Determinantes biomecánicos de la pedalada

DETERMINANTES BIOMECANICOS DE LA ENERGÉTICA EN LA PEDALADA: EL TRABAJO INTERNO Y EXTERNO NO SON INDEPENDIENTES

Steven A. Kautz1 and Richard R. Neptune2
1Rehabilitation Research and Development Center, Veterans Affairs Palo Alto Health Care System, CA;
2Department of Mechanical Engineering, University of Texas at Austin
KAUTZ, S.A., and R.R. NEPTUNE. Biomechanical determinants of pedaling energetics: Internal and external work are not independent. Exerc. Sport Sci. Rev., Vol. 30, No. 4, pp. 159–165, 2002.

Los análisis simulados de pedaleo demuestran cómo las fuerzas musculares individuales actúan para acelerar y desacelerar los segmentos de la pierna y la biela para realizar el trabajo externo. El trabajo realizado por los músculos para acelerar los segmentos de la pierna son transmitidos a los pedales porque cuando las piernas desaceleran, su energía mecánica es utilizada para superar la carga externa.
Palabras clave: locomoción, simulación, potencia mecánica, músculos, coordinación.

INTRODUCCIÓN

promo

Entender la función muscular y el trabajo mecánico llevado a cabo por los músculos y realizados durante la locomoción humana ha sido un reto, en parte por la dificultad de medir las fuerzas musculares in vivo y en parte por la compleja dinámica del sistema musculoesquelético. Así, la función muscular ha sido normalmente inferida de las correlaciones entre clasificaciones anatómicas, análisis dinámicos inversos y análisis EMG; aunque estas correlaciones no pueden relacionar causalmente la estimulación muscular con el rendimiento de la tarea durante la locomoción. Sin embargo, la simulación reciente y los estudios experimentales que utilizan el pedaleo como paradigma locomotor han mostrado cómo las fuerzas musculares generan y redistribuyen la energía entre los segmentos de la pierna y el ambiente externo. (ej. Ergómetro de carga resistida en la biela). Un descubrimiento de particular importancia para estimar el trabajo mecánico realizado por los músculos es que la generación de fuerza muscular puede causar una transferencia de energía significativa entre las piernas y el exterior en ciertos momentos durante el ciclo de pedaleo de tal manera que la potencia externa (tasa de trabajo contra el pedal) puede exceder en un instante la potencia mecánica producida por los músculos (8). A menudo, los investigadores han asumido que el trabajo mecánico total realizado por los músculos incluye dos variables independientes: “trabajo externo” (trabajo realizado para superar una resistencia externa, la cual puede ser medida de forma precisa) y “trabajo interno” (trabajo realizado al acelerar y desacelerar los segmentos de la pierna, el cual no se puede medir de forma directa) (15). A pesar de que hay algunos datos fisiológicos consistentes con este concepto de trabajo interno como un coste independiente necesario para mover las piernas (2), estudios biomecánicos han desacreditado el trabajo interno como un reflejo preciso de dicho coste (8,9).

El objetivo de esta revisión es resumir los resultados de análisis de recientes simulaciones que demuestran como los músculos producen el trabajo externo tanto directa como indirectamente durante el pedaleo. Indirectamente, los músculos trabajan para acelerar los segmentos de la pierna, y cuando los segmentos son desacelerados, estos músculos transfieren la energía a la biela para producir el trabajo externo. Nosotros planteamos que la aceleración y desaceleración de las piernas surge de la redistribución de la energía segmentaria por fuerzas musculares, y que estos cambios de energía son una parte integral para realizar el trabajo externo de tal manera que no hay un coste mecánico independiente con dichos cambios. Cualquier coste mecánico adicional asociado con el movimiento de las piernas será el resultado del trabajo negativo de los músculos, el cual puede ser completamente independiente del “trabajo interno”. Además, la redistribución de la energía segmentaria proporciona un marco de referencia para entender el funcionamiento de los músculos para coordinar la acción del pedaleo, lo que nos permite abordar varios conceptos erróneos en la literatura relacionada con la biomecánica y la energética del pedaleo. Debido a que la aceleración y desaceleración de las piernas es esencial en todas las formas de locomoción donde las piernas juegan un papel fundamental, los mecanismos observados de redistribución de energía segmentaria por fuerzas musculares es probable que jueguen un papel importante en otras formas de locomoción.

