TESIS II - IBIO-4790 1

Estudio Dinamico de la Marcha Bajo diferentestipos de Calzado.

Christian Guevara Palacios. 201810347

Abstract—Durante la carrera humana intervienen una serie depatrones de movimiento, los mismos que, interactuan con lascondiciones de calzado y de superficie. Dicha interaccion estarelacionada con la demanda energetica de la carrera RE. De igualmanera, caracterısticas del calzado como masa, amortiguamiento,rigidez y altura de la suela estan relacionadas con RE. Con el finde mejorar el rendimiento del atleta, la industria del calzado hamejorado el diseno, ası como, los materiales de sus productos. Porlo cual, en la actualidad podemos diferenciar dos grandes gruposde zapatos deportivos. Primeramente, el calzado acondicionado,con su tradicional suela rıgida, mayor soporte y estabilidad. Porotro lado, el calzado minimalista, que pretende simular la carreradescalzo con una suela mucho mas delgada.

Metodos: 15 voluntarios completaron doce pruebas de 5 minutosa tres velocidades submaximas (6 por cada sesion). Durante laprimera sesion, las velocidades submaximas de prueba, fuerondeterminadas para cada sujeto mediante un test de esfuerzo.Seguidamente, se recolectaron datos de la tasa de consumo deoxıgeno VO2 bajo las tres condiciones de velocidad y de calzado.Durante la segunda sesion, se recolectaron datos cinematicos delcentro de gravedad y las articulaciones del tren inferior. Los datosde VO2 fueron interpolados a velocidades de 8-11.5 y 14.5 km/hpara su comparacion. La oscilacion del centro de gravedad, sirviopara, cuantificar el costo mecanico de la carrera. Esto para, lasdos condiciones de calzado bajo tres velocidades submaximas.

Resultados: El uso de calzado acondicionado en corredoresaficionados, reduce la demanda energetica de la carrera en unpromedio de 4%, esto a velocidades submaximas (p < 0.01), elcosto mecanico durante el uso de calzado minimalista fue menoren un promedio de 3% (p < 0, 01).

Index Terms—VO2, Running, Minimalista, Carrera, Biomecanica.

I. INTRODUCCION

Mediante patrones de movimiento, las fuerzas ejercidas porlos paquetes musculares del tren inferior, aceleran el centro demasa del cuerpo CoM durante la locomocion humana. Estospatrones se consideran variables biomecanicas que influyenen la demanda energetica de la carrera Running Economy RE,ademas existen variables de tipo cineticas, antropometricas ypatrones de pisada [1]. Dichas variables biomecanicas inter-actuan con la condicion de calzado, por esta razon, el efectode los diferentes tipos de zapatos deportivos sobre la demandaenergetica de la carrera es motivo de estudio de biomecanicosy fisiologos [2].

Es habitual referirse a RE como la tasa especıfica de consumode oxıgeno ( VO2) a una velocidad constante [3]. El mejo-ramiento del VO2 permite al atleta mantener una velocidadadecuada de acuerdo a su capacidad cardiorespiratoria y auna demanda energetica determinada [4]. Ademas, el analisis

de las trayectorias cinematicas de las articulaciones del treninferior, permiten identificar patrones de movimiento. Losmismos que, estan relacionados con el incremento de la tasade consumo de oxıgeno VO2 [5], [6].

Los factores biomecanicos, enunciados anteriormente, inci-den tambien en el costo mecanico de la carrera. Modelosmatematicos como, pendulo invertido y masa resorte, han sidoimplementados para describir los patrones de movimiento ysu interaccion con las fuerzas musculares durante la carrera[7]. Slawinsky [8] sugiere asociar el incremento de la de-manda energetica de la carrera, a velocidades submaximas,con el aumento del trabajo mecanico a cada paso. El trabajomecanico durante la carrera esta en funcion, segun Cavagna[9], de la oscilacion vertical del CoM. Ademas, las trayectoriascinematicas de las articulaciones inciden en el costo energeticode la carrera.

El running o carrera es una de las practicas deportivas mascomunes y que ha evidenciado un aumento en su popularidaden los ultimos anos. Enfermedades ligadas a la practica deeste deporte, han sido relacionadas con sobrecargas en lasarticulaciones de las piernas. A causa de esto, las empresasdedicadas a la manufactura de calzado deportivo, han mejoradolas tecnicas de diseno y construccion de sus productos. Noobstante, las tasas de lesiones entre atletas elites o aficionadosno han disminuido [10]. Por lo cual, la comunidad cientıfica,ha continuado enfocando su interes en la investigacion delcalzado deportivo y su efecto sobre la demanda energeticay las variables biomecanicas de la carrera [11], [12]. Estomediante, tecnicas como la electromiografıa EMG, analisis demovimiento 3D, medicion de la tasa de consumo de oxıgenoVO2.

