Allenamento della forza con volano inerziale: caratterizzazione meccanica e monitoraggio del periodo di apprendimento

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI TORINO SCUOLA UNIVERSITARIA INTERFACOLTA SCIENZE MOTORIE TESI DI LAUREA SPECIALISTICA In SCIENZE E TECNICHE DELLO SPORT E DELL ALLENAMENTO (75/S) Allenamento della forza con volano inerziale: caratterizzazione meccanica e monitoraggio del periodo di apprendimento RELATORE: Prof. Alberto Rainoldi CORRELATORE: Gennaro Boccia CANDIDATO: Alfredo Genco ANNO ACCADEMICO 2010/2011

2 1.INTRODUZIONE Negli ultimi dieci anni sono stati introdotti nel mondo dell allenamento sportivo, i dispositivi volano inerziali (Flywheel, FW), come metodologia alternativa ai pesi o alle macchine convenzionali per il miglioramento della forza e della potenza muscolare. L introduzione dell esercizio con FW nell allenamento sportivo ha permesso di conoscere meglio questo nuovo metodo di allenamento della forza che prevede delle azioni muscolari dinamiche eccentriche-concentriche con una resistenza inerziale accomodante lungo tutto l arco di movimento e un presunto sovraccarico eccentrico. Nel mondo sportivo è sempre più noto che l allenamento eccentrico si pone come metodo preventivo e adattativo fondamentale in diverse attività motorie. È stato provato infatti che le azioni eccentriche dei muscoli generano una forza maggiore e sottopongono i muscoli a danni più severi di quanto non accada con azioni concentriche. Inoltre è stato accertato che gli infortuni muscolari spesso avvengono durante rapide azioni eccentriche, ovvero quando un muscolo contratto viene improvvisamente allungato. Un possibile vantaggio dell allenamento su FW è da associare in parte al principio di funzionamento di questo dispositivo, che consiste nel mettere in movimento un volano attraverso un azione muscolare concentrica e quindi farlo decelerare con un azione muscolare eccentrica. I costruttori del volano affermano che eseguendo un movimento eccentrico su un arco inferiore e quindi con uno sforzo muscolare più intenso rispetto all azione concentrica, si otterrebbe il cosiddetto sovraccarico eccentrico. Un altro possibile vantaggio dei dispositivi iso-inerziali, avanzato dai costruttori, è quella di poter auto-regolare la resistenza, in quanto il volano adatta l inerzia che oppone in modo proporzionale alla forza esercitata. Questo non accade nell allenamento con pesi o macchine convenzionali, che oppongono una resistenza costante, equivalente al carico. Per tali ragioni l esercizio con FW è stato associato a diversi benefici come la prevenzione degli infortuni muscolari e il miglioramento della prestazione neuromuscolare. Tenendo conto di queste indicazioni generali il nostro lavoro ha indagato alcuni aspetti dell esercizio su FW, sottoponendo un gruppo di atleti, praticanti discipline in cui l allenamento della componente eccentrica è altamente richiesto (sci e rugby), ad un protocollo di lavoro contenente esercizi su dispositivo iso-inerziale. In linee generali il nostro studio ha cercato di caratterizzare l esecuzione dell esercizio su FW (rapporto tra fase concentrica ed 4

3 eccentrica); di analizzare i possibili vantaggi dell esercizio iso-inerziale rispetto all esercizio con pesi liberi e stabilire dei parametri che permettano di monitorare il periodo di apprendimento necessario agli atleti per sfruttare efficacemente l esercizio su FW. Per la realizzazione di questo progetto è doveroso ringraziare il Prof. Roberto Manzoni e la Federazione Italiana Sport Invernali (FISI) per la gentile concessione del FW; la società Sci Club Lancia e il Cus Torino Rugby per il reclutamento degli atleti partecipanti allo studio. E un sincero ringraziamento va a tutti gli atleti per la loro piena disponibilità a prendere parte allo studio e inoltre a Vittorio Pico, tirocinante del Centro Ricerche Scienze Motorie, per il suo aiuto nelle sessioni di allenamento effettuate. 5

