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Patrón de apoyo y fuerzas de impacto en los corredores descalzos versus los calzados

Lieberman, D.E., Venkadesan, M., Werbel, W.A., Daoud, A.I., D’andrea, S., Davis, I.S., Mang’Eni, R.O. and Pitsiladis, Y., 2010. Foot strike patterns and collision forces in habitually barefoot versus shod runners. Nature463(7280), p.531.

https://doi.org/10.1038/nature08723

Los humanos se han dedicado a la carrera de resistencia durante millones de años, pero la zapatilla moderna no se inventó hasta los 1970´. Durante la mayor parte de la historia evolutiva humana, los corredores anduvieron descalzos o usaron un calzado minimalista, como sandalias o mocasines con tacos más pequeños y poca amortiguación en relación con las zapatillas modernas. Daniel Lieberman y col. se preguntaron cómo hicieron frente los corredores al impacto causado por el choque del pie con el suelo antes de la invención de la zapatilla moderna.

Correr puede ser más perjudicial en el momento en que el pie choca con el suelo. Esta colisión puede ocurrir de tres maneras: un apoyo de talón (RFS), en el que el talón cae primero; un apoyo de medio pie (MFS), en el que el talón y el antepie aterrizan simultáneamente; y un apoyo de antepié (FFS), en el que el antepie cae antes que el talón. Los velocistas suelen ser FFS, pero el 75–80% de los corredores de resistencia contemporáneos que utilizan zapatillas con amortiguacion son RFS. Los corredores RFS deben hacer frente repetidamente al impacto transitorio de la fuerza de reacción vertical en el suelo, una fuerza de colisión abrupta de aproximadamente 1,5 a 3 veces el peso corporal, dentro de los primeros 50 ms de la fase de apoyo (Fig. 1a). La integral del tiempo de esta fuerza, el impulso, es igual al cambio en el impulso del cuerpo durante este período, ya que partes de la masa del cuerpo se desaceleran repentinamente mientras que otras se desaceleran gradualmente. Este patrón de desaceleración es equivalente a una cierta proporción de la masa corporal (Meff, la masa efectiva) que se detiene abruptamente junto con el punto de impacto en el pie. La relación entre el impulso, el impulso del cuerpo y Meff se expresa como

donde Fz(t) es la fuerza de reacción vertical en el suelo que varía con el tiempo, 0- es el instante de tiempo antes del impacto, T es la duración del impacto transitorio, Mbody es la masa corporal, vcom es la velocidad vertical del centro de masa, vfoot es la velocidad vertical del pie justo antes del impacto y g es la aceleración debida a la gravedad en la superficie de la Tierra.

Los impactos transitorios asociados con el RFS al correr son fuerzas repentinas con altas tasas y magnitudes de carga que viajan rápidamente por el cuerpo y, por lo tanto, pueden contribuir a la alta incidencia de lesiones relacionadas al running, especialmente las fracturas por estrés tibial y la fascitis plantar. Las zapatillas para correr modernas están diseñadas para hacer que el RFS sea cómodo y menos dañino al usar materiales elásticos en un talón grande para absorber parte de la fuerza transitoria y extender el impulso durante más tiempo (Fig. 1b). La almohadilla del talón humano también amortigua los impactos transitorios, pero en menor medida, lo que plantea la cuestión de cómo los corredores apoyaban antes de la invención de las zapatillas modernas. Estudios anteriores han encontrado que los corredores habitualmente calzados tienden a adoptar una colocación de pie más plana cuando están descalzos que cuando están calzados, lo que reduce el estrés en el pie, pero no se han realizado estudios detallados de cinemática del pie e impactos transitorios en corredores habitualmente descalzos a largo plazo.

