3º CCAFD

Biomecánica de las Técnicas Deportivas

Manuel Cantillana Castro

Álvaro Coca Romero

Grupo 1 – Tarde

[COMPARACIÓN DE LA VELOCIDAD DE LOS DIFERENTES SEGMENTOS DE LA PIERNA IMPLICADOS EN UN GOLPEO DE EMPEINE EN FÚTBOL ENTRE UNA JUGADORA INEXPERTA Y UNA JUGADORA EXPERTA]

Biomecánica de las Técnicas Deportivas Comparación de la velocidad de los diferentes segmentos de la pierna implicados en

un golpeo de empeine en fútbol entre una jugadora inexperta y una jugadora experta

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1. INTRODUCCIÓN.

1.1. Introducción teórica.

STT ofrece una solución completa de software basada en la tecnología de captura 3D del movimiento con marcadores.

La principal característica es la facilidad de uso, la calidad y limpieza de los datos obtenidos, lo que significa que no se requieren conocimientos profundos por parte de usuario. Por otro lado el proceso es totalmente automático, por lo que no es necesaria su edición ni manipulación.

El software proporciona datos precisos de forma inmediata, ya que el procesamiento se hace muy rápidamente (en tiempo real si es preciso). La precisión del sistema ha sido contrastada y documentada en diversas publicaciones.

La combinación de los diferentes módulos permite dar solución a una gran variedad de campos de aplicación, proporcionando el nivel de flexibilidad necesario para personalizar la instalación según las necesidades de cada cliente.

Los principales módulos con que cuenta el software son:

• Calibración: avanzados algoritmos calculan la posición y orientación de las cámaras, garantizando la máxima precisión. Este proceso es rápido y requiere de muy poca intervención por parte del usuario.

• Captura: de forma también automática, el software identifica cada marcador de forma independiente y calcula sus posiciones 3D durante el movimiento. Las trayectorias quedan registradas para su posterior procesamiento.

• Calibración del cuerpo humano: en los casos en los que es necesario, el software cuenta con la posibilidad de calibrar parámetros biomecánicos independientes del movimiento: posición de articulaciones, medidas de huesos, etc.

• Análisis biomecánico: los datos 3D "en bruto" necesitan ser procesados para obtener mediciones biomecánicos de interés: rangos articulares, flexo-extensión, abducción, etc.

• Representación gráfica: el software muestra tanto curvas 2D con los principales datos de interés como gráficos 3D que reproducen el movimiento capturado desde cualquier punto de vista.

• Base de datos: los datos de cada captura se almacenan en una base de datos de forma que quedan asociados a fechas, registros, pacientes, etc.

• Exportación: los datos de captura pueden ser exportados en tiempo real a otros paquetes informáticos, como Motion Builder, Microsoft Office, Open Office, etc.

Por último, el software permite la sincronización con otros dispositivos de medida, tales como plataformas de fuerza, electro miógrafos, goniómetros, permitiendo el análisis combinado con estos elementos.

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1.1.1. Funcionamiento básico de los Sistemas de análisis en 3D.

La captura óptica del movimiento se basa en la fotogrametría. Esta es la técnica para determinar la posición de objetos en el espacio en base a imágenes fotográficas. Los objetos 3D se proyectan sobre el plano 2D de una cámara perdiendo así una dimensión (la profundidad). Sin embargo, empleando una perspectiva adicional es posible recuperar la dimensión perdida, obteniendo el dato 3D como solución a un sistema de ecuaciones algebraico.

En el caso de los sistemas óptico se reconstruyen las posiciones 3D {X,Y,Z} de los marcadores que son colocados sobre el cuerpo humano u objetos.

Calibración y volumen de captura

La porción del espacio 3D controlado por las cámaras recibe el nombre de volumen de captura. Se trata básicamente del volumen en el que los marcadores pueden ser detectados y el movimiento reconstruido.

