No córrer

2007/02/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Anatomia/Fisiologia
• Fisika

No hi ha una sola manera de caminar. Pot anar a poc a poc, pot anar ràpid i molt ràpid. I també es pot córrer. Però córrer no és una manera de caminar. És un altre tipus de moviment; caminar ràpid i córrer són activitats molt diferents. Els atletes corren en marxa atlètica i corren en marató.

Entre tots dos esports hi ha una gran diferència biofísica. I és que els jutges de la marxa utilitzen una de les característiques d'aquesta activitat per a acceptar la marxa d'un participant: caminar implica tenir sempre una cama en contacte amb el sòl, i aquesta és la principal condició de la marxa atlètica: l'atleta no pot tenir les dues cames simultàniament en l'aire. Això seria córrer i en marxa està prohibit.

Els biofísics també utilitzen la característica de tenir o no cames en l'aire per a distingir entre caminar i córrer. L'home sempre té una cama quan camina pel sòl. També els animals de dues potes. No obstant això, amb els animals de quatre potes la qüestió no era tan clara. El cavall, per exemple. Quan corre (en galop) posa les quatre potes al mateix temps. Però va ser molt llarg prendre consciència d'això. Fins al desenvolupament de la fotografia va haver-hi un intens debat entorn d'aquesta qüestió.

Malgrat dues o quatre potes, l'única diferència entre caminar i córrer no és el relat entre cames i terra, sinó el moviment de tot el cos. És més, no es tracta d'una qüestió purament mecànica, sinó de la influència de molts factors.

Un d'aquests factors és l'energia. És un factor molt important, es pot dir que és un dels més importants. Per això, un dels primers passos dels biofísics per a estudiar la base de la locomoció és l'estudi de l'energia.

Pèndol invers

Des del punt de vista energètic, caminar i córrer són totalment diferents. En caminar, una cama empeny el sòl mentre l'altre avança. En un moment donat hi ha dos peus en el sòl i el cicle es repeteix amb la segona cama. En aquest moviment, el centre de masses del cos es comporta com un pèndol invers, és a dir, el centre de masses segueix la trajectòria d'un pèndol que està donat la volta: la persona està en el punt més alt amb una cama en el sòl i l'altra enmig del pas, mentre que quan té tots dos peus en el sòl, el centre de masses es troba en el punt més baix. En el punt més alt, el cos presenta un potencial energètic gràcies a la gravetat, aconseguint la màxima velocitat en el punt més baix.

There is a rate of energy flow rate from which the instantaneous potential energy is converted in the current kinetic energy. L'energia no es conserva al 100%, entre altres coses per la flexió dels genolls, però l'ésser humà conserva aproximadament el 60% de l'energia gràcies al pendulo invers.

Quan corres ocorre una altra cosa: el centre de masses del cos va saltant i en cada pas se li fa botar. En el punt més alt, totes dues cames estan al mateix temps en l'aire. En aquest moment, el centre de masses presenta altures i velocitats màximes. Una vegada col·locat el peu en el sòl es perd gran part de l'energia que hi havia en l'aire. Tota la cama (i el cos) ha de comportar-se com un moll per a aprofitar l'energia elàstica i subministrar energia al següent salt. Per això, el cost energètic de córrer és molt elevat.

Per què corre l'home? Per descomptat, per a moure's a alta velocitat. Malgrat el gran consum d'energia, pot escapar o atropellar. En molts casos, caminar no li dóna aquesta opció, l'activitat és massa lenta. Malgrat la rapidesa, l'ésser humà ha de córrer per a aconseguir la màxima velocitat.

En altres espècies ocorre el mateix, encara que separen l'energia d'una altra manera. Per exemple, un llangardaix té la millor transferència d'energia a baixa velocitat, a molta menor velocitat que una ovella. En ell intervenen molts factors, com la grandària del cos, la forma i la presència o no de teixits elàstics. En el cas d'una sola espècie, l'aprofitament energètic també varia amb l'edat del gra. I, per tant, la velocitat del canvi de marxa a carrera també canvia.

Córrer

La qüestió és quan l'animal fa la transició entre tots dos; en funció de què deixa de caminar i comença a córrer. En això té molt a veure l'energia, però no és un factor absolutament decisiu.

El que s'ha dit: des del punt de vista energètic, si es mou lentament és millor caminar que córrer. És a dir, córrer molt a poc a poc gasta més energia que fer-ho a poc a poc. Però a partir de certa velocitat ocorre el contrari, córrer és la millor manera de gastar menys energia.

Per això els biofísics creien que l'energia és el principal factor per a passar de caminar a córrer. Si un animal que camina comença a caminar cada vegada més ràpid, en un moment donat deixa de caminar i comença a córrer. Quan? Lògicament, en el moment en què ha de consumir menys energia que per a córrer. Per lògica és així, però en la realitat no és així. Els experiments van donar un altre resultat: els animals --els éssers humans- comencen a córrer abans que això ocorri. Els cavalls, per exemple, fan aquest canvi molt abans.