Estudios como los de Liberman [13] sostienen que, el prob-lema respecto a las enfermedades relacionadas con la carrera,es el uso del calzado amortiguado. Debido a que, limitael movimiento natural del pie, ademas, el amortiguamientobajo el talon aumenta la fuerza de reaccion de la superficiedurante la estancia de apoyo de la carrera. Asimismo, proponeque una mayor frecuencia y menor longitud de pasos incidepositivamente sobre la demanda energetica de la marcha[10], [14]. Basados en esto conceptos, la marca de calzadoVibram Fivefinguers, ha desarrollado un modelo de calzadominimalista (Vibram TrekSport: masa 136 kg, 3 mm de alturadel talon) que simula la condicion de correr descalzo medianteuna suela delgada y sumamente flexible [15]. Ası pues, eldesarrollo de este tipo de calzado promovio la tendenciallamada carrera minimalista.

Por otro lado, la industria del calzado acondicionado, mejora

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(a) Calzado Tradicional

(b) Calzado Minimalista

Figure 1: Zapatos de prueba utilizados en este estudio. (a):Adidas Ultraboost19. (b): Vibram TrekSport Five Finguers

sus modelos cada ano. Esto mediante, la incorporacion denuevos materiales en las suelas del calzado que almacenanenergıa mecanica al comienzo de la fase de apoyo y laretornan al final de la misma; mejorando no solamente elamortiguamiento bajo el talon sino tambien la fuerza generadadurante el impulso antes de la fase aerea [16]. La marcacomercial Adidas con su modelo Ultraboost19 (masa 269 g, 23mm de altura de talon, 13 mm de altura en la parte delantera)presenta una suela fabricada con poliuretano termoplastico, elcual, reduce la demanda de energıa en 1-2,8% segun estudios[4].

El objetivo del presente estudio fue, determinar la incidenciadel calzado minimalista y acondicionado sobre la demandaenergetica de la carrera RE. Para lo cual, se midieron variablestales como, la tasa de consumo de oxıgeno VO2 a velocidadessubmaximas y el desplazamiento vertical del centro de masayCoM.

Al inicio de la investigacion planteamos la hipotesis que, lacondicion de calzado minimalista, reduce el costo energetico ymecanico de la carrera comparado con el calzado tradicional.El desplazamiento vertical del centro de masa fue nuestravariables biomecanica prioritaria, sin embargo, se recolectodatos de las trayectorias de las articulaciones del tren inferior,con la intencion de explicar las diferencias encontradas encuanto a la demanda energetica.

II. METODOLOGIA

A. Tamano de la muestra

El tamano del efecto se estimo con base en estudios prelim-inares [17], [18], [14], [2], [11], donde, variables mecanicas yenergeticas fueron medidas bajo condiciones de calzado mini-malista, normal o maximalista. Los valores de los parametrosse asignaron con base en el trabajo de [19].

n =2(Za + Z1−β)

2σ2

42(1)

Donde:

• 4 = 0, 28• σ = 0, 2• p = 0.05• Za = 1, 96• Z1−β = 0, 84

Como resultado, el numero calculado de sujetos fue 15 per-sonas.

B. Sujetos

Quince voluntarios, corredores aficionados varones, fueron se-leccionados para este estudio. Los voluntarios no presentaronlesiones en las extremidades inferiores en los ultimos 6 meses.Ası mismo, ninguno de los sujetos habıa utilizado calzadominimalista hasta la fecha de experimentacion.

La medida de aptitud cardiovascular, mayor a 35 ml/kg/min,fue utilizada como criterio de inclusion; para lo cual fuenecesario completar un test de esfuerzo progresivo VO2 a unaaltitud local de 2640 m.

Las caracterısticas promedio de la muestra fueron: edad 33.2(SD=6.9) anos, masa 72.8 (SD=7.4) kg, altura 1.7 (SD=0.1)m, medida de calzado 8.5 US (SD=1.0), VO2 MAX = 50.1(SD=4.6) ml/kg/min [1].

El presente estudio fue aprobado por el comite de etica de laUniversidad de los Andes de acuerdo con la declaratoria deHelsinki (Protocolo 10070002).

C. Protocolo Experimental

Los voluntarios completaron dos visitas al Laboratorio deMarcha de la Universidad de los Andes, con una duracionaproximada de 2,5 horas cada una. Durante la primera visita,cada sujeto completo un test de esfuerzo, del tipo progresivo-multifase sobre caminadora; esto, bajo condiciones de calzadopreferenciales para determinar su capacidad aerobica maximaVO2 MAX y la velocidad aerobica maxima VAM [20]. Luegode un intervalo de descanso se recolectaron datos de la tasa deconsumo de oxigeno VO2, bajo cada condicion de calzado alas correspondientes velocidades submaximas de cada sujeto.Se considero que los voluntarios adaptaban rapidamente su

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respuesta biomecanica a la diferencia entre superficies, estodebido al cambio de calzado [16]. Durante la segunda visitase registraron las trayectorias del centro de masa CoM, asıcomo, los angulos de flexion, abduccion y rotacion de lasarticulaciones de la pierna. Al igual que en la primera visita,el analisis cinematico de movimiento se desarrollo para lasdos condiciones de calzado a tres velocidades submaximas.

