Biomeccanica del resistance training: glossario su leve e forze

Tra le figure operanti negli ambiti del resistance training, la biomeccanica è materia in genere poco compresa e confusa.

Parte di questa confusione è causata dalla difficoltà a semplificare i principi complessi, dall’utilizzo di termini diversi (talvolta arbitrari) per identificare gli stessi principi, o dall’utilizzo degli stessi termini per identificare principi diversi.

L’articolo intende fornire un glossario sui concetti comunemente usati nella letteratura sulla biomeccanica del resistance training riguardanti le leve e le forze. La trattazione viene ampliata con chiarimenti su errori e semplicismi comuni, esempi e riferimenti, in maniera da permettere all’operatore di sviluppare una maggiore padronanza del gergo tecnico e meglio comprendere i concetti biomeccanici di base.

Forza

In fisica, la forza è una quantità vettoriale come lo sono la velocità e l’accelerazione; essa include quindi la grandezza, la direzione e il verso, ed è solitamente misurata in Newton. La forza è in grado di mantenere o di indurre una variazione dello stato di quiete o di moto di un corpo, o di operare una sua distorsione, a meno che non sia controbilanciato da altre forze.

La forza quindi non necessariamente provoca una variazione dello stato di quiete o di moto di un corpo: ad esempio, essa può essere troppo debole per spostare un oggetto in quanto contrastata da forze opposte di entità analoga o superiore (forza di attrito statica o di frizione statica). Nell’ambito dell’esercizio contro resistenza questo è ben rappresentato dalla contrazione isometrica, dove le forze agiscono pur non essendoci spostamento.

Le forze di interesse in biomeccanica sono svariante, ma la classificazione più generale è quella che distingue le forze interne e esterne:

  • Forza esterna: forza prodotta da una struttura esterna al corpo, una struttura che esercita una forza contro il corpo di solito attraverso la gravità.
  • Forza interna: forza prodotta da una struttura interna al corpo, che nella meccanica degli esercizi è quasi sempre riferita al muscolo (forza muscolare).

 

A sua volta, la forza muscolare può essere suddivisa grossolanamente in:

  • Forza muscolare attiva: la forza muscolare prodotta dalle miofibrille (le strutture contrattili actina e miosina);
  • Forza muscolare passiva: la forza muscolare prodotta dalle strutture passive/non-contrattili (titina, tessuti connettivi, tendini, ecc);

 

Queste forze esterne e interne agiscono attraverso dei punti di contatto:

  • Punto di applicazione della forza (PAF): Il punto o la regione esatta in cui una forza viene applicata a un corpo. Nel resistance training esistono due tipi di PAF a seconda che ci si riferisca alle forze interne o esterne (1).
  • PAF esterno (punto di applicazione del carico): Il punto in cui il carico viene posizionato sulle, o mantenuto dalle parti corporee, e dove quindi la forza esterna contrasta il corpo;
  • PAF interno (punto di contatto muscolare): Il punto punto di contatto tra muscolo e il segmento osseo dove il muscolo esercita la sua forza, di solito rappresentato dal suo punto di attacco (origine o inserzione);

Carico e resistenza

In biomeccanica è necessario fare un’ulteriore distinzione tra carico e resistenza: (1)

  • Carico: una forza che viene applicata ad una struttura, e che nell’allenamento contro resistenza può essere rappresentato da un bilanciere, un manubrio, un elastico, la maniglia di un cavo, una macchina isotonica, il peso corporeo (nel corpo libero), la mano di un terapista, ecc.
  • Resistenza: una forza che produce il movimento di rotazione attraverso un sistema di leve articolari, ovvero la forza che si oppone a quella dei muscoli, attorno ad un dato fulcro. La resistenza è la componente della forza derivante dal carico che è più rilevante nel resistance training, e viene quantificata dal torque o momento meccanico, approfondito in seguito.

Linee di forza

Nella biomeccanica le linee di forza sono considerabili come i vettori delle due principali forze lineari, rappresentando le direzioni generali e i relativi versi in cui esse vengono espresse.

