Storia della biomeccanica applicata allo sport

Per meglio comprendere la scienza biomeccanica è necessario fare riferimento a quanto conosciuto nel mondo della meccanica, delle scienze biologiche e anatomiche.

Il punto di partenza è la meccanica teorica che include tutte le leggi fondamentali del movimento dei corpi solidi inanimati. Verso la fine del XVII secolo i principi della meccanica furono applicati anche ai sistemi biologici considerati come strutture fisiologiche sottoposte, anch’esse, a sollecitazioni statiche e dinamiche.

Lo studio della meccanica dei sistemi biologici, in particolar modo del corpo umano, prese quindi il nome di Bio-Meccanica
Secondo una definizione largamente condivisa, la biomeccanica è una scienza multidisciplinare che studia strutture e funzioni dei sistemi biologici utilizzando le conoscenze e i metodi della matematica, della fisica o più semplicemente della meccanica applicata.
L’aspetto multidisciplinare è di facile intuizione visto che, ogni qual volta si affronta un problema di biomeccanica, è necessario fare riferimento alle conoscenze di biologia, medicina, cinesiologia, scienze anatomiche ecc.
Se volessimo elencare le attività di questa scienza potremmo dire che, la Biomeccanica ha come oggetto: lo studio del movimento del corpo umano in toto, ed in particolar modo studia ed analizza:

1. La distribuzione delle sollecitazioni sulle strutture ossee e sulle articolazioni
2. I movimenti articolari
3. L’intervento muscolare durante il movimento e il mantenimento della postura
4. Il gesto atletico, scomponendolo in singole forze e studiando per ognuna direzione, verso e intensità.

Il movimento dell’uomo nelle sue molteplici espressioni è uno dei campi di studio di questa “relativamente giovane” scienza, anche se fin dall’antica Grecia, pensatori eccellenti si sono interessati allo studio del movimento umano.
Il primo accenno tra meccanica e anatomia si trova negli scritti della Grecia Classica, periodo in cui l’interpretazione del movimento umano era legato alla filosofia e alla medicina. Platone (Atene, 427 a.C.– Atene, 347 a.C.) fu l’iniziatore di molti concetti importanti della scienza moderna, quali la psicologia, la logica, la politica.

La sua concettualizzazione della matematica ha dato vita e vigore alle scienze da cui originerà, nei secoli successivi, la meccanica. Ippocrate (460-377 a.C.), uno degli antichi padri della medicina intorno al 400 a.C. sfrutta la forza di gravità per alleviare la pressione sui dischi intervertebrali e per ridurre l’insorgenza e gli effetti del mal di schiena. Per fare ciò utilizzò una sorta di scala a cui veniva legato il sofferente. Da queste esperienze, successivamente, ideò e relizzò un letto per la trazione vertebrale che chiamò Scamnum.

Anche Leonardo da Vinci (1452-1519) si interessò ai movimenti dell’uomo cercando di analizzarli secondo le leggi della meccanica di cui scrisse: “…è scienza nobile ed è utile più delle altre scienze e, come risulta, tutti i corpi viventi hanno possibilità di movimento e agiscono secondo le sue leggi”. Nel suo trattato sulla pittura, evidenziò l’incapacità umana di saper osservare al fine di ricostruire esattamente la posizione del corpo umano durante il movimento. Ma il vero e proprio inizio della scienza Biomeccanica è da attribuirsi a Giovanni Alfonso Borelli (1608- 1679), fisiologo e fisico napoletano discepolo di Galilei, che diede alle stampe il “De motu animalium”. Lo scopo di questo libro fu duplice: in primo luogo gettare le premesse per la descrizione delle attività̀ motorie più complesse quali la deambulazione, il salto, la corsa, il volo e il nuoto; in secondo luogo utilizzare le nuove conoscenze per condurre analisi approfondite sulla natura e le funzioni dei muscoli. Pur affrontando i soli aspetti statici, l’autore manifestò la grande capacità di comprendere l’anatomia umana e di relazionarla alle leggi della matematica, della geometria e della meccanica.

