Parliamo di Sport

La RICERCA SCIENTIFICA APPLICATA allo SPORT – Il supporto scientifico alla prestazione sportiva

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(Articolo pubblicato su: SdS/Scuola dello Sport Anno XXXII n. 96)

Sin dagli albori del mondo sportivo moderno il desiderio e la necessità costanti dei tecnici, degli allenatori, dei medici e degli atleti delle diverse discipline sportive sono stati quelli di studiare ed ottimizzare il gesto tecnico e l’eventuale attrezzo da gara, rendere oggettive le esperienze maturate sul campo e analizzare gli avversari più forti.

Marcello Faina
Dipartimento di Scienza dello Sport dell’Istituto di Medicina e Scienza dello Sport del CONI

Il presente articolo vuole essere un bilancio consuntivo delle varie attività svolte dal Dipartimento di Scienza dello sport dell’Istituto di Medicina e Scienza dello sport del Coni in favore delle Federazioni sportive nazionali nel quadriennio precedente i Giochi olimpici di Londra 2012. Quindi più che un singolo progetto, viene presentato il quadro complessivo delle attività tecnico scientifiche svolte nei tre settori di lavoro del Dipartimento e più precisamente quelli di Fisiologia, Biomeccanica e Tecnologia. L’intento è quello di far trasparire il grande valore aggiunto costituito, nello sport moderno, dal lavoro interdisciplinare. Solo così è possibile mettere l’atleta, che è sempre il cardine centrale della prestazione, nelle migliori condizioni possibili per esprimere il suo potenziale. Gran parte di questo articolo è tratta dalla relazione presentata dal prof. Faina al Seminario su “La ricerca scientifica applicata allo sport” organizzato dalla Scuola dello Sport del Coni nell’ambito delle celebrazioni per i 30 anni di questa rivista.
Tale Seminario si è tenuto a Roma il 21 novembre 2012, appena una settimana prima dell’improvvisa e prematura scomparsa del prof. Faina. Si è pensato di trascrivere e pubblicare questo Suo ultimo intervento per rendergli omaggio, memori delle sue qualità umane e professionali, della sua incessante ed apprezzata attività di formatore e divulgatore scientifico, e grati per gli insegnamenti che ci ha trasmesso in questi anni di lavoro durante i quali ha diretto il Dipartimento di Scienza dello sport dell’Istituto di Medicina e Scienza dello sport del Coni. Oltre a chi ha collaborato nell’esecuzione dei test e dei progetti oggetto del presente articolo, è doveroso ringraziare Atleti, Tecnici, Allenatori e Ricercatori delle diverse Federazioni sportive nazionali, del gruppo Coni-Ferrari, dell’INSEAN e della Direzione Sport e Preparazione olimpica del Coni senza i quali questo lavoro non sarebbe stato possibile.

Nuove piscine strumentate del Centro di Preparazione Olimpica dell’Acquacetosa
CONI, Roma (Foto ing. Dario Bugli)

Scopo di questo articolo è mostrare come il supporto scientifico nello sport giochi ormai un ruolo molto importante nell’aiutare l’atleta, il tecnico, l’allenatore e il ricercatore a migliorare la prestazione sportiva.
Ovviamente questo processo rappresenta una condizione necessaria, ma non sufficiente, a garantire il risultato finale perché al centro del sistema rimane sempre l’atleta le cui prestazioni dipendono da molti fattori fattori, riassumibili in tre concetti fondamentali corrispondenti ad altrettanti filoni di studio:

  • la forza, cioè la capacità di esprimere il proprio potenziale mentale e fisico;
  • la tecnica, cioè l’abilità nell’applicare all’ambiente esterno la forza, eseguendo movimenti efficaci ed efficienti, adattandoli continuamente al variare delle condizioni in cui vengono eseguite le prestazioni sportive (affaticamento, valutazioni tattiche-strategiche, meteo, ecc.);
  • gli eventuali dispositivi o attrezzi sportivi, con la loro relativa interazione con atleta e ambiente esterno.