Anche nel caso delle linee di forza i relativi termini che li riconoscono non sempre hanno un significato univoco, quindi è necessario fare una distinzione tra la linea della forza esterna (resistenza) e quella interna (forza muscolare), che vengono spesso nominate rispettivamente:

  • Linea della resistenza (o linea della forza esterna): è la linea immaginaria passante per il punto di applicazione della forza, orientata nel verso in cui viene esercitata la forza esterna (ai pesi liberi e a corpo libero è la linea di gravità, nel caso di cavi e elastici la rappresentano essi stessi);
  • Linea di trazione (o linea della forza muscolare): la direzione attraverso cui l’unità muscolo-tendine, o le fibre muscolari, esprimono la loro forza avvicinando e allontanando l’origine all’inserzione o viceversa (il verso viene invertito a seconda della fase della contrazione);

 

Per un approfondimento: Il principio dell’allineamento nella biomeccanica del resistance training.

Leve

In fisica, la leva è descritta come un un corpo rigido, vincolato e girevole attorno a un punto fisso (asse di rotazione o fulcro), e soggetto all’azione di due forze opposte. Sebbene non traspaia nei classici esempi semplificati (come quello dell’altalena saliscendi), per bene comprendere il comportamento e l’interazione tra leve e forze si richiede anche di rappresentare delle linee immaginarie dette “braccio”, che possono misurare variabili diverse. A maggior ragione questo è richiesto per il corpo umano, la cui complessità rende le leve molto spesso non ben riconoscibili.

Braccio di leva (lever arm)

Nella biomeccanica, il braccio di leva (lever arm) viene usato sia per riconoscere l’azione della forza esterna (carico), sia l’azione della forza interna (muscolare) (1). Anche in questo caso ciò può confondere dato spesso non viene specificata l’origine della forza o la struttura a cui ci si rivolge, nonostante si riferiscano a variabili completamente diverse.

  • Braccio di leva esterno: Distanza più breve tra l’asse di rotazione (o fulcro, ovvero il centro dell’articolazione) e il punto di applicazione della forza (PAF) esterna sui segmenti corporei.

 

Fondamentalmente, è la distanza – rappresentata da una linea retta immaginaria – tra l’asse attraverso cui ruota la leva stessa e il punto attraverso cui la forza esterna la contrasta. 

  • Braccio di leva interno (o muscolare): Distanza più breve tra l’asse di rotazione (centro dell’articolazione) e il PAF da parte di un dato muscolo sui segmenti corporei (approssimativamente la sua inserzione tendinea). 

 

Per stabilire il braccio di leva muscolare è necessario prendere in considerazione l’angolo di trazione (angle of pull), ovvero l’angolo formato tra la linea di trazione di un muscolo e l’asse longitudinale dell’osso (leva) su cui esso si inserisce (1). In molti muscoli, il massimo braccio di leva si osserva quando l’angolo di trazione è di 90°, anche se non è sempre il caso (2).

Braccio del momento (moment arm)

In blu, rappresentazione del braccio del momento del muscolo pettineo.

La valutazione del braccio di leva per capire quanto influisce sulle forze appare poco pratico, poiché si richiederebbero dei calcoli trigonometrici (quindi un calcolo degli angoli), ulteriormente complicati dal fatto che durante i movimenti le leve possono variare.

L’uso del braccio del momento (moment arm) permette di facilitare la valutazione delle forze evitando calcoli complessi (1), e non a caso nella meccanica degli esercizi sembra più utilizzato rispetto al braccio di leva.

Anche per il braccio del momento esiste però la stessa confusione osservata per il braccio di leva, dato che esiste il braccio del momento interno e quello esterno (1).

  • Braccio del momento esterno: La distanza più breve tra l’asse di rotazione e la linea della resistenza, che corre in perpendicolare ad essa (quindi ai pesi liberi questa distanza è rappresentata in orizzontale, poiché in tal caso la linea della resistenza è sempre verticale). 
  • Braccio del momento muscolare (o interno): La distanza più breve tra l’asse di rotazione e la linea di trazione delle fibre muscolari, che corre in perpendicolare ad essa.

