La stiffness e la riduzione del costo energetico
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La stiffness e la riduzione del costo energetico

La velocità della corsa influenza la legstiffness poiché va a modulare i momenti articolari e la potenza meccanica. La lunghezza del passo ha una grande influenza sull’assorbimento di energia a livello del ginocchio rispetto all’articolazione della caviglia, infatti esiste una sostanziale differenza nella produzione di energia a livello dell’articolazione del ginocchio tra corridori di endurance e sprinters.

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La stiffness e la riduzione del costo energetico

La corsa, come la locomozione, è un comportamento fondamentale degli animali, derivante da una specifica interazione tra il sistema nervoso e quello muscolo-scheletrico. Nonostante la complessità della meccanica della corsa, si sono studiati e osservati dei modelli di comportamento universali tra le diverse specie; gli animali presentano durante la corsa lo spostamento di tutto il centro di massa che risulta simile a un sistema massa-molla, dove l’arto viene rappresentato come una molla a tutti gli effetti(Figura1).

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La comprensione del ruolo del comportamento elastico della struttura muscolo-tendinea implica una rigorosa analisi di tipo biomeccanico che si basa concettualmente sull’applicazione della legge di Hooke riguardante i materiali elastici, secondo la quale il comportamento elastico di una struttura è caratterizzato dalla relazione intercorrente tra la sua deformazione e la forza applicata sulla struttura stessa.Nel caso di una molla lineare ideale, una deformazione “x” è una funzione lineare della forza“F” tale che:

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con “k” corrispondente alla stiffness(rigidità) della molla; la rigidità di un sistema elastico è costituita quindi da una variazione di forza su di una variazione di lunghezza.

Il costo energetico rappresenta una delle ragioni per cui gli animali mostrano una stiffness “preferita” dell’arto inferiore; è stato dimostrato che gli essere umani e altri animali scelgono una velocità di locomozione che va a minimizzare il costo energetico.

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Figura 2 SLIP: durante l’appoggio la gamba scivola in avanti attraversoil momento torcente dell’anca e si solleva quando la forza di reazione tra il piede e il terreno diventa 0.

Per ottenere il costo meccanico del movimento, si deve andare per prima cosa ad analizzare il dispendio energetico “Ē” di un singolo passo definito come il prodotto del momento torcente costante dell’anca per l’angolo aperto della gamba durante la fase di appoggio; anche la lunghezza del passo viene registrata per andare poi a definire il costo meccanico adimensionale del movimento con la seguente equazione:

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Il costo energetico più basso è calcolato in funzione della leg stiffness date differenti velocità di corsa (figura3); nei tre pannelli si osserva che i valori di stiffness ottimale aumentano contemporaneamente all’incremento della velocità; il costo energetico minimo si nota prima crescere con l’aumento della velocità (dal primo al secondo pannello), poi diminuisce quando la velocità aumenta ancora (nel terzo pannello).

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Figura 3 L’area evidenziata in grigi sta ad indicare la regione biologicamente preferita con valori di leg stiffness da 7 a 27 e un costomeccanico del movimento da 0.09 a 0.2.

Se l’angolo di atterraggio dell’arto viene cambiato, risultano variati anche il costo meccanico del movimento e la stiffness ottimale dell’arto inferiore (figura4); all’aumentare dell’angolo di atterraggio, il costo minimo del movimento diminuisce mentre i valori di leg stiffness aumentano.

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Figura 4 Legstiffness e costo meccanico del movimento in funzione degli angoli di atterraggio.

Gli essere umani modulano la loro legstiffness secondo un range da 7 a 27 che porta a minimizzare il costo del movimento; poiché la regolazione della legstiffness può essere direttamente correlata alle proprietà di muscoli, tendini e altri tessuti molli, così come all’attivazione neurale della gamba, la relazione tra costo del movimento e legstiffness fornisce un collegamento fondamentale che racchiude numerose scale del movimento biologico. Nonostante le variazioni nella storia evolutiva, tale principio organizzativo dovrebbe essere generalmenteesteso in molti campi come la biologia, la robotica e le scienze del movimento umano.1

Dai numerosi studi sul concetto di legstiffness emerge che gli animali e l’essere umano presentano durante la corsa lo spostamento di tutto il centro di massa che può essere paragonato ad un sistema massa-molla, dove l’arto inferiore viene rappresentato come una molla a tutti gli effetti. Nel presente studio la stiffness dell’arto inferiore è considerata come il rapporto tra il picco di forza di reazione al suolo “F” e il picco di compressione della gamba ΔL. Il modello meccanico di riferimento per il calcolo della legstiffness è lo Spring-Mass Model, elaborato ed esposto da Blickhan per poi essere rivisitato nel corso degli anni.2

Nella definizione di leg stiffness, viene evidenziato il contributo della “joint stiffness” , la stiffness articolare, e della stiffness muscolo-tendinea; quest’ultima, oltre a fornire una maggior stabilità articolare, risulta di fondamentale importanza nell’esecuzione di quei movimenti ad elevata rapidità di esecuzione. Ciò accade poiché un sistema più rigido permette un maggior contributo di energia elastica durante i rapidi contro movimenti, rafforzando in tal modo la produzione di forza durante la fase concentrica del movimento.

Riguardo la stiffness articolare viene definita come il rapporto tra il massimo momento articolare e la massima flessione dell’articolazione a metà della fase di appoggio; si è dimostrato che il principale determinante della stiffness dell’arto inferiore durante il salto sembrerebbe passare dalla stiffness del ginocchio a quella della caviglia non appena la frequenza del salto viene aumentata. Prendendo in considerazione le varie superfici con le quali ci confrontiamo ogni giorno, la leg stiffness aumenta di ben 3.6 volte per accogliere le diminuzioni della stiffness (rigidità) di superficie.

Con l’incremento della velocità, si è osservato un aumento della legstiffness dovuto principalmente all’incremento della stiffness articolare del ginocchio rispetto a quella della caviglia. Inoltre, il miglioramento nell’altezza di salto in prestazioni come lo SJ dopo allenamento isometrico è causato dall’incremento della forza muscolare e non della stiffness tendinea, mentre l’allenamento pliometrico migliora il contributo riflesso di tutta la leg stiffness grazie all’aumento dell’attività del muscolo prima e durante la fase di contatto al suolo.

Inoltre si è analizzato che gli atleti di resistenza presentano maggiori fibre a contrazione lenta rispetto ai soggetti non allenati e che tali fibre possiedono una stiffness più elevata rispetto alle fibre rapide, mentre nel confronto tra sprinters e atleti di endurance si può affermare che le differenze nella joint stiffness possono essere attribuite alla stiffness del complesso tendineo.

Nell’analisi di soggetti che si muovono con carichi progressivamente maggiori, si è studiato che l’aumento della forza di reazione al suolo viene compensato con l’incremento del tempo di contatto al suolo e con la flessione delle articolazioni degli arti inferiori; la legstiffness aumenta a causa dell’incremento del picco di forza di reazione al suolo e della riduzione nell’allungamento della gamba nella fase di appoggio; naturalmente, l’aumentata flessione articolare a causa del carico aggiunto necessita di una maggiore attivazione muscolare che può portare ad un incremento del costo metabolico.

In conclusione, gli esseri umani sono in grado di modulare la loro leg stiffness, proprietà che a valori elevati permette una riduzione nella produzione di forza muscolare e di lavoro meccanico con conseguente diminuzione del costo energetico e aumento della performance.

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