Analisi del movimento: l arrampicata sportiva

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1 BergamoScienza 2007 Analisi del movimento: l arrampicata sportiva 1/30 Sommario Introduzione Acquisizione ed elaborazione dei dati Alcuni dati interessanti Conclusione e sviluppi futuri 2/30 1

2 Alcune domande Quale strategia cinematica per il mantenimento dell equilibrio? Quanta forza è necessaria per affrontare questa via? Quale effetto hanno incertezze e imprecisioni sull efficacia del movimento? Quali sono le modalità di apprendimento del movimento? 3/30 Ed alcune risposte Alcuni autori hanno studiato il movimento in arrampicata: , Cordier et al.: strategia di apprendimento di un compito motorio complesso - ottimizzazione dell entropia , Quaine et al.: problemi di equilibrio e distribuzione delle forze sugli appoggi per un singolo movimento. 1998, Bourdin et al.: organizzazione delle fasi di raggiungimento e presa di un appiglio (strategie anticipatorie) , Rohrbough et al., Peters et al., Klauser et al.: infortuni più frequenti. 2002, Boschker et al.: riprese con videocamera per lo studio delle strategie di apprendimento. 2006, Noe et al.: strategie posturali anticipatorie su di un muro a inclinazione variabile. 4/30 2

3 Perché studiare il movimento in arrampicata Lo studio del movimento in arrampicata ha varie finalità: - Studio ed ottimizzazione delle strategie di apprendimento. - Ottimizzazione delle prestazioni. - Prevenzione infortuni (es. Pan Gullich). - Analisi del sistema di controllo dell equilibrio (vista, chiocciola, ). F 1 F 2 mg Pan Gullich: allenamento e tendiniti. I fratelli Huber in libera su El Capitan, USA. 5/30 Sommario Introduzione Acquisizione ed elaborazione dei dati Alcuni dati interessanti Conclusione e sviluppi futuri 6/30 3

4 Obiettivi Analizzare i movimenti di un gruppo di atleti non professionisti; Individuare le diverse strategie utilizzate per risolvere lo stesso problema di arrampicata; Individuare le strategie energeticamente più efficienti; Individuare le correlazioni tra i parametri descrittivi del movimento e le capacità degli arrampicatori. 7/30 Setup (1) PERCORSO DI ARRAMPICATA A 12 soggetti capaci di arrampicare su difficoltà comprese tra il 4b e il 7b, con esperienza da 1 mese a 25 anni, è stato chiesto di affrontare un percorso di arrampicata composto da 1 Traverso (3m) + 1 Ascesa (3m), presso la palestra CAI Ponte S. Pietro; difficoltà del percorso: 4b; le prese e gli appoggi potevano essere scelti liberamente da ogni arrampicatore, che ha ripetuto il percorso per 5 volte. 8/30 4

5 Setup (2) SISTEMA DI ACQUISIZIONE Per l analisi del movimento, è stato utilizzato un sistema di motion capture a marker passivi, composto da 6 videocamere ciascuna equipaggiata con un flash coassiale; le camere sono collegate ad un PC tramite 2 hubs. Il sistema permette di ricostruire il movimento di un soggetto cui sono stati applicati dei marker in posizioni opportune. 9/30 Setup (3) MARKERIZZAZIONE DEI SOGGETTI Ad ogni soggetto analizzato sono stati applicati 12 markers ai polsi (2x), gomiti (2x), spalle (2x), anche (2x), ginocchia (2x), talloni (2x). Il modello anatomico risultante è composto da 12 articolazioni, 12 segmenti. Il modello non permette di rappresentare i movimenti di mani, piedi e testa. 10/30 5

6 Dati acquisiti Traiettorie tridimensionali dei 12 marker / movimenti del soggetto. 11/30 Cosa calcolare (1) Una volta acquisiti i dati, questi devono essere elaborati per estrarre le informazioni importanti. Per ogni arrampicatore abbiamo prima di tutto calcolato la traiettoria del centro di massa. 12/30 6

