27 Apr 2018
BIOMECCANICA DELLA CORSA - MODELLO A DUE MASSE
Posted by Forrest Group Minerva
Creato: 27 Aprile 2018

Un nuovo studio collega il movimento della corsa alla forza di impatto e fornisce modelli per qualsiasi corridore

I ricercatori hanno sviluppato un approccio conciso

per la comprensione della meccanica della corsa umana. La ricerca ha un'applicazione immediata per prestazioni correnti, prevenzione delle lesioni, riabilitazione e la progettazione personalizzata di scarpe da corsa, ortopedia e protesi. Il lavoro integra la fisica classica e l'anatomia umana, per collegare il movimento individuale dei corridori al loro modo di applicare la forza d’impatto sul terreno, durante il jogging, lo sprint e tutte le altre velocità tra loro comprese.

LA STORIA COMPLETA

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Il modello a due masse del corpo umano ed il corrispondente modello della forza d’impatto del piede sul terreno. Il modello complessivo forza-tempo può essere accuratamente compreso come la somma di due parti:
1) la forza corrispondente alla collisione dell'arto inferiore con il terreno (curva rossa tratteggiata);
2) la forza corrispondente al moto della massa restante del corpo (curva verde tratteggiata). La somma delle curve di forza fornisce la forza totale di battuta (curva blu solida).

Data: 31 gennaio 2017
Fonte: Southern Methodist University
Credit: Laurence J. Ryan/SMU

I ricercatori della Southern Methodist University di Dallas hanno sviluppato una nuova spiegazione sintetica per la meccanica di base implicata nella corsa umana.

Secondo gli esperti di biomeccanica Kenneth Clark, Laurence Ryan e Peter Weyand, autori del nuovo studio, l'approccio offre una visione diretta sui fattori funzionali determinanti tra prestazione della corsa e lesioni, e potrebbe consentire l'utilizzo di modelli individuali del passo, per ottimizzare la progettazione di scarpe, ortesi e protesi.

gif 2massI modelli d'impatto forza-tempo determinano il movimento del corpo legato ad ogni passo, e quindi definiscono direttamente le prestazioni della corsa. La parte di impatto con il suolo, del modello, è anche ritenuta un fattore critico per le lesioni da corsa.

"Il corpo umano è meccanicamente complesso, ma il nostro nuovo studio indica che il modello della forza sul terreno può essere accuratamente compreso dal moto di sole due parti del corpo", ha detto Clark, primo autore dello studio e attualmente professore assistente nel Dipartimento di Kinesiologia presso la West Chester University di West Chester, Pennsylvania.

Inoltre, ha proseguito, "Il piede e la parte inferiore della gamba si arrestano bruscamente all'impatto, e il resto del corpo, al di sopra del ginocchio, si muove in modo caratteristico. Questo nuovo approccio semplificato consente di predire l'intero modello di forza sul terreno, dall'impatto alla rullata del piede, con dati di movimento basilari".

Questo nuovo "modello a due masse" dei ricercatori SMU, riduce notevolmente la complessità delle esistenti spiegazioni scientifiche di fisica della corsa.

Le spiegazioni esistenti, per illustrare la fisica della corsa, sono generalmente affidate a modelli relativamente elaborati "multi massa-molla", ma questo approccio è noto per avere importanti limitazioni. Questi modelli complessi sono stati sviluppati per valutare gli impatti della parte posteriore del piede alle velocità del jogging e predicono solo la prima parte del modello di forza. Inoltre, essi sono chiaramente meno legati al corpo umano, che di solito dividono in quattro o più masse e includono numerose altre variabili, che sono difficili da mettere in relazione con le parti reali del corpo umano.

Il modello SMU offre nuove prospettive fornendo previsioni concise ed accurate dei modelli d’impatto con il terreno in funzione del tempo, attraverso ogni istante del periodo di contatto. E questo indipendentemente dalla meccanica degli arti, dal tipo di colpo d'impatto e dalla velocità di marcia.

"I dati di ingresso del modello sono limitati al tempo di contatto sul terreno, il tempo in aria e il movimento della caviglia o dell'arto inferiore. Da tre variabili fondamentali del passo siamo in grado di predire il modello completo della forza applicata sul terreno", ha detto Ryan, che è un fisico ed ingegnere ricercatore, presso il SMU's Locomotor Performance Laboratory di SMU.

"L'approccio apre modi economici per prevedere le forze di reazione a terra ed i tassi di caricamento dei tessuti. I corridori e gli altri atleti possono conoscere la risposta alla critica funzionale di come appoggiano e applicano la forza al suolo".

I metodi attuali per la valutazione delle forme di applicazione della forza sul terreno richiedono costose piattaforme di tappeti mobili di forza. Inoltre, i collegamenti tra i movimenti delle parti del corpo dell'atleta e le forze a terra, sono state precedentemente difficili da ricondurre a spiegazioni fondamentali ed accurate.

I ricercatori descrivono il loro nuovo modello a due masse della fisica della corsa, nell'articolo, "A general relationship links gait mechanics and running ground reaction forces", pubblicato sul Journal of Experimental Biology.

"Sia dal punto di vista del rischio di lesioni, sia della performance della corsa, negli ultimi 15 anni molte indagini si sono concentrate sul legame tra il movimento dell'arto e l'applicazione della forza", ha dichiarato Weyand, direttore del Laboratorio di prestazioni Locomotor di SMU. "Siamo confidenti che questa ricerca possa far luce su questo rapporto di base".