4 1.1.Eccentrico-Concentrico Caratteristiche delle modalità di contrazione Tutte le azioni motorie che richiedono un attività del muscolo scheletrico sono realizzate da tre tipi di contrazioni muscolari: concentriche (accorciamento), eccentriche (allungamento) e isometriche (a lunghezza costante). Numerosi studi hanno discusso le caratteristiche delle modalità di contrazione concentrica ed eccentrica, evidenziando diversi aspetti che le differenziano sia da un punto di vista energetico che neuromuscolare. Delle tre, le contrazioni isometriche e concentriche sono quelle ampiamente studiate, e i meccanismi neurali che mediano queste azioni sono meglio compresi. Le contrazioni muscolari eccentriche, che si sviluppano in una parte significativa dei nostri spostamenti quotidiani, per esempio scendendo i gradini, sono poco chiare 1. Le azioni muscolari eccentriche sono anche impiegate in molti programmi di riabilitazione medica, come quelli per il dolore anteriore del ginocchio 2, l'infortunio alla spalla 3, e la tendinite rotulea 4. Numerosi programmi di preparazione atletica e condizionamento ricreativo comprendono anche attività muscolare eccentrica come componente principale di questi programmi 5. Un vantaggio importante delle azioni muscolari eccentriche è che questo tipo di contrazione sviluppa una maggiore sollecitazione rispetto alle contrazioni concentriche 6. Infatti, durante questo tipo di contrazione il tessuto muscolare è sottoposto ad elevate sollecitazioni che sono la maggiore causa di infortunio del muscolo. Quindi l allenamento eccentrico è in grado di indurre un adattamento muscolare a questo tipo di sollecitazione, che può ridurre il dolore e un possibile danno futuro dei tessuti 7,8. Le contrazioni eccentriche richiedono un minore dispendio di energia a parità di forza espressa, che si può tradurre in una maggiore capacità di contrazione del soggetto in relazione alle sue riserve energetiche 9. Uno degli effetti protettivi delle contrazioni eccentriche sulla componente muscolare è l effetto di sessione ripetuta. Infatti un esercizio eccentrico eseguito per la prima volta porta frequentemente a danno muscolare, con sintomi che includono mancanza di forza, dolore e sensibilità muscolare; ma facendo eseguire dopo un periodo di recupero completo una sessione ripetuta dello stesso esercizio si verificherà una diminuzione dei sintomi del danno muscolare 10. Il meccanismo di questo adattamento non è ben compreso ma sembra essere associato ad adattamenti neurali, meccanici e cellulari 11. 6

5 McHugh e collaboratori, in studi successivi, non hanno però rilevato differenze significative dell attività elettromiografica (EMG) tra sessioni singole e sessioni ripetute di esercizio eccentrico, in particolare non evidenziando alcun incremento dell ampiezza EMG tra le due diverse sessioni di esercizio eccentrico 11. Un ulteriore studio 12 conferma l esistenza, per l esercizio eccentrico, dell effetto di sessione ripetuta che contribuisce alla diminuzione del danno muscolare, ma allo stesso tempo, come negli studi precedenti, è stata evidenziata la difficoltà nel definire il meccanismo con il quale si sviluppa questo effetto di sessione ripetuta. 7

