L'influenza della fase di pre-stiramento sui parametri biomeccanici del salto verticale
di Bisciotti GN (1-2-5), Mognoni P (3), Iodice PP (1)_, Canclini A (4)

1. Centre Recherche Innovation Sportive,Facoltà di Scienze dello Sport, Università Claude Bernard, Lione (F)
2. Scuola Universitaria Interfacoltà in Scienze Motorie, Torino (I)
3. Istituto di Tecnologie Biomediche Avanzate, Milano (I)
4.Laboratorio Alta Prestazione, Federazione Italiana Sport Invernali, S. Caterina di Valfurva (I)
5. Consulente Scientifico FC Internazionale, Milano (I)

Abstract:

Un movimento preceduto da un ciclo stiramento-accorciamento, provoca un aumento della forza espressa durante la fase concentrica dello stesso.

Questo potenziamento della fase concentrica sarebbe imputabile, sia al fenomeno di accumulo e conseguente restituzione di energia elastica da parte della Componente Elastica in Serie, sia ad una modificazione transitoria delle caratteristiche meccaniche di rigidità dell'unità muscolo-tendinea. Tuttavia, queste variabili sarebbero influenzabili dalla velocità alla quale si effettua la fase di pre-stiramento,inoltre questi fattori sembrerebbero poter influenzare l’andamento della produzione di forza, solamente durante la prime parte della fase concentrica. Questo studio è stato effettuato allo scopo di verificare l'influenza della velocità di pre-stiramento, sui parametri responsabili del potenziamento della fase concentrica di un salto verticale effettuato attraverso un ciclo stiramento-accorciamento.

Alla sperimentazione hanno partecipato 10 soggetti di sesso maschile ai quali è stato richiesto di effettuare, su pedana dinamometrica, due tipi di salto verticale preceduti da una fase di contromovimento, nei quali la velocità alla quale si effettuava il pre-stiramento, differiva fortemente. I parametri cinematici e dinamici dei due tipi di salto sono stati derivati dal segnale di forza verticale acquisito.

I risultati mostrano come i fattori che determinano il potenziamento della fase concentrica nel salto effettuato ad una maggiore velocità di pre-stiramento, siano la velocità verticale al momento dello stacco e la potenza media registrata nella fase di spinta, viene inoltre sottolineato anche l'effetto transitorio della modificazione delle curve di forza, velocità e potenza relativa alla fase concentrica.

Parole chiave: Salto verticale, ciclo stiramento-accorciamento, velocità di pre-stiramento , restituzione di energia elastica, rigidità muscolo tendinea.

INTRODUZIONE

Raramente nell’uomo, come nell’animale, un movimento comporta un’attivazione muscolare di tipo puramente isometrico, eccentrico oppure concentrico, La situazione più tipica è rappresentata dalla corsa dove prima della fase di spinta (contrazione concentrica), i muscoli estensori sono contratti ma vengono allungati perché il centro di gravità subisce, durante l’impatto, una decelerazione verso il basso e l’avanti

La maggior parte dei movimenti umani, è caratterizzata quindi da un’attivazione muscolare che comporta una fase di contrazione muscolare di tipo eccentrico, immediatamente seguita da una fase concentrica (Goubel, 1987; Komi, 1987).

Questo particolare tipo di attivazione, viene comunemente definito come ciclo stiramento accorciamento (SSC) (Norman e Komi, 1979; Komi, 1984), la conseguenza di una fase di pre-stiramento, immediatamente seguita da una contrazione concentrica, è un accumulo di energia elastica potenziale che viene restituita sotto forma di lavoro meccanico, durante la fase concentrica stessa (Goubel, 1987).

Occorre tuttavia sottolineare, come alcuni Autori attribuiscano l’aumento del lavoro concentrico, ottenuto immediatamente dopo una fase eccentrica, al fatto che quest’ultima provochi un incremento della rigidità del complesso muscolo-tendineo che, in tal modo, riesce a trasmettere, soprattutto nella fase iniziale della contrazione concentrica, più efficacemente la forza (Cavagna e coll., 1971; Van Ingen Shenau, 1984). Inoltre la fase eccentrica iniziale, permetterebbe alla componente contrattile di lavorare nella porzione eccentrica della relazione forza-velocità (Chapman e Caldwell, 1985).

