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Materiali e metodi. Fig. 1: Una partenza nella Discesa

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Analisi biomeccanica tridimensionale dello sci alpino in gare di coppa del mondo. A.Canclini 1, C. Cotelli 1, R.Pozzo 1, G. Baroni 2 1) Lab. Alta Prestazione S.Caterina Valfurva (Fed. Italiana Sport Invernali
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Analisi biomeccanica tridimensionale dello sci alpino in gare di coppa del mondo. A.Canclini 1, C. Cotelli 1, R.Pozzo 1, G. Baroni 2 1) Lab. Alta Prestazione S.Caterina Valfurva (Fed. Italiana Sport Invernali - C.O.N.I.) 2) Politecnico di Milano - Bioingegneria Introduzione. La pratica agonistica dello sci alpino e le prestazioni cronometriche, atletiche e tecniche degli atleti di alto livello hanno raggiunto uno standard tale da richiedere una attenta analisi biomeccanica del complesso gesto motorio al fine di massimizzarne il rendimento, soprattutto in condizioni di gara. Al fine di raccogliere informazioni quantitative, utili per costruire modelli di movimento tali da diventare un valido ausilio nella valutazione sul campo, è parso più che opportuno incentrare la nostra attenzione sui migliori atleti delle classifiche mondiali, impegnati in competizioni di massimo livello. Questo in accordo con l affermazione di Reichert (1979) che: modello della tecnica devono essere gli atleti di classe mondiale. Nel presente lavoro verranno illustrate le metodologie utilizzate sui campi di misura ed il processo di elaborazione dei dati registrati durante alcune gare di Coppa del Mondo svoltesi a Bormio negli ultimi anni. Saranno altresì illustrati alcuni risultati relativi alla partenza della discesa libera ed alla curva nello slalom speciale. Fig. 1: Una partenza nella Discesa Materiali e metodi. L apparecchiatura utilizzata sul campo di lavoro, per l analisi della partenza della discesa libera di Bormio 1995, consiste in due Video camere Canon EX2Hi, frequenza di registrazione di 50 Hz, con assi ottici posti a 90, e una griglia tridimensionale, per la calibrazione dello spazio, delle dimensioni di 4x2x1 m, costruita con segmenti di alluminio di 1 m, che costituisce quindi il Sistema di Riferimento spaziale. In modo analogo, e secondo gli stessi principi fotogrammetrici, è stata sviluppata (BARONI e coll. 1998) una nuova metodologia che prevede l utilizzo di telecamere mobili, con ottica variabile. L analisi di movimenti abbastanza estesi nello spazio, quali una curva dello slalom, risultava infatti difficile, se non impossibile con il primo metodo. Durante le finali di Coppa del Mondo di Bormio del marzo 2000, si è perciò predisposto e calibrato il campo di misura, per lo slalom speciale, mediante rilievo topografico dei punti di riferimento disponibili nella zona di ripresa: pali delle porte, cartelli pubblicitari, reti fissi ai lati del tracciato, come indicato nella figura 3. Errore. Fig.3: La disposizione del campo di ripresa con telecamere mobili, per lo slalom, e il modello a segmenti utilizzato per la ricostruzione 3D. Le doppie immagini registrate, una volta sincronizzate (errore 0,01 s), sono poi trasferite, tramite una scheda di acquisizione analogico-digitale a 12 bit (Screen Machine mod D), sullo schermo di un normale PC e digitalizzate con l ausilio di un software, sviluppato per tale scopo, che è anche in grado di ricostruire le tre dimensioni degli oggetti mediante il Direct Linear Transformation Method (DLT - Method di Abdel-Azis,Karara 1971). Il modello utilizzato per la digitalizzazione e ricostruzione delle coordinate spaziali è costituito da 23 punti che coincidono con le articolazioni principali, il centro del capo, punta e