Analisi biomeccanica della corsa su pista centrifuga

Le caratteristiche di una corsa di questo tipo sono state analizzate media 626h78g nte la comparazione dell'analisi 3D del movimento di quattro soggetti ripresi in azione su pista piana e su pista centrifuga a velocità simili. Valendosi delle riprese fatte è stato utilizzato un metodo stereofotogrammetrico per la ricostruzione delle coordinate spaziali dei repere articolari degli atleti: si è così potuto individuare le fasi di cui si compone il gesto e analizzarle dal punto di vista cinematico e dal punto di vista tecnico. Dalla stima della posizione del centro di massa dell'atleta, si è calcolata la sua velocità istantanea e la relativa energia meccanica, stimando di conseguenza il lavoro meccanico delle forze esercitate dai muscoli. La corsa su pista centrifuga comporta un incremento del lavoro meccanico esterno del 35% rispetto alla corsa su pista piana. Si è, inoltre, colta l'occasione per un'attenta revisione della terminologia descrittiva degli eventi in discussione.

Abstract

Questo studio puntò a verificando la validità di correre su una pista centrifuga come un strumento capace aumentare carichi riguardo a gestione di livello. 

La cinematica e caratteristiche tecniche di qualche genere di corsa furono analizzate comparando quattro soggetti girando un film mentre correvano su un piano e su una pista centrifuga alle velocità simili. Attraverso un'analisi di moto video-basata, una procedura di stereofotogrammetrica fu utilizzata per ricostruire in un spazio del 3D le coordinate dei centri di giuntura dell'atleta, mentre rendendo possibile l'identificazione delle fasi che compongono l'atto in marcia e la loro analisi. La posizione del centro dell'atleta di massa fu valutata, e la sua velocità istantanea ed energia meccanica furono calcolate, mentre abilitando così il preventivo del lavoro meccanico esercitato dalla massa muscolare. Correndo su una pista centrifuga diede luogo ad un 35% aumento del lavoro meccanico ed esterno riguardo a gestione di livello. Inoltre, una revisione accurata della terminologia adatta per descrivere le fasi dell'atto a motore ed in marcia fu condotta. 

Introduzione

La metodologia dell'allenamento definisce "a carattere speciale" «quelle esercitazioni che ripropongono parti significative del modello cinematico e dinamico della prestazione di gara» (Bellotti e Matteucci, 2000) (¹). Questa definizione è ampiamente accettata in ambito tecnico-sportivo, anche se, allo stato attuale, non consente un approccio quantitativo.

Nell'ambito della corsa veloce, i mezzi di allenamento per lo sviluppo della forza cosiddetta "speciale" vanno dalla corsa in salita a quella con il traino, dalla corsa con sovraccarichi (zavorre) all'uso del paracadute.

Secondo Vittori (1990) (²) il carico ottimale nelle  esercitazioni di corsa con  cinture è compreso fra il 10 ed il 15% del peso corporeo dell'atleta: l'entità del sovraccarico va adattata quindi alle caratteristiche del soggetto; ad esempio nella corsa con traino su 30 m l'entità del carico dovrebbe essere tale da indurre un peggioramento del tempo di percorrenza rispetto alla prestazione dell'atleta sulla stessa distanza senza carico, di 80-100 centesimi di secondo, in modo da attestare i tempi di appoggio intorno ai 160 millesimi di secondo.

La differenza tra la corsa in piano e quella in salita è stata valutata attraverso l' osservazione di parametri cinematici da Paradisis e Cooke (2001) (³). In questo studio, dove la salita è stata riprodotta con una pedana inclinata di 3° rispetto all'orizzontale e la velocità di corsa era di 7,8 ± 0,5 m·s^-1, è stata messa in evidenza una riduzione dell'ampiezza del movimento degli arti inferiori, con apprezzabili cambiamenti sia nelle caratteristiche cinematiche che nell'assetto di corsa dell'atleta. Nel primo istante della fase di appoggio, durante la corsa in salita, rispetto alla corsa in piano, sono state mediamente osservate le seguenti variazioni: una aumentata flessione del tronco di 7 gradi, una aumentata inclinazione della gamba rispetto all'orizzontale di 4 gradi, ed una diminuzione dell'angolo compreso tra le cosce, misurato sul piano sagittale, di 23 gradi. Alla fine della fase di appoggio, i primi due angoli aumentano tutti e due di 6 gradi. L'angolo fra le cosce non si modifica significativamente, mentre il ginocchio risulta più flesso di 8 gradi. Le ripercussioni sulla lunghezza del passo sono quantificabili in un decremento di circa il 5%.

