare della velocità sulla FC di due piloti (Villeneuve e Pironi).

Ogni punto rappresenta un giro; la FC di Pironi raggiunge quasi i 200 bpm alle velocità massime, mentre la FC di Villeneuve arriva appena a 175 bpm.

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GRAFICO 1: TEST DI FORMULA 1 A FIORANO.

Frequenza cardiaca e intensità di esercizio fisico si relazionano in maniera proporzionale e lineare, ovvero all’aumentare dell’intensità dell’esercizio continua ad aumentare anche la frequenza cardiaca in maniera proporzionale, fino a che l’esercizio fisico non raggiunge la massima intensità; durante un’attività prolungata con stress termico, il sistema cardiovascolare deve provvedere sia all’esercizio muscolare sia alla termoregolazione, ne consegue dunque un aumento sproporzionato della FC, anche senza aumento dell’intensità dell’esercizio.

Ciò è conosciuto come “Cardiovascular Drift” e fu evidenziato nel 1956 da Ladell e Watkins12, i quali constatarono un aumento di 25 battiti per ogni grado in aumento della temperatura corporea (+1° C = + 25 bpm); se questa condizione persiste si avrà un precoce affaticamento, una prestazione deficitaria e una situazione pericolosa per il pilota. Un aumento della temperatura porta ad un aumento della sudorazione e quindi al fenomeno della disidratazione, altre variabili che interferiscono con la frequenza cardiaca. Senza tener conto della temperatura ambientale ma solamente di quella corporea, Armstrong affermò che un’acuta disidratazione riduce il VO2max (massimo consumo di ossigeno); in altre parole tanto maggiore è la perdita di liquidi, tanto maggiore sarà la perdita della capacità aerobica.

I valori del VO2max, ottenuti durante un test aerobico massimale svolto dai piloti automobilistici non durante la guida, sono simili a quelli di atleti come cestisti e calciatori; mentre misurazioni metaboliche dirette hanno mostrato un VO2 max superiore al 75 %.

Greenleaf indicò che una perdita di liquidi corporei equivalente al 4 % del peso corporeo totale corrisponde ad una perdita del 20-30 % della capacità di lavoro fisico; da una prospettiva funzionale ciò si collega direttamente ad una riduzione della capacità di endurance risultante da queste modifiche nelle funzioni cardiovascolari.

Anche la forza g e le curve dei tracciati producono effetti sulla frequenza cardiaca come mostrano le figure 2 e 3.

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FIGURA 2: VARIAZIONI DELLA FC DI PIRONI DURANTE UNA MEDIA DI 8 GIRI.

Vediamo come la frequenza cardiaca è più bassa nel rettilineo di Mulsanne, nonostante sia il settore più veloce.

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FIGURA 3: FC E FORZA G DURANTE LE CURVE, LE FRENATE E LE ACCELERAZIONI AL CIRCUITO DI FIORANO.

Le pulsazioni salgono a 178 bpm durante le curve mentre la forza g raggiunge i 2.9 g.

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GRAFICO 2: PRIMA SESSIONE A LE MANS PER PIRONI. VARIAZIONI DELLE PULSAZIONI.

Nel grafico 2 vediamo come l’ansia agisce sulla FC quando il pilota entra nel circuito e al via della sessione di pratica; dunque lo stress emotivo va ad aumentare l’attivazione del Sistema Nervoso Simpatico.

Anche nelle altre categorie come Rally, GT, DTM etc. è stato osservato un aumento della frequenza cardiaca; maggiore è la velocità di corsa, più elevate sono le pulsazioni.

Le frequenze cardiache elevate sono visibili in ragione dell’acuto sforzo fisico richiesto dallo sport come lo confermano anche i livelli superiori nella concentrazione ematica della creatina kinase (CK), ad indicare un affaticamento muscolare, e l’aumento del metabolismo del fegato. La spesa energetica di un pilota durante la competizione si presuppone essere maggiore a quella di una corsa di 5-6 km/h; ovviamente ciò dipende da molti fattori come la durata della corsa e alcuni dei quali analizzati sopra.

La richiesta cardiaca e metabolica è simile a quelle di sport tradizionali come basket, boxing, soccer, running, bicycling e handball.

In uno studio di Jacobs sono state messe a confronto le richieste fisiologiche dei piloti durante una gara su tracciato ovale e tracciato su strada; è emerso un maggiore consumo di ossigeno e una maggiore frequenza cardiaca nelle gare su strada e una spiegazione di ciò secondo l’autore potrebbe essere collegata a differenze nel lavoro muscolare. La posizione stabile del pilota è mantenuta principalmente da una contrazione isometrica del collo, dell’addome e delle gambe, per cui l’aumento del consumo energetico è legato con più probabilità ad un aumento dell’attivazione muscolare richiesto per mantenere tale posizione.

