Humans&Power -2

2 LA PEDIVELLA E GLI ARTI INFERIORI • CONSIDERAZIONI BIOMECCANICHE •

Nelle fig. 3 si rappresenta l’azione di spinta nel 1° e 2° quadrante mentre nella Fig. 4 l’andamento della forza di spinta dell’arto inferiore rispetto alla sua estensione.

Si nota in fig. 3 come, nella fase compresa tra 0° e 90°, durante la quale avviene una parte del trasferimento della forza, la gamba, intesa come porzione dal ginocchio in giù, debba, per seguire il percorso cinematico circolare della pedivella stessa (che richiede spostamenti nella direzione + x /-y ) attraverso il proprio moto pendolare intorno al ginocchio, ruotare in avanti in (+ α °), mentre, viceversa, nel tratto compreso tra 90° e 180° (dove la fase di trasferimento della forza, prosegue e si conclude) il moto pendolare si debba invertire in (– α °) ( percorso della pedivella nella direzione -x / -y).

Ora in fig. 6 osserviamo come, nel gesto motorio “naturale” del camminare su di un piano orizzontale, mentre il piede articola sul metatarso e porta avanti la porzione di corpo “rimasta indietro”, induce, naturalmente, all’articolazione del ginocchio, una rotazione della gamba, intesa come parte dal ginocchio in giù, una coppia rotazionale di verso (– α °) rispetto la fig. 3.

Questo perché, in riferimento alle figure 6-7, risulta evidente come il peso del corpo sostenuto dal metatarso non può che attivare, anche solo per integrità, il muscolo gastrocnemio imputato della rotazione in (- α °) della porzione di gamba dal ginocchio in giù rispetto al ginocchio stesso.

Quindi, il collegamento dell’arto inferiore ad un cerchio determina nel suo primo quadrante, una necessaria coppia contraria al moto naturale della gamba stessa che, per essere vinta, richiede una attivazione oltre il massimale, dei muscoli retto femorale e vasto mediale, imputati alle coppie della gamba in (+ α °) ossia secondo il verso imposto dalla geometria del cerchio.

Nella necessaria attivazione dei muscoli retto femorale e vasto mediale, per vincere le coppie antimotorie del primo quadrante, il secondo, molto più corto del primo ed in quanto tale più rigido, è soggetto, nella proporzione delle rigidezze, al maggior carico.

Sempre in riferimento alle fig. 3, 4, 6, e 7 passiamo ora ad analizzare la fase relativa al secondo quadrante ossia da 90 a 180°.

Si osserva, in questo quadrante, relativamente al moto circolare, l’imposizione di una rotazione della gamba, come tratto compreso dal ginocchi in giù, che è tanto naturale in (-α °) come conseguenza dell’attivazione del gastrocnemio dovuta all’appoggio del metatarso, quanto innaturale per i raggi di rotazione coinvolti.

Uno, quello naturale, vale la quota compresa tra il virtuale centro del ginocchio ed il centro di rotazione dell’asse del pedale, l’altro quello della pedivella compreso tra il centro di rotazione della stessa e quello dell’asse del pedale.

Per risolvere questo difetto cinematico il centro di rotazione dell’anca deve necessariamente modificare la sua posizione, in particolare in avanti ed in basso, per assecondare il più possibile le rotazioni non coerenti di ginocchio e caviglia.

In questo caso, da un punto di vista muscolare, ed almeno fino a che il valore della forza che ormai, per estensione della gamba, trova il minimo, il carico sui vasti e retto femorale diminuisce a vantaggio di un’accensione dei bicipiti femorali in una distribuzione di carico più equilibrata.

Il fenomeno precedentemente descritto della non coerenza dei raggi di rotazione esiste anche nel primo quadrante, anche se si ritiene secondario all’imposizione di coppie antimotorie.

In ogni caso tale fenomeno relativo al primo quadrante costringe invece il centro di rotazione dell’anca a modificare la sua posizione in direzione verso indietro e verso l’alto.

Così le considerazione fatte qui per il primo ed il secondo quadrante o quadrante di spinta della pedivella, con poche e poco significative modifiche, valgono anche per il terzo ed il quarto quadrante o quadranti di tiro-recupero.

Non da ultimo il fatto che modificando l’appoggio del piede dal metatarso ad una posizione più centrale o addirittura al tallone, le considerazioni fatte non cambierebbero se non per maggiore intensità ( vedi il capitolo 6: Le coppie del piede), o per scambio di effetti e quadranti.

Meglio il metatarso che assicura quantomeno coppie del piede più moderate e massimi angoli di articolazione.

Ed ancora, l’instabilità intrinseca del piede sul tondo a rotazione libera del pedale e le condizioni antimotorie relative ai quadranti cinematici del cerchio ( vedi soprattutto la necessità di spostamento continuo, durante la pedalata, del centro di rotazione dell’anca) sono i veri responsabili della imprescindibile necessità di appoggio della zona perineale sulla sella e degli sfregamenti tra essa ed il fondoschiena causa oltre che di fastidiosi disagi anche di effetti davvero poco salutari, nel senso stretto e proprio della salute.

Si può affermare dunque con tranquillità che l’interazione tra gli arti inferiori e la pedivella costringe i primi ad un lavoro molto particolare e per nulla “naturale” nell’accezione comune, ad esempio, in riferimento a quello del camminare in piano.

