La Aplicabilidad Biomecánica de la Tasa de Desarrollo de la Fuerza (TDF)

1.Introducción

Las fuerzas que actúan en el sistema locomotor humano pueden ser medidas y analizadas con respecto a su magnitud o a su comportamiento en el tiempo (Frecuencia). En otras palabras: cuando se estudian las fuerzas podríamos estar interesados en cuanta fuerza fue medida instantáneamente en su efecto durante la realización de un movimiento (Newtons) (Ver figura1) o que tan rápido el efecto de la fuerza fue incrementado o disminuido en el tiempo (Newtons/ tiempo). (Ver figura2). En los estudios biomecánicos es muy importante relacionar los resultados de estas variables de fuerza con la secuencia de las fases de movimiento (Proceso de sincronización cinemática y cinética) para que exista una mejor aplicabilidad y entendimiento de lo que estamos evaluando

2. Medición de la fuerza y su Interpretación en el Movimiento

Como ejemplo ilustrativo, en la figura 1, se analiza entre otros aspectos la cantidad de fuerza en Newtons que se ejerce cuando se realiza un salto vertical sobre un instrumento de medición de fuerza denominado plataforma de fuerzas (PF). En este caso específico la fuerza representada es la fuerza de reacción terrestre (FRT) denominada en el sistema global de coordenadas como la fuerza Z (Fz). FRT es un indicador de la intensidad del estrés sobre el cuerpo humano durante el contacto con el piso tal como es este caso (McClay et al., 1994). La fuerza cuantificada fue hecha en 4 momentos de este movimiento. En el instante A la fuerza corporal de la de la persona es ejercida por la masa corporal (MC) de 66,25 kg con un valor de 650 N de peso corporal (PC)Ver concepto sobre peso corporal . En el instante B cuando se manifiesta el máximo descenso del centro de masas del deportista la fuerza registrada desciende a 100N dado que no existe una impulsión positiva y grandes grupos musculares entre otros como los cuádriceps, tibiales, flexores de la cadera y músculos core ejecutan contracciones excéntricas que absorben gran parte de la acción de la ley de la gravedad sobre la masa corporal (Kg) y disminuyen en la lectura el peso corporal (PC). En el instante C el movimiento realizado por la actividad extensora de las piernas y del tronco pasa nuevamente por la misma cantidad de PC que el del punto A y empieza la impulsión positiva propiamente dicha. Finalmente, en el punto D, se manifiesta el pico de la fuerza máxima (1780 N = 2,73PC) en el momento previo a la liberación vertical del cuerpo

Figura 1. Representación de la cuantificación de la fuerza de reacción terrestre (Z) en Newtons durante el movimiento de un salto vertical utilizando una plataforma de fuerza. Tomado de Moir, G. (2008) y adaptado por Acero (2014)

3. Medición de la Tasa de Desarrollo de la Fuerza (TDF) y las fases de Movimiento

Si se describe el segundo comportamiento es denominado la tasa del desarrollo de la fuerza (TDF) (Rate of Force Development) o la tasa de carga (TC) (Loading rate). La TDF es el cambio de la fuerza sobre el cambio del tiempo según lo expresa la ecuación 1

Entonces la TDF indica que tan rápido la fuerza cambia en el tiempo. En la figura 2, podemos observar los resultados en términos de la TDF del ejemplo anterior del salto vertical de la figura 1 con valores extractados de la plataforma de fuerza. El objeto de análisis de este movimiento como ejemplo en este documento está centralizado desde el comienzo del salto vertical hasta el despegue sin incluir el aterrizaje. En él se pueden apreciar tres (3) TDF diferentes pero cronológicamente secuenciales. La primer TDF1 empieza en la fase del comienzo del salto vertical donde se captura la masa corporal presentada como una fuerza de reacción (Fz) con un valor de 650N tomados en tiempo progresivo de 0,491s y termina en la segunda fase donde existe el máximo descenso del centro de masas del saltador con un valor de Fz de 100N en un tiempo progresivo de 0,728s. Esta fase podría ser denominada en teoría de movimiento humanocomo de contra movimiento La localización de desde TDF1 es negativo porque Fz está por debajo de los valores del PC o sea de 650N