1) Demanda energetica (Visita 1): Luego de completar unintervalo de calentamiento de 10 minutos, bajo condicionespreferenciales de calzado y un intervalo de descanso de10 minutos, los voluntarios completaron el test de esfuerzoVO2 MAX sobre una caminadora PROFORM 600-c. Para dichotest, la velocidad inicial de la banda se establecio en 8 km/h, lamisma que se incremento paulatinamente a una tasa de 1 km/hpor cada minuto; hasta que el voluntario no pueda sostener lacarrera a la velocidad alcanzada [20]. Utilizando un equipode valoracion cardiopulmonar COSMED FITMATE PRO, seregistro la tasa de consumo de oxıgeno durante la totalidaddel test, esto permitio estimar el VO2 MAX, VAM y el umbralanaerobico AT [4].

Al culminar el test de esfuerzo, seguido de un intervalo dedescanso de 15 minutos, los voluntarios realizaron pruebasde 5 minutos de duracion bajo cada una de las velocidadessubmaximas (60, 70 ,80 % VAM) y en cada condicion decalzado; las condiciones de velocidad y calzado siguieron unorden aleatorio. Los registros de VO2 se realizaron en losultimos 2 minutos de cada prueba, esto para asegurar un estadofisiologico estable. El intervalo de descanso entre pruebas fuede 5 minutos [16], [1].

Las mediciones desarrolladas a 60, 70, 80% de la VAM,garantiza la ausencia de CO2 no metabolico, lo que haceposible evaluar el metabolismo, a partir de la relacion deintercambio respiratorio. Esto permite convertir los datos deVO2 en terminos de demanda energetica mlO2kg-1 [7]. Paradisminuir la variabilidad, causada por el proceso de respiracionhumana, los datos de VO2 fueron promediados en una ventanatemporal de 30 s para cada condicion de calzado y velocidad[21], [8]. Con el fin de comparar los datos de VO2 entresujetos, las tasas de consumo energetico fueron interpoladas avelocidades de comparacion (8-11,5-14,5 km/h) y la demandaenergetica RE fue expresada relativa a la masa por minuto [1].

2) Costo Mecanico (Visita 2): El experimento fue desarrol-lado en el laboratorio de analisis de movimiento de la Univer-sidad de los Andes, equipado con 8 camaras optoelectronicas auna frecuencia de muestreo de 100 Hz. Los datos cinematicosobtenidos, permitieron la construccion del modelo de cuerpocompleto 3D utilizando el software Sports 3DMA [22].

Para el registro del movimiento del cuerpo se utilizaron 22marcadores reflectivos que fueron colocados sobre la piel delos sujetos de acuerdo al protocolo, analisis de carrera decuerpo completo Helen-Hayes [23], (1,2) Acromio izquierdo-derecho, (3,4) epicondilo lateral de humero izquierdo-derecho,(5,6) Apofisis estiloides del cubito izquierdo-derecho, (7,8)Crestas Iliacas izquierda-derecha, (9,10) centro del musloizquierdo-derecho, (11,12) Epicondilo del femur izquierdo-

derecho, (13,14) Centro de pantorrilla izquierda-derecha,(15,16) Maleolo lateral izquierdo-derecho, (17,18) entre elmetatarsiano M2-M3 del pie izquierdo-derecho, (19) VertebraC7, (20) Union lumbo-sacra, (21-22) Calcaneo izquierdo-derecho. Las trayectorias de los marcadores fueron filtradasusando un metodo polinomial (Savitzky-Golay), el grado delpolinomio se determino para cada trayectoria [8], [14]

Con base en estudios preliminares [9], la energıa potencial fuecalculada mediante la ecuacion (2) y expresada en julios porpaso [24], [8].

Wpot = mb · g · (hmax − hmin) (2)

Donde, m es la masa corporal (kg), g es la aceleracion de lagravedad (9.81 m/s2), hmax y hmin son las alturas maximas ymınimas del CoM durante un paso.

D. Analisis de Datos

Los datos de costo energetico VO2, trayectorias del CoMy cinematica de articulaciones de la pierna derecha, fueronextraıdas de diez pasos para cada sujeto usando el paquete desoftware Matlab [14]. Estas variables fueron comparadas en lasdos condiciones de calzado y tres velocidades submaximas deprueba, usando un analisis ANOVA de mediciones repetidas.Se utilizo un nivel de significancia tradicional de (p < 0, 05)[8], [16].

