Parametri di studio della Biomeccanica del movimento umano

In ambito di studio del movimento umano la Fisica è probabilmente la più utilizzata tra le scienze naturali. Nella sua accezione più classica la Fisica è quella scienza che studia i fenomeni naturali al fine di stabilire leggi che regolano le interazioni tra le grandezze che determinano i fenomeni stessi. Tra le branche della Fisica […]

07 maggio 2021

In ambito di studio del movimento umano la Fisica è probabilmente la più utilizzata tra le scienze naturali. Nella sua accezione più classica la Fisica è quella scienza che studia i fenomeni naturali al fine di stabilire leggi che regolano le interazioni tra le grandezze che determinano i fenomeni stessi. Tra le branche della Fisica vi è la Meccanica classica ovvero quella materia che si occupa dello studio del movimento dei corpi.

Un diagramma estremamente esemplificativo della meccanica applicata è quello pubblicato da Picasso (2013) al quale possono essere aggiunte delle note che facilitano ulteriormente la comprensione del fenomeno (Figura 9):

Applicando quindi la Fisica e la Meccanica ai sistemi biologici si parla di Biofisica e di Biomeccanica e, più nello specifico, studiando il movimento umano finalizzato all’attività fisica o alla prestazione sportiva si parla di “Biomeccanica dello Sport” (Blazevich 2007).

Sebbene come visto in precedenza, il movimento del corpo umano dovrebbe essere analizzato sotto più punti vista, le indagini biomeccaniche prevalentemente utilizzate si sono sempre occupate dello studio del moto dei corpi rigidi attraverso la valutazione delle condizioni di equilibrio, della distribuzione e gestione delle forze e della descrizione quantitativa e qualitativa del movimento.

Questi tre aspetti, ovvero l’area di studio della Statica, della Dinamica e della Cinematica, hanno delle caratteristiche ben precise che vengono riportate da differenti autori di spicco nell’ambito dello studio del movimento umano (Enoka et al., 2008; Levangie et al., 2011; Hamill et al., 2015) e che possono essere anche approfonditi su qualunque libro di testo di Fisica.

Parametri Statici

La Statica si occupa dello studio delle condizioni di equilibrio meccanico e di conservazione della quiete di un oggetto, anche dopo l’intervento di forze esterne. Spiega per lo più la capacità di un sistema di resistere alle perturbazioni che agiscono su di esso. Applicazioni dell’interpretazione statica durante l’analisi del movimento umano sono ad esempio gli equilibri tra muscoli antagonisti su un determinato distretto, oppure le analisi delle oscillazioni posturali che sono legate alle tensioni della muscolatura.

Parametri Dinamici

La Dinamica, anche detta Cinetica, si occupa di studiare le cause (ovvero le forze) che determinano e modificano il moto di un oggetto. Spiega per lo più gli effetti che hanno le forze che agiscono su un sistema nel modificarne il proprio stato, ovvero aumento o riduzione del moto. Applicazioni dell’interpretazione Dinamica durante l’analisi del movimento sono ad esempio lo studio della capacità di accelerazione o di frenata di un atleta attraverso l’impiego di forza al suolo durante il cammino, la corsa o i salti.

Parametri Cinematici

La Cinematica si occupa di descrivere in forma quantitativa il moto di un oggetto, senza tenere conto delle cause che lo provocano o lo modificano. I parametri che vengono considerati sono quindi lo spazio, il tempo e il loro relativo rapporto. La Cinematica descrive per lo più i parametri del movimento in termini di posizione, velocità e accelerazioni sia lineari che angolari.

Applicazioni dell’interpretazione Cinematica durante l’analisi del movimento sono ad esempio lo studio delle distanze coperte a differenti velocità e con quali cambi di accelerazioni oppure le posizioni nello spazio e il relativo movimento dei singoli punti del corpo presi in considerazione per l’analisi. Come anticipato, lo studio della Cinematica del movimento umano può essere svolto sia per le misurazioni lineari che per tutti i parametri angolari; per cui si descriverà la quantità dell’angolo, la velocità e l’accelerazione angolare oltre quella lineare.

Approfondimenti sull’Analisi Cinematica del Movimento Umano

Quali sono le caratteristiche principali delle procedure di analisi Cinematica?

L’analisi dei descrittori cinematici del movimento può essere svolta attraverso metodiche che utilizzano sensori che rilevano le posizioni spaziali del soggetto in moto oppure metodiche che filmano e video-riprendono il soggetto mostrando il suo movimento. Tutte le tecniche che offrono la possibilità di visualizzare il movimento del soggetto e seguirlo nella sua evoluzione vengono definite “fotogrammetria su piccola scala” (Dal Monte, 1977; Dal Monte, 1983; Cappozzo, 1986; Gazzani, 1987).

