“Analisi del comportamento muscolare: relazione Forza-Velocità ”

Prof. Salvatore Buzzelli

PREMESSA
In fisiologia muscolare, la forza è intesa come la capacità del muscolo di sviluppare tensione per vincere e/o opporsi ad una resistenza esterna.
Nella maggior parte delle volte, quando si sviluppa tensione nelle miofibre viene a  determinarsi un accorciamento del muscolo, di cui queste fanno parte,  provocando il movimento delle leve ossee su cui il muscolo stesso è ancorato.
L’accorciamento del muscolo (Δl = Spazio) avviene in un certo lasso di tempo (Δt = Tempo), per cui, secondo la formula fisica  (S/T),  si può determinare la velocità con cui il fenomeno avviene.
Quindi in fisiologia muscolare la forza e la velocità  sono qualità derivate dalla capacità soggettiva di reclutare fibre muscolari e quindi, dalla capacità del muscolo di sviluppare tensione nel tempo.
Queste qualità, come sappiamo, in gran parte dipendono dalla struttura del tessuto muscolare intesa in principal modo come ripartizione percentuale dei vari tipi di fibre che lo compongono.
Forza e  velocità sono grandezze fisiche che se messe in relazione secondo la formula (F x V), determinano un’altra grandezza fisica: la potenza.
Quindi il muscolo, secondo quanto affermato, genera sempre potenza.
La forza e la velocità, come si intuisce, vengono generate contemporaneamente dal muscolo;  la loro relazione è stata studiata per la prima volta da A. Hill nel 1933 che la evidenziò in una curva per indicarne l’interdipendenza.
Attraverso la curva di Hill possiamo evidenziare il punto in cui il muscolo sviluppa la massima potenza, elemento questo che nella pratica sportiva si traduce nella giusta determinazione dei carichi adeguati con cui sviluppare le ottimali qualità dell’allenamento muscolare.

fig. 1

Nella fig.1 è possibile vedere come la velocità con cui il muscolo si contrae sia decrescente a causa dell’aumento del carico esterno a cui è sottoposto.
Da ciò si deduce che la massima potenza si genera quando il muscolo sposta un carico di circa il 40% del valore massimo per un determinato muscolo ad una velocità di circa il 40% di quella massima possibile; di contro la velocità massima è sviluppata dal muscolo quando esso è privo di carico aggiunto come avviene nella produzione di forza esplosiva, mentre la forza massima si raggiunge quando la velocità  è nulla nonostante la tensione che si sviluppa nelle fibre sia massima, come avviene nella produzione di quella che comunemente viene chiamata forza isometrica massima; in questi casi la potenza sviluppata dal muscolo sarà minima.
Intenzione di questa ricerca è verificare sperimentalmente la curva di Hill, ricavando curve soggettive per ogni componente di un gruppo di studenti,  attraverso un’esperienza pratica.

