Stiffness muscolare: cos’è?

La Stiffness è una misura quantitativa delle proprietà elastiche del corpo, determina la capacità di accumulare energia potenziale elastica.

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La Stiffness (“rigidità”) è una misura quantitativa delle proprietà elastiche del corpo, determina la capacità di accumulare energia potenziale elastica. Il concetto di rigidità è stato sviluppato nella meccanica classica per descrivere il comportamento di corpi elastici deformabili sotto l’applicazione di forze esterne. Nel diciassettesimo secolo, il fisico britannico Robert Hook enunciava una relazione proporzionale tra l’entità della forza deformante e la deformazione del corpo. Pertanto, come parte della legge di Hooke, la rigidità può essere descritta come la resistenza alla deformazione di un oggetto in risposta a una forza applicata. Questa resistenza richiede la complessa interazione di muscoli, tendini, legamenti, cartilagine e osso, ciascuno con il proprio profilo di deformazione individuale. 

È stato dimostrato che le caratteristiche di rigidità globale dell’arto inferiore influenzano le prestazioni in una gamma di attività atletiche che sono dominanti nella maggior parte degli sport, come saltare, correre e cambiare direzione. È necessaria una certa stiffness degli arti inferiori per immagazzinare e riutilizzare efficacemente l’energia elastica in queste attività nel ciclo di allungamento-accorciamento (SSC).


Cos’è la stiffness muscolare?

La stiffness degli arti inferiori può essere determinata a vari livelli all’interno della gamba, inclusi tendine, fibra muscolare, unità muscolo-tendinea (MTU), articolazione e gamba. Fondamentalmente, la rigidità del corpo umano rappresenta la sua capacità di resistere alla deformazione in risposta all’applicazione delle forze di reazione al suolo (GRF).

I corpi elastici deformabili hanno la capacità di recuperare la forma e il volume precedenti (cioè, tornano alla loro dimensione iniziale) dopo che le forze meccaniche che causano la deformazione sono state rimosse. Queste deformazioni sono completamente reversibili. A causa dell’influenza delle forze deformanti esterne, i corpi elastici accumulano energia elastica potenziale che rilasciano al sistema quando tornano alla lunghezza originale. Il lavoro svolto dalle forze deformanti è uguale al valore dell’energia elastica potenziale accumulata negli elementi elastici della molla (supponendo che non vi siano perdite di energia dovute alle forze di attrito e di resistenza). La capacità di assorbire e restituire energia potenziale elastica si osserva nei gruppi muscolo-tendinei del corpo umano.

Spring model in relazione al corpo umano utilizzato per calcolare la stiffness verticale quando la gamba è eretta. k = stiffness della molla; M = massa; e x = spostamento verso il basso (3)

Il concetto di rigidità è stato elaborato per componenti passive, ma il corpo umano è formato sia da strutture passive relativamente semplici che mantengono una forma costante (tendini ed aponeurosi) sia da componenti attive che non si comportano in maniera lineare (muscoli).

Un muscolo si comporta in maniera differente con caratteristiche di deformazione non lineari. Il complesso muscolo-tendineo è formato da due elementi diversi collegati in serie. Un muscolo è costituito da componenti attivi (contrattili) che producono forza e componenti passive composte da tendini, fascia e altri tessuti connettivi, ciascuno con diverse proprietà biomeccaniche.

L’entità delle forze (e della potenza meccanica) generate dipende dall’attivazione muscolare, dalla lunghezza del muscolo e dalla sua velocità. La stiffness tendinea aumenta con l’allungamento e la stiffness muscolare aumenta con l’allungamento o la tensione muscolare in base al livello di attivazione. A differenza della stiffness tendinea costante, quella muscolare è fortemente influenzata dalla forza sviluppata, più unità motorie vengono reclutate più il muscolo aumenta la sua rigidità. La Stiffness dell’intero complesso muscolo-tendineo varia, dipende dalla rigidità e tensione del muscolo. Si può concludere che l’attività dei muscoli consente di immagazzinare l’energia elastica potenziale nei tendini poiché, a parità di deformazione dell’intero complesso molle, la maggior parte dell’energia va all’elemento meno stiff.


Meccanismi di deformazione tissutali

Durante i cicli di stiramento-accorciamento l’unità muscolo-tendinea acquista energia elastica che poi verrà rilasciata successivamente. Una parte di energia potrebbe essere dissipata sottoforma di calore: questa proprietà prende il nome di isteresi.

La quantità di isteresi tendinea è importante per l’efficienza della locomozione. Un’isteresi maggiore è associata a una maggiore dissipazione di energia sotto forma di calore, e quindi una minore energia può essere recuperata per spingere i nostri movimenti. 

