Influenza della stiffness nella corsa prolungata (di Alberto Mazzucchelli)

Tesi mazzucchelli

In questo articolo pubblichiamo la tesi di laurea di Alberto Mazzucchelli, mezzofondista bergamasco che nel 2014 si è laureato in Scienze Motorie presso l’Università Cattolica di Milano con la tesi di Laurea:

“Influenza della stiffness nella corsa prolungata”

Dopo la laurea Alberto si è trasferito in Francia (Nizza) per continuare gli studi specialistici.

In questa intervista ci racconta il suo percorso da atleta-studente all’estero.

Tesi mazzucchelli-2

 

Vista la lunghezza, la tesi sarà pubblicata in 3 articoli:

  1. Introduzione e Capitolo 1 (articolo di oggi)
  2. Capitolo 2
  3. Capitolo 3 e Conclusioni

 

Influenza della stiffness nella corsa prolungata: introduzione

La scelta dell’argomento della mia tesi di laurea nasce dal mio percorso di atleta specializzato nel mezzofondo prolungato, iniziato sette anni or sono nella storica società bergamasca “Atletica Bergamo 1959”.

La semplice ma forte passione verso la corsa, ha stimolato la mia curiosità e il mio desiderio di approfondire i diversi aspetti legati a questo gesto naturale e al tempo stesso complesso, del corpo umano così diverso nelle sue caratteristiche tra gli atleti affermati e gli amatori.

La mia crescita come persona e atleta, attraverso gli studi universitari e le esperienze dirette di allenamento in Italia e all’estero, mi ha dato lo spunto per esplicitare quella che rimane la mia grande passione approfondendo tutte le tematiche che riguardano la corsa.

Sono partito dal concetto di “corsa ideale”, passando per la biomeccanica e la Stiffness, attraverso l’applicazione di test di valutazione funzionale sull’appoggio del piede e relativi tempi di contatto al suolo, ricercando un possibile miglior costo energetico e una maggiore efficienza della corsa stessa.

 

La corsa

1.1   Definizione

Ognuno corre come e dove vuole. Basta guardarsi attorno nei parchi, nelle gare podistiche o su pista, in televisione, per rendersi conto di quanti modi di correre siano adottati dai bambini, dagli amatori e dai top runner. Tra tutte queste infinite tipologia di tecniche di corsa, qual è la più efficiente ?

Si può paragonare il corpo umano a un’automobile, che potrà essere più o meno efficiente; dando per scontato che quest’automobile abbia un buon motore e sia alimentata con la benzina corretta, cos’altro può influenzare la sua efficacia? Sicuramente un ottimo telaio e delle gomme ben gonfie, più giri fa un motore, più veloce va un’auto.

Più passi compi nella stessa unità di tempo più veloce andrai; ma se si effettuano troppi “passettini” si rischia di andar più piano di quanto  si corresse prima. L’ampiezza della falcata ha un ruolo molto importante nella corsa, più è estesa, maggiore sarà la distanza coperta con un passo.

Maggiore è la velocità e/o la distanza che deve coprire la nostra automobile, maggiore sarà l’influenza delle gomme per il raggiungimento di quelle velocità o località in un determinato tempo.

Lo stesso fondamentale ruolo nella corsa è rappresentato dai piedi, in modo che supportino il carico della corsa più direttamente e in misura più elevata. Allenarli, renderli forti, flessibili e resistenti è un grande passo verso un’impostazione corretta della tecnica di corsa.

Un buon telaio permette di ridurre la resistenza dell’aria e di conseguenza consumare meno benzina per avanzare velocemente e/o  il più possibile; un’armoniosa impostazione di corsa, è sinonimo di economicità, ovvero una riduzione di spreco di energie per far avanzare il nostro corpo. Le nostre ossa, coordinate dai muscoli, rappresentano un sistema di contrappesi che ci mantiene stabili nell’effettuare un qualsiasi movimento; nella corsa le braccia si muovono in funzione della meccanica delle gambe senza sbandare, quindi variare la direzione, e senza ruotare le spalle attorno l’asse verticale portando ad un maggior dispendio di energie.

