Biomeccanica cause accorciamento muscolare

L'accorciamento muscolare: un modello fisico-matematico per la comprensione delle alterazioni della statica e della dinamica

Dott. Mauro Lastrico, fisioterapista.

ABSTRACT

Questo capitolo propone un'interpretazione fisica del fenomeno dell'accorciamento muscolare basata sui principi della meccanica dei materiali. Partendo dall'osservazione clinica che i muscoli tendono ad accorciare la propria lunghezza, si applica la teoria dei coefficienti di elasticità differenziali per spiegare come le componenti contrattili (alto coefficiente elastico) e connettivali (basso coefficiente elastico) rispondano diversamente alle sollecitazioni meccaniche.

Il modello introduce il concetto fondamentale del rapporto inversamente proporzionale tra Forza Resistente (FR) e Forza Lavoro (FL), dimostrando come l'accorciamento delle componenti connettivali generi inefficienza meccanica piuttosto che vera debolezza muscolare. L'analogia del carrello con il freno tirato illustra come il muscolo mantenga la capacità di generare forza ma la dissipi internamente per vincere le proprie resistenze strutturali.

Le implicazioni del modello includono alterazioni statiche (modificazione degli assi articolari), dinamiche (aumento del dispendio energetico) e la tendenza alla perpetuazione del fenomeno attraverso compensi adattativi. La reversibilità dell'accorciamento è prevista dalle stesse leggi fisiche attraverso l'applicazione di forze appropriate per tempi compatibili con le proprietà viscoelastiche del tessuto.

Questo approccio, valido in assenza di patologie specifiche, offre una chiave interpretativa rigorosa e verificabile dei fenomeni muscolo-scheletrici comunemente osservati nella pratica clinica.

Parole chiave: meccanica muscolare, coefficiente di elasticità, forza resistente, forza lavoro, accorciamento connettivale

Nota preliminare:

Le osservazioni e i meccanismi descritti nel presente lavoro si riferiscono esclusivamente a condizioni in assenza di patologie specifiche congenite o acquisite, neurologiche, muscolari, scheletriche o di altra natura. Il modello proposto analizza le modificazioni biomeccaniche che si verificano in assenza di malattie specifiche, rappresentando quindi le alterazioni funzionali del sistema muscolo-scheletrico in condizioni non patologiche.

1 L'osservazione clinica dell'accorciamento muscolare

Nella pratica clinica si riscontra un fenomeno: i muscoli, in assenza di patologie specifiche congenite o acquisite, neurologiche o di altra natura, tendono progressivamente ad accorciare la propria lunghezza.

Tale accorciamento si manifesta con una riduzione della lunghezza di base del muscolo che, pur mantenendo integra la sua capacità contrattile, determina l’alterazione della geometria articolare. Ciò comporta una limitazione dell'escursione articolare e, conseguentemente, una modificazione della fisiologica sequenza del movimento.

Per comprendere i meccanismi che sottendono a questo fenomeno, è possibile analizzare il comportamento delle componenti elastiche del muscolo secondo i principi della fisica dei materiali.

2 Le leggi fisiche della deformazione elastica

La fisica insegna che qualunque materiale sottoposto a forze deformanti subisce modificazioni in base al proprio coefficiente di elasticità. Questo principio universale si applica anche ai tessuti biologici e fornisce la chiave interpretativa per comprendere il fenomeno dell'accorciamento muscolare.

Il coefficiente di elasticità ideale è uguale a 1 e rappresenta un materiale perfettamente elastico che restituisce interamente l'energia accumulata, ritornando esattamente allo stato iniziale. Come è noto dalla fisica, tali materiali in natura non esistono ed il valore uguale ad 1 costituisce un riferimento teorico ideale.

fig. 01

• f: forza
• t: tempo
• R: carico di rottura
• giallo: area restituzione dell'energia
• curva dei materiali elastici: coefficiente di elasticità E = 1

I materiali reali presentano coefficienti di elasticità inferiori a 1. Di conseguenza, quando vengono sottoposti a forze deformanti, mantengono deformazioni residue che risultano proporzionali sia all'intensità della forza applicata che al tempo di applicazione. Ciò significa che maggiore è il prodotto forza-tempo, maggiore sarà la deformazione permanente del materiale.

fig. 02

• f: forza
• t: tempo
• R: carico di rottura
• giallo: area restituzione dell'energia
• rosso: area delle deformazioni permanenti
• curva dei materiali plastici: coefficiente di elasticità E < 1

3 L'applicazione delle leggi fisiche al tessuto muscolare

Nel muscolo si trovano due materiali elastici differenti: la parte contrattile dell'actina e miosina e la parte connettivale delle membrane e dei tendini.

Per quanto concerne la parte contrattile del muscolo, questa potrà solo contrarsi e rilasciarsi. Il suo coefficiente di elasticità è molto alto e, più che in modificazioni strutturali permanenti, è interessata ed implicata negli innalzamenti del tono muscolare.

