In pista: tecnologia per gli atleti Understand article

Tradotto da Monica Menesini. Quando vediamo gli atleti della pista battere i record, di rado pensiamo alla chimica e alla fisica della pista stessa.

Figura 1: Lo Stadio Olimpico
João Havelange a Rio de
Janeiro, sede dei Giochi
olimpici 2016

Immagine gentilmente
concessa da Andrew Hecker;
fonte dell’immagine: Wikimedia
Commons

Quest’anno, i Giochi Olimpici offriranno agli atleti una nuova occasione per mettersi alla prova e battere i vecchi record a Rio de Janeiro, in Brasile. Ma oltre all’allenamento, allo stato di forma e al talento, gli atleti potranno contare su un altro fattore che li può aiutare nell’impresa: la tecnologia.

Gli atleti della corsa potranno contare principalmente sulla superficie della pista che potrà esaltare le loro prestazioni. Mentre gli amatori che si allenano sulle strade e nei parchi fanno affidamento sulle scarpe per avere appoggio ed elasticità, gli atleti veri possono contare sulla pista. Questo fatto spiega la differenza tra i livelli di rendimento degli studenti o degli amatori e quelli degli atleti di punta. L’energia in ballo nelle accelerazioni, decelerazioni, salti etc. è decisamente diversa: uno sprinter olimpico si potrebbe fare male per l’impatto della corsa sulle sue articolazioni se si trovasse a correre a quelle velocità su un tracciato più duro. E uno studente o chi fa jogging con scarpe ammortizzate potrebbe, viceversa, trovare le piste di atletica troppo morbide.

Figura 2: Un’atleta si posiziona ai blocchi di partenza. Da notare le scarpe senza ammortizzazione: nelle competizioni di alto livello è la pista che assorbe gli impatti durante la corsa, non le scarpe
Immagine gentilmente concessa da Mondo SpA

Le forze in gioco

La corsa consiste in una serie di impatti sul terreno, quindi la superficie ideale dovrebbe fornire un effetto di assorbimento dello shock sufficiente ad evitare lesioni (specialmente a caviglie, ginocchia e legamenti) e nello stesso tempo una base forte e stabile per consentire all’atleta la spinta in avanti.

Pensiamo alle forze che si esercitano tra l’atleta e la superficie della pista. Ad ogni passo, l’atleta usa i muscoli della gamba (e l’attrito tra la pista e la suola delle scarpe) per spingere contro il terreno. La terza legge della dinamica di Newton ci dice che:

Ad ogni azione [forza] corrisponde una reazione uguale e contraria[forza]

Questo significa che quando l’atleta spinge verso la pista, la pista esercita una forza uguale ed opposta sull’atleta, spingendolo in avanti. Spesso si parla di forza di reazione del terreno.

La seconda legge della dinamica di Newton ci dice che :

Forza = massa x accelerazione

Quindi più grande è la forza di reazione del terreno, maggiore è l’accelerazione.

Figura 3: uno sprinter alla partenza
Immagine gentilmente concessa da tableatny; fonte dell’immagine: Wikimedia Commons

La seconda legge di Newton ci spiega anche cosa succede tutte le volte che un atleta atterra durante la corsa. Quando il piede colpisce il suolo, decelera e si ferma prima di ripartire. Più veloce è la decelerazione, maggiore è la forza di impatto sul terreno. La pista quindi deve assicurare che la decelerazione sia sufficientemente lenta perché l’impatto sia sopportabile, ma sufficientemente veloce per sostenere la velocità della corsa. Qui entrano in gioco gli specialisti dei materiali che devono produrre una pista che non sia né troppo morbida né troppo dura.

Figura 4: Lo Stadio olimpico di londra con la superficie di gomma polimerica della pista e dei campi
Immagine gentilmente concessa da Mondo SpA

Materiali duri e morbidi

Nella vita di ogni giorno incontriamo materiali che variano molto dal punto di vista della resistenza: da metalli duri e solidi a liquidi morbidi. Prendiamo in considerazione queste caratteristiche più nel dettaglio.