Si può definire la corsa come un movimento economico ed efficiente, dato da un utilizzo coordinato di tutte le parti del corpo.

 

1.2   Tipi di corsa

Un corretto appoggio del piede al suolo è il primo e fondamentale fattore che influenza una corretta tecnica di corsa.

Si possono distinguere diversi tipi di corsa in relazione a come il  piede si appoggia al suolo, migliorando o limitando la stiffness, l’efficacia e/o l’economicità del movimento: appoggio corretto, eccesso di pronazione, piede piatto, supinazione eccessiva e piede cavo.

I piedi sono gli arti più complessi del corpo umano, sono strutturati per fornire sostegno e permettere la locomozione, nel cammino o  nella corsa.

Sono formati da 26 ossa ciascuno e da tante e complesse  articolazioni che permettono loro di avere un’ottima capacità di movimento.

In particolare consentono di modificare la forma e la curvatura della volta plantare per potersi così adattare alle asperità del terreno,  cioè di ammortizzare l’appoggio.

Si può paragonare la volta plantare alla volta di un soffitto, sorretta da tre archi che hanno tre punti d’appoggio, messi a triangolo, su cui è distribuito il peso del corpo:

  • arco interno;
  • arco esterno;
  • arco anteriore

L’arco trasverso interno, detto anche arco plantare, è il più lungo e il più alto tra i tre ed è anche quello più importante perché riveste un ruolo fondamentale nella biomeccanica dell’appoggio e unisce il punto d’appoggio del calcagno con il primo metatarso.

L’arco trasverso esterno è meno alto e lungo dell’arco interno  e unisce il calcagno col quinto metatarso.

L’arco anteriore longitudinale è il più corto e basso e unisce il primo metatarso con il quinto, definendo l’avampiede.

Tutti e tre gli archi possono variare la curvatura proprio in virtù della loro elasticità.

La volta plantare si può paragonare a un ammortizzatore con il compito di smorzare del peso del corpo e di adattare la sua forma  alle caratteristiche del terreno.

Questo ruolo di ammortizzazione è indispensabile per rendere agile e proficua la corsa; i difetti di appoggio, che accentuano o diminuiscono le curve degli archi, alterano il contatto del piede col suolo e creano problematiche che rendono la corsa poco efficace e dispendiosa (e anche predisposta agli infortuni).

Ogni corridore ha una propria struttura ossea, muscolare e legamentosa che lo caratterizza e che incide notevolmente sulla tipologia e l’efficacia dell’appoggio.

Quando parliamo di pronazione e supinazione ci riferiamo a due movimenti fisiologici che avvengono durante la fase di appoggio.

Cosa succede se uno dei due movimenti risulta eccessivo o limitato o troppo prolungato nel tempo?

Analizzando la sequenza durante la fase di supporto, un corridore ha un movimento di pronazione esagerato, cioè ha troppa rotazione interna, si dice che è afflitto da un eccesso di pronazione o che è un iperpronatore; in questo caso l’arco plantare risulta poco pronunciato con parziale cedimento dell’arco.

Questa alterazione dell’appoggio può essere dovuta a cause di tipo anatomico e/o funzionale e comporta tutta una serie di scompensi biomeccanici che, se non opportunamente risolti, con l’andare dei chilometri possono dare luogo a diverse patologie.

Un appoggio con eccesso di pronazione ha un’alterazione nella distribuzione dei carichi proprio nel momento in cui il piede deve sopportare tutto il peso del corpo.

Le strutture della volta plantare sono allora soggette a delle sollecitazioni anomale che aumentano lo stress sulla parte tendinea e legamentosa chiamata a sopportare una sollecitazione maggiore.

In questa situazione anche i muscoli del piede sono in sovraccarico essendo chiamati a svolgere, oltre alla loro naturale azione stabilizzatrice, anche quella dinamica.