In ogni caso, il fatto di eseguire un movimento attraverso un ciclo stiramento-accorciamento, ottiene come risultato un aumento della forza espressa durante la fase concentrica dello stesso (Asmussen e Bonde Petersen, 1974; Thys e coll., 1975, Bosco, 1985; Wilson e coll.,1991)

Per ciò che riguarda il fenomeno d’immagazzinamento di energia elastica durante la fase eccentrica del movimento, quest’ultimo può verificarsi solamente nel caso in cui, il muscolo sottoposto a stiramento, sia attivo (Cavagna e coll., 1981; Goubel, 1987; Komi, 1987), in caso di mancanza di attivazione infatti, l’allungamento è carico dell’elemento elastico in parallelo e della componente contrattile, mentre la Componente Elastica in Serie (SEC), essendo più rigida, non subisce cambiamenti di lunghezza. L’ammontare della restituzione di energia elastica durante la fase concentrica, dipende da numerosi fattori, quali la durata della fase di inversione del movimento (coupling time) ( Wilson e coll., 1991; Goubel,1987; Cavanagh e Kram, 1985; Bosco, 1985; Kaneko e coll., 1984; Thys e coll, 1972; Margaria, 1968; Katz, 1939) e la velocità e l’ampiezza della fase di stiramento (Cavagna e coll., 1981; Cavagna e coll., 1965; Goubel, 1987).

In particolare, per ottimizzare la restituzione di energia elastica, sarebbe auspicabile una velocità di pre-stiramento pari a 0.5 L0 · s-1 (intendendo per L0 la lunghezza del muscolo a riposo) (Cavagna e coll., 1981) ed un’ampiezza del medesimo, non eccessivamente pronunciata, in modo tale che l’effetto del riflesso miotattico da stiramento, possa ricadere nella fase concentrica del movimento (Gottlieb e Agarwal, 1979; Bosco, 1997).

A questo proposito è comunque interessante far notare che, anche nel caso in cui il riflesso miotattico da stiramento si manifestasse durante la fase eccentrica del movimento, il suo intervento potrebbe causare un aumento della tensione muscolare prodotta durante la fase eccentrica stessa e dunque potrebbe comunque influenzare positivamente la produzione di forza durante la successiva fase concentrica.

Tuttavia, l’intervento della restituzione dell’energia elastica, sembrerebbe poter influenzare l’andamento della produzione di forza, solamente durante la prime parte della fase concentrica (Wilson e coll., 1991); nel caso specifico del salto effettuato attraverso una precedente fase di contromovimento, l’intervento della restituzione di energia elastica da parte della SEC, potrebbe essere limitato alla prima parte della curva di forza relativa alla fase concentrica di spinta.

Tuttavia, a nostra conoscenza, non sono reperibili in letteratura molti dati a questo riguardo; questa relativa mancanza di studi specifici, ci ha indotto ad approntare un protocollo di studio, sia per approfondire la relazione esistente tra il potenziamento della fase concentrica, indotto da una precedente fase eccentrica, di un salto, in funzione della velocità alla quale quest'ultima viene effettuata, sia per definire dell’evoluzione temporale dei parametri biomeccanici del gesto stesso.

METODI

Soggetti

Al presente studio hanno partecipato dieci studenti universitari di sesso maschile iscritti alla Facoltà di Scienze dello Sport, la cui altezza, massa corporea ed età erano rispettivamente 178.7±10.5 cm (media ± deviazione standard ), 77.5 ± 13,5 kg e 22 ± 2 anni. Tutti soggetti praticavano regolarmente un'attività sportiva ed avevano familiarità con le procedure richieste dalla batteria del test, essendo stati preventivamente sottoposti ad un periodo di pratica. Nessuno dei soggetti partecipanti alla sperimentazione presentava patologie di tipo muscolare o neuromuscolare, inoltre i soggetti sono stati preventivamente informati sullo scopo della ricerca e sui possibili rischi ad essa connessi.

Protocollo

Ad ogni soggetto era richiesto di effettuare due tipi di salto su pedana dinamometrica (AMTI, model OR6-5) :

Un salto preceduto da una fase di contromovimento, durante la quale le ginocchia si piegavano a 90° (CMJ₁). Durante questo tipo di salto, come nel secondo tipo di salto richiesto, l’ampiezza del movimento del ginocchio è stata controllata, sia attraverso il calcolo dello spostamento del centro di gravità, che attraverso un elettrogoniometro computerizzato (Real Power, Globus Italia)

Un salto preceduto da una fase di contromovimento, della stessa ampiezza rispetto al test di CMJ₁ ma durante il quale al soggetto era richiesto di rallentare volutamente la fase di piegamento degli arti inferiori, in modo tale da effettuare il movimento eccentrico in circa 3 s. (CMJ₂)

L’influenza degli arti superiori è stata eliminata facendo eseguire entrambi i tipi di salto con le mani ai fianchi. Sia nel test di CMJ₁, che in quello di CMJ₂, veniva richiesto all'atleta di cercare di raggiungere la maggiore altezza di salto possibile.