Volendo intraprendere un viaggio nel mondo della ricerca applicata allo sport bisogna considerare tutti questi aspetti in modo integrato (Dal Monte, Faina, 1999). Tra le funzioni svolte dal Dipartimento di Scienza dello sport, che fa parte dell’Istituto di Medicina e Scienza dello sport “A. Venerando” del Coni (IMSS), assume grande rilevanza il supporto scientifico fornito allo sport di alto livello.
Tale attività ha come obiettivo la ricerca del modello funzionale sia della prestazione sia dell’allenamento, impiegando risorse e competenze in grado di sfruttare le opportunità offerte da un crescente sviluppo tecnologico (Dal Monte 1983).
L’esperienza intrapresa in collaborazione con la Federazione italiana canoa kayak (FICK), in vista dei Giochi di Londra 2012, finalizzata ad indagare il modello prestativo di una nuova specialità olimpica (i 200 metri nella Canoa velocità), mostra con evidenza l’importanza di avvalersi di un approccio multi disciplinare per realizzare i progetti di lavoro.
Nell’occasione è stato scelto un protocollo di lavoro che permetteva di valutare congiuntamente sia gli aspetti fisiologici (consumo di ossigeno e frequenza cardiaca) e metabolici (lattato ematico) sia quelli biomeccanici (profili di velocità ed accelerazione, frequenze di pagaiata, angoli di assetto, ecc.). Lo studio è stato realizzato in un arco di tempo compreso tra il 2010 ed il 2011 e i dati sono stati acquisiti sia sul campo durante i raduni della Nazionale, in specifici test effettuati presso la Vasca navale dell’Istituto Nazionale per Studi ed Esperienze di Architettura Navale (INSEAN) di Roma, che durante legare dei Mondiali di Poznan 2010. Di volta involta sono stati selezionati e usati gli strumenti tecnologici più innovativi ed adeguati per la situazione di prova o gara ed è stato sperimentato per la prima volta un sistema in grado di acquisire e ricostruire in acqua la cinematica tridimensionale dell’atleta e della canoa.
L’analisi dei dati ha permesso di verificare la corrispondenza dei profili di gara con il lavoro svolto in allenamento e ha fornito utili informazioni sia per la selezione degli atleti sia per la scelta di alcune soluzioni tecniche relative alle barche e alle regolazioni delle pagaie. L’INSEAN si è rivelato essere un luogo ideale per l’effettuazione di test biomeccanici grazie alle sue caratteristiche uniche di lunghezza della vasca e stabilità delle condizioni microclimatiche interne.
Per quanto riguarda lo studio della risposta delle qualità organico funzionali la maggior parte delle evidenze sperimentali presenti in letteratura, relative ad una prova di 200 metri in canoa, erano riferimenti solo per lavori svolti in laboratorio impiegando il “pagaia-ergometro”.
Alla ricerca hanno partecipato quattro atleti senior (2 uomini e 2 donne) di alto livello appartenenti alla Nazionale Italiana di Canoa Kayak, che hanno simulato la gara dei 200 metri. Prima della prova ogni atletaè stato equipaggiato con: un metabolimetro portatile (K4b2, Cosmed, Italia), alla cui progettazione, messa a punto, collaudo e sperimentazione ha partecipato anche l’Istituto (Dal Monte, Faina et al. 1989), perla determinazione, attraverso la misura dei gas respirati (metodica breath by breath), della ventilazione, del consumo di ossigeno(VO2) e della produzione di anidride carbonica(CO2); un cardiofrequenzimetro per la misura della frequenza cardiaca (FC). In tutti gli atleti è stato rilevato il valore di lattatemia prima della partenza e al 2°, 4° e 6° minuto della fase di recupero. I prelievi ematici sono stati effettuati dal lobo dell’orecchio.
Alcune considerazioni nascono dall’analisi dei dati raccolti e da quelli presenti in letteratura sull’argomento. La prima riguarda i valori massimi del lattato che per 3 atleti su 4 presentano valori simili a quelli riportati in letteratura (Michael et al., 2008), relativi però alle gare dei 500 e dei 1000 metri. Ciò conferma che il picco della concentrazione ematica del lattato, pur fornendo un’indicazione sul grado d’intervento della glicolisi anaerobica, non permette di quantificare la produzione del lattato muscolare, né può dare alcuna indicazione sull’energia derivata dall’ATP e dalla PCr (Gastin, 2001).
La seconda considerazione riguarda, invece, l’analisi dei valori e della cinetica del VO2.
Mancando una valutazione del VO2 max e, se si accetta l’assunto che il VO2/kg degli atleti testati sia simile a quello riportato in letteratura, relativo agli atleti di alto livello internazionale (Michael et al., 2008) e italiani (Colli et al., 2009) (58 e 54 ml/kg/min, rispettivamente per uomini e donne), si può postulare che il VO2 di picco raggiunto nelle prove simulate rappresenti dall’85% ad oltre il 90% del VO2 max/kg.
Questo dato è in linea, da un lato, con le evidenze sperimentali, riportate in letteratura (Xu, Rhodes, 1999), che dimostrano come la cinetica del consumo di ossigeno, nel corso di prove sopra massimali, mostri un incremento massimale continuo fino al raggiungimento del punto di fatica e dall’altro con i risultati di studi (Kavanagh, Jacobs 1988; Gastin, Lawson 1994; Byrnes, Kearney 1997; Thomas et al. 2005) che hanno evidenziato che in prove massimali si raggiungono, in tempi compresi tra i 30 e 60 secondi, percentuali del massimo VO2 simili a quelle da noi ipotizzate e ottenute(vedi Figura 1).

Figura 1 – Andamento della cinetica del VO2.
A sinistra atleta donna, a destra atleta uomo.