Perché risulta così utile e immediatamente comprensibile l’analisi Cinematica?

Se si riflette su cosa osserva un coach o un istruttore sportivo all’interno del processo di allenamento appare chiaro intuire che l’aspetto che più si utilizza per correggere la tecnica di un gesto è la “geometria del movimento”, ovvero la forma e la modalità spazio-temporale con cui si compie il gesto stesso.

Quanto affermato non ha lo scopo di sminuire lo studio dei parametri della Dinamica (generatori del movimento) o di quelli della Statica (stabilizzanti del movimento), sarebbe questa una sciocca proposta metodologica in quanto non si possono scindere i diversi parametri della Meccanica. Allo stesso tempo è indubbiamente vero che per l’analisi dei parametri della Dinamica e della Statica si necessita sia di una determinata tipologia di strumentazione che di una ben specifica formazione per l’interpretazione.

Al contrario i parametri della Cinematica sembrano essere più intuitivi per gli operatori del movimento e inoltre necessitano di strumentazioni meno complesse.

Per capire quanto scritto si può prendere ad esempio una corsa rettilinea su pista: l’allenatore vede il proprio atleta correre e se volesse esprimere pareri sulla velocità e sulla frequenza di movimento delle gambe e delle braccia gli basterebbe contare il numero di movimenti eseguiti in un determinato tempo, oppure se volesse esprimere pareri sulla velocità di corsa potrebbe farlo semplicemente con l’ausilio di un cronometro.
Questo semplice esempio è totalmente afferente alla sfera d’indagine della Cinematica.

Al contrario, se lo stesso allenatore volesse esprimere pareri sulla forza espressa a terra o sulla forza che deve applicare per mantenere la stessa postura in caso di forte vento a sfavore, non potrebbe farlo a occhio nudo né con un semplice cronometro e probabilmente, una volta ottenuti i dati da soggetti terzi, potrebbe anche accadere che l’allenatore non sia in grado di gestire correttamente questi parametri per l’allenamento.

La Cinematica descrive quindi il movimento come lo spostamento da una posizione spaziale ad un’altra in un dato tempo, calcolandone la quantità dello spostamento e in forma derivata la velocità e l’accelerazione attraverso cui lo spostamento avviene nel tempo (Enoka 2008).
Si può pertanto asserire che il movimento avviene in quattro dimensioni: tre afferenti allo spazio e una al tempo.
Facendo riferimento allo spazio il movimento è tridimensionale in quanto 3 sono le dimensione classiche dello spazio geometrico (Figura 10).

La tridimensionalità permette un’infinita quantità di gradi di libertà e direzioni verso cui dirigere il movimento, immaginando ogni movimento definito da un vettore (una freccia) rappresentato da intensità, senso e direzione (Figura 11).

La quarta dimensione, ovvero quella temporale, indicizza e categorizza la durata di un movimento, qualificandolo come veloce o lento a seconda dei riferimenti presi in considerazione.
Nell’analisi del movimento la posizione indica le coordinate spaziali (x;y;z) rispetto a un determinato sistema di riferimento scelto.

I sistemi di riferimento possono essere di natura “globale” (es. il sistema di riferimento terreste o, più nello specifico, il terreno di gioco in cui si svolge il gesto sportivo) oppure di natura “locale” (es. il bacino dell’atleta o un qualunque segmento corporeo attorno al quale si vogliono misurare degli spostamenti di altri segmenti corporei).

I sistemi di riferimento possono essere di natura tridimensionale (3D) e bidimensionale (2D) sacrificando così una dimensione spaziale (Figura 12) ma questo dipende molto dallo strumento utilizzato per l’analisi del movimento come verrà illustrato nei capitoli seguenti.

A prescindere dal sistema di riferimento, la variazione di posizione viene indicata come distanza percorsa e viene misurata in metri (m), la distanza percorsa nel tempo viene indicata come velocità e viene misurata in metri al secondo (m*s-1), infine la variazione di velocità nel tempo all’interno di un movimento viene indicata come accelerazione e viene misurata in metri al secondo quadrato (m*s-2).

Per comprendere meglio la relazione esistente tra posizione, velocità e accelerazione si può fare una semplice simulazione di dati medi su uno sprint di 30 metri. La simulazione prevede che il soggetto parta da fermo e al segnale del via cominci uno sprint fino a raggiungere la distanza di 30 metri. Durante la prova il tempo viene registrato ogni 5 metri e quindi per ogni intertempo vengono calcolate la velocità e l’accelerazione media (Figura 13).

