NOTA: Esta entrada es una traducción de “The extensor paradox… but not really”, una serie de tres posts escritos por Mick Wilkinson para www.borntorun.com
La triple extensión y el empuje contra el suelo
“Qué maravilla habernos encontrado con esta paradoja. Ahora tenemos alguna esperanza de que estamos haciendo progresos”
Niels Bohr, 1957
- Un error al analizar las observaciones en el contexto de la biología evolutiva
- Un fallo al adoptar una visión teológica de la función muscular en la locomoción
- Confundir causa y efecto
Esta mentalidad de “empujar” es el la base de esa obsesión por los llamados “ejercicios de triple extensión” (triple-extension drills) y de las indicaciones de los entrenadores para dirigir la pierna retrasada y presionar con el pie contra el suelo.
Esta serie de tres entradas explicarán cómo se ha creado esta “paradoja” y cómo, al analizarla desde la evidencia actual y a través de los filtros adecuados, no existe tal paradoja.
Establecer una “paradoja” es simplemente no querer aceptar que la teoría actual ha sido probada como falsa y no querer pensar / considerar teorías alternativas. Como dijo Niels Bohr, “una paradoja es una oportunidad para progresar en la comprensión”. Tristemente, como reconocía Thomas Kuhn, “los científicos son humanos y son reticentes a abandonar sus propias teorías”.
¿En qué consiste la paradoja de los extensores?
Estudios que han medido la actividad eléctrica de los músculos durante la carrera han mostrado de forma repetida que la musculatura extensora de la pierna de apoyo (glúteos, cuádriceps y gemelos) disminuye su actividad inmediatamente después del mid-stance. En cambio, es en ese momento en el que cabría esperar una máxima actividad muscular al extender la pierna con fuerza para propulsar al corredor hacia delante y arriba en la siguiente fase aérea, si fuese correcta la teoría de que al correr empujamos hacia el suelo y atrás.
El diagrama muestra la actividad de los músculos del tren inferior y la intensidad del color refleja el grado de activación de los mismos. La tercera figura empezando por la izquierda es el mid-stance. La cuarta figura, cuando se supone que el corredor debería estar “empujando”, muestra claramente cómo los cuádriceps y los glúteos prácticamente están inactivos mientras que la actividad de los gemelos también está diminuyendo.
A primera impresión, y con la idea del “empuje del corredor”, esto parece imposible. ¿De dónde proviene la propulsión? Después de todo, la tercera ley de Newton determina que para cada acción existe una reacción de la misma magnitud pero sentido opuesto, por lo que para avanzar hacia adelante y arriba, debería haber un empujón hacia atrás y abajo, ¿verdad?
Y es el trabajo de los músculos el crear ese empujón, ¿verdad?
¡Pues no!
No existe ningún “empuje”
“Si existe una excepción a una regla, y puede ser demostrado mediante la observación, esa regla es errónea”
Richard Feynman, 1963
La “regla” sobre la que estamos hablando en este post es la de que el corredor “debe empujar” el suelo para propulsarse hacia adelante. Hemos visto cómo los datos de los experimentos muestran que la musculatura extensora de la pierna disminuye su actividad en el punto del ciclo de la zancada donde se supone que debe realizar esa acción de “empuje”. Estos datos son la “excepción” a la “regla” del empuje (push), aunque se han repetido en diferentes estudios.
Por tanto, la regla es errónea, no existe ninguna paradoja. Citando a uno de esos estudios más importantes “Estos experimentos, sin embargo, han demostrado que la idea de un empuje en la extensión – con los flexores plantares, extensores de rodilla y extensores de cadera todos estando activos en la fase final de apoyo para generar un empuje hacia adelante y arriba – necesita ser modificada” (McClay et al., 1990).
Además de la ausencia de actividad de la musculatura extensora 30ms después del contacto con el suelo, las mediciones de los datos de las fuerzas reactivas del suelo nos dan más pistas para acabar de enterrar definitivamente la teoría del “empuje”.
Las fuerzas reactivas del suelo
La tercera ley de Newton establece que cada acción tiene una reacción igual y opuesta.
Así pues, hay una fuerza de la misma magnitud pero dirección opuesta producida por el suelo, como reacción al impacto del corredor sobre éste. La magnitud y dirección de la fuerza reactiva del suelo puede ser medida y visualizada a través de un vectograma.
Para comprender un vectograma se debe tener en cuenta que cualquier fuerza tiene una magnitud (tamaño) y dirección (adelante y atrás, vertical y lateral). Esta última con frecuencia se ignora cuando se analiza el movimiento humano, ya que las mayores fuerzas ocurren en los planos vertical y horizontal. Es posible calcular y dibujar un vector con las fuerzas verticales y horizontales.
En la anterior imagen podemos observar el vectograma de un único contacto con el suelo de un corredor debajo de una ilustración de las diferentes fases del ciclo de una zancada. La magnitud de la fuerza está expresada en múltiplos del peso corporal (BW) con el eje vertical representado un peso corporal.
Observamos varios aspectos significativos:
- En el momento del impacto con el suelo, la fuerza reactiva del suelo está inclinada hacia atrás hacia el corredor y produce un efecto de frenado que debe ser controlado mediante la actividad excéntrica de la musculatura de la pierna, al tiempo que acumulan energía elástica en los tendones.
- La magnitud de la fuerza aumenta conforme el centro de masas del corredor se va situando sobre el pie de apoyo, alcanzando su máximo cuando ambos están alineados en la vertical, el centro de masas está en su punto más bajo, y el corredor es “aplastado” entre la fuerza de la gravedad y el suelo. Este es también el punto de mayor actividad muscular, al deber resistirse a ese “aplastamiento”.
