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Le forze che agiscono sulle articolazioni…

State facendo la vostra brava leg extension con il selettore ficcato nell’ultimo mattoncino in basso, quello dei 90Kg, il secco nerd saccente con il cronometro e il libriccino si avvicina e vi dice, come se stesse guardando un lobotomizzato che pensa di essere Napoleone, “lo sai che così puoi dan-neggiarti il tuo crociato anteriore?” E’ vero? E perché proprio il crociato anteriore? E quello po-steriore invece che fa, dorme?

Tutti i bravi palestrati recitano queste due frasi: “la leg extension fa male”, “il multipower fa ma-le”. Perché “aumentano le forze di taglio”. Per quanto un po’ soporifero e sicuramente complesso, ritengo che l’argomento meriti interesse e ci permetta di applicare le rozze nozioni di biomeccanica dell’articolo precedente.

Forze di taglio

Le forze di taglio sono una delle tipologie di forze che agiscono sulle articolazioni, sebbene siano quelle più complicate da descrivere. Molto spesso sentirete parlare di forze di taglio sulle ginocchia: la spiegazione non è banale, ma è a mio avviso necessaria per comprendere un movimento così complesso come lo squat.

A sinistra nel disegno una schematizzazione dell’articolazione del ginocchio sinistro, un piccolo gioiellino di meccanica evolutiva, estremamente complesso.

Al centro un omino blu che esegue l’esercizio di leg extension. La forza P è quella del pacco pesi che preme sulle tibie dell’esecutore tramite la leva imbottita. La forza F è quella esercitata dal qua-dricipite tramite l’inserzione sulla tibia del tendine rotuleo. L’imbottitura della macchina preme sul-le tibie, voi comodamente seduti contraete i quadricipiti e il pacco pesi sale mentre la leva della macchina ruota.

Le freccette sopra le lettere indicano che parliamo di vettori, grandezze caratterizzate oltre che da una intensità anche da una direzione ed un verso: non facciamo fatica a comprendere che le forze siano proprio grandezze vettoriali.

Nel disegno a destra una rappresentazione semplificatissima del ginocchio: la testa superiore della tibia non è “agganciata” a quella del femore.

F

P

Tibia

Femore

Testa del femore

Rotula

Forza della LegExtension

Forza dei quadricipiti

F

P

Forza della LegExtension

Forza dei quadricipiti

F

P

Testa della tibia

Gastrocnemio

Quadricipite

Tendine del quadricipite

Tendine rotuleo

Femorali

Rotula

Tibia

Femore

Testa del femore

Testa della tibia

Perone

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Adesso un esempio di arte del riutilizzo delle informazioni: l’esempio della leg extension era stato trattato nell’articolo relativo alle leve articolari, perciò i passaggi sono:

Dal modello semplificato che tiene conto delle dimensioni ossee a quello a segmenti

Sul modello a segmenti vengono riportati gli assi cartesiani e la forza F obliqua scomposta nelle componenti relative a questi due assi

La forza F viene eliminata in quanto vengono considerate le sue componenti che producono un risultato finale equivalente

Una rotazione di 90° intorno al centro di rotazione sia del braccio che della forza ad esso appli-cata permette di ricollegarsi al modello di leva di secondo genere svantaggiosa, già analizzato

E’ adesso possibile calcolare Fy:

A sinistra insieme al risultato matematico le frecce permettono di confrontare le intensità: notate l’effetto di moltiplicazione!

Al centro, grazie al calcolo effettuato, ho disegnato correttamente la lunghezza della forza Fy che costituisce il cateto maggiore del triangolo F-Fx-Fy: è facile adesso disegnare sia F che Fx nelle giuste proporzioni. A destra il ritorno al modello di partenza con la forza F correttamente disegnata.

P

xF

yF

x

y

P

xF

yF

x

y

L1

L2

F

P

F

P

xF

yF

x

y

F

P

Centro di rotazione della tibia intorno alla testa del femore

P

xF

yF

x

y

F

P

xF

yF

F

PL

LFy

1

2

3

Ok, è finito tutto? Mmmmmm guardiamo meglio.

Consideriamo solamente le forze nella direzione alto/basso, cioè lungo l’asse y: è presente solo componente Fy della forza F. Questa forza non è compensata da niente, pertanto tira la tibia a fra-cassarsi sulla testa del femore.