In entrambi i tipi di salto è stata utilizzata una frequenza di campionamento di 500 Hz, i dati in seguito venivano campionati attraverso un software dedicato.

Sono stati in tal modo calcolati i valori di forza (F), accelerazione durante la fase di spinta (Ap), accelerazione durante la fase eccentrica (An), tempo di spinta (TS), velocità verticale al momento dello stacco (VV), valore di forza all'inizio della fase di spinta (F₀) e di altezza raggiunta in volo dal centro di gravità (H_cdg) .

E' stata inoltre calcolata, sia la potenza media (P_med) che il picco di potenza (P_max), espressi durante i due tipi di salto, attraverso il prodotto tra la risultante dell'impulso netto della forza verticale ed i valori di velocità istantanea del centro di massa.

Statistica

Per tutte le variabili considerate sono stati calcolati gli indici statistici ordinari (media, varianza e deviazione standard).

La differenza tra le medie dei valori registrati nei due tipi di salto è stata verificata attraverso un test non parametrico per campioni appaiati di Wilcoxon.

L'influenza dei parametri biomeccanici sopracitati, sul valore di H_cdg raggiunto è stata valutata attraverso una retta di regressione multipla.

La differenza tra le curve di forza, potenza e velocità registrate durante la fase di spinta nei due tipi di salto, è stata analizzata attraverso un test T per campioni appaiati.

Il test T per campioni appaiati relativo ai valori sopraccitati, è stato effettuato fissando i primi 10 millisecondi come primo periodo di campionatura. Veniva quindi iterativamente aggiunto il valore successivo controllando ad ogni volta la differenza statistica tra le due campionature.

Risultati

Il valore di H_cdg registrato nel CMJ₁ e nel CMJ₂ è stato rispettivamente di 33.05± 7.2 e 30.04± 5.95 cm, la differenza tra i due valori è risultata statisticamente significativa (p<0.05). La VV registrata nel test di CMJ1 è risultata pari a 2.68± 0.23 m · s^-1, mentre nel CMJ tale valore è risultato uguale a 2.59± 0.20 m ·s^-1, la differenza tra le due medie è risultata statisticamente significativa (p<0.05).

Il valore di P_max registrato è risultato essere 47.23± 15.25 W . kg^-1 nel caso del CMJ₁ e 45.67± 14.47 W . kg^-1 per ciò che riguarda il CMJ₂, la differenza tra i due valori non è risultata statisticamente significativa.

Il valore di P_med registrato durante il CMJ₁ ed il CMJ₂ è stata rispettivamente di 27.33± 7.45 e 21.39± 6.15 W . kg^-1, la differenza tra i valori è risultata statisticamente significativa (p<0.05).

Il rapporto di CMJ₁ e CMJ₂ concernente il valore di P_max e P_med è risultato essere pari rispettivamente a 1.03 ed 1.27.

Il valore di F₀ registrato nel test di CMJ₁ è stato pari a 2.25± 0.2 volte la massa del soggetto, mentre nel test di CMJ₂ tale valore era pari a 1.34± 0.3 volte la massa dell'atleta, la differenza tra le due medie è risultata statisticamente significativa (p<0.01).

Le curve di potenza relative ai due tipi di salto sono risultate differire (p<0.005) solamente nella prima parte del tracciato, uguale ad un valore di 0.04± 0.01 secondi., pari all' 11.01± 6.52% del tracciato totale .

Discussione

La differenza significativa (p<0.05) tra i valori di H_cdg registrati durante il test di CMJ₁ (+9.09%) rispetto a quelli inerenti il test di CMJ₂, oltre ad essere in linea con i valori ritrovabili in bibliografia riguardanti la differenza tra Squatting Jump (SJ) e CMJ, caso sostanzialmente paragonabile (Bosco, 1992), indicano come la velocità del contromovimento sia un parametro essenziale nel potenziamento della successiva fase concentrica (Cavagna e coll., 1965; Cavagna e coll., 1981; Bosco, 1985; Goubel, 1987).