Le componenti connettivali, invece, avendo un coefficiente di elasticità minore, potranno rimanere accorciate o allungate in maniera proporzionale alla forza, alla durata e alla frequenza dello stimolo loro applicato. Ciò determina che, sottoposti a forze compressive prolungate nel tempo, questi tessuti mantengano deformazioni residue.

Tale differenza di comportamento elastico trova riscontro nella pratica clinica: mentre le tecniche di rilassamento muscolare risultano efficaci nell'agire sul tono basale, cioè sulla componente contrattile, il loro effetto risulta limitato sugli accorciamenti consolidati a carico del tessuto connettivale.

4 Classificazione meccanica degli elementi elastici

Schematicamente gli elementi elastici connettivali del muscolo vengono divisi in due categorie in base al loro comportamento meccanico.

Gli elementi elastici in serie sono costituiti dai tendini e dai loro prolungamenti all'interno del ventre muscolare. La loro azione è quella di "ammortizzare", durante la contrazione muscolare, le sollecitazioni prodotte, sia quando un muscolo si accorcia, sia quando si stira. Inoltre, la presenza di strutture protettive come gli organi tendinei del Golgi impedisce la lesione di questi elementi, inducendo rilasciamento muscolare quando la tensione diventa eccessiva. Un ulteriore vantaggio offerto da queste strutture è quello di restituire l'energia accumulata, come una molla, in base alla loro elasticità.

Gli elementi elastici in parallelo sono costituiti dal sarcolemma, dalle altre membrane connettivali e dal tessuto connettivale interposto. La loro azione è quella di "smorzare" le sollecitazioni prodotte dagli stiramenti riducendo le resistenze. Durante la contrazione muscolare, questi elementi subiscono una compressione diretta e, in funzione del prodotto forza-tempo applicato, possono mantenere deformazioni residue. È a questo livello che si determina l'accorciamento permanente del muscolo.

5 Il modello fisico-matematico della fibra muscolare

Utilizzando una semplificazione del comportamento della fibra muscolare su modello matematico avremo:

fig. 03

• A: fibra muscolare a riposo
• B: contrazione
• C: rilasciamento
• S: sommatoria accorciamento muscolare residuo
• rosso: porzioni connettivali
• blu: porzioni contrattili
• linee nere verticali: inserzioni del muscolo

Durante la fase di contrazione con avvicinamento delle inserzioni (B), le componenti contrattili dell'actina e miosina si deformano attivamente in compressione e trazionano le componenti connettivali disposte in parallelo, che subiscono una deformazione di tipo compressivo. Non sono state rappresentate le componenti connettivali disposte in serie in quanto, quest’ultime, non subiscono modificazioni durante la fase attiva.

In funzione della forza/tempo di contrazione, al momento del rilasciamento la parte contrattile, avendo un coefficiente di elasticità molto alto, può tornare alle condizioni di partenza o residuare una deformazione compressiva che si manifesta con l'aumento del tono basale. La componente connettivale in parallelo, avendo un coefficiente di elasticità inferiore, avrà subito delle modifiche compressive residue.

A fine contrazione, quindi, tutte le componenti connettivali avranno subito una modificazione di tipo compressivo e la loro sommatoria determina l'accorciamento residuo del muscolo (S).

6 Il muscolo come forza compressiva

Il muscolo agisce come una forza compressiva e non è in grado, autonomamente, di allontanare le proprie inserzioni.

Questo principio della meccanica muscolare ha conseguenze dirette sulla comprensione delle alterazioni scheletriche: essendo lo scheletro privo di capacità di movimento autonomo, ogni modificazione della fisiologica sequenza articolare è necessariamente conseguenza delle forze muscolari agenti.

7 Le conseguenze scheletriche dell'accorciamento muscolare

Le contrazioni muscolari con avvicinamento delle inserzioni e le isometriche non in massimo allungamento fisiologico o relativo, in funzione della forza/tempo di contrazione, produrranno una perdita della lunghezza del muscolo a carico della componente connettivale ed un aumento del tono basale a carico della porzione contrattile.

A livello scheletrico, la conseguenza sarà che le ossa su cui i muscoli si inseriscono subiranno progressivamente delle forze vettoriali di trazione, tali da modificarne la fisiologica sequenzialità.

A livello muscolare, il progressivo accorciamento della componente connettivale e l'aumento del tono basale della parte contrattile determinano l'aumento della forza resistente del muscolo, ma al contempo ne diminuiscono la capacità di Lavoro (forza per spostamento) e di Potenza (il Lavoro prodotto nell'unità di tempo).

Questo meccanismo, sempre considerando l'assenza di patologie specifiche, spiega le alterazioni della fisiologica sequenza articolare osservabili clinicamente. Lo scheletro si adatta passivamente alle forze muscolari secondo leggi meccaniche.

8 La relazione tra forza resistente, Lavoro e Potenza

Il progressivo accorciamento della componente connettivale e l'aumento del tono basale della parte contrattile determinano l'aumento della forza resistente del muscolo. Per forza resistente si intende la resistenza che il muscolo oppone alla trazione, cioè all'allungamento.

Tale aumento della forza resistente comporta, al contempo, la diminuzione della capacità di Lavoro del muscolo, inteso come forza per spostamento, e della Potenza, cioè il Lavoro prodotto nell'unità di tempo.