La velocitat absoluta de la transició varia d'una espècie a una altra, però hi ha una característica similar en totes les espècies. S'entén fàcilment en animals amb dues potes. En caminar, en el pèndol invers, el centre de masses del cos té un moviment circular en el qual intervé una força centrípeta. La força centrípeta és la força des del maluc cap a la base del sòl.

En teoria, els animals de dues potes deixen de caminar a una velocitat equivalent a aquesta força centrípeta i per força gravitatòria sobre el cos. Però en la pràctica no és així, la transició es produeix a una velocitat menor. (En els animals de quatre potes ocorre el mateix, però amb un model biofísic més complex).

Per a quantificar la relació entre forces, els biofísics utilitzen la proporció entre la força centrípeta i el gravitatori, és a dir, el quocient entre ambdues. El resultat d'aquesta operació es denomina número Froude. En definitiva, els animals comencen a córrer quan el número de Froude és menor que un.

Factors addicionals

El número Froude ajuda a saber a quina velocitat es produeix la transició, però no explica per què. Per què deixen de caminar quan córrer és més 'cansat' que ell?

Ningú sap la resposta, perquè la locomoció és una activitat molt complexa, però saben que la clau està en aquesta complexitat. Quanta més característiques tinguin en compte millor comprenen les variacions de l'energia en el locomoció. És impossible estudiar completament la locomoció, totes les característiques i moviments, però es poden fer aproximacions. Es poden millorar els mateixos models simples.

D'una banda, caminar no és un pèndol simple invers, ja que els genolls es dobleguen. A més, els malucs es mouen en balança i rotació en caminar.

D'altra banda, córrer és encara més complicat. En el model simple, el moviment es deu a un moll. Quins molls? Perquè els turmells, els genolls i els malucs. Les articulacions. La reacció d'aquest moviment sobre el sòl varia molt d'un lloc a un altre. No és el mateix córrer sobre sorra, herba o ciment. (La marxa també varia segons el sòl, però la variació és menor). L'ésser humà canvia el comportament de les articulacions en funció del sòl. L'home canvia principalment el temps de contacte de la cama amb el sòl i la distància en la qual el centre de masses es mou verticalment.

Vista de prop

El balanç energètic es pot millorar encara més tenint en compte no sols els moviments generals, sinó també les aportacions dels components. En definitiva, el moviment del cos és la coordinació de molts petits components que influeixen en la transmissió i el consum d'energia.

Però no tots en la mateixa mesura. Els ossos mantenen l'estructura del cos, però no produeixen moviment. Els músculs sí, fan força i transmeten aquesta força a les articulacions. Des del punt de vista de la física, els músculs afecten un moment a les articulacions. Això significa que els transmeten una determinada quantitat de força en una determinada direcció. Per això, els qui analitzen la locomoció estudien la dinàmica articular.

La dinàmica s'ha d'analitzar en tres articulacions: el turmell, el genoll i el maluc. En la locomoció, els tres participen al mateix temps, però també en diferents grandàries.

En caminar, el turmell és el que més treballa. Per exemple, quan en el sòl hi ha una sola cama, tots els músculs del turmell treballen. Caminar no consumeix molta energia, però la major part del que consumeix s'utilitza en el turmell.

Córrer requereix molta més energia en les tres articulacions. El genoll i el turmell són els que més treball mecànic realitzen. (D'ambdues, el genoll és la que més moviment realitza i major despesa energètica, però molt poc, perquè el turmell també treballa molt). En la dinàmica de córrer, el genoll és la que més energia rep del salt i el turmell transmet la major part de l'energia que necessita el pròxim salt.

És difícil mesurar la contribució de cada articulació, però és possible. No obstant això, és pràcticament impossible mesurar els paràmetres físics de cadascun dels components de les articulacions. Són corbes molt complexes.

En les articulacions s'uneixen ossos i músculs mitjançant tendons i lligaments. Els tendons realitzen unions musculars i els lligaments estan en la intersecció òssia. Segons els experts, la participació dels músculs i tendons en la transmissió del moment és molt major que la dels lligaments, per la qual cosa fins i tot descartant els lligaments de l'estudi, es poden obtenir bons resultats.

Els investigadors de la locomoció han de simplificar obligatòriament l'anàlisi. Mai aconseguiran el model perfecte de caminar, córrer, pujar escales, baixar, etc. Però s'acosten molt.

Els models simples són un punt de partida molt bo i cadascun dels factors que afegeixen als models millora la seva descripció. Saben que el canvi de caminar a córrer és una qüestió d'energia, encara que encara no poden mesurar-la amb exactitud. Tal vegada sigui impossible. La raó del canvi està oculta en els components del cos. No obstant això, saben on està el límit entre el que s'entén i el que no s'entén, i que en cada pas s'està acostant a la resposta.