tacco della scarpa, le estremità degli sci e la punta dei bastoncini. Per il calcolo delle coordinate spaziali del Centro di Gravità (CdG) è stato applicato l algoritmo di Gubitz (1978). I dati grezzi sono stati filtrati mediante le tipiche spline functions del 3 ordine mentre per il calcolo delle derivate prime dei parametri lineari ed angolari ci si è avvalsi dei più comuni algoritmi di differenziazione numerica. L errore massimo per la distanza lineare è stato valutato in 30 mm per la lunghezza, e 0.70 m/s per la velocità. Gli usuali metodi della statistica sono stati utlizzati per il calcolo della media e della deviazione standard delle variabili considerate; la relazione tra i diversi parametri è stata indagata mediante l analisi di regressione. Tredici atleti, tra i migliori della classifica mondiale del 1995, sono stati analizzati nello studio sulla partenza nella discesa libera. Le variabili considerate sono state le durate delle fasi di movimento, la posizione del CdG rispetto al cancelletto di partenza, la velocità del CdG e dei segmenti corporei, gli angoli tra i segmenti del corpo. Sono stati definiti 3 parametri caratteristici: massimo spostamento all indietro dei piedi (MIN-F), l istante di apertura del cancelletto (START) e lo stacco dei bastoncini (T-OFF). Per lo slalom speciale si sono analizzati i primi tre classificati della gara di Finale della Coppa del Mondo del marzo Il ciclo di movimento considerato, ricostruito attraverso il modello a segmenti, va dagli istanti precedenti (circa 0.2 s) l abbattimento di un palo fino all abbattimento - passaggio di quello successivo. In questa prima fase si sono analizzati alcuni parametri particolarmente significativi quali gli angoli delle ginocchia, dei gomiti, e le relative velocità angolari, nonché lo spostamento relativo del CdG nel piano sagittale. Risultati. La Fig. 4 mostra le traiettorie estreme del CdG. I valori estremi dell elevazione del CdG sono stati trovati per Assinger (1.14m) e Alphand (0.81m). Fig. 4 Traiettorie estreme del CdG nella partenza in Discesa Libera (Bormio 95) I valori medi della velocità di spostamento del Cdg (Vxcg) sono stati 1.540,25 ms -1 in MIN-F, in START 2,27 ± 0,37 ms -1 in START e 5,52 ± 0,16 ms -1 quale valore di picco in T-OFF. Per il movimento verticale sono stati trovati 3 tipici valori della velocità del CdG, in accordo con la sequenza arretramento innalzamento - caduta: -0,62 ± 0,20 ms -1, 1,00 ± 0,31 ms -1 e 0,88 ± 0,26 ms -1. Il tempo per raggiungere la velocità di picco Vxcg è di 0,65 ± 0,04 s dopo lo START e di 0,34 ± 0,15 s dopo lo stacco dei bastoncini T-OFF. La durata della fase di spinta dei bastoncini è di 0,31 ± 0,05 s. L angolo dell anca, per le fasi definite, ha 3 valori tipici: 87 ± 9 prima di START, 157 ± 12 dopo START, 62 ± 10 durante il recupero delle gambe. L angolo al gomito prima dello START raggiunge un minimo di 66 ± 3 mentre allo START il valore è 80 ± 5. La velocità di traslazione orizzontale di CdG mostra una correlazione con questi parametri: velocità media nei primi 15 m (r = 0,70); massima elevazione del CdG (r = -0,52); velocità di abbassamento del CdG (r = -0,52); angolo di inclinazione del tronco rispetto al suolo (r = -0,55); la velocità angolare di flessione dell angolo del gomito (r = -0,77). Il tempo per raggiungere il massimo di Vxcog correla con il tempo di spinta dei bastoncini (r = 0,64), che per altro correla anche con l inclinazione del tronco (r = 0,68) e dei bastoncini (r = 0,60) al tempo MIN-F. In figura 5 è invece mostrato un esempio di ricostruzione 3D, tramite modello a segmenti di una curva di slalom speciale. Fig. 5 Ricostruzione 3D, tramite modello a segmenti, di un ciclo di movimento nello Slalom Speciale (Vrhovnik - Bormio 2000) Il tempo tra l abbattimento dei due pali per i 3 soggetti considerati (Vrhovnik, Raich, Furuseth, al vertice della classifica) è stato di 0,88±0,04s. Si sono indagate, in modo particolare, le caratteristiche individuali del movimento dei segmenti corporei a partire dagli spostamenti verticali del Centro di Gravità soprattutto nella fase di cambio di direzione. Nella Figura 6 sono illustrate le proiezioni delle traiettorie di CdG e delle anche sia nel piano medio di discesa (vista dall alto) che in un piano ortogonale a questo ultimo (vista di fianco). Fig. 6 Spostamento di CdG e delle anche nel piano medio di discesa (vista dall alto) e in un piano ortogonale (vista di fianco) Il comportamento dei tre soggetti è risultato pressoché analogo con una variazione dello spostamento verticale di CG intorno ai 30 cm, con una velocità che raggiunge un massimo di 1 m/s, come evidenziato in fig. 7 che riporta lo spostamento di CG e delle anche in funzione del tempo. Fig. 7 Spostamento e velocità verticale di CdG e delle anche rispetto al tempo L indagine relativa ai valori angolari del ginocchio ha evidenziato differenti comportamenti nei 3 soggetti con valori che, in media, vanno da un minimo di 70 ad un massimo di 150, con una velocità angolare che raggiunge un valore massimo di 300 /s. Discussione. Il numero di soggetti considerati non permette di dare ai valori medi dei parametri misurati un alto grado di significatività statistica. Tuttavia, nel caso della partenza in Discesa, si può ipotizzare che la correlazione inversa tra Vxcog e il tempo di spinta dipenda dalla capacità di fornire un elevato impulso (grande forza in tempi brevi). Le altre correlazioni per Vxcog suggeriscono che, in queste condizioni, il CdG debba muoversi lentamente all indietro e ridurre il massimo dell elevazione; che il tronco debba rimanere il più parallelo possibile, rispetto al terreno, e che i gomiti debbano essere flessi lentamente. In altre parole per raggiungere prima il picco di Vxcog il tempo di spinta deve essere breve e, per ottenere ciò, al MIN-F il corpo ed i bastoncini debbono essere poco inclinati ripetto al terreno. Per quanto riguarda lo slalom, ferma restando la validità di analizzare un maggior numero di soggetti e la necessità di indagare anche altri parametri, le informazioni raccolte contribuiscono comunque alla descrizione della complessità del gesto, eseguito dai massimi interpreti della disciplina in gara di Coppa del Mondo. Bibliografia. - Abdel Aziz YI, Karara HM: Direct Linear Transform from Comparator Coordinates into Object Space Coordinates in Close - Range Photogrammetry, in: Proceedings of ASP - Symposium on Close Range Photogrammetry, Falls Church, Baroni CI, Ferrigno O, Rodano R, Canalini A, Cotelli C,Pozzo R; Threedimensional sport movement analysis by means of free floating TV cameras with variable optics. Proceeding of ISBS 1998 (D). - Chow J: A panning videographic technique to obtain selected kinematic characteristics of strides in sprint hurdling. J. Appl. Biomech. 9, , Gubitz H: Zur analytischen Bestimmung der Lage des Koerperschwerpunktes. Intern. Symposium , Berlin Müller E, Brunner F, Kornexel E, Raschner C: Biomechanische Analyse von Starttechniken im alpinen Skirennlauf, in: Fetz, F. Müller, E. (Hrsg.) Biomechanik des Skilaufs. F. Enke Verlag Stuttgart, (1991). - Pozzo R, Röckmann A, Canalini A, Cotelli C, Martinelli L: 3-D Kinematics of the start in the Downhill at the Bormio World Cup In 1995 P roceedings of ICSS 2000 (A). - Schwirtz A: Bewegungstechnik und muskuläre Koordination beim Skilanglauf, Sport und Buch Strauß Edition Sport, Dissertation, Köln, 1993
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