Negli sport competitivi, l’allenamento pliometrico viene utilizzato per migliorare le capacità di salto e sprint. Le spiegazioni proposte per questi miglioramenti sono i cambiamenti nelle strategie di attivazione muscolare e le proprietà meccaniche muscolo-tendinee. 

Per quest’ultimo, diversi studi hanno dimostrato che le proprietà meccaniche dei tendini (ad es. stiffness) sono importanti sia per la produzione di potenza muscolare che per l’efficienza durante vari esercizi. Ad oggi, tuttavia, gli studi sugli effetti dell’allenamento pliometrico sulla stiffness tendinea sono stati limitati e non è stata raggiunta una visione di consenso. Inoltre, pochi studi hanno mostrato cambiamenti indotti dall’allenamento pliometrico nell’isteresi tendinea, sebbene quest’ultima influenzi il riutilizzo dell’energia elastica immagazzinata durante gli esercizi del ciclo di allungamento-accorciamento. Un interessante studio di Kubo e colleghi del 2021 ha cercato di ri-esaminare, con un ulteriore studio rispetto al 2017, come le proprietà meccaniche dell’unità muscolo-tendinea (stiffness ed isteresi)  potevano essere modificate attraverso determinati stimoli meccanici dati dall’allenamento ed in particolare a quello pliometrico.

I soggetti presi in esame hanno sostenuto un allenamento pliometrico unilaterale della durata di 12 settimane diviso in 3 sessioni settimanali. Da questo studio sembrerebbe risultare un aumento della stiffness, alla fine delle 12 settimane, e una diminuzione dell’isteresi tendinea.

Inoltre altri studi hanno dimostrato come l’aumento della rigidità dell’arto inferiore sia influenzata da allenamenti di tipo isometrico, eccentrico, pliometrico ed in particolare isotonico contro resistenza tramite back squat con carichi che vanno dal 75%/90% di 1 RM (ripetizione massimale). In letteratura sono descritti diversi approcci per l’aumento della stiffness tra cui allenamenti contro resistenza combinati con esercizio pliometrico.

Questi risultati, quindi, sembrerebbero dimostrare che l’allenamento pliometrico può migliorare la K vert (stiffness verticale/K leg (stiffness dell’arto inferiore), l’attivazione dei muscoli e la stiffness dell’unità muscolo-tendinea.


Stiffness muscolare e performance

Prima di analizzare come la stiffness dell’unità muscolo-tendinea possa aumentare la performance atletica, bisogna valutare come questa modifica il ritorno dell’energia elastica. Oltre alla stiffness un’altra componente da considerare è la compliance, la sua controparte. Un tessuto compliante si deforma facilmente con una forza minima, ma restituisce minor ritorno elastico a differenza di un tessuto più rigido.

Una maggiore rigidità dell’arto inferiore è fondamentale per un efficiente immagazzinamento e riutilizzo dell’energia elastica nelle attività che coinvolgono meccanismi di stretch shortening cycle. Livelli più elevati di rigidità degli arti inferiori sono stati riportati con l’aumento della forza e della velocità richieste durante il salto, lo sprint e la corsa di resistenza. Pertanto, il potenziale aumento della rigidità dell’arto inferiore di un atleta potrebbe facilitare il miglioramento delle prestazioni durante le attività in cui l’arto è soggetto a ground reaction force elevati all’impatto. Nelle attività di salto verticale e salto, l’aumento della stiffness è stato correlato ad una maggiore frequenza di contatto con il suolo e a tempi di contatto con il suolo più brevi. Una stiffness maggiore è stata collegata positivamente anche ad un altezza del salto migliore in SJ squat jump, CMJ countermovement jump e DJ drop jump. Inoltre sembra che una maggiore rigidità possa influenzare positivamente anche le attività in velocità come i cambi di direzione. Un arto più rigido è in grado di resistere meglio alla deformazione in risposta ai ground reaction force risultanti al contatto con il suolo, consentendo così l’applicazione dell’impulso richiesto per cambiare direzione in un periodo più breve.

Di contro dobbiamo notare come alti livelli di rigidità possono migliorare la prestazione atletica ma aumentare il rischio di lesione. Al contrario anche bassi livelli di rigidità possono aumentare il rischio di infortunio. Probabilmente possiamo ipotizzare che è necessario un livello ottimale di stiffness.


Conclusione

Abbiamo visto come una stiffness ottimale dell’unità muscolo-tendinea può migliorare la performance sportiva dell’atleta e come quest’ultima può essere aumentata attraverso stimoli allenanti del tipo pliometrico e contro resistenza. Questo ci permette di capire come Fisioterapisti, Fisioterapisti sportivi e Strengh and Coach, che lavorano con sportivi, devono implementare tali strategie all’interno dei percorsi riabilitativi per permettere agli atleti di tornare alla performance sportiva senza andare incontro a recidive ed addirittura migliorare la condizione atletica precedente.