Solo nel XIX e XX secolo la Scienza Biomeccanica ha assunto contorni ben definiti, sviluppando le prime analisi basate su osservazioni sperimentali quantitative. Una figura importante in questo panorama è rappresentata da Etienne- Jules Marey (1830-1904), che diede un contributo fondamentale allo sviluppo di strumentazioni per la rilevazione delle grandezze cinematiche e dinamiche. Il fucile fotografico, la cromofotografia, la calzatura esplorativa e una pedana dinamometrica idraulica furono alcune delle sue invenzioni più importanti. Marey per primo usò le grandezze misurate per il calcolo del lavoro meccanico associato ad un determinato movimento. Notevole fu anche il suo interesse per lo sport, documentato da lastre fotografiche in cui è stata immortalata l’evoluzione della corsa, dei salti e della scherma.

Il riconoscimento della paternità del moderno approccio matematico allo studio del movimento umano va, senza alcun dubbio, ai tedeschi Christian Wilhelm Braune e Otto Fischer. L’accurata analisi matematica condotta da Braune, integrata dai dati sperimentali di Fischer ottenuti “vestendo” un soggetto con sottili tubi illuminati da una bobina di Ruhmkorff, permise il calcolo delle coordinate tridimensionali dei segmenti corporei durante il cammino, nacque così l’antenato della moderna “Gait Analysis”. Dati antropometrici, ricavati da cadaveri congelati, furono utilizzati per la determinazione delle coordinate del baricentro dei segmenti e dei relativi momenti di inerzia. I questo modo gli studiosi furono in grado di descrivere il cammino in termini di moto del baricentro, e studiare le forze effettive inerziali che, sommate al peso corporeo, permettevano di calcolare la reazione del corpo sul terreno.

Anche se non si tratta di uno scienziato, bensì di un fotografo, non è possibile trascurare il contributo di Eadweard Muybridge (1830 – 1904). Inglese emigrato negli Stati Uniti, divenuto famoso per le sue tavole fotografiche, il cui fascino ancora oggi rimane inalterato. Le sue tavole fotografiche documentano “la cinematica” di molti dei gesti della vita quotidiana, tra cui la corsa e i salti. Nel 1878, Muybridge fotografò con successo un cavallo in corsa utilizzando 24 fotocamere, sistemate in sequenza lungo il tracciato. Per sincronizzare le immagini aveva studiato un sistema dove ogni singola macchina veniva azionata da un filo colpito dagli zoccoli del cavallo. La sequenza di fotografie chiamate “The Horse in motion” mostrò come gli zoccoli si sollevassero dal terreno contemporaneamente, ma non nella posizione di completa estensione, come era stato comunemente raffigurato fino a quel momento.

Era infatti convinzione comune che il cavallo si staccasse completamente da terra nella posizione di massima estensione, e questa situazione fu spesso raffigurata nei dipinti e disegni degli inizi del 1800, come nell’esempio di Théodore Géricault. I risultati di Muybridge sconvolsero questa visione e influenzarono pesantemente l’attività dei pittori, che si affidarono sempre più al mezzo fotografico per meglio riprodurre quello che l’occhio umano non riusciva a distinguere con esattezza.

Molti pittori utilizzarono fotografie di figure umane per copiarle nei loro quadri e si arrivò anche alla pittura diretta su lastra fotografica. Agli inizi del ‘900 Hill (1886-1977) ed il suo allievo Fenn, grandi fisiologi di inizio secolo, oltre che affrontare le problematiche legate alla produzione di tensione da parte del muscolo scheletrico, aprirono la strada per la stima del consumo energetico attraverso l’analisi cinematica del movimento dei diversi segmenti corporei. A cavallo del 1940, Helftman contribuì alla crescita della biomeccanica arrivando a determinare, attraverso analisi cinematiche, che i muscoli agiscono sul sistema scheletrico regolando gli scambi energetici attraverso la trasmissione, l’assorbimento, la produzione e la dissipazione di energia. Egli comprese e descrisse l’importante funzione svolta dai muscoli biarticolari e quanto fosse importante la loro sincronizzazione. Va anche sottolineato che Helftman fu in grado di dare una rappresentazione vettoriale della reazione al terreno, di calcolare i momenti meccanici articolari e la velocità di allungamento di alcuni muscoli dell’arto inferiore. A questo studioso si devono importanti pubblicazioni sul cammino e sulla corsa.