In questo esempio si pone l’origine del sistema di riferimento nel punto di partenza dello sprint, per cui la posizione del soggetto che corre sarà calcolata sull’asse di avanzamento dell’esercizio rispetto al punto di partenza e sarà inevitabilmente sempre crescente.

Riportando in un grafico a dispersione Posizione vs Tempo, Velocità vs Tempo e Accelerazione vs Tempo i dati presenti in Figura 13 si ottiene l’andamento di ogni valore in funzione del tempo (Figura 14).

Figura 14 – Esempio di grafico dei descrittori cinematici del movimento durante uno sprint di 30 metri 

Dati di Esempio

Prima di descrivere il grafico occorre sottolineare che questi dati sono riportati a mero scopo di esempio. Sicuramente per un’analisi approfondita, in particolar modo dell’accelerazione, è poco utile studiare i dati medi ogni 5 metri ma sicuramente è più interessante avere un tracciato continuo anziché discreto.

 

In ogni curva del grafico è importante notare alcuni aspetti: ad esempio nella curva Posizione vs Tempo la distanza guadagnata in funzione del tempo mostra una crescita ovvero una inclinazione differente tra le prime e le ultime fasi dello sprint. Ciò suggerisce che ci sia stato un cambiamento nel tasso di spostamento del soggetto. Questo cambiamento rappresenta la velocità. Anche la curva Velocità vs Tempo mostra una differente pendenza tra la parte iniziale e quella finale.

 

All’inizio dell’esercizio cresce e poi, arrivati a circa metà della prova, si stabilizza. Questo “plateau” spiega la pendenza costante della curva Posizione vs Tempo che si osserva dai 15 metri in poi. L’aumento importante della velocità nella prima parte della curva rappresenta l’accelerazione. La curva Accelerazione vs Tempo mostra una salita repentina nelle prime fasi dell’esercizio che va a scemare azzerandosi dopo la metà dell’esercizio.

 

Lo sprint è un’attività in cui il soggetto deve accelerare la propria massa per raggiungere la propria velocità massima e poi mantenerla. Il soggetto, infatti, dopo aver accelerato notevolmente, cerca di mantenere la velocità guadagnata diminuendo la componente d’accelerazione. Se così non fosse ci si troverebbe di fronte a un moto uniformemente accelerato in cui la velocità sarebbe sempre in costante aumento.
Nell’esempio appena discusso la distanza coperta correndo corrisponde allo spostamento dal punto di inizio a quello di fine esercizio.

 

Se la stessa distanza di 30 metri si copre a navetta lo spostamento si annulla, in quanto il punto di inizio dell’esercizio coincide con quello di fine. In questo caso il sistema di riferimento viene fissato sempre nel punto di inizio dell’esercizio quindi nel punto di inversione del verso di corsa si dovrebbero utilizzare dei valori negativi o a ritroso per indicare la posizione in funzione del tempo.

 

Per questa ragione, la posizione in funzione del tempo sarà ora chiamata “distanza percorsa” onde evitare l’utilizzo di numeri negativi (fase di ritorno) che potrebbero portare confusione e fraintendimenti nella lettura. Anche la velocità e l’accelerazione seguono questa convenzione per cui saranno positive ogni qual volta i Δ della distanza percorsa (velocità) e della velocità di marcia (accelerazione) saranno positivi e negativi nel caso opposto.

 

Quindi una accelerazione positiva indicherà aumento di velocità e una accelerazione negativa indicherà rallentamento e frenata da parte del soggetto; non a caso il principio della corsa a navetta è proprio quello di testare l’abilità del soggetto nel cambiare senso, quindi nel saper gestire una frenata e una successiva ripartenza.

 

Si riportano di seguito i dati sperimentali in un grafico Distanza percorsa vs Tempo, Velocità vs Tempo e Accelerazione vs Tempo di una corsa a navetta massimale 15+15 metri (Figura 15).

La distanza percorsa aumenta in funzione del tempo come nello sprint di 30m in linea, mentre la velocità e l’accelerazione hanno dei comportamenti completamente diversi rispetto allo sprint lineare.

La curva Velocità vs Tempo appare infatti ascendente in una prima fase, che coincide circa con i primi 7,5-8 metri di distanza percorsa, poi si riduce contestualmente a una curva Accelerazione vs Tempo negativa.

La velocità ai 15 metri dovrebbe valere zero, ma dal momento che si stanno analizzando i dati medi non si visualizza questo comportamento (stessi problemi già rilevati nell’esempio dello sprint lineare). Dopo il cambio di verso di corsa si assiste a una nuova accelerazione con relativo incremento della velocità.

Questo articolo è tratto dal libro Biomeccanica® Principi di Biomeccanica e applicazioni della video analisi al movimento umano
vincitore del premio letterario CONI