Poiché in palestra non avete mai sentito urla lancinanti provenire dalla zona delle leg extension, questo drammatico scenario è errato: il femore infatti preme a sua volta sulla tibia, impedendo di spostarsi verso l’alto. A destra la situazione corretta: la forza Fy è controbilanciata dal femore che tiene vincolata la tibia nella sua posizione, pertanto da una forza di reazione. Il femore è in questo caso un vincolo per la tibia, perciò questa forza è detta reazione vincolare.

Il concetto di reazione vincolare può all’inizio lasciare un po’ perplessi, ma il succo è che ogni volta che una forza applicata ad un oggetto non ne provoca lo spostamento, questa forza deve essere equi-librata da altre forze che reagiscono allo spostamento, impedendolo.

Se per passare il tempo in maniera emozionante vi mettete a premere contro un muro, questo non si muoverà: la vostra forza è compensata da un’altra uguale in intensità e direzione ma contraria come

yF

yF

!!!!!! yF

yFR

Reazione vincolare

La forza Fy “spinge” la tibia

dentro la testa del femore

?Forza esercitata

Reazione vincolare del muro

Reazione vincolare del suolo

Forza peso

??

4

verso, è la reazione vincolare del muro. Ancora, quando passeggiate non venite inghiottiti dal mar-ciapiede perché questo oppone una reazione alla vostra forza peso, la reazione vincolare del suolo.

Consideriamo adesso le forze nella direzione destra/sinistra, cioè lungo l’asse x: in questo caso sono presenti due forze, Fx e P. Nel disegno Fx ha intensità superiore a P, pertanto la tibia è indotta a tra-slare a sinistra, disintegrando l’articolazione.

Anche in questo caso, mai avete visto i sedili delle leg extension incrostati di sangue coaugulato mi-sto a brandelli di carne, perciò anche questo scenario è sbagliato.

La differenza con il caso precedente è che non ci sono vincoli imposti dalle ossa, pertanto nessuna reazione vincolare che ci aiuta: il corpo umano impedisce alla tibia di spostarsi anteriormente rispet-to al ginocchio grazie al legamento crociato anteriore, che genera la forza C nel disegno a destra e che compensa perfettamente l’azione delle altre due forze. Il legamento crociato posteriore impedi-sce invece alla tibia di spostarsi posteriormente.

La forza Fx è detta forza di taglio, perché agisce perpendicolarmente all’asse longitudinale della ti-bia o, se volete, “di taglio” rispetto alla trazione utile del quadricipite: è qualcosa di indesiderato perché non partecipa alla rotazione della gamba e va neutralizzata per salvaguardare l’integrità dell’articolazione.

P

xF

!!!!!!

P

xF

La forza Fx “tira” la tibia in avanti rispetto

al femore

P

xF

xFPC

Forza del Legamento Crociato Anteriore

F

P R

C F

P

R

C

F

P

R

C

F

P

C

F

P

R

P

xF

P

xF

yF

yF

5

A sinistra nel disegno precedente la rappresentazione completa del modello di leg extension con tut-te le forze in proporzione fra loro. Se spostate i segmenti, senza ruotarli o deformarli, in modo che l’inizio di un vettore sia attaccato alla fine di un altro, otterrete il percorso chiuso disegnato al cen-tro: questo significa che sulla tibia agiscono forze che si compensano fra loro, aventi come somma vettoriale lo zero vettoriale, cioè il vettore nullo.

La somma vettoriale di più vettori è detta risultante dei vettori: perché un oggetto non si sposti è necessario che la risultante delle forze vettoriali che agiscono sull’oggetto sia nulla: questo è il mo-tivo per cui la tibia non trasla.

Se il percorso non fosse chiuso, come nei due disegni a destra, la tibia si muoverebbe, ma ciò non accade grazie alla presenza del crociato anteriore e della reazione vincolare del femore.

Un esempio più complicato – forze sul ginocchio nello squat

Al vero guerriero del ferro non frega una cippa della leg extension, lui si massacra di squat e stac-chi, perciò nel disegno una situazione classica. Sappiamo adesso che la forza P è la reazione vinco-lare del suolo ed è pari al peso dell’atleta e del bilanciere: questa forza agisce in maniera omogenea sulle piante dei piedi, per semplicità la rappresentiamo come una freccia concentrata (parleremo più avanti del centro di massa, per adesso fidatevi)

P

perpPparP

P

perpPparP

α

F

P

R F

C

P

α

F

P

RC

α

F

P

RC

6

Scomponiamo la forza nelle “solite” direzioni parallela e perpendicolare all’asse longitudinale della tibia: provate adesso a ripercorrere i passaggi dell’esempio precedente, vedrete che la componente Ppar viene compensata dalla reazione vincolare della testa del femore e la componente Pper è ana-loga al caso della leg extension.

