No correr

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

• Anatomia/Fisiologia
• Fisika

No hay una sola forma de caminar. Puede ir despacio, puede ir rápido y muy rápido. Y también se puede correr. Pero correr no es una forma de andar. Es otro tipo de movimiento; caminar rápido y correr son actividades muy diferentes. Los atletas corren en marcha atlética y corren en maratón.

Entre ambos deportes hay una gran diferencia biofísica. Y es que los jueces de la marcha utilizan una de las características de esta actividad para aceptar la marcha de un participante: caminar implica tener siempre una pierna en contacto con el suelo, y esa es la principal condición de la marcha atlética: el atleta no puede tener las dos piernas simultáneamente en el aire. Eso sería correr y en marcha está prohibido.

Los biofísicos también utilizan la característica de tener o no piernas en el aire para distinguir entre caminar y correr. El hombre siempre tiene una pierna cuando camina por el suelo. También los animales de dos patas. Sin embargo, con los animales de cuatro patas la cuestión no era tan clara. El caballo, por ejemplo. Cuando corre (en galope) pone las cuatro patas al mismo tiempo. Pero fue muy largo tomar conciencia de ello. Hasta el desarrollo de la fotografía hubo un intenso debate en torno a esta cuestión.

A pesar de dos o cuatro patas, la única diferencia entre caminar y correr no es el relato entre piernas y tierra, sino el movimiento de todo el cuerpo. Es más, no se trata de una cuestión puramente mecánica, sino de la influencia de muchos factores.

Uno de estos factores es la energía. Es un factor muy importante, se puede decir que es uno de los más importantes. Por ello, uno de los primeros pasos de los biofísicos para estudiar la base de la locomoción es el estudio de la energía.

Péndulo inverso

Desde el punto de vista energético, caminar y correr son totalmente diferentes. Al caminar, una pierna empuja el suelo mientras el otro avanza. En un momento dado hay dos pies en el suelo y el ciclo se repite con la segunda pierna. En este movimiento, el centro de masas del cuerpo se comporta como un péndulo inverso, es decir, el centro de masas sigue la trayectoria de un péndulo que está dado la vuelta: la persona está en el punto más alto con una pierna en el suelo y la otra en medio del paso, mientras que cuando tiene ambos pies en el suelo, el centro de masas se encuentra en el punto más bajo. En el punto más alto, el cuerpo presenta un potencial energético gracias a la gravedad, alcanzando la máxima velocidad en el punto más bajo.

There is a rate of energy flow rate from which the instantaneous potential energy is converted in the current kinetic energy. La energía no se conserva al 100%, entre otras cosas por la flexión de las rodillas, pero el ser humano conserva aproximadamente el 60% de la energía gracias al pendulo inverso.

Cuando corres ocurre otra cosa: el centro de masas del cuerpo va saltando y en cada paso se le hace botar. En el punto más alto, ambas piernas están al mismo tiempo en el aire. En este momento, el centro de masas presenta alturas y velocidades máximas. Una vez colocado el pie en el suelo se pierde gran parte de la energía que había en el aire. Toda la pierna (y el cuerpo) debe comportarse como un muelle para aprovechar la energía elástica y suministrar energía al siguiente salto. Por ello, el coste energético de correr es muy elevado.

¿Por qué corre el hombre? Por supuesto, para moverse a alta velocidad. A pesar del gran consumo de energía, puede escapar o atropellar. En muchos casos, caminar no le da esa opción, la actividad es demasiado lenta. A pesar de la rapidez, el ser humano debe correr para alcanzar la máxima velocidad.

En otras especies ocurre lo mismo, aunque separan la energía de otra manera. Por ejemplo, un lagarto tiene la mejor transferencia de energía a baja velocidad, a mucha menor velocidad que una oveja. En él intervienen muchos factores, como el tamaño del cuerpo, la forma y la presencia o no de tejidos elásticos. En el caso de una sola especie, el aprovechamiento energético también varía con la edad del grano. Y, por tanto, la velocidad del cambio de marcha a carrera también cambia.

Correr

La cuestión es cuándo el animal hace la transición entre ambos; en función de qué deja de caminar y empieza a correr. En ello tiene mucho que ver la energía, pero no es un factor absolutamente decisivo.

Lo dicho: desde el punto de vista energético, si se mueve lentamente es mejor andar que correr. Es decir, correr muy despacio gasta más energía que hacerlo despacio. Pero a partir de cierta velocidad ocurre lo contrario, correr es la mejor manera de gastar menos energía.

Por eso los biofísicos creían que la energía es el principal factor para pasar de caminar a correr. Si un animal que camina empieza a caminar cada vez más rápido, en un momento dado deja de caminar y comienza a correr. ¿Cuándo? Lógicamente, en el momento en que tiene que consumir menos energía que para correr. Por lógica es así, pero en la realidad no es así. Los experimentos dieron otro resultado: los animales --los seres humanos- comienzan a correr antes de que esto ocurra. Los caballos, por ejemplo, hacen este cambio mucho antes.

