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Biomecánica de los movimientos del deportista
En el aspecto biomecánico, el movimiento deportivo, sea cual sea la variedad deportiva en cuestión, es el resultado de la interacción activa del hombre con los objetos externos próximos que lo rodean.
Por ejemplo, el saltador de longitud, para alcanzar la velocidad necesaria para que su cuerpo despegue, ejecuta al final de su carrera una potente impulsión desde una plataforma especial (Figura 1.1); el levantador alza las pesas en interacción simultánea con el suelo y la propia pesa (Figura 1.2); para conseguir fuerza motriz, el nadador emplea la resistencia del agua como lo haría un remo (Figura 1.3).
De este modo, el sentido del entrenamiento (una vez más, desde el punto de vista biomecánico) reside en organizar el trabajo motriz y las interacciones externas del deportista de modo que se aprovechen al máximo las fuerzas que entran en juego para la ejecución del ejercicio de competición: primero, de acuerdo con la normativa de la competición y, segundo, con la máxima potencia posible (velocidad, exactitud, etc.).
Métodos de investigación de los movimientos del hombre
Los resultados de las investigaciones utilizadas en este libro han sido obtenidos gracias a varios métodos instrumentales, incluyendo las plataformas dinamográficas y los dispositivos tensiométricos (Y. Verkhoshanski, 1961,1963,1973). En las condiciones de laboratorio, fueron usadas dos metodologías originales con los instrumentos: plataforma dinamográfica universal (PDU-3) y el dispositivo para el estudio de la capacidad reactiva del sistema neuromuscular (Y. Verkhoshanski,1970, 1979).
Figura 1.1 Dinamograma vectorial de la interacción del deportista con el apoyo al impulsarse en el salto de longitud. En la ilustración se muestran mediante flechas los vectores de la reacción resultante del apoyo.
Figura 1.2 Esquema de la interacción del deportista con el apoyo y con las pesas en la ejecución de la primera parte del levantamiento. P es el peso corporal del atleta y Fy la interacción vertical que se establece con el apoyo, expresada en unidades de peso corporal del atleta.
Figura 1.3 Creación de la fuerza motriz en la natación aprovechando la resistencia del agua con un movimiento de remo.
La plataforma dinamográfica universal (figura 1.4) incluyen tres bloques: de medición, funcional y de registro.
El bloque de medición es un dispositivo destinado para la medición simultánea de la fuerza externa aplicada a ese elemento, a la trayectoria del movimiento y al tiempo de realización de distancias cortas. El esquema cinemático principal del bloque de medición está presentado en la figura 1.5, y sus elementos básicos son los siguientes: el transmisor del esfuerzo (I), el dispositivo para medir la trayectoria (II) y el tiempo (III) del movimiento.
Figura 1.4 Esquema del principio dinamográfico universal: 1) pedal de trabajo, 2) guías, 3) tensiometro, 4) cable de transmisión y 5) peso.
Como transmisor, se usa el tensiómetro (1) que está fijo entre el carro de medición y las vías (2) (esquema representado en el gráfico) y funciona a distancia. El carro se desplaza libremente por las guías. El carro de medición está unido por medio de un cable flexible al elemento que crea la resistencia al movimiento. Como transmisor de la trayectoria, fue usada una placa metálica (0,3 m mm) (3) y como registro del tiempo, fotodiodos (4). El recipiente de la corriente (5) está en el acoplamiento (6) y está fijo en el cable que se desliza por la línea. La tensión sin medida, en este caso, en el esquema eléctrico es análoga a la función S (t). Al mismo tiempo, la banderita (7) cierra el flujo de luz, uniendo y desuniendo el aparato y registrando el tiempo de movimiento en cada distancia del recorrido.
Figura 1.5 Esquema del principio dinamogràfico universal.
El bloque funcional está destinado a garantizar la posición adecuada del investigado para el registro del movimiento útil y para la creación de la resistencia externa al mismo. La construcción racional del bloque admite la capacidad prácticamente ilimitada de reproducción de los movimientos motores de diferente forma y diferente régimen de contracción muscular. Para la creación de la resistencia externa al movimiento, se han propuesto los siguientes métodos: cambio de carga (8), inercia del volante en rotación (9) y dosificación de la resistencia del motor eléctrico (10).
El bloque funcional se realizó considerando las siguientes exigencias:
aposición confortable para un esfuerzo máximo y una reproducción estable en el caso de repetir el test;
bagarre a través de cinturón y tirantes;
cumbral de grados de libertad de movimiento útiles.