El volumen de captura debe calibrarse a fin de que los datos 3D se obtengan en un sistema de referencia métrico coherente y preciso. El proceso físico de calibración es sencillo y consiste en situar en distintas posiciones una referencia (barra de calibración) en el volumen de captura. El software se encarga de realizar y guardar todos los cálculos para las siguientes sesiones de captura.

Sistema completo

Un sistema óptico de captura completo permite la reconstrucción 3D del movimiento humano u objeto de estudio. Consta de los siguientes elementos:

• dos o más cámaras de captura con emisores de luz IR; • un conjunto de marcadores pasivos o activos

colocados sobre el cuerpo u objeto; • un PC que controla las cámaras y realiza los cálculos

automáticamente; • barra de calibración; • cableado y accesorios.

1.1.2. Fundamentos biomecánicos de la acción técnica a evaluar. Se han determinado como los principios biomecánicos más importantes que afectan al golpeo de balón los del momento de fuerza para acelerar el pie a través del movimiento angular de la rodilla y de la tibia, del movimiento, del contramovimiento, y del equilibrio (Luhtanen, 1989).

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También se ha sugerido que estos principios deben ir asociados con la ejecución y las metas de los movimientos (Luhtanen, 1999), que son:

• La producción de precisión: base de apoyo estable, apoyo del cuerpo estable, gran superficie de contacto con el balón, si es posible, etc.

• La producción de velocidad: generación sucesiva de cada enlace desde el proximal al distal. • La producción de fuerza: Uso sucesivo de los segmentos del cuerpo desde el comienzo del

movimiento hasta la fase activa, suma de las fuerzas musculares transferidas desde los grupos musculares grandes a los pequeños por la fase de acción y aplicación de las fuerzas generadas en la dirección deseada.

1.2. Objetivo del estudio. ¿qué se pretende conocer o resolver con este

trabajo? Los objetivos del estudio son varios según el ámbito al que se refiera: En el ámbito educativo, los objetivos son:

• Aprendizaje de la utilización de programas con finalidad de análisis de gestos deportivos.

• Aprendizaje de la extracción y análisis de las variables biomecánicas en un gesto deportivo

• Aprendizaje sobre la comprensión y lectura de las gráficas donde se representan las velocidades de las diferentes partes corporales en una gesto técnico específico

En el ámbito de la biomecánica como estudio a un posible cliente, los objetivos son:

• Extracción de conclusiones sobre los problemas mejorables que hacen que el sujeto no aplique toda la velocidad que podría.

• Presentación de un estudio que fundamente las conclusiones.

• Exposición de las posibles actuaciones para mejorar el problema.

1.3. Descripción de variables biomecánica a analizar.

Las variables biomecánicas a analizar son las velocidades de los segmentos que más relevancia tienen en el chut en fútbol. Estos segmentos más relevantes son:

- Cadera - Rodilla - Tobillo

- Pie

Todas estas variables (pie ejecutor) y el transcurso de su velocidad nos van a dar información de la correcta o incorrecta ejecución de la técnica. El objetivo principal del chut es conseguir transmitir la máxima velocidad posible al balón. Para conseguir esto debemos tener claros los principios físicos que ayudan a la consecución del objetivo:

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- Principio de sumatorio de Fuerzas o Principio de acción secuencial

- Principio de conservación del Momento de Fuerza - Principio de conservación de la Velocidad Angular

La consecución de la máxima velocidad del balón se fundamenta en la transmisión de velocidad entre segmentos siempre de más proximal a más distal. Los segmentos se aceleran y consiguen sus picos máximos de velocidad de manera progresiva. Una vez alcanzan sus picos máximos se frenan transmitiendo su velocidad angular al siguiente segmento. Por último es el pie el que transfiere esta velocidad al balón.

La velocidad del balón es superior a la del extremo distal de la extremidad inferior y esto es debido a la cantidad de movimiento y a las propiedades mecánicas del los objetos de golpeo: balón y extremidad inferior (Plagenhoef, 1971).