EL COSTE METABÓLICO PARA MOVER LAS PIERNAS

A medida que aumenta la cadencia de pedaleo aproximadamente más allá de las 60rpm durante un pedaleo con una potencia mecánica constante, el coste metabólico (consumo de oxígeno) también aumenta (3), lo que lleva a muchos investigadores a suponer que el aumento del coste metabólico está asociado con el aumento del trabajo mecánico de los músculos para mover las piernas más rápido (es decir, trabajo interno) (2).
Estudios experimentales han intentado estimar el coste metabólico del movimiento de las piernas a una cadencia dada ya sea midiendo directamente en el pedaleo (3) o estableciendo una relación entre la potencia mecánica externa y el coste metabólico. Francescato et al. (2) estableció tal relación y estimó el coste metabólico del movimiento de las piernas (es decir, trabajo interno) mediante la extrapolación lineal del coste metabólico al valor cero de la potencia mecánica externa (intersección en “y”) (Fig.1). Una suposición importante es que este coste es constante para una cadencia de pedaleo dada, independientemente de la carga de trabajo externa. Sin embargo, seguidamente mostraremos que el coste del movimiento de las piernas no es independiente de la carga externa.

 

Figura 1. Ilustración conceptual de las bases fisiológicas para postular un coste mecánico para mover las piernas que es independiente del trabajo externo. Los estudios experimentales han establecido una relación linear significativa entre la potencia mecánica externa y el coste metabólico. Se ha supuesto que la extrapolación linear a la intersección con el eje y produce el equivalente metabólico del trabajo interno (el supuesto coste mecánico de mover solamente las piernas a esta velocidad de pedaleo). Sin embargo, la relación entre la potencia muscular y la potencia externa no ha sido demostrada.

TRABAJO MECÁNICO INDEPENDIENTE DEL MOVIMIENTO DE LAS PIERNAS – ¿UN CONCEPTO ERRÓNEO?

Aunque el coste metabólico incrementa al aumentar la cadencia, el mayor coste energético en sí mismo no justifica el concepto de trabajo interno. El coste metabólico de generar fuerza muscular se espera que cambie incluso si no se requiere un aumento del trabajo mecánico a mayores cadencias debido a la relaciones fisiológicas fuerza-velocidad-activación del músculo esquelético. De esta manera, el hecho de que se realice más trabajo mecánico cuanto más elevada sea la cadencia queda aún por demostrar. A día de hoy, hay estudios que han intentado cuantificar el trabajo mecánico total durante el pedaleo que han usado el trabajo interno para cuantificar el trabajo mecánico, sin establecer ninguna relación entre los valores de los dos conceptos (14).
Winter (15) desarrolló una ecuación para conocer el trabajo interno que fue propuesta para ser aplicada de forma general a todas las acciones de locomoción humanas incluyendo los intercambios de energía positiva y negativa entre los segmentos corporales y los movimientos de dichos segmentos en relación con el centro de masas del cuerpo. Los aumentos y disminuciones en el total de la energía corporal fueron explícitamente atribuidos al trabajo muscular positivo y negativo, respectivamente (15).
Desde entonces, los análisis experimentales y teóricos del trabajo mecánico (1), así como los análisis más detallados basados en simulación (9), han demostrado que la suma del trabajo mecánico realizado por los músculos durante los movimientos de locomoción son estimaciones incorrectas cuando el trabajo interno es considerado como un coste independiente. Otros estudios sobre el pedaleo han usado platos no circulares diseñados especialmente para obligar al ciclista a producir el trabajo interno en tres distintos niveles al aumentar la variación en la energía mecánica de los segmentos de la pierna para una carga externa y una cadencia media dadas. Aunque los platos causaron un aumento del 60% en el trabajo interno, ni el consumo de oxígeno (5) ni el trabajo mecánico realizado por todos los momentos juntos (8) mostraron aumentos relacionados.
La suma de trabajo interno y trabajo externo no puede dar como resultado el total del trabajo mecánico realizado por los músculos durante el pedaleo porque disminuciones en la energía total de la pierna no siempre son debidas a un trabajo negativo de los músculos tal y como se supone (15). Estudios experimentales en ciclismo han observado que descensos en el total de energía de la pierna coincidieron más con la potencia transferida de la pierna a la biela para superar la carga externa que con la potencia absorbida por la suma de momentos (la potencia negativa es análoga al trabajo muscular negativo) (6,8). Si las disminuciones en el total de la energía de la pierna son mayormente debidas a la transferencia de energía entre la pierna y la biela, ayudando a superar la resistencia externa, entonces cambios en el total de la energía mecánica de las piernas (es decir, la suma de la energía cinética y la potencia de los segmentos en ambas piernas) no se pueden relacionar directamente con un coste independiente de las piernas tal y como propone la hipótesis del trabajo interno (15).