El bloque de registro (YDC-3) es un conjunto de dispositivos fabricados con un patrón que garantiza la alimentación estable de los esquemas eléctricos, la amplificación de su lectura y su transformación en forma análoga y discreta para programarla en el ordenador. La forma análoga de registro en el papel ultravioleta (oscilógrafo K-115) deberá estar fijada en las curvas F (t), S (t), y las marcas del tiempo de movimiento en tres tramos (indicador numérico del tiempo F-583). El modelo de fijación de las características registradas del esfuerzo explosivo en régimen dinámico de trabajo muscular está representado en la figura 1.6.
En todas las investigaciones fueron registradas las siguientes características:
Fmáx – valor máximo de la curva F(t)
Fp – ordenada de la curva F(t) correspondiente al peso de la carga P
DF – valor de la fuerza superior del peso de la carga
Tp – tiempo limitado para el inicio de la curva F(t) y su ordenada correspondiente al peso de la carga
Tmáx – tiempo limitado para el inicio de la curva F(t) y su valor máximo Fmáx.
Dt – tiempo de movimiento en ciertas distancias de amplitud
DS – estiramiento de las distancias de amplitud.
En los casos en que como calidad de la resistencia externa al movimiento se usa la inercia de la rueda en reposo o la resistencia dada por un motor, como sucede en un esfuerzo explosivo, la ordenada de la curva F(t) para el cálculo de los valores Q y G deberá estar determinada por el máximo de la primera derivada de F(t) o por medio de otro método. La investigación metodológica mostró que el modelo actual posee algunos errores en la medición relacionada con las capacidades de frecuencia del sistema-soporte-peso (carga), así como algunas particularidades de la plataforma (distensión del soporte, instalación de los fotodiodos para el registro del tiempo de movimiento). Pero la precisión y la fiabilidad de la medición de las principales características son bastante altas, con coeficientes de 0,83-0,99, cuando realizamos medidas repetidas en un test de amplitud de variación de las características, V% no supera el 3-6 %.
El dispositivo para investigar la capacidad reactiva del sistema neuromuscular fue desarrollado con el objeto de analizar el régimen específico de trabajo muscular para la actividad deportiva cuando el pre-estiramiento está unido a la fase del esfuerzo activo útil (Y. Verkhoshanki, 1959,1961,1963;D. Markov, 1967) (figura 1.7).
Figura 1.6 Modelo de las curvas F(t) y S(t) en el patrón dinamográfico universal.
Figura 1.7 Esquema del principio del dispositivo para estudiar la capacidad reactiva del sistema neuromuscular. 1) aparato de peso, 2) guías, 3) aparato de contra-choque).
El dispositivo (figura 1.7) representa las guías verticales por las cuales se desplaza libremente el aparato con carga. El peso del aparato es modificado de 1 a 10 kg por la variación de la magnitud de las cargas. El examinado con ayuda del aparato anti-choque deberá reimpulsar la carga que cae de una determinada altura con la mayor fuerza posible. El dispositivo de registro controlará la altura conseguida por el aparato después de ser impulsado, con una lectura del gráfico Sy(t) del punto de trabajo (donde se puede leer y medir la duración de las fases de trabajo muscular de amortiguamiento) y el tensiodinamograma (F(t)) reimpulsor de la carga (figura 1.8).
Por las características registradas y siguiendo el teorema de la energía cinética, se podrán calcular los valores de la fuerza media del movimiento y la fuerza y la potencia del trabajo en la fase de amortiguamiento y de impulsión.
Figura 1.8 Modelo de los gráficos F(t) y S(t), impulsándose con la mano y un peso de seis kilogramos después de su caída desde 0,60 m, de una persona entrenada (A) y de una no entrenada (B).
Aparte del régimen pliométrico o de choque que hemos mencionado, también puede ser estudiados otros regímenes de contracción a partir de los diferentes estados musculares que anteceden el esfuerzo activo (relajación, tensión isométrica, estiramiento suave, etc).
Particularidades del trabajo muscular en condiciones de actividad deportiva
Si hacemos abstracción de la forma de movimiento y de su inclinación y régimen concreto de trabajo muscular, entonces el carácter del desarrollo del esfuerzo en la inmensa mayoría de movimientos deportivos puede representarse mediante la gráfica F(t), cuyo principio y final siempre se sitúa en las abscisas (Fig. 1.9), dado que el movimiento empieza y termina con velocidad nula.
El efecto útil de trabajo está determinado por el impulso de la fuerza (I = Ft), es decir, por la superficie abarcada por la curva F(t) que está por encima del valor del peso superado (P). El aumento del efecto de trabajo del movimiento está en función del aumento de esta superficie, hecho en cual, precisamente, reside el fin del perfeccionamiento del movimiento deportivo. Aunque eso no lo es todo.