Para expresar la magnitud de la diferencia entre condiciones secalculo la diferencia promedio estandarizada SMD mediantela ecuacion (3) y (4), este parametro se interpreto de acuerdoal siguiente criterio: efectos mınimos (SMD ≤ 0, 2), efectosmoderados (SMD ≤ 0, 5), efectos considerables (SMD =0, 8) [14], [17].

d =M1 −M2

SDpooled(3)

SDpooled =

√SD2

1 + SD22

2(4)

III. RESULTADOS

A. Demanda energetica

Luego de culminados los experimentos y el analisis de datos,los resultados pueden resumirse de la siguiente manera. Enprimer lugar, bajo la condicion de calzado (A) (AdidasUltraboost19) el consumo energetico fue substancialmentemenor en promedio 4.40% comparado con la condicion decalzado (V) (Vibram TrekSport FiveFingers) a velocidadessubmaximas de 11.5-14.5 km/h. Contrariamente, a una ve-locidad de 8 km/h, la tasa de consumo de oxıgeno VO2bajo la condicion de calzado (A) fue mayor en 4.84% conrespecto a la condicion (V). Adicionalmente, se evidencio quela demanda energetica se incremento, de manera proporcional

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Figure 2: Tasas de consumo energetico para cada condicionde calzado (p = 0.036) y velocidad (p < 0.001)

a la velocidad de prueba. La distribucion de los datos estanrepresentados en la Fig.2.

La mayor diferencia en las tasas de VO2 fue evidente a 14.5km/h, puesto que, bajo la condicion de calzado (A) (47.07ml/kg/min SD=3.76) la demanda energetica fue menor en un6.48% comparado con la condicion de calzado (V) (50.33ml/kg/min SD=6.32). Por el contrario, a velocidades de 8 y11.5 km/h las diferencias fueron menos evidentes. Ademasse observo que la asimetrıa de la distribucion de los datosdisminuyo al aumentar la velocidad de prueba.

En sıntesis, al comparar los resultados de VO2, se evidenciodiferencias significativas bajo las tres velocidades submaximasde prueba (p = 0.036) y bajo las condiciones de calzado (p <0.01). Ası mismo contrastando las diferencias porcentuales dela VO2 bajo condiciones de calzado, los resultados reflejaronrangos de diferencia (-0.08-a-33.15%, -0,01-a-15% y -18-a-0.4%,) para velocidades de 14.5-11.5-8 km/h respectivamente.Estos resultados permiten afirmar que la variacion de VO2fue considerable para cada sujeto, de modo que, al elevarla velocidad de 11 a 14.5 km/h la diferencia de la demandaenergetica para la condicion de calzado (A) fue de 2.33%; encontraste, para la condicion de calzado (V) la diferencia fueaproximadamente 3 veces mayor (6.48%).

Paralelamente al analisis de los promedios de VO2, com-paramos tambien, las tazas de consumo de oxıgeno duranteel intervalo de tiempo correspondiente al estado fisiologicoestable. Como resultado obtuvimos que durante el minuto 5 lademanda de volumen de O2 1.60% mayor que en el minuto 4,esto para, las tres condiciones de velocidad (p = 0.44) y doscondiciones de calzado (p = 0.01).

Los resultados de tasas de consumo de oxıgeno y costoenergetico de transporte para cada condicion de calzado yvelocidad son recopiladas en la Tabla 1.

Vel

ocid

ad14

.5km

/h11

.5km

/h8

km/h

AV

SMD

AV

SMD

AV

SMD

VO

2[m

l/kg/

min

]47

.07±

3.76

50.3

3±

6.32

0.62

39.3

5±

3.42

40.2

9±

4.43

0.23

30.6

8±

3.05

29.2

7±

4.11

0.39

O2

EC

OT

(mlO

2/k

g/km

)19

4.77±

15.5

620

8.28±

26.1

60.

6220

5.34±

17.8

921

0.26±

23.1

60.

2323

0.15±

22.9

221

9.52±

30.8

70.

39

Table I: Tasas de consumo de oxıgeno VO2 y costoenergetico de transporte O2 ECOT sobre las condiciones de

velocidad y calzado (A) (Adidas Ultraboost19) y (V)(Vibram TrekSport Five Finguers). Los valores promediopara los quince sujetos ± SD y la diferencia promedio

estandarizada SMD.

TESIS II - IBIO-4790 5

Figure 3: Medidas de consumo de oxıgeno VO2 duranteestado fisiologico estable, los datos fueron promediados en

una ventana temporal de 30 segundos (p < 0.01).

B. Costo Mecanico

Los datos obtenidos, trayectorias cinematicas del CoM yarticulaciones, durante el analisis 3D de movimiento; fueronfiltrados y promediados para diez pasos de cada sujeto.Seguidamente, los datos individuales de cada voluntario, sepromediaron para las condiciones de calzado y velocidad. Unavez obtenidos los datos de la altura maxima y mınima delCoM durante la fase de apoyo, mediante la ecuacion (2), seobtuvieron las magnitudes del trabajo potencial WPOT paracada condicion de velocidad (p = 0.013) y calzado (p < 0.01).

