Analisi biomeccanica della gara dei 100m

Indice degli argomenti

• Introduzione
• Perché ho scelto l’argomento
• Introduzione sulla gara dei 100 m, anche parte storica
• Il concetto di velocità
  • Velocità e rapidità
  • Velocità ciclica e aciclica
  • Velocità di reazione
  • Velocità gestuale e frequenza gestuale
  • Velocità di spostamento
• Alla base del movimento: muscoli ed energia
  • Il sistema muscolare
  • Tipi di muscoli
    • Muscoli lisci
    • Muscoli scheletrici
    • Muscolo cardiaco
  • Proprietà del muscolo
  • Il muscolo scheletrico
    • Struttura
    • La fibra muscolare
    • Muscoli agonisti, antagonisti e sinergici
  • Il meccanismo di contrazione muscolare
    • Come avviene la contrazione
    • Tipi di contrazione muscolare
    • Contrazione concentrica
    • Contrazione isometrica
    • Contrazione eccentrica
    • Tipi di fibre muscolari
    • Fibre lente, Tipo I
    • Fibre rapide, Tipo IIa, Tipo IIb, Tipo IIc
  • La forza muscolare
    • Forza attiva
    • Espressione massima dinamica
    • Espressione esplosiva
    • Forza reattiva
    • Espressione esplosiva-elastica
    • Espressione esplosiva-elastica-riflessa
    • Graduazione della forza muscolare
    • Unità motoria
    • Reclutamento spaziale e temporale
    • Tono muscolare
    • La forza muscolare nei 100 m
  • L’energia
  • Meccanismo di produzione energetica
  • La produzione di ATP 1
    • Meccanismo anaerobico alattacido
    • Meccanismo anaerobico lattacido
    • Meccanismo aerobico
    • Acido lattico, picco del lattato e capacità lattacida
• Tecnica e fasi della corsa
  • Tecnica della corsa
  • Fase di contatto
    • Momento di ammortizzazione, appoggio frontale
    • Momento di sostegno
    • Momento di raddrizzamento ed estensione, spinta
  • Fase di volo
• La gara dei 100 m
  • La partenza
  • “Ai vostri posti”
  • Fase “Pronti”
  • Fase
  • Fase di spinta
  • Fase di accelerazione
  • Fase lanciata
  • Sintesi 2

Introduzione

Come argomento della mia tesina ho scelto di analizzare da un punto di vista biomeccanico una delle discipline simbolo dell’atletica leggera, cioè la gara dei 100 metri piani. In primo luogo ho studiato gli aspetti e fattori che permettono il movimento umano, cioè tutti quei meccanismi chimici e biologici, come la contrazione muscolare, che stanno alla base della corsa.

Poi mi sono concentrato su aspetti più tecnici e specifici riguardanti la corsa intesa strettamente come disciplina sportiva, quindi finalizzata ad ottenere una prestazione sempre migliore. Ho quindi proceduto con una dettagliata analisi di tutti i momenti che la caratterizzano durante la competizione.

Infine mi sono occupato di descrivere sinteticamente le fasi che compongono la gara dei 100 m piani, dando espressione concreta a tutti i concetti precedentemente esposti in modo teorico.

Ho scelto questo argomento perché mi ha permesso di studiare in chiave scientifica, e quindi in continuità con il mio percorso scolastico, un mio grande interesse extrascolastico, cioè quello dell’atletica leggera, in cui mi impegno con regolarità da molti anni.

Il concetto di velocità

La velocità può essere considerata come la capacità di compiere azioni motorie nel minor tempo possibile. Spesso si parla di velocità e rapidità come se fossero sinonimi, ma in realtà con rapidità si indica la capacità di muovere nel più breve tempo possibile una parte del corpo; mentre con velocità si intende lo spostamento in tempi ridotti dell’intero corpo.

La velocità è una capacità complessa, condizionata dal sistema nervoso e muscolare. Può essere classificata sotto diverse forme:

1. Velocità ciclica e aciclica: la velocità svolge un ruolo importante sia nei movimenti ciclici, movimenti che si ripetono sempre simili, come la corsa, che in quelli aciclici, caratterizzati dall’esecuzione di un singolo movimento o una successione di essi con una struttura non regolare.
2. Velocità di reazione: si può realizzare in forma elementare, cioè la capacità di reagire nel minor tempo possibile a uno stimolo. Importante in questo caso è il tempo di latenza, cioè il periodo compreso tra la percezione dello stimolo e l’attivazione muscolare. Esiste poi una forma complessa, in cui il soggetto sceglie una risposta da dare in base alle informazioni ricevute.
3. Velocità gestuale: la capacità di eseguire un’azione singola nel più breve tempo, ad esempio l’esecuzione di un salto. L’attivazione muscolare è massima. Dipende pienamente dalla capacità del sistema neuromuscolare di esprimere rapidamente elevati livelli di forza.
4. Velocità di spostamento: è una forma complessa di velocità. Dipende infatti dalle già citate velocità di reazione, gestuale e dalla frequenza. Entrano in gioco la padronanza della tecnica del gesto specifico, le caratteristiche della muscolatura, soprattutto la sua elasticità. La velocità di spostamento è importante quando c’è la necessità di accelerare e decelerare.

