L'era del Ferro

Dal divano alla finish line

Applicazioni matematiche per l’analisi metabolica e biomeccanica della corsa – Parte 1

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PROLOGO

Sono più o meno a metà della stesura di questo articolo quando vedo scorrere sulla timeline del mio Facebook un post relativo all’annuncio di Garmin circa una aggiornamento di Connect IQ previsto per novembre: tutte le fasce cardio connesse a dispositivi run e multisport (dotati di altimetro barometrico!!! ovviamente) saranno in grado di misurare la potenza erogata nella corsa. Questa notizia è letteralmente una bomba perché l’ingresso di un player così importante nel mercato dei power meter run implicherà innanzitutto l’immediata massiccia diffusione di tutto ciò che comporta registrare la traccia watt – leggete il resto per sapere quanto rivoluzionerà la vostra vita di runner – e secondo perché consentirà di accumulare una mole di dati enorme, con i quali sarà molto più rapido far progredire le nostre conoscenze in materia, dato che ora siamo ancora veramente agli albori delle applicazioni sul campo.

Qui l’articolo completo

Gli odiosi GPS privi di altimetro barometrico non potranno gestire il canale Power, ma anche alcuni ottimi device come il 920XT e il Fenix3hr, che non supportano la release di Connect IQ 2

L’INIZIO DELLA STORIA

Per ragioni misteriose chiunque si avvicini a sport come il nuoto o il ciclismo assume un atteggiamento tra il rispettoso e il timoroso, informandosi in modo approfondito sui materiali necessari, soprattutto nel caso debba procurarsi una bicicletta e quasi sempre pensando di affidarsi a un tecnico – o almeno iscriversi a un corso – nel caso del nuoto. Per la corsa no, per la corsa si ritengono tutti già “imparati”, finendo subito a preoccuparsi di resistenza aerobica, soglia, acido lattico, per non parlare di articolate discussioni circa i chilometraggi necessari per preparare la maratona e quante ripetute da mille fare con quale recupero. Peccato dimenticare, o far finta di dimenticare, che la corsa è estremamente tecnica, punto 1, e che la prestazione è fortemente dipendente dal grado di economia del gesto, punto 2.

Il risultato è che in tanti pensano di correre praticamente pur in assenza di fase di volo (cioè ciò che distingue la corsa dalla marcia) facendo una fatica boia (perché incapaci di riciclare l’energia gratuita che deriva dal contatto al suolo) e praticando anche una sorta di martirio che arricchisce ortopedici, fisioterapisti e osteopati (perché correre male significa infliggere traumi distruttivi al proprio corpo).

I misuratori di potenza, che nel ciclismo hanno rivoluzionato il modo di allenare e correre, stanno cominciando a diffondersi anche nel mondo del running e promettono di aprire prospettive inimmaginabili prima d’ora in termini di analisi, pianificazione e strategie di gara, sia che si parli di pista, strada o trail. Da un punto di vista tecnologico siamo ancora nella fase poco più che pioneristica, i dati grezzi in uscita dai sensori possono essere messi tranquillamente in discussione (basti pensare a come cambia la rilevazione a seconda che si usi un foot pod come Stryd o una fascia toracica come sarà a breve per Garmin, che un modello faccia una acquisizione su due dimensioni e un altro su tre) ma non è mia intenzione occuparmi di validazione dei device. Mi limiterò a trarre il meglio da ciò che oggi è presente sul mercato, utilizzato da molti coach in giro per il mondo, e sostanzialmente robusto in quanto ripetibile.

Da oltre un anno mastico di potenza e nuove metriche di biomeccanica running grazie alla raccolta, elaborazione e analisi dati proveniente da unità Stryd, inizialmente le Pioneer (fascia) e poi i Summit (footpod) che hanno segnato un netto balzo in avanti in termini di qualità e affidabilità del segnale. Ma andiamo con ordine.

