Istituto di Formazione Professionale in Ambito Scientifico
Celle di Carico e Pedane di Forza
In Biomeccanica è fondamentale studiare le forze che vengono applicate durante il movimento, in particolar modo le forze di reazione vincolare. Le strumentazioni che vengono utilizzate sono per lo più le celle di carico, altrimenti chiamate estensimetri o strain gauges o trasduttori di forza (Dal Monte et al. 2000; Russo, 2018). Le celle di carico […]
In Biomeccanica è fondamentale studiare le forze che vengono applicate durante il movimento, in particolar modo le forze di reazione vincolare.
Le strumentazioni che vengono utilizzate sono per lo più le celle di carico, altrimenti chiamate estensimetri o strain gauges o trasduttori di forza (Dal Monte et al. 2000; Russo, 2018).
Le celle di carico possono essere utilizzate singolarmente in trazione, compressione e torsione (Figura 31), oppure inglobate all’interno di strumentazioni che, a seconda della loro forza e funzione, vanno sotto il nome di dinamometri isometrici o di pedane di forza.
Figura 31 – Esempio di cella di carico (nel cerchio rosso) applicata ad una barra di metallo, sulla quale applicare la forza durante un movimento.
Distinzione delle Celle di Carico
Le celle di carico hanno dei nomi differenti a seconda della tecnologia utilizzata per la costruzione dei trasduttori (Russo 2018); si possono distinguere:
- A compressione (a colonna).
- A flessione.
- Sensibili a taglio.
Le celle di carico fin qui descritte rientrano nella categoria dei resistori (Cappozzo et al., 1988) che, attraverso una deformazione meccanica più o meno lineare, variano la resistenza elettrica del sistema in output definendo e quantificando la forza in input che ha generato la deformazione.
Parallelamente a questa tipologia di estensimetri vi sono poi le celle di carico con trasduttori piezoelettrici (Cappozzo et al., 1988; Dal Monte et al., 2000; Russo 2018), che misurano le forze applicate attraverso il fenomeno della piezoelettricità, ovvero la capacità meccanicoelettrica di alcuni cristalli di generare tensioni elettriche proporzionali al campo di deformazione applicatovi.
I dinamometri isometrici (Dal Monte et al., 2000) sono strumenti che possono differire profondamente nella forma e nella struttura e, in ogni caso, l’unica funzione che hanno è quella di misurare la forza massima isometrica che si può esprimere in un gesto.
Questi strumenti, a seconda delle caratteristiche costruttive, possono testare forza di spinta e trazione in gesti mono o poli articolari. I dinamometri isometrici possono essere sostituiti attraverso opportune strutture create ad hoc per i test da eseguire (Figura 32), oppure bloccando in specifici angoli i bracci di movimento delle macchine isotoniche, attraverso delle catene alle quali viene legata una cella di carico, in grado di misurare la forza applicata sulla macchina.
Figura 32 – Esempio di struttura creata appositamente per la valutazione della forza massima isometrica dei muscoli flessori plantari (Modello di Utilità depositato presso l’Ufficio Marchi e Brevetti a nome di Luca Russo, Johnny Padulo, Alfonso Traficante, Alberto Baldini nr.102018000005766). Il soggetto seduto su un piano stabile di appoggio e sorreggendosi alle apposite maniglie, applica forza contro la cella di carico posizionata sopra il proprio ginocchio, attraverso una flessione plantare eseguita spingendo sul piano di appoggio del piede. Lo strumento posto sopra il ginocchio registra la forza di spinta. Nel riquadro è possibile vedere meglio il dettaglio del posizionamento della cella di carico.
Logicamente, questa seconda soluzione risente di una serie di limitazioni e convenzioni rispetto al dinamometro isometrico che è lo strumento specifico di analisi. In linea generale, i test di massima forza isometrica devono essere svolti su apparecchiature che siano più solide e indeformabili possibile, al fine di non dissipare in altre direzioni la forza applicata contro il vincolo.
Pedane di Forza
In ultimo, le pedane di forza (Dal Monte et al., 2000; Russo, 2018), che possono essere costituite da estensimetri (più frequenti in passato) o da trasduttori piezoelettrici, sono considerate la miglior soluzione per misurare la risultante della forza di reazione al suolo durante un qualunque movimento (Figura 33).
Figura 33 – Esempio di una pedana di forza (nel cerchio rosso) utilizzata durante l’analisi di un salto monopodalico. Il basamento di legno intorno è una soluzione utilizzata e suggerita dal Prof. Nicola Silvaggi per aumentare la superficie di atterraggio e ridurre la possibilità di infortuni in caso di atterraggio fuori dai bordi della pedana di forza quali riferimenti relativi ed assoluti del movimento dei segmenti corporei nello spazio al fine di una misurazione qualitativa e quantitativa della tecnica di ogni gesto.