Si parla anche di frequenza gestuale, cioè la capacità di sviluppare la massima frequenza di movimento durante movimenti ciclici.

In campo sportivo occorre che tutti gli aspetti della velocità si manifestino contemporaneamente: per correre velocemente sono necessarie contemporaneamente velocità di reazione, gestuale, frequenza gestuale.

Si ottiene un’elevata velocità quando:

• I processi di trasmissione e conduzione dell’impulso nervoso sono molto veloci.
• Si raggiunge elevata frequenza degli stimoli nervosi.
• Si attiva il maggior numero di fibre muscolari a contrazione rapida.
• Si raggiunge un’ottimale alternanza di contrazione e decontrazione dei muscoli.

Alla base del movimento: muscoli ed energia

Il sistema muscolare

Alla base del movimento umano, insieme al sistema scheletrico, si individua il sistema muscolare. Il tessuto muscolare ha il compito di generare movimento attraverso l’attività di contrazione delle cellule che lo compongono. In questo modo viene generata una forza che, attraverso i tendini, si trasmette alle leve ossee, permettendo così di muovere il corpo o una sua singola parte, mantenerlo in una determinata posizione oppure di trasferire energia meccanica all’esterno dell’organismo.

Nel corpo umano si possono individuare tre diversi tipi di muscolo:

1. Muscoli lisci: sono controllati dal sistema nervoso autonomo, quindi involontari. Si collocano nei vasi sanguigni e negli organi interni.
2. Muscoli scheletrici: innervati dal sistema nervoso periferico somatico, sono volontari, cioè agiscono sotto il controllo della nostra volontà. Detti anche “striati”, per via dell’alternanza di strisce chiare e scure che compongono il tessuto muscolare visto al microscopio.
3. Muscolo cardiaco: il muscolo collegato al sistema cardiaco, nonostante sia striato è un muscolo involontario, in quanto innervato dal sistema nervoso autonomo.

Il tessuto muscolare è caratterizzato da diverse peculiari proprietà che rendono possibile la sua azione:

• Contrattilità: capacità di accorciamento.
• Estensibilità: la capacità di allungamento quando viene sottoposto ad una forza di trazione esterna.
• Elasticità: cessata l’azione di trazione, può tornare alla sua forma originaria.
• Eccitabilità: reagisce ad uno stimolo nervoso.

Il muscolo scheletrico

Il tipo di muscolo che più ci interessa nello studio di una gara di corsa è il muscolo scheletrico, in quanto permette il movimento del nostro scheletro, e di conseguenza del nostro corpo, a seconda della nostra volontà.

Le cellule che lo compongono, fibre muscolari, possiedono la peculiare caratteristica di essere molto lunghe. Esse si organizzano in strutture più grandi dette fasci, che nel loro insieme compongono l’intera struttura del muscolo. Ogni parte di questa struttura è rivestita da tessuto connettivo: ogni fibra, endomisio, ogni fascio, perimisio, e l’intero muscolo, epimisio.

La fibra muscolare

La cellula muscolare è polinucleata, ha infatti origine dalla fusione di più cellule durante la formazione del muscolo, può essere lunga diversi centimetri e ha un diametro compreso tra 10-100 micrometri. È dotata di:

• Membrana, sarcolemma: come la membrana assonica, è in grado di propagare un potenziale di azione. Ogni fibra è innervata da un motoneurone, che entra in contatto con essa in una zona detta placca neuromuscolare.
• Citoplasma, sarcoplasma: è ricchissimo di mitocondri. Qui sono presenti circa 1000-2000 unità più piccole di fibra muscolare, disposte in parallelo, che sono le miofibrille. Corrono parallelamente alla lunghezza della cellula, quindi confinano i nuclei nella zona periferica.
• Reticolo endoplasmatico, reticolo sarcoplasmatico: circonda le miofibrille ed è attraversato, perpendicolarmente ad esse, da un sistema di tubi trasversali, il sistema T. La membrana di questo sistema è continua con quella del reticolo, in modo che si diffonda il potenziale d’azione. I vacuoli del reticolo contengono ioni calcio che hanno un ruolo fondamentale nella contrazione muscolare.

