La curva di forza-velocità e la sua applicazione nello sport

Perché in alcuni sport serve allenare molto la forza e in altri meno? Qual è l’influenza della forza sulla velocità? Per lo sport “x” devo allenare più una capacità o l’altra?

In questo articolo, partendo dalla famosa curva di Hill, cercheremo di arrivare alla risposta più logica a queste domande.

Una forza si manifesta come un’interazione fra almeno due corpi che altera il loro stato di moto, cioè la loro velocità. La forza muscolare

invece, è quella capacità motoria che permette di vincere una resistenza o di opporvisi tramite lo sviluppo di tensione da parte della muscolatura. Come già ampiamente spiegato in passato (clicca qui), esistono varie espressioni di forza.

  • Forza massimale
  • Forza esplosiva (o potenza)
  • Forza elastica
  • Forza resistente

Ma in base a cosa può manifestarsi un tipo di forza piuttosto che un altro? In base alla relazione fra forza e velocità!

Con lo sviluppo di tensione, nel muscolo si verifica un accorciamento, questo accorciamento avviene in una determinata quantità di tempo, per cui, secondo la relazione fisica spazio/tempo si può riuscire a quantificare il tempo in cui questa contrazione avviene.

La forza, messa in relazione alla velocità, ci dà la potenza, ogni azione muscolare genera un grado più o meno elevato di potenza. La formula fisica della forza é invece: massa x accelerazione.

Per sviluppare la forza massimale necessaria per un determinato movimento occorre tempo. Il tempo per raggiungere il picco di forza (Tm) varia da persona a persona e dal tipo di movimento.

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Fig.1 – Sviluppo della forza massimale nel tempo (Tm), il valore di picco corrisponde a Fm; T 0,5 è il tempo necessario per raggiungere il 50% di forza massimale (0,5 Fm)

Normalmente il tempo necessario per raggiungere il valore del picco della forza (F) è poco superiore a 0,4 secondi. Non si tiene mai contro della parte finale della curva forza-tempo, dato che risulta difficilmente misurabile. Se paragoniamo gli 0,4″ con il tempo necessario per sviluppare forza in alcuni sport, capiamo perchè in molti di essi l’allenamento con alti sovraccarichi a basse velocità non sempre sia l’aspetto più importante della preparazione atletica.

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Fig.2 – Specialmente nelle discipline di velocità, il tempo disponibile per imprimere forza (spinta a terra) è brevissimo, ciò ci dà un’idea delle priorità della preparazione atletica per questi sport

In tutti gli esempi della figura sopra, potranno essere raggiunti livelli di forza più o meno alti ma mai massimali.

Minore è la resistenza opposta ad un gesto tecnico, minore è il tempo di movimento e maggiore è la differenza tra Fm (forza massimale raggiunta in determinate condizioni) e Fmm (il più elevato dei valori di forza massimale raggiunti nelle condizioni più favorevoli). Questa differenza è definita deficit di forza esplosiva (explosive strength deficit – ESD). L’ESD indica la percentuale del potenziale di forza che non è stata utilizzata da un atleta durante l’esecuzione di un dato movimento. Ad esempio, nei gesti tecnici di sport molto correlati alla forza come nella fase di rilascio del lancio del peso, il deficit di forza esplosiva si aggira intorno al 50%. In un lancio del peso di 21 m, il valore di picco della forza (Fm) esercitata sul peso è compreso fra 50 e 60 kg e, allo stesso tempo, gli atleti d’élite di questo sport hanno massimali di panca piana dell’ordine di 220-240 kg, cioè 110-120 kg “per lato”. Quindi gli atleti riescono a sfruttare solamente il 50% circa della Fmm per lancio.

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Fig.3 – Determinazione deficit di forza esplosiva

Pertanto un lanciatore del peso che vuole migliorare le proprie performance deve aumentare la forza massimale oppure diminuire l’ESD (deficit di forza esplosiva). La prima opzione fornisce facili miglioramenti soprattutto sui neofiti, ma una volta raggiunta una certa anzianità di allenamento, procedendo sempre in questa direzione sono frequenti gli stalli e/o cali prestativi. Invece, la seconda scelta é sicuramente la più fruttuosa per gli atleti avanzati. Ma io ogni caso non va mai escluso niente, l’abbinamento di lavori esplosivi ad altri di forza massimale, più lavori tecnici una saggia periodizzazione, rappresenta il modo migliore per ottenere benefici sui risultati sportivi.