Il modello forza-tempo complessivo è la somma di due parti

Le spiegazioni scientifiche tradizionali delle forze piede-terra hanno utilizzato diversi tipi di modelli molla-massa che vanno dal complicato al molto semplice. Tuttavia, i modelli esistenti non sono stati in grado di considerare pienamente tutta la variazione presente nei modelli forza-tempo di diversi corridori, in particolare a velocità superiori dello jogging. Di conseguenza, una base completa per valutare le differenze di prestazioni, i rischi di lesioni e la meccanica generale di funzionamento, che non erano precedentemente disponibili.

I ricercatori della SMU spiegano che il concetto di base del nuovo approccio è relativamente semplice: un modello di applicazione del corpo del corridore sul terreno è dovuto al movimento di due parti del corpo: la parte inferiore della gamba a contatto con il suolo, e la rimanente parte del corpo.

I contributi di forza delle due parti del corpo sono singolarmente previste dai loro moti largamente indipendenti, durante il periodo di contatto con il terreno. I due contributi di forza sono quindi combinati per predire il modello complessivo. La previsione finale si basa solo sulla fisica classica e un legame caratteristico tra la forza e il moto per le due parti del corpo.

Un nuovo approccio può essere applicato in modo preciso e poco costoso.

L'applicazione dell'approccio a due masse è diretta ed immediata

"Gli scienziati, i medici e gli specialisti delle prestazioni possono applicare direttamente le nuove informazioni utilizzando l'approccio predittivo fornito nel manoscritto", ha dichiarato Clark. "La nuova scienza è idonea a valutare i modelli della forza applicata a terra da parte degli atleti sulle piste da corsa e nei centri di allenamento delle prestazioni".

Queste capacità non erano possibili in precedenza, tanto meno nel modo economico e accurato che il nuovo approccio consente, con la tecnologia esistente.

"L'unico requisito è una macchina fotografica di qualità ad alta velocità o un decente sensore di movimento, e i nostri algoritmi di forza-movimento", ha detto Clark. "È imprescindibile che anche i negozi di scarpe beneficerebbero, implementando delle valutazioni di base con il tappeto mobile, utilizzando l'approccio per guidare la selezione delle calzature in funzione della meccanica del paziente o del cliente ".

Una svolta critica per i ricercatori SMU è stato il riconoscimento che il contributo della massa della parte inferiore della gamba, non variava tra l’impatto sui talloni rispetto a quello sull'avampiede ed era direttamente quantificabile. I loro sforzi li portarono a riconoscere il contributo iniziale della forza, grazie al rapido arresto della parte inferiore della gamba, la tibia, la caviglia e il piede, che si abbassano e si arrestano quando il piede colpisce il terreno.

Gli sprinters olimpici sono stati un indizio per la scoperta

Per quantificare le forze d'impatto, il team SMU ha scoperto un modo generale, osservando gli impatti di importanti sprinters olimpici. Come coloro che impattano con il tallone, i modelli degli sprinters olimpici mostrano un picco di punta in forte salita che si traduce in una brusca decelerazione del piede e della parte inferiore della gamba. Tuttavia gli sprinters, completano il passo con gli impatti dell’avampiede, piuttosto che atterrare sul tallone come invece fa la maggior parte degli joggers.

"Gli sprinters di classe mondiale ci hanno dato un grande aiuto per capire i determinanti critici dell’andamento della forma d'onda", ha detto Weyand. "Probabilmente, senza le loro grandi forze d'impatto, non saremmo stati in grado di riconoscere che le forze a terra di tutti i corridori, indipendentemente dalla loro meccanica d'impatto e dalla velocità di marcia, hanno due parti fondamentali".

Quando i ricercatori iniziarono ad analizzare i segnali di forma d'onda della forza, apparentemente complicati, trovarono che, effettivamente, erano composti da due molto semplici forme d'onda sovrapposte.

"Il nostro computer ha generato le migliori previsioni del modello quando il tempo della prima forma d'onda coincideva con il video ad alta velocità della caviglia che si ferma al momento dell'impatto. Ogni volta questo è stato accertato entro un millisecondo, e lo abbiamo fatto centinaia di volte". "Così sapevamo che c'era un rapporto fisico diretto tra forza e moto, che forniva una visione critica".

Il nuovo approccio ha la possibilità di diagnosticare le lesioni e la riabilitazione

Weyand ha detto che le nuove forme d'onda concise, del team SMU, hanno potenziali possibilità diagnostiche.

Ad esempio, le forme d'onda pre-lesione di un corridore possono essere confrontate con le forme d'onda post-lesione e post-riabilitazione.

"Potresti potenzialmente identificare le asimmetrie dei corridori con fratture da stress tibiale, tendinite dell’Achilleo od altre lesioni, confrontando i modelli di forza delle gambe ferite e sane".

E mentre le immagini mediche potrebbero suggerire che l'infortunio è risolto, le forme d'onda potrebbero raccontare una storia diversa.

"I modelli delle forme d'onda potrebbero mostrare che l'atleta continua a correre con meno forza sull'arto lesionato, quindi può offrire uno strumento diagnostico economico non precedentemente disponibile".

Riferimento

  1. Kenneth P. Clark, Laurence J. Ryan, Peter G. Weyand. A general relationship links gait mechanics and running ground reaction forces. The Journal of Experimental Biology, 2017; 220 (2): 247

 

Anche se il parlato è in lingua inglese, la parte visiva è pienamente comprensibile (video di grande interesse).


  



Tratto da: https://www.sciencedaily.com/releases/2017/01/170131104412.htm


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