Nel piede piatto, durante la fase di sostegno del passo, il supporto dei muscoli e dei legamenti viene a mancare completamente e il piede spancia verso l’interno; anche in questo caso le cause possono essere di tipo anatomico e funzionali.

Come nel piede con eccesso di pronazione si ha una lassità legamentosa associata alla mancanza di tono muscolare, in particolare del muscolo tibiale posteriore; il piede piatto è spesso doloroso ed è limitante per la corsa.

Se durante l’appoggio a terra il piede ha una scarsa rotazione interna e un’accentuata rotazione verso l’esterno si parla di limitata pronazione o di un eccesso di supinazione.

In questo caso l’arco plantare è più arcuato rispetto al normale, causando un’eccessiva rigidità del piede e nella fase di sostegno la superficie di appoggio si assottiglia e perde gran parte del suo potere ammortizzante, provocando una tensione eccessiva a livello delle strutture tendinee e muscolari.

Chi corre con questo tipo di appoggio è più predisposto  alle distorsioni e alla sindrome della bandelletta ileo-tibiale; infatti un eccesso di supinazione limita la fisiologica rotazione interna della tibia, con scompensi a livello del ginocchio.

Nel piede cavo le cause possono essere anche di tipo anatomico: congenite o funzionali. L’arco plantare è così arcuato da avere un’impronta del piede senza “l’istmo”, vale a dire senza la continuità tra il calcagno e l’avampiede.

Il piede cavo è un piede molto rigido per via della poca elasticità dei muscoli plantari, del polpaccio e del tibiale posteriore.

Il peso del corpo è spostato tutto verso l’avampiede e il calcagno con il conseguente sovraccarico delle strutture.

 

1.3   La biomeccanica

La biomeccanica è la scienza che applica i principi della meccanica al movimento del corpo umano e in particolare studia la cinematica (il movimento del corpo) e la dinamica (le forze che provocano tali movimenti).

L’uomo, dalla sua nascita in poi, si troverà sempre a contrastare la forza di gravità in tutte le sue attività.

Attraverso la biomeccanica siamo in grado di comprendere il funzionamento della macchina umana, sia quando è ferma (statica), sia quando è in movimento (dinamica) e comunque sempre come adattamento all’azione della forza di gravità.

Il modello biomeccanico, che deriva da queste applicazioni, ci consente di individuare degli status ottimali, o meglio ideali, a cui cerchiamo di tendere in particolare nello svolgimento delle attività sportive.

Ecco che l’analisi del gesto motorio della corsa e della marcia confrontato con i modelli biomeccanici ci permette di prendere coscienza del nostro modo di correre o comminare, di definire protocolli di allenamento mirati e sostanzialmente di migliore anche la performance.

Nella biomeccanica si definisce leva, una macchina semplice mobilizzata su un punto d’appoggio (fulcro), il cui scopo è di equilibrare o contrastare una forza (resistenza) con un’altra forza (potenza).

A seconda della posizione in cui si trova il fulcro, si distinguono tre tipi di leve (vedi figura 1)

  • di I genere (interfulcrale): il fulcro (F) si trova il punto d’applicazione della potenza (P) e quello della resistenza (R). E’ una leva vantaggiosa quando il braccio della potenza è maggiore del braccio della resistenza;
  • di II genere (interesistente): la resistenza si trova tra la potenza e il fulcro. E’ una leva vantaggiosa perché il braccio della potenza è sempre maggiore di quello della resistenza;
  • di III genere (interpotente): la forza è situata tra il fulcro e la resistenza. E’ una leva svantaggiosa perché il braccio della potenza è sempre minore rispetto al braccio della

 

Figura 1: tipologie di leve del corpo umano
Figura 1: tipologie di leve del corpo umano

 

La differenza fondamentale tra la corsa e la camminata è la presenza di una fase aerea (di sospensione). Durante questa fase, assente nella camminata, entrambi i piedi sono staccati da terra e il nostro corpo si trova per tanto in “fase aerea” rispetto al terreno.