Questi dati confermano, quindi, che durante prestazioni muscolari massimali, anche di durata inferiore ai 40 secondi, l’intervento delle fonti energetiche aerobiche non è trascurabile, risultando l’attivazione di tali processi chimici molto meno lenta di quanto si possa, erroneamente, immaginare. Inconseguenza di ciò è necessario sviluppare in allenamento tale aspetto, cioè la velocità d’intervento dei processi biochimici, in modo prioritario.
In particolare, i parametri relativi alla velocità di adeguamento del VO2 alla richiesta di energia meccanica durante la prova, pur non permettendo di azzardare conclusioni definitive di qualsivoglia natura, per la specificità della prova e la individuale distribuzione dello sforzo, quanto meno suggeriscono alcune ipotesi suggestive che meritano di essere ulteriormente indagate. Infatti,considerando la sostanziale similitudine nell’andamento delle velocità di gara, è interessante notare come gli atleti testati non solo siano in grado di raggiungere il 75% del VO2 di picco già nel primo terzo di gara, ma come i soggetti che presentano una maggiore attivazione del VO2 siano anche i più performanti.
Riassumendo, i 200 metri mostrano un andamento dei parametri meccanici, fisiologici e metabolici tipico di una prova massimale del tipo “fuori tutto”, in cui l’atleta sviluppa alti livelli di potenza muscolare dall’inizio fino al termine della prova. Ciòcomporta, da parte del sistema nervoso centrale, una rapida attivazione delle fibre muscolari del tronco e degli arti superiori, e un relativo intervento congiunto delle vie metaboliche anaerobiche ed aerobiche. In riferimento anche a quanto riportato in letteratura (Michael et al. 2008), in una prova di 200 metri simulata in laboratorio al kayak ergometro, il meccanismo anaerobico sembra fornire, con circa il 63%, la quota più consistente, ma non unica, dell’energia totale, rappresentando le fonti aerobiche circa il restante 37%.
Quest’ultima quota rappresenta una percentuale consistente della richiesta energetica totale imposta dall’impegno muscolare, la quale, come evidenziato nel presente lavoro, determina un’attivazione del consumo di ossigeno che, alla fine della prova, raggiunge un livello di V.O2 di picco di poco inferiore al V.O2 max. In conseguenza di ciò e in riferimento alla sola componente energetica, l’allenamento dovrebbe essere finalizzato a un obiettivo congiunto che porti da una parte al miglioramento del rendimento del metabolismo anaerobico e dall’altra a ottimizzare la velocità di attivazione dei processi ossidativi.
Questo studio ha, altresì, evidenziato il ruolo e l’importanza svolta dalle strumentazioni miniaturizzate e portatili, il cui impiego ha permesso di rilevare importanti parametri fisiologici e biomeccanici su atleti di alto livello, sia durante i test sia in gara.
Allo stesso tempo deve essere evidenziato il ruolo e l’importanza rivestita dal personale tecnico e scientifico impiegato.
Infatti, un uso affidabile di queste apparecchiature richiede l’impiego di tecnici la cui competenza si è formata ed è, successivamente, maturata nel corso di questi decenni lavorando spesso al limite e in ogni tipo di condizione ambientale. Anche nel presente lavoro, ad esempio, il metabolimetro applicato sul dorso del canoista era sottoposto a enormi sollecitazioni da parte di una muscolatura impegnata a pagaiare ad un ritmo di circa 130-140 colpi al minuto.
Inoltre, i risultati ottenuti dimostrano, ancora una volta, l’importanza di essere preparati a saper rispondere, in modo scientifico, alle problematiche fisiologiche che lo sport di alto livello si trova a dover affrontare a causa di una ricerca sempre più esasperata della vittoria.
Per realizzare tale obiettivo all’esperienza sul campo devono essere affiancate, inoltre, una continua formazione scientifica e l’attenzione all’evoluzione tecnologica, così da migliorare le competenze e acquisire nuovi mezzi.
Nel campo dell’energetica muscolare, ad esempio, l’impiego di nuove tecnologie d’indagine, come la risonanza magnetica nucleare (RMN), ha permesso di far luce sulla cinetica delle reazioni chimiche anaerobiche e aerobiche che intervengono durante le varie forme dell’esercizio fisico.
Uguale importanza hanno le evidenze sperimentali degli studi svolti sull’acido lattico, uno dei metaboliti maggiormente impiegati nel definire l’intensità dello sforzo muscolare nel campo dell’allenamento e della valutazione funzionale.
Attualmente, l’ipotesi del “lactate shuttle”, presentata originariamente da G.A. Brooks nel 1984, è diventata ben più di una semplice ipotesi, essendo stata corroborata negli anni da osservazioni effettuate prima sugli animali e poi sull’uomo. Ciò ha modificato il modo d’interpretare il ruolo svolto dal lattato durante il lavoro muscolare. È bene ricordare agli allenatori, ai preparatori atletici, ai medici, ecc. che, da un punto di vista energetico, il lattato non può essere più considerato un punto morto metabolico, che interviene solo quando le fonti energetiche aerobiche entrano in crisi. Al contrario, ed è questo l’aspetto innovativo, il suo ruolo diventa quello di un metabolita intermedio, prodotto certamente dalla glicolisi, ma utilizzato come substrato a livello mitocondriale dalle vie ossidative. Il lattato, semplificando, rappresenta un metabolita prodotto e consumato continuamente, anche in condizioni assolutamente aerobiche.
Inoltre, come dimostrato da molti lavori apparsi in letteratura, l’accumulo del lattato e l’insorgenza dell’acidità muscolare non sembrano rappresentare più la causa della fatica dell’atleta, anzi la produzione di lattato svolge un effetto tampone rendendo, quindi, l’ambiente cellulare più basico e non più acido.
Il fatto che il lattato abbia perso il ruolo di colpevole numero uno della fatica sta indirizzando una parte della ricerca a guardare alla fatica e alle sue cause in un’ottica nuova, dove il ruolo predominante è svolto dal cervello e dal sistema nervoso.
Ciò si spiega soprattutto con i progressi compiuti negli ultimi anni dalle ricerche condotte sul cervello umano allo scopo di indagare il suo ruolo nel controllare l’organismo mentre compie un lavoro muscolare.
Alla luce di questi risultati, diventa difficile continuare ancora a sostenere che la fatica, e conseguentemente la massima capacità di prestazione dell’atleta, sia limitata solo dai processi emodinamici e metabolici. Al contrario, sembrerebbe che sia il cervello, in particolar modo la corteccia prefrontale, a giocare un ruolo determinante di direzione e soprattutto di limitazione della prestazione. In questa nuova prospettiva, in cui il cervello sostituisce il cuore al centro del paradigma concettuale, lo studio dell’esercizio fisico assume sempre più una valenza interdisciplinare, in cui la fisiologia e la biomeccanica, congiunte alle nuove scienze cognitive, dovranno indirizzarsi verso un nuovo orizzonte di ricerca, la cui finalità rimarrà sempre e comunque quella di rispondere a tutti gli interrogativi che nascono quotidianamente dal lavoro empirico che l’allenatore svolge sul campo. Diversi studi hanno analizzato gli effetti della tecnologia sulle prestazioni degli atleti (Haake). Da questi lavori si può vedere come la tecnologia abbia avuto un impatto significativo soprattutto negli sport caratterizzati dall’alta velocità e in quelli in cui i mezzi di gara hanno un ruolo preponderante, come il ciclismo. Un’ulteriore conferma sul ruolo fondamentale che lo sviluppo tecnologico dedicato ai dispositivi per la gara svolge in moltissimi sport, si può trovare nel fatto che la maggior parte delle Federazioni internazionali richiedono che ogni innovazione tecnologica sia resa disponibile a tutti gli atleti, cercando, in questo modo, di ridare centralità e importanza al fattore umano.