LA REDISTRIBUCIÓN SEGMENTARIA DE LA ENERGÍA POR LAS FUERZAS MUSCULARES RESULTA EN UN TRABAJO EXTERNO

A diferencia de la hipótesis del trabajo interno, nuestra hipótesis es que la redistribución de la energía segmentaria por las fuerzas musculares, incluyendo la transferencia de energía entre la pierna y la biela, vincula estrechamente los cambios en el total de la energía mecánica de las piernas a la producción de trabajo externo. El apoyo a nuestra hipótesis viene proporcionado por las simulaciones de dinámicas avanzadas de pedaleo que reproducen la cinemática, la cinética, y EMGs para analizar el efecto que cada músculo tiene en la transmisión de energía de las piernas a la biela (9,10). Las simulaciones dinámicas de avance son ideales para valorar tanto nuestra hipótesis de redistribución de energía segmentaria para desarrollar trabajo externo como la hipótesis del trabajo interno porque las simulaciones dinámicas pueden establecer de forma precisa la relación causal entre las fuerzas musculares individuales y las aceleraciones y la energía de todos los segmentos incluyendo las piernas y la biela (ej., ver (10)). A continuación, usamos datos de Neptune et al. (10) para demostrar como las fuerzas músculares aceleran y deceleran las piernas, y cómo la energía puede ser transferida desde las piernas a la biela para superar la carga externa. La simulación de pedaleo a 60 rpm y 140W.
Durante el pedaleo, la energía mecánica total de las piernas aumenta al principio del descenso de la pierna, alcanzando su máximo un poco después de los 90o, descendiendo hasta cerca de los 180o, repitiéndose este patrón cuando la pierna contraria empieza su descenso (Fig. 2A). La posición de los valores máximo y mínimo coincide con la posición de los correspondientes picos de la energía cinética de una sola pierna (KE) (Fig. 2B), la cual alcanza un pico más grande en la bajada que en el ascenso. La energía potencial de una pierna (PE) varía de forma sinusoidal con su pico máximo cerca del punto muerto superior y el mínimo cerca del punto muerto inferior (Fig. 2D). El total de energía de una sola pierna disminuye constantemente de los 0o hasta los 90o, mientras que hay un aumento de la KE que compensa parcialmente la caída de PE, y luego esta disminuye más rápidamente hasta alcanzar su mínimo justo antes de los 180o (Fig.2C). Debido a que el total de energía potencial es casi constante cuando se tiene en cuenta el efecto neto de las variaciones sinusoidales en cada pierna (porque la PE de cada pierna está en la fase opuesta separada 180º la una de la otra), la disminución de la energía total de las dos piernas es principalmente debido a la disminución en la KE de cada pierna. La hipótesis del trabajo interno (15) propone que la acción muscular es responsable tanto del incremento (trabajo muscular positivo) como de la disminución (trabajo muscular negativo) en el total de la energía de una sola pierna. La potencia mecánica asociada con estos incrementos y descensos puede ser observada mediante la medición de la tasa de intercambio en el total de energía mecánica delas dos piernas (potencia mecánica =dME/dt, Fig.3). Debido a que la potencia es el ratio de trabajo realizado, el área por debajo de la curva de potencia durante una zona determinada es por definición proporcional al trabajo realizado en esa zona. Así pues, el área situada por debajo de la curva de potencia de la biela representa el trabajo externo realizado para superar la carga externa (Fig.3, área situada por debajo de la línea discontinua) y el área por debajo de la potencia muscular neta representa el trabajo realizado por los músculos (Fig. 3, área por debajo de la línea continua).

Figura 2. A. Energía mecánica total en ambas piernas (total ME). B. Energía cinética (KE) de una pierna (single-les KE). C. Energía total de una pierna (single-les ME). D. Energía potencial de una pierna (single-les PE). El pico total de ME coincide con los picos de la energía cinética de una pierna.
Los principios de la conservación de la energía requieren que cuando el total de energía de las piernas está aumentando, se esté realizando más trabajo muscular en las piernas del que se está haciendo contra la biela para superar la carga externa. Además, la diferencia entre estos valores debe ser igual a los incrementos de energía asociados a la aceleración de las piernas. Aproximadamente desde los 350 a los 95º, los músculos generan más potencia que la transmitida a la biela (Fig. 3, línea continua da valores superiores que la línea discontinua), de este modo las piernas aceleran y su energía aumenta (Fig. 3, dME/dt es positiva).