Nella corsa l’appoggio del piede al suolo non avviene, o non dovrebbe avvenire in un’atleta evoluto, la sequenza tallone-avampiede  come nella deambulazione. E’ l’avampiede, e più precisamente la parte esterna metatarsale a prendere contatto con il suolo in modo da assorbire l’impatto e sfruttare contemporaneamente l’azione dei muscoli estensori (la cosidetta “stiffness”).

Una corretta tecnica di corsa prevede il controllo di diversi segmenti corporei:

  • la testa (va mantenuta eretta, in linea con il corpo);
  • il busto (deve essere leggermente inclinato in avanti);
  • il bacino (non deve essere arretrato rispetto al busto);
  • le braccia (devono avere un angolo gomito-avambraccio di circa 90 gradi);
  • i piedi (in assetto corretto).

La tecnica della corsa può essere suddivisa in diverse fasi:

  • il contatto: il piede “atterra” al  suolo  con diverse angolature (figura 2):
Figura 2: contatto del piede a terra nella corsa
Figura 2: contatto del piede a terra nella corsa

 

  • l’appoggio, che può essere distinto in tre fasi:

Prima fase: ammortizzazione, cioè la presa di contatto del piede sul terreno e ammortizza l’impatto grazie all’azione del tricipite surale; durante questa fase si sfrutta appieno la componente reattivo-elastica del piede. Il piede di appoggio si trova avanti al baricentro del corpo e il quadricipite femorale, nel suo insieme, contribuisce nell’attenuazione l’impatto del piede a terra.

Figura 2: contatto del piede a terra nella corsa
Figura 3: contatto/ammortizzazione del piede a terra nella corsa

 

Seconda fase: sostegno, è l’avanzamento lineare e orizzontale del bacino; in questa fase il piede si trova perfettamente in asse con il baricentro; i muscoli si contraggono isometricamente per mantenere la stabilità del corpo.

Figura 4: fase di sostegno
Figura 4: fase di sostegno

 

 

Terza fase: raddrizzamento, consiste nel raddrizzamento dell’arto in appoggio, il quale produce l’impulso necessario per l’accelerazione del distacco del piede dal terreno.

Figura 5: raddrizzamento arto in appoggio
Figura 5: raddrizzamento arto in appoggio

Il piede si trova dietro al baricentro; i muscoli sfruttano la loro forza di tipo elastico e reattivo (“stiffness”) per proiettare in avanti il corpo (avviene quindi l’estensione della gamba).

 

  • Spinta: la fase di spinta inizia dai muscoli del bacino, più lenti ma potenti, si continua con i muscoli della gamba e termina con i muscoli del piede. I muscoli del bacino e del tronco agiscono come stabilizzatori durante tutto il movimento (retto dell’addome, obliqui interni, obliqui esterni, sacro-spinale e lunghissimo del dorso, quadrato dei lombi, gran dorsale). Anche nella corsa, similmente al cammino, il soleo, insieme al grande gluteo, contribuisce maggiormente alla genesi del movimento
Figura 6: la spinta
Figura 6: la spinta

 

  • Fase aerea: abbiamo il recupero degli arti inferiori per l’alternanza della loro funzione. Durante l’azione della corsa, gli arti superiori oscillano in coordinazione con il movimento delle gambe. Il busto, sia in fase aerea, che in quella di contatto, rimane in leggera flessione e inclinato in avanti
Figura 7: fase aerea
Figura 7: fase aerea

 

Nelle corse di resistenza è necessario trovare il loro giusto compromesso tra l’ampiezza e la frequenza del passo: maggiore è l’ampiezza del passo e più elevato sarà il dispendio energetico dell’atleta.

Figura 8: rapporto ampiezza-frequenza corsa  (Fonte: C. Bosco, P. Lohtanen, Fisiologie e Biomeccanica applicata al calcio)

Figura 8: rapporto ampiezza-frequenza corsa
(Fonte: C. Bosco, P. Lohtanen, Fisiologie e Biomeccanica applicata al calcio)

 

1.4   Il costo energetico e il rendimento nella corsa

I fattori limitanti la prestazione, nelle specialità di tipo aerobico, sono generalmente rappresentati dal massimo consumo di ossigeno (VO₂max), dalla capacità di utilizzarne la maggior percentuale possibile senza l’accumulo di lattato (soglia anaerobica o MLSS) e dal costo energetico (Cr).

