Le scarpe dei record, ingegneria applicata alla biologia della corsa

Il mondo della corsa negli ultimi due anni sta macinando record su record, le calzature di ultima generazione sono le protagoniste assolute di questi balzi prestazionali, da biomeccanico non potevo non dedicare qualche articolo di approfondimento su questo argomento. Come al solito il mio è un approccio scientifico cercherò di spigare perchè queste nuove calzature sono così diverse rispetto alle classiche scarpe da running e come queste esaltino le prestazioni di ogni singolo atleta.

Scarpa da running e prestazione

Da quando esistono le scarpe da corsa industriali, la stragrande maggioranza di queste è stata costruita con una suola in schiuma di etilene vinil acetato (EVA). L'EVA deve il suo diffuso utilizzo e la sua longevità all'essere leggero, economico e facile da lavorare. Tuttavia, non è eccezionale in termini di ritorno di energia dopo ogni passo. Durante la corsa, la capacità di riutilizzare l'energia accumulata dall'appoggio plantare è alla base della prestazione, maggiore è l'energia restituita minore sarà il consumo energetico che la macchia "umana" dovrà utilizzare.

La schiuma EVA restituisce circa il 65% di questa energia, conferendo alle scarpe realizzate con il materiale un modesto ritorno da sfruttare al fine della prestazione. Nel 2013, Adidas, ha iniziato a produrre linee di scarpe che incorporano una schiuma in poliuretano termoplastico (TPU), che ha un ritorno di energia tra il 70% e il 75%. Nel 2017, Nike ha rilasciato la prima versione della sua linea Vaporfly, il predecessore di Alphafly, utilizzando una schiuma derivata dal blocco di polietere ammide (Pebax). Pebax, o ZoomX come lo chiama Nike, ha un ritorno di energia dell'87%. Pebax è anche meno denso di EVA e TPU e quindi pesa meno.

Da solo, però, Pebax non è l'ideale per le scarpe da corsa perché, nonostante le sue proprietà favorevoli, è estremamente soffice, è un po' come correre su di un materasso, inoltre questo materiale da solo tenderebbe a modificare la tecnica di appoggio plantare.

Per aiutare a stabilizzare il Vaporfly e coordinare la meccanica del piede in modo efficiente, gli ingegneri Nike hanno inserito una piastra in fibra di carbonio al centro della schiuma.

Le stesse piastre in carbonio sono state studiate specificatamente, quelle piatte non fanno differenza nell'economia della corsa ovvero sulla quantità di energia metabolica necessaria per correre a una velocità specifica. La piastra deve adottare una sottile forma a "S" per essere efficace. La cosa intelligente della curva è che non aumenta il braccio di leva intorno all'articolazione della caviglia che i muscoli della gamba devono superare. Il risultato è una minore energia complessiva utilizzata dal corridore. La coppia di sacche d'aria nell'avampiede di Alphafly, che Nike chiama Zoom Air Pods, aggiunge ammortizzazione e aumenta ulteriormente il ritorno di energia.

I due elementi presi singolarmente (Pebax e lamina in carbonio) in realtà non garantirebbero chissà quali prestazioni, ma messi insieme risultano una combinazione perfetta.

Fig1: schema di costruzione delle scarpe Nike: in evidenza i cuscinetti e la lamina in carbonio

Un'altra caratteristica di queste calzature è la suola alta (intorno a 40mm), questo rende le scarpe adatte a corridori di discreto livello o quantomeno a soggetti che abbiano una tecnica di corsa con spinta propulsiva a carico del medio o avanpiede. La suola alta riduce fortemente il fenomeno della prono-supinazione del piede, migliorando di fatto l'intervento del tendine di Achille e consentendo al mortaio astragalo-calcaneare di rimanere allineato e di disperdere poca energia. Purtroppo i soggetti che corrono con il retropiede o che sono in sovrappeso con questo tipo di calzature rischiano di aumentare il rischio di sovraccarico articolare e tendineo.

Dopo Nike e per versi diversi Adidas, tutte le aziende di scarpe si sono adeguate al nuovo trend, basti pensare a Hoka, Brooks, New Balance ecc...