La Forza g

Chi dice corsa automobilistica dice alta velocità, accelerazioni, frenate e sterzate; ciò sembra abbastanza semplice e anche divertente, ma in realtà si tratta di un’attività complicata. Nel corso di queste manovre si sviluppa un’amplificazione della forza g particolarmente elevata. Ma che cos’è la forza g? È l’accelerazione gravitazionale che un corpo, nel nostro caso il pilota, subisce quando è lasciato libero di muoversi in caduta libera in un campo di gravità; sulla superficie terrestre 1 g corrisponde ad un’accelerazione di 9,8 m/s². Questa forza può essere sia positiva che negativa e può svilupparsi lungo più assi: gx (antero-posteriore), gy (latero-laterale), gz (supero-inferiore).

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FIGURA 4: LE VARIE ACCELERAZIONI DI GRAVITÀ.

Esiste un’evidenza scientifica di quanto il corpo umano può tollerare la forza g, per esempio quando questo è esposto ad una forza gz positiva, diventa difficile respirare, perché i polmoni sono schiacciati e svuotati d’aria; inoltre per pompare sangue al cervello c’è bisogno di un grande sforzo cardiovascolare, perché il sangue è allontanato dalla testa.

Secondo Watkins, nelle corse automobilistiche le accelerazioni sono maggiormente antero-posteriori e latero-laterali, possono raggiungere e superare i 4 g in Formula 1, mentre nelle macchine con l’abitacolo chiuso si arriva ad una media che supera i 2 g. Spiegando meglio questa forza mediante alcune cifre, prendiamo il peso della testa con indosso il casco che è approssimativamente 6,5 kg e moltiplichiamo questo valore per una forza di 4 g; ne risulta che il pilota deve essere in grado di sopportare l’equivalente di 26 kg per mantenere la testa dritta ad ogni curva.

In uno studio condotto da Yamakoshi e collaboratori è stata analizzata la possibile influenza della forza g sull’attività cardiovascolare in piloti amatori di kart1; sono state misurate forza g, frequenza cardiaca istantanea mediante ECG, pressione sanguigna con sfigmomanometro, temperatura del timpano mediante termometro a radiazione e tempo su giro. È emerso che in tutti i partecipanti durante la guida la frequenza cardiaca si è mantenuta attorno ai 150 bpm e ciò può essere dovuto ad una più elevata attivazione del S.N. Simpatico; dunque si ha una significativa correlazione tra forza g e FC. Inoltre è stato notato un decremento della pressione sanguigna e un aumento della temperatura del timpano, il quale indica un aumento della temperatura corporea.

La forza g è anche causa di disturbi visivi; gli occhi cominciano ad avere problemi di circolazione quando esposti ad una forza pari a 2-3 g. Durante le frenate il corpo del pilota si sposta in avanti e si produce un fenomeno chiamato “eyeballs out”, dove i bulbi oculari fuoriescono; ciò crea una costrizione dei vasi sanguigni oculari, che può generare problemi visivi come il velo grigio dovuto alla perdita del campo visivo periferico o il velo nero dovuto alla totale privazione del campo visivo centrale; queste complicazioni visive sono causate principalmente da un’accelerazione della circolazione cerebrale, che crea una diminuzione dell’irrigazione della retina o un’ipossia. Bisogna notare che la forza g è molto più presente nelle vetture chiamate “formule” che nelle vetture con l’abitacolo chiuso, come già sopra espresso, in ragione del loro sostegno aerodinamico.

Un’eccessiva forza g può causare stordimento, vertigini, mal di stomaco, incapacità di stare in posizione eretta e perdita di coscienza.

L’Effetto Termico

I piloti sono esposti durante la guida a microambienti caldi generati dal motore della vettura, dall’attività muscolare, dalla poca o non presente aria circolante, dall’abitacolo chiuso e dall’ambiente esterno che li circonda; inoltre indossano una serie di indumenti protettivi, resistenti al fuoco, limitanti la dissipazione di calore come la tuta (costituita da 3 strati di tessuto), la sottoveste, il passamontagna, gli stivali, i guanti e il casco.

Tutto ciò compromette la loro abilità di termoregolazione, crea fastidio, aumenta il consumo energetico e soprattutto costituisce un serio e pericoloso problema; evidenza di ciò si ebbe durante il Gran Premio del 1984 a Dallas, dove il pilota di Formula 1 Nigel Mansell fu colpito da un collasso, così come due anni prima in Brasile Nelson Piquet, pilota di Formula 1, dopo aver vinto la gara svenne sul podio.

Nelle vetture con l’abitacolo chiuso come nel rally la temperatura può raggiungere i 75° C e di conseguenza far salire la temperatura corporea a 40-41° C.

