Nell'uomo, qualunque movimento ha bisogno di più energia rispetto a quella necessaria a riposo. Le diverse forme di locomozione umana (camminare, correre, nuotare, pedalare) richiedono quote variabili di “carburante” a seconda della distanza da percorrere, esattamente come avviene per le automobili, la quantità di carburante varia in base all’implicita forza di gravità, dal tipo d’esercizio, dal peso da spostare, dalla resistenza dell’aria o dell’acqua e dalla velocità che si vuole ottenere.
Questa energia può essere calcolata e rappresenta il costo energetico della locomozione (C), cioè la quantità di energia che serve alle persone per percorrere una certa distanza. Questo valore si esprime in kcal oppure in kJ consumati per ogni km percorso (una kcal corrisponde a circa 4,2 kJ). Per confrontare il costo energetico tra persone di taglia corporea diversa è utile esprimerlo in rapporto alla massa del corpo (in kg), si usano, quindi, le kcal/kg oppure i kJ/kg, sempre per km percorso.
Da cosa dipende il costo energetico?
Considerando implicito il costo per battere la gravità terrestre, in generale, il costo della locomozione è dato dalla somma del costo aerodinamico o idrodinamico (necessari, rispettivamente, per vincere la resistenza dell’aria o dell’acqua) e di quello non aerodinamico, cioè l’energia necessaria per svolgere l’attività fisica. Questo secondo costo dipende da molti fattori, come il sollevamento-abbassamento e le accelerazioni-decelerazioni del corpo a ogni passo, le contrazioni muscolari per mantenere la postura e l’equilibrio, il lavoro interno per muovere gli arti rispetto al corpo, l’attrito nel punto di contatto con il terreno, il lavoro del cuore e dei muscoli respiratori, in poche parole dal tipo di sport.
Nella corsa, e ovviamente anche nel cammino, il costo aerodinamico è praticamente trascurabile sotto i 20 km/h, per questo il costo energetico della corsa è sostanzialmente indipendente dalla velocità entro quel limite. Nel ciclismo l’aria riduce la velocità (più vento contrario richiede più energia) e nel nuoto il nuotatore deve superare l’attrito dell’acqua (e aumentare l’intensità in proporzione alla densità dell’acqua) il costo aerodinamico-idrodinamico diventa fondamentale perché il costo energetico di queste forme di locomozione aumenta in modo esponenziale al crescere della velocità.
Il costo energetico è un indicatore dell’efficienza e dell’economia del movimento: gli atleti più veloci nelle varie discipline sono tali anche perché spendono meno energia a parità di distanza percorsa. La possibilità di quantificare il costo energetico associato alle varie forme di locomozione permette di utilizzare questa variabile per la prescrizione dell’esercizio fisico, sia per la prevenzione sia per l’allenamento degli atleti.
Il costo energetico del cammino e della corsa
Conoscere il costo energetico del cammino e della corsa è molto utile perché permette di determinare l’impegno energetico di una semplice passeggiata o del duro allenamento di un maratoneta: questo parametro fornisce quindi una misura importante per stabilire il programma di esercizio fisico più idoneo a ottenere svariati obiettivi, come la perdita di peso e la prevenzione delle malattie, e per adeguare l’alimentazione al fabbisogno dello sportivo.
Il costo energetico del cammino in pianura per una persona adulta, giovane, sana e normopeso è di circa 0,5 kcal per kg di massa corporea per km percorso:
- una persona di taglia media (70 kg) che cammina per 4 km (un’ora scarsa) consumerà 140 kcal (0,5 x 70 x 4), l’energia contenuta in 25 grammi di cioccolato fondente.
Il costo energetico della corsa è circa 1 kcal per kg di massa corporea per ogni km percorso. Una persona di 70 kg che corre per 10 km consuma, a grandi linee, 700 kcal, l’energia contenuta in 125 grammi di cioccolato fondente.
- I principali fattori che incidono sul costo energetico della corsa sono il tipo di terreno, la pendenza, lo stato di salute e la velocità.
Cosa influenza il costo energetico del cammino?
La Velocità.
Nei giovani adulti sani e normopeso, l’energia necessaria è minima attorno alla velocità di 4,5 km/h, ma aumenta del 20-30% a velocità inferiori (sotto i 2 km/h) e anche superiori (sopra i 6 km/h). La velocità ottimale (quella alla quale si ha la massima efficienza e quindi si consuma meno) è di solito raggiunta e mantenuta spontaneamente durante il cammino.