Figura.3 Flujo de potencia asociado con ambas piernas durante el pedaleo. Calculamos la derivada temporal del ME total en la Figura 2 para determinar la potencia instantánea asociada con los cambios totales de energía (dME / dt). Los valores negativos de dME / dt durante la fase descendente (zona sombreada) representan disminuciones en la energía de las piernas que explican la entrega de más potencia a la biela que la generada por los músculos (línea discontinua >línea continua) porque la energía perdida por las piernas se transfiere a la biela. La potencia muscular neta se refiere a la suma de los poderes positivos y negativos de todos los músculos. Hay que tener en cuenta que la potencia muscular negativa no se corresponde estrechamente con dME / dt (p. Ej., Compare las curvas en las flechas).

Los principios de la conservación de la energía también exigen que cuando el total de la energía de la pierna está descendiendo, el trabajo que se esté realizando para superar la carga externa sea superior al que se esté realizando muscularmente, y la diferencia debe ser igual a la disminución de la energía asociada con la deceleración de la pierna. Desde los 95 a los 170º, a pesar de que los músculos están realmente realizando un trabajo positivo significativo y poco trabajo negativo, la energía de las piernas disminuye (Fig. 3, dME/dt es negativa) ya que se transmite más energía a la biela de la que es generada por los músculos (Fig. 3, línea discontinua es mejor que la línea continua). Por consiguiente, no hay ningún resultado en donde el trabajo externo realizado en esta zona supere el trabajo neto producido por los músculos.
En nuestra hipótesis, la producción de trabajo externo cuando la energía segmentaria es redistribuida por la fuerza muscular explica el resultado de que el trabajo externo sea superior al trabajo neto muscular durante una gran parte del ciclo del pedaleo. Entendemos que la acción muscular concéntrica puede, además de desarrollar directamente trabajo externo, también desacelera los distintos segmentos de la pierna causando la inercia de dichos segmentos que genera un trabajo externo adicional. Esto ocurre cuando la energía mecánica de la desaceleración de las piernas es transmitida a la biela. Por lo tanto, el trabajo muscular neto no necesita ser superior a la carga externa.
Esto contradice la hipótesis del trabajo interno, la cual asume que los músculos deben desarrollar una cantidad de trabajo positivo igual al trabajo externo, pero que una cantidad negativa del trabajo muscular igual al descenso de la energía en la piernas reduce el trabajo neto producido por los músculos.
Para entender la diferencia entre nuestra hipótesis y la hipótesis del trabajo interno es fundamental comprender cómo funcionan los músculos para disminuir la energía total de las piernas y producir el trabajo externo. La contribución individual muscular para la transmisión de la energía entre las piernas y la biela (Fig.4) se han explicado anteriormente (10). Así como el total de potencia transmitida a la biela puede exceder en un momento determinado la potencia de todos los músculos, la potencia transmitida a la biela como resultado de la fuerza de un único músculo puede ser sustancialmente mejor que la potencia producida por dicho músculo (ej. Soleo (SOL) y gastrocnemios (GAS)). En este caso, la fuerza del músculo está actuando para redistribuir la energía entre las piernas y la biela (ej. Deceleración las piernas y transfiriendo esta energía a la biela). Además, algunos músculos (ej., vasto, VAS) tienen la función de producir potencia directamente a la biela (es decir, acelerando la biela directamente por la contribución a la fuerza de reacción del pedal) mientras otros (ej, glúteo mayor, GMAX) produce potencia directamente en los distintos segmentos de la pierna (es decir, acelerando las piernas directamente siendo poca la potencia transmitida directamente a la biela).
Los análisis de la contribución muscular individual a la transmisión de la energía entre la pierna y la biela revelan que la mayor potencia de deceleración de los segmentos de la pierna es causada por el SOL y gastrocnemios GAS (Fig. 4 SOL, GAS: área por debajo de la línea discontinua <0). Actuando en la desaceleración de la pierna, SOL y GAS transfieren energía desde la pierna hacia la biela, lo cual les permite entregar mucha más energía a la biela de la que ellos mismos producen (Figura 4 SOL, GAS: área por debajo de la línea de puntos >> área por debajo de la línea continua desde los 0 a los 180º). La deceleración inducida por los flexores plantares es el primer mecanismo para la transferencia de energía desde la pierna hasta la biela. Actuando como fijadores de la articulación del tobillo, tanto SOL como GAS actúan para acelerar el pie potentemente en la flexión plantar, lo que produce una fuerza de reacción que acelera la biela (Fig. 5, fuerza tangencial en la biela por SOL y GAS >0) y correspondiendo a fuerzas intersegmentarias que deceleran el muslo y la pierna (Fig.5). La deceleración del muslo y la pierna es el resultado de la actuación del SOL y GAS para acelerar el tobillo hacia arriba y la cadera y la rodilla a flexión (debido a la reducción en la distancia del tobillo a la cadera)(12). Debido a que la cadera y la rodilla se están extendiendo, la aceleración inducida por la flexión de la cadera y la rodilla actúa para disminuir la extensión y disminuir la energía del muslo y de la pierna (Fig.5). Esta energía desde el muslo y pierna es trasmitida a la biela a través de la fuerza aplicada al pedal y da como resultado el trabajo externo. Cabe señalar que estos cambios de energía son el resultado de la actividad concéntrica del GAS y SOL (Fig. 4, potencia muscular neta es positiva), con un disipación de energía no significativa por la actividad excéntrica en otros músculos (Fig. 4). Estos resultados muestran claramente que la disminución de la energía de la pierna (resultante del trabajo muscular concéntrico) no es independiente del trabajo externo realizado, sino que es un mecanismo biomecánico necesario para producir ese trabajo externo.