Fig. 1 – Fuerzas de reacción en tierra vertical y cinemática del pie para golpes de tres pies a 3.5ms21 en el mismo corredor. a, RFS durante la carrera descalzo del talón a la punta del pie; b, RFS durante el funcionamiento de calcetín de talón a pie; c, FFS al correr descalzo de los dedos de los pies a los talones. Ambos pasos RFS generan un impacto transitorio, pero los zapatos reducen la velocidad de carga del transitorio y disminuyen su magnitud. FFS no genera impacto transitorio incluso en condiciones de pies descalzos.

Loa autores de este articulo compararon la cinemática del apoyo en terreno a velocidades de carrera de resistencia preferidas (4–6ms) en tres grupos de individuos que corren un mínimo de 20 km por semana: (1) deportistas habitualmente calzados de los Estados Unidos; (2) atletas del Valle del Rift de Kenia (famoso por la carrera de fondo), la mayoría de los cuales crecieron descalzos pero ahora usan zapatillas con amortiguacion cuando corren; y (3) los corredores de EE. UU. que crecieron usando calzado pero que ahora suelen correr descalzos o con calzado minimalista. También compararon adolescentes de dos escuelas del Valle del Rift: un grupo que nunca ha usado calzado (4); y otro grupo que habitualmente han usado calzado la mayor parte de sus vidas (5). La velocidad, la edad y la distancia recorrida por semana no se correlacionaron significativamente con el tipo de apoyo o los ángulos de pie y tobillo dentro o entre grupos (Tabla 1).

Tabla 1 – Tipo de apoyo de pies y ángulos articulares de corredores habituales descalzos y calzados de Kenia y EE. UU.

Los patrones de apoyo varían según los sujetos y los grupos, pero estos ensayos (Tabla 1) confirman los informes que los corredores que usan zapatillas amortiguadoras y crecieron usando calzado (grupos 1 y 5) en su mayoría caen con apoyo de talón cuando están calzados; estos corredores también predominan un apoyo de talón cuando están descalzos en las mismas superficies duras, pero colocando el pie más plano mediante la reducción de la flexión dorsal de aproximadamente 7 a 10 grados. En contraste, los corredores que crecieron descalzos o se pasaron a correr descalzos (grupos 2 y 4) utilizaron con mayor frecuencia el apoyo de antepié seguidos de contacto con el talón (punta-talón-punta) en condiciones de pies descalzos y calzados. Los aterrizajes de apoyo de mediopié a veces se usaron en condiciones de pies descalzos (grupo 4) y en condiciones de calzados (grupo 2), pero los aterrizajes de apoyo de talón eran infrecuentes mientras se corría descalzo en ambos grupos. Un factor importante que contribuye al predominio de los apoyos RFS en corredores calzados es la suela acolchada de las zapatillas más modernas, que es más gruesa debajo del talón, orientando la suela del pie para que tenga aproximadamente 5 grados menos dorsiflexión que la suela de la zapatilla y permitiendo un corredor RFS cómodamente (Fig. 1). Por lo tanto, los corredores RFS que dorsiflexionan el tobillo en el contacto inicial tienen las suelas de sus zapatillas más flexionadas en relación con el suelo, y los corredores FFS que planflexionan el tobillo en el contacto inicial tienen las suelas de sus zapatillas más planas (menos plantarflexionadas) con respecto al suelo, incluso cuando la rodilla y los ángulos del tobillo no son diferentes (Tabla 1). Estos datos indican que los corredores habitualmente descalzos caen con apoyo de talón con menos frecuencia, y que las zapatillas con talones elevados y amortiguados facilitan correr con apoyo de talón.