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Fig2: esempio di analisi biomeccanica per determinare il tipo di appoggio plantare durante la corsa

Incremento di prestazioni

Per comprendere bene come queste calzature ottimizzano le prestazioni occorre ricordare come la propulsione nella corsa viene generata. Semplificando (per evitare di addentrarci nella tecnica della corsa) abbiamo una componente di tipo coordinativo che è garantita dalla tecnica di corsa stessa, migliore è la tecnica di corsa, migliore sono le prestazioni; la seconda componente è quella di tipo dinamico, ovvero su come l'energia utile per la propulsione viene gestita. In questo senso la maggior parte del lavoro è garantito dall'unità muscolo-tendinea, da quel complesso ovvero che non solo produce l'energia per il movimento mediante la contrazione muscolare ma che è in grado di distribuirla correttamente evitando di disperderla. Così come la tecnica di corsa, anche l'unità muscolo tendinea può essere allenata, si introduce così il concetto di "stiffness", ovvero di rigidità. La stiffness è composta da due variabili, l'elasticità e l'estensibilità, questi due parametri determinano quanto di quell'energia prodotta a livello muscolare può essere impiegata a livello propulsivo.

L'elasticità è quella caratteristica dell'unità muscolo-tendinea di riutilizzare l'energia accumulata durante il movimento, l'estensibilità è invece la caratteristica di variare la lunghezza del complesso muscolo-tendine. Un complesso che accumuli troppa energia o che si allunghi troppo può andare incontro a lesioni tissutali che nel tempo possono portare ad infortuni. Risulta evidente quindi che c'è una stiffness ideale per ogni tipo di prestazione, un velocista avrà una stiffness molto più elevata di un maratoneta.

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Fig3: La stiffness ideale

Le calzature di ultima generazione vanno ad integrarsi principalmente sulla componente della stiffness, la suola alta diminuisce la necessita di escursione articolare, le componenti interne in pebex restituiscono una elevata quantità di energia elastica e la suola in carbonio garantisce la giusta rigidità, in pratica spingono la stiffness del complesso muscolo-tendine-scarpa tutta verso la massima rigità e capacità di utilizzo dell'energia elastica riducendo però in modo drastico l'utilizzo del complesso della caviglia, riducendo quindi i rischi di sovraccarico. Più energia di ritorno posso sfruttare meno ne devo utilizzare per garantire la propulsione.

Il costo energetico della corsa è la quantità di energia che serve per far andare un atleta ad una determinata velocità, più il costo è basso, più basse saranno le richieste energetiche e più alte saranno le prestazioni.

Un'analisi del 2018 di 500.000 maratona e mezza maratona nei tre anni precedenti ha rivelato che le persone che indossavano le Vaporfly erano dal 3% al 4% più veloci di quelle che indossavano altre scarpe (2). Uno studio più recente ha rilevato che il vantaggio potrebbe essere più vicino al 4% al 5% (3).

Queste percentuali sono altissime, non sorprendono quindi questi numerosi record registrati di recente.

Dovuto in parte a fattori come la resistenza dell'aria, l'energia metabolica necessaria per correre più velocemente non è perfettamente lineare, quindi il risparmio energetico del 4% si traduce in un aumento stimato dal 2,5% al 3,5% nella corsa velocità per un tipico maratoneta d'élite.

Chiudo questo primo articolo descrittivo anticipando un secondo articolo su dati biomeccanici che produrrò nei prossimi giorni, vedremo in quel caso un'analisi dettagliata delle variazioni cinematiche e dinamiche della corsa.

Bibliografia

1. Hoogkamer W, Kipp S, Frank S, Farina EM, Luo G, Kram R. A comparison of the energetic cost of running in marathon racing shoes. Sports Med 2018;48:1009–19.

2. Farina E, Haight D, Luo G. Creating footwear for performance running. Footwear Sci 2019;11(Sup1):S134–5.

3. Quealy K, Katz J. Nike says its $250 running shoes will make you run much faster. What if that’s actually true? [Internet]. New York: The New York Times; 2018 Jul 18 [cited 2020 May 30]. Available from: https://www.nytimes.com/interactive/2018/07/18/upshot/nike-vaporfly-shoe- strava.html.

4. Quealy K, Katz J. Nike’s fastest shoes may give runners an even bigger advantage than we thought [Internet]. New York: The New York Times; 2019 Dec 13 [cited 2020 May 30]. Available from: https://www.nytimes.com/interactive/2019/12/13/upshot/nike-vaporfly-next-percent- shoe-estimates.html.

5. Kipp S, Kram R, Hoogkamer W. Extrapolating metabolic savings in running: implications for performance predictions. Front Physiol 2019;10:79.

6. Dawson A. The Nike Air Zoom Alphafly Next% has been announced [Internet]. Easton: Runner’s World; 2020 Feb 5 [cited 2020 May 30]. Available from: https://www.runnersworld.com/news/a30783617/nike-alphafly-next-percent/.