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Fig.4 – Se il tempo per imprimere la forza è poco l’atleta “A”, benché un po’ meno forte (Fmm), sarà più prestante di “B”

Gli indici che consentono di stimare la forza esplosiva ed il tasso di sviluppo della forza sono i seguenti:

  • Indice della forza esplosiva (IES) = Fm/Tm. Ricordo che Fm è il valore più alto di forza espresso durante un determinato gesto e Tm è il tempo necessario per raggiungere tale valore.
  • Coefficiente di reattività (RC) = Fm/(TmW). “W” rappresenta il peso corporeo dell’atleta.
  • Gradiente di forza (FG) o gradiente S = F0,5/T0,5. Questi due valori sono rispettivamente il 50% di Fm e Tm; il gradiente S caratterizza il tasso di sviluppo della forza nella fase iniziale di un impegno muscolare.
  • Gradiente di accelerazione (A) = F0,5/(Tmax – T0,5). Questo gradiente è utilizzato per quantificare il tasso di sviluppo nella fase finale di un impegno muscolare esplosivo.

Il legame fra forza e velocità fu approfondito a dovere già negli anni 30, dal premio Nobel A. Hill, il quale mise in nero su bianco la famosa curva di Hill (fig.5).

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Fig.5 – Relazione forza-velocità di moviemnto [1]

Hill notò che i livelli più alti di forza corrispondevano sempre ad una velocità piuttosto bassa, vicina alla zero (proporzionalità inversa). In particolare, al manifestarsi della massima espressione di forza, quindi la isometrica (senza accorciamento muscolare), la velocità era esattamente pari a zero.

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Fig.6 – Dall’alto verso il basso: forza concentrica, forza isometrica e forza cedente (eccentrica); foto presa da qui.

Attraverso la curva di Hill possiamo individuare con una certa precisione il massimo valore di potenza e capire qual è il rapporto forza-velocità a seconda del carico da noi sollevato (kg). Tutto ciò ovviamente si riflette nello sport, non è un caso che un panchista sollevi un peso al limite delle sue capacità neuromuscolari ad una velocità bassissima e che un lanciatore del giavellotto faccia raggiungere al proprio attrezzo delle velocità molto alte. O che un pugile scagli un jab in un tempo molto minore di quello che ci mette un lottatore ad eseguire un single leg.

Variazione della velocità di sollevamento del bilanciere nelle distensioni su panca piana a seconda del carico utilizzato

Tuttavia, va specificato che benché la curva sia iperbolica, le relazione F-V non è esattamente uguale nei movimenti umani più complessi, perché questi ultimi non sono movimenti di muscoli singoli poiché risultano sovrapposte più forze espresse da più muscoli.

L’equazione delle curva di Hill è la seguente

(F + a) x (V + b) = (Fmm + a) x b = C
-
F = forza
V = velocità di accorciamento muscolare
Fmm = tensione isometrica massimale del muscolo
a = costante con dimensione forza
b = costante con dimensione velocità
C = costante con dimensione potenza

Nella parte centrale della curva viene raggiunta la potenza meccanica massimale (Pmm), basti vedere l’immagine di inizio articolo. Se la velocità di movimento aumenta, la forza esercitata diminuisce ma aumenta l’energia prodotta (lavoro + calore). Il rapporto lavoro/energia, detto rendimento, raggiunge il valore massimo quando la velocità è circa il 20% della Vmm (velocità massimale) con la potenza meccanica più elevata quando la velocità corrisponde a 1/3 circa del valore massimo. Quindi la potenza, forza x velocità, è massima quando la velocità è a circa un terzo del suo picco e la forza al 50% del suo valore massimale.

Ad esempio, il livello di potenza sviluppato da un lancio del peso (7,25 kg per 18,19 metri) è superiore a quello generato da uno snatch con bilanciere (135 kg), 5,075 W (watt) contro i 3,163 W dello snatch. Di contro però, la forza massimale esercitata è di 513 N (newton) per il lancio del peso e di 2000 N per l’alzata olimpica.

I grafici che seguono, mostrano chiaramente come all’aumentare del sovraccarico aumenti l’intervento della forza massimale.

