La stiffness nella perfomance
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La stiffness nella perfomance

Il genere umano è in grado di modulare la sua leg stiffness: a valori elevati essa 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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La stiffness nella perfomance

L’influenza della leg stiffness nel salto

Durante l’esecuzione di salti su una pedana è stato dimostrato che la stiffness dell’arto inferiore non subisce cambiamenti con la variazione dell’intensità del salto, quando questo viene realizzato con brevissimi tempi di contatto a terra; in modo analogo, anche la stiffness della caviglia rimane invariata, mentre quella del ginocchio risulta incrementata con l’aumento dell’intensità del salto (figura 1).

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Figura 1. Stiffness articolare nel salto.

La costante stiffness dell’arto sta a indicare che l’essere umano è in grado di modulare la sua stiffness in base alle varie situazioni andando a ricercare dei valori ottimali che sono assolutamente indipendenti dalla frequenza del salto.

Questi valori costanti di stiffness derivano dalla capacità dei soggetti di ottimizzare le proprietà meccaniche del sistema muscolo-scheletrico, vale a dire la capacità di immagazzinamento e riutilizzo dell’energia elastica da parte di tendini e legamenti; infatti, il principale muscolo estensore della caviglia, il tricipite della sura, presenta fibre muscolari relativamente brevi e un lungo tendine; la sua contrazione è ottimizzata durante prestazioni con un brevissimo ciclo stiramento-accorciamento(SSC), come nel salto, dove le fibre muscolari lavorano vicino alla loro lunghezza ottimale consentendo in questo modo alle strutture tendinee lo stoccaggio e il riutilizzo di energia elastica. Inoltre, si è osservato che la pre-attivazione del tricipite surale, in particolar modo del gastrocnemio, sta a indicare un’alta stiffness delle fibre muscolari che vanno ad ottimizzare le proprietà meccaniche del muscolo durante il salto.

Ad intensità più basse, la maggior parte del lavoro meccanico è svolto dai muscoli estensori della caviglia, mentre l’articolazione del ginocchio subisce soltanto un piccolo spostamento angolare; aumentando l’intensità del salto, il contributo dell’articolazione del ginocchio aumenta in termini di stiffness articolare, di momento angolare, e di attivazione del muscolo vasto laterale. Ovviamente, il volume muscolare maggiore, fibre più lunghe e i tendini più brevi dei muscoli prossimali delle gambe, come il vasto laterale, sono vantaggiosi per l’esecuzione di lavoro meccanico; i soggetti presentano una maggiore flessione del ginocchio nell’atterraggio e un maggiore spostamento angolare durante il contatto con il suolo aumentando l’intensità del salto, indicando il grande lavoro svolto dall’articolazione del ginocchio.

La strategia che i soggetti utilizzano per incrementare l’intensità del salto consiste in una maggiore flessione del ginocchio nell’atterraggio, la quale insieme all’incremento dell’attivazione muscolare provocano l’aumento della stiffness dell’articolazione del ginocchio. Risulta interessante notare che l’aumento della stiffness del ginocchio non influenza la stiffness globale dell’arto; in un sistema con più “molle”, la molla meno rigida subisce il massimo spostamento in risposta ad una certa forza.

Recenti studi hanno rilevato che aumentando di due volte la stiffness dell’articolazione della caviglia si osserva una leg stiffness doppia, mentre il raddoppio della stiffness del ginocchio non risulta influire in alcun modo; ciò è spiegato dalla geometria della gamba: l’articolazione della caviglia risulta più colpita rispetto a quella del ginocchio o dell’anca dai cambiamenti della forza di reazione al suolo (GRF), a causa del maggiore momento del braccio e del segmento del piede che hanno un’influenza notevole sullo spostamento del centro di massa grazie alla posizione più orizzontale rispetto le altre parti della gamba. Inoltre, la stiffness articolare del ginocchio risulta essere fondamentale nella modulazione della stiffness durante salti massimali rispetto a quelli sub-massimali, nei quali il contributo maggiore è rappresentato dalla stiffness della caviglia.

In questo tipo di perfomance è utile andare ad osservare l’Elettromiografia (EMG) dei muscoli estensori della caviglia e del ginocchio durante l’incremento dell’intensità del salto; il tricipite della sura dimostra un aumento della sua attività elettrica durante la pre-attivazione prima del contatto con il terreno, ma non nel riflesso da stiramento; il muscolo vasto laterale, mostra un aumento della sua attività elettrica proprio durante il riflesso da stiramento.