Le miofibrille sono costituite da proteine filamentose che si raggruppano in fasci, cioè actina e miosina. È questa l’origine della striatura del muscolo: ogni miofibrilla si organizza in un’alternanza di bande, alcune, bande I, sono chiare e costituite da sola actina, altre, bande A, sono invece scure e occupate sia da actina che a miosina, che è presente nella sua zona centrale, la “zona H”. Nelle bande I è presente una linea scura centrale, linea Z, a cui si attaccano i vari filamenti di actina. Nelle bande A invece è presente una “linea M”, che serve da ancoraggio ai filamenti di miosina.

Se si prende in considerazione un tratto di miosina tra due zone Z si ha il “sarcomero”, 2 millesimi di millimetro. Può essere considerato come l’unità funzionale fondamentale del muscolo scheletrico. È qui, come verrà approfondito in seguito, che ha inizio il fenomeno della contrazione.

A livello ancora più piccolo si può esaminare la struttura dei filamenti di actina e miosina:

• I filamenti più spessi sono composti da fasci di molecole di miosina che si aggregano in strutture bipolari. Una molecola di miosina è costituita da due lunghe catene proteiche ad elica, ognuna formata da 1800 amminoacidi. Ad una estremità c’è una testa globulare, meromiosina pesante, e all’altra una coda fibrosa, meromiosina leggera. La testa possiede due diversi siti: ad uno si lega l’ATP quando è necessario liberare l’energia per la contrazione muscolare, quindi collegarsi all’actina, che si attacca al secondo sito.
• I filamenti più sottili sono composti da actina, troponina e tropomiosina. Le unità di molecole globulari di actina si uniscono in due filamenti ad elica. La tropomiosina invece consiste in un doppio filamento che si avvolge intorno al filamento di actina, coprendo i siti di legame con la miosina. La troponina invece si lega in complessi globulari al filamento di tropomiosina. Durante la contrazione muscolare, la troponina ha il compito di legarsi con gli ioni calcio.

Il muscolo si connette al tessuto osseo grazie al tendine, una zona estremante del tessuto muscolare, dalla consistenza più densa, elastica, estensibile e, soprattutto, robusta. Normalmente ogni muscolo congiunge i segmenti ossei attraverso una o più articolazioni.

Queste si differenziano in base all’osso coinvolto. Si parla di origine quando il tendine collega il muscolo al punto più vicino o al tronco o all’osso più stabile. Invece è inserzione quando l’osso è quello più lontano oppure è il più mobile. Nella meccanica muscolare, di solito l’origine corrisponde al punto fisso, mentre l’inserzione al punto mobile.

Come già visto, alla base del movimento risiede la contrazione di un muscolo, che quindi realizza l’azione di spostamento di un segmento scheletrico. Tali muscoli prendono il nome di “agonisti”.

Affinché tutto ciò accada, è necessario che il muscolo che fa coppia con quello agonista, al momento della contrazione, sia rilassato, per non frenare il movimento. Si parla quindi di muscoli “antagonisti”.

Nella maggioranza delle azioni motorie è necessario che agonisti ed antagonisti coordinino la loro azione per ottenere il movimento voluto. È quindi un’azione di tipo “sinergico”.

Come si può osservare in figura, un classico esempio di coppia di muscoli agonisti-antagonisti è quella di bicipite e tricipite brachiali.

Il meccanismo di contrazione muscolare

Il motoneurone possiede un lungo assone le cui ramificazioni terminali vanno ad inserirsi in solchi della superficie della fibra muscolare. La struttura che ne consegue prende il nome di giunzione neuromuscolare.

L’assone di un singolo neurone motorio e tutte le fibre muscolari da esso innervate sono dette unità motoria.

Si ha una sinapsi chimica, quindi vengono rilasciati dei neurotrasmettitori, acetilcolina, che si combinano con dei recettori, recettori nicotinici, presenti sul sarcolemma. La membrana si depolarizza e lungo tutto il sarcolemma viene generato un potenziale di azione post-sinaptico, potenziale di placca.

I tuboli a T, invaginazioni del sarcolemma, sono direttamente collegati alla membrana, quindi anche qui si propaga il potenziale, grazie alla presenza di canali di K e Na, fino ad entrare in contatto con le miofibrille.

Sulla membrana di questi tuboli sono presenti proteine sensori del voltaggio che, in presenza del potenziale di azione, danno il via al rilascio di ioni Ca²⁺ da parte del reticolo sarcoplasmatico per tutto il periodo di durata di stimolazione della fibra. Vengono rilasciati grazie all’azione di proteine di membrana dette Ca²⁺-ATPasi.