  • I metalli oltre ad essere duri sono anche elastici. Come una molla, una spira metallica si allungherà se applichiamo una forza e poi ritornerà alla lunghezza originale quando la forza cesserà di agire (Se la forza è troppo intensa e deforma il metallo oltre il suo limite elastico, la deformazione darà permanente). L’energia viene immagazzinata dal materiale quando si allunga e rapidamente rilasciata quando torna alla forma originale.
  • I liquidi sono materiali morbidi e non elastici. Scorreranno liberamente sotto l’azione di una forza (come la gravità) e non manterranno la loro forma. L’energia meccanica viene dissipata e non immagazzinata dal materiale. I materiali con queste caratteristiche si definiscono viscosi.

Come illustra la figura 5, un materiale puramente elastico (per esempio metallo o cemento) immagazzinerà tutta l’energia dell’impatto e la restituirà istantaneamente. Ciò tuttavia produce forze di reazione del terreno che non sono innocue per l’atleta: una certa quantità di energia deve essere assorbita dal materiale di cui è fatta la pista. Le superfici viscose, d’altra parte, assorbirebbero l’energia dell’impatto ma non la restituirebbero.

Fra questi due estremi troviamo i materiali viscoelastici. Essi possono dissipare parte dell’energia dell’impatto-proteggendo così i legamenti dell’atleta-conservando comunque abbastanza energia per fornire una reazione adeguata a spingere l’atleta in avanti.

Figura 5 : Grafico Forza (F)-deformazione (D) che mostra la risposta della dei materiali plastici (A), viscoelastici (B) e viscosi alle forze applicate
Immagine gentilmente concessa da Joao Bomfim

Perché i polimeri potrebbero essere la risposta

Quindi dove possiamo trovare un materiale con le giuste caratteristiche viscoelastiche? Un gruppo importante di materiali viscoelastici è quello dei polimeri – famiglia di materiali che include plastiche, gomme e colle. I polimeri sono grosse molecole costituite da centinaia o migliaia di atomi. Grazie alle loro dimensioni, i polimeri possono interagire tra di loro formando strutture lineari e aggrovigliate. Le molecole della gomma sono particolari in quanto, pur aggrovigliandosi, non si allineano rimanendo in qualche modo “allentate”: hanno quello che chi si occupa di polimeri chiama volume libero. Le molecole possono piegarsi e muoversi scivolando l’una rispetto all’altra consentendo così al materiale di allungarsi.

Figura 6.la gomma naturale
(A) reagisce con lo zolfo (S)
producendo la gomma
vulcanizzata (B)

Immagine gentilmente
concessa da Joao Bomfim

Oltre alle interazioni fisiche, tra le molecole dei polimeri si possono formare anche legami chimici (crosslinks). I polimeri con molti crosslinks son in genere duri come le colle epossidiche. Invece le gomme hanno un numero di crosslinks relativamente basso, per cui sono più soffici. La gomma può essere indurita attraverso un processo detto vulcanizzazione, che consiste nella formazione di crosslink addizionali tra le molecole da parte di atomi di zolfo.

Mentre il volume libero consente alla gomma di allungarsi, le forze e i grovigli tra le molecole dei polimeri, in particolare i crosslinks, li riporteranno alla forma originale, conferendo alla gomma la sua elasticità.

Figura 7. Gomme usate in
attesa di essere riciclate o
incenerite

Immagine gentilmente
concessa da Mark Buckawicki;
fonte dell’immagine: Wikimedia
Commons

Il lavoro dei chimici dei polimeri è quello di scegliere i materiali ed i  processi da usare per un certo tipo di utilizzo, incluso quello delle piste di atletica. Oltre a scegliere la gomma con il numero giusto di crosslinks, un chimico dei polimeri deve anche prestare attenzione agli antiossidanti che impediscono la degradazione della pista. Il calore e i raggi UV derivanti dall’esposizione al sole producono reazioni chimiche poiché il processo di indurimento (dovuto alla vulcanizzazione, all’invecchiamento o all’esposizione agli agenti atmosferici) non ha mai termine. Se non si aggiungono antiossidanti per prevenire la formazione di ulteriori crosslinks, una pista potrebbe rapidamente diventare dura e perdere le sue proprietà di assorbimento degli shock, comportandosi come un materiale puramente elastico finché agli atleti sembrerebbe di correre sul cemento.

