Analisi biomeccanica della gara dei 100m

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 di 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’alternanaza di striscie 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

cessata l’azione di trazione, può tornare alla sua forma originaria

-elasticità:

-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. 4

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” (2millesimi di millimetro).

essere considerato come l’unità funzionale

Può

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 glubulari 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, comprendo 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

Queste si differenziano in base all’osso coinvolto. Si parla di

segmenti ossei attraverso una o più articolazioni.

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

Tali muscoli prendono il nome di “agonisti”. Affinchè tutto ciò

spostamento di un segmento scheletrico.

accada, è necessario che il muscolo che fa coppia con quello agonista, al momento della contrazione, sia

Si parla quindi di muscoli “antagonisti”.

rilassato, per non frenare il movimento. Nella maggioranza delle

azioni motorie è necessario che agonisti ed antagonisti coordino 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. 5

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 stuttura 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 venogno 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 sacrolemma) 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

2+

danno il via al rilascio di ioni Ca 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 Ca 2+

-ATPasi). In

seguito essi verranno ripompati nei loro vacuoli di origine grazie ad un meccanismo di trasporto attivo.

Li ioni vanno a combinarsi con le molecole di troponina. Esse subiscono un cambiamento della loro

conformazione e fanno scivolare le catene di tropomiosina a cui sono attaccate. A questo punto sono liberi i

siti di legame dell’actina, che può legarsi alle teste di miosina.

Le teste di miosina spostano i filamenti di actina verso il centro del sarcomero, quindi le due linee Z sono tra

loro più vicine. Esso di conseguenza si accorcia, quindi si ha la contrazione muscolare. Tale processo si

suddivide in diversi momenti:

1)Molecole di ATP (adenosina trifosfato) si collegano ad un sito della testa di miosina e vengono scisse. Un

gruppo fosfato si stacca, e la rottura del suo legame genera molta energia. Rimane quindi soltanto ADP

(adenosina difosfato): 

ATP ADP + P + E

2)Si formano i ponti trasversali: l’actina si lega al secondo sito delle teste di miosina

3)L’energia rilasciata dalla scissione dell’ATP fa si che la miosina abbia sufficiente forza da far scorrere i

filamenti sottili di actina verso il centro del sarcomero. Il muscolo si contrae.

4)Le teste della miosina si legano a nuove molecole di ATP e si staccano dalla actina. In modo ciclico, può

avvenire nuovamente la contrazione muscolare.

La contrazione muscolare può manifestarsi sotto diverse forme. 6

 La contrazione concentrica: è dinamica. Durante essa il muscolo si accorcia e le estremità muscolari

si avvicinano tra di loro. Infatti i filamenti proteici “scivolano” verso il centro del muscolo, che si

ingrossa, si “concentra” in quest’area. In questo caso la forza muscolare risulta superiore alla forza

esterna. (es. sollevamento pesi)

 avviene quanto c’è equilibrio tra la forza muscolare e quella esterna. È

La contrazione isometrica:

una contrazione statica, perché le estremità muscolari mantengono la loro distanza e non c’è

quindi

alcun movimento. (es. la posizione di croce agli anelli)

 La contrazione eccentrica: la forza muscolare applicata risulta essere inferiore alla forza esterna,

pertanto si crea una situazione di disequilibrio. Il muscolo, pur contraendosi, è constretto ad allungarsi.

È un tipo di contrazione che rallenta oppure resiste al movimento (es. il quadricipite, durante

l’atterraggio dopo un salto, si allunga e produce una forza che compensa quella di caduta)

L’accumulo

Oltre alla componente contrattile, il muscolo è caratterizzato anche da elevate proprietà elastiche.

di energia avviene non, come si potrebbe pensare, in fase di compressione, ma di stiramento. Tale energia

potenziale elastica verrò poi rilasciata nella successiva contrazione, andandosi così a sommare alla forza del

muscolo stesso. Tale ciclo è detto di “stiramento-accorciamento”

Non esiste un singolo genere di fibra muscolare, ma esse si possono differenziare in base alla loro

composizione chimica e alla capacità che hanno di contrarsi in vari modi. Ogni muscolo è composto in diversa

percentuale da diversi tipi di fibre. Principalmente si distingue tra:

sono conosciute anche come “fibre rosse”, perché risultano essere

1. Fibre a contrazione lenta (Tipo I):

intensamente colorate. Hanno la caratteristica di essere poco affaticabili e possiedono una ricca

vascolarizzazione (che garantisce un continuo e maggiore apporto di ossigeno alle cellule), nonché

un’elevata attività degli enzimi del metabolismo aerobico. Ogni unità motoria che le compone è in

grado di sviluppare una forza limitata (tra i 2-13 grammi), ma per questo motivo sono particolarmente

adatte agli sforzi di lunga durata e non massimali. Una maggiore percentuale di fibre lente si sviluppa

nei muscoli di un maratoneta non presentano colorazione, quindi sono anche dette “fibre

2. Fibre a contrazione rapida (Tipo II):

bianche”. Sono adatte a sforzi brevi ed esplosivi, come appunto gli sprint, i balzi, i salti e tutte le

discipline brevi ma intense. L’allenamento di uno sprinter porta proprio ad uno sviluppo in percentuale