Forza e Potenza: qual'è la correlazione?

Si dichiara che l'autore esclusivo del presente articolo è Michelusi Mattia. A quest'ultimo sono riservati tutti i diritti sull'opera quali l'adattamento totale o parziale, la diffusione e la riproduzione in qualsiasi mezzo in quanto frutto di ricerca e di elaborazioni personali.

Per capire meglio questo nuovo articolo vi consiglio la lettura dei due precedenti posts riguardo la forza:

• Forza - Concetti chiave
• Forza nella pedalata

Negli articoli sopraindicati abbiamo visto che cos'e' la forza, quali sono i fattori che determinano i livelli di forza erogabili e l'applicazione di forza durante la pedalata.

• Ma la potenza che cos'è? 
• E' la stessa cosa parlare di forza o di potenza? 
• Qual'e' la correlazione tra forza e potenza?

Per capire tutto ciò riprendiamo il grafico della partenza da fermo massimale registrata con misuratore di potenza:

In questo caso, oltre all'andamento della cadenza di pedalata e della forza, troviamo anche la potenza. Mentre la forza ha un andamento discendente, si può notare come la potenza sia bassa all’inizio, aumenti in modo progressivo e successivamente cali:

• Il picco di potenza (1198 Watt) viene raggiunto dopo quasi 5” a una cadenza di pedalata di 93 RPM con un livello di forza pari a 703 Newton.
• Il picco di forza (1062 Newton) viene raggiunto nei primissimi secondi a una cadenza di pedata di 40 RPM con una potenza pari a 778Watt.

La forza erogata alla massima potenza e' circa 2/3 della forza a 40 RPM. La massima potenza quindi non coincide con la massima forza assoluta erogabile dall'atleta. La potenza infatti dipende da quanta forza applico e a che cadenza di pedalata:

Potenza = Forza X RPM 

Parlare di forza e di potenza non e' quindi la stessa cosa:

• In una partenza da fermo massimale i livelli più elevati di forza si hanno nelle prime pedalate, mentre i livelli massimi di potenza si raggiungono a RPM più elevate.
• In uno sprint massimale lanciato fatto a basse RPM i livelli di forza saranno più elevati rispetto uno sprint effettuato con un rapporto più agile.
• Erogare 300 Watt a 50 RPM o a 100 RPM non e' la stessa cosa. La potenza e' la stessa, ma non la forza.

                                 300 Watt a 50 RPM - 330 N

                                 300 Watt a 100 RPM - 160 N

In questo caso a 50 RPM la forza applicata è circa il doppio che a 100 RPM.

A conferma di quanto detto, nel grafico seguente è visualizzata la registrazione di una prova di 10' a potenza costante con variazioni della cadenza di pedalata:

• In verde la potenza in Watt
• In blu la cadenza di pedalata
• In giallo la forza applicata.

Sebbene la potenza sia costante, si nota come la forza vari continuamente in maniera inversa alla cadenza di pedalata (forza alta a basse RPM, forza bassa ad alte RPM).

Quello che in apparenza sembrava una ripetuta da 10' a potenza costante è in realtà un lavoro con variazioni di forza.

Mai quindi dimenticarsi di indicare anche la cadenza di pedalata quando si imposta un programma d'allenamento!

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Mattia Michelusi
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Altri articoli riguardo Scienza & Sport nel seguente link: Scienza & Sport

Potenza in salita nel dettaglio

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Nel precedente articolo abbiamo visto alcuni concetti chiave chiarendo l'importanza di tenere in considerazione il peso dell'atleta e della bicicletta quando si va a valutare una prestazione in salita (Articolo: "Potenza in salita - Concetti chiave").

Con questo nuovo articolo cercheremo di capire nel dettaglio quali sono i fattori che intervengono e quanto incide il peso dell'atleta/bicicletta e la pendenza della salita.

Per fare ciò riprendiamo in mano gli studi effettuati da uno dei primi ricercatori ad analizzare in modo approfondito e quantitativo questo argomento, P. E. Di Prampero. Egli individuo' un’equazione del moto del ciclista che descrive i parametri che determinano la potenza meccanica erogata dal ciclista (Di Prampero et al. 1979).