Figura 4. Potencia mecánica producida por GAS, SOL, VAS, GMAX y la acción combinada de todos los demás músculos incluidos en el modelo (principalmente flexores, lo que explica por qué la mayor parte de su potencia se produce en la fase ascendente). La potencia neta musculo-tendon (línea continua) es la suma de la potencia entregada a las piernas y la biela. La potencia positiva (negativa) representa la generación (absorción). SOL y GAS transfieren mucha más energía de las piernas a la biela que la que generan (línea discontinua > línea discontinua).

Figura. 5. Ilustración esquemática del mecanismo por el cual la actividad flexora plantar concéntrica transfiere energía desde la pierna a la manivela en el punto de máxima disminución instantánea de la energía total (110 °). Su acción acelera el pie con fuerza en la flexión plantar, lo que acelera la flexión de la cadera y la rodilla y disminuye la energía de la pierna porque se está extendiendo. Se obtiene una fuerza de reacción del pedal que acelera la manivela y la energía disminuida de la pierna se transfiere a la manivela. Por lo tanto, la disminución en la energía de la pierna es un aspecto fundamental para producir trabajo externo durante el pedaleo.

REVISANDO EL CONCEPTO DE UN TRABAJO MECÁNICO INDEPENDIENTE NECESARIO PARA MOVER LAS PIERNAS.

Resumiendo, aunque los aumentos y disminuciones de energía de la pierna son el resultado de la redistribución de la energía segmentaria por las fuerzas musculares, la disminución de energía resultante de la desaceleración de las piernas puede generar una fuerza tangencial a la biela, y así producir un trabajo externo positivo. La evidencia de este fenómeno dinámico proporcionada por la demostración que la potencia externa en la biela puede ser instantáneamente superior a la potencia total producida por los músculos durante este periodo de desaceleración (Fig. 3B).

El análisis de las contribuciones musculares individuales demuestra por qué la hipótesis del trabajo interno estima incorrectamente el trabajo total. Más arriba, mostramos que se podría producir una unidad de trabajo (J) durante el inicio de la fase descendente (ej. 70º) por un solo músculo (ej. GMAX), que la energía de los distintos segmentos de la pierna pueden aumentar por esta J, y luego, a través de la transferencia por otros músculos (ej. SOL), esa misma J puede ser aplicada en la biela cuando las piernas están desacelerando (ej., 110º). Aunque el músculo que está transfiriendo esa misma J desde las piernas a la biela (ej., SOL) puede estar actuando de forma isométrica (no se produce trabajo mecánico), a menudo está realizando simultáneamente una cantidad adicional de trabajo concéntrico (el cual se entrega directamente a la manivela además de la J que se transfiere). Así, a través de la coordinación de varios músculos, un J de trabajo generado por un único músculo para acelerar las piernas es recuperado como 1J de trabajo externo a medida que las piernas se desaceleran. Sin embargo, en este mismo escenario, la metodología del trabajo interno estimaría que un J de trabajo (trabajo interno positivo) se produciría a los 70º para acelerar los segmentos, un segundo J de trabajo (trabajo interno negativo) sería producido a los 110º para desacelerar los segmentos, y un tercer J de trabajo (trabajo externo positivo) sería realizado directamente por los músculos a los 110º. Por lo tanto, la hipótesis de trabajo interno estimaría que 3J de trabajo fueron necesariamente producidos por los músculos cuando, en realidad, solo es necesario 1J para producir 1J de trabajo externo.