Il disegno rappresenta la situazione finale: un percorso che si chiude grazie alla forza C del lega-mento crociato anteriore.

Vi è però una rilevante differenza fra squat/stacco e in generale tutti i movimenti che implicano il rialzarsi da terra, con la leg extension: l’utilizzo dei muscoli responsabili della rotazione del bacino, i femorali o hamstrings. Il semitendinoso, il semimembranoso, il bicipite femorale sono muscoli biarticolari che si inseriscono sull’anca e sulla tibia. I femorali, contraendosi per ruotare il bacino, “tirano indietro” la tibia come nel disegno a destra dove compare una ulteriore forza H dovuta a questa azione.

H

Tibia

Perone o fibula

Femore

Testa del femore

Osso iliacoOsso sacro

Semimembranoso

Bicipite femorale

Semitendinoso

Grande gluteo

Tibia

Perone o fibula

Femore

Testa del femore

Osso iliacoOsso sacro

Semimembranoso

Bicipite femorale

Semitendinoso

Grande gluteo

α

F

P

RC

α

F

P

RC

Osso sacro

L5

L4

L3

L2

L1

S1

PPP

7

Questo effetto si chiama co-contrazione dei femorali, antagonisti dei quadricipiti: entrambi i gruppi muscolari si contraggono, congiuntamente. La forza aggiuntiva H concorre a non far slittare in a-vanti la tibia permettendo al crociato anteriore di subire meno stress censivo e compensando in ma-niera più efficiente le forze di taglio.

Un altro esempio complicato – forze sulla spina nello squat

Nel disegno precedente a sinistra un omino che fa squat sotto il parallelo, a destra una zoomata delle vertebre lombari e dell’osso sacro. La spina dorsale ha il compito di sostenere tutto il peso del ferro che viene sollevato. Per semplicità di trattazione consideriamo l’osso sacro come base d’appoggio per la spina e analizziamo cosa succede sulla quinta vertebra lombare, quella che sostiene tutte le altre.

A sinistra una schematizzazione delle forze esterne e muscolari in gioco: la forza P agisce sulla spi-na tramite la leva conficcata virtualmente nel midollo osseo della 5° lombare e che rappresenta il resto della colonna vertebrale e delle spalle fino al punto di appoggio del bilanciere. Questa forza tenderebbe a far ruotare in senso orario la 5° lombare.

La forza F è dovuta agli erettori spinali, a tutti i muscoli paravertebrali e ai legamenti che agiscono per non far ruotare in avanti la vertebra.

A destra il modello equivalente con l’”altalena storta” che abbiamo trattato in precedenza: la forza P è scomposta in una componente parallela e una perpendicolare al suo braccio di leva.

Anche in questo caso, poiché la spina dorsale non collassa dentro l’osso sacro, deve essere presente una forza che compensa sia F che Ppar lungo l’asse della colonna: è proprio la reazione vincolare dell’osso sacro.

Pperp, la componente perpendicolare di P induce la vertebra a ruotare in verso orario, ma questa ro-tazione è controbilanciata da quella antioraria indotta dalla forza F: essendo il braccio della leva di F molto più corto di quello della leva di P la forza F avrà intensità molto superiore a quella di P.

C’è un problema: F impedisce a Pperp di far ruotare la vertebra, ma non compensa la traslazione dato che F e Pperp agiscono in direzioni differenti. La 5° lombare, pertanto, sarebbe soggetta ad uno slittamento in avanti dovuto proprio ad una forza di taglio, dato che agisce “lateralmente” ri-spetto all’asse della spina.

Anche in questo caso, nella realtà non avete mai trovato vertebre disseccate nell’area del rack della vostra palestra, pertanto deve esistere una qualche forza che contrasta questa forza di taglio: lega-menti, tessuto connettivo e muscoli appositamente ancorati alle vertebre compattano la struttura ed impediscono che ciò accada.

Forza peso

Forza degli erettori spinali

F

P

P

parP

perpP

La componente perpendicolare della forza peso genera una forza di taglio sulla 5° Lombare

Forza peso

T

R

Reazione vincolare dell’Osso Sacro

8

Il disegno raffigura il risultato finale: F compensa la rotazione indotta da P e la risultante di tutte le forze in gioco è nulla dato che si viene a creare un percorso chiuso.