Il costo energetico della corsa è la quantità di energia che il soggetto deve spendere per compiere un percorso unitario; è una misura dell’economia della progressione ed è tanto minore quanto più economico è il gesto del soggetto.

In genere il costo energetico (Cr) è espresso al netto del consumo di riposo e per unità di massa trasportata: nel S.I. di unità in J/(Kg * m) o in KJ/ (Kg * Km).

In fisiologia o in medicina il dispendio energetico è calcolato a partire da misure di consumo di O2, per cui è spesso pratico esprimere il Cr in ml O2/ (Kg * m) tenendo conto che il consumo di un litro di O2 nell’organismo umano sviluppa circa 5 Kcal (4,19 J) è possibile trasformare tutte queste unità le une nelle altre.

Nel soggetto adulto il Cr, espresso in Kg. di massa corporea è indipendente dall’età, dal sesso e dalla massa corporea nella corsa in piano a velocità costante e su terreno compatto ammonta, in media, a 3,8 KJ/(Kg * Km) fino a velocità di 20km/h, al netto del consumo di riposo.

Il costo energetico si può distinguere in due parti:

  • costo aerodinamico (Ca);
  • costo non aerodinamico (Cna), dove il primo fattore rappresenta il costo energetico per vincere la resistenza dell’aria e aumenta con il quadrato della velocità rispetto all’aria, mentre il secondo fattore è influenzabile da forze non aerodinamiche come accelerazione, decelerazione, abbassamento e sollevamento:

formula 1

 

In questa formula K è una costante di proporzionalità e dipende dalla superficie proiettata sul piano frontale, dalla densità dell’aria e dalla forma del corpo in movimento.

Il costo energetico della corsa è, soprattutto, un indicatore dello “stile” dell’atleta, essendo più economico, cioè con un Cr  minore, quello in possesso di una maggiore “armonia” di movimento e di una migliore coordinazione neuromuscolare.

La misura del Cr richiede la determinazione di tutta l’energia che il soggetto spende per muovere se stesso, indipendentemente da quale sia il substrato o la via metabolica utilizzata.

Conoscendo le leggi della biochimica che regolano il metabolismo energetico e ipotizzando valori di alcuni parametri che non possono essere facilmente misurati, calcolare, sia pure in modo teorico, tutte le fonti energetiche utilizzate nel corso di una prestazione.

Nella misura del Cr della locomozione si preferisce far riferimento a condizioni prevalentemente aerobiche nelle quali, cioè, l’energia proviene totalmente dal metabolismo aerobico e vi è quindi equilibrio tra lattato prodotto e lattato rimosso; ovvero quando l’intensità di lavoro è inferiore alla S.A o, più correttamente, inferiore al carico corrispondente al MLSS.

Da un punto di vista pratico il Cr si ottiene misurando, sul campo o in laboratorio, il VO₂ alla bocca mentre il soggetto effettua una prova a carico costante ma inferiore alla propria S.A della durata di 5’/6’; il valore di VO₂ relativo a quel carico, sarà considerato il valore medio degli ultimi 2’ o ultimo minuto della prova.

formula 2

La soglia anaerobica è quel valore, oltre il quale, si verifica un accumulo progressivo di lattato nel sangue; corrisponde alla zona di transizione aerobico-anaerobico dove l’energia per sostenere quel carico arriva da fonti energetiche aerobiche e anaerobiche.

Al concetto di soglia anaerobica è stato affiancato quello di MLSS (Maximal Lactate Steady State), ovvero intensità di lavoro alla quale il soggetto mantiene una concentrazione massimale di lattato ematico in una condizione di steady state.