W’ tot = W’est + W’ int

I punti di contatto tra il ciclista e la propria bicicletta sono cinque, suddivisi tra sella, pedali e manubrio. Il gesto atletico del ciclista abbatte quindi la quantità di lavoro meccanico interno  (W' int) necessario al ciclista per accelerare gli arti inferiori, e di dedicare la quasi totalità della potenza prodotta per vincere le forze esterne (W' est).

West = Wr + Wa + Wg

Riassumendo quindi il lavoro meccanico che un ciclista deve compiere per avanzare dipende :

• dall’attrito dei pneumatici con il terreno e degli ingranaggi (Wr)
• dalla resistenza dell’aria (Wa)
• dal lavoro compiuto contro la forza di gravità (Wg)

Come si può vedere dal seguente grafico in salita la componente gravità (Wg) ha una maggior importanza a discapito della componente aerodinamica (Wa) e dell'attrito (Wr). 

Intervento della componente attrito, aerodinamica e gravità a varie pendenze della strada (Velocità  20km/h)

Ci soffermiamo quindi a studiare il lavoro compiuto per vincere la forza di gravità (Wg) che risulta la componente più importante in salita. 

Wg = M ∙ g ∙ sen γ

Questo lavoro dipende:

• dalla massa del ciclista (M)
• dalla massa della bicicletta (M)
• dalla forza di gravità (g)
• dalla pendenza della salita (sen γ)

La forza di gravità e' un parametro costante (9,8m/s²), quindi i due fattori principali che intervengono sono la massa in kg (ciclista + bicicletta) e la pendenza della strada.

In questo grafico e' possibile analizzare la potenza che due atleti di peso differente devono erogare per avanzare a 15km/h a varie pendenze di strada (importante considerare come questi dati sono stati ricavati da calcoli matematici standardizzando alcuni parametri come il peso della bici, la velocità del vento, la densità dell'aria, al quota ecc):

Potenza che due ciclisti con peso differente devono erogare per avanzare a 15km/h su pendenze differenti

L'atleta di 80kg e' costretto erogare una potenza da un 20-23% (a basse pendenze) fino a un 25-28% (pendenze più elevate) in più rispetto il ciclista di 60kg.

In altre parole in un salita di 5km al 5% affrontata a 300W il ciclista di 80kg impiegherà circa 2'30" in più rispetto un ciclista di 60kg. Se raddoppiamo la pendenza (10%), sempre a 300W, il ciclista di 80kg impiegherà circa 5'30"-6' in più rispetto un ciclista di 60kg.

Il divario tra un ciclista leggero e uno più pesante aumenta quindi all'aumentare della pendenza della strada.

Questo comunque non significa che in salita l'atleta più leggero avrà sempre la meglio su un atleta più pesante, in quanto ci sono vari fattori limitanti una prestazione di endurance come il VO2 Max, F - frazione di ossigeno utilizzabile e Cr - costo energetico (P. E. Di Prampero). Oltre a questi parametri ritengo fondamentale inserire anche il fattore resilienza (resistenza psicologica).

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Mattia Michelusi
Email: mattia.michelusi@gmail.com
www.coachmichelusi.blogspot.it 

Altri articoli riguardo la scienza applicata allo sport nel seguente link: Scienza e Sport

Bibliografia:
Di Prampero PE, Cortili G, Mognoni P, Saibene F. Equation of motion of a cyclist. J Appl Physiol. 1979 Jul; 47 (1): 201-6
Di Prampero P. E. La locomozione su terra, aria e acqua. Fatti e teorie. Edi-ermes Milano 1985
Di Prampero. Cycling on Earth, in space, on the Moon. Eur J Appl Physiol. 2000 Aug;82(5-6): 345-60
Bragato D, Antonutto G, Plaino L,:Tesi di laurea: Determinazione della potenza critica in ciclisti dilettanti (categoria Under 23 – Elite)
Olds T.S., K.I. Norton, and N.P. Craig. Mathematical model of cycling performance. J. Appl. Physiol. 75 (2): 730-737, 1993
Michelusi M, Capelli C, Colli R: Tesi di laurea specialistica: Modello di prestazione del ciclista della categoria Elite/Under 23: analisi della potenza meccanica e metabolica erogata (2011)

La potenza in salita: concetti chiave

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Le gare in salita sono quelle competizioni che presentano difficoltà altimetriche più o meno impegnative.