- Después de este momento (mid-stance), la musculatura extensora cesa su actividad, y la fuerza (desde ese retorno elástico pasivo) rápidamente cae.
- Cuando la dirección de la fuerza reactiva del suelo es hacia adelante, su magnitud es tan solo una fracción del peso corporal y por tanto es insuficiente para propulsar el peso corporal. La actividad muscular en este punto se centra en recuperar la pierna retrasada (trail leg), para recoger al corredor en el siguiente paso.
Entonces, ¿Qué produce la aceleración al correr?
En la última parte de este post explicaremos cómo los buenos corredores aprovechan la fuerza de la gravedad para avanzar a gran velocidad, dándonos pistas sobre cómo deberían entrenar los corredores para correr más rápido en lugar de perder el tiempo realizando ejercicios de “triple-extension”.
“El movimiento es creado con la destrucción del equilibrio, ya que nada puede moverse por sí mismo si no abandona su estado de equilibrio y aquel objeto que se mueve más rápido es el que más alejado está de su equilibrio”
Leonardo Da Vinci, 1452
La destrucción del equilibrio para crear movimiento
El objeto A está en equilibrio / estático, con su centro de masas (x) alineado verticalmente sobre su base de apoyo. En B, el centro de masas del objeto está fuera de la base de apoyo. La fuerza de la gravedad actúa sobre su centro de masas, creando una fuerza de rotación (torque) sobre el punto de apoyo, con este como eje. Si se deja solo, el centro de masas continuará acelerándose a una velocidad de 9.81 m/s (es decir, con un incremento constante de la velocidad) hasta que el objeto golpee el suelo. Cuanto más alejado está el centro de masa de un objeto de la vertical sobre su base de apoyo, mayor es el torque gravitacional y con más velocidad caerá el objeto. Esto es el torque gravitacional.
El torque gravitacional en la locomoción
La figura superior es una adaptación del trabajo de Morton (1935). Aparece ilustrada la línea inclinada (alejada del vector gravitacional) desde la base de apoyo hasta el centro de masas corporal. Esa línea es el “ángulo de inestabilidad”. De izquierda a derecha, la figura muestra un estado de equilibrio, de inestabilidad moderada al caminar y de máxima inestabilidad al correr. La aceleración hacia adelante al caminar y al correr viene proporcionada por el torque gravitacional, actuando sobre el centro de masas alrededor de un punto de apoyo fijo.
Aunque esta imagen es útil para explicar cómo es posible moverse hacia adelante simplemente por la acción de la gravedad, sin necesidad de ningún empuje activo, en realidad es una simplificación y deja sin resolver algunas cuestiones críticas que muestran las investigaciones.
Sin embargo, esta concepción de cómo la gravedad puede actuar como una fuerza motriz ha sido utilizada como piedra angular en algunas escuelas de correr, en particular por el método Pose (Romanov and Fletcher, 2007).
Mientras que la idea general del torque gravitacional como fuerza motora es correcta, los mecanismos mediante los que actúa han sido descritos de forma incorrecta.
El problema de la aceleración constante
Hemos visto cómo la fuerza de la gravedad acelera de forma constante una masa, por lo que la idea de mantener un ángulo de inclinación fijo a una velocidad constante y solamente aumentar o disminuir ese ángulo para acelerar o frenar es errónea.
Supongamos que un corredor adopta un ángulo de inestabilidad (inclinación) de 15 grados. Tan pronto como esto ocurra, su centro de masas irá incrementando siempre su aceleración a causa del torque gravitacional. A menos que sea capaz de aumentar la velocidad de recuperación sus piernas para que se adapten al ritmo al que su centro de masas está cayendo lejos de sus pies, el ángulo de inestabilidad continuará aumentando constantemente y ¡terminará cayendo de narices!
El modelo simple del torque gravitacional descrito arriba no puede explicar completamente la carrera a una velocidad constante. Por ahora, debe quedar claro que una teoría que no coincide con la evidencia es, por definición, errónea. El “concepto” de torque gravitacional debe ser cierto si nos basamos en las leyes fundamentales de la física. Lo que ocurre es que los mecanismos por los que opera durante la locomoción han sido simplificados.
El mecanismo verdadero por el que la gravedad actúa como fuerza motriz en la locomoción es comúnmente aceptado pero, por lo que parece, no tan bien comprendido. Es el “Modelo de punto de pivote virtual” el que resuelve esta cuestión. Explica todas las observaciones, ha sido utilizado por los ingenieros para construir robots humanos, y también explica porqué los “inestables bípedos” no somos tan inestables como cabría esperar.
Para una explicación de la verdadera aplicación de la gravedad como fuerza motora en la locomoción, lee el siguiente post “Biomecánica: ¿Qué hace que avancemos al correr?”.
Referencias:
Distance Running (pp 165-186). Champaign, Illinois: Human Kinetics.
Feynman, R. P. (1963). The Meaning of it All. Strand, London: Penguin Books.
Kuhn, T.S. (1962). The Structure of Scientific Revolutions. Chicago: Chicago University Press.
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.
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.
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.
Morton, D.J. (1935). The Human Foot: its evolution, physiology and functional disorders. New York: Columbia University Press.
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.
Weyand, P.G., Sternlight, D,B., Bellizzi, M.J. and Wright, S. (2000). Faster top running speeds are achieved with greater ground forces not more rapid leg movements. Journal of Applied Physiology, 89, 1991-1999.
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