La VAM (velocità aerobica massima) è l’intensità di lavoro dove la spesa energetica corrisponde al VO2max; è definita come la velocità in grado di stimolare la massima potenza aerobica ed è calcolabile con la seguente formula:

formula 3

 

Secondo alcuni studi eseguiti su atleti si seguiva il seguente protocollo:

  • corsa continua 6’ alla velocità di 12 Km/h, recupero 6’ sul posto, seduti;
  • corsa continua 6’ sotto-soglia, velocità individuale, recupero 6’ sul posto, seduti;
  • corsa continua 5’ sopra-soglia, velocità individuale, recupero 6’ sul posto, seduti;
  • corsa continua 2’ R.g. m 1500, velocità

Al termine di ciascun carico si effettuava un prelievo ematico  tramite lattamentro, mentre il consumo di ossigeno era calcolato grazie ad un metaboli metro telemetrico respiro per respiro.

I dati di VO₂ ottenuti sono stati utilizzati per la determinazione del Cr (espresso in mlO₂/kg/min) in funzione delle velocità.

La VAM è stata calcolata attraverso la formula di Di Prampero sopra citata, dove     corrisponde a 5 ml/kg/min e il Cr è relativo alla velocità di 12km/h.

 

I risultati ottenuti dal presente studio evidenziano quanto segue:

  • il costo energetico della corsa evidenzia una crescita progressiva dei valori al crescere delle velocità di percorrenza delle varie frazioni; già dopo la prima frazione il valore di Cr è risultato superiore a quanto riportato in letteratura, lo stesso, però, rientrava nella norma quando ai soggetti esaminati è stato chiesto di percorrere la stessa frazione alla stessa velocità ma calzando scarpette chiodate al posto di quelle

Questo aumentato rendimento muscolare sembra essere attribuibile all’accumulo dell’energia elastica immagazzinata nella componente elastica seriale della muscolatura che è sottoposta ad allungamento, durante la fase eccentrica dell’esercizio, restituita nella successiva fase concentrica. Il recupero di energia elastica, che calzando scarpette gommate, quindi morbide, non avviene o avviene solo in parte, in quanto i tempi di contatto dei piedi sul terreno aumentano sensibilmente disperdendo tale surplus di energia sotto forma di calore;

  • valutare le capacità e le abilità dell’atleta, in itinere, è fondamentale perché permette di mantenere sotto controllo il processo di allenamento. Le valutazioni, anche le più complesse e sofisticate come la valutazione del Cr, debbono cominciare a rientrare nelle competenze dell’allenatore perché la crescita della maestria sportiva nell’atleta di alto livello e non solo, passa attraverso lo sviluppo, la crescita e l’utilizzazione del suo potenziale

 

Nel prossimo articolo parlerò in maniera più specifica della stiffness.

 

Ringrazio per il prezioso contributo il relatore della mia tesi Prof. Maurizio Mondoni, il preparatore atletico Matteo Arzuffi e Global For Sport per essersi resa disponibile per effettuare i diversi test di valutazione.

 

Di Alberto Mazzucchelli
Laureato in Scienze Motorie

 

Intervista ad Alberto Mazzucchelli: Atletica e studi tra Bergamo e Nizza

 

Bibliografia

  1. Mondoni, Basket e Biomeccanica, Libreria dello Sport, Milano, 2002
  2. Bisciotti, I tendini. Biologia, patologia, aspetti clinici, Calzetti Mariucci Editore, Ferriera di Torgiano (PG), 2013
  3. Bosco, La  forza  muscolare.  Aspetti   fisiologici  e  applicazioni pratiche,  Società Stampa Sportiva, Roma, 2002
  4. Di Prampero, La locomozione umana su terra, acqua, in aria. Fatti e teorie, Edi.Ermes, Milano, 1985
  5. Bosco, P. Lohtanen, Fisiologie e Biomeccanica applicata al calcio, Società Stampa Sportiva, Roma, 1992

Sitografia

www.runlovers.it

www.runnersworld.it

 

 

 

 

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