Correlação entre as curvas de força da flexão do cotovelo e do joelho em humanos
Correlação entre as curvas de força da flexão
do cotovelo e do joelho em humanos
La correlación entre la curva de fuerza de flexión de la rodilla y la curva de fuerza de flexión del codo en los seres humanos
Correlation between the strength curve of knee flexion and the strength curve of elbow flexion in humans
Professor de Educação Física (CEUCLAR)
Especialista em Educação Física escolar (UNICAMP)
O objetivo deste estudo é mostrar que em humanos a curva de força da flexão de joelho é idêntica à curva de força da flexão do cotovelo. A razão para isso é que tanto a flexão do joelho como do cotovelo ocorrem em articulações do mesmo tipo e possuem uma idêntica variação do braço de momento de força enquanto se altera a amplitude articular de movimento. A curva de força de ambos é do tipo "sino", onde o pico de produção de força ocorre no ângulo articular de 90° de flexão. Também é necessário rever a maneira de se interpretar a relação força X comprimento.
Unitermos: Relação ângulo X torque. Isquiotibiais. Isquios-surais. Relação força X comprimento. Braço de momento.
The aim of this study was to demonstrate that the strength curve of the knee flexors muscles is identical to the strength curve of elbow flexors muscles. The reason for this is that both movements have an identical variation of the moment arms as changes the range of motion and both joints are of the same type. The strength curve of both movements is type 'bell- shaped', then the maximum strength occurs at 90° of flexion. Is also necessary to review the interpretation of the force X length relationship.
Keywords: Angle X torque relationship. Hamstring. Force-length relationship. Moment arms.
Recepção: 20/08/2014 - Aceitação: 05/11/2014.
Há varias definições do que é força, mas como nos referimos a músculos, força é a capacidade física de vencer uma resistência por meio de ações musculares. Já o termo curva de força é definido por Kulig, Andrews e Hay (1984, p.418) como "força muscular máxima versus o ângulo articular".
Podemos também definir curva de força como uma descrição gráfica da variação da capacidade de produção de força de determinado músculo ou grupo muscular, conforme se altera a amplitude articular de movimento. As curvas de força representam graficamente a relação ângulo X torque.
Para humanos não temos problema em achar dados perfeitamente aceitáveis para definir a curva de força do movimento de flexão do cotovelo, mas quando procuramos dados para definir a curva de força do movimento de flexão do joelho, de cara nos deparamos com valores confusos que se perdem facilmente quando analisamos a anatomia dos músculos isquios-surais, principalmente no que se refere à variação do braço de momento de força. É fato inegável que esta confusão se deve em parte pela maneira como tem sido interpretada a relação força X comprimento, que segundo Campos (2000, p. 40) "diz que a força contrátil que um músculo é capaz de produzir aumenta com o comprimento do mesmo e é máxima quando o músculo está no comprimento de repouso, ponto onde existe a maior sobreposição dos filamentos de actina e miosina".
Entendo que a relação força X comprimento serve muito bem para explicar que músculos esqueléticos conseguem produzir mais força no geral, se partirem de uma posição mais alongada somente. Para ilustrar este ponto, considere a seguinte situação; você pede que um mesmo atleta realize séries de flexão de joelho em um equipamento flexor de joelho sentado ou deitado, partindo primeiro de uma posição alongada (0°) e depois partindo de uma posição mais encurtada (90°). Obviamente quando o atleta parte de uma posição mais alongada conseguirá levantar uma maior quantidade de carga, produzindo assim mais força, mas, "no geral". Isto não significa que a relação força X comprimento deve ser considerada, nem tampouco usada, para explicar a variação de produção de força que ocorre conforme a amplitude articular de movimento se altera. Geralmente quando pesquisadores apresentam uma curva de força da flexão do joelho do tipo 'descendente' uma das razões que usam para justificar esse resultado é a relação