Nella corsa con il paracadute o con il traino l'incremento di carico è ottenuto con una forza approssimativamente orizzontale localizzata in genere alla vita. Secondo Lockie e Murphy (2003) (⁴), la corsa col traino, con un carico corrispondente al 32% del peso corporeo (velocità di progressione di 4,4  0,4 m·s^-1) induce,  rispetto alla condizione senza carico (velocità di 5,7  0,4 m·s^-1), variazioni significative nella cinematica del tronco e degli arti inferiori. Nell'istante di stacco si notano un aumento della flessione del tronco rispetto alla verticale e una maggiore flessione della coscia sul tronco, rispettivamente da 39°  5 a 45°  7 (circa 0° in postura eretta) e da 96°  7 a 91°  8 (circa 180° in postura eretta). Le velocità prese in esame sono però notevolmente più basse rispetto a quelle raggiungibili dai velocisti (fino a 12 m·s^-1).

Per quanto riguarda la corsa con sovraccarichi, la letteratura non è estesa e riguarda per di più un ambito clinico e non sportivo. Ostering e Robertson (1993) (⁵) hanno valutato l'uso di un giubbetto zavorrato (10% della massa corporea) durante la corsa su lunga distanza effettuata su nastro trasportatore e si sono concentrati sulla cinematica degli arti inferiori con e senza giubbetto a velocità di 3,81 m·s^-1 e di 3,33 m·s^-1, rispettivamente. Questi autori hanno registrato modificazioni statisticamente significative durante le fasi di ammortizzazione e spinta degli angoli di flesso-estensione dell'anca, del ginocchio e della caviglia, con variazioni percentuali del 42% per anca e caviglia e del 31% per il ginocchio.

La letteratura sopra citata evidenzia, quindi, come la corsa con sovraccarichi localizzati o su superfici inclinate induce significative modificazioni nell'assetto di corsa dell'atleta, le quali possono sollecitare in maniera anomala la struttura muscolo-scheletrica.

La pista centrifuga, descritta nel dettaglio nel paragrafo successivo, costituisce una possibile alternativa ai metodi sopra esposti. Scopo di questo studio è di verificare se sia possibile collocarla tra i mezzi speciali di allenamento dimostrando che il gesto della corsa, quando eseguito su di essa, non venga eccessivamente modificato, seppure in presenza di un aumento del carico di lavoro. Si ipotizza, inoltre, che, poiché le forze agenti sull'atleta sono distribuite e non concentrate come nel caso dei metodi sopra illustrati, tale aumento possa essere ottenuto senza mettere a rischio l'integrità dell'apparato locomotore della persona coinvolta. Questo obiettivo è stato perseguito attraverso una analisi biomeccanica comparata della corsa in piano e su pista centrifuga a velocità simili. In particolare sono state messe a confronto grandezze di tipo cinematico e energetico stimate utilizzando misure stereofotogrammetriche.

La pista centrifuga

La pista centrifuga ha essenzialmente la forma di un catino. Il prototipo da noi valutato, ideato dall'ing. Giuseppe Scuderi (Scuderi, 1994) (⁶). è caratterizzato da una pedana di corsa di sezione parabolica e dunque dotata di un'inclinazione crescente. Il diametro passa da quattro metri circa del margine interno fino ai sette di quello più esterno (Fig.1). La pedana è contraddistinta da cinque corsie (anelli) ad inclinazione diversa e l'atleta deve correre seguendo una di esse (Scuderi, 1994, cit.).

FIGURA 1

La corsa dell'atleta sulla pista centrifuga è caratterizzata da due moti diversi tra loro che contraddistinguono le fasi principali del gesto: fase di volo e di appoggio. La prima è caratterizzata da un moto parabolico del centro di massa (CM) che compie traiettorie balistiche su un piano puramente verticale; tale situazione è identica a ciò che avviene durante la corsa in piano, salvo che il soggetto ha il proprio asse corporeo perpendicolare alla pedana e quindi il piano sagittale sul quale si svolge la fase di volo è inclinato rispetto alla verticale. Durante la fase di appoggio si verifica, invece, un cambio di direzione del CM che permette all'atleta di seguire una traiettoria mediamente circolare e quindi rimanere su una delle corsie della pista (Fig. 2). Il cambio di direzione è reso possibile dall'azione della componente orizzontale della reazione vincolare agente sull'atleta verso il centro della traiettoria. Questa forza conferisce al CM una accelerazione centripeta e consente ad esso una traiettoria circolare.

