Energética e mecânica da caminhada e corrida humana com especial preferência à locomoção em plano inclinado e efeitos da idade

Abstract

Dois modelos mecânicos, o pêndulo-invertido e o massa-mola, explicam como os mecanismos pendular e elástico minimizam o dispêndio energético advindo dos músculos durante caminhada e corrida humana. A presente tese testa dois efeitos que, para nosso conhecimento, todavia não possuem respostas conclusivas da literatura, nomeadamente o processo de envelhecimento na mecânica da corrida humana e o efeito da inclinação do terreno na velocidade ótima da caminhada. Para estudar o primeiro efeito, as forças de reação do solo provenientes de uma plataforma de força (4m x 0,50m), foram usadas para a posterior comparação de: i) trabalho mecânico, ii) parâmetros do sistema massa-mola e, iii) assimetrias contatodespregue entre jovens e idosos. Os idosos produzem menos força durante a fase de trabalho mecânico positivo com uma menor oscilação vertical total e oscilação durante a fase aérea. Conseqüentemente a capacidade de armazenar e re-utilizar energia elástica dos tendões é prejudicada contribuindo para o maior dispêndio energético neste grupo quando comparado com jovens.Para o modelo do custo eletromiográfico (EMG) da caminhada humana criou-se duas abordagens: experimental e teórica. Em ambas as abordagens, informações da atividade EMG de dezesseis músculos, sendo 8 posturais e 8 propulsores foram coletadas e analisadas a partir da integral EMG. A abordagem teórica parece ter uma melhor relação com as evidências experimentais sobre a energética da caminhada humana em inclinações. Os principais mecanismos envolvidos na nova hipótese são i) músculos posturais que não realizam trabalho muscular, exercem uma função importante na determinação do dispêndio energético total e ii) a presente hipótese leva em consideração a co-contração de músculos antagonistas no dispêndioenergético total. Mais experimentos são necessários para confirmar o modelo apresentado neste estudo. Além disso, através de estratégias de otimização e predição linear, um modelo teórico foi delineado a fim de determinar parâmetros mecânicos (comprimento de passada e velocidade de progressão) e energéticos da locomoção terrestre em situações onde as informações disponíveis são apenas a massa e uma curva força de reação vertical versus tempo. Os resultados advindos do modelamento correspondem aos parâmetros determinados experimentalmente. Laboratórios que detenham apenas uma plataforma de força, ou nas áreas onde as informações de entrada do atual modelo sejam as únicas informações (e.g. paleontologia, biomecânica forênsica, etc), a predição de variáveis primárias da locomoção podem ser preditas com razoável acurácia.

Two mechanical models, the inverted pendulum and spring-mass, explain how do the pendular and elastic mechanisms minimizing energy expenditure from muscles during human walking and running. Here, we test two effects that, to our knowledge, do not have yet conclusive responses from literature, specifically the ageing effects on mechanics of human running, and the effect of gradient on walking optimal speed. In order to check the former effect, the ground reaction forces came from a force platform (4m x 0.5m) were used for a later comparison: i) mechanical work, ii) spring-mass parameters and, iii) landing-takeoff asymmetries. The old subjects produce less force during positive work resulting in a smaller overall and aerial vertical oscillation of the centre of mass. Consequently, the potential for restore elastic energy from tendons is reduced contributing to greater energy expenditure than in young subjects. In relation to Electromyographical (EMG) Cost of human walking we created two approaches: experimental and theoretical. In both approaches, information from EMG activity of sixteen muscles, eight postural and eight propulsor were collected and analysed. The theoretical approach seems to fit better with the energy expenditure during gradient walking. The main mechanisms involved in this new hypothesis are i) postural muscles that do not perform muscular work, play an important role in the total energy expenditure and ii) the present hypothesis take the co-contraction into account of the antagonist muscles in the total energy expenditure. Further experiments are necessary to confirm this hypothesis. Besides, using optimization and linear prediction procedures, a theoretical model was designed to estimate mechanical parameters (stride length and velocity of progression) and energetic variables of terrestrial locomotion when available information consists only of mass and one vertical ground reaction force versus time.The results from this modelling are similar to experimentally obtained data. Laboratories with just one force platform, or in areas where the present model’s input information be the unique accessible data (e.g. palaeontology, forensic biomechanics, etc) the prime variables of locomotion may be estimated with reasonable accuracy.