Figura 2 – Profilo delle velocità medie durante la gara di bob degli YOG 2012

Tabella 1 – Tempi di spinta della gara olimpica giovanile del 2012 di BobTabella 2 – Velocità massime raggiunte durante la gara olimpica giovanile del 2012 di Bob

Il Prof. Dal Monte già nel 1982 scriveva: “Se questa è la nostra via, è chiaro che se venisse percorsa solamente da noi sarebbe una via sterile, capace di accumulare dati ed informazioni, ma non capace di trasmettere tutto ciò che viene acquisito”.
Per questo motivo, il mondo dello sport ha dedicato e continua a dedicare molta attenzione allo studio ed al miglioramento delle attrezzature sportive. Per citare qualche esempio, si ricorda l’esperienza tedesca dove esiste un Istituto (FES, Institut für Forschung und Entwicklung von Sportgeräten) che ha questa missione specifica, e quella Canadese, che nel programma “Own the Podium” (programma alla base del successo di questo Paese ai Giochi olimpici di Vancouver) ha dedicato una parte rilevante degli investimenti per lo sviluppo tecnologico. Sempre in quest’ottica si colloca la scelta della Gran Bretagna di attivare una collaborazione con il Team McLaren per lo studio di alcuni mezzi da gara.
È importante sottolineare, però, come la stessa tecnologia che può aiutare a vincere estremizzando la prestazione, può anche essere dannosa per la salute dell’atleta. Una notevole risonanza è stata data a questo riguardo agli sci carving e ai relativi accessori, la cui introduzione, come dimostrato in diversi studi, ha modificato il tasso complessivo e il tipo di infortuni, mettendo in evidenza come il mantenimento di un’adeguata regolazione dell’attacco abbia una particolare rilevanza nella prevenzione degli infortuni al ginocchio in donne sciatrici carving (Burtscher 2008). Nel tennis, invece, l’introduzione delle nuove racchette in fibra di carbonio ha aumentato il sovraccarico del gomito ed i casi di relativa infiammazione (Nesbit 2008). Ciò conferma la necessità di una continua e forte integrazione delle diverse figure che lavorano con gli atleti: dagli allenatori ai ricercatori, dai tecnici ai medici.

IL PROGETTO CONI-FERRARI “INSIEME PER VINCERE”

Il progetto di collaborazione tra Coni e Ferrari è nato alla fine del 2006 sulla base della volontà dei rispettivi Presidenti Petrucci e Montezemolo di mettere insieme le eccellenze italiane nel campo dello sport e delle tecnologie applicate, creando una rete di competenze e fornitori finalizzati allo studio e all’ottimizzazione delle diverse attrezzature sportive, secondo tre macro filoni relativi rispettivamente alla parte strutturale, a quella aerodinamica e a quella relativa ai materiali. Visti i risultati, il progetto è stato rinnovato più volte negli anni finalizzandolo, di volta in volta, agli sporti Invernali (Vancouver 2010 – Sochi 2014) ed estivi (Londra 2012). Pertanto ha riguardato analisi ed ottimizzazione di diverse attrezzature quali tute, caschi, pattini, remi, timoni ed appendici fluidodinamiche, la realizzazione di una macchina tira frecce per l’arco, del nuovo bob che ha vinto agli YOG 2012 di Innsbruck, di una nuova imbarcazione per il canottaggio, la messa a punto di sistemi dedicati per l’acquisizione dati a bordo di bob, slittino, imbarcazioni di canoa, pattini strumentati, test in galleria del vento e in vasca navale senza dimenticare l’attività svolta in favore degli sport paralimpici del CIP (protesi e mezzi da gara). Il prof. Faina è stato tra i principali coordinatori del gruppo di lavoro Coni-Ferrari costituendo, in virtù delle sue competenze, un prezioso punto di collegamento tra le proposte e i progetti presentati dalla Ferrari e la loro successiva realizzazione pratica.

Analizzando più da vicino il percorso seguito dal Coni in questo settore soprattutto in vista degli ultimi Giochi olimpici di Vancouver 2010 e Londra 2012, risalta per la sua importanza la collaborazione che il Comitato olimpico ha istaurato con la Ferrari, il team di F1. Un primo esempio di grande interesse, frutto di questa collaborazione, è la progettazione di un nuovo bob con particolari caratteristiche strutturali e aerodinamiche. A causa probabilmente del tempo molto limitato per lo sviluppo, il nuovo modello di bob non ha ottenuto il risultato atteso alle Olimpiadi di Vancouver, mentre nella competizione internazionale seguente, i Giochi olimpici giovanili del 2012, ha portato al successo la squadra italiana.
Nella Figura 2 e nelle Tabelle 1 e 2 si può notare come, a fronte del settimo tempo di spinta, il pilota italiano sia stato in grado di guidare il veicolo così bene da rimontare vincendo la medaglia d’oro e ottenendo anche la massima velocità registrata in gara (Tabella 2). Quanto accaduto risulta essere un fatto insolito in questo sport dove, come dimostrato da Bruggemann, Zatsiorsky (1997), il tempo finale della corsa è altamente correlato con il tempo di spinta. Questo risultato è quindi indice di un bob estremamente efficiente dal punto di vista aerodinamico e, ovviamente, di un eccellente pilota.
Altro importante esempio di questa collaborazione riguarda il tiro con l’arco. Per questa disciplina è stata progettata una macchina Tira Frecce (Figura 3). Si tratta di un’apparecchiatura avanzata in grado di effettuare i test necessari per scegliere il miglior tipo di frecce da utilizzare eliminando l’influenza dell’arciere, nonché di studiare e regolare l’arco al fine di scegliere il set-up ottimale. È stato inoltre sviluppato un software di modellizzazione matematica per selezionare le frecce e descrivere il comportamento dinamico dell’arco. Infine, sono state reperite sul mercato nuove corde per l’arco con caratteristiche dinamiche ed elastiche più adatte per la disciplina in oggetto.
Rilevanti progressi forniti dalla collaborazione Coni-Ferrari sono stati ottenuti anche attraverso l’ottimizzazione della carena e del timone per il canottaggio e la canoa. Come si vede in Figura 4, lo scafo dell’imbarcazione di canottaggio preso in esame è stato rinforzato per aumentare l’efficienza di trasmissione della forza esercitata dall’atleta all’acqua. Lo stesso obiettivo è stato perseguito anche nello studio di uno scalmo più rigido.