Ciò significa che un muscolo con componenti connettivali accorciate, pur mantenendo intatta la capacità contrattile, deve impiegare parte della propria energia per vincere le resistenze interne prima di produrre movimento utile. Il principio è analogo a quello di un sistema meccanico in cui sia presente un attrito interno: il motore (componente contrattile) funziona perfettamente ma parte dell'energia viene dissipata per vincere la resistenza (componente connettivale accorciata) prima di produrre movimento efficace. La conseguenza è che il muscolo, pur non essendo realmente debole, risulta inefficiente dal punto di vista meccanico.

Questo principio trova riscontro clinico in tutte quelle situazioni di immobilizzazione prolungata. Ad esempio, dopo la rimozione di un gesso per frattura dell'omero, il gomito si presenta frequentemente in flessione. Tale atteggiamento è determinato dall'accorciamento delle componenti connettivali dei muscoli flessori che, avendo subito una contrazione mantenuta per il tempo dell'immobilizzazione, hanno sviluppato un'aumentata forza resistente.

In questa condizione, i flessori del gomito oppongono resistenza all'estensione, sia quando questa viene indotta passivamente attraverso manovre di allungamento eseguite dall'operatore, sia quando viene tentata attivamente attraverso la contrazione del tricipite.

Paradossalmente però, se si valuta la capacità dinamica degli stessi flessori, questa risulta diminuita proprio perché l'energia contrattile disponibile viene in parte dissipata per vincere le resistenze interne del tessuto connettivale accorciato.

La differenziazione tra forza resistente, Lavoro e Potenza è il concetto chiave per comprendere come l'accorciamento muscolare influenzi non solo la statica ma soprattutto la dinamica del movimento.

9 Implicazioni sistemiche dell'accorciamento muscolare

L'accorciamento progressivo delle componenti connettivali non rimane un fenomeno isolato ma determina conseguenze che si ripercuotono sull'intero sistema muscolo-scheletrico.

A livello statico, la modificazione della lunghezza muscolare costringe le articolazioni ad adattarsi secondo nuovi assi. Ciò comporta che i carichi, anziché distribuirsi uniformemente sulle superfici articolari, si concentrino in aree ristrette determinando sollecitazioni asimmetriche. Tale alterazione della distribuzione delle forze può, nel tempo, favorire l'insorgenza di processi degenerativi articolari.

A livello dinamico, l'accorciamento muscolare determina innanzitutto una limitazione meccanica dell'escursione articolare. Il movimento, per essere eseguito, richiede un maggior dispendio energetico in quanto parte dell'energia contrattile viene dissipata per vincere le resistenze interne. Di conseguenza, il sistema è costretto ad adottare pattern di movimento alternativi che, pur permettendo la funzione, si discostano dal modello fisiologico.

Questi adattamenti innescano un meccanismo di perpetuazione del fenomeno. I pattern alterati di movimento determinano infatti ulteriori accorciamenti compensatori in altri distretti muscolari, mentre il sistema nervoso, attraverso la plasticità dello schema corporeo, tende a normalizzare le alterazioni interpretandole come nuova condizione di base. Si instaura così un circuito di autoalimentazione in cui l'accorciamento muscolare genera alterazioni degli assi scheletrici che, a loro volta, determinano ulteriori accorciamenti, amplificando progressivamente il fenomeno iniziale.

10 Reversibilità dell'accorciamento muscolare

Le stesse leggi fisiche che spiegano il meccanismo dell'accorciamento forniscono anche i principi per la sua reversibilità. Il tessuto connettivale, avendo un coefficiente di elasticità inferiore a 1, mantiene la capacità di essere deformato sia in accorciamento che in allungamento, in funzione delle forze applicate e del tempo di applicazione.

La reversibilità del fenomeno richiede l'applicazione di tecniche terapeutiche specifiche per tempi compatibili con le proprietà del materiale biologico trattato.

Sintesi del capitolo

In questo capitolo sono stati esposti i principi fisici che spiegano il fenomeno dell'accorciamento muscolare osservabile clinicamente.

I concetti fondamentali trattati sono:

• Il comportamento elastico differenziato delle componenti muscolari: la porzione contrattile (actina e miosina) con coefficiente di elasticità elevato che determina variazioni del tono basale, e la porzione connettivale con coefficiente inferiore che mantiene deformazioni residue
• Il modello fisico-matematico della contrazione che dimostra come le forze compressive applicate per tempo sufficiente determinino l'accorciamento permanente delle componenti connettivali
• La relazione inversamente proporzionale tra forza resistente e capacità di Lavoro: l'accorciamento connettivale aumenta le resistenze interne che il muscolo deve vincere, diminuendone l'efficienza meccanica
• Le conseguenze sistemiche dell'accorciamento: alterazioni degli assi articolari, distribuzione asimmetrica dei carichi, pattern di movimento compensatori e instaurazione di un circuito di autoalimentazione
• La reversibilità del fenomeno secondo gli stessi principi fisici che ne determinano l'insorgenza