7 Cosa calcolare (2) CENTRO DI MASSA E il punto nel quale si può pensare che sia concentrata l intera massa del soggetto (~baricentro). La sua posizione dipende dalla dislocazione di tutti i segmenti corporei. A riposo, si trova all incirca poco sopra il bacino. 13/30 Cosa calcolare (3) A partire dalla traiettoria del centro di massa, abbiamo calcolato diversi parametri utili per fornire una descrizione quantitativa del movimento. Il primo di questi parametri è l entropia del centro di massa, che descrive il livello di disordine della traiettoria. 14/30 7

8 Cosa calcolare (4) ENTROPIA (Cordier, ; Boschker, 2002) Centro di massa Una misura del disordine della traiettoria: 2 LP H = ln c Convex hull LP: lunghezza del percorso del centro di massa; c: perimetro del convex hull attorno al centro di massa. 15/30 Cosa calcolare (5) Entropia media Entropia alta Una traiettoria ordinata è associata ad un entropia bassa; Entropia bassa Una traiettoria disordinata è associata ad un entropia alta. 16/30 8

9 Cosa calcolare (6) A partire dalla traiettoria del centro di massa, abbiamo calcolato altri parametri utili per fornire una descrizione quantitativa del movimento: Velocità assoluta media del centro di massa: questo parametro descrive la velocità di spostamento dell arrampicatore, che è legata alla programmazione del movimento da parte dell arrampicatore stesso; Accelerazione assoluta media del centro di massa: l accelerazione è proporzionale all energia impiegata durante l arrampicata; maggiore è l accelerazione assoluta media, maggiore è il dispendio energetico; Numero medio di appigli / appoggi utilizzati: il numero di appigli/appoggi utilizzati è strettamente legato con la capacità di controllo dell equilibrio; un arrampicatore che utilizza almeno tre appoggi/appigli è in equilibrio, mentre un numero inferiore di appoggi/appigli corrisponde ad una situazione di equilibrio precario. 17/30 Sommario Introduzione Acquisizione ed elaborazione dei dati Alcuni dati interessanti Conclusione e sviluppi futuri 18/30 9

10 Alcuni dati interessanti Entropia, velocità assoluta media, accelerazione assoluta media del centro di massa e numero medio di appoggi/appigli utilizzati sono riportati per l intero gruppo di 12 arrampicatori e, più in dettaglio, per i soggetti #4 e #6, i quali adottano due strategie opposte nell affrontare lo stesso percorso di arrampicata. 19/30 Entropia Traiettoria ordinata. Il climber #4 arrampica con un entropia minima rispetto al resto del gruppo. Traiettoria disordinata. Per il climber #6 si registra invece l entropia massima. 20/30 10

11 Velocità Gruppo Climber #4 Climber #6 Il Climber #6 è il più veloce del gruppo. : 0.20 ± 0.12 m/s : 0.17 ± 0.09 m/s : 0.24 ± 0.12 m/s Il climber #4 è il più lento del gruppo. Nel modo di arrampicare del climber #6 non è presente alcuna strategia di programmazione del movimento. Il climber #4 impiega del tempo per programmare il movimento. 21/30 Accelerazione (e panini ) Gruppo : 1.39 ± 1.29 m/s 2 Climber #4 : 1.02 ± 0.96 m/s 2 Climber #6 : 1.56 ± 1.67 m/s 2 Per il climber #6, l accelerazione è massima. Per il climber #4, l accelerazione è minima rispetto al resto del gruppo. Spesa energetica (a pari massa corporea): Climber #4: Climber #6: 22/30 11

12 Numero di appoggi / appigli Gruppo : 3.00 ± 0.22 Climber #4 : 3.05 ± 0.02 Climber #6 : 2.82 ± 0.19 Il climber #6 utilizza in media meno di 3 punti di appoggio. Il climber #4 muove un solo arto per volta. L equilibrio del climber #6 è precario. Il climber #4 è sempre in condizioni di equilibrio. 23/30 Sommario Introduzione Acquisizione ed elaborazione dei dati Alcuni dati interessanti Conclusione e sviluppi futuri 24/30 12