File SRM di una gara con diverse difficoltà altimetriche

In uno studio che ho effettuato si e' riscontrato che, mediamente, nelle gare con elevate difficoltà altimetriche della categoria Elite/Under 23 si erogano principalmente wattaggi compresi tra 300 e 400 watt (28,78% del tempo totale di gara), mentre vengono erogate potenze superiori ai 600 watt solo per l’1,12% del tempo totale (2’50” dei 253’ medi totali) (Articolo Modello di prestazione).

Particolare attenzione pero' va posta quando si valuta una singola salita.

File SRM di una salita affrontata in gara da un atleta professionista

La salita in analisi presenta le seguenti caratteristiche:

• Distanza:12 km.
• Velocità media: 18,4 km/h.
• Tempo: 39’05”.
• Potenza media assoluta: 296 Watt.
• Dislivello: 882 metri.
• Potenza media relativa: 4,3 Watt/kg.
• Pendenza media: 7,3%.
• Velocità ascensionale media: 1354 m/h.

Quale di questi è il parametro più importante da analizzare per valutare la prestazione ottenuta dal ciclista? 

Per rispondere a questa domanda vi rimando ai due grafici successivi che rappresentano la prestazione ottenuta da due atleti nella stessa salita della lunghezza di 1,86 km con una pendenza media del 6,2%.

Quali dei due ciclisti ha affrontato la salita con il minor tempo? Probabilmente la risposta più scontata sembrerebbe l’ATLETA 2 perché ha erogato una potenza maggiore (50 watt in più rispetto l’ATLETA 1). In realtà per rispondere a questa domanda dobbiamo chiederci qual'e' il peso dei due corridori.
Infatti non dobbiamo dimenticare come il lavoro meccanico esterno compiuto dal ciclista per poter avanzare è condizionato anche dal lavoro compiuto contro la forza di gravità – Wg. Questo lavoro dipende:

• dalla forza di gravità g (che equivale a 9,81 m/s2);
• dalla massa del ciclista più quella della bicicletta (espressa in kg);
• dall’inclinazione del terreno rispetto l’orizzontale (sen γ)

Wg = M · g · sen γ

La componente di forza per vincere la forza di gravità aumenta quindi all’aumentare della pendenza della strada e all’aumentare del peso del ciclista. Un ciclista di peso maggiore deve quindi erogare una potenza maggiore per avanzare alla stessa velocità di un atleta con un peso inferiore. In salita la potenza in Watt deve essere messa in relazione con il peso corporeo dell’atleta (potenza relativa espressa in W/kg). (Maggior informazioni nel seguente link: "Che cos'e' la potenza?" )

Conoscendo il peso dei due atleti presi in analisi si riscontra come la potenza relativa (W/kg) sia la stessa (6,7 W/kg), in quanto l’ATLETA 1 pesa 7 kg in meno rispetto l'ATLETA 2.

ATLETA 1:

Potenza: 357 Watt.
Tempo salita: 3’50”.
Peso atleta: 53 kg.
Potenza/kg: 6,7 W/kg.
Velocità ascensionale media: 1800 m/h.

ATLETA 2:

Potenza: 407 Watt.
Tempo salita: 3’50”.
Peso atleta: 60 kg.
Potenza/kg: 6,7 W/kg.
Velocità ascensionale media: 1800 m/h.

I due atleti hanno quindi affrontato la salita con lo stesso tempo (3' 50").

Continuate a seguire il blog, nel prossimo articolo ulteriori analisi che ci aiuteranno a capire meglio quanto incide il peso dell'atleta e la pendenza della salita 

(Eccovi il link: Potenza in salita nel dettaglio)

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Mattia Michelusi
Email: mattia.michelusi@gmail.com
www.coachmichelusi.blogspot.it 

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Bibliografia:
Di Prampero PE, Cortili G, Mognoni P, Saibene F. Equation of motion of a cyclist. J Appl Physiol. 1979 Jul; 47 (1): 201-6
Di Prampero P. E. La locomozione su terra, aria e acqua. Fatti e teorie. Edi-ermes Milano 1985
Di Prampero. Cycling on Earth, in space, on the Moon. Eur J Appl Physiol. 2000 Aug;82(5-6): 345-60
Michelusi M, Capelli C, Colli R: Tesi di laurea specialistica: Modello di prestazione del ciclista della categoria Elite/Under 23: analisi della potenza meccanica e metabolica erogata (2011)