NOTA: Esta entrada es una traducción de “The Science of Falling”, escrito por Mick Wilkinson para www.borntorun.com.
Biomecánica: Al correr, no “empujamos” contra el suelo
“¿Quién ha visto el viento? Ni tu ni yo, pero cuando los árboles inclinan sus cabezas, el viento está pasando”
Rosetti, 1915
En la anterior entrada en este blog en la que hablamos sobre la biomecánica de la carrera a pie (“La “paradoja de los extensores en la carrera”) llegamos a la conclusión de que la fuerza de la gravedad crea una fuerza rotatoria (o torque) en el centro de masas del corredor sobre su pie de apoyo cuando aquél pasa por delante de éste. También concluimos que este torque gravitacional proporciona la fuerza motriz al correr.
Está teoría concuerda con los datos electromiográficos (EMG) y cinéticos de publicaciones científicas previas (Mann et al., 1986; Rodano, 1987; McClay et al., 1990), considerando que la teoría de que el corredor “empuja” de forma activa contra el suelo es errónea y no coincide con las observaciones de los estudios, por lo que la llamada “paradoja de los extensores” no es, en absoluto, una paradoja.
La ciencia de “dejarse caer”
La teoría de que la gravedad proporciona la fuerza motora durante la carrera no es nueva (Morton, 1935; Perry, 1992; Romanov y Fletcher, 2007). De todas formas, el mecanismo usado para explicar la acción del torque gravitacional en estas publicaciones falla al explicar la carrera a velocidad constante. Sí sirve, en cambio, para explicar desde la biomecánica una aceleración constante (algo parecido a lo que ocurre cuando un sprinter sale de los bloques) tal como explicábamos en la parte final del post sobre la paradoja de los extensores.
Un intento reciente para explicar el torque gravitacional en la locomoción, y para demostrar de forma experimental su efectividad en la reducción del coste metabólico al caminar y correr (Kanstad and Kononoff, 2015), muestra errores importantes en su metodología e interpretación.
La carrera a una velocidad constante, al igual que la aceleración o deceleración mediante el uso del torque gravitacional, pueden ser explicados perfectamente desde la biomecánica mediante el modelo del punto de pivote virtual (VPP) (Maus et al., 2010). Este modelo también explicaría la estabilidad que podemos observar durante la locomoción humana en lo que supuestamente debería ser una marcha muy inestable.
Biomecánica: Bípedos inestables y Robots corredores
El modelo VPP tiene su origen en la ingeniería, tras múltiples intentos para diseñar un robot que reproduzca la locomoción humana. Surge como solución al aparentemente insuperable problema de evitar que caiga al desplazarse, debido a su inestabilidad.
Mantener un torso pesado sobre dos piernas largas con una base de apoyo pequeña es una tarea compleja a causa de las diversas fuerzas que actúan sobre aquél durante el ciclo de la carrera. Es un desafío importante para los humanos, aunque no seamos conscientes de ello y a pesar de que apenas veamos caídas en adultos sanos.
La solución propuesta desde la ingeniería reside en alienar el vector de las fuerzas reactivas del suelo (GRF) con un eje fijo, aunque virtual, situado en la parte alta del torso, por encima del centro de masas, en todo momento durante la fase de apoyo.
Este es el modelo de punto de pivote virtual (VPP).
Biomecánica: El VPP y la carrera a velocidad constante
La imagen superior representa a un corredor en el momento de contacto inicial con el suelo (izquierda), el punto intermedio del apoyo o mid stance (en la figura del medio) y poco antes del despegue (derecha). Los gráficos de abajo muestran respectivamente las fuerzas reactivas verticales del suelo y el torque sobre la articulación de la cadera.
Vamos a hacer un análisis, desde la biomecánica, que nos ayude a comprender qué fuerzas están actuando sobre el corredor, y qué efecto tienen en él.
Durante el contacto inicial con el suelo, el vector de las fuerzas reactivas del suelo (GRF) está orientado hacia atrás y arriba, cruzando el VPP, y está por delante del centro de masas (lo que provoca un ligero efecto de frenado).
La distancia perpendicular entre el vector GRF y la articulación de la cadera aparece representado en la imagen como “D”. Esta discrepancia provoca un momento (torque) de flexión de cadera y una inclinación del torso hacia adelante que debe ser controlada por la musculatura extensora de cadera.