Figura 8. Superficie di un’area
giochi composta da gomma
riciclata

Immagine gentilmente
concessa da Oxyman; fonte
dell’immagine: Wikimedia
Commons

Un altro importante contributo della scienza nel settore delle piste di atletica è quello legato all’ambiente ad al riciclo. Molte piste utilizzano gomma riciclata, riducendo così i problemi legati allo smaltimento, che di solito viene effettuato in discarica o per incenerimento. Gli pneumatici sono robusti e flessibili – devono supportare il peso di un’auto e non si devono rompere in caso di urto contro un cordolo o se prendono una buca.   Gli pneumatici usati possono essere tritati e aggiunti nello strato inferiore della pista, strato che non è visibile e non viene in contatto con gli atleti. La gomma degli pneumatici ha eccellenti proprietà viscoelastiche e, quando in combinazione con la gomma nuova che viene posizionata sulla superficie della pista e ne impedisce l’ossidazione, fornisce alla pista sicurezza e velocità. In effetti la gomma derivata dalla macinazione degli pneumatici è già largamente utilizzata in molte aree giochi per proteggere i bambini quando cadono. Allo stesso modo, può proteggere gli atleti quando cercano di battere i record mondiali. Così, quando vedrete gli atleti olimpici competere questa estate potrete riconoscere la scienza che sta alla base delle loro medaglie d’oro.

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Resources

Author(s)

João AS Bomfim ha studiato chimica ed ha un dottorato in scienza dei polimeri conseguito all’Università Federale di Rio de Janeiro, Brasile. Ha lavorato come ricercatore sia nel settore accademico che nell’industria, sviluppando nuovi materiali plastici e gomme, prima di passare al ramo lussemburghese di Mondo Group come esperto di ricerca e sviluppo incaricato di sviluppare nuove superfici per lo sport.


Review

Prima di cominciare una lezione tradizionale sui polimeri o sulle leggi di Newton, fermatevi un momento a leggere questo articolo sui segreti tecnologici delle piste da atletica moderne. Questo articolo, conciso e semplice, contiene parecchie informazioni e idee interessanti per insegnare la chimica organica, la fisica, la biologia e le scienze ambientali. L’autore stimola la curiosità degli studenti e il loro interesse per lo sport facendo riferimento alle Olimpiadi 2016, e usa esempi tratti dalla vita di tutti i giorni.

L’articolo è adatto per insegnanti di scienze e studenti della scuola secondaria. Potrebbe essere usato come “riscaldamento” prima di introdurre argomenti di chimica organica (polimeri, struttura chimica della gomma naturale e artificiale, legami chimici, vulcanizzazione, proprietà chimiche della gomma e usi industriali). Potrebbe anche essere usato come punto di partenza per una lezione di fisica (seconda e terza legge di Newton, elasticità, viscosità, leve nel corpo umano), biologia (anatomia, contrazione muscolare o biomeccanica) o scienze ambientali (uso della gomma, produzione della gomma, fabbricazione, gomma naturale e sintetica, smaltimento e riciclo). Un altro interessante spunto di discussione potrebbe essere la tecnologia delle strutture per gli sport professionistici o amatoriali. L’articolo si presta inoltre ad essere usato come introduzione ad una ricerca sulle caratteristiche tecniche degli attrezzi sportivi (scarpe, palle, costumi da bagno o caschi).

Domande di comprensione del testo potrebbero includere:

  1. Quali parti del corpo NON sono in genere lesionate nell’impatto con il terreno durante la corsa?
  1. Caviglie
  2. Dita
  3. Legamenti
  4. Ginocchia.
  1. In confronto con le piste per amatori, quelle professionali sono
  1. Più morbide
  2. Più dure
  3. Più elastiche
  4. Simili.
  1. Quale delle seguenti affermazioni sulle molecole della gomma è falsa?
  1. Sono molecole molto grandi
  2. Sono fisicamente aggrovigliate
  3. Hanno un volume libero
  4. Si allineano le une rispetto alle altre.

Giulia Realdon, Italia




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CC-BY
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