Anche dopo queste considerazioni risulta evidente che senza una specifica scelta, passione o necessità, e conseguente preparazione ed allenamento, ben sostenuti dalla deformabilità e capacità di adattamento del corpo umano, l’interazione tra gli arti inferiori e la pedivella non può che produrre, al minimo, stati di dolore e sofferenza muscolare (D.o.m.s.) nonché reali patologie tipiche ( patologie della schiena, del ginocchio e del fondoschiena) che poco possono invitare “naturalmente” ad un suo maggior utilizzo e considerazione.

In poche parole forse è anche per i motivi descritti che la bicicletta è decisamente amata da veramente poche persone e altrettanto decisamente odiata si direbbe dai più, considerando la tipica fine da ripostiglio dedicata alla maggior parte di quelle vendute ogni anno.

2. THE PEDAL CRANK AND THE LOWER LIMBS • BIOMECHANICAL CONSIDERATIONS •

Fig. 3 illustrates the thrust applied in the 1st and 2nd quadrant while Fig. 4 illustrates the thrust of the lower limb relative to its extension.

Fig. 3 shows that in the 0° to 90° phase, during which, part of the force is transferred, the leg, considered the part from the knee down, must rotate forwards to + α° around the knee in order to follow the kinematic circular path of the same foot crank (requiring +x –y movements) by means of its own pendulum motion around the knee.

On the contrary, in the 90° to 180° phase (during which the force transfer continues and concludes) the pendulum motion must invert to – α ° (crank path in –x –y direction).

Fig. 5 shows how, in the “natural” motor gesture of walking on a horizontal plane, the foot articulates on the metatarsus and brings forward the part of the body that has been “left behind” thus naturally inducing the knee joint to exercise a rotational torque on the leg, considered as the section from the knee down, towards – α ° (compared with fig. 3).

As shown in Figs. 6-7, it’s evident how the weight of the body sustained by the metatarsus can only activate, also only for integrity, the gastrocnemius muscle, responsible for the rotation in (- α °) of the part of the leg from the knee down, with respect to the same knee.

So, the connection of the lower limb to a circle determines in its first quadrant, a torque necessarily contrary to the natural movement of the same leg that, to be contrasted, requires the maximal activation of the rectus femoris and vastus medialis muscles, which are responsible for the torques to the leg in (+ α °), as required from the imposed direction of the geometry of the circle.

In the necessary activation of the rectus femoris and vastus medialis muscles, to contrast the antimotorial torques of the first quadrant, the vastus medialis, far shorter than the rectus femoris and as such more rigid, is subject, in the proportion of the rigidities, to the higher load. In reference to Fig. 3, 4, 6, e 7 we now analyze the phase relative to the second quadrant, that is from 90 to 180°.

We note, in this specific quadrant, with reference to the circular motion, the imposition of the rotation of the leg, considered as the section from the knee down, that is as natural in (-α °), as a consequence of the activation of the gastrocnemius due to the placement of the metatarsus on the pedal, as unnatural due to the related rotation radii, taken as the normal distance between the axes of the rods and their centres of rotation and that continuously and reciprocally change during the pedal stroke.

One radius, meaning the human one, is the measurement between the virtual centre of the knee and the rotation centre of the pedal shaft, the second radius, the one of the pedal crank, is included between the rotation centre of the same crank and the rotation centre of the pedal axis.

To solve this kinematic defect, the hip rotation centre must necessarily modify its position, in particular forward and down, to go along as much as possible with the incoherent rotations of knee and ankle. In this quadrant, from the muscular point of view, and at least till the value of the force that by now, due to the leg extension, finds the minimum, the load on the rectus femoris and vastus medialis muscles decreases in benefit of an activation of the biceps femoris in a more balanced distribution of the loads.

The phenomenon of the incoherence of the rotation radii, previously described, is present also in the first quadrant, even if it’s considered secondary to the imposition of the antimotorial torques.

In any case such a phenomenon, relative to the first quadrant, forces however, the rotation centre of the hip to adapt its position backward and upward.

The considerations made here for the first and second quadrant, or the pedal crank push quadrant, with few and minor relevant changes, are valid also for the third and fourth quadrant, namely the pull-recovery quadrant.

Last but not least, the fact that moving the placement of the foot on the pedal from the metatarsus to a more central position or even to the heel, the considerations made change exclusively for higher intensity (see chapter 6: the foot torques) or for an exchange of effects and quadrants.

The metatarsus is better because at least, it assures more moderate foot torques and maximal angles of articulation.

Furthermore, this intrinsic instability of the foot on the freely rotating hollow rod of the pedal, together with the antimotorial conditions relative to the kinematic quadrants of the circle (cause of the continuous displacement of the hip rotation centre during the pedal stroke), are the real causes of the inconvenient need to place the perineal area on the saddle and the consequent rubbing of the saddle against the buttocks, which are cause not only of annoying inconveniences but also of unhealthy effects.

We can assert for certain that the interaction between the lower limbs and the pedal crank obliges the legs to very specific work, which is not at all “natural” if compared, for example, to that of walking on a level ground.

Even after these considerations, it is clear that without a conscious choice, passion or necessity, and the consequent training required, well supported by the deformability and adaptability of the human body, the interaction between the lower limbs and the pedal crank can only produces, at minimum, painful and suffering muscular states (D.o.m.s.), as well as typical pathologies (disease of the spine, knee, lower back and perineal area) that do not encourage a “spontaneous” wider use and consideration of the traditional bicycle.

In short, perhaps it’s also for the above described reasons that the bicycle is definitely loved by very few people and as greatly hated by the large majority, thus considering that typically the majority of the bikes sold every year end up in the garage.