La traccia Potenza in colore fucsia, rilevazione di un 20 x 200 m diviso in 4 serie da 5 ripetute con recupero via via più veloce

IL POWER METER PER LA CORSA: COME FUNZIONA

Stryd traccia il movimento del piede all’interno di un modello tridimensionale, e registra accelerazioni, impatti e forze ad esso applicate da cui deriva la potenza e metriche quali distanza, passo, cadenza, tempo di contatto al suolo, oscillazione verticale etc etc. I calcoli sono stati validati attraverso la verifica con sistemi di acquisizione di movimento ad alta risoluzione, treadmill sensorizzati per la misura della forza e metabolimetri per la misura del consumo di ossigeno. Di fatto oggi è impossibile dire quale strumento sia corretto e quale no, non esistono riferimenti esterni oggettivi che rappresentino benchmark.

Giusto per dare la dimensioni di quanta cautela bisogna applicare va tenuto conto che tra i valori misurati da Stryd e quelli Garmin ci siano fino a 150 watt di differenza. A onor del vero va anche detto che poi per i fini pratici “sul campo” poco importa di quanto siano accurati (ovvero vicini al valore teorico), è sufficiente che i dati siano precisi, ovvero abbiano un alto grado di convergenza.

L’unità Stryd fissata alla scarpa

PERCHE’ E’ IMPORTANTE MISURARE LA POTENZA NELLA CORSA

La potenza è il tasso di lavoro: cioè la quantità di lavoro che compiamo nell’unità di tempo, cioè in modo equivalente Forza per Velocità. Può essere ridotta a questa espressione

P = F x V dove F è la Forza e V è la velocità di applicazione della Forza, ovvero nel caso della corsa la cadenza.

(per arrivare a questa formula si parte da: Work = Force x Distance e Power = Work/Time)

E’ intuitivo che per spostarci in avanti dobbiamo applicare una forza sul terreno, che si trasformerà in movimento secondo la Terza Legge della dinamica di Newton “ad ogni azione corrisponde sempre una reazione uguale e contraria”. In sostanza la potenza erogata corrisponde a quanta forza mettiamo a terra moltiplicata per quante volte  riusciamo a farlo. Maggiore forza per maggiore cadenza uguale maggiore potenza, e in linea di massima maggiore velocità (con molti distinguo).

TIPI DI POTENZA

Mentre il modello biomeccanico del ciclista è tutto sommato semplice (attrezzo simmetrico, ambiente bidimensionale) quello del runner è più complicato. Innanzitutto si nuove su tre assi e poi in funzione di dove è piazzato il sensore misurerà tipi di potenza diversi (pensate solo alle forze laterali al centro del petto rispetto a quelle che agiscono sul piede). Vediamole in dettaglio:

Potenza orizzontale

La potenza orizzontale è quella più intuitiva, semplicemente è quella che ci fa spostare in avanti ed è quella di cui per lo più ci preoccupiamo, ma non va dimenticato come in realtà il movimento in avanzamento sia solo il vettore risultante dell’interazione tra le varie forze coinvolte.

Potenza verticale

Il modello semplificato della corsa è sostanzialmente quello di una molla (o di una palla) che rimbalza per terra con una serie di salti in verticale, ed è l’inclinazione del vettore tangente a permetterci di “rubare” una parte del movimento verso l’alto così applicarlo all’avanzamento. E’ intuitivo dunque che se usassimo il 100% della potenza totale in direzione verticale ci muoveremmo solo verso l’alto, ma allo stesso tempo è anche vero che per spostarci in avanti dobbiamo riuscire effettivamente a saltare.

Potenza laterale

Spalle, braccia, gomiti, mani, ma anche ginocchia e piedi (in minor misura) sviluppano forze laterali, basti pensare al trasferimento di peso da una gamba all’altra. Se misuriamo la potenza laterale applicando il sensore sul piede più o meno peserà il 2% della potenza totale ma dovunque volessimo misurarla questa sarà un porzione molto ridotta rispetto alla componente orizzontale e verticale.

La somma della potenza orizzontale, verticale e laterale è la potenza totale.

Scomposizione della potenza in orizzontale, oscillatoria e verticale di una seduta 4x (1000 m + 800 m) con recupero di 2′ dopo i 1000 e 1’30” dopo gli 800 su percorso vallonato con curve secche

LA POTENZA E’ UN INPUT

I runner sono abituati a lavorare con passo e frequenza cardiaca che condividono la caratteristica di essere output, ovvero il risultato dell’attività del runner e della sua interazione con l’ambiente: la frequenza cardiaca ad esempio ci dice come si comporta il sistema cardiocircolatorio ma ha il difetto di adeguarsi in ritardo rispetto alla richiesta, e ancora la FC varia molto in funzione della temperatura e dell’umidità, piuttosto che della stanchezza fisica o dello stress psicologico. Allo stesso modo il passo è un indicatore affidabile in condizioni stabili ma quando si corre su grandi dislivelli, o su un terreno accidentato, o magari in tratti ventosi, smette di esserlo.