Entonces en el cálculo del TDF1 y siguiendo los parámetros de la ecuación 1, se obtiene:

Fz = 100N-650N = - 550 (N)*. *Son negativos porque están por debajo de los valores normales la Fz de la masa corporal

T(s) = 0.728s - 0.491s = 0.237 s

TDF1 = - 550 (N)/0.237 s = -2320.68N/s

Figura 2. Variables a considerar en el cálculo de la tasa de desarrollo de la fuerza (TDF) y representación de la curva fuerza-tiempo. durante las fases del movimiento de un salto vertical utilizando valores cinéticos de una plataforma de fuerza. Tomado de Moir, G. ( 2008) y adaptado por Acero (2014)

La TDF2 es considerada estar entre la fase de máximo descenso del centro de masas y el paso nuevamente por los valores del Fz de la masa corporal donde comienza el impulso positivo hacia la liberación del cuerpo del saltador. El máximo descenso del Centro de Masas es caracterizado por un valor de Fz de 100N en un tiempo progresivo de 0,728s. La recuperación de la masa corporal representa un valor de 650N y un tiempo progresivo de 0.836s La representación gráfica de la TDF2 es negativa por cuanto está por debajo delos valores del peso corporal (650N). El valor TDF2 se podría resolver así:

Fz = -(650N-100N)= - 550 (N)*. *Son negativos porque están por debajo de los valores normales la Fz de la masa corporal

T(s) = 0.836s - 0.728s = 0.108 s

TDF2 = - 550 (N)/ 0.108 s = -5092.59N/s

La TDF3 pertenece a la aceleración positiva propiamente dicha que comprende desde el paso por los valores del peso corporal hasta la fase donde se manifiesta el pico máximo de fuerza. La fase de recuperación de la masa corporal representa un valor de 650N y un tiempo progresivo de 0.836s y el pico de fuerza z genera unos valores de 1780N hasta un tiempo progresivo de 1.034s. Entonces El cálculo de la TDF3 se resolvería así:

Fz = (1780N-650N)= 1130 (N)*. *Son positivos porque están por encima de los valores normales la Fz de la masa corporal

T(s) = 1.034s- 0.836s = 0.198 s

TDF3 = 1130 (N)/ 0.108 s = 5707,07N/s

De los ejemplos descritos en las figuras 1 y 2 se pude deducir que en esta parte del movimiento objeto de análisis existen dos TDF que son de carácter negativo con referencia a los valores de Fz del peso corporal puro y una TDF que es positiva. En TDF1 existe una fase excéntrica muscular y en TDF2 y TDF3 se adjudica una fase concéntrica muscular debido a la exigencia de este tipo de movimiento. De esta forma se puede medir biomecánicamente el ciclo estiramiento acortamiento (CEA) que incluye el estiramiento mecánico de los músculos y los tendones unido inmediatamente a una fase de acortamiento de los mismos. El CEA puede ser diferente en cada saltador según el tipo de modalidad deportiva y la capacidad musculo esquelética desarrollada . Cada individuo nos proporciona en este tipo de movimiento unos valores diferentes pero con tres TDF muy diferenciadas.

4. Algunas Aplicaciones de la Tasa de Desarrollo de la Fuerza

Ahora Veamos algunos ejemplos de la aplicación de la TDF encontrados en la literatura:

R.L. Jensen, E.P. Flanagan y W.P. Ebben3 (2008) estudiaron el comportamiento de la TDF a los 100 ms y 250 ms de la fase de aceleración positiva del salto realizando diferentes ejercicios pliométricos sobre una plataforma fuerzas. 23 deportistas elite de la Asociación Nacional Atlética Colegial de los Estados unidos (NCAA) fueron estudiados (Ver resultados en Figura 3)