Las diferencias cinemáticas entre los tipos de apoyo generan fuerzas de impacto marcadamente diferentes, que compararon en corredores adultos habitualmente calzados y descalzos de los EE. UU. Mientras que los aterrizajes con apoyo de talón causan un gran impacto transitorio en los corredores calzados e incluso más grandes en corredores descalzos (Fig. 1a, b), los aterrizajes de apoyo de antepié durante la secuencia de punta-talón-punta típicamente generan fuerzas de reacción en el suelo que carecen de un impacto transitorio (Fig. 1c), incluso en una placa de fuerza de acero rígido. A velocidades similares, las magnitudes del pico de la fuerza vertical durante el período de impacto (6.2 +/- 3.7% de la fase de apoyo para corredores RFS) son aproximadamente tres veces menores en corredores descalzos habituales que apoyan con el antepié que en corredores habitualmente calzados que caen con apoyo de talón ya sea descalzos o calzados (Fig. 2a). Durante el mismo período, la tasa promedio de carga en corredores que apoyan con el antepié cuando están descalzos es siete veces más baja que en los corredores habitualmente calzados que caen con apoyo de talón descalzos, y es similar a la tasa de carga de los corredores que caen con apoyo de talón calzados (Fig. 2b). Además, en la mayoría de los corredores que apoyan con el antepié descalzos, las tasas de carga fueron aproximadamente la mitad de las de los corredores que apoyan de talón calzados.

Fig. 2 – Variación en impactos transitorios. a, b, Magnitud (a) y tasa de carga (b) de impacto transitorio en unidades de peso corporal para corredores habitualmente calzados que RFS (grupo 1; cajas abiertas) y corredores descalzos habituales que FFS cuando corren descalzos (grupo 3; cajas sombreadas). La tasa de carga se calcula de 200N a 90% del impacto transitorio (cuando está presente) o a 6.2+/-3.7% (s.d.) de la fase de apoyo (cuando el impacto transitorio está ausente). La fuerza de impacto es 0.58+/-0.21 pesos corporales (sd) en corredores descalzos que FFS, que es tres veces menor que en los corredores RFS ya sea descalzo (1.89+/-0.72 pesos corporales (sd)) o en zapatos (1.74+/-0.45 pesos corporales (sd)). La tasa promedio de carga de impacto para los corredores descalzos que FFS es 64.6+/-70.1 pesos corporales por segundo (sd), que es similar a la de los corredores RFS calzados (69.7+/-28.7 pesos corporales por segundo (sd)) y siete veces menor que eso para corredores calzados que RFS cuando están descalzos (463.1+/-141.0 pesos corporales por segundo (sd)). La naturaleza de la medición (fuerza versus tiempo) se muestra esquemáticamente por las líneas grises y rojas. Cajas, media+/-s.d .; bigotes, media+/-s.d.

Modelando el pie y la pierna como un péndulo doble en forma de L que colisiona con el suelo (Fig. 3a) se identifican dos factores biomecánicos, a saber, el punto inicial de contacto y la rigidez del tobillo, que disminuyen la masa efectiva (proporción de la masa corporal que se detiene abruptamente en el impacto) y, por lo tanto, la magnitud del impacto transitorio. Por lo general, un impacto de apoyo de talón ocurre justo debajo del tobillo, debajo del centro de la masa del pie más el de la pierna y con flexión plantar variable (Fig. 3b). Por lo tanto, el tobillo convierte poca energía de traslación en energía de rotación y la mayor parte de la energía cinética de traslación se pierde en la colisión, lo que lleva a un aumento del impacto transitorio. En contraste, en el apoyo de antepié el impacto se produce hacia la parte delantera del pie (Fig. 3a), y el tobillo se dorsiflexiona a medida que el talón cae bajo el control de los músculos tríceps sural y el tendón de Aquiles (Fig. 3b). La fuerza de reacción del suelo en un apoyo de antepié, por lo tanto, produce un momento en el pie alrededor del tobillo, que reduce el impacto transitorio al convertir parte de la energía cinética traslacional del miembro inferior en energía cinética rotacional, especialmente en los aterrizajes de apoyo de antepié con baja rigidez en el tobillo (Fig. 3a). Se predice que los aterrizajes MFS con puntos de contacto intermedios generarán valores de impactos transitorios intermedios.