ATTIVAZIONE MUSCOLARE
Il termine contrazione muscolare, di così ampio utilizzo, è in realtà improprio.
È più consono parlare di attivazione muscolare che consiste nella funzione essenziale del muscolo cioè quella di variare la propria tensione e lunghezza che può manifestarsi con o senza un movimento, più specificatamente parleremo di attivazione isometrica quando non c’è variazione della lunghezza del muscolo e quindi non c’è movimento, e attivazione anisometrica o isotonica quando c’è variazione della lunghezza del muscolo e quindi si realizza un movimento.
Si parlerà di attivazione isometrica  quando la forza del muscolo viene esercitata contro una resistenza fissa, come per esempio se volessimo spostare un muro, o è pari a quella di una resistenza esterna, con la conseguenza di  non realizzare un movimento nonostante la tensione che si sviluppa è massima.
Nella attivazione isometrica, si svilupperà la forza massima volontaria in quanto vengono reclutate il massimo numero di fibre possibile che però non corrisponde alla totalità delle fibre presenti nel muscolo infatti la massima forza possibile si svilupperà nel muscolo solo quando questo viene allungato, ciò determina un reclutamento totale delle fibre in maniera da creare una tensione tale da opporsi alla forza traente onde evitare la lacerazione del tessuto.
L’attivazione anisometrica o isotonica invece si distingue in:
Concentrica (superante) , che si ha quando il muscolo si accorcia  determinando un movimento,  cioè se la sua forza è maggiore del carico cui è sottoposto; essa può essere realizzata in maniera veloce o lenta. E’ questo il caso del sollevamento pesi.
Se il muscolo non è capace di vincere una resistenza esterna, anzi è sopraffatto da questa, cioè se la sua forza è minore del carico cui è sottoposto che ne determinerà l’allungamento, si parlerà di attivazione eccentrica (cedente), di questa ne distinguiamo due forme:
Eccentrica passiva, che si ha quando il muscolo viene allungato volontariamente e non si oppone con formazione di ponti actomiosinici (es.  nello stretching)
Eccentrica attiva, che si ha quando il muscolo viene allungato da una forza esterna  formando progressivamente ponti per opporvisi. Se l’allungamento avviene in forma veloce, il muscolo accumula energia elastica che esso potrà utilizzare in un movimento successivo, purchè questo avvenga immediatamente dopo.
Quando come in questo caso, l’attivazione eccentrica e seguita immediatamente da una attivazione concentrica si parlerà di attivazione pliometrica.
Ritornando all’attivazione muscolare generalmente intesa, anche se nella teoria si possono fare le distinzioni pocanzi elencate, nella pratica si può asserire che  nella vita di relazione o negli sport prevalgono di gran lunga le attivazioni eccentriche seguite da attivazioni concentriche, questo perché nella fase eccentrica attiva il muscolo viene sollecitato a contrarsi dal riflesso miotatico e contemporaneamente accumula energia elastica che utilizza nella fase concentrica successiva, con risparmio netto di energia spesa e quindi con una migliore resa meccanica del muscolo.
Infatti se osserviamo un qualsiasi soggetto compiere  per esempio un salto, noteremo che prima di effettuare il movimento cercherà sempre di caricarsi per sfruttare al meglio le proprie potenzialità; sembra proprio che il gesto di caricarsi sia derivato dall’adattamento dell’essere umano alla gravità terrestre, infatti eseguire un contromovimento, in termini di spesa energetica, non costa nulla essendo totalmente a carico dell’attrazione gravitazionale.
Per sfruttare al meglio l’energia elastica accumulatasi nell’attivazione eccentrica attiva è necessario però che il movimento di caricamento sia rapido e che il tempo che intercorre tra il caricamento muscolare e il gesto motorio successivo sia breve.
Questo fenomeno, come si potrà leggere in seguito, è stato verificato anche nella nostra esperienza pratica, consentendoci di concludere che l’energia elastica ha bisogno di essere generata e utilizzata solo in tempi brevissimi.
Nelle attività motorie la forza può essere prodotta in modalità differente, cioè lentamente o in modo rapido. Queste due diverse modalità presiedono a due diversi comportamenti muscolari: nel caso di una forza lenta (ramp and smooth) che  tende fino alla forza massima, si ha il reclutamento temporale (pattern) prima delle fibre rosse, poi le intermedie ed infine le fibre bianche; nella forza rapida  (esplosiva) la sequenza di reclutamento è esattamente inversa infatti nella produzione di forza esplosiva, quando al muscolo non è applicato un carico esterno, avremo una attivazione concentrica a cui parteciperanno esclusivamente le fibre bianche, che hanno un tempo di attivazione molto rapido (nell’ordine di 100 millisec.); se invece aggiungessimo un carico esterno, man mano che il carico aggiunto aumenta, le contrazione sarà sempre più lenta, dando tempo anche alle fibre rosse di entrare in funzione (nell’ordine di 300-400 millisec.).
Comunque si può asserire che quando bisogna produrre forza massima, sia essa esplosiva  sia essa isometrica, è sempre necessario  reclutare le fibre bianche.

L’ ESPERIENZA PRATICA
Proprio sui rapporti tra carico imposto al muscolo e velocità di movimento relativo si è basata questa  ricerca, in cui si è studiata la relazione forza/velocità  utilizzando un gesto motorio molto semplice e spesso usato per scopi analoghi: il salto verticale sul posto.
 Il salto è stato eseguito inizialmente a carico naturale cioè senza carichi aggiunti al nostro corpo, ed in seguito con carichi crescenti fino a raggiungere un sovraccarico pari al peso corporeo.
In ogni esercizio abbiamo misurato le relative velocità di movimento, servendoci di una pedana a conduttanza (che funge da interruttore) collegata ad un cronometro con precisione al millesimo di secondo (figg. 2 e 3).
Ad ogni salto verticale sul posto, che ognuno della nostra classe ha effettuato abbiamo rilevato il tempo di volo, considerando lo start quando si staccano i piedi dalla pedana, e lo stop quando ci si atterra sopra.

fig 2                                         fig. 3

L’ultima fase dell’esperienza è stata dedicata alla misurazione della forza massima isometrica, in cui la velocità di movimento è nulla.

 DESCRIZIONE DELL’ ESPERIENZA
Per prima cosa si è voluto verificare se un gruppo muscolare, quando viene prestirato, è capace di produrre più forza, di quando non lo faccia quando esso viene chiamato ad attivarsi concentricamente senza prestiramento.
A questo proposito abbiamo eseguito al gruppo di studenti in esame, alcuni salti verticali sul posto da diverse posizioni di partenza, misurando il tempo di volo del salto, con la strumentazione presentata prima.
Il primo tipo di salto veniva eseguito secondo la caratteristica dell’esercizio Squat Jump,  che consiste nell’effettuare un salto verticale partendo da fermi in posizione semipiegata delle gambe (fig.4).
Questo esercizio consente di effettuare un salto usufruendo della forza individuale; si sono annotati quindi  in una tabella i tempi di volo realizzati nel salto (fig. 5) da ogni studente.

fig. 4                                fig. 5

In seguito si è fatto eseguire il salto secondo la modalità dell’esercizio Counter Movement Jump,  che consiste in un salto verticale partendo dalla stazione eretta delle gambe con raggiungimento la posizione a gambe semipiegate con angolo al ginocchio di circa 90°, come nella fig. 4, con un caricamento dinamico, anche in questo caso sono stati rilevati i tempi di volo individuali e riportati nella tabella sottostante.