Figura 3. Representación gráfica del área de aceleración positiva y promedio de datos obtenidos de la tasa de desarrollo de la fuerza en diferentes ejercicios pliométricos. Tomado de Jensen et al (2008) y adaptado por Acero J. (2014)

Los resultados obtenidos en esta investigación indican que los saltos CMJ unipodal y SJ30%RM tienen una TDF más baja. Mientras que los saltos TJ y CMJ bipodal tienen más altas TDF y están en concordancia con la literatura indicando que los movimientos muy rápidos producen mayores TDF mientras que los saltos más lentos producen valores de TDF más bajos. Valorar las TDF a 250 ms es probablemente una medida inapropiada para clasificar movimientos muy rápidos

Gabriella Penitente, William A. Sands y Jeni R. McNeal (2011) realizaron un estudio sobre la determinación del efecto del impacto de baja y alta intensidad sobre el promedio de la TDF durante los saltos de volteo hacia adelante con apoyo de manos (forward handspring vault). Dos plataformas de fuerza fueron instrumentadas sobre la superficie del caballete de salto de tal manera que el contacto de cada mano registrara la fuerza de reacción terrestre (Fz) correspondiente. Un total de 48 impactos sobre las plataformas de contacto fueron analizados. 12 gimnastas americanas que participaron en el campeonato nacional olímpico en la categoría junior fueron las deportistas estudiadas. (Ver figura 4)

Figura 4 Descripción grafica del salto de volteo hacia adelante con apoyo de manos en gimnasia sobre caballete y datos del promedio de la TDF. Tomado de Penitente et al (2011) y adaptado por Acero J (2014)

En este estudio la TDF se presenta en otro tipo de unidades (Pc/s) dado que la cantidad de Newtons de la fuerza de reacción terrestre (Fz) fue calculada relativa al peso corporal en N. Por ejemplo para un gimnasta con una masa corporal de 51 kilogramos le corresponde un peso corporal de (51 kg* 9,81 m/s²) 500,31N.

Los resultados de este estudio indican que la medición directa de las fuerzas durante este tipo de movimiento establece una interacción entre las fuerzas de impacto vertical y la TDF considerado un factor mayor en la lesión. Lo datos sugieren que las extremidades superiores pueden estar sujetas a fuerzas de impacto muy cercanas a lo que es considerado como carga de fractura. Dos intervenciones pueden darse en la siguiente forma: (1) modular la magnitud de impacto de la fuerza diseñando las características de absorción de la superficie del caballete y (2) optimizar la cinemática corporal al momento del impacto con el caballete.

5. Consideración Final

La tasa de desarrollo de la fuerza (TDF) es probablemente la más importante y a veces una área de ciencias aplicadas no muy reconocida. Movimientos deportivos que requieren alta precisión tales como gimnasia y otros movimientos donde la exigencia de la rapidez es mayor (Ej. levantamiento olímpico, baloncesto volibol velocidad, natación.) pueden obtener beneficios significativos en materia de optimización de la técnica, adecuación de cargas físicas más reales y prevención o explicación de lesiones deportivas.

6. Referencias Bibliográficas

Moir G. (2008). Three different Methods of Calculating Vertical Jump Heigth from Force Platform Data in Men and Women. Meas. In phys ed. And exer. Sci. 12 : 207-218

McClay, I., Robinson, J., Andriacchi, T., Frederick, E., Gross, T., Martin,P., Valiant, G.Williams, K.R. and Cavanagh, P.R. (1994. A profile of ground reaction forces in professional basketball.. Journal of Applied Biomechanics 10, 222-236

R.L. Jensen, E.P. Flanagan and W.P. Ebben3 (2008). Proceedings ISBS Conference 2008, July 14-18, 2008, Seoul, Korea. Pgs. 199-202

Gabriella Penitente, William A. Sands and Jeni R. McNeal (2011). Vertical impact force and loading rate on the gymnastics table vault. Portuguese Journal of Sport Sciences 11 (Suppl. 2). Vilas-Boas, Machado, Kim, Veloso (eds.). Biomechanics in Sports 29