1.8 Torsione (Momento), Coppie di Forze e Momento Angolare

Torque (Momento o Momento della Forza)
La torsione (anche nota come Momento, o Momento della Forza) rappresenta l’effetto rotante che si verifica quando le leve ruotano intorno ad un asse o fulcro. Nel corpo umano, il Momento entra in gioco in maniera congiunta con la combinazione delle forze interne ed esterne, che agiscono su un’articolazione, e rappresenta l’equivalente rotazionale della forza.
Maggiore forza, o un’applicazione di questa più lontano dal centro di rotazione, determina una maggiore produzione del momento, che essenzialmente equivale ad una leva più efficace. Pensa ad un meccanico che cerca di avvitare stretto un dado: applicando maggiore forza oppure usando una chiave più lunga riuscirà nell’operazione più semplicemente. La stessa cosa accade quando apri una porta chiusa dalla cerniera: la leva più corta rende più difficile l’apertura rispetto a quando compi questa operazione dall’estremità.
Momento della Forza, Bracci di leva e Forza

 Vincere la Resistenza
L’ammontare del Momento di Forza che un atleta può applicare per vincere la resistenza rotazionale dipende da:

  • Quanta forza viene esercitata: atleti più forti, per esempio possono produrre maggiore forza.
  • Con quale inclinazione viene applicata la forza: quando si osservano le leve, generalmente si assume che la forza sia applicata con un angolo retto. Nel corpo umano per esempio, gli angoli di pennazione dei muscoli possono influenzare l’ammontare di forza, che un muscolo riesce ad esercitare. Molti muscoli, infatti, non tirano mai con un angolo che eccede i 20° e questo influenza la loro capacità di trasferire forza.
  • La lunghezza del braccio di forza in uso.

 Braccio del momento e Momento
In un sistema il braccio del momento (braccio di leva) è la proiezione del braccio della forza lungo la direzione della forza stessa, ossia la distanza ottenuta abbassando la perpendicolare dal polo (proiezione dell’asse di rotazione sul piano ó centro di rotazione) alla direzione della forza. In Fisica il prodotto della forza applicata per il braccio del momento dà come risultato il Momento.
I bracci di forza e resistenza si possono alterare con i movimenti e le posizioni assunte dal corpo. Nel corpo umano i bracci dei momenti possono cambiare con l’angolo con il quale è applicata la forza.

Coppia di Forze
Una coppia di forze è costituita da 2 forze parallele uguali ed opposte che agiscono sul corpo lungo diverse linee. L’effetto torcente di questa coppia viene calcolato come il prodotto di entrambe le forze e la distanza perpendicolare tra esse.
Nel corpo umano, un’articolazione, su cui agisce una coppia, ruota; ne deriva un moto angolare in risposta all’azione di un gruppo di muscoli che tirano in diverse direzioni secondo la loro origine, inserzione e angolo di tirata. Muscoli che agiscono come coppie sinergiche, che costano di prime movers, e gruppi di stabilizzatori o coppie antagonistiche possono costituire una coppia di forze che genera movimento.
Momento Angolare
Gli oggetti e i sistemi che ruotano posseggono un momento definito come Momento Angolare, ossia l’equivalente angolare della Quantità di Moto. Proprio come la Quantità di Moto (in senso lineare) di un corpo dipende dalla sua massa e velocità, così il Momento Angolare dipende dall’Inerzia Rotazionale e dalla velocità angolare del sistema.
La generazione di un Momento Angolare è importante in tutti gli sport dove gli atleti ruotano, battono o utilizzano attrezzi che ruotano.
Il Momento Angolare può essere incrementato in 3 modi:

  1. Incrementando la massa dell’oggetto che sta ruotando.
  2. Allontanando la massa dall’asse di rotazione.
  3. Incrementando la velocità angolare dell’oggetto che sta ruotando.