Figura 3 – Macchina Tira Frecce progettata nell’ambito della collaborazione Coni-Ferrari

 Figura 4 – Progetto Coni-Ferrari: scafo di un’imbarcazione di canottaggio ottimizzato e modificato

Scopo finale della ricerca è stato quindi quello di ridurre la resistenza all’avanzamento dell’imbarcazione in acqua progettando e realizzando anche nuove appendici idrodinamiche.
La collaborazione tra Coni e Ferrari continuerà anche in vista delle prossime Olimpiadi Invernali di Sochi 2014, in quanto si ritiene indispensabile, al fine di mantenere lo stesso livello di competitività di altri Paesi, sviluppare quest’ambito anche lavorando con una delle aziende leader nel settore velocità del mondo dello sport.
Per quanto riguarda gli aspetti più innovativi della tecnologia applicata all’allenamento, l’evoluzione tende principalmente verso due obiettivi principali:

  • consentire la simulazione del movimento specifico dell’atleta, al fine di rendere più lunghe e ripetibili le sessioni di allenamento. Questo è vero soprattutto per gli sport che si svolgono in condizioni ambientali difficili, come, ad esempio, negli sport acquatici, negli sport sul ghiaccio (bob, slittino e skeleton), e negli sport sulla neve (sci alpino, ski jumping). Ad esempio, è interessante evidenziare come poche sessioni di simulazione del gesto del salto dal trampolino con gli sci in galleria del vento equivalgano a un anno di salti veri e propri in termini di minuti di esposizione all’aria, con notevoli possibilità di correzione e ottimizzazione del gesto senza però correre i relativi rischi;
  • fornire dei dispositivi per realizzare condizioni di carico di allenamento specifico che non sono possibili in un ambiente naturale (tapis roulant con diminuzione della gravità terrestre per effettuare lunghe sessioni di allenamento senza sovraccaricare le articolazioni; macchina isoinerziale “Yo Yo” ideata per l’allenamento della forza nei veicoli spaziali, in quanto funzionante indipendentemente dalla gravità; motore elettrico utilizzato sia per l’allenamento assistito dei nuotatori, dove il nuotatore viene tirato, sia per l’allenamento con sovraccarico, per produrre una resistenza maggiore sull’atleta).

Figura 5 – Studio cinematico e dinamico su un ciclista prima e dopo un intervento di correzione biomeccanica

Figura 6 – Piscine-laboratorio del nuoto e dei tuffi nel CPO dell’Acquacetosa
(Fonte: ing. Dario Bugli)

Infine, per quanto riguarda le tecnologie necessarie al controllo dell’allenamento, lo sviluppo in questo settore nasce dall’esigenza di seguire l’atleta direttamente sul campo.
È soprattutto in questo ambito che la tecnologia può fornire indicazioni molto stimolanti per migliorare le prestazioni dell’atleta e per prevenire l’insorgenza di infortuni. A titolo di esempio, la Figura 5 mostra lo studio cinematico eseguito per un ciclista che presentava un’alterazione dei movimenti tecnici a livello dell’appoggio destro. Questo stato determinava una minore efficienza della fase propulsiva, ma avrebbe potuto anche comportare un’infiammazione tendinea. Per valutare la situazione è stato montato un piccolo accelerometro triassiale sul telaio della bicicletta, i cui dati sono stati sincronizzati con un filmato ad alta velocità ripreso frontalmente rispetto all’atleta. Nel grafico si nota come dopo un opportuno intervento di riequilibrio, sia stato ottenuto un miglioramento sia dal punto di vista prestativo che preventivo.
La tecnologia è focalizzata sul miglioramento dell’affidabilità delle misure, sia per quel che riguarda il sistema di acquisizione del segnale, sia per quel che concerne la sua elaborazione. Il tutto viene perseguito portando il più possibile la tecnologia nei campi di allenamento e di gara.
Esempi importanti a livello mondiale, riguardanti l’applicazione della tecnologia per il controllo dell’allenamento, sono le attrezzature installate in modo permanente nella piscina dell’Istituto australiano di sport (Australian Institute of Sport, AIS), che ha attrezzato una piscina – laboratorio dove gli atleti possono allenarsi mentre i ricercatori effettuano i test su di loro, o le apparecchiature installate su una pista di atletica leggera a Colonia per realizzare un set dedicato alle analisi cinematiche 3D.
La filosofia seguita dal Coni, come è naturale in un’epoca di globalizzazione, è stata quella di percorrere le stesse strade prese dagli altri istituti di ricerca. Nel Centro di Preparazione olimpica del Coni dell’Acquacetosa di Roma sono state recentemente restaurate due piscine per l’allenamento dei nuotatori e dei tuffatori. Entrambe le vasche sono state dotate di attrezzature scientifiche permanenti per valutare le prestazioni degli atleti (Figura 6).
La piscina per i nuotatori da 25 m è dotata di blocchi di partenza con piattaforme di forza integrate per l’analisi delle forze in gioco, un carrello motorizzato mobile con due telecamere, una sopra e l’altra sotto la superficie dell’acqua, che corre a bordo vasca telecomandato su una rotaia fino a una velocità di 3,5 m/s, e quattro telecamere collocate sul bordo delle piscine per le riprese fisse.
Altro dispositivo presente nella piscina è un sistema di misurazione della velocità istantanea. Tale strumento è composto da un encoder a filo, fissato sul blocco di partenza, e da un sistema di acquisizione dati. Nel grafico di Figura 7 è mostrato un esempio di dati acquisiti dal velocimetro. In questo caso si è studiata la velocità in fase di partenza tra due atleti diversi con il nuovo tipo di blocco regolamentare “track start”. Nella prima parte del grafico i risultati sono simili in quanto solo la forza di gravità contribuisce ad accelerare il corpo, mentre nella seconda parte è l’”acquaticità” dell’atleta a fornire il contributo maggiore e, quindi, a determinare la differenza di risultato.
Nella piscina è presente anche una striscia di LED posizionata sul fondo della vasca per un’intera corsia. Il punto luminoso, che corre lungo tutta la striscia, si muove a velocità predefinita e determina il ritmo di nuotata dell’atleta, il quale può facilmente verificare se il suo tempo è in linea con il programma prestabilito.