Por lo tanto, la hipótesis del trabajo interno no es válido como medida directa del coste energético del movimiento de las piernas en el pedaleo. Además, dado que toda su base teórica depende de la relación entre los cambios en el total de energía y el trabajo mecánico realizado para acelerar y desacelerar las piernas, su uso es inapropiado para las investigaciones científicas del pedaleo incluso en el caso poco probable de que pueda proporcionar una medida indirecta útil del costo metabólico.
Además, la energética en el pedaleo debe interpretarse con respecto al coste de la producción de fuerza muscular.

Aunque la descripción de la energética anterior podría implicar que no se realiza ningún trabajo mecánico extra más allá de la carga de trabajo externa durante el pedaleo, las propiedades fisiológicas del músculo sugieren que se realiza trabajo mecánico adicional, aunque no se puede cuantificar mediante el trabajo interno. Específicamente, la dinámica de activación y desactivación asociada con el desarrollo de la fuerza muscular debería dar como resultado un trabajo muscular negativo (Fig. 3B) porque los músculos no pueden activarse y desactivarse instantáneamente (9). Debido a que la potencia muscular media para un ciclo de pedaleo debe ser igual a la potencia externa media (suponiendo que no haya disipación excepto por los músculos), la potencia muscular negativa (Fig. 3B) debe ser superada con la misma cantidad de potencia muscular positiva mas allá de la potencia externa. Sin embargo, es extremadamente importante observar que este trabajo muscular negativo debido a la desactivación muscular (es decir, área negativa por debajo de la linea continua del VAS, Fig. 4) no coincide con las disminuciones en el total de energía mecánica (Fig. 2 A), y, por lo tanto, ni siquiera se mide indirectamente en el cálculo del trabajo interno.

CONSECUENCIAS PARA LA BIOMECÁNICA DEL PEDALEO

La redistribución de la energía segmentaria por las fuerzas musculares proporciona un marco conceptual para entender cómo funcionan los músculos para coordinar la acción del pedaleo, el cual nos permite abordar varios conceptos erróneos en la literatura relacionada con la energética del pedaleo.

El coste del pedaleo “sin carga” no está relacionado con el costo de mover las piernas en el pedaleo
Los estudios han tratado de estimar el costo de mover las piernas midiendo el costo metabólico durante el pedaleo sin carga (es decir, sin carga de trabajo) (3). Sin embargo, está claro que si las piernas se están moviendo de forma parecida al pedaleo normal durante el pedaleo sin carga, entonces la energía de las piernas tendrá que ser reducida por el trabajo muscular negativo porque la energía ya no puede disminuirse haciendo trabajo externo. Debido a que esto es completamente diferente al pedaleo normal, es probable que el coste metabólico sea también completamente diferente. Por la misma lógica, los costes metabólicos asociados con el trabajo “interno” a bajas intensidades pueden no ser consistentes con los costes con cargas más altas, de modo que los modelos lineales son inapropiados para las relaciones entre el coste metabólico y la carga de trabajo.

La fuerza “efectiva” en la biela es un término equivocado. 

Los estudios también han tratado de explicar las diferencias en el coste del pedaleo con el concepto de más “efectividad” en la fuerza generada en la biela (ej., (11)). La fuerza tangencial en la biela es el único componente que actúa directamente para propulsar la biela que contribuye en el trabajo externo, y el término “efectiva” e “inefectiva” han sido usados para describir las fuerzas del pedal que están orientadas tangencial y radicalmente con respecto a la biela (Fig. 6), respectivamente. Sin embargo, es erróneo concluir que el componente radial debería ser minimizado para disminuir el coste energético o pedalear más rápido porque una cantidad importante del componente radial resulta de aspectos no relacionados con la acción muscular (es decir, gravedad, efecto coriolis, y fuerzas centrípetas) (7). Además, nuestra demostración anterior de que la fuerza del pedal está dominada por la energía transmitida a la biela por los flexores plantares revela las contribuciones musculares a la fuerza de la biela probablemente también tengan componentes radiales significativos.