La velocidad absoluta de la transición varía de una especie a otra, pero hay una característica similar en todas las especies. Se entiende fácilmente en animales con dos patas. Al caminar, en el péndulo inverso, el centro de masas del cuerpo tiene un movimiento circular en el que interviene una fuerza centrípeta. La fuerza centrípeta es la fuerza desde la cadera hacia la base del suelo.

En teoría, los animales de dos patas dejan de caminar a una velocidad equivalente a esa fuerza centrípeta y a la fuerza gravitatoria sobre el cuerpo. Pero en la práctica no es así, la transición se produce a una velocidad menor. (En los animales de cuatro patas ocurre lo mismo, pero con un modelo biofísico más complejo).

Para cuantificar la relación entre fuerzas, los biofísicos utilizan la proporción entre la fuerza centrípeta y el gravitatorio, es decir, el cociente entre ambas. El resultado de esta operación se denomina número Froude. En definitiva, los animales comienzan a correr cuando el número de Froude es menor que uno.

Factores adicionales

El número Froude ayuda a saber a qué velocidad se produce la transición, pero no explica por qué. ¿Por qué dejan de caminar cuando correr es más 'cansado' que él?

Nadie sabe la respuesta, porque la locomoción es una actividad muy compleja, pero saben que la clave está en esa complejidad. Cuanta más características tengan en cuenta mejor comprenden las variaciones de la energía en el locomoción. Es imposible estudiar completamente la locomoción, todas las características y movimientos, pero se pueden hacer aproximaciones. Se pueden mejorar los mismos modelos simples.

Por un lado, caminar no es un péndulo simple inverso, ya que las rodillas se doblan. Además, las caderas se mueven en balanza y rotación al caminar.

Por otro lado, correr es aún más complicado. En el modelo simple, el movimiento se debe a un muelle. ¿Qué muelles? Pues los tobillos, las rodillas y las caderas. Las articulaciones. La reacción de este movimiento sobre el suelo varía mucho de un lugar a otro. No es lo mismo correr sobre arena, hierba o cemento. (La marcha también varía según el suelo, pero la variación es menor). El ser humano cambia el comportamiento de las articulaciones en función del suelo. El hombre cambia principalmente el tiempo de contacto de la pierna con el suelo y la distancia en la que el centro de masas se mueve verticalmente.

Vista de cerca

El balance energético se puede mejorar aún más teniendo en cuenta no sólo los movimientos generales, sino también las aportaciones de los componentes. En definitiva, el movimiento del cuerpo es la coordinación de muchos pequeños componentes que influyen en la transmisión y el consumo de energía.

Pero no todos en la misma medida. Los huesos mantienen la estructura del cuerpo, pero no producen movimiento. Los músculos sí, hacen fuerza y transmiten esa fuerza a las articulaciones. Desde el punto de vista de la física, los músculos afectan un momento a las articulaciones. Esto significa que les transmiten una determinada cantidad de fuerza en una determinada dirección. Por ello, quienes analizan la locomoción estudian la dinámica articular.

La dinámica se debe analizar en tres articulaciones: el tobillo, la rodilla y la cadera. En la locomoción, los tres participan al mismo tiempo, pero también en diferentes tamaños.

Al caminar, el tobillo es el que más trabaja. Por ejemplo, cuando en el suelo hay una sola pierna, todos los músculos del tobillo trabajan. Caminar no consume mucha energía, pero la mayor parte de lo que consume se utiliza en el tobillo.

Correr requiere mucha más energía en las tres articulaciones. La rodilla y el tobillo son los que más trabajo mecánico realizan. (De ambas, la rodilla es la que más movimiento realiza y mayor gasto energético, pero muy poco, porque el tobillo también trabaja mucho). En la dinámica de correr, la rodilla es la que más energía recibe del salto y el tobillo transmite la mayor parte de la energía que necesita el próximo salto.

Es difícil medir la contribución de cada articulación, pero es posible. Sin embargo, es prácticamente imposible medir los parámetros físicos de cada uno de los componentes de las articulaciones. Son curvas muy complejas.

En las articulaciones se unen huesos y músculos mediante tendones y ligamentos. Los tendones realizan uniones musculares y los ligamentos están en la intersección ósea. Según los expertos, la participación de los músculos y tendones en la transmisión del momento es mucho mayor que la de los ligamentos, por lo que incluso descartando los ligamentos del estudio, se pueden obtener buenos resultados.

Los investigadores de la locomoción deben simplificar obligatoriamente el análisis. Nunca conseguirán el modelo perfecto de caminar, correr, subir escaleras, bajar, etc. Pero se acercan mucho.

Los modelos simples son un punto de partida muy bueno y cada uno de los factores que añaden a los modelos mejora su descripción. Saben que el cambio de andar a correr es una cuestión de energía, aunque todavía no pueden medirla con exactitud. Tal vez sea imposible. La razón del cambio está oculta en los componentes del cuerpo. Sin embargo, saben dónde está el límite entre lo que se entiende y lo que no se entiende, y que en cada paso se está acercando a la respuesta.