Forze sulle articolazioni in generale

Una articolazione è schematizzabile come un giunto fra due segmenti ossei: all’estremità opposta all’articolazione, detta distale, è applicata la forza-peso (bilanciere, peso corporeo, una reazione vincolare o un mix di questa roba), all’estremità vicino all’articolazione, detta prossimale, sono ap-plicate le forze muscolari.

Nei disegni delle schematizzazioni di articolazioni:

Nel disegno a sinistra il segmento osseo è bloccato da altre ossa, come nel caso del curl: l’articolazione del gomito blocca, con le sue reazioni vincolari, l’avambraccio. Nel punto di contatto si vengono a creare delle forze di compressione che mettono sotto stress i tessuti della zona: una reazione vincolare è sempre una forza compressiva.

Nel disegno centrale il segmento osseo è bloccato da altre ossa solo parzialmente, come nel caso dello squat o della leg extension. Nel punto di contatto della tibia sul femore vi è una forza

Forza dei legamenti e dei muscoli

paravertebrali

F

R P

L

F

R P

L

F

R P

parP

perpP

L

F

P

yR

xR

F

P

yR

xS

Reazione vincolare

Reazione vincolare

Forza di stabilizzazione

Reazione vincolare F

P

yS

xS

Rotula

Tibia

Femore

Rotula

Tibia

FemoreClavicola

Omero

Scapola

Clavicola

Omero

Scapola

Omero

UlnaFulcro

Radio

Omero

UlnaFulcro

Radio

Forza di stabilizzazione

Forza di stabilizzazione

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compressiva fra femore e tibia, ma è necessaria una ulteriore forza per stabilizzare l’articolazione, quella del crociato anteriore a cui può aggiungersi quella della co-contrazione dei femorali.

In generale, quando le forze compressive di reazione vincolare non sono sufficienti a stabilizza-re l’articolazione ma sono necessari legamenti o altri muscoli.

Nel disegno a destra il segmento osseo non è bloccato da altre ossa, come nel caso della spalla vista lateralmente durante la panca piana: in questo caso l’articolazione è stabilizzata nella sua sede grazie esclusivamente a legamenti e muscoli.

Se il corpo umano non viene schematizzato con le stanghettine, è possibile identificare un’altra im-portante forza che agisce sulle articolazioni.

Nel caso del ginocchio, il tendine rotuleo, la rotula (o patella) e il tendine del quadricipite “scorro-no” sulla testa del femore come una corda (la realtà è più complessa ma la rappresentazione è suffi-ciente per quanto verrà detto).

La trazione del quadricipite schiaccia la rotula sulla testa del femore, che a sua volta crea una com-pressione che viene chiamata forza patellofemorale. In generale questo tipo di compressione è pre-sente in qualsiasi articolazione in cui un tendine scorre sopra le strutture ossee e connettive.

Sono dannose queste forze?

Quando si affrontano questi argomenti è quasi automatico associare un effetto negativo alle forze che agiscono sulle articolazioni, fragili oggetti di cristallo pronte a rompersi al primo soffio di vento più forte della brezza mattutina. In realtà queste forze sono ineliminabili.

A sinistra nel disegno seguente un omino che sale un gradino, la reazione vincolare impedisce al piede di penetrare nel gradino stesso, perciò deve essere pari al peso corporeo del nostro amico: il suo ginocchio sinistro è sottoposto ad una forza di taglio che viene compensata con i crociati e con la co-contrazione dei femorali, dato che questi fanno ruotare il bacino per mantenere la posizione eretta durante il movimento.

α

F

α

F

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A destra lo stesso omino che scende il gradino: notate come la configurazione dei vettori sia ricon-ducibile a quella dello squat. In questo caso però la forza di taglio è compensata tutta dai crociati poiché non vi è co-contrazione dei femorali: in discesa la tibia si flette e non si estende, pertanto i femorali non vengono utilizzati.

Azz… tutta la forza di taglio sui crociati! Marò! Ma… quante persone conoscete che si sono lesio-nate i crociati scendendo le scale? E con la leg extension? “Un mio amico una volta…” si si, questi amici fortissimi oppure fragilissimi.

Le articolazioni sono progettate per resistere alle forze a cui le sottoponete! Forze di taglio e com-pressive sono la normalità nelle azioni quotidiane e in qualsiasi sport: un calcio ad un pallone crea un impulso di forza che mette sotto stress l’intero ginocchio, ma… non succede nulla.

Il problema non è eliminare le forze che agiscono sulle articolazioni, ma gestirle al meglio mante-nendole al di sotto della soglia di pericolosità.

P

perpP

parP

0perpP

parPP

HC

C