La potenza invece è un input, ciò che il runner mette e non ciò che ottiene dal movimento, pertanto 1 watt sarà sempre 1 watt, indipendentemente dalle variabili in gioco. E chi corre in montagna o nel cross avrà già capito l’enorme vantaggio in termini di analisi che ne deriva.

LA POTENZA E’ NULLA SENZA EFFICIENZA…

Ma allora, verrebbe da dire, è sufficiente che io produca più potenza per correre più velocemente. La risposta è sì ma in parte. Produrre potenza è costoso: richiede carburante (Fosfati, Glicogeno, Acidi Grassi) e se fatto in modo prolungato trova il suo elemento limitante nella quantità di ossigeno che siamo in grado di far arrivare ai mitocondri. Il runner affronta volentieri mille fatiche per migliorare la componente di produzione dell’energia (il fitness) ma tralascia quasi sempre l’altro aspetto fondamentale, cioè l’economia della corsa (la tecnica): è usando al meglio la forza generata dall’impatto al suolo che possiamo guadagnare molto, praticamente gratis. Questo avviene ad esempio limitando l’aumento di watt “verticali” al crescere della velocità o mantenendo un’alta cadenza a lungo, sfruttando al meglio l’energia cinetica derivante dal contatto al suolo del piede, per trasformarla in energia elastica.

Ecco che magicamente già l’utilizzo della sola potenza può aiutarci a individuare aree di miglioramento del fitness (ad esempio aumento dei watt medi in un arco temporale fisso o un abbassamento del battito medio relativamente allo stesso wattaggio) ma anche di miglioramento della tecnica (ad esempio una riduzione della potenza verticale, laterale e/o totale a parità di passo).

LE METRICHE BASE

Vediamo ora il nuovo vocabolario che dobbiamo acquisire:

Potenza
Espressa in watt (W), può essere misurata come istantanea o media continua (cosidetta rolling average) o media finale. Essendo la sua erogazione molto instabile si preferisce di solito visualizzarla come media a 10 o 30″, mentre in fase di analisi della seduta si parla di potenza media totale o relativa ai vari segmenti.

Rapporto peso/potenza
E’ il rapporto tra il peso e la potenza sviluppata, si misura in watt per kg. Più è alto e maggiore è la potenza che siamo capaci di generare per singolo kg. E’ una misura “finale” di quanto siamo in grado di produrre mettendo a sistema il nostro “corpo-statico” con il complesso biomeccanico che genera energia e propulsione. Vale sempre l’equazione per cui se diminuisce il peso il risultato sarà maggiore a parità di potenza e viceversa.

Quando lo calcoliamo in base alla massa magra siamo in grado di sapere se (a parità di massa magra) abbiamo aumentato la nostra capacità di produrre potenza.

Frequenza cardiaca
Espressa in battiti per minuto (bpm), è particolarmente importante per capire quanto siamo aerobicamente efficienti.

Passo
Espresso in minuti al chilometro (min/km) è probabilmente il parametro più importante per i runner di tutto il mondo…almeno per quelli che corrono in pianura.

Cadenza
Espressa in appoggi al minuto (bpm) o passi al minuto (spm o rpm) è una delle due componenti con cui otteniamo la potenza. Non ci sono regole per dire qual è la cadenza giusta ma di sicuro possiamo dire che minore è la cadenza minore è la velocità. Un piede piantato a terra non porta molto lontano.  Idealmente, e teoricamente, un valore “corretto” si attesta intorno a 90 spm/180 bpm ma può variare molto in funzione della caratteristiche biomeccaniche di ciascuno.