Figura 2. La traiettoria del centro di massa nella corsa su pista centrifuga vista dall'alto: la parte limitata da IC (inizio contatto) e FC (fine contatto) indica l'appoggio di un piede ed è evidente il cambio di direzione; durante la fase aerea (FC-IC) la traiettoria del CM è rettilinea (a meno degli errori di misura del software) e giace solo su di un piano verticale antero-posteriore.

Figura 3. La dinamica dell'appoggio su pista centrifuga.

In prima approssimazione e per facilitare l'analisi, si ipotizzi che il CM si muova di moto circolare uniforme ad una velocità con modulo pari a v. Il raggio della relativa circonferenza sia pari ad r e uguale a quello della corsia utilizzata. Il CM è dunque sottoposto ad una accelerazione agente in direzione centripeta ed avente modulo pari a

a= .                                           (1)

Applicando al sistema atleta di massa m, sottoposto alla forza peso e alla reazione vincolare del terreno, l'equazione del moto relativa alle traslazioni e rappresentando le grandezze vettoriali coinvolte rispetto al sistema di riferimento indicato nella figura 3, si ottiene:

                                           (2)

Calcolando le componenti della accelerazione centripeta data dalla eq. 1, nonché quelle della forza di gravità, si ha:

                           (3)

e quindi

                           (4)

Si ipotizza che l'atleta che corre su uno specifico anello di raggio r, a cui è associata una inclinazione (Scuderi, 1994, cit.), tenda ad assumere una velocità per cui la componente della reazione vincolare secondo l'asse x (associata all'attrito) si annulla. Ne consegue che, dalla prima equazione del sistema in (4), si ha: 

                                   (5)

Sostituendo la (5) nella seconda equazione del sistema (4), si ottiene:

, ovvero

dove  (6)

può essere interpretata come una accelerazione di gravità apparente, sempre maggiore di g.

Dato, quindi, il raggio dell'anello su cui corre l'atleta, ovvero la relativa inclinazione della pista , è possibile calcolare la velocità media di progressione con l'equazione (5), nonché l'accelerazione di gravità apparente con l'equazione (6). Dalla figura 4 si osserva che l'accelerazione apparente aumenta con una legge approssimativamente quadratica in funzione dell'angolo  Ciò comporta che l'atleta è sottoposto ad un peso corporeo apparente superiore a quello reale che aumenta con la stessa legge. Si ribadisce tuttavia che ciò è vero solo durante la fase di appoggio, poiché è durante questo intervallo di tempo che si applicano le considerazioni sopra riportate. Al contrario, durante la fase di volo, l'atleta è soggetto esclusivamente alla gravità terrestre.

Figura 4. L'incremento dei valori di gravità "apparente" a cui è sottoposto l'atleta negli istanti di contatto durante la corsa su ognuna delle cinque corsie della pista centrifuga (a) alle rispettive velocità medie di percorrenza.

L'ipotesi formulata in precedenza e relativa al fatto che l'atleta tende a azzerare la forza di attrito agente sul piede in appoggio in direzione medio-laterale, porta con sé il fatto che il suo asse longitudinale è mediamente ortogonale alla pista e che, di conseguenza, il gesto può godere di simmetria sagittale (Fig. 5).

Figura 5. L'atleta in corsa sulla pista centrifuga. L'angolo a rappresenta l'inclinazione della pista rispetto al suolo a livello dell'anello (corsia) lungo il quale l'atleta sta correndo.

Materiali e metodi

Lo studio è stato condotto su quattro soggetti maschi di età compresa tra i 17 e i 24 anni, di statura 174  4 cm e massa corporea di 72  5 kg. Si trattava di due atleti di media qualificazione, un centometrista e un quattrocentometrista, e ben avviati nella pratica dell'atletica leggera.

Idealmente l'analisi comparativa fra la corsa sulla pista centrifuga e in piano doveva effettuarsi a parità di velocità. Tuttavia, si è incorsi nella impossibilità di soddisfare questo requisito vista la difficoltà di mantenere una uguale velocità durante l'esecuzione della corsa nelle due condizioni. Sul piano si è infatti registrata una velocità media di circa 7 m·s^-1, mentre sulla pista centrifuga la velocità è stata di circa 6 m·s^-1. L'anello caratterizzato da r = 2,96 m e = 44 gradi è stato scelto spontaneamente dagli atleti, dopo un periodo di familiarizzazione con la pista centrifuga di circa un mese caratterizzato da due sedute settimanali, come quello che consentiva una più naturale esecuzione del gesto. Le ragioni di questa scelta rimangono da esplorare, ma dipendono probabilmente dal non eccezionale livello di  qualificazione dei due soggetti.

