Che corsa!

Qualche giorno fa si è svolta la consueta maratona cittadina nella mia città e – come di consueto – il primo premio è stato vinto da un atleta africano. Sono proprio forti gli africani nella corsa! Ognuno può intuire facilmente una possibile spiegazione di questa occorrenza, ma cosa c'è di scientifico in una corsa?

 

 

Naturalmente, gli attori principali in una corsa sono i muscoli, che sono capaci di compiere un lavoro, ossia di esercitare una forza su un corpo per muoverlo di una certa distanza, o anche per mantenerlo in una certa posizione sotto l'azione di altre forze. Per poter far funzionare i muscoli, gli uomini (e tutti gli esseri viventi) hanno bisogno di acquisire dall'esterno sufficiente energia – ossia, appunto, la capacità di compiere lavoro – e questo avviene usualmente grazie all'energia chimica introdotta con il cibo, che viene convertito in calore prodotto dal lavoro compiuto dai muscoli. Un dato empirico, non dedotto ancora da alcun modello quantitativo, è che il rapporto tra questo calore e il lavoro compiuto è uguale  per tutti i corridori, e vale circa 4. La maggior limitazione nelle prestazioni dei maratoneti viene, allora dalla dissipazione di calore, che limita il lavoro utile che possono eseguire i muscoli, sottraendo energia.

 

 

 

Da una stima semplice per ordini di grandezza si può ottenere un risultato interessante. Supponiamo che la dimensione del corridore (data dalla sua altezza) sia L: essa si misura evidentemente in metri. Il tasso di generazione di calore dipende dal volume dei muscoli – muscoli più grandi sviluppano maggior calore durante la loro attività – e tale volume, che si misura in metri cubi, sarà proporzionale a L3. Invece, la dissipazione di calore (tramite evaporazione di sudore, vento, ecc.) avviene attraverso la superficie del corpo, che si misura in metri quadrati, per cui il tasso di perdita di calore sarà proporzionale a L2. Ciò vuol dire che all'aumentare della dimensione del corridore aumenta di più la generazione di calore che non la sua dissipazione (aumenta di più il volume L3 che non la superficie L2). Tale argomento può anche essere letto al contrario: è più difficile per i corridori alti rimanere “freschi”. Ovvero, in condizioni estreme di calore esterno, come per esempio durante la maratona femminile olimpica di Atene nel 2004, in cui la temperatura atmosferica raggiunse i 35°C, i corridori più “piccoli” hanno prestazioni migliori di quelli più “grandi”.

Ma quanto costa, in termini energetici, il correre per un essere vivente? Anche qui i dati empirici dicono che il costo energetico di locomozione (energia per unità di massa corporea e per unità di dimensione) è circa lo stesso per tutte le specie animali, anche se specie diverse si muovono con velocità diverse. In particolare gli uomini consumano circa 1 kCal per ciascun kg di massa corporea per ogni km percorso. Interessante, qui, è il fatto che tale numero non dipenda da altri fattori: ciò vuol dire, quindi, che si bruciano lo stesso numero di calorie per chilometro percorso, indipendentemente da quanto veloci ci si muova.

Quale è, allora, la differenza tra correre e camminare? Per spiegare le osservazioni sperimentali si ricorre all'ipotesi secondo cui tutti gli animali non consumano energia per muoversi in orizzontale, bensì per muovere in su e in giù il loro baricentro. Infatti, quando si cammina, i piedi sono sempre a contatto con il suolo, e il baricentro del corpo, “collegato” ai piedi tramite le gambe di supporto, si muove pecorrendo archi di circonferenza. Invece, durante una corsa, il baricentro si muove lungo archi di parabola, e la sua variazione di altezza (che determina il lavoro che devono compiere i muscoli: ci vuole più o meno lavoro per alzare di più o meno un corpo pesante) è maggiore.

Le applicazioni degli studi su tali questioni, però, non sono limitate al miglioramento delle prestazioni atletiche: conoscendo le cause dei diversi processi, questi possono essere ottimizzati variando i valori dei fattori coinvolti (entro limiti accettabili). Soprattutto le questioni legate alla locomozione, infatti, sono attualmente oggetto di studio – per esempio – della robotica. Senza aggiunte di altre parole, potete dare uno sguardo ai video che trovate qui, dove trovate sviluppati sia dei robot con dinamica passiva, ossia senza motori e senza sistemi di controllo

 

 

oppure con dinamica attiva

 

 

istruttivi di per sè.

La prossima volta che andrete a correre potreste allora trarre qualche beneficio dalle informazioni qui acquisite. E magari battere i fortissimi atleti africani!

 

S. Esposito, fisico