En el siguiente gráfico se puede observar lo explicado anteriormente sobre el comportamiento de la velocidad en los diferentes segmentos:

Velocidades lineales en golpe con el empeine.

Modificado de Isokawa y Less (1988)

Velocidad angular del muslo y de la pierna durante un

golpe de pie en futbol. Tomada de Reilly 1996, p.126.

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2. MATERIAL Y MÉTODO

2.1. Descripción de los sujetos.

Jugadora inexperta.

Edad: 21 años Peso: 70 kg Talla: 1,81 cm Horas semanales de entreno: 10 horas Deporte practicado: voleibol amateur Lateralidad: Diestra

Jugadora experta.

Edad: 27 años Peso: 61 kg Talla: 1,59 cm Horas semanales de entreno: 15 horas Deporte practicado: futbolista profesional Lateralidad: Ambidiestra

2.2. Descripción del material.

DESCRIPCIÓN FÍSICA DEL SISTEMA El sistema se compone de cuatro cámaras con sus focos, un ordenador estándar y el cableado necesario para conectar las cámaras al ordenador. El ordenador lleva además todo el software necesario para los procesos Además se incluyen varios juegos de marcadores. Cámaras y focos Cuatro cámaras recogen todo el movimiento realizado. Cuando comienza la captura, los focos, colocados en el mismo soporte donde están las cámaras, se encienden y las cámaras recogen los datos de los marcadores reflectantes.

Ordenador El ordenador, es un PC estándar (Pentium IV) con la particularidad de contener unas tarjetas de visión artificial para controlar las cuatro cámaras. Marcadores pasivos

Algunos sistemas de tracking óptico utilizan marcadores planos a modo de pegatinas, que requieren mucho tiempo de procesamiento de imagen. La calidad del seguimiento suele ser sensible a los cambios de condiciones de luz ambiental. Los marcadores pasivos utilizados en STT son catadióptricos. Es decir, son reflectores de la iluminación IR en la dirección de la fuente. Para ser más precisos: la radiación IR es retrorreflejada en un estrecho rango de ángulos alrededor de la dirección de la luz entrante. Estos marcadores son en su mayoría esferas cubiertas con cinta retrorreflectante.

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2.3. Descripción del procedimiento.

El proceso de captura es muy sencillo y consta de: • La captura del movimiento

• El análisis del gesto técnico. CAPTURA DEL MOVIMIENTO Simplemente, hay que colocarse los marcadores y realizar el ejercicio que se desee. Colocación de marcadores La colocación de marcadores es un proceso muy sencillo que se realiza en un par de minutos y consiste en colocarse una serie bolas reflectantes en distintos puntos anatómicos.

- Pie, tendón de Aquiles (tobillo), rodilla, cadera, hombro, codo, muñeca y cabeza (frontal, parietal y vertex)

Captura del movimiento La captura del movimiento consiste en realizar el gesto técnico deseado con los marcadores puestos. Cuatro cámaras, controladas automáticamente por un ordenador captan el movimiento y éste es procesado en cuestión de unos pocos segundos. La secuencia es la siguiente:

• El lanzador se coloca con los brazos paralelos al suelo y las piernas abiertas a la altura de las caderas en un sitio donde pueda ser captado por las cámaras.

• Se presiona el botón comenzar captura en el ordenador. • El ordenador enciende las luces, y lanza la señal de comenzar a realizar el ejercicio. Dispone

de 5 segundo para realizar el chut • Se realiza el gesto técnico. • El ordenador recibe las imágenes de las cámaras y las procesa (tiempo: 2 segundos). • Se analiza el movimiento.

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3. RESULTADOS Los resultados del estudio biomecánico relacionados con el chut en fútbol son los expuestos a continuación. Prestaremos especial atención a los picos de velocidad generados en las diferentes articulaciones, ya que estos nos proporcionarán la información necesaria sobre la calidad de la ejecución.