In effetti una fase di pre-stiramento effettuata ad una velocità relativamente elevata può comportare:

Una maggiore attivazione elettrica nella muscolatura, causata appunto da una fase di stiramento violento, che potrebbe comportare una forte rotazione all'indietro delle estroflessioni miosiniche dei cross-bridge , portandoli in tal modo in una posizione di maggior energia potenziale, condizione quindi estremamente favorevole all’accumulo di energia elastica da parte della SEC (Flitney e Hirst, 1975; 1978).

il ricadere del riflesso miotattico da stiramento, che si manifesterebbe dopo circa 40-70 ms dall'inizio della fase di pre-stiramento, (Iles, 1977; Gottlieb e Agarwal., 1979; Chan, e coll., 1978), durante la fase concentrica del movimento, fattore che potenzierebbe ulteriormente quest'ultima (Gottlieb e Agarwal., 1979; Prochazka e coll., 1977).

Una maggiore velocità di pre-stiramento potrebbe comportare un aumento della rigidità del sistema muscolo-tendineo degli arti inferiori (Morgan, 1977; Morgan et al., 1978; Proske and Morgan, 1984, 1987; Ettema and Huijing, 1993); infatti la relazione tra rigidità muscolare e forza, risulterebbe fortemente dipendente dal numero di unità motorie attive implicate nella contrazione stessa (Julian and Moss, 1981; Julian and Sollins, 1975). Il successivo potenziamento della fase concentrica potrebbe quindi essere anche parzialmente imputabile al fatto che, una struttura più rigida, trasmettendo più rapidamente le tensioni, (Cavagna et coll., 1981; Gravel et coll., 1988) potrebbe contribuire, sia alla diminuzione del coupling time, minimizzando in tal modo l’effetto di termodispersione (Bosco et coll., 1981; Curtin e Woledge, 1978), sia ad una trasmissione maggiormente efficace della forza durante la fase di spinta, questo concetto è ben comprensibile se facciamo riferimento al fatto che, in una modellizzazzione meccanica degli arti inferiori, (Alexander e Vernon, 1975 ) l’energia potenziale immagazzinata dai medesimi nella fase di stiramento è pari a _ k x², dove k è la costante elastica o rigidità ed x lo spostamento.Un sistema rigido infatti, è in grado di accumulare più energia per unità di allungamento, mentre un sistema distendibile può accumulare più energia per unità di forza.

Inoltre una pronunciata velocità della fase di contromovimento, permetterebbe un aumento dell’attivazione neuromuscolare dovuto ad un maggior numero di legami attivi a livello dei ponti actomiosinici, fattore che determinerebbe un incremento dei valori di forza all’inizio della fase concentrica del movimento (Bobbert e coll., 1996)

Tutti questi fattori inerenti, sia l'intervento dell'energia elastica potenziale, che l'ottimizzazione delle caratteristiche dell'unità muscolo tendinea (UMT), comunque sempre legati alla fase di pre-stiramento, verrebbero mortificati da una fase eccentrica effettuata a velocità eccessivamente bassa, tale da non permettere, né un sufficiente immagazzinamento di energia elastica, né un apprezzabile aumento della rigidità dell'UMT, inoltre una bassa velocità di pre-stiramento, comporterebbe il fatto che il riflesso miotattico da stiramento ricada durante la fase eccentrica del movimento stesso, vanificandone il possibile effetto di potenziamento della fase di spinta (Bosco, 1985).

Il fatto che l’effetto miotattico da stiramento possa risultare di una qualche utilità anche ricadendo durante la fase eccentrica del movimento, aumentando in tal modo il valore di F₀, ossia il valore di forza al momento della spinta, è probabilmente annullato dal basso valore di velocità della fase di contromovimento.

I rapporti di P_max e P_med durante il due tipi di salti da noi indagati (rispettivamente 1.03 e 1.27) sono ben paragonabili con quanto ritrovabile in letteratura, dove il rapporto nella produzione di picco di potenza e di potenza media tra SJ e CMJ, in cui la fase di contromovimento veniva effettuata alla velocità liberamente scelta dai soggetti, era compreso rispettivamente in un range di 0.99 - 1.038 e 1.53 — 1.7 ( Cavagna, 1991; Ferrario 2000)

Un fattore interessante da sottolineare è come le curve di potenza, relative alla fase di spinta dei due salti, differiscano solamente nella loro parte iniziale (11± 6.52%), grazie ad un aumento dei valori di forza ( 31.42± 8.4%, p<0.001) e di velocità (60.15± 13.4%, p<0.001) all'inizio della fase di spinta che si traducono in un aumento medio della potenza pari al 75.54± 12.3% (p<0.001)

Tuttavia, le due curve di potenza, dopo la prima parte iniziale la cui durata è in media di 0.04± 0.01 secondi, non differiscono ulteriormente da un punto di vista statistico, divenendo sostanzialmente sovrapponibili, dato sottolineato anche dalla mancanza di differenza staticamente significativa tra i valori di P_max raggiunti nei due tipi di salto.