Nello stesso periodo le ricerche emergenti dalla scuola russa di Secenov (1829-1905) e Pavlov (1849-1936) trovarono in Nikolaj Bernstejn (1896- 1966) un proselite in grado di produrre lavori fondamentali in ambito biomeccanico, fisiologico, psicologico e biocibernetico. Egli iniziò la propria attività presso l’Istituto Centrale del Lavoro di Mosca nel 1921. Tra i molteplici campi di indagine affrontati meritano di essere citati: il cammino, alcune attività sportive (corsa, salto, nuoto, ginnastica, …), lo svolgimento di compiti lavorativi (trasporto di carichi nelle donne, …), la protezione nel lavoro, le protesi per amputati. Uno studio commissionato nel 1947 dal National Council of U.S. on Artificial Limbs, Veterans Administration & Surgeon General of U.S. Army al College of Engineering dell’Università di Berkeley fu origine della nascita della “Scuola Californiana”. Sotto la direzione di Eberhart, Inmann produsse fondamentali risultati sulle rotazioni dei segmenti corporei durante la locomozione, sull’attività e sui pattern motori dei muscoli dell’arto inferiore e sui carichi gravanti sulle strutture di sostegno di protesi per amputati. Di fatto questo fu il primo passo che ha portato allo sviluppo delle protesi altamente tecnologicizzate che, ai nostri giorni, permettono agli amputati di ottenere performance di livello comparabile a quello degli atleti normodotati.

La biomeccanica applicata alle problematiche dello sport si manifesta in modo specifico e strutturato alla fine degli anni ‘50.

Tra i suoi capostipiti più importanti si annoverano: Vladimir Zatjiorki che iniziò la sua attività all’Istituto Centrale di Educazione Fisica di Mosca, Gerhald Hochmut e il suo allievo Gert Marhold che operarono presso l’Istituto di Biomeccanica di Lipsia nella ex DDR.

Un’interessante raccolta degli strumenti di misura realizzati da Hochmut e Marhold è esposta allo Sportmuseum di Lipsia. Nel 1967 Richard Nelson fondava alla Penn State University (USA) un laboratorio di biomeccanica, i cui obiettivi erano fortemente orientati verso la prevenzione degli infortuni nello sport. Questi studiosi svolsero anche un’intensa attività di applicazione delle conoscenze biomeccaniche alla programmazione dell’allenamento e al miglioramento della tecnica del gesto atletico, nell’ambito delle relative compagini olimpiche

In Italia, un ruolo importante nella biomeccanica dello sport spetta al fisiologo Rodolfo Margaria che produsse importanti risultati nell’ambito della fisiologia e della meccanica applicata al movimento e, in particolare, della corsa. Sull’onda dei giochi Olimpici di Roma, nel 1965 il CONI dette vita all’Istituto di Medicina dello Sport del CONI.

Sotto la guida di Antonio Venerando, presso il reparto di Valutazione Funzionale dell’atleta dove lavorò Antonio Dal Monte, sviluppando ergometri specifici per le diverse discipline sportive, e del quale divenne successivamente Direttore. Tali strumenti furono poi ampiamente utilizzati a supporto delle attività tecniche delle Federazioni Sportive Nazionali.

Nel 1976, nacque a Milano il Centro di Bioingegneria (Politecnicio di Milano- Fondazione Don Gnocchi) in cui il gruppo di lavoro di Antonio Pedotti iniziò ad affrontare le problematiche della biomeccanica dello sport. La caratterizzazione innovativa di questa realtà consistette nell’approccio bioingegneristico e multifattoriale allo studio delle variabili cinematiche, cinetiche ed elettromiografiche caratterizzanti molteplici sport.

In italia dobbiamo aspettare 1994 per vedere alla luce il primo Diploma Universitario in Ingegneria Biomedica presso il Politecnico di Milano.

Testo Tratto da “Manuale di Biomeccanica applicata al ciclismo” prof. Luca Bartoli