Figura 3 – Diferencias durante el impacto entre los corredores RFS calzados (grupo 1) y los corredores descalzos de FFS (grupo 3) a aproximadamente 4 ms-1. a, Masa efectiva pronosticada (líneas) y medida (cajas), Meff, en relación con la masa corporal, versus la longitud del pie en el impacto (índice de ataque) para corredores de FFS y RFS en condición descalza (Métodos). Las líneas continuas y punteadas muestran valores Meff pronosticados para tobillos infinitamente rígidos e infinitamente conformes, respectivamente, en diferentes centros de presión. b, Durante el período de impacto, los corredores de FFS (cajas llenas) dorsiflexionan el tobillo en lugar de flexionarlo en plantar, y tienen más flexión de tobillo y rodilla que los corredores RFS (cajas abiertas). Cajas, media 6s.d .; bigotes, media 62 s.d. c, Cumplimiento general adimensional de la pierna (logaritmo natural) durante el período transitorio de impacto (relación entre la caída vertical de la cadera en relación con la longitud de la pierna al 90% del pico transitorio de impacto, normalizado por el peso corporal) en relación con la tasa de carga de impacto (pesos corporales segundo) para corredores RFS (círculos abiertos) y corredores FFS (círculos rellenos) (condiciones calzadas y sin calzar). El cumplimiento es mayor y se correlaciona con tasas de carga más bajas en los impactos FFS que en los impactos RFS (líneas trazadas determinadas por regresión de mínimos cuadrados; r, coeficiente de correlación de Pearson).

Se encontró que el promedio de impacto es 6.86 +/- 3.0% Mbody (masa corporal) para corredores RFS descalzos y 1.76 +/- 0.4% para corredores FFS descalzos. Para todos los aterrizajes de RFS, estos valores no son significativamente diferentes de los valores de impactos predichos para un tobillo rígido (5,5–5,9% Mbody) o un tobillo flexible (3,4–5,9% Mbody), lo que indica que la rigidez del tobillo tiene poco efecto y que hay cierta contribución de la masa por encima de la rodilla, que está muy extendida en estos corredores (Fig. 3b). Para los aterrizajes FFS, los valores de impacto son más pequeños que los valores pronosticados para un tobillo rígido (2.7–4.1% Mbody) y son significativamente mayores que los pronosticados para un tobillo flexible (0.45–1.1% Mbody), lo que sugiere niveles bajos de rigidez en el tobillo. Por lo tanto, estos resultados apoyan la predicción de que correr con apoyo de antepié genera menor impacto que correr con apoyo de talón. Se predice que correr con apoyo de medio pié generará valores intermedios con una fuerte dependencia del centro de presión en el impacto y de la rigidez del tobillo.

La forma en que los corredores apoyan en el suelo también afecta la amortiguacion de la pierna vertical, definida como la caída en el centro de masa del cuerpo en relación con la fuerza vertical durante el período de impacto. La amortiguacion vertical es mayor en FFS que en RFS, lo que lleva a una menor tasa de carga (Fig. 3c). La mayor amortiguacion durante el período de impacto en corredores FFS se explica en parte por una caída 74% mayor en el centro de masa, que resulta, en parte, de la flexión dorsal del tobillo y la flexión de la rodilla (Fig. 3b). Además, como los corredores calzados, los corredores descalzos ajustan la rigidez de la pierna dependiendo de la dureza de la superficie. Como resultado, no encontramos diferencias significativas en las tasas o magnitudes de carga de impacto en corredores descalzos en superficies duras en relación con las superficies amortiguadas.