Figura 6. Definición de las componentes radiales y tangenciales de la fuerza resultante aplicada al pedal.

Específicamente, la orientación de la fuerza del pedal por los flexores plantares en cualquier momento del ciclo de la biela está determinada exclusivamente por la geometría de la pierna, con cambios en la magnitud de la excitación muscular simplemente cambiando la magnitud de esta fuerza del pedal. Así, hay una habilidad limitada para controlar la orientación de esta fuerza en la biela. Como resultado, la acción neta de los músculos seguramente producirá un componente radial de la fuerza de la biela y su eliminación requerirá el reclutamiento de músculos adicionales para compensar el componente radial, causando un aumento del coste metabólico.

La potencia negativa en la biela durante la fase ascendente del pedaleo no implica un coste mecánico adicional. 

Trabajos previos han refutado parcialmente esta idea equivocada mostrando que se requeriría un esfuerzo muscular superior para eliminar el torque negativo (contra-torque) durante la fase ascendente que sería requerido para pedalear normalmente con un contra-torque (13). Hay que indicar que el contra-torque representa un trabajo realizado en la fase ascendente de la pierna, no necesariamente en la fase de descenso. De hecho, durante la fase ascendente los músculos hacen un trabajo positivo significativo (ej., Fig. 4, todos los demás músculos) y un reducido trabajo negativo. La mayor parte de este trabajo negativo seguiría existiendo incluso si el contra-torque fuese eliminado por otros músculos concéntricos (ej., flexores de cadera) porque está asociado con la desactivación de músculos como el VAS (Fig. 4). Debido a que se produce poca disipación de energía por el trabajo muscular negativo, el trabajo asociado con el contra-torque resulta en un aumento de la energía de la pierna a medida que las energías potenciales y cinéticas aumentan a medida que la pierna se empuja hacia arriba. Así, el contra-torque puede representar simplemente la transferencia de energía desde la fase descendente de la pierna a la fase ascendente de la misma. Aunque no hay nada intrínsecamente ineficaz en la presencia del contra-torque, representaría un rendimiento deficiente si los músculos implicados en la fase ascendente de la pierna realizaran un trabajo negativo significativo.

Los mecanismos alternativos biela/pedal no mejoran la eficiencia al manipular el trabajo mecánico
El diseño mecánico de un sistema de transmisión mejorado en el pedaleo tiene una larga historia en la literatura del ciclismo con el objetivo final de hacer una bici más rápida y eficiente. Varios de estos dispositivos han sido diseñados para tratar de mejorar la eficiencia a través de la manipulación del trabajo mecánico, ya sea disminuyendo el trabajo interno (5) o aumentando el momento de fuerza efectivo durante la fase descendente (para aumentar el torque en la biela desde la fuerza de reacción del pedal) y disminuyéndolo durante la fase ascendente (para disminuir el contra-torque) (4). Como hemos mostrado anteriormente, la disminución del trabajo interno no tiene un efecto predecible o útil en el coste del trabajo mecánico del pedaleo. También, como se indica anteriormente, el contra-torque no necesita ser el resultado del trabajo negativo realizado por los músculos. Si, por razones teóricas, suponemos que la coordinación muscular puede sincronizarse perfectamente para el trabajo negativo realizado por los músculos de forma individual sea insignificante, entonces el trabajo mecánico total realizado por todos los músculos debe ser exactamente igual a la carga de trabajo externa total (asumiendo que no hay pérdidas en el sistema de transmisión). Debido a que es imposible conseguir más trabajo del sistema del que es transmitido, un mecanismo biela-pedal no podría resultar en más trabajo con las mismas fuerzas de pedal (o músculo) en este caso. Hacerlo significaría una máquina de movimiento perpetuo, con energía creada por el mecanismo. Así pues, un diseño de un mecanismo biela-pedal debería basarse en las relaciones fuerza-longitud-velocidad-activación de los músculos esqueléticos y sus influencia en el coste energético para generar fuerza muscular, no solo en el trabajo mecánico realizado.