Figura 7 – Andamento della velocità in una partenza dai blocchi con track start nel nuoto

La piscina dei tuffi è invece dotata di 5 telecamere per consentire l’analisi cinematica in ogni sessione di allenamento per i diversi trampolini e le differenti piattaforme, permettendo di seguire l’intera traiettoria dei tuffi. Le telecamere di entrambe le piscine sono collegate a un sistema di acquisizione video in grado di registrare fino a quattro canali diversi sincronizzandoli automaticamente; il dispositivo, inoltre, può riprodurre le immagini con un ritardo prescelto pur continuando a registrare in tempo reale, permettendo così agli atleti, insieme all’allenatore, di rivedere le loro prestazioni immediatamente dopo l’esercizio con positivi effetti di feedback facilmente immaginabili. Le immagini possono essere trattate in un secondo momento da un software dedicato per un’ulteriore analisi biomeccanica, che fornisce parametri di valutazione quali spazi, tempi, velocità, accelerazioni, ampiezza e frequenza di bracciata, oltre a permettere valutazioni delle tecniche di nuoto, tuffo e virata.
Inoltre vicino alle vasche è stata allestita una palestra per l’allenamento a secco strumentata per avere la possibilità di acquisire dati cinematici e dinamici (Figura 8).

Figura 8 – a) Area per l’allenamento dei tuffi a secco  b) Profilo delle Forze Dx e Sx di 2 tuffi simili prima e dopo la correzione dell’allenatore

Per quanto riguarda l’analisi cinematica, lo spazio a disposizione consente di allestire un set per riprese video sia di tipo 2D che 3D, mentre per le acquisizioni della dinamica sono stati allestiti un blocco strumentato con due pedane di forza e due trampolini dotati di un encoder a filo. Questo strumento rileva l’inclinazione subita dal trampolino e tramite opportuna calibrazione è in grado di risalire alla forza impressa dall’atleta durante il salto, registrando nello stesso tempo, i parametri cinematici associati quali linea elastica, velocità, accelerazione e tempo di flessione del trampolino medesimo. La Figura 8 mostra il grafico dei dati di forza relativi a due tuffi simili, acquisiti attraverso le piattaforme prima e dopo una correzione tecnica dell’allenatore: si può apprezzare come lo squilibrio evidenziato tra le gambe nella prima fase di caricamento venga ridotto dopo l’osservazione del tecnico.
Nella stessa piscina dei tuffi è stato predisposto un set con telecamere subacquee per l’effettuazione di misure anche per il nuoto sincronizzato e per la pallanuoto.
Altro progetto, ancora in fase di completamento, si sta realizzando presso il Centro di preparazione olimpica (CPO) di Formia, struttura dedicata all’atletica leggera, dove è prevista una pista coperta di atletica lunga 130 metri: come si vede in Figura 9, sarà dotata di piattaforme di forza, telecamere 2D, sistema optoelettronico 3D, apparecchiatura “Optojump” per misurare il tempo di volo e di contatto durante la corsa, velocimetro radar per il rilevamento della velocità istantanea. Tutti i dispositivi saranno installati permanentemente per avere, come nel caso delle piscine, un impianto per l’allenamento che sia allo stesso tempo un vero e proprio laboratorio adatto a testare l’atleta direttamente sul campo mentre si allena.

Figura 9 – Progetto per la pista di atletica leggera coperta nel CPO di Formia
(Fonte: arch. Carlo Farroni)

