Il costo energetico della locomozione e della corsa

Il costo energetico della locomozione umana (CE o Ctot) altrimenti noto come costo del trasporto, è l’energia spesa per unità di massa e per distanza percorsa. Dal punto di vista dimensionale è espresso in kcal/kg/km o kJ/kg/km che si può semplificare a N/kg, assumendo quindi le caratteristiche di una forza di spinta normalizzata il peso corporeo.

Assieme al VO2 il CE è una delle grandezze fisiologiche più importanti in ambito medico-sportivo ma, spesso, è confuso con l’efficienza della locomozione. In realtà, come mostra la seguente relazione, può essere scomposto in diversi fattori:

Ctot = C0 + C(riposo) + C(mezzo) (1)

Dal punto di vista biomeccanico ogni tipo di locomozione è caratterizzata da un costo energetico meccanico puro (C0) che può dipendere dalla velocità di spostamento lineare, dall’eventuale pendenza del percorso e dalle caratteristiche del corpo in movimento.
Se prendiamo in considerazione l’uomo, si scopre che esistono delle locomozioni più “economiche" come il cammino, grazie alla quale i suoi predecessori hanno potuto migrare compiendo lunghi tragitti in autonomia, e altre più “onerose" come, ad esempio, la corsa o il nuoto. Più recentemente la scoperta dei mezzi meccanici come la bicicletta, hanno permesso di abbassare ulteriormente il costo energetico, soprattutto alle basse velocità.

L’analisi cinematica e dinamica del movimento, in passato resa possibile dall’invenzione della fotografia, ma ora fondata su complessi sistemi stereofotogrammetrici elettronici, ha permesso di stimare il costo meccanico (Co) di attività come il cammino, la corsa o il nuoto.

Per quanto riguarda il costo energetico della corsa in piano è stata trovata una relazione che lega il C0 a fattori inerziali sia esterni, sia interni:
I primi riguardano i fattori dipendenti dallo spostamento verticale del baricentro contro la gravità, generando energia meccanica.
I secondi riguardano quei movimenti del corpo che non contribuiscono all’energia meccanica totale, come ad esempio il movimento delle braccia sul piano frontale.

L’equazione di riferimento di C0 è la seguente:

C0 = (0.66/v + 1.19) + 0.24 v (2)

dove v è la velocità di corsa, il termine tra parentesi rappresenta il lavoro esterno che ricopre C0 all’80% a 6km/h e al 50% a circa 19.5km/h, mentre 0.24v indica il lavoro interno, che cresce proporzionalmente al crescere della velocità, come mostrato dalla seguente tabella.

Tuttavia, per passare dal costo meccanico (C0) al costo metabolico è necessario conoscere il rendimento meccanico (n) dell’organismo durante l’esercizio il quale è ottenibile solo da misure metaboliche, che permettono di stimare direttamente l’energia complessiva spesa durante la locomozione.
La seguente relazione mostra il legame tra C0 e Ctot:

n = ((Ctot-C0)/Ctot) (3)

Nella corsa il principale motivo che non permette la trasformazione completa dell’energia potenziale, accumulata nel punto più alto della fase di volo, in energia cinetica, che è massima all’inizio della spinta successiva, è la dissipazione ad ogni passo di una quota di energia meccanica in lavoro muscolare attivo necessario per far cambiare bruscamente la direzione del moto al baricentro, a differenza del cammino che prevede un recupero dell'energia significativamente maggiore.

Se, durante l’impatto, i muscoli estensori dell’arto inferiore non si contraessero, cioè se la rigidità (stifness) fosse nulla, il corpo, da un lato, non dissiperebbe una parte di energia elastica sotto forma di calore ma, dall’altro, proseguirebbe il proprio moto inesorabilmente verso il suolo.

Secondo Margaria, uno dei principali fisiologi dell’esercizio, il costo energetico lordo della corsa (CE, Ctot o Cr) può essere approssimato a 1 kcal/kg/km (1963) risultando indipendente dalla velocità percorsa, ma dipendente dalla pendenza e assumendo delle variazioni interindividuali in un intorno del 20%. Questa variabilità dipende principalmente dalla genetica individuale e, secondariamente, dalla tecnica di corsa e dalle caratteristiche psicofisiche del soggetto.
Questo vuol dire che un principiante che per la prima volta si avvicina alla corsa avrà un CE più alto, ad esempio, di un maratoneta di decennale esperienza.