Las diferencias entre correr con apoyo de talón y apoyo de antepié tienen sentido desde una perspectiva evolutiva. Si la carrera de resistencia fue un comportamiento importante antes de la invención de las zapatillas modernas, se espera que la selección natural haya operado para reducir el riesgo de lesiones e incomodidades con los pies descalzos o con calzado minimalista. La mayoría de los corredores calzados de hoy aterrizan casi exclusivamente sobre sus talones. En contraste, los corredores que no pueden o prefieren no usar zapatillas acolchadas con talones elevados a menudo evitan los aterrizajes con apoyo de talón y, por lo tanto, experimentan impactos transitorios más bajos que la mayoría de los corredores calzados de hoy en día, incluso en superficies muy rígidas. Los primeros homínidos bípedos, como los Australopithecus afarensis, tenían tubérculos de calcáneo agrandados y probablemente caminaban con un apoyo de talón. Sin embargo, carecían de algunas características derivadas del pie humano moderno, como un fuerte arco longitudinal interno, que mejora funcionalmente la mecánica de resorte al correr al almacenar y liberar energía elástica. No se sabe si los primeros homínidos corrían con un RFS, un MFS o con un modo de andar con FFS. Sin embargo, la evolución de un arco longitudinal fuerte en el género Homo aumentaría el rendimiento más para los aterrizajes sin apoyo de talón porque el arco se estira pasivamente durante toda la primera mitad de la fase de apoyo al correr con apoyo de antepié y apoyo de mediopié. En contraste, el arco puede estirarse pasivamente solo más tarde en la fase de apoyo durante la carrera con apoyo de talón, cuando tanto el antepie como el talón están en el suelo. Esta diferencia puede explicar el menor costo de correr descalzo en comparación con el correr calzado.

La evidencia de que los corredores descalzos y calzados con zapatillas minimalistas evitan los aterrizajes de apoyo de talón con colisiones de alto impacto puede tener implicaciones para la salud pública. El corredor promedio golpea el suelo 600 veces por kilómetro, lo que hace que los corredores sean propensos a lesiones por esfuerzo repetitivo. La incidencia de tales lesiones ha permanecido considerable durante 30 años a pesar de los avances tecnológicos que brindan más amortiguación y control de movimiento en las zapatillas diseñadas para correr con apoyo de talón. Aunque las zapatillas para correr con talón elevado y acolchado son cómodas, limitan la propiocepción y facilitan el aterrizaje de apoyo de talón en los corredores. Además, muchas zapatillas para correr tienen soportes para el arco y suelas rígidas que pueden debilitar los músculos de los pies, lo que reduce la fuerza del arco. Esta debilidad contribuye a una pronación excesiva y plantea mayores exigencias a la fascia plantar, que puede causar fascitis plantar. Si bien hay informes anecdóticos de lesiones reducidas en poblaciones descalzas, se necesitan estudios prospectivos controlados para probar la hipótesis de que las personas que no aterrizan predominantemente con apoyo de talón ya sea descalzas o con calzado minimalista, como parece haber evolucionado el pie para hacerlo, han reducido las tasas de lesiones.

CONCLUSION

Se observo que los corredores de resistencia habitualmente descalzos a menudo aterrizan en el antepié antes de apoyar el talón, pero a veces aterrizan con un pie plano (con el medio pie) o, con menos frecuencia, en el talón. En contraste, la mayoría de los corredores habitualmente calzados aterrizan con la parte posterior del pie, facilitados por el talón elevado y acolchado de la zapatilla para correr moderna. Los análisis cinemáticos y cinéticos muestran que incluso en superficies duras, los corredores descalzos que apoyan con el antepie generan fuerzas de impacto más pequeñas que los que apoyan con el talón calzados. Esta diferencia se debe principalmente a un pie más plantarflexionado en el aterrizaje y a un mayor ajuste del tobillo durante el impacto, disminuyendo la masa efectiva del cuerpo que colisiona con el suelo. Las pisadas en los antepies y mediopies eran probablemente más comunes cuando los humanos corrían descalzos o con calzado minimalista, y podían proteger los pies y las extremidades inferiores de algunas de las lesiones relacionadas con el impacto que ahora sufren un alto porcentaje de corredores.