L’età.
Il costo energetico aumenta con l’età (di circa il 20% a 70 anni) ma è maggiore del 40% anche nei bambini di 5-6 anni rispetto ai giovani adulti, in buona parte per effetto di una coordinazione motoria non ottimale, che tende a peggiorare con l’età e si deve ancora sviluppare nei bambini, ma che la pratica dell’esercizio fisico può migliorare. Nelle salite e discese il costo del cammino aumenta in salita e diminuisce in discesa (se non è troppo ripida).
Il tipo di terreno.
Camminare su terreni sabbiosi, fangosi, innevati o molto sconnessi richiede una quota maggiore di energia.
Lo stato di salute.
Il costo energetico del cammino aumenta sempre, in misura estremamente variabile, in presenza di malattie (per esempio dell’apparato locomotore o neurologiche) ma cresce anche in caso di problematiche banali e dolorose (come le vesciche sul piede), che alterano la coordinazione e la tecnica della locomozione e con essa la sua efficienza.
Cosa influenza il costo energetico della corsa?
Tipo di terreno. il costo aumenta di circa il 20% correndo sull’erba e di circa il 50% correndo sulla sabbia.
Salite e discese. Correre in salita su una pendenza del 5% aumenta il costo energetico di circa il 40%.
Condizioni di salute. Come per il cammino, anche nella corsa la presenza di patologie o di condizioni dolorose fa aumentare il costo energetico.
Velocità. il costo energetico è indipendente dalla velocità entro i 20 km/h, mentre a velocità superiori è più alto per effetto della resistenza aerodinamica.
Il costo energetico per nuotare e pedalare in bicicletta.
Come detto, il costo energetico aerodinamico-idrodinamico è preponderante e cresce esponenzialmente con l’aumentare della velocità del nuoto e della bicicletta. Questo valore è fortemente condizionato dalla corretta tecnica di movimento per il nuotatore e dall’assetto in sella e dal tipo di pedalata per il ciclista. Non esiste quindi una formula semplice e valida per tutti che permetta di stimare in modo affidabile, senza misurare parametri biologici, la quantità di energia consumata per km percorso come si può fare per il cammino e la corsa.
Nuoto.
Il nuoto è la forma di locomozione umana più lenta e, di conseguenza, quella con il costo energetico più alto, perché la densità dell’acqua è 800 volte quella dell’aria e fa aumentare moltissimo la resistenza che si oppone all’avanzamento. Inoltre, dato che l’acqua non offre un punto di appoggio fisso, la quota di energia spesa che viene realmente usata per lo spostamento può raggiungere un rendimento che ammonta al massimo al 10%; un valore notevolmente inferiore rispetto a quello delle altre forme di locomozione terrestri dove la spesa energetica può rendere il 20-25%. Questi due fattori fanno sì che la quantità di energia necessaria per coprire una certa distanza nuotando sia maggiore di quella che serve per percorrere lo stesso tratto a piedi o in bicicletta, quindi, a parità di potenza muscolare fornita la velocità di spostamento nel nuoto sarà minore.
Cosa influenza il costo energetico del nuoto?
La tecnica. Tra un nuotatore di livello mondiale e un nuotatore amatoriale che ha imparato a nuotare da adulto può esserci una differenza di costo energetico anche superiore al 300%.
Lo stile. Il crawl è lo stile più economico, il dorso è di poco più dispendioso, mentre la rana e soprattutto il delfino sono i meno economici, con un costo energetico che può essere quasi doppio rispetto al crawl.
Il sesso. nelle donne, il costo energetico del nuoto a crawl è di circa il 30% inferiore rispetto a quello degli uomini a parità di velocità, perché la maggiore quantità di grasso presente nella parte inferiore del corpo femminile favorisce il galleggiamento delle gambe.
Questa peculiarità riduce la spesa energetica necessaria per mantenere il corpo nella posizione idrodinamica più vantaggiosa per l’avanzamento.
Questi fattori rendono il costo energetico del nuoto molto variabile e difficile da calcolare secondo tabelle generali di riferimento: questo parametro può spaziare da circa 0,1 a oltre 0,5 kcal per metro percorso a seconda dello stile, del genere, della velocità e del livello tecnico, con un dispendio di calorie che può oscillare tra meno di 120 kcal per km percorso a crawl ad andatura lenta da una nuotatrice di altissimo livello, a oltre 300 kcal per km per un nuotatore (amatore) di livello tecnico modesto.