En general, la diferencia en el promedio de trabajo potencialWPOT, fue mucho mas evidente a una velocidad de 14 km/h.Bajo la condicion de calzado (V) (0.56 SD=0.047 J/kg m)el trabajo potencial fue 6.66% menor comparado contra lacondicion de calzado (A) (0.60 SD = 0.04 J/kg m). Avelocidades de 8 y 11.5 km/h el trabajo potencial fue menoren un promedio de 0.87% bajo la condicion de calzado (V)con respecto a la condicion de calzado (A). La representacionde las trayectorias del CoM bajo las condiciones de calzadoy velocidad son detalladas en la Fig.4.

De igual manera, se comparo la frecuencia de pasos (SF)bajo las condiciones de velocidad (p = 0.17) y calzado(p = 0.59), sin encontrar diferencias significativas para ambascondiciones. La diferencia porcentual de (SF) a velocidadesde 11.5 y 14.5 km/h fue de 3.48% mayor para la condicion decalzado (V) con respecto a la condicion (A). No obstante losresultados de las pruebas a 8 km/h reflejaron un incrementode 3.16% en la (SF) para la condicion de calzado (A) conrespecto a la condicion (V).

Las trayectorias del CoM, de igual forma, fueron comparadaspara las condiciones de velocidad (p < 0.05) donde seencontraron diferencias significativas. Sin embargo, para lacondicion de calzado (p = 0.33) el valor de (p) fue mayoral establecido.

(a) v=8 km/h

(b) v=11.5 km/h

(c) v=14.5 km/h

Figure 4: Trayectorias del centro de masa yCoM, bajocondiciones de calzado y velocidad

Los detalles sobre las variables biomecanicas se recopilan enla Tabla 2.

C. Variables Cinematicas

Ası mismo, las trayectorias de las articulaciones de la pierna,fueron promediadas para diez pasos de cada sujeto; luegopara cada condicion de velocidad y calzado. Se encontrarondiferencias significativas para la condicion de calzado y ve-locidad (p < 0.001), sin embargo para los valores de angulode rotacion de rodilla y cadera las diferencias se ubicaronpor encima del valor estandar (p = 0.28) y (p = 0.86)respectivamente.

TESIS II - IBIO-4790 6

Vel

ocid

ad14

.5km

/h11

.5km

/h8

km/h

AV

SMD

AV

SMD

AV

SMD

WPOT

[J/k

gm

]0.

58±

0.03

0.57±

0.07

0.02

0.60±

0.04

0.56±

0.04

70.

750.

54±

0.05

80.

54±

0.05

60.

002

Frec

uenc

iade

Paso

s[S

teps

/min

]16

2.55±

47.1

317

1.33±

60.2

30.

1815

5.59±

46.0

815

8.52±

53.7

80.

0515

2.80±

54.0

414

7.97±

49.1

60.

09

4h

[m]

0.10±

0.00

670.

10±

0.01

0.05

0.10±

0.00

90.

09±

0.00

70.

750.

0945±

0.01

0.09

43±

0.00

70.

02

t c[s

]0.

10±

0.00

670.

10±

0.01

0.05

0.10±

0.00

90.

09±

0.00

70.

750.

0945±

0.01

0.09

43±

0.00

70.

02

Table II: Variables mecanicas bajo las tres velocidades deprueba y condiciones de calzado: Trabajo potencial WPOT,

Frecuencia de pasos (SF), altura maxima del centro de masa(4h).

Figure 5: Trabajo potencial de la marcha bajo condiciones develocidad submaxima y calzado. (p < 0.01)

Para comparar las trayectorias de las articulaciones bajocondiciones de calzado y velocidad, se obtuvieron los valoresmaximos de los angulos. De este modo, los resultados refle-jaron un efecto considerable (SMD=1.16-0.92-1.24) para losvalores maximos del angulo de flexion de tobillo en las tresvelocidades de prueba (14.5-11.5-8 km/h). De igual forma, elvalor maximo del angulo de abduccion de cadera evidencioun efecto moderado (SMD=0.48-0.36-0.35)

Por otra parte, el valor maximo del angulo de cadera, al iniciode la fase de apoyo, reflejo un incremento del 62% bajo lacondicion de calzado (V) contra la condicion de calzado (A).En cuanto, al valor maximo de abduccion de cadera (p <0.01) a 14.5 km/h, fue mayor en 45% bajo la condicion decalzado (V) con respecto a la condicion de calzado (A); paravelocidades de 8 y 11.5 km/h la diferencia fue menos evidente.Ademas, bajo la condicion de calzado (A) el valor maximode rotacion de cadera fue 25.7% mayor comparado con lacondicion (V) a 14.5 km/h.

En la articulacion de la rodilla, los patrones de flexionpermanecieron constantes para las condiciones de velocidady calzado. No obstante, el valor maximo del angulo deabduccion a 14.5 km/h fue 17.5% mayor bajo la condicionde calzado (V) respecto a la condicion (A). Para el angulode rotacion en la rodilla, el valor maximo fue mayor en 53%durante el uso de calzado minimalista.