Risulta molto interessante notare il differente ruolo del muscolo gastrocnemio mediale (GaM) e quello laterale (Gal) nella regolazione della stiffness; infatti, la pre-attivazione del Gal è strettamente collegata con la stiffness della caviglia e della gamba, cosi come il muscolo Soleo; invece, la pre-attivazione muscolare del GaM risulta essere connessa con la stiffness articolare del ginocchio. Tale studio dimostra che la leg stiffness e quella articolare sono influenzate e modulate da programmi motori centrali (pre-attivazione muscolare durante la prima fase dicontatto al suolo) in performance come il salto con tempi di contatto relativamente brevi.

Nella definizione della leg stiffness è importante osservare la relazione tra forza di reazione al suolo e spostamento del centro di massa all’interno di un grafico (figura 2); numerosi studi hanno evidenziato che a frequenze di 1.5 Hz, la stiffness dell’articolazione del ginocchio (per il 39,8%) è ciò che influenza maggiormente quella dell’arto inferiore; mentre, a frequenze tra i 2.2–3.0 Hz l’influenza maggiore (62,1%) è fornita dalla stiffness dell’articolazione della caviglia (figura 3).

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Figura 2 Si nota l’aumento della forza di reazione al suolo (GRF) in concomitanza con lo spostamento del centro di massa (COM) fino al picco che si ha quando la gamba viene compressa al massimo nella fase di atterraggio, con conseguente calo di tale forza durante l’estensione; la pendenza di tale curva (linea tratteggiata) rappresenta la stiffness dell’arto inferiore.1

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Figura 3 Variazioni dei momenti angolari; la stiffness articolare è rappresentata dalla pendenza della curva (linea tratteggiata).1

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. Perciò è stato dimostrato che il potenziamento del muscolo quadricipite deve essere effettuato in sedute di allenamento di elevata intensità (salti massimali); invece, il rinforzo della muscolatura del tricipite surale può portare a un miglioramento della performance durante salti sub-massimali.

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Figura 4 Relazione forza di reazione al suolo-spostamento COM (A) e variazioni dei momenti angolari della caviglia (B), del ginocchio (C) e dell’anca (D).2

Altro esempio tipico della relazione tra forza di reazione al suolo e spostamento del centro di massa è rappresentato in figura 4; la gamba risulta compressa nel momento del contatto al suolo, e la forza di reazione aumenta con lo spostamento del centro di massa (COM); il picco della forza di reazione si avrà durante la massima compressione della gamba e, successivamente, la forza diminuirà con l’estensione della gamba prima della fase di volo; nell’esempio si nota che la leg stiffness è rappresentata dalla pendenza della curva forza-spostamento durante la fase di compressione della gamba.

Inoltre, nella fase di atterraggio, le articolazioni sono flesse e i momenti angolari aumentano; il picco del momento articolare si avrà durante la massima flessione degli arti, successivamente, le articolazioni si estenderanno con conseguente diminuzione del momento articolare fino alla fase di volo. Da notare che la stiffness del ginocchio risulta notevolmente alta rispetto a quella della caviglia e dell’anca; si notano differenze riguardo gli spostamenti angolari, infatti il più ampio è rappresentato dalla caviglia, seguito dal ginocchio e infine dall’anca (figura 5).

È stato dimostrato che il comportamento dell’articolazione della caviglia è fondamentale per modulare la performance durante il salto (hopping), a causa del grande contributo fornito dal comportamento elastico dei flessori plantari; d’altro canto, l’articolazione del ginocchio svolge una funzione fondamentale durante esecuzioni come il dropjump (salto in basso con rimbalzo), a causa del comportamento elastico degli estensori del ginocchio che producono notevole lavoro meccanico.

Morfologicamente, i muscoli che si inseriscono sull’articolazione del ginocchio hanno fibre muscolari più lunghe, un ampio volume e maggiori aree di sezione trasversale rispetto ai muscoli distali; queste caratteristiche sembrano essere utili nella produzione di un momento angolare del ginocchio più ampio rispetto a quello della caviglia o dell’anca quando il salto viene eseguito con il massimo sforzo. Si rinforza la teoria che nelle competizioni ad elevata intensità, nelle quali vengono eseguiti salti massimali, la miglior performance è ottenuta mediante l’allenamento (potenziamento) del muscolo quadricipite rispetto al tricipite surale.

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Leg stiffness in risposta alle rigidità di superficie

Altro aspetto importante da prendere in considerazione, corrisponde al “come” gli esseri umani scelgono di modulare la loro leg stiffness per compensare le varie superfici sulle quali si confrontano ogni giorno; infatti, quando si cammina o si corre nel mondo naturale, si ha a che fare con una varietà incredibile di terreni (figura 6).