Nel già citato articolo, il Prof. Dal Monte scriveva: “La via scelta era infatti quella della simulazione in laboratorio del gesto sportivo, in modo da poter valutare in condizioni le più possibili simili a quelle di allenamento e di gara i gesti specifici degli atleti, allo scopo di verificare in quale modo tutte le varie parti messe in moto dall’atleta durante la sua azione venissero coinvolte ed impiegate”.
I sistemi optoelettronici 3D rappresentano da ormai oltre vent’anni il golden standard per l’analisi del movimento. Tramite telecamere ad infrarosso e marker passivi posizionati sul corpo dell’atleta è infatti possibile registrare la posizione istantanea di opportuni punti di repere anatomici rispetto a tutte e tre le direzioni dello spazio, consentendo di ricostruire tridimensionalmente con la precisione del millimetro e in modo non invasivo il gesto tecnico eseguito dall’atleta. Inoltre il sistema in dotazione al Coni consta di ben 24 telecamere e può funzionare anche all’aperto in presenza di luce solare. L’associazione con altre apparecchiature, come le solette baropodometriche per misurare la forza e la distribuzione di pressione sul piede, il sistema di elettromiografia superficiale per la rilevazione dell’attività muscolare e le piattaforme di forza, aumenta in maniera esponenziale la quantità e la qualità delle informazioni che possono essere fornite ai tecnici e agli atleti.
L’attività del Dipartimento di Scienza dello sport dell’Istituto prevede non solo studi in laboratori permanenti sul campo, come nei casi precedenti, ma include anche la realizzazione di laboratori temporanei nei centri di allenamento delle diverse Federazioni sportive per test di analisi integrata, come è avvenuto nel Centro federale di Tiro con l’arco a Cantalupa (Torino). In questo caso è stato allestito un set per l’analisi multifattoriale (sistema 3D, piattaforma di forza e EMG superficiale) per aggiungere alle consuete valutazione del tecnico anche un’analisi biomeccanica approfondita delle caratteristiche cinematiche e dinamiche di ogni singolo atleta.
Nello sport del tiro con l’arco i piedi rappresentano l’unico collegamento con la terra, risultando essere, quindi, il punto di applicazione delle forze di reazione dell’intero sistema atleta-arco. A seguito di questa riflessione e considerando che, durante gli ultimi Campionati mondiali di Tiro con l’arco, la squadra maschile italiana ha vinto la medaglia di bronzo utilizzando diversi tipi di scarpe selezionate senza alcun metodo “scientifico”, la ricerca è stata concentrata sugli aspetti posturali e stabilometrici. Ogni atleta è stato testato in piedi in posizione di tiro statica e durante la realizzazione di numerosi tiri effettuati con differenti tipi di calzature per poter studiare la migliore soluzione per l’evento olimpico. È quindi stato valutato l’indice posturale (Sway path) e sono state elaborate diverse analisi statistiche sulla grandezza e sull’evoluzione nel tempo di tale valore, oltre che sulla distribuzione delle forze esercitate dall’atleta in tutte le condizioni esaminate.
Un altro caso in cui un campo di allenamento è stato trasformato in laboratorio è quello del canottaggio. Nel bacino idrico dell’INSEAN è stato predisposto un set di 24 telecamere per le riprese 3D (Figura 10) ed organizzato un allenamento della squadra nazionale italiana. In questo caso la complessità dell’allestimento di un laboratorio per consentire la ripetizione del gesto nel modo più simile possibile a quello compiuto in gara è legata alla particolare natura del mezzo in cui l’azione si svolge, l’acqua, in quanto da un lato rende difficoltosa a livello pratico la preparazione del set e dall’altro permette la realizzazione di test difficilmente ripetibili essendo i bacini idrici classici (laghi e fiumi) soggetti inevitabilmente alle condizioni climatiche ambientali e alle correnti. Per questi motivi si è preferito allestire il set all’interno di una struttura artificiale coperta. Tale bacino è ad oggi uno dei più grandi a livello mondiale: 470 m di lunghezza, 13,5 m di larghezza, con una profondità di 6,5 m. Il bacino dell’INSEAN rappresenta quindi un posto ideale per effettuare test affidabili sulla barca in condizioni controllate e stabili, senza l’influenza di agenti atmosferici.

Figura 10 – Set allestito nel bacino idrico dell’INSEAN a Roma per test di tipo cinematico e dinamico su canottieri

Questa analisi, anche per la complessità della realizzazione, può essere effettuata poche volte durante la stagione. Al contrario è molto più facile l’uso di tecniche di analisi dinamiche con dispositivi dedicati applicati alla barca che permettono la misura dei parametri di interesse durante gli allenamenti. Questo tipo di strumentazione consente la misura della componente longitudinale delle forze applicate alle forcole, dell’angolo con cui i remi entrano in acqua, della frequenza dei colpi, della velocità longitudinale della barca e dell’accelerazione. Tutti i dati vengono sincronizzati con i video per consentire una migliore analisi del gesto compiuto.
ll sistema dedicato Power Line e le riprese tridimensionali si sono rivelati strumenti utili non solo per valutare e a volte modificare la performance degli atleti, ma anche per reperire dati in acqua al fine di progettare e convalidare il nuovo remoergometro strumentato, nato dalla collaborazione Coni–Ferrari. Questo remoergometro (Figura 11) rappresenta un perfetto esempio di tecnologia per il controllo dell’allenamento, poiché fornisce un feedback in tempo reale all’atleta che può così modificare la sua tecnica di voga e di distribuzione della forza.

Figura 11 – Remoergometro strumentato progettato nell’ambito della collaborazione Coni-Ferrari

Il sistema di celle di carico, di cui è provvisto il dispositivo, registra le forze che l’atleta imprime sul manubrio, sul sedile (solo per la componente verticale) e sul punta-piedi, mentre un potenziometro, collegato al sedile, rileva lo spostamento di quest’ultimo dall’attacco alla fine del singolo ciclo di voga; è presente, infine, un sensore induttivo che misura la velocità del volano, la frequenza dei colpi e la potenza prodotta. Il grafico in Figura 12 mostra i singoli profili e il risultante ciclo medio della forza verticale applicata al sedile relativi a due diverse condizioni del remoergometro. Tali condizioni sono quella statica, cioè con l’ergometro fisso rispetto al terreno, e quella in cui esso è montato su slitte con la possibilità di muoversi lungo la direzione longitudinale simulando così più fedelmente il gesto tecnico in barca.