Al comprar las trayectorias del tobillo, el valor maximo deflexion fue en promedio 13.67% mayor bajo condicion decalzado (V) con respecto a la condicion (A) (p < 0.01), ladiferencia permanecio constante bajo las tres velocidades deprueba (p < 0.01).

La representacion grafica de los valores cinematicos de lasarticulaciones de la pierna se observan en la Fig. 6. De igualforma, los valores cinematicos de las articulaciones de lapierna se resumen en la Tabla 3.

TESIS II - IBIO-4790 7

(a) Flexion Angle

(b) Abduction/Adduction Angle

(c) Rotation Angle

Figure 6: Promedios grupales de cinematica tridimensionalde las articulaciones de la pierna sobre las tres velocidades

de prueba: izquierda 8 km/h, centro 11.5 km/h, derecha 14.5km/h.

Vel

ocid

ad14

.5km

/h11

.5km

/h8

km/h

AV

SMD

AV

SMD

AV

SMD

Hip

flex

40,8

1±

2,34

38,9

7±

14,5

40,

1737

,55±

2,31

38,1

8±

2,64

0,21

32,7

7±

3,30

33,8

8±

2,42

0,38

Kne

efle

x43

,93±

5,99

43,0

8±

7,75

0,10

45,1

2±

6,33

43,1

3±

4,55

0,28

44,3

2±

6,50

42,6

5±

5,27

0,28

Ank

lefle

x24

,81±

2,50

29,1

1±

3,86

1,16

26,0

6±

3,42

29,5

6±

2,35

0,92

25,8

4±

4,32

30,1

6±

2,36

1,24

Hip

AB

/AD

9,66±

3,86

16,5

0±

19,4

10,

4811

,61±

5,45

9,47±

3,41

0,36

8,88±

3,87

10,3

4±

4,34

0,35

Kne

eA

B10

,96±

5,87

15,0

1±

16,4

20,

3110

,65±

5,35

9,90±

2,94

0,13

11,3

2±

5,76

10,3

4±

2,94

0,21

Ank

leA

B10

,60±

8,48

11,4

8±

9,54

0,08

11,5

1±

7,97

13,0

9±

9,02

0,15

12,6

1±

8,67

12,0

7±

9,02

0,06

Hip

Rot

-13,

82±

15,3

1-1

8,62±

8,75

0,29

-16,

46±

6,98

-16,

23±

6,11

0,03

-17,

53±

8,22

-15,

19±

6,87

0,31

Kne

eR

ot4,

75±

7,24

5,36±

8,77

0,06

4,22±

7,47

4,43±

6,90

0,02

4,54±

7,03

2,13±

6,02

0,37

Ank

leR

ot-4

,99±

2,50

-5,7

5±

3,35

0,22

-3,9

4±

3,29

-4,4

7±

1,76

0,15

-3,5

3±

3,64

-4,3

7±

1,96

0,29

Table III: Variables Cinematicas de las articulaciones de lapierna bajo condiciones de velocidad y calzado.

IV. DISCUSION

El objetivo del presente estudio fue determinar el efecto deluso de calzado minimalista (Vibram TrekSport FiveFingers)y acondicionado (Adidas Ultraboost19), sobre la demandaenergetica VO2 y el costo mecanico de la marcha WPOT.

Los resultados reflejaron que, la demanda de energıa bajo lacondicion de calzado (A) fue sustancialmente menor en unpromedio de 4.48% a velocidades submaximas 11.5 y 14.5km/h.

TESIS II - IBIO-4790 8

Al mantener controlados los parametros biomecanicos y fi-siologicos que intervienen en la carrera, podemos afirmar que,la diferencia de VO2 encontrada en este estudio correspondea la interaccion del calzado con dichos parametros [4], [16].Las caracterısticas principales del calzado minimalista estandefinidas por: menor amortiguacion de la superficie bajodel talon, una suela altamente flexible, menor estabilizaciondurante la fase de apoyo y una menor masa comparada conel calzado tradicional [25]. La masa del calzado minimalistaes 136 g, mientras que la del calzado tradicional es 50.55%mayor. Por lo anterior mencionado, planteamos la hipotesis deque el uso de calzado minimalista brindarıa mayores ventajassobre el uso de calzado regular durante la carrera a velocidadesconstantes. No obstante, Worobets [4] en sus estudios hareportado que, el uso de calzado con una amortiguacion mayoren el area del talon mejoran la demanda energetica en unpromedio de 1% durante la carrera. Esto significarıa unaventaja que presenta el calzado tradicional Adidas, debido ala implementacion de la tecnologıa ULTRABOOST [16], [4].

Con el objetivo de, determinar el efecto de las condicionesde calzado sobre la biomecanica de la carrera, realizamosuna comparacion entre calzado minimalista (V) y acondi-cionado (A) a velocidades submaximas (8-11.5-14.5 km/h).Los resultados de dicha comparacion, evidenciaron que, latasa de consumo de oxıgeno VO2 se incremento en un rangode -29.73%-a-50.46%- bajo condicion de calzado (V). Porotro lado, en condiciones de calzado tradicional el consumoenergetico se incremento en el rango de -30.20%-a-46.46%-. Esto permite afirmar que, al incrementar la velocidad elaumento de la demanda energetica es mayor bajo condicionesde calzado minimalista.