Brearley e Finn hanno esaminato nel loro studio la risposta allo stress termico di quattro piloti di V8 Supercar durante la gara corta e la gara lunga e ne è risultato un aumento della temperatura corporea da una media di 37.7° C prima della gara ad una media di 39° C dopo la gara. Il bisogno per il pilota di sapersi bene adattare ad un aumento della temperatura sia corporea che esterna è fondamentale.

Dallo studio di Wyone collaboratori è emerso che lo stress termico generato da una più elevata temperatura ambientale ha un effetto negativo sulla vigilanza del pilota; la vigilanza, o attenzione sostenuta come chiamata da Hancock, è facilitata laddove si hanno livelli di temperatura esterna ritenuti confortevoli, mentre si nota un peggioramento nella capacità di prestazione, in particolar modo di fronte a compiti complessi richiedenti abilità cognitive-percettive-psicomotorie, quando l’omeostasi termica è disturbata.

Riprendendo lo studio di Brearley e Finn, è stato visto che i piloti partecipanti a questa valutazione dimostrano una tolleranza fisiologica al calore superiore al gruppo controllo; è possibile che la loro personale motivazione abbia fatto sì che la tolleranza alla temperatura fosse più elevata, aumentando anche l’intervallo di tempo necessario a raggiungere lo stato di esaurimento. Nella tabella 3 possiamo vedere alcuni dati presi durante la prova di V8 Supercar in ambiente caldo.

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TABELLA 1: TEMPERATURA CORPOREA E RISPOSTE PERCETTIVE DELLA GUIDA IN AMBIENTE CALDO.

Le sensazioni riportate dai partecipanti allo studio in funzione della temperatura sono principalmente alto livello di disagio termico ed elevata percezione di esaurimento. Sebbene i piloti fossero ricorsi a sistemi di raffreddamento tipo aria condizionata, ciò non è stato sufficiente; tuttavia la maggior parte di essi utilizzava una maglia chiamata “CoolShirt” al fine di raffreddare la temperatura del tronco, come illustra la figura 5.

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FIGURA 5: COOL SHIRT

Questo sistema funziona grazie al principio dei tubuli contenenti acqua e ghiaccio che circolano in tutta la maglia per il raffreddamento. L’aumento della temperatura interna contribuisce, in ragione della regolazione intrinseca, a creare uno stress cardiovascolare che va a ridurre la gittata sistolica e la pressione arteriosa media. Nel momento in cui la temperatura sale, aumenta la sudorazione e quando quest’ultima raggiunge valori massimali di 2 L/h, si manifesta come conseguenza il fenomeno della disidratazione.

Richalet e Bertrand hanno visto che in Formula 1 la perdita di liquidi nei piloti è di circa 1 L/h, mentre a Le Mans nelle gare di endurance si ha un aumento del volume cellulare sanguigno da 46 a 56 % nelle 24 h, cioè indica una riduzione del 20 % del volume di liquidi in circolazione.

Naccarella e collaboratori hanno confermato un aumento dal 10 al 15 % dell’ematocrito con una riduzione di sodio, potassio e magnesio e un aumento nella produzione di catecolamine, cortisolo e aldosterone come una risposta biologica allo stress; la deplezione salina causata dall’eccessiva sudorazione è causa a sua volta di crampi muscolari.

Anche un’eccessiva esposizione al monossido di carbonio (CO) aumenta la temperatura e la sudorazione.

Utilizzando un simulatore di guida in un’apposita camera ambientale, Walker e collaboratori hanno esaminato l’impatto del calore e del monossido di carbonio sulla performance automobilistica. Con una temperatura ambientale di 50° C e livelli del 10-12% di monossido di carbonio nel sangue, i piloti hanno dimostrato una maggiore e significativa perdita di liquidi ed aumento della temperatura corporea rispetto alla sola esposizione ad ambiente caldo; ne consegue inevitabilmente un effetto negativo sulla performance fisica e mentale dell’atleta. Nel grafico 2 possiamo osservare che la media delle frequenze cardiache in condizioni di alte temperature combinate al monossido di carbonio sono più elevate che in condizioni di basse temperature.

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GRAFICO 2: MEDIA DELLE FC A SECONDA DELLA TEMPERATURA.

La prestazione di guida, misurata nei punti di contatto mediante differenti segmenti, si è rivelata significativamente peggiore quando si aveva una condizione combinante il calore al monossido di carbonio. I punti di contatto supplementari osservati in questa condizione corrispondo agli scontri contro il muro uscendo da una curva.

Una buona idratazione è vitale sia per la salute generale sia per svolgere un’ottima performance psico-fisica; quindi secondo le linee guida della FIA è raccomandata l’assunzione di 1 L di acqua prima della gara, da 1 a 2 L durante e 2 L dopo la gara.

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