La velocità media di corsa è stata misurata utilizzando due barriere ottiche Microgate (mod. "Polifemo", risoluzione10^-3·s). Sulla pista in piano queste sono state collocate ad una distanza di 60 m l'una dall'altra. Sulla pista centrifuga ne è stata utilizzata una in modo tale da registrare la velocità media sul giro. Data la breve distanza su cui è stata misurata la velocità media, specie su quest'ultima pista, si è dovuto prestare attenzione a eventuali errori causati dalle possibili differenti posizioni degli arti in occasione di successivi attraversamenti della barriera ottica. Per questo, le barriere sono state collocate all'altezza della pelvi.

L'atleta è stato rappresentato con un modello meccanico costituito da segmenti rigidi monodimensionali e articolati con cerniere sferiche (Fig. 6).

Figura 6. Il modello meccanico con cui è stato rappresentato l'atleta in entrambe le tipologie di corsa.

Ciascuna prova è stata ripresa ad inquadratura fissa con due telecamere professionali che campionavano a 50 fotogrammi al secondo (mod. Ikegami HC-200). Nel campo di ripresa sono stati collocati 20 marcatori in posizioni note rispetto ad un sistema di riferimento arbitrariamente definito (sistema globale). Utilizzando questi punti di controllo e mediante l'uso di un software, redatto allo scopo e che implementava un modello stereofotogrammetrico, si è proceduto alla calibrazione del volume di misura. Su ciascun fotogramma sono state misurate le coordinate immagine di ciascun centro articolare rappresentato nel modello meccanico dell'atleta (21 punti). Ciò è stato ottenuto utilizzando una digitalizzazione manuale effettuata sul monitor di un computer collocando una mira, la cui posizione era controllata dal mouse, sui punti di repere di interesse. Utilizzando le misure effettuate su ciascuna coppia di fotogrammi ripresi simultaneamente, sono state quindi stimate dal software le tre coordinate oggetto nel sistema di riferimento globale di detti punti in ciascun istante di tempo campionato. Il volume di misura ha consentito di ricostruire il movimento di una falcata completa (dal primo contatto di un piede al successivo contatto dello stesso piede). La sincronizzazione delle camere, onde evitare eventuali errori di ricostruzione della posizione dei repere, è stata curata prendendo come punto di riferimento un evento riconoscibile chiaramente da entrambe le riprese (tipicamente l'istante di stacco dal suolo).

Data la cinematica del modello meccanico ed avendo assegnato a ciascun segmento corporeo in esso rappresentato una stima della relativa massa nonché posizione del CM (De Leva, 1996) (⁷), è stato possibile stimare la posizione, nel sistema di riferimento globale, del CM dell'intero corpo dell'atleta in ciascun istante di tempo.

In un'analisi di questo tipo gli errori scaturiscono dall'identificazione sull'immagine, da parte dell'operatore, dei punti di repere e dei pepanti di controllo utilizzati per la calibrazione; essi si ripercuotono sulla determinazione della posizione del centro di massa e di conseguenza sulle grandezze derivate quali velocità ed accelerazioni. La posizione del punto di repere nello spazio è identificata dall'intersezione delle due linee di vista provenienti da ciascuna camera; in caso di mancata intersezione (a causa degli errori di digitalizzazione) il software considera il punto in cui la distanza tra le due rette è minima. Tale distanza, che è risultata essere in media di 15 mm, è da considerarsi rappresentativa dell'errore di misura.

Gli istanti di inizio e fine delle fasi di appoggio del piede destro e sinistro sono stati identificati utilizzando le traiettorie dei marcatori all'uopo collocati sul tallone e sulla punta del piede. L'ampiezza del passo è stata misurata come la distanza, lungo la direzione media di corsa, tra la posizione dei marcatori collocati sulla punta dei piedi nell'istante di fine contatto di due appoggi successivi. La frequenza del passo è stata calcolata come l'inverso della sua durata. Si consideri, inoltre, la fase aerea dell'arto, compresa tra l'istante di fine contatto della punta del piede e l'istante di inizio contatto dello stesso piede. Va ricordato che le misure di tempo erano caratterizzate da una risoluzione di 2 centesimi di secondo associata alla frequenza di campionamento delle telecamere (50 fotogrammi al secondo).

Le traiettorie dei marcatori collocati su ginocchio, caviglia e punta del piede sono state analizzate e confrontate nelle due tipologie di corsa allo scopo di analizzare qualitativamente il gesto di corsa per riscontrarne eventuali anomalie o incompletezze durante la corsa sulla pista centrifuga.