 

Se il “braccio” della leva è rappresentato dalla linea retta immaginaria che collega il fulcro e il punto di applicazione della forza, il “braccio” del momento è invece rappresentato da una linea retta immaginaria perpendicolare alla linea della resistenza o di trazione – a seconda che sia esterno o interno, rispettivamente – che collega il fulcro.

Quando si parla di braccio del momento si parla anche di lunghezza, quindi “lunghezza del braccio del momento” (moment arm length), che essa sia esterna o interna, termine di solito non usato per il braccio di leva (perlomeno come qui definito) perché la sua lunghezza non varia per forza durante il movimento. 

Confusione tra leve interne e esterne

Evidente discrepanza tra angolo di trazione del bicipite brachiale, e angolo articolare del gomito.

Al contrario di quanto si possa pensare, i bracci di leva/del momento interni e esterni non sono coincidenti, quindi un dato angolo articolare non corrisponde all’angolo di trazione delle fibre di un muscolo che ruota la stessa articolazione (1).

I bracci di leva/del momento dei muscoli dipendono dai loro siti di attacco (origine e inserzione), che però non sono riconoscibili dall’esterno, né quindi riconoscibili guardando gli angoli articolari e i segmenti ossei.

Un semplice esempio, probabilmente il più frainteso perché il più rappresentato, è il bicipite brachiale: una flessione del gomito di 90° corrisponde a un angolo di trazione delle fibre del bicipite di 105°; quindi il massimo leveraggio del bicipite si ottiene quando il gomito è flesso a 75° e non a 90° (1). 

D’altra parte, queste corrispondenze rimangono molto indicative poiché l’ipertrofia di un muscolo altera in maniera potenzialmente importante il suo braccio di leva/del momento (più ipertrofia lo aumenta) (3), senza considerare che i siti di attacco e di contatto mostrano una certa variabilità inter-individuale (4).

Meglio valutare il braccio di leva o il braccio del momento?

A sinistra, rappresentazione del braccio del momento; a destra il braccio di leva e gli angoli di trazione del muscolo pettineo (1).

Sebbene il braccio del momento possa sembrare più semplice da individuare, a volte il braccio di leva risulta altrettanto intuitivo, senza la necessità di affidarsi a calcoli trigonometrici. Del resto, in alcuni casi basta considerare la perpendicolarità rispetto ad altre linee o l’apertura degli angoli.

In molti movimenti mono-articolari, il braccio di leva esterno sarà maggiore in proporzione alla perpendicolarità tra la linea retta immaginaria che collega il fulcro e il punto di applicazione della forza (di solito, ma non per forza, il segmento osseo) con la linea della resistenza. D’altro canto, la questione cambia in altri esercizi, soprattutto quelli multi-articolari, dove il massimo leveraggio non è più così ben riconoscibile guardando il braccio di leva, richiedendo di valutare il braccio del momento.

In molti muscoli il braccio di leva interno (muscolare) sarà maggiore in proporzione alla perpendicolarità tra il segmento osseo e l’angolo di trazione delle fibre muscolari su di esso inserite (2).

Tuttavia, a causa della grande variabilità delle strutture anatomiche, per diversi muscoli individuare il braccio di leva è meno intuitivo dato che non agiscono per avvicinare la leva ossea alla perpendicolarità rispetto alla linea di trazione dell’unità muscolo-tendine, il cui punto di contatto con l’osso (punto di applicazione della forza muscolare) può inoltre variare durante il movimento a causa delle “pulegge anatomiche” di alcune articolazioni (1).

È il caso del tricipite brachiale, il quadricipite, il deltoide laterale nell’abduzione di spalla, che accorciandosi ruotano la leva per portarla invece più in parallelo rispetto alle loro fibre. Altri casi, come il medio gluteo nell’abduzione d’anca, il grande gluteo nell’estensione d’anca, o il gastrocnemio nella flessione di ginocchio, non sono intuibili guardando solo le leve ossee. In questi casi valutare il braccio del momento potrebbe risultare più semplice, ma si richiede comunque una attenta valutazione caso per caso proprio a causa delle variabilità anatomiche.

 

Per un approfondimento: Accoppiamento neuromeccanico e vantaggio meccanico: implicazioni per l’ipertrofia.