6 1.1.2.Differenze nell attività EMG e reclutamento delle UM Studi dimostrano l esistenza di distinti profili di fatica neuromuscolare per i diversi tipi di contrazione muscolare (ISO, CON ed ECC). Nello studio di Kay et al. (2000) sono state registrate la coppia di forza espressa, l ampiezza EMG e la frequenza spettrale, di soggetti impegnati in contrazioni massimali volontarie (MVC) ISO, CON e ECC dei muscoli estensori del ginocchio e in 100 s di prova continua su dinamometro isocinetico. Le contrazioni isometriche, rispetto alle azioni dinamiche, evidenziano una profonda riduzione nella coppia di forza in congiunzione con una diminuzione dell ampiezza EMG e una compressione della frequenza spettrale 13. Al contrario l ampiezza EMG durante contrazioni concentriche rimane costante o aumenta, mentre la forza espressa diminuisce. La coppia di forza massimale ECC è maggiore rispetto alla CON e ISO, mentre sono minori i valori di ampiezza EMG dell ECC 13. I risultati secondo questo studio sono da attribuire alle componenti elastiche dei muscoli scheletrici, che possono contribuire allo sviluppo di forza durante l attività eccentrica balistica massimale, risultante in più fibre muscolari che producono una più grande forza espressa. In accordo con questi risultati lo studio di McHugh et al. (2001) ha registrato una più bassa ampiezza EMG per unità di coppia e una più alta frequenza mediana per le contrazioni eccentriche rispetto alle contrazioni concentriche, attribuendo questo risultato alla teoria secondo cui le unità motorie a contrazione veloce sono reclutate selettivamente per le contrazioni eccentriche. Questa considerazione è stata oggetto di discussione di diversi autori che hanno affrontato il tema delle differenze dei pattern di attivazione e di reclutamento delle UM tra contrazioni concentriche ed eccentriche o tra compiti di forza e compiti di posizione 14,15,16,17,18. Per compito di forza si intende il mantenimento di un carico pari ad una specifica percentuale della massima contrazione volontaria (MVC) per più tempo possibile; mentre nel compito di posizione si richiede il mantenimento di uno specifico angolo articolare sostenendo un carico inerziale equivalente alla % di MVC del compito di forza 14,17. Un interessante risultato è che il tempo per cui si riesce a protrarre l esercizio in un compito di forza è il doppio rispetto al compito di posizione, nonostante ogni soggetto 8

7 eserciti la stessa coppia muscolare netta nei due compiti 14. Le differenze rilevate tra compito di forza e compito di posizione suggeriscono che il tempo di durata più breve del compito di posizione rispetto al compito di forza è imputabile a maggiori livelli di eccitazione e inibizione dei neuroni motori durante le contrazioni posturali 14. Altre importanti osservazioni sono che la capacità di sostenere una forza target sub-massimale per parecchi minuti, richiede un aumento dell impulso discendente sul pool dei neuroni motori per compensare la diminuzione della capacità di forza delle unità motorie attivate; e il maggior tasso di crescita in diversi segnali (rate perceived exertion (RPE), mean blood pressure (MAP), la frequenza cardiaca (FC) e l ampiezza EMG), durante il compito di posizione, suggerisce che l aumento dell impulso discendente si verifica più rapidamente durante il compito di posizione rispetto al compito di forza 17. Inoltre altri studi hanno rilevato differenze nell attività EMG, tra contrazioni eccentriche e concentriche, analizzando delle modalità di esercizio che richiedevano una fase isometrica precedente alla contrazione dinamica. Gli studi hanno riscontrato che il livello di attivazione muscolare nella fase isometrica che precede la contrazione dinamica risulta differente tra le contrazioni eccentriche e concentriche. Infatti l ampiezza EMG rilevata durante la fase isometrica che precede le contrazioni eccentriche risulta inferiore rispetto a quella rilevata durante la fase isometrica che precede le contrazioni concentriche 15. I risultati dello studio di Gabriner et al. (2002) evidenziano inoltre delle differenze tra la massima contrazione volontaria (MVC) concentrica ed eccentrica, in relazione al livello di attivazione. Un aspetto interessante è che questi differenti livelli di attivazione muscolare sono stati rilevati prima che il muscolo manifestasse delle variazioni di lunghezza. Quindi lo studio suggerisce l esistenza di segnali di attivazione muscolare specifici in funzione della modalità di contrazione che si vuole esprimere nel movimento successivo. Sempre in relazione alle differenze tra le contrazioni dinamiche precedute da preattivazione isometrica, Linnamo et al. (2003) hanno esaminato i pattern di attivazione delle unità motorie (UM) in azioni concentriche ed eccentriche iniziate con e senza preattivazione isometrica. Lo studio ha affermato che il picco di ampiezza media è più basso e il picco di frequenza media è superiore nella fase di pre-attivazione isometrica rispetto alle conseguenti azioni concentriche ed eccentriche. Quando il movimento dinamico è avviato con pre-attivazione isometrica, il picco di ampiezza media e quindi 9