13 Due diverse strategie (climber #4 vs. climber #6) Entropia Velocità Gruppo Climber #4 Climber # Gruppo Climber #4 Climber # Entropia - Piano frontale Entropia - Piano sagittale Entropia - Piano trasversale Velocità [m/s] Accelerazione Numero appigli / appoggi Accelerazione [m/s2] Gruppo Climber #4 Climber # Numero di appoggi / appigli Gruppo Climber #4 Climber #6 25/30 Due diverse strategie Climber #4 Climber #6 Muove un solo arto per volta (equilibrio costante); Il centro di massa segue una traiettoria lineare (movimenti coordinati basso dispendio energetico); Bassa velocità (programmazione dei movimenti). Muove più di un arto per volta (equilibrio precario); Il centro di massa oscilla spesso (traiettoria disordinata alto dispendio energetico); Alta velocità (bilanciamento dell equilibrio precario improvvisazione). 26/30 13

14 Conclusione Nei 12 soggetti analizzati, ed in particolare nei soggetti #4 e #6, sono state identificate due diverse strategie per affrontare lo stesso percorso di arrampicata; Climber #4 (10 anni di esperienza, difficoltà max 7b): Entropia, velocità e accelerazione (dispendio energetico) del centro di massa minime; Numero di appigli/appoggi massimizzato. Climber #6 (2 anni di esperienza, difficoltà max 6b): Entropia, velocità e accelerazione (dispendio energetico) del centro di massa massime; Numero di appigli/appoggi minimo. La strategia seguita dal climber #4, cioè quello con maggiore esperienza e maggiore capacità tecnica, è energeticamente più efficiente. 27/30 Limiti e sviluppi futuri LIMITI DELL APPROCCIO SEGUITO L approccio seguito per l analisi del movimento in arrampicata presenta alcuni limiti: l analisi approfondita del movimento è stata effettuata su due soli soggetti; l analisi stessa è stata riferita al solo centro di massa e non al movimento di tutti i segmenti corporei dei soggetti; inoltre, è stata effettuata un arrampicata su un percorso a prese libere, il che ha introdotto della variabilità non controllabile sui dati misurati. SVILUPPI FUTURI In futuro, verrà eseguita l analisi approfondita del movimento su due gruppi diversi (esperti vs. principianti); verrà effettuata l analisi cinematica completa (includendo i vari segmenti corporei) del movimento, misurato questa volta su un percorso di arrampicata obbligato; si potranno poi usare delle prese sensorizzate per studiare la distribuzione delle forze oltre che il movimento degli atleti. 28/30 14

15 Bibliografia I fratelli Huber in Volo su El Capitan, USA. F. Sibella, I. Frosio, F. Schena, N. A. Borghese, 3D analysis of the body centre of mass in rock climbing, Human Movement Science, in press. F. Sibella, I. Frosio, N. A. Borghese, F. Schena, 3D analysis of the body center of mass in rock climbing, in Proc. ISBS 2006, Innsbruck, Austria. F. Sibella, I. Frosio, B. Zappa, N. A. Borghese, Experimental protocol for the analysis of basic rock climbing movements, Proc. Mountain & Sport International Congress, Rovereto (Tn), Italy, November 2005, pp. 55. I. Frosio, D. A. Di Pietro, F. Sibella, B. Zappa, N. A. Borghese, La ricerca biomeccanica e l arrampicata, Le Alpi Orobiche, Dic. 2004, pp /30 AIS Lab Dip. Scienze BergamoScienza dell Informazione Università 2007degli Studi di Milano Analisi del movimento in montagna Evento organizzato da: AIS-Lab. (Dip. Scienze dell Informazione, Università degli Studi di Milano, I. Frosio, N. A. Borghese) CAI Bergamo In collaborazione con: CeBiSM (F. Schena) Università degli Studi di Padova, Dip. Ing. Meccanica (N. Petrone) 12 Ottobre, ore 20:30 Palamonti, Bergamo Workshop: Analisi del movimento in montagna 30/30 15