De acuerdo con lo propuesto por Liberman [13], durantela locomocion, los humanos seleccionan la velocidad de lamisma. Esto para, obtener un costo de transporte eficienteen terminos de energıa. Lo anterior mencionado, convergecon los resultados obtenidos en nuestro estudio ya que a unincremento de la velocidad corresponde una disminucion delcosto energetico de transporte para cada condicion de calzadoy velocidad (p < 0.01).

Sin embargo, Hoogkwamer et al., evidenciaron, un incrementolineal del costo energetico de transporte con respecto a lavelocidad, esto en atletas profesionales [16]. Trabajos comolos de Bartliner et al., sustentan estos resultados, ademasproponen que, para atletas aficionados o sub-elite las tasasmetabolicas se deben calcular a velocidades cercanas a lade competencia. Ası mismo recomiendan el uso de tecnicasde ajustes curvilıneos para la interpolacion de datos de VO2[16], [26]. Lo anterior mencionado puede explicar porque,en nuestro estudio, a velocidades cercanas a la VAM losresultados reflejaron mayores efectos del calzado minimalistasobre la VO2.

Trabajos como los de Halvonsen [27], proponen que, lademanda energetica VO2 durante un estado fisiologico establey a velocidad constante decrece proporcionalmente. Esto conrespecto, al producto de la frecuencia de pasos (SF) y eldesplazamiento vertical del CoM. Sin embargo, en el presente

estudio no se encontro una relacion fuerte entre la demandaenergetica y el porcentaje de cambio en la (SF). En sıntesis,a una velocidad de 8 km/h la (SF) en condiciones de calzadominimalista fue menor en un promedio de 3% comparado conel calzado tradicional (p < 0.05), lo cual, diverge con respectoa estudios preliminares [14], [13]. Por otro lado a 11.5 y14.5 km/h la (SF) fue mayor durante la carrera minimalistaen un promedio de 3.46% contra la marcha en condicion decalzado (A), lo que concuerda con los resultados de estudiosantes mencionados. Teniendo en cuenta que, los corredorespueden ajustar la rigidez de la pierna al correr sobre diferentessuperficies [7]. Por lo tanto, a velocidades bajas como 8 km/hla frecuencia en los pasos no es determinante en la demandaenergetica de la carrera, ya que, la respuesta al cambio decondicion de calzado corresponde a un ajuste de la rigidez dela pierna kleg.

Los resultados, no reflejaron efectos considerables en la alturamaxima alcanzada por el CoM bajo las condiciones de calzadoy velocidad. Sin embargo, teniendo en cuenta lo expuestopor Riddick [28], en el cuerpo humano los tejidos blandoscontribuyen a la disipacion de energıa durante la fase deapoyo. Por lo tanto, el calzado puede mejorar este amor-tiguamiento. Por lo anterior podemos afirmar que, durante lamarcha minimalista, los musculos deben compensar la faltade amortiguacion que proporciona el calzado acondicionado.De igual forma, al correr sobre diferentes superficies a unavelocidad constante, el cuerpo humano es capaz de regularel valor de la rigidez de la pierna kleg [7]. Por esta razon,podemos aceptar el hecho que no se encontraron efectosconsiderables en las alturas maximas alcanzadas por el CoM.

Liberman [13] propone que, la intensidad del impacto almomento del contacto con la superficie, esta relacionada conenfermedades causadas por sobrecarga en las articulaciones[13]; lo cual ha sustentado el uso de calzado minimalista.Sin embargo, la optimizacion del sistema musculo-esqueleticono se ha abordado realmente [29]. Por estas razones, lacomparacion de las trayectorias de las articulaciones, en lasextremidades inferiores; proporciona una percepcion mas es-pecıfica sobre el efecto de la condicion del calzado sobre laeconomıa de carrera.

A diferencia de los resultados expuestos por Bonacci [14],nuestro estudio reflejo que, a una velocidad de prueba de 14.5km/h se evidencia un mayor valor de angulo de flexion decadera durante la marcha minimalista. El incremento fue enpromedio de 54% comparado con la condicion de calzado(A), esto permite afirmar que la activacion en los musculosAbductor longus (AL) y Abductor magnus (AM) fue mayory por lo tanto se incremento la demanda energetica VO2.Las divergencia entre los resultados del presente estudio ylos expuestos por [14], pueden responder a la diferencia entrelos calzados minimalistas utilizados. El calzado Nike Free 3.0utilizado en [14] tiene una suela de 17 mm bajo el area deltalon, mientras que el modelo Vibram TrekSport Five Fingerstiene una suela de 3 mm bajo el talon.