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Fig.7 – Il lancio di un sovraccarico da 8 kg (manubrio) è molto correlato alla forza massimale
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Fig.8 – Il lancio di un sovraccarico da 6 kg ha una buona correlazione con la forza massimale
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Fig.9 – Un movimento  molto rapido, senza alcun sovraccarico, è poco correlato alla forza massimale

“In discipline come il lancio del peso e del giavellotto, ma anche del baseball e del softball, il compito sportivo è simile, ossia imprimere la massima velocità a un attrezzo. Allora perché gli atleti che praticano queste discipline si allenano in maniera diversa (e perché hanno un fisico così diverso)? Il 50% circa di tutto l’allenamento dei lanciatori di peso di alto livello consiste nel lavoro con sovraccarichi pesanti, mentre i giavellotisti di livello mondiale passano solo il 15-25% circa del tempo totale di allenamento nella sala pesi. Perché? La causa è la grande differenza di peso degli attrezzi. Il peso dell’attrezzo dei lanciatori di peso è uguale a 7,257 kg per gli uomini e 4 kg per le donne; i giavellotti pesano rispettivamente 0,8 e 0,6 kg. Per i lanciatori di peso di alto livello, la velocità di rilascio del peso è di circa 14 m/s, mentre quella del giavellotto è superiore ai 30 m/s. Questi valori corrispondono a segmenti diversi della curva (parametrica) forza-velocità di movimento. I lanciatori di peso, a causa dell’elevata correlazione (non parametrica) tra forza massimale e velocità di movimento (e anche velocità dell’attrezzo) nella fase di rilascio, hanno bisogno di una forza massimale elevata. Tale correlazione è scarsa nel lancio del giavellotto ed è ancora più scarsa in un colpo del tennis tavolo perché la racchetta è molto leggera. La correlazione è uguale a 0 (zero) quando la forza massimale è confrontata alla velocità massimale di un braccio libero” [2].

Piuttosto, movimenti molto veloci come gli sprint sono parecchio correlati alle esercitazioni di forza esplosiva (fig.10) [3].

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Fig.10 – Correlazione fra squat jump (SJ) e la corsa sui 20 m piani

E’ stato stabilito che un accumulo aumento eccessivo di forza massima assoluta abbia un effetto negativo sulla velocità del movimento e sulla capacità di un muscolo di manifestare lavori esplosivi. Questo non nega il ruolo della forza assoluta, ma in che misura questa sia necessaria, è determinato dal singolo tipo dello sport, i.e., sia e prima di tutto, dalla resistenza (intesa come forza dell’opposizione esterna  n.d.t.)  che deve essere vinta e/o da quale velocità questa deve vinta.  A questo proposito si dovrebbero analizzare le caratteristiche del gesto sportivo al fine di determinare le precise caratteristiche dello stesso [4,5].

Inoltre, l’illustre Carlo Vittori, allenatore di Mennea, descrisse così in un suo libro l’importanza delle forza massimale: “É soltanto la forza muscolare da considerare come qualità fisica elementare essenziale, giacché sia la velocità sia la resistenza sono da essa dipendenti e condizionate […] La velocità quindi come effetto dell’applicazione di una forza che ne è la causa” [6].

Quindi l’allenamento della forza massimale non deve essere tralasciato, basta non esagerare e non tramutate dei velocisti in powerlifters. In fondo, difficilmente un individuo può sviluppare grandi livelli di potenza senza avere delle solide basi di forza [7].

Prima di concludere, vi posto questo esempio preso da un convegno FIDAL (Federazione Italiana di Atletica Leggera). I due mezzi sotto, macchina sportiva e camion, possono anche avere dei valori di potenza, cavalli o kw, simili ma raggiungono due velocità massime ben differenti. Ecco, ad esempio un atleta di sport di rapidità cercherà di essere una macchina sportiva, essere un camion non farà altro che bruciarlo.

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Grazie per l’attenzione.

Buon allenamento!

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oc

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Referenze

Hill A. V. – The heat of shortening and the dynamic constants of muscle (1938)

Cravanzola E. – La forza nello sport e in palestra: errori da evitare e consigli (2016)

Cravanzola E. – Capacità condizionali e coordinative: iniziamo a conoscerle (2015)

Bosco C. – La forza muscolare, aspetti fisiologici ed applicazioni pratiche (1997)

Convegno Fidal 2016: “Forza x Velocità

[1] Zatsiorsky V. M. – Motor abilities of athletes (1969)

[2] V. M. Zatsiorsky e W. J. KraemerScienza e pratica dell’allenamento della forza (2009)

[3] Häkkinen K. – Maximal force, explosive strength and speed in female volleyball and basketball players (1989)

[4] Verkhoshansky Y. – Development of Special Strength in Speed Power Events (1995)

[5] Uberti A. e Rozzarin M – Lo sviluppo della forza speciale in sport di potenza e velocità (2016)

[6] Vittori C. – L’allenamento delle specialità di corsa veloce per gli atleti d’élite (2003)

[7] Cormie P et al. – Developing maximal neuromuscular power: Part 2-training considerations for improving maximal power production (2011)

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