Utilizzando il modello meccanico dell'atleta e la posizione istantanea dei centri articolari, è stata stimata la cinematica articolare degli arti inferiori, e nella fattispecie l'andamento degli angoli al ginocchio durante le fasi di appoggio (il riferimento del modello è di 180° per l'arto completamente esteso e 0° per l'arto ipoteticamente completamente flesso - cfr. figura 7 -). E' stata, inoltre, stimata l'energia meccanica totale del centro di massa e, dalle variazioni di questa, il lavoro meccanico esterno compiuto dai muscoli degli arti inferiori dell'atleta.

Figura 7. Il riferimento angolare per la cinematica del ginocchio: 180° per l'arto completamente esteso e 0° per l'arto ipoteticamente completamente flesso.

Non disponendo di strumenti dinamometrici adatti alla misura delle forze scambiate tra l'atleta e la pista, è stata calcolata la variazione dell'energia meccanica associata al centro di massa, come sopra indicato, al fine di quantificare ciò che accade all'atleta durante la fase di appoggio su pista centrifuga che, come detto in precedenza, è caratterizzata da una dinamica differente rispetto alla corsa sul piano. L'energia meccanica (E_tot) è data dalla somma dell'energia cinetica (E_c = ½ m v²) e potenziale gravitazionale (E_p = m g h), dove la velocità di avanzamento e la quota del CM, utilizzate per il calcolo rispettivamente di E_c e E_p, sono istantanee. Il calcolo della velocità istantanea del CM è stato eseguito tramite derivata numerica dopo aver filtrato i dati di posizione utilizzando un filtro "passa basso" con frequenza di taglio di 16 Hz.

Il senso di corsa scelto sulla pista centrifuga era antiorario, cosicché l'arto esterno alla traiettoria era il destro, ma ciò non esclude che un eventuale allenamento debba prevedere entrambi i sensi di corsa, per ovvie ragioni cinestesiche e per evitare ogni eventuale pericolo di asimmetria.

Risultati

 Tempi di volo e di contatto

La durata media del passo nella corsa sul piano è risultata essere di 290 ms, di cui il 48% rappresentato dalla fase di contatto e il restante 52% da quella di volo. Su pista centrifuga, su una durata totale media di 260 ms, il contatto sale al 69% e il tempo di volo risulta essere del 31% (Tabella A).

 Tabella A. Tempi di volo e di contatto in assoluto e in percentuale della durata di un passo nelle due piste oggetto dell'indagine.

 Ampiezza e frequenza del passo

L'ampiezza media del passo è risultata essere di 2  0,2 m in piano e di 1,6  0,2 m sulla pista centrifuga, rispettivamente con un decremento medio, passando dalla prima alla seconda, del 20% (p<0,05).

Per quanto riguarda la frequenza del passo, sono stati osservati 3,4  0,1 passi al secondo sul piano e 3,7  0,3 su pista centrifuga, pari ad un aumento del 8% circa. Non vi è, per questo parametro, differenza statisticamente significativa tra le due tipologie di corsa (Tabella B).

Tabella B. Ampiezza e frequenza del passo sulle due piste oggetto dell'indagine e relative variazioni percentuali.

 Cinematica dell'arto inferiore: fase di pendolazione

Le traiettorie di tre punti, ginocchio, caviglia e punta del piede, sono state prese in considerazione come parametri descrittivi di questa fase. Come si evince dai grafici della figura 8, l'andamento verticale delle traiettorie sono, da un punto di vista qualitativo, sostanzialmente identiche, tuttavia, su pista centrifuga la durata della fase di pendolazione dell'arto è ridotta. Ciò sta a significare che, sulla pista centrifuga, la stessa traiettoria deve essere eseguita in tempi inferiori. Se, inoltre, si suddivide ulteriormente la fase di pendolazione in una fase detta di "oscillazione" (dallo stacco fino al termine dell'avanzamento della coscia, con la progressiva riduzione dell'angolo al ginocchio) e una fase detta di "distensione" (durante la quale l'angolo al ginocchio si apre fino al contatto del piede con il terreno), si può notare come queste mantengano la stessa proporzione sulla pista centrifuga rispetto alla pista piana (69% e 31%, rispettivamente).

Infine, la salita del ginocchio, intesa come massima elevazione di questa articolazione, nella corsa su pista centrifuga rispetto a quella in piano risulta essere minore di 8  4 cm. Nonostante la deviazione standard piuttosto alta la differenza è statisticamente significativa (p<0,05): questo fatto, sommato alla considerazione precedente, esprime la circostanza che nella corsa su pista centrifuga il ginocchio sale meno ma più rapidamente.