La cuestión es que, en relación con las limitaciones anatómicas de la amplitud del movimiento, cuanto más rápido sea éste menos tiempo habrá para que se manifieste el esfuerzo de trabajo. De ahí que la principal particularidad del movimiento deportivo resida en la necesidad de un rápido desarrollo del máximo de fuerza de contracción de los músculos, para conseguir desarrollar el impulso de fuerza requerido. No es difícil encontrar una confirmación de esta conclusión en los postulados físicos conocidos, de los que se desprende que por lo general la velocidad (V) es directamente proporcional a la fuerza (F) y al tiempo de su actuación (t), e inversamente proporcional a la masa corporal (m), es decir, V = Ft/m. El significado físico formal de esta expresión es evidente: para mejorar la velocidad del cuerpo es imprescindible mejorar la importancia y duración de la fuerza aplicada o reducir la masa corporal.
Figura 1.9 Gráfica que ilustra el carácter principal del desarrollo del esfuerzo de trabajo (F) en el tiempo (t) en los movimientos deportivos, siendo P el peso de la resistencia (carga) superada.
En la práctica, sin embargo, en las condiciones del movimiento humano no todas las posibilidades enumeradas son practicables. El deportista no puede disminuir la masa de su cuerpo o del aparato deportivo estandarizado y aumentar el tiempo del movimiento. Lo primero es obvio, y lo segundo, como ya se ha dicho, se explica por lo limitado de la amplitud de trabajo del movimiento. En consecuencia, tan sólo queda: el aumento del máximo de esfuerzo de trabajo y de la velocidad de su obtención.
Para una caracterización cualitativa y una valoración cuantitativa del esfuerzo de trabajo se adoptan los siguientes parámetros (Fig. 1.10, gráfica 1) de la curva F(t) (Y. Verkhoshansky, 1959, 1961, 1970):
| P0: | fuerza máxima de los músculos, que se mide por la magnitud de su esfuerzo límite isométrico sin limitaciones de tiempo; |
| Fmáx: | magnitud máxima del esfuerzo de trabajo; |
| tmáx: | tiempo de consecución del máximo de esfuerzo; |
| J: | índice de la fuerza muscular explosiva, que representa la capacidad de desarrollar con rapidez el máximo de esfuerzo y se calcula mediante la relación Fmáx/tmáx; |
| Q: | índice de la fuerza de arranque, que representa la capacidad de los músculos de desarrollar con rapidez el esfuerzo externo al principio del trabajo y se calcula mediante la tangente tgαl del ángulo de inclinación respecto de la curva F(t) al inicio de las coordenadas F y t. |
| G: | índice de la fuerza de aceleración (o de velocidad), que representa la velocidad de desarrollo del esfuerzo al principio del movimiento de la masa desplazada (P) y se calcula mediante la tangente tgα2 del ángulo de inclinación respecto de la curva F(t) en el momento P. |
Además, para caracterizar las capacidades de fuerza conviene también destacar lo que se conoce como «fuerza relativa», calculada mediante la relación de P0 o Fmáx con el peso corporal del deportista.
Está demostrado que la curva F(t) de esfuerzo explosivo consta de tres componentes (Y. Verkhoshansky, 1959, 1963, 1970) y está determinada por las capacidades del sistema neuromuscular tales como:
fuerza máxima de los músculos,
capacidad para manifestar la fuerza rápida en el inicio de la contracción muscular (fuerza inicial),
capacidad de desarrollar la fuerza explosiva una vez iniciado el movimiento (fuerza de aceleración).
Figura 1.10 Ejemplos de la curva F/t de los esfuerzos de trabajo del deportista.
La forma de la curva F(t), es decir, el carácter de la manifestación del esfuerzo en el tiempo, depende de la magnitud de la resistencia externa, la amplitud del movimiento, la postura de salida y disposición relativa de los segmentos corporales, de la capacidad del deportista de realizar con velocidad su potencial energético y de otros factores.
Figura 1.11 Relación entre el porcentaje de las unidades motoras lentas y el tiempo necesario para alcanzar un esfuerzo del 30% de la Po. (datos de I. Vitasalos lermi, 1978).
Evolución del carácter de las interacciones externas del deportista con el aumento de la maestría
Con el aumento de la maestría deportiva el carácter de la manifestación del esfuerzo en el tiempo y el espacio atraviesa determinados cambios.
Por ejemplo, en la Fig. 1.11 se muestran las gráficas «fuerza-tiempo» [F(t)] y «fuerza-recorrido» [F(S)] del esfuerzo explosivo (movimiento de flexo-extensión de las piernas en posición sentada), obtenidas al principio y al final del período de entrenamiento de 6 meses de un deportista. Están agrupadas por ordenadas, correspondientes al momento en que el esfuerzo alcanza el valor del peso de la carga superada. Es fácil comprobar que para la gráfica F(t) son características:
una reducción del tiempo consumido para alcanzar el peso de la carga;
un aumento del máximo de esfuerzo y un acercamiento del momento de su obtención al inicio del trabajo muscular de esfuerzo;
una reducción de la duración general del esfuerzo;
un aumento de la superficie abarcada por la curva F(t) que está por encima del valor del peso superado.