Come si evince da un confronto tra le tabelle 1 e 2 si è notato che esiste una variabilità costante tra i tempi di volo ottenuti nelle due differenti tecniche di salto. In pratica si realizzavano tempi di volo più lunghi  e quindi salti più alti, quando era prevista la tecnica con caricamento dinamico.
Si può asserire che l’aumento del tempo di volo del salto, quindi la maggiore altezza raggiunta, deriva da un aumento di forza muscolare procurato dall’apporto della componente elastica muscolare e dal riflesso miotatico diretto, stimolati proprio dall’azione del caricamento.
La modalità con cui il caricamento produce effetti vantaggiosi sul salto, si rivelano efficaci solo se il caricamento è eseguito rapidamente, e se questo precede immediatamente il salto. Infatti si è sperimentato che se un salto prevede un caricamento fatto lentamente, o se il salto avviene dopo un tempo relativamente lungo dal caricamento, il risultato è pari a quello del salto effettuato senza caricamento, in pratica pari al risultato ottenuto nello Squat Jump (tabella 3).
Da ciò si evince che la componente elastica del muscolo, che in definitiva migliora la prestazione della forza, è utilizzabile solo se il muscolo viene sollecitato rapidamente, altrimenti la componente elastica, se non ha tempi rapidi di utilizzo, si disperde prevalentemente in calore.
Il tempo di volo del salto può essere trasformato in altezza raggiunta dal baricentro secondo la formula :

h = (t)² x 1,226

La differenza registrata nei due diversi modi di eseguire il salto verticale indica l’apporto di forza fornito dal sistema riflesso e dall’elasticità muscolare.

Δh  o Δt  =  CMJ – SJ

Δh  o Δt  rappresentano l’indice di elasticità individuale che tende a valori più alti nei soggetti che raggiungono elevazioni maggiori, come a voler significare che chi è provvisto di percentuali più alte di fibre veloci e quindi esegue salti più alti, è dotato di elasticità maggiore. Comunque tutti, generalmente, posseggono un gradiente di elasticità muscolare, come si evince anche dai dati raccolti nel nostro gruppo di studenti..

Dopo questa prima fase dell’esperimento, abbiamo eseguito salti dalla posizione di Squat Jump aggiungendo al nostro peso naturale, il sovraccarico di bilancieri di volta in volta di peso crescente, da 5 kg (figg. 6 e 7), fino a raggiungere un sovraccarico totale pari  ai chilogrammi corrispondenti al nostro peso corporeo.

       .......................................................................    fig6............................fig.7                     

Ciò ci ha permesso di evidenziare che il salto che l’allievo era capace di eseguire in condizioni ottimali, cioè a carico naturale, andava via via diminuendo al crescere del carico aggiunto, fino a risultare quasi impossibile da effettuarsi.
Quando si raggiunga l’impossibilità di eseguire il salto, pur riuscendo a muoversi,  si è raggiunto il punto in cui si ha la massima forza dinamica; oltre tale punto ci si avvicina sempre più a fenomeni di attivazione isometrica.

Tabelle dei tempi di volo con carichi crescenti

Dalle tabelle soprastanti si evince il calo, in termini di tempo di volo, dei salti in relazione al carico aggiunto.

Nell’ultima fase dell’esperienza si è rilevata, per ogni studente maschio, la forza massima volontaria (Fmax), cioè la  forza isometrica massima, in palestra eseguendo l’esercizio denominato semisquat con bilanciere utilizzando il multipower (fig. 9) con carichi massimali.
Anche in questo caso come  per i salti con sovraccarico eccessivo, abbiamo evitato di sottoporre le ragazze a questo tipo di valutazione; invece abbiamo riportato i valori ottenuti dai maschi su di una griglia appositamente predisposta (tabella 6).

fig. 8 :  Semisquat al multipower       

Di seguito vengono presentate le tabelle riassuntive sia maschili che femminili; per quanto riguarda i grafici 1 e 2 si è fatto riferimento solo ai valori medi ottenuti dai maschi, in quanto solo questi hanno fornito l’intera gamma di risultati necessari per portare a buon fine la ricerca. E’ stato realizzato inoltre un grafico su valori percentuali di forza e velocità, calcolati rispettivamente in relazione alla forza massima ed alla velocità fatta registrare nell’esecuzione dello Squat Jump ( V = ½ g t ;  dove g = 9,81 e t il tempo di volo del salto).

Tabelle riassuntive

Come è facile osservare, i grafici da noi ottenuti riflettono con buona approssimazione la curva di Hill, a riprova della sostanziale validità di questa ricerca.