Indipendentemente dalla tipologia di cella di carico che monta una pedana, l’altra caratteristica fondamentale di queste strumentazioni è il materiale con il quale è costruito il basamento. Questo componente deve essere molto rigido e indeformabile, per consentire al soggetto di applicare la forza al suolo senza dispersioni.
Le misurazioni dirette che vengono fornite da una pedana di forza sono l’andamento della forza nel tempo, tutti gli altri parametri non sono calcolati. L’andamento della forza nel tempo consente di realizzare i classici grafici dell’andamento della forza al suolo durante un passo, un appoggio in corsa o un salto (Figura 34), al fine di studiare nel dettaglio gli aspetti dinamici del movimento.
Figura 34 – Esempio di grafico di un salto verticale, Squat Jump. I numeri indicano le singole fasi del salto. 1: stasi sulla pedana in attesa del via. 2: massima applicazione della forza al suolo durante la distensione degli arti inferiori. 3: fase di volo. 4: applicazione della forza in atterraggio.
Vantaggi
Tra i vantaggi delle celle di carico si possono sicuramente elencare la specificità dell’informazione fornita e l’applicazione, seppure con determinati aggiustamenti del setting di analisi, a molti gesti.
La posizione isometrica e i processi di taratura e calibrazione, non sempre rapidi, possono invece essere elencati tra gli svantaggi. L’isometria per le valutazioni analitiche è allo stesso tempo un pro e un contro: consente di studiare eventuali debolezze angolo-specifiche, ma allo stesso tempo richiede un numero più alto di test per coprire l’intero arco di movimento.
Il test isometrico, sebbene molto generico per alcune discipline sportive, offre allo stesso tempo interessanti spunti di riflessione sull’attivazione, più o meno rapida, della muscolatura attraverso la valutazione del cosiddetto RFD (Rate of Force Development), ovvero l’inclinazione della pendenza della curva Forza/Tempo (Figura 35) generata durante la spinta isometrica (Dal Monte et al., 2000).
Figura 35 – Esempio di grafico Forza/Tempo durante un test isometrico con cella di carico. La linea blu tratteggiata indica la pendenza della curva nella prima parte del test. Tanto più la salita della curva è verticale, tanto maggiore sarà l’RFD: indice di una maggiore velocità di attivazione della muscolatura nella prima parte del movimento.
Le pedane di forza consentono, inoltre, di tracciare sul piano i movimenti del CoP (Centre of Pressure), determinando così le oscillazioni posturali durante il mantenimento di determinate posizioni e posture (Figura 36).
Figura 36 – Movimenti del CoP durante il mantenimento della posizione monopodalica per 10 secondi. Nell’immagine è possibile vedere sulla sinistra lo statokinesigramma che raffigura la risultante sul piano di appoggio dello stabilogramma che è rappresentato sulla destra, ovvero l’andamento nel tempo del CoP nelle direzioni antero-posteriore e latero-laterale.
Per questo tipo di analisi le pedane di forza vengono ritenute il gold standard, ma sempre di più la letteratura internazionale sta sdoganando l’uso di strumentazioni alternative per le misurazioni di oscillazione del CoP.
In letteratura sono sempre più presenti dei lavori di ricerca che dimostrano come le strumentazioni pressorie a matrice di sensori (descritte più approfonditamente nel prossimo paragrafo) siano in grado di misurare e studiare i movimenti del CoP con precisione e ripetibilità (Romero-Franco et al., 2013), sia in modalità statica (Romero-Franco et al., 2014; Patti et al., 2018; Russo et al., 2018a) che in modalità dinamica, effettuando piegamenti del ginocchio (Russo et al., 2018b).
Questo consente, infatti, di utilizzare queste categorie di strumentazioni anche per l’analisi Biomeccanica dello studio delle oscillazioni posturali in movimenti non convenzionali (Figura 37).
Figura 37 – Esempio di analisi a secco e in condizioni di gesto specifico delle oscillazioni posturali in un movimento non convenzionale. Nella foto è presente un atleta di Tiro a Volo. Il lavoro di equipe, coordinato dal Coach Internazionale Diego Gasperini, si serve dello studio delle oscillazioni posturali misurate nella posizione di attesa del tiratore al fine di trovare i migliori compromessi tecnici, tecnologici (calcio del fucile) e posturali, per migliorare l’economia e l’ergonomia del gesto.
Articolo tratto dal libro Biomeccanica® Principi di Biomeccanica e applicazioni della Video Analisi al movimento umano
vincitore del premio letterario CONI