Cosa influenza il costo energetico della pedalata in bicicletta?
Nel ciclismo, grazie alla sella che sostiene il corpo e al meccanismo dei pedali che trasferisce in modo continuo alla ruota l’azione alternata dei muscoli, la quantità di energia spesa contro la forza di gravità e le forze inerziali, in pianura e a velocità costante, è trascurabile. Questo significa che, pedalando in tali condizioni, l’energia metabolica del ciclista è spesa principalmente per vincere le resistenze aerodinamiche (e in parte per gli attriti del sistema di trasmissione, delle ruote sul terreno e del peso del ciclista e della bicicletta). Il ciclismo, dunque, è la forma di locomozione con il costo più basso e quindi la più veloce a parità di potenza metabolica.
Uno dei fattori che più influiscono sul costo energetico è il tipo di bicicletta e la conseguente aerodinamica, che dipende dalla posizione assunta.
A titolo di esempio: una persona di 70 kg che pedala a 30 km/h tenendo il busto eretto su una bicicletta tradizionale spende circa 30 kcal per ogni km che percorre in pianura, mentre la stessa persona, pedalando a 50 km/h con una bicicletta da corsa in posizione aerodinamica (con il busto e la testa completamente abbassati), spende circa la metà delle calorie.
Ovviamente, come nel nuoto, anche per il ciclismo non è possibile stimare con buona approssimazione il costo energetico in condizioni reali solo attraverso formule generali (cioè senza misurare parametri metabolici durante lo sforzo), perché le variabili in gioco sono troppe (velocità, tipo di bicicletta e posizione su di essa, altimetria del percorso, vento).
Costo energetico e benefici per la salute associati all'attività fisica
Il costo energetico delle diverse attività fisiche può essere usato anche per individuare la quantità di esercizio da svolgere per ottenere benefici per la salute, confermati dalla misura di parametri metabolici, funzionali o morfologici di organi e apparati o riferibili ad aspetti del metabolismo.
Il calcolo dell'energia spesa in un certo periodo di tempo (per esempio, il numero di calorie bruciate alla settimana) attraverso la pratica di una determinata attività fisica permette, infatti, di stabilire la quantità minima di quell'attività in grado di apportare specifici effetti positivi.
Come abbassare i trigliceridi e aumentare il colesterolo “buono”.
Per godere di questo impatto positivo sulla salute è necessario superare almeno le 1000-1200 kcal settimanali consumate con l’attività fisica, una soglia che, per una persona di 70 kg, può essere raggiunta con alcuni esercizi aerobici da compiere in una settimana, es.:
- camminando per almeno 30-35 km in pianura;
- oppure per 20-25 km a passo svelto anche in salita;
- oppure correndo in pianura per 15-20 km;
- oppure andare in bicicletta in assetto normale in percorso misto a 25-30 km ora per almeno 50-60 km a settimana;
- oppure nuotare a stile libero per 5-6 km (in piscina 100-120 vasche da 50 m) a settimana ad intensità bassa.
Come mantenere una buona funzione cerebrale e ridurre il rischio di demenza senile.
Per nutrire il cervello (trofismo cerebrale) oltre che una alimentazione equilibrata è necessaria una certa quantità di attività fisica. Nella popolazione over 65, è stato osservato che:
- camminare per almeno 12-15 km alla settimana, pari a 400-600 kcal consumate, rappresenta la soglia per mantenere la salute e la funzionalità del cervello, dimezzando il rischio di demenze senili.
Aumentare l’aspettativa di vita.
Una riduzione del 30% della mortalità per tutte le cause e del 45% di quella per cause cardiovascolari è stata associata a livelli di attività fisica moderati come correre da 5 a 10 minuti o camminare per 30 ogni giorno. È stato anche stimato che con tale attività, svolta in età adulta, si possa aggiungere 3 anni di aspettativa di vita. Gli stessi benefici possono essere ottenuti anche con quantità minime di altre attività che comportano un costo energetico analogo, per esempio con:
- 15 minuti al giorno di camminata veloce in leggera salita pari a 300-500 kcal consumate alla settimana.
