La biomeccanica

La forza

La forza è una grandezza fisica che può essere definita come l’agente in grado di modificare lo stato di quiete o di moto di un corpo. La dinamica è la parte della fisica che si occupa di ciò. La forza si visualizza graficamente con un vettore che di essa rappresenta intensità, direzione e verso. Inoltre ha sempre un punto di applicazione, dal quale ha origine il vettore che la rappresenta. In biomeccanica, quando si parla di forza si intende quel vettore originatosi da un preciso punto di applicazione che possiede intensità, direzione e verso: la forza modifica o stabilizza la posizione del corpo o la posizione di parti di esso nello spazio. La forza permette di vincere la resistenza opposta dal corpo al movimento, grazie al lavoro espresso dai muscoli scheletrici. Essa può anche essere utilizzata per imprimere un movimento a degli oggetti, oppure per fermarlo, e per opporre resistenza al movimento per mezzo di oggetti statici. Le espressioni di forza muscolare possono essere di varia intensità (caratteristica rappresentata dalla lunghezza del vettore); in stretto rapporto con l’intensità della forza sarà la velocità del movimento che ne deriva. Nelle espressioni motorie risulta che la forza è inversamente proporzionale alla velocità. Per esempio, nel lancio del peso, per ottenere un’uguale prestazione, a una maggiore velocità corrisponderà un impiego di forza minore; se la velocità del gesto è minore occorrerà impiegare una maggiore quantità di forza. Come accennato, la forza può avere direzioni diverse (rappresentate dalla direzione del vettore). Quando produce lo spostamento di un corpo lungo una linea retta si parla di movimento lineare. In questo caso tutti i punti del corpo si spostano nella stessa direzione, alla stessa velocità e giungono nello stesso tempo a una determinata distanza. Quando la forza produce un movimento che fa ruotare un corpo attorno a un asse o a un centro di rotazione fisso si parla di movimento rotatorio (o rotazione). Vediamo ora le caratteristiche della forza muscolare:

• l’intensità (la lunghezza del vettore) dipende dalla quantità e qualità delle fibre utilizzate per esprimere il lavoro;
• la direzione (l’angolo secondo il quale è orientato il vettore) è la risultante della direzione delle forze di ciascun muscolo (e fibra muscolare) impegnato nel movimento;
• il verso (il senso in cui è orientata la freccia del vettore) dipende dalla direzione nella quale è diretto il movimento.

I tre principi della dinamica

La dinamica è quella branca della meccanica che studia il moto dei corpi in relazione alle forze che lo producono. Tre sono i principi della dinamica.

Il primo principio della dinamica afferma che un corpo persevera nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme fino a che non interviene una forza dall’esterno a modificarne lo stato.

Il secondo principio della dinamica afferma che la variazione di velocità (accelerazione) di un corpo è direttamente proporzionale all’intensità della forza che agisce su di esso. Questa legge si esprime con l’equazione forza = massa accelerazione. Vediamo un esempio che riguarda il mondo dello sport: se un calciatore applica la stessa forza a due palloni di massa diversa, assumerà maggiore accelerazione il pallone con la massa minore.

Il terzo principio della dinamica afferma che ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria. Per esempio, quando un atleta spinge sui blocchi di partenza, questi ultimi esercitano su di lui una forza uguale e opposta che lo spinge in avanti.

La gravità

La gravità è la forza che la Terra esercita sui corpi attraendoli verso il proprio centro. Essa imprime ai corpi un’accelerazione verso il basso, facendoli quindi cadere a una velocità che si accresce man mano che si avvicinano al suolo. Il peso di un corpo è la forza esercitata dalla gravità su di esso, ed è direttamente proporzionale alla sua massa moltiplicata per l’accelerazione di gravità (valore che viene indicato con la lettera g). Occorre ricordarsi che la massa di un corpo non varia, mentre la gravità diminuisce con l’aumentare della distanza dal centro della Terra.

Il centro di gravità

Il centro di gravità o baricentro di un corpo è il punto in cui si può considerare «concentrato» tutto il suo peso. In un solido omogeneo il centro di gravità coincide con il centro di simmetria. Nel corpo umano, che ha forma molto irregolare, il baricentro è assai difficile da stabilire. Nell’uomo in posizione eretta e da fermo esso si trova approssimativamente a circa il 53% dell’altezza totale; nella donna a circa il 55%. Naturalmente ogni porzione del corpo presa singolarmente ha il suo centro di gravità, che coincide sempre con il punto in cui si bilancia il peso della porzione in esame. Il baricentro cambia costantemente con il movimento e si sposta ogni volta che cambia la posizione del corpo. Al concetto di baricentro è collegato quello di equilibrio. Si dice che un corpo è in equilibrio quando la risultante di tutte le forze applicate al suo baricentro è nulla. Una regola semplice dice che un corpo è in equilibrio quando la linea verticale tracciata dal baricentro verso il suolo cade all’interno della sua base d’appoggio.

Nella posizione dell’attenti, la porzione del corpo che poggia a terra è costituita dalle piante dei piedi che, con lo spazio fra esse compreso, formano il poligono di sostegno. Dunque il corpo è in equilibrio quando la linea che scende verticalmente dal suo centro di gravità cade in un punto compreso nel poligono di sostegno. Se il corpo si muove, varia la posizione del baricentro e dunque anche la condizione di equilibrio. Se la verticale che scende dal baricentro esce dal poligono di sostegno, il corpo non è più in equilibrio; ecco perché è più facile rimanere in equilibrio se il baricentro è basso: è più probabile infatti che la verticale continui a cadere nel poligono di sostegno. Se il baricentro sale, un piccolo movimento basterà a far perdere la condizione di equilibrio: si diventa instabili e si rischia di cadere.

Pressione e attrito

Quando una persona si trova in posizione eretta, la porzione di superficie del suolo sulla quale poggia esercita una forza di reazione che è uguale e contraria a quella del suo peso corporeo. La pressione rappresenta il rapporto fra questa superficie e l’intensità della forza applicata (in questo caso il peso). Quando il corpo è in movimento, la pressione cambia e interviene un’altra componente, l’attrito, che si definisce come la forza che si oppone al movimento di due superfici a contatto. L’intensità dell’attrito dipende dalle caratteristiche dei materiali che sono a contatto, dalla ruvidità delle loro superfici e dalla forza che comprime le due superfici l’una contro l’altra. Per esempio, un disco da hockey che scivola sul ghiaccio incontra un attrito assai inferiore di quello dello stesso disco che scivola sulla sabbia. Un’altra forza di attrito è prodotta dall’aria. Per questo in alcuni sport di velocità (per esempio nel ciclismo) è molto importante la ricerca di una posizione aerodinamica, che permetta di ridurre al minimo la resistenza all’avanzamento opposta dall’aria. In altre discipline, come la corsa, potrà essere utile la ricerca di alcune superfici che aumentano l’attrito, per esempio quelle delle suole delle scarpe: una suola liscia diminuirebbe il rendimento dell’atleta.