Traccia cadenza di un lavoro in pista 20 x 200 m con recupero 100 m. Si notano i primi 5 recuperi camminati in rosso e via via i successivi recuperi sempre più veloci in verde e blu

Codici colore “traccia cadenza”

Kilojoules
Abbiamo già visto come la potenza sia niente di più e niente di meno che il lavoro nell’unità di tempo. Il lavoro richiede energia e quindi maggiore il lavoro, maggiore l’energia richiesta. Quest’ultima si misura in Calorie. Si può approssimare con un rapporto di 1:1 la relazione tra kJ e kiloCalorie, con una spesa di circa 1 kcal per kg per km per quanto riguarda la corsa: l’efficienza biomeccanica di ciascuno permetterà di convertire questa spesa in un passo più o meno veloce. Al di là della comodità di calcolo per le necessità di integrazione la comparazione di due uscite sulla medesima distanza permette di calcolare l’efficienza di corsa attraverso il calcolo dei kJ/km dove minori saranno i kJ a parità di distanza e maggiore sarà l’efficienza meccanica raggiunta (in qualche modo cioè ci dice quanto siamo bravi a riciclare l’energia dal contatto con il terreno piuttosto che produrre pari velocità “bruciando” il nostro carburante). Attenzione: il consumo calorico non dipende dalla velocità perché questo è legato al lavoro (Forza x distanza) e non alla potenza (Lavoro/Tempo).

Normalized Power (NP) – Potenza Normalizzata
La potenza normalizzata è un modo più accurato di descrivere il costo metabolico di una corsa. Normalizzare significa rendere comparabili diverse sessioni, eliminando le anomalie causate dalla peculiarità dei diversi terreni e rendendo possibile confrontare una seduta corsa in pianura con una corsa su terreno vallonato. Formalmente si dice che “si confronta la variabilità della potenza di una corsa con la potenza media della corsa stessa”, pertanto è un parametro utile anche a confrontare una seduta di corsa continua con una fatta di ripetute.

Normalized Graded Pace (NGP) – Passo Normalizzato
Stesso concetto di NP ma applicato al passo.

Step length – Lunghezza passo
La lunghezza del passo è fortemente correlata all’altezza (e alla lunghezza del femore!) dell’atleta ma anche alla capacità dei flessori dell’anca di estendersi. Intuitivamente più lungo il passo e maggiore la velocità prodotta a parità di cadenza.

Vertical oscillation – oscillazione verticale
Il movimento verticale del centro della massa. Il valore ideale è difficile da definire perché molto dipende dall’altezza del soggetto. Giusto per dare un ordine di grandezza idealmente minore di 6,5 cm

Rapporto oscillazione verticale e distanza percorsa
Garmin ha da poco introdotto il nuovo “rapporto tra oscillazione verticale e distanza percorsa” in cui il costo è la parte verticale del movimento mentre il beneficio è quella orizzontale. Idealmente minore del 6%

Traccia oscillazione verticale di un progressivo da 7,5 km

Codici colore “rapporto oscillazione verticale”

 

Ground Contact Time (CGT) – Tempo di appoggio
Il tempo in cui il piede rimane a terra. Idealmente intorno ai 210 ms

Traccia “tempo di contatto al suolo” della stessa seduta di progressivo da 7,5 km precedente. Si nota come all’aumentare della cadenza (che coincide con un passo più rapido) diminuisce il rapporto di oscillazione verticale

Codici colore tempo di contatto al suolo

Efficienza di corsa (o economia di corsa)
E’ il rapporto tra costo metabolico e la velocità di corsa, ovvero la capacità per ogni unità di ossigeno consumato (o watt metabolico prodotto) di generare velocità. Non incorpora gli aspetti biomeccanici (telaio) ma solo metabolici (motore).

Ora che abbiamo riempito la cassetta degli attrezzi con gli utensili adeguati possiamo cominciare a costruire parametri utili a capire come diventare più veloci e più economici. Nella prossima puntata!

Nota bene: al netto delle scemenze che possono essere scappate dai miei pochi neuroni, tutto quello che ho appreso su questo tema lo devo alla passione, dedizione e agli straordinari lavori di due persone: Andrew Coggan e Steve Palladino, che di tanto in tanto mi concedono l’onore di poter discutere con loro di fisiologia e biomeccanica. Si aggiunge il fondamentale libro “Run with Power” di Jim Vance, che consiglio a tutti di leggere.

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One thought on “Applicazioni matematiche per l’analisi metabolica e biomeccanica della corsa – Parte 1

  1. fantastico

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