La stiffness dell’arto inferiore incrementa di ben 3.6 volte per accogliere le diminuzioni della stiffness (rigidità) di superficie. Per esempio, quando si eseguono salti ad una frequenza di 2 Hz su una superficie meno rigida, la leg stiffness risulta triplicata fino al valore di 53.3 kN/m (figura 7).

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Figura 6 Spring-mass model su superficie rigida (A) e su superficie elastic (B).
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Figura 7 Soggetti che saltano con una frequenza di 2 Hz su superfici con differenti valori di rigidità (ksurf).3

I valori di leg stiffness sono necessari per mantenere una stiffness totale costante modulata a valori nel caso si eseguissero salti su una piattaforma di forza con superficie rigida; ciò permette di mantenere tempi di contatto al suolo e tempi di volo quasi costanti date varie frequenze di salto nonostante la rigidità della superficie. Le superfici di corsa usate dagli essere umani presentano un vasto range di stiffness; i percorsi preferiti dai corridori hanno una rigidità molto più bassa rispetto alle piattaforme di forza usate per numerosi studi biomeccanici sulla locomozione (stiffness dei percorsi = 875 kN/m; stiffness delle piattaforme = 35,000 kN/m).

Quando si corre su una superficie molto rigida, il parametro più importante nel determinare i movimenti del centro di massa del corpo e i tempi di contatto al suolo è rappresentato dalla stiffness verticale del “sistema massa-molla”. Dunque la stiffness verticale varia dai 20 kN/m a basse velocità fino a valori superiori a 100 kN/m a velocità più elevate; questa proprietà deve compensare i cambiamenti della rigidità di superficie attraverso la modulazione della stiffness dell’arto inferiore o tramite variazioni in ampiezza dell’angolo aperto dall’arto durante la fase di contatto al suolo.

La gamba di un corridore è più rigida e risulta meno compressa quando si allena su superfici elastiche cedevoli rispetto a dure superfici rigide; questa riduzione nella compressione della gamba indica che c’è una minore flessione articolare e una postura più verticale degli arti durante la fase di contatto al suolo. Con la linearità della posizione degli arti inferiori, minori momenti articolari e forze muscolari sono reclutati per esercitare la stessa forza di contatto al suolo; è importante aggiungere che una superficie elastica immagazzinerà passivamente l’energia e la restituirà ad ogni passo, andando a ridurre il lavoro meccanico eseguito dai muscoli.

Un corridore di 70 kg che si muove a 4.5 m/s su una superficie elastica e con una stiffness di 195 kN/m può immagazzinare e restituire circa il 9% dei 100 J stoccati ad ogni passo, assumendo un picco di forza di reazione al suolo circa 2.75 volte più grande del peso corporeo; dunque, una riduzione nella produzione di forza muscolare e di lavoro meccanico può contribuire all’incremento della perfomance di corsa osservato su tracciati elastici.

I cambiamenti nella stiffness dell’arto inferiore e nella sua compressione su differenti superfici indicano che il Sistema Nervoso Centrale non si basa su un modello specifico di dinamica articolare per controllare la corsa; gli spostamenti ed i momenti articolari cambiano per le diverse rigidità (stiffness) di superficie, ma il movimento del centro di massa e il tempo di contatto al suolo rimangono gli stessi; questi valori costanti suggeriscono che il SNC potrebbe controllare uno o più di questi parametri durante la corsa o, alternativamente, la leg stiffness modula indirettamente i parametri a livelli neuromuscolari più bassi (minimizzando lo spostamento delle fibre muscolari nella fase di contatto). Un controllo del movimento del centro di massa si verifica anche su superfici rigide, attraverso la produzione di maggiore lavoro muscolare per compensare l’energia persa durante la compressione con il terreno. La leg stiffness viene modulata per mantenere una stiffness verticale costante (figura 8).

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Figura 8 Leg stiffness e Vertical stiffness date diverse rigidità di superficie

La stiffness “verticale”

La stiffness verticale non corrisponde a nessun tipo di “molla” all’interno del sistema; essa rappresenta lo spostamento verticale del centro di massa durante il tempo di contatto al suolo ed è fondamentale nel determinare quanto a lungo il sistema massa-molla rimane a contatto con il suolo. La stiffness verticale è calcolata dal rapporto tra la forza “F” e lo spostamento verticale Δy, nel momento in cui il centro di massa raggiunge il punto più basso:

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il centro di massa raggiunge il punto più basso nello stesso tempo in cui la gamba viene compressa al massimo. Lo spostamento del centro di massa e il tempo di contatto al suolo diminuiscono con frequenze di passo elevate in seguito al comportamento meccanico del sistema muscolo scheletrico (figura 9).

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