Questo dato, oltre a sottolineare l'effetto di transitorietà del potenziamento dell'azione concentrica, dovuto ad una fase di pre-stiramento (Cavagna e coll., 1971; Van Ingen Shenau, 1984), imputabile probabilmente, per la maggior parte, a fenomeni di termodispersione dell'energia elastica immagazzinata nella SEC (Wilson e coll., 1991), risulta essere di particolare interesse, in quanto, a nostra conoscenza, mancano in bibliografia dati specifici a questo riguardo.

Un altro aspetto interessante emerso dal presente studio, è il rapporto esistente, nell’ambito del test di CMJ₁, tra il valore di F₀ e gli altri parametri biomeccanici considerati.

Il valore di F₀, ossia il livello di forza espresso all'inizio della fase concentrica, risulta dipendente dal valore di An (r= 0.62, p<0.05), ed a sua volta influenza fortemente il valore di H_cdg (r=0.74, p<0.01), di TS (r= -0.70, p<0.02), di VV (r= 0.77, p<0.01) e di P_med (r=0.75, p<0.01) ma non quello di P_max, sottolineando ancora una volta il concetto di transitorietà della modificazione dei parametri biomeccanici durante la fase concentrica, di cui sopra discusso.

Dal momento che il valore di An riflette direttamente la velocità media della fase di contromovimento, appare chiaro l’influenza di quest’ultima sul valore di F₀.

Per cui, in accordo con quanto già espresso da altri Autori (Walshe, 1988; Mognoni e coll, 1999), il valore di F₀ è da considerarsi, durante l'esecuzione di un salto verticale preceduto da una fase di pre-stiramento, come il parametro maggiormente determinante nei confronti delle variabili biomeccaniche relative alla fase di spinta come VV, H_cdg, TS e P_med.

In conclusione, il potenziamento della fase concentrica di un movimento, dovuto all'effetto di una precedente condizione di pre-stiramento, sarebbe imputabile, sia a fenomeni prettamente inerenti l’accumulo e la restituzione di energia elastica da parte della SEC, sia a fattori riguardanti la massimalizzazione delle caratteristiche meccaniche dell'UMT, entrambi questi parametri ottengono il risultato di aumentare il livello di forza al quale ha inizio la fase di concentrica, che a sua volta influenza positivamente gli altri parametri biomeccanici relativi alla fase di spinta. Tutti questi aspetti, sono comunque caratterizzati da una forte transitorietà ,che si traduce in una modificazione limitata, da un punto di vista temporale, dei parametri di forza, velocità e potenza, del movimento considerato, tale comunque da modificare positivamente la totalità dei parametri biomeccanici relativi alla fase concentrica del movimento stesso.

In ultima analisi si potrebbe quindi affermare che l’elasticità muscolare non è un "sistema" atto ad aumentare l’energia del muscolo ma risulti invece molto efficace al fine di aumentare, seppur transitoriamente, la produzione di potenza, migliorando in tal modo sensibilmente il rendimento muscolare.

Tabella 1: Valori delle variabili considerate nei due tipi di salto e livello di significatività statistica
della differenza tra le medie.
*p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001.

Tabella 2 : Matrice di correlazione dei ranghi di Spearman tra i valori biomeccanici registrati durante la fase di spinta del test CMJ₁.

*p<0.05, **p<0.01, ***p<0.001.

Tabella 3 : Rapporti tra P_max e P_med durante CMJ₁ e CMJ₂ (Bisciotti e coll., 2000) e CMJ e SJ (Cavagna, 1971; Ferrario, 2000)

Figura 1: Plot relativo alla Matrice di correlazione dei ranghi Spearman tra i valori biomeccanici registrati durante la fase di spinta del test CMJ₁.

Figura 2 : Valori di velocità registrati durante la fase di spinta nei due tipi di salto verticale.

Figura 3: Valori di forza relativi alla fase concentrica registrati durante il CMJ₁ ed il CMJ₂.

Figura 4: Valori di potenza inerenti la fase di spinta nei due tipi di salto verticale.

Figura 5: Dati relativi alla produzione di forza, potenza , velocità ed allo spostamento registrati durante l’esecuzione di un CMJ₁.

Figura 5b: Dati relativi allo spostamento angolare, relativo all’articolazione del ginocchio, durante l’esecuzione di un CMJ₁.

Figura 6: Dati relativi alla produzione di forza, potenza , velocità ed allo spostamento registrati durante l’esecuzione di un CMJ₂.

Figura 6b: Dati relativi allo spostamento angolare, relativo all’articolazione del ginocchio, durante l’esecuzione di un CMJ₂.

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