Torque 

Il torque (𝜏) – detto anche momento meccanico, momento della forza, o solo momento – è la forza moltiplicata per il suo braccio di leva/del momento, la quale agisce per ruotare il corpo o il segmento attorno all’asse di rotazione. Si tratta quindi della forza che causa il movimento attorno al fulcro – ovvero, una forza rotazionale – la quale dipende dal braccio del momento/di leva, oltre che naturalmente dall’entità del carico (1).

Il torque è l’equivalente rotazionale della forza lineare, che agisce quindi sempre in direzione perpendicolare alla leva (90°) per favorire il verso puramente rotatorio. Il torque si contrappone alla forza traslazionale, l’altra componente della forza agente sulle leve che corre lungo la leva stessa, cioè assialmente o in parallelo ad essa (1). Quando la forza complessiva non agisce ad un angolo di 90°, solo una parte di essa causa una rotazione, mentre la parte restante è rappresentata dalla forza traslazionale (1). 

In biomeccanica sono riconoscibili due torque che si contrastano: (1,5)

  • Torque esterno: è la forza generata dal carico per ruotare l’articolazione, ed è il determinante della cosiddetta resistenza.
  • Torque interno: è la forza generata dal muscolo per ruotare l’articolazione, quindi è la componente della forza muscolare che contrasta la forza rotazionale esterna.

 

In condizioni di staticità, il torque esterno trova il suo picco quando il braccio del momento è più lungo, mentre il torque interno trova un picco a livelli variabili perché determinato anche da diversi altri fattori. 

Relazione lunghezza-tensione e torque muscolare

Sebbene la definizione generale di torque sia la forza moltiplicata per il braccio di leva/del momento, il torque interno/muscolare è influenzato anche da altri fattori indipendenti, come la lunghezza muscolare (6-8). Questo potrebbe essere spesso ignorato perché richiede di analizzare la questione anche dalla prospettiva fisiologica, e non solo meramente meccanica.

Questo è spiegato dal principio della relazione lunghezza-tensione (LTR), secondo cui la forza muscolare è influenzata anche dal grado di lunghezza a cui si trova il muscolo: se un muscolo è agli estremi della sua lunghezza, in genere perde forza; a gradi di lunghezza indicativamente intermedi avviene invece una migliore sovrapposizione dei filamenti di actina e miosina nei sarcomeri (1,8).

Quindi un muscolo potrebbe trovarsi al suo massimo leveraggio (massima lunghezza del braccio del momento), ma esprimere meno torque rispetto ad angoli articolari in cui il suo braccio del momento è più corto, grazie a un grado di lunghezza più vantaggioso per i miofilamenti. La questione però viene ulteriormente complicata in presenza di movimento, non solo perché la LTR è stabilita in condizioni isometriche.

 

Per un approfondimento: Relazione lunghezza-tensione (LTR): implicazioni pratiche per l’ipertrofia.

Torque statico vs torque dinamico

Quanto spiegato sul torque e la relazione con le leve nel resistance training è applicabile in condizioni statiche di quiete, ma in condizioni dinamiche (di movimento) il torque subisce delle alterazioni a causa di forze ulteriori che di fatto aumentano il carico (1). Esiste anche una relazione torque-velocità (il corrispondente rotazionale della relazione forza-velocità), per cui il torque è inversamente proporzionale alla velocità (9).

A differenza del torque statico, il torque dinamico produce una cosiddetta accelerazione angolare, ovvero la rapidità con cui la velocità di spostamento del punto di applicazione della forza (PAF) varia nel tempo durante un movimento circolare. 

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  • Lorenzo Pansini

    Lorenzo Pansini è formatore, natural bodybuilder, personal trainer e divulgatore scientifico specializzato in nutrizione sportiva (ISSN-SNS) e allenamento per il miglioramento fisico. Con oltre 10 anni di esperienza attiva nella divulgazione scientifica, è stato per anni referente tecnico per l'azienda leader Project inVictus con vari ruoli, e richiesto da altre importanti realtà del settore nazionale. È autore per testi e riviste di settore, come Alan Aragon's Research Review, redatta dal ricercatore e nutrizionista americano Alan Aragon.

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