Con l’esercizio è possibile migliorare l’efficienza neuro muscolare, in questo caso intesa come costo energetico della corsa, ad esempio, nei seguenti modi:

• Riducendo il tono dei muscoli, sia di quelli non interessati direttamente al movimento, sia di quelli antagonisti che permettono la co-contrazione, cioè il principale fenomeno neurofisiologico responsabile della rigidità articolare.
• Aumentando la potenza e la resistenza dei muscoli responsabili dell’accelerazione e della decelerazione del centro di massa del corpo e dei vari segmenti corporei.
• Migliorando il coinvolgimento delle leve articolari energeticamente favorevoli come quella tibio-astragalica della caviglia.
• Migliorando l’ossidazione lipidica ai fini energetici.
• Favorendo il rilassamento neuromuscolare.

Cioè rendendo automatico un movimento corretto e il meno dispendioso possibile.

La seguente tabella mostra i valori del rendimento meccanico (n) calcolato mediante la (3) sulla base della (2) e del costo unitario fissato da Margaria:

Come si può notare il rendimento meccanico n decresce all’aumentare del contributo del lavoro interno (0.24v) sul lavoro totale, che come abbiamo visto precedentemente non partecipa alla produzione di energia meccanica. Il rendimento meccanico assume quindi valori superiori al massimo teorico assunto per la contrazione muscolare semplice (30%) a causa probabilmente del recupero elastico dell’energia da parte sia delle strutture attive, sia delle strutture passive.

Per quanto riguarda il secondo fattore della (1) il consumo a riposo, C(riposo) dipende dal grado del metabolismo a riposo che in qualche modo sottrae energie per il movimento. Ad esempio, è evidente di come un eccessivo coinvolgimento della digestione, riscontrabile da un elevato quoziente respiratorio (QR) a riposo, sottragga sangue carico di ossigeno utile ai muscoli, generando un’automatica limitazione della potenza muscolare da parte del sistema nervoso centrale.
Le seguenti relazioni, in base alla formula del metabolismo basale, mostrano come il costo a riposo sia proporzionale alla massa magra e inversamente proporzionale alla velocità di avanzamento del soggetto:

E(riposo) = (MB*LAP)(1440*P) = (28*MM*LAP)(1440*P) = 28*P*(1-MG%)*LAP(1440*P) = 7(1-MG%)*LAP360 ⌊Kcal/(Kg*min)⌋

C(riposo) = E(riposo)*60v (km/h)

C(riposo) = (7*(1-MG%)*LAP)6*v ⌊Kcal/(Kg*Km)⌋

Dove MB è il metabolismo basale, MM è la massa magra, MG% è la massa grassa percentuale, LAP è il livello di pre-affaticamento. Valori di LAP elevati indicano, ad esempio, la fine di un riscaldamento (LAP = 1.05 -1.1) mentre la digestione può aumentare il LAP a valori di 1.05 per diverse ore dopo i pasti.

Il terzo ed ultimo fattore della (1) è il costo dovuto alla resistenza del mezzo nel quale si effettua lo spostamento (Cmezzo). Per quanto riguarda la corsa, se questo costo al chiuso assume valori nulli, all’aperto assume via via sempre più consistenza all’aumentare della velocità relativa del fluido che agisce sul soggetto, come mostrato dalla seguente relazione vettoriale:

|V| = |V| soggetto + |V| mezzo

Studi sull’aumento della spesa energetica di locomozione dovuto alla pressione del vento sul soggetto risalgono a Pugh (1971) che riuscì ad esprimere una relazione tra questa e la corsa, come mostrato dalla seguente equazione:

E(aria) = 0.00354 * S(yz) * v³ [(lO2)/min]

Dove S(yz) rappresenza la sezione frontale del soggetto in esame e v è la somma vettoriale tra la velovità del soggetto e quella del vento.
Risulta possobile passare al costo energetico del mezzo, C(aria) conoscendo il valore dell'equivalente energetico espresso in funzione della velocità, EC(v) altrimenti approssimata a 5 kcal/lO2, e dei valori della superficie corporea frontale, assunta pari a 0.266*Sc; dove Sc è la superficie corporea.

Attualmente, per semplificare i calcoli, il valore di riferimento del costo energetico della corsa è il seguente e non risente in modo significativo della velocità (Margaria):

CE = 1 kcal/kg/km

per approfondire l’argomento e vedere come varia il VO2 al variare dei principali fattori che lo definiscono, visita la pagina inerente il nomogramma sullo studio del VO2max.

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