Figura 8. Andamento verticale delle traiettorie del ginocchio, caviglia e punta del piede come descrittive della fase aerea dell'arto durante la corsa su pista centrifuga (in alto) e sul piano (in basso).

 Cinematica dell'arto inferiore: fase di appoggio

Il contatto con il terreno nella corsa su pista centrifuga, come spiegato nei paragrafi precedenti, dura nettamente di più. Si è cercato di scoprire che risvolto possa avere un maggior tempo di contatto sulla cinematica dell'articolazione del ginocchio, certamente la più rappresentativa in questa fase. Nel grafico della figura 9 sono rappresentate le curve relative agli andamenti degli angoli al ginocchio durante l'appoggio nella corsa sul piano e su pista centrifuga in funzione del tempo. Si è ipotizzato che l'appoggio destro fosse uguale all'appoggio sinistro su tutte e due le piste. Si evidenzia come l'arto si presenta al contatto con il suolo con il medesimo angolo al ginocchio (a confermare ancora una volta il fatto che durante la fase di volo sulla pista centrifuga non accade niente di particolarmente significativo, a parte la rapidità dell'esecuzione del gesto); si nota come gli andamenti delle due curve rispetto al tempo cambino, e precisamente:

1. il piegamento dell'arto al ginocchio è più rapido nella corsa sul piano; su pista centrifuga, invece, dura di più e la massima chiusura dell'angolo al ginocchio è raggiunta 2 centesimi di secondo più tardi. Come si comprende dai grafici ciò non implica che l'arto si pieghi maggiormente;

2. la distensione dell'arto nella corsa su pista centrifuga è invece più veloce e, allo stesso modo, più protratta nel tempo (di circa 2 centesimi di secondo) perché caratterizzata da una maggiore escursione angolare;

3. infatti, nell'ultimo istante di contatto, l'arto di stacco risulta essere più disteso nella corsa su pista centrifuga: l'angolo al ginocchio risulta essere maggiore di circa 10°  1 rispetto alla corsa sul piano.

Figura 9. Gli andamenti degli angoli al ginocchio durante il 2° appoggio nella corsa sul piano e su pista centrifuga (per il riferimento angolare cfr. Figura 7); IC = inizio contatto, FC = fine contatto.

 Energia meccanica

La figura 10 riporta gli andamenti di energia meccanica (ΔE_tot) associata al centro di massa durante la corsa sul piano e su pista centrifuga nei tre appoggi considerati (nella corsa su pista centrifuga i livelli di E_tot sono minori perché minore era la velocità di progressione). La variazione positiva di E_tot nei tre appoggi è in media di + 4,8 J/kg (ΔE_tot, energia normalizzata rispetto alla massa corporea) su pista centrifuga e + 3,1 J/kg su pista piana, vale a dire un incremento del 35% del lavoro meccanico positivo compiuto dalla muscolatura responsabile della spinta nella corsa su pista centrifuga ad un'inclinazione della pedana di 44° (seconda corsia).

Figura 10. Livelli di energia meccanica (Etot) del centro di massa durante la corsa su pista piana e centrifuga. I plateaux identificano le fasi di volo (le imperfezioni che li caratterizzano sono dovute all'errore indotto dal calcolo delle derivate), mentre le deflessioni a "V" l'appoggio.

Discussione

Per ciò che riguarda la durata dell'appoggio va detto che il suo aumento è dovuto al fatto che l'atleta, negli istanti di contatto con la pista, si trova a dover sostenere ed in seguito accelerare in avanti, una massa sulla quale grava, per così dire, quell'accelerazione gravitazionale "apparente", maggiore di quella terrestre, di cui si è parlato precedentemente. Si ricordi che la differenza tra le due tipologie di corsa sta unicamente nella fase di appoggio. La fase di volo sulla pista centrifuga è, infatti, identica a quella della corsa sul piano e ne dà ragione l'osservazione della traiettoria del centro di gravità dell'atleta ricavato dal modello 3D: come si nota dalla figura 11, essa è parabolica e, mediamente, non ha sviluppi differenti oltre che su di un piano sagittale.

Figura 11. Corsa su pista centrifuga. La traiettoria del CM durante la fase di volo: essa è parabolica ed avviene unicamente, come nella corsa rettilinea, su di un piano longitudinale. Tale piano è diverso, però, per ciascuna fase aerea a causa dei cambi di direzione.