3.1. Gráficos del chut (vista lateral)

EXPERTA

INEXPERTA

Visualización del movimiento del golpeo de la jugadora experta (camiseta azul) e inexperta (camiseta blanca) y

máxima velocidad en el momento de impacto con el balón. Las líneas muestran el recorrido de las articulaciones

analizadas (cadera, rodilla, tobillo y pie)

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3.2. Velocidad Lineal de las articulaciones durante el chut

Experto

Inexperta

Datos obtenidos de las jugadoras a analizar. En naranja aquellos datos que el programa no ha facilitado y los

cuales se han obtenido con la media de los datos anteriores y posteriores. Los datos señalados en la tabla

corresponden a los momentos en los que la aceleración es máxima o hay cambio de velocidad.

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GOLPEO EMPEINE

Representación de las velocidades lineales en golpe con el

empeine. Tomado de González Jurado, Molina Sotomayor

y Corazza Icassatti (2008)

RIGTH ANKLE (tobillo)

Comparación de las velocidades lineales de la

articulación del tobillo de las jugadoras experta e

inexperta.

RIGTH FOOT (pie)

Comparación de las velocidades lineales de la articulación

del pie de las jugadoras experta e inexperta.

RIGTH HIP (cadera)

Comparación de las velocidades lineales de la cadera

de la rodilla de las jugadoras experta e inexperta.

RIGTH KNEE (rodilla)

Comparación de las velocidades lineales de la articulación

de la rodilla de las jugadoras experta e inexperta.

B HIP (cadera)

Comparación de las velocidades lineales de la cadera

de la rodilla de las jugadoras experta e inexperta.

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3.3. Velocidad Angular de las articulaciones durante el chut

Velocidades angulares de las articulaciones de la cadera (amarillo), rodilla (azul) y tobillo (verde) de la pierna de

golpeo durante el chut con el empeine de las jugadoras experta (izquierda) e inexperta (derecha).

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3.4. Aceleración angular de las articulaciones durante el chut

Velocidades angulares de las articulaciones de la pierna de golpeo durante el chut con el empeine de las

jugadoras experta (izquierda) e inexperta (derecha).

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4. CONCLUSIONES Y DISCUSIÓN Los datos obtenidos en los resultados nos indican la jugadora inexperta no pone en práctica ninguno de los principios biomecánicos en los que se fundamenta el gesto técnico, como mostramos a continuación. La aproximación al balón

Opavsky (1988) investigo las diferencias entre un chut en estático y en carrera, siendo el chut en carrera mas eficaz en cuanto al a velocidad de salida del balón. En nuestra investigación ambos sujetos lanzan en estático (1 paso de aproximación) pero existen diferencias entre ambas jugadoras. La experta realiza un paso de aproximación mas amplio que le permita obtener mayor recorrido de sus segmentos, mientras que la inexperta apenas se mueve del sitio donde esta situada lo que posteriormente repercutirá en su velocidad y ejecución del chut. El pie de apoyo

Según diversos estudios (Malean y Tumilty (1993) y Hay (1985) entre otros) el apoyo del pie debería realizarse en torno a los 5-30 cm por detrás del balón y 5-10 cm del lateral. Aunque no podemos medir esta distancia real en los videos analizados, si vemos gráficamente como la jugadora inexperta coloca el pie por delante del balón lo que provoca que el pie de golpeo tenga menos recorrido y la velocidad máxima de los segmentos mas distales se alcance después del chut. Parámetros cinemáticos del golpeo de pie al balón

- La velocidad del balón tras el golpeo del balón

El éxito del chut es conseguir la máxima velocidad del balón en la que el jugador sepa controlar la trayectoria del balón, la cual se vera afectada por la velocidad de aproximación que el jugador lleve antes de golpear, además de la aptitud y la edad del mismo. Por tanto a mayor velocidad transferida por parte de los segmentos que intervienen mayor éxito en la realización del chut. Comparando a las jugadoras expertas e inexpertas vemos como claramente la jugadora experta tendrá muchas mas opciones de éxito pues transfiere la velocidad de los segmentos desde los mas proximales hasta los mas distales, a diferencia de la inexperta que realiza picos de velocidad de los distales antes que los proximales.