La abduccion, en la articulacion de la cadera, tiene un papelimportante durante la carrera humana. Una abduccion excesiva

TESIS II - IBIO-4790 9

de la cadera esta relacionada con enfermedades por sobrecargaen corredores profesionales y aficionados [30]. Ademas, estu-dios similares reafirman la idea que, una abduccion anormal decadera y rodilla tiene una potencial relacion con enfermedadesde la pierna. Por esta razon podemos establecer una relacionentre el uso de calzado minimalista y el aumento de laposibilidad de padecer enfermedades relacionadas a la practicade la carrera [31].

Por otro lado, en nuestro estudio, el valor maximo del angulode flexion de rodilla fue relativamente constante bajo las tresvelocidades de prueba y condicion de calzado (p < 0.01).Esto al igual que en estudios preliminares [14]. Sin embargo,en la articulacion de tobillo, el valor maximo del angulo deflexion (p < 0.01) fue mayor durante la condicion de calzado(V). El angulo de flexion de tobillo afecta proporcionalmenteel tiempo de contacto con la superficie tc, ademas clasificalos patrones de contacto al comienzo de la estancia de apoyo(delantera, junta de metatarsos, talon). Liberman [13] pro-pone que, al aterrizar con la parte delantera del pie, en elcomienzo de la estancia de apoyo de la carrera, el tobillopermanece flexionado y por lo tanto la dorso flexion del mismopermanece controlada; lo contrario sucede al aterrizar conel talon. Por esto, se puede deducir que la fuerza generadapor la dorsoflexion al aterrizar con el talon, puede contribuira un incremento en la demanda energetica. Ası tambien,como resultado de un mayor tiempo de contacto, podemosdeducir que bajo condicion de calzado (A) los voluntariosexperimentaron una mayor fuerza de reaccion de la superficie,esto de acuerdo con [13].

Los cambios en la biomecanica de los grupos muscularesabductores de las articulaciones de cadera y la rodilla, sepueden usar como una alternativa de entrenamiento; esto para,aumentar la capacidad de generacion de fuerza de dichosmusculos. Teniendo en cuenta que Silva et al., sugieren que, unmayor balance funcional entre la fuerza generada por musculosagonistas y antagonistas de la cadera influye positivamente enel rendimiento del atleta [32]. Por otro lado, la relacion entre elangulo de rotacion de cadera y la biomecanica de la marcha enun plano frontal permanece aun incierta. Sin embargo, estudiospreliminares sugieren que el brazo de palanca del plano frontalesta correlacionado positivamente con la rotacion interna de lacadera y negativamente con el patron de aterrizaje del ante-pie. Estos resultados pueden relacionarse con enfermedadespor sobrecarga durante la carrera minimalista [33].

La teorıa muscular de puentes cruzados de Huxley, proponeque, la relacion fuerza-longitud depende del sobrelapado entrefilamentos de actina y miosina. Y teniendo en cuenta que, estoscambios en el sobrelapado, estan en funcion del angulo de laarticulacion [5]. Podemos decir que, la fuerza ejercida por ungrupo muscular depende de su longitud y angulo cinematico dela articulacion. Por lo anterior mencionado podemos concluirque el incremento en la demanda energetica durante la carreraminimalista, a velocidades cercanas a la VAM; correspondeen parte, al incremento de los valores maximos de los angulosen las articulaciones del tren inferior [5] [34].

V. CONCLUSIONES

En el presente estudio podemos concluir que la capacidadde amortiguacion, la rigidez longitudinal y la sensacion deconfort estan relacionados con la disminucion de la demandade energıa durante la carrera.

El analisis de la carrera en plano sagital, no captura de mejormanera, los cambios en las variables biomecanicas. Por talrazon, el analisis de las trayectorias de las articulaciones de lapierna brinda una mejor perspectiva durante el analisis de lalocomocion humana.

En terminos energeticos podemos concluir que el calzadoacondicionado Adidas Ultraboost19, mejora la demanda en-ergetica RE durante la marcha en atletas sub-elite. Ademasincide en la disminucion de la longitud de las trayectoriasejercidas por las articulaciones, lo cual, produce un mejo-ramiento del consumo energetico. Por otro lado, el aumentoen la estabilidad durante el comienzo de la estancia de apoyo,mejora la biomecanica de la marcha en el plano frontal; estopodrıa disminuir la probabilidad de padecer enfermedadesrelacionadas con el running y sobrecarga en articulaciones.

Al comparar los dos tipos de calzado, el efecto sobre el WPOT,no fue mayormente evidente. Esto por el ajuste fisiologico dela rigidez vertical de la pierna kleg, en respuesta a los diferentestipos de calzado.

Los efectos causados por el calzado minimalista, sobre labiomecanica en el plano frontal durante la marcha, pueden seraprovechados para fortalecer grupos musculares abductores.Esto permitira mejorar el rendimiento del atleta.

Es necesario el diseno de un protocolo experimental de ordenlongitudinal, a fin de, conocer los efectos cronicos de lamarcha bajo condiciones de calzado minimalista o descalzo.

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