Per quel che concerne la frequenza del passo, nonostante la non significatività statistica dei risultati, si è cercato comunque di spiegare il lieve aumento di questo parametro nei seguenti termini: l'atleta applica una sorta di adattamento aumentando la frequenza degli appoggi e simultaneamente diminuendo il tempo di contatto con la pista; in questo modo ottiene una minor "esposizione" alla forza di reazione vincolare restituita dalla pista. In poche parole, tenta di attenuare l'impatto con la pedana "diluendolo" su un numero più elevato di azioni successive. Non è detto, tuttavia, che questa osservazione sia conclusiva. Infatti, i soggetti partecipanti allo studio erano relativamente poco esperti nella corsa su pista centrifuga e non si può escludere che, dopo un più lungo periodo di addestramento, gli atleti si abituino ad affrontare l'impatto con la pedana ricercando un'ampiezza del passo adeguata e quindi usufruendo di ulteriori benefici allenanti.

Volendo suddividere gli istanti di appoggio del piede in una fase di ammortizzazione-tenuta e in una di spinta e stando a quanto detto nel paragrafo riguardante la cinematica dell'appoggio, l'aumento del tempo di contatto che caratterizza l'appoggio su pista centrifuga coincide con l'ammortizzazione (in cui avviene la flessione del ginocchio che, come si è visto nello stesso paragrafo, dura di più). La causa di tutto ciò va attribuita al cambio di direzione, che avviene proprio durante questa fase. Durante la spinta, infatti, il cambio di direzione è stato già effettuato. Queste considerazioni sono frutto di un confronto tra riprese video e traiettoria del centro di massa vista dall'alto.

Anche se il piegamento dell'arto al ginocchio su pista centrifuga dura di più, ciò non comporta che l'angolo interessato si chiuda maggiormente (come sarebbe meccanicamente presumibile): questo è spiegato da una minore velocità di chiusura, dovuta evidentemente ad un maggiore sostegno della muscolatura estensoria del ginocchio.

Il grafico della figura 10 mostra l'andamento dell'energia meccanica associata al CM durante la corsa in piano e su pista centrifuga. La variazione di E_tot è uguale al lavoro che i muscoli  compiono o aumentando l'energia del sistema-atleta (variazione positiva, lavoro meccanico positivo) o dissipandola (variazione negativa, lavoro meccanico negativo). Questo tipo di lavoro meccanico è detto "esterno" poiché fatto sul CM del soggetto e compare appunto come una variazione dell'energia meccanica del sistema-atleta, e va distinto dal lavoro meccanico cosiddetto "interno" che è quello compiuto per muovere, invece, singoli segmenti ed è il frutto di tutti i momenti articolari delle forze. Quest'ultimo può essere ignorato in quanto non apporta cambiamenti significativi dell'energia totale del sistema. Ritornando all'andamento mostrato dalla figura 10, i plateaux identificano la fase di volo del CM durante la quale l'energia meccanica resta costante (trascurando la resistenza dell'aria). Per definizione, questi dovrebbero essere piatti, ma, a causa dell'inevitabile errore indotto dal calcolo delle derivate, il risultato non è quello teorico atteso. Nonostante questo, le fasi di volo sono comunque ben distinguibili dalle deflessioni a "V" che identificano, invece, l'appoggio: più precisamente, la rampa discendente corrisponde all'ammortizzazione (chiusura dell'angolo al ginocchio), in cui il CM perde energia a causa del contatto con il suolo; il vertice rovesciato della "V" corrisponde grossomodo all'istante in cui il CM si trova nel punto più basso della sua traiettoria (essendo E_c e E_p in fase); la rampa ascendente corrisponde alla spinta (apertura dell'angolo al ginocchio), in cui i la muscolatura degli arti inferiori compie lavoro positivo sul CM dell'atleta per riportare il sistema ai livelli di energia precedenti (Cavagna et al., 1976) (⁸). Il lavoro meccanico esterno positivo è perciò un indice dell'apporto muscolare in un gesto sportivo: è per questo che esso è stato utilizzato come indicatore dell'aumento del carico durante la corsa su pista centrifuga.

Dalla figura 10 si nota ancora che per la pista centrifuga i livelli di Ec sono minori perché, come detto, la velocità media di percorrenza è risultata inferiore rispetto alla corsa sul piano. La letteratura suggerisce che il lavoro meccanico esterno incrementi linearmente con l'aumento della velocità (Cavagna et al, 1976, cit.). In queste condizioni, perciò, ci si aspettava una ΔE_tot più piccola per la pista centrifuga, dove la velocità risultava essere più bassa.

