Un nuevo modelo explica matemáticamente la forma más eficiente de caminar
Investigadores de la UB han desarrollado un modelo teórico que explica matemáticamente un problema muy importante en la locomoción humana: el del mínimo coste energético al andar. Desde principios del siglo XX, está demostrado experimentalmente que el consumo mínimo de oxígeno no tiene lugar al caminar en el plano horizontal, sino en bajada y concretamente con una pendiente en torno a los 10 grados. El trabajo del investigador de la Universidad de Barcelona (UB) Gerard Saborit y del catedrático del Departamento de Biología Animal de la UB Adrià Casinos justifica matemáticamente esta realidad y, además, permite estimar cuál sería el desnivel óptimo para cada persona en función de la longitud de sus piernas y de sus pasos.
Investigadores de la UB han desarrollado un modelo teórico que explica matemáticamente un problema muy importante en la locomoción humana: el del mínimo coste energético al andar. Desde principios del siglo XX, está demostrado experimentalmente que el consumo mínimo de oxígeno no tiene lugar al caminar en el plano horizontal, sino en bajada y concretamente con una pendiente en torno a los 10 grados. El trabajo del investigador de la Universidad de Barcelona (UB) Gerard Saborit y del catedrático del Departamento de Biología Animal de la UB Adrià Casinos justifica matemáticamente esta realidad y, además, permite estimar cuál sería el desnivel óptimo para cada persona en función de la longitud de sus piernas y de sus pasos.
El estudio, que se ha publicado en la revista Computational and Mathematical Methods in Medicine, podría aplicarse a la rehabilitación de personas con enfermedades cardiovasculares, y ahora se está utilizando para comparar la locomoción de los humanos con la de otras especies de homínidos, a partir del estudio de fósiles.
Un coste energético mínimo personalizado
La idea intuitiva de que es más fácil caminar en bajada que en un terreno plano se demostró experimentalmente a principios de los años 30 del siglo pasado, cuando Rodolfo Margaria, un investigador de la Universidad de Milán, midió el consumo de oxígeno en un grupo de personas mientras caminaban por diferentes pendientes. Según este estudio, la forma más eficiente de andar tenía lugar en bajada con un desnivel del 10 %; lo que equivaldría a bajar diez metros de desnivel por cada cien metros de avance en horizontal. Se han propuesto diferentes explicaciones de este resultado; pero hasta ahora no se había encontrado la explicación teórica.
Los investigadores de la UB enfocaron el estudio en la trayectoria del centro de gravedad del cuerpo, que sube y baja ligeramente en cada paso y obliga al cuerpo a suministrar un poco de energía potencial —la energía que cualquier objeto tiene por su posición a causa de la fuerza gravitatoria— para vencer la fuerza de la gravedad. En un descenso con un desnivel aproximado del 10 %, al bajar el centro de gravedad, no habría que suministrar esta energía potencial extra para dar el paso. La circunstancia óptima de bajada se mantiene mientras el desnivel no pase de este punto, a partir del cual el cuerpo tiene que empezar a frenar con las piernas y por lo tanto a consumir más energía.
«Según nuestro modelo, el punto concreto que indica este mínimo consumo energético depende de un parámetro que es una relación entre la longitud del paso y la longitud de la pierna. Eso significa que cada persona, en función de su longitud de pierna y la longitud de sus pasos, tiene un mínimo de gasto energético personalizado, en el que se requiere menos esfuerzo y consumo de oxígeno y el movimiento es más eficiente», explica Gerard Saborit.
La solución para minimizar el gasto de energía, ya sea caminando en subida o en bajada, sería ajustar la longitud del paso al desnivel según el rango de la persona. «Esta variación también nos permite explicar por qué algunas investigaciones recientes contradicen el trabajo seminal de Margaria, que decía que el gasto energético mínimo al caminar era un valor concreto, una bajada del 10 %; mientras que las nuevas investigaciones muestran experimentalmente que el punto de mínimo consumo energético se puede extender a un pequeño rango de pendiente negativa», explica Adrià Casinos.
Comparar los datos con otras especies de homínidos
Ahora, los investigadores están recopilando datos de un grupo de personas a las que están midiendo las piernas y la longitud de los pasos al caminar a diferentes velocidades. El objetivo es obtener información anatómica y biomecánica para después poder hacer comparaciones con otras especies. «Queremos comparar estos datos con los registros fósiles de las piernas y huellas de diferentes especies de homínidos; la idea es ver las diferencias en el modo de andar de estas especies respecto a nuestra», señala Gerard Saborit.
Según los investigadores, este modelo matemático también podría ser útil para la rehabilitación de personas con problemas cardiovasculares. «Con nuestro modelo, una persona que no pueda hacer esfuerzo aeróbico y que, por ejemplo, por un problema del corazón deba ejercitarse trabajando con pocas pulsaciones, podría saber cuál sería el desnivel al que debería caminar para gastar el mínimo de energía y hacer el mínimo esfuerzo cardiovascular», concluye Gerard Saborit.
Referencia del artículo:
G. Saborit, A. Casions. «Parametric Modeling of Human Gradient Walking for Predicting Minimum Energy Expenditure». Computational and Mathematical Methods in Medicine, agosto de 2015. Doi: 10.1155/2015/407156