Figura 12 – Andamenti della forza verticale applicata dall’atleta sul sedile del remoergometro.
A Sx il remoergometro è statico, mentre a Dx dinamico

È risultato particolarmente interessante per i tecnici lo studio della fase finale del ciclo di voga, con l’utilizzo del feedback visivo, soprattutto per sensibilizzare gli atleti ad evitare bruschi movimenti verticali sul sedile. I risultati dei test sono stati in linea con quelli trovati in bibliografia: imponendo una potenza dei colpi costante sul remoergometro mobile i vogatori aumentano la loro frequenza di colpi e riducono la forza rispetto al caso di remoergometro statico.
Si potrebbe concludere questo articolo con le parole di Inigo Muijca (2010) che, parlando dell’uso della scienza per migliorare le prestazioni sportive alle Olimpiadi di Vancouver 2010, ha scritto: “Tutto suggerisce che gli investimenti nel campo delle scienze dello sport possono fornire un eccellente ritorno in termini di risultati”.
Tuttavia si vuole anche ribadire che lo sviluppo tecnologico in campo sportivo è una condizione necessaria ma non sufficiente a garantire la vittoria. Infatti al centro del sistema rimane sempre l’atleta. Basti pensare a quando l’arciere italiano ha scoccato l’ultima freccia durante la finale a squadre degli ultimi Giochi olimpici a Londra, sapendo che solo se avesse colpito il centro pieno del bersaglio avrebbe vinto l’oro. Il supporto scientifico che gli è stato offerto è servito per metterlo nelle migliori condizioni possibili, fisiche e mentali, ma il merito maggiore resta il suo, della sua abilità e del suo talento. Ecco perché non si dovrebbe mai enfatizzare troppo uno solo dei molteplici aspetti coinvolti nella realizzazione delle prestazioni, tenendo sempre a mente che solo la collaborazione tra persone con competenze differenti (tecnico, allenatore, preparatore atletico, fisiologo, biomeccanico, medico, dietologo, psicologo, ingegnere, manager) può migliorare in modo efficace la capacità e la performance dell’atleta.

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Il personale del Dipartimento Scienza dello Sport dell’Istituto di Medicina e Scienza dello Sport del Coni-Roma (in ordine alfabetico) che ha collaborato in questi anni con il prof. Marcello Faina a realizzare i vari progetti oggetto del presente articolo: Fabrizio Balì, Valentina Becchi, Maurizio Besi, Valerio Carlozzi, Ivan Cirami, Dario Dalla Vedova, Marco De Angelis, Patrizia Di Cave, Alessandra Diana, Emilia Fabiani, Piero Faccini, Claudio Gallozzi, Francesca Romana Gardini, Antonio Gianfelici, Stefano Maldifassi, Claudio Marini, Clara Mauri, Anna Mercuri, Giovanni Mirri, Corrado Morandini, Santino Pierallini, Roberto Piscitelli, Franco Sardella.

Indirizzo dell’Istituto di Medicina e Scienza dello sport:
Istituto di Medicina e Scienza dello sport “Antonio Venerando”
Largo P. Gabrielli 1, 00197 – Roma.

E-mail: ISS_fisiologia@coni.it

MARCELLO FAINA nasce ad Ascoli Piceno il 9 settembre 1950.
Laureato in Medicina e Chirurgia il 22 dicembre 1976 presso l’Università “La Sapienza” di Roma con una tesi sulla Valutazione Funzionale degli sport ad impegno aerobico-anaerobico alternato consegue successivamente la specializzazione in Medicina dello sport e in Tisiologia e malattie dell’apparato respiratorio. Dal 1973 lavora nell’Istituto di Medicina e Scienza dello sport del Coni dove dal 1976 studia le caratteristiche organico-funzionali degli atleti, partecipando alla progettazione e alla realizzazione di nuovi ergometri e allo sviluppo di nuovi test. Partecipa ai Giochi olimpici di Barcellona ’92 e Atlanta ’96 in qualità di medico della squadra italiana di ciclismo, come assistenza tecnica alle Federazioni sportive nazionali ai Giochi olimpici invernali di Salt Lake City 2002, di Torino 2006, come componente dello staff medico della Delegazione italiana ai Giochi olimpici invernali di Vancouver 2010, ai Giochi olimpici estivi di Pechino 2008 e Londra 2012.
Nel 1996 è nominato Capo Area di Valutazione funzionale nel Comitato di esperti della Scuola dello sport del Coni e nel 1999 è nominato al vertice del Dipartimento di Fisiologia e biomeccanica dell’Istituto di Scienza dello sport del Coni, raccogliendo l’eredità di Antonio Dal Monte. Membro di qualificate Commissioni mediche, anche a livello internazionale, si distingue anche per un’intensa attività didattica (insegnamento presso l’Università Cattolica “Sacro Cuore” di Roma e Milano, presso l’Università di Roma La Sapienza, presso l’Università di Roma Tor Vergata, presso l’Università de L’Aquila). Oltre che del testo “La Valutazione Funzionale dell’atleta” (coautore A. Dal Monte) edito dall’Utet nel 1999, è autore di oltre 150 lavori scientifici in italiano e in altre lingue pubblicati in Italia e all’Estero in riviste e atti congressuali, estremamente apprezzati sia a livello nazionale che internazionale. Revisore di varie riviste scientifiche (è stato Assistant editor del Journal of Sport Medicine and Physical Fitness, e componente dell’Editorial Board del Journal of Sport Cardiology), è stato membro dell’European College of Sport Science e dell’American College of Sport Medicine. È stato più volte invitato come relatore, a molti Congressi e Corsi di aggiornamento e formazione organizzati da Enti e Istituzioni universitarie nazionali e internazionali in Spagna, Ucraina, Irlanda, Turchia, Guatemala, Argentina, Cuba, Portogallo, Grecia, Iran, Francia, Honk Kong, Brasile, Venezuela, e altri Paesi.

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