Un atleta di salto in alto può utilizzare il momento angolare per favorire il salto aggiungendo un’energica oscillazione del braccio e un’azione indirizzata del ginocchio sulla gamba libera. Producendo questi movimenti genera un momento angolare, che viene poi trasferito al corpo. Comunque, queste azioni devono essere realizzate mentre si è ancora in contatto con il suolo. Se un atleta di salto in alto cerca di fare questi movimenti, mentre è in volo, questi genereranno una diversa reazione.
Conservazione del Momento Angolare
Il Principio di conservazione del Momento Angolare è l’equivalente angolare della I Legge di Newton che descrive l’Inerzia. Questo stabilisce che un oggetto che si muove (o ruota) continuerà a farlo, a meno che non intervenga una forza ad interrompere o fermare la rotazione.
Un sistema proverà sempre a portare il proprio momento angolare ad un valore costante e ogni cambiamento delle sopramenzionate variabili creerà un’altra alterazione, al fine di conservare il momento.
I tuffatori, per esempio, possono cambiare rapidamente le posizioni del corpo da una configurazione aperta a una chiusa concentrando tutta la massa attorno al proprio asse di rotazione. Facendo questo, essi riducono l’Inerzia Angolare e aumentano la velocità angolare (velocità di spinning).
Il Momento Angolare nell’Atletica Leggera
Nell’Atletica Leggera gli atleti di salto in alto e salto in lungo introducono un cambiamento nel momento angolare mentre sono in volo attuando improvvisi cambiamenti nella posizione di gambe e braccia. Così facendo le altre parti del corpo devono cedere una parte del loro momento angolare per far sì che il momento angolare totale del sistema rimanga lo stesso.
Se per esempio un atleta di salto in lungo stacca dalla linea con 12 unità di momento angolare, queste non possono essere incrementate a 15 mentre è in volo. Invece, può generare 3 unità di momento angolare attraverso la rotazione di braccia e gambe, ma questo significa che queste stesse 3 unità devono essere dissipate da qualche altra parte all’interno del corpo, perché il momento angolare del sistema rimanga di 12 unità.
Il controllo in volo della posizione del proprio corpo, che mostrano gli atleti di salto in lungo è il risultato di questo fenomeno. Generando un momento angolare con braccia e gambe, riducono il momento angolare in altre parti del corpo generando maggiore controllo in volo.
Un problema comune, che individuano i coaches, sta nella rotazione anticipata. Questa generalmente si viene a creare nella fase di decollo per effetto del piede, che applica una forza indietro e verso il basso sulla linea di battuta, causando una continuazione della rotazione in avanti una volta in volo, a meno che l’atleta non crei un movimento per contrastarla.
Gli atleti esperti di salto in lungo in volo ruotano in avanti gambe e braccia per creare una rotazione all’indietro di contrasto.
Trasferimento del Momento Angolare
In molti movimenti sportivi si può osservare in un atleta il trasferimento del momento angolare di una parte all’intero corpo. Questo trasferimento può essere improvviso, con una rapida decelerazione di una data parte del corpo o graduale con una velocità uniforme relativa al cambiamento nei sistemi di leva.  – ricorda l’Hinge Moment (Momento a Cerniera) –
Un corpo, che sperimenta una rotazione, può rallentare, fermarsi o addirittura invertire la rotazione semplicemente ruotando varie parti del corpo nella stessa direzione.
Per esempio, atleti di salto con l’asta, che hanno calato l’asta verticalmente in direzione della barra, stanno utilizzando il principio di trasferimento del momento angolare per controllare la rotazione, raggiungere l’altezza libera della barra e, di conseguenza, controllare la rotazione nella discesa per l’atterraggio sul materasso. Mentre cadono, spesso è possibile osservare che essi muovono o roteano gli arti per trasferire il momento angolare tra parti del corpo e controllare così la loro posizione nello spazio. Questa manipolazione delle parti del corpo può essere dimostrata dal riflesso di raddrizzamento del gatto: esperimenti hanno dimostrato che, se cade in posizione rovesciata da almeno 30cm, un gatto riesce istintivamente a girarsi in aria per cadere sulle proprie zampe.
Images of a falling cat by Étienne-Jules Marey, from the journal Nature printed in 1894.
Utilizzando un asse secondario di rotazione, il corpo ha un metodo per assorbire e ridistribuire le forze che generano rotazione. Gli assi secondari sono quelli che non attraversano il CoM del corpo e spesso sono chiamati assi di inclinazione. Essi possono essere usati in volo o al suolo per creare patterns di movimento efficaci come dimostra l’esempio sopra.


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