- La velocidad del pie ejecutor

Asami y Note (1983) defienden que la proporción de la velocidad pie-balón deba ser mayor a uno para tener mas éxito y rendimiento en el chut. Esta medida es una medida de la efectividad de la transferencia de las velocidades de la pierna, y mas concretamente del pie, a la velocidad del balón. Esta transferencia vendrá dada por un correcto orden en la transferencia de las velocidades como hemos indicado en el punto anterior. Comparación de la velocidad de los segmentos.

La jugadora experta presenta una continuidad en el aumento de la velocidad de los segmentos de proximal a distal. Este aumento se ve claramente reflejado en la manifestación de los picos de velocidad de manera ordenada: cadera, rodilla, tobillo y pie, siendo estas dos ultimas aceleraciones justo en el momento de impacto con el balón. También es un dato importante que solo se manifiesta un pico por segmento lo que indica que no ha habido desaceleraciones innecesarias durante la ejecución del chut y que este se ha realizado de forma correcta.

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En comparación con la jugadora inexperta se puede observar que existen picos de velocidad previos al golpeo los cuales se producen debido a desaceleraciones de los segmentos durante la ejecución. Observamos como la articulación mas distal (pie y tobillo) alcanzan un pico de velocidad máxima antes que la cadera y rodilla lo que provoca que posteriormente esta velocidad tenga que ser desacelerada para volverla a acelerar posteriormente. Estos picos son debido a una descoordinación en la ejecución del chut. También se puede observar que los picos máximos de velocidad en la jugadora inexperta se alcanzan posteriormente al golpeo y esto perjudica de la siguiente forma:

- Al no alcanzar el pico máximo antes del golpeo no transmite toda la velocidad generada al balón.

- Al no haber una desaceleración de los segmentos más proximales debido a que se está acelerando durante el impacto, no se trasmite de una manera eficiente la velocidad angular a los segmentos distales.

Comparación de las aceleraciones de los segmentos Se observa claramente en las graficas de aceleración que los segmentos de la jugadora experta no sufren desaceleraciones en todo el gesto mientras que la jugadora inexperta presenta dos desaceleraciones que le hacen perder velocidad de golpeo (ambas en la articulación del pie y tobillo). Comparación de las velocidades angulares

Debido a la mala transmisión de la velocidad angular se puede observar que la jugadora inexperta alcanza el máximo valor después del golpeo, desaprovechando así parte de la velocidad obtenida. Posición de los segmentos

Como se puede observar en las imágenes ofrecidas antes de los resultados, donde se muestran las situaciones pre-golpeo, golpeo y post-golpeo, la posición de golpeo de la jugadora inexperta no es la adecuada (pie de apoyo delante del balón, como hemos indicado anteriormente) lo que conlleva a que el rango de movimiento es mucho menor perjudicando enormemente a la ejecución del chut. Estos motivos provocan que la jugadora inexperta golpee el balón con una técnica peor que la jugadora experta, consiguiendo una menor velocidad de golpeo y por tanto una menor eficacia en el chut.

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5. BIBLIOGRAFIA

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Otros STT Ingenierías y Sistemas. Información sobre el software y hardware de captura 3D del movimiento y la tecnología utilizada. Recuperado el 1 de Junio de 2010, de: http://www.stt.es/ http://www.stt.es/index.php?/es/web/captura_de_movimiento/tecnologias/optico/software http://www.stt.es/index.php?/es/web/captura_de_movimiento/tecnologias/optico/hardware http://www.stt.es/index.php?/es/web/captura_de_movimiento/tecnologias/optico/tecnologia