Para la gráfica F(S) son característicos:
un desplazamiento del máximo de esfuerzo hacia el inicio del movimiento;
un aumento de la superficie abarcada por la curva F(t), que está por encima del valor del peso superado (P).
En el proceso de un entrenamiento a largo plazo, el perfeccionamiento del movimiento deportivo se produce de la siguiente manera (Fig. 1.10, gráfica 2):
al principio se produce una mejora relativamente uniforme del esfuerzo;
a continuación se da un aumento sustancial del máximo de esfuerzo, un desplazamiento hacia el inicio del movimiento y cierta reducción del tiempo consumido en el movimiento (curva 2),
por último, un ulterior aumento del máximo de esfuerzo y de su concentración en el inicio mismo del movimiento, junto a cierta reducción del tiempo (curva 3).
En la evolución del carácter del componente de fuerzas del movimiento deportivo respecto de la amplitud de trabajo se aprecia a su vez una determinada regularidad (Fig. 1.10, gráfica 3). Al principio se observa cierto aumento de la fuerza en todas las amplitudes de trabajo. Como resultado del entrenamiento, se mejora el máximo de esfuerzo y se muestra una tendencia a localizarlo en uno u otro sector de la amplitud de trabajo del movimiento (curva 2).
Por ejemplo, en los movimientos de fuerza-velocidad de tipo balístico con una resistencia externa relativamente baja, el esfuerzo se concentra en el sector inicial de la amplitud de trabajo (Fig 1.10, gráfica 3). Frente a una resistencia más importante tiene lugar una tendencia a desarrollar con velocidad el esfuerzo para después concentrarlo en el centro de la amplitud de trabajo.
Así pues, el perfeccionamiento del efecto de trabajo del movimiento deportivo está relacionado con la manifestación de un elevado máximo de fuerza externa en el tiempo más corto posible. Éste es el único camino posible que está condicionado por las particularidades anatómico-fisiológicas del sistema motor humano.
En los ejercicios con régimen combinado (reversible) de trabajo muscular, en los cuales una fase de contracción excéntrica muscular precede al esfuerzo activo de trabajo (los ejercicios de salto del atletismo, el patinaje artístico, las acrobacias), la consecución del perfeccionamiento cualitativo del movimiento como resultado del entrenamiento (Fig. 1.10, gráfica 4) está en función de la mejora de la propiedad muscular de manifestar un gran esfuerzo en el momento de la transición desde un trabajo de frenado a uno de superación, unida a un rápido paso desde la extensión hacia la contracción y cierta reducción del tiempo de ejecución del movimiento (desde a1 hasta b1) y del ángulo de flexión de la articulación de trabajo (desde a hasta b). Esta propiedad ha sido explicada con todo detalle bajo la denominación de «capacidad reactiva del sistema neuromuscular» (Y. Verkhoshansky, 1959, 1963, 1970).
En los ejercicios de carácter cíclico (carreras, natación, remo), la mejora del efecto de trabajo se produce en función de la mejora de la capacidad de manifestar con velocidad el máximo de fuerza junto a un rápido y más profundo relajamiento de los músculos en la fase pasiva del movimiento (Fig. 1.10, gráfica 5). Al mismo tiempo, se aumenta la duración relativa de la fase de aflojamiento y se rebaja hasta cierto punto el ritmo de los movimientos.
De este modo, el proceso de mejora del efecto de trabajo del movimiento, independientemente del régimen y de las condiciones externas de trabajo del sistema motriz, se ajusta a unos determinadas principios. Dichos principios se expresan principalmente en el aumento del máximo de esfuerzo de trabajo y de la velocidad de su manifestación, en el desplazamiento del momento de obtención del máximo de esfuerzo, por principio, hacia el inicio del movimiento y en la reducción de su tiempo de ejecución. Las magnitudes de estos cambios son particularidades exclusivas de cada variedad deportiva. Ésta mejora está condicionada por las reestructuraciones y adaptaciones que se generan dentro del organismo, caracterizadas predominantemente por:
intensificación de la capacidad del sistema nervioso central de crear la potencia necesaria en el impulso supra-espinal direccionado hacia la periferia motora y asegurar los principales parámetros del programa motor de la coordinación intramuscular;
especialización morfofuncional del sistema neuromuscular y adecuación al régimen de contracción específico;
aumento de la potencia de los sistemas y del volumen de las fuentes de aporte energético de las actividades musculares de alta intensidad;
reacción de interrelaciones especializadas entre los sistemas del organismo que garantizan un alto nivel en la capacidad de esfuerzo y trabajo en esas condiciones concretas de la actividad muscular de alta intensidad.