L'aumento del lavoro meccanico positivo, riscontrato nonostante la più bassa velocità media di percorrenza, è da attribuirsi al livello di energia meccanica che il centro di massa perde durante il cambio di direzione, e che va recuperato in fase di spinta per mantenere, in media, costanti i livelli di energia del sistema-atleta. Da qui si deduce che, almeno da un punto di vista energetico (e non dinamico), lo stimolo allenante nella corsa su pista centrifuga si manifesta durante il cambio di direzione. Esso porta ad una notevole perdita di energia meccanica, che va recuperata dalla muscolatura degli arti inferiori nella spinta successiva, compiendo un lavoro meccanico positivo maggiore rispetto a ciò che si fa sul piano. L'inclinazione della pedana permette, però, di effettuare il cambio di direzione mantenendo il proprio asse longitudinale sempre perpendicolare alla pista (a quella specifica velocità), mantenendo quindi il giusto assetto di corsa.

Si ricordi che questo incremento del lavoro meccanico esterno positivo va rapportato all'inclinazione della corsia della pista centrifuga sul quale si sceglie di correre. In altri termini, ci si aspetta un incremento del lavoro meccanico all'aumentare dell'inclinazione della pista e quindi del carico.

Mettendo in relazione l'andamento dell'energia meccanica con il grafico relativo all'andamento degli angoli al ginocchio durante la fase di appoggio su pista centrifuga (Fig. 9 e 10), si può dedurre che la perdita di energia meccanica è sostenuta dalla muscolatura che in questi istanti sostiene l'arto attraverso una fase di ammortizzazione più lunga, evitando che esso si pieghi eccessivamente, come sarebbe, invece, meccanicamente presumibile.

Se sulla pista centrifuga, durante l'ammortizzazione, si perde più energia meccanica rispetto a quanto avviene sul piano, allora ne va riacquistata altrettanta durante la fase di spinta attraverso una maggiore produzione di forza. Ne dà ragione la curva relativa all'andamento degli angoli al ginocchio, che sale molto più ripida dopo l'istante di massima chiusura del ginocchio; ciò significa una apertura più rapida e maggiore dell'angolo al ginocchio.

Quanta parte della variazione di energia sia a carico del riuso elastico non è determinabile sulla base di sole misurazioni stereofotogrammetriche, esterne al soggetto per loro misura.

Conclusioni

Le prove fin qui svolte, anche se hanno coinvolto solo due soggetti, mostrano che certamente la corsa su pista centrifuga è in grado di proporre carichi di lavoro superiori a quelli riscontrati nella corsa sul piano.

Per quanto riguarda la validazione della pista come mezzo d'allenamento speciale, ossia all'atto di valutare di quanto la corsa su pista centrifuga si discosti dai parametri tecnici che caratterizzano la corsa sul piano, va notato il fatto che non vi è differenza statisticamente significativa per quel che riguarda la frequenza del passo, e che le variazioni nell'ampiezza devono probabilmente essere messe in relazione anche con un non sufficiente livello di addestramento degli atleti nei confronti di un tipo di corsa "di impatto", alla quale tentavano di adattarsi aumentando in maniera cospicua la frequenza; in ciò, inoltre, ha forse influito l'imposizione di una velocità di corsa non massimale, bensì, come visto, relativamente moderata.

Al contrario di altri mezzi di allenamento dedicati allo sviluppo della forza speciale, la corsa su pista centrifuga, pur non provocando variazioni importanti nella cinematica della corsa, conduce ad alcune modificazioni vantaggiose del gesto (come, per esempio, la più completa distensione dell'arto inferiore nella fase di spinta) e non comporta carichi localizzati, che possono provocare scompensi sulla struttura muscolo-scheletrica dell'atleta, visto che il carico responsabile dello stimolo efficace "compare" lungo l'asse longitudinale dell'atleta.

D'altra parte, l'aumento della durata della fase di ammortizzazione si associa con un evidente incremento dell'intensità delle contrazioni eccentriche della muscolatura dell'arto inferiore, che è stato possibile quantizzare solo in maniera indiretta attraverso le variazioni di energia meccanica del CM, ma che gli atleti coinvolti dalla ricerca hanno evidenziato, in particolare a livello della muscolatura motoria del piede.

E' necessario, dunque, proseguire lo studio, estendendolo ad un numero più elevato di soggetti, ed accompagnandolo ad altre metodiche di indagine, come l'uso di accelerometri e l'analisi elettromiografica, per poter accertare la validità di questo strumento come mezzo d'allenamento speciale per la velocità.

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