La zona coloreada en la zona posterior de la cadera ilustra la respuesta electro-miográfica de los extensores de cadera cuya función principal es el controlar la inclinación anterior del torso al correr, de ahí el mayor desarrollo del glúteo en humanos que en otros simios y chimpancés no corredores (Lieberman et al., 2006). Esta inclinación anterior del tronco se puede apreciar al observar en cámara lenta a cualquier corredor de élite y se ha utilizado como crítica a la forma de entender y enseñar la carrera del método “Pose” (Brodie et al., 2007).
En el punto intermedio de la fase de apoyo, el vector GRF esta alineado verticalmente con la cadera, el centro de masas y el VPP. La actividad electromiográfica muestra que las piernas simplemente deben resistir al “aplastamiento” entre la fuerza de la gravedad y las fuerzas reactivas del suelo e intentar acumular energía en los principales tendones de las piernas.
Inmediatamente después del mid stance, la musculatura extensora disminuye su actividad y el centro de masas del corredor cae hacia delante aprovechando el torque gravitacional al mismo tiempo que los “muelles” de la pierna recuperan su posición pasivamente, proporcionando el movimiento hacia arriba que puede verse en la trayectoria del centro de masas.
En esta ocasión, el vector de la GRF está orientado hacia adelante y arriba, cruzando el VPP, y está por detrás del centro de masas y la cadera, provocando una aceleración, y un momento de extensión (torque) en la cadera que activan la musculatura flexora de columna y cadera y comienza el recobro de la pierna de apoyo. Como resultado, si observamos en cámara lenta a los buenos corredores también veremos una inclinación del tronco hacia atrás.
La imagen muestra cómo los vectores de GRF en el apoyo inicial y en el despegue final son exactamente opuestos el uno frente al otro y crean unos momentos de flexión y extensión sobre la cadera iguales pero opuestos y una velocidad constante. Es decir, el ligero efecto de freno es compensado por el efecto de aceleración producido por el torque gravitacional en la segunda mitad de la fase de apoyo.
La aceleración y deceleración es el resultado de la discordancia entre los torques de flexión y extensión en la cadera.
El uso de la gravedad para conservar energía
El modelo VPP explica y coincide con las observaciones biomecánicas (cinéticas y cinemáticas) de los corredores humanos y animales y la forma como utilizan la fuerza de la gravedad para conservar energía, como es de esperar por el imperativo biológico. Las predicciones de esta teoría han sido confirmadas por las observaciones de los estudios rigurosamente diseñados.
Una teoría que explica y coincide con todas las observaciones es, por supuesto, superior a otra que no lo hace. Tanto la teoría biomecánica habitual de que el corredor “empuja” como la teoría del “torque gravitacional” forman parte de estas últimas, ya que no pueden explicar ni coinciden con todas las observaciones científicas.
Referencias
Brodie, M., Walmsley, A., and Page, W. (2007). Coments on “Runners do not push off but fall forward via a gravitational torque” (Vol. 6, pp. 434-452). Sports Biomechanics, 7(3), 403-405.
Kanstad, S.V. and Kononoff, A. (2015). Gravity-driven horizontal locomotion: theory and experiment. Proceedings of the Royal Society A, 471(20150287), 2-11.
Lieberman, D.E., Raichlen, D.A. and Pontzer, H. (2006). The human gluteus maximus and its role in running. Journal of Experimental Biology, 209, 2143-2155.
Mann, R.A., Moran, G.T. and Dougherty, S.E. (1986). Comparative electromyography of the lower extremity in jogging, running and sprinting. The American Journal of Sports Medicine. 14(6), 501-510.
Maus, H.M., Lipfert, S.W., Gross, M., Rimmel, J and Seyfarth, A. (2010). Upright human gait did not provide a major mechanical challenge for our ancestors. Nature Communications, 1(70), 1-6.
McClay, I.S., Lake, M.J. and Cavanagh, P.R. (1990). Muscle activity in running. In P.R. Cavanagh (Ed.), Biomechanics of Distance Running (pp 165-186). Champaign, Illinois: Human Kinetics.
Morton, D.J. (1935). The Human Foot: its evolution, physiology and functional disorders. New York: Columbia University Press.
Perry, J. (1992). Gait Analysis: Normal and Pathological Function. Thorofare, New Jersey: SLACK Inc.
Rodano, R. (1987). Evaluation of movement in sport by means of vectograms. International Symposium on Biomechanics in Sports, 506-522.
Romanov, N and Fletcher, G. (2007). Runners do not push off the ground but fall forwards via a gravitational torque. Sports Biomechanics, 6(3), 434-452.
Rossetti, C.G. (1915). Sing-song: a nursery rhyme book. London: MacMillan and Co.
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