RESUMEN

Los músculos generan fuerzas que redistribuyen la energía segmentaria entre los distintos segmentos de la pierna y la biela. Aceleran y desaceleran las piernas, resultando en un aumento o disminución del total de su energía. Los aumentos en la energía mecánica de las piernas se deben principalmente al trabajo realizado por los músculos extensores de cadera y de rodilla. Los descensos en la energía mecánica de las piernas son predominantemente el resultado de la actividad concéntrica de los flexores plantares del tobillo que actúan para transferir energía desde la pierna hasta la biela para superar la resistencia externa sin una disipación significativa por la actividad excéntrica de la musculatura. Por lo tanto, los cambios en la energía mecánica de las piernas no son independientes de la producción del trabajo externo ni son predictivos del trabajo mecánico necesario para mover las piernas; en cambio, son un parte integral de producción del trabajo externo. Así pues, la hipótesis del trabajo interno es inapropiado para las investigaciones científicas del pedaleo. Además, al mostrar cómo los músculos aceleran y desaceleran las piernas, y cómo transfieren la energía desde las piernas a la biela, fue posible abordar varios conceptos erróneos en la literatura de la biomecánica y la energética en el pedaleo. Nuestro análisis de pedaleo también sugiere que las medidas del trabajo interno podrían ser erróneas en otras acciones locomotoras donde los músculos produzcan un trabajo externo significativo realizado a partir de la desaceleración y aceleración de distintos segmentos corporales (esquí de fondo, natación)

Agradecimientos

Agradecemos a Felix Zajac sus comentarios constructivos sobre un borrador anterior. Este estudio fue apoyado por el Servicio de I + D de Rehabilitación del Departamento de Asuntos de Veteranos (VA) y la subvención HD37996 de los NIH.

Bibliografía

1. Caldwell, G.E., and L.W. Forrester. Estimates of mechanical work and energy transfers: demonstration of a rigid body power model of the recovery leg in gait. Med. Sci. Sports Exerc. 24:1396–1412, 1992.
2. Francescato, M.P., M. Girardis, and P.E. di Prampero. Oxygen cost of internal work during cycling. Eur. J Appl. Physiol. Occup. Physiol. 72:51–57, 1995.
3. Hagberg, J.M., J.P. Mullin, M.D. Giese, and E. Spitznagel. Effect of pedaling rate on submaximal exercise responses of competitive cyclists. J. Appl. Physiol. 51:447–451, 1981.
4. Hue, O., O. Galy, C. Hertogh, J.F. Casties, and C. Prefaut. Enhancing cycling performance using an eccentric chainring. Med. Sci. Sports Exerc. 33:1006–1010, 2001.
5. Hull, M.L., M. Williams, K. Williams, and S.A. Kautz. Physiological response to cycling with both circular and noncircular chainrings. Med. Sci. Sports Exerc. 24:1114–1122, 1992.
6. van Ingen Schenau, G.J., W.W. van Woensel, P.J. Boots, R.W. Snack- ers, and G. de Groot. Determination and interpretation of mechanical power in human movement: application to ergometer cycling. Eur. .J Appl. Physiol. 61:11–19, 1990.
7. Kautz, S.A., and M.L. Hull. A theoretical basis for interpreting the force applied to the pedal in cycling. J. Biomech. 26:155–165, 1993.
8. Kautz, S.A., M.L. Hull, and R.R. Neptune. A comparison of muscular mechanical energy expenditure and internal work in cycling. J. Biomech. 27:1459–1467, 1994.
9. Neptune, R. R., and A.J. van den Bogert. Standard mechanical energy analyses do not correlate with muscle work in cycling. J. Biomech. 31:239–245, 1998.
10. Neptune, R.R., S.A. Kautz, and F.E. Zajac. Muscle contributions to specific biomechanical functions do not change in forward versus back- ward pedaling. J. Biomech. 33:155–164, 2000.
11. Patterson, R.P., and M.I. Moreno. Bicycle pedaling forces as a function of pedaling rate and power output. Med. Sci. Sports Exerc. 22:512–516, 1990.
12. Raasch, C.C., F.E. Zajac, B.M. Ma, and W.S. Levine. Muscle coordi- nation of maximum-speed pedaling. J. Biomech. 30:595–602, 1997. 13. Redfield, R., and M. Hull. Prediction of pedal forces in bicycling using
optimization methods. J. Biomech. 19:523–540, 1986.
14. Widrick,J.J.,P.S.Freedson,andJ.Hamill.Effectofinternalworkonthe calculation of optimal pedaling rates. Med. Sci. Sports Exerc. 24:376–
382, 1992.
15. Winter, D.A. A new definition of mechanical work done in human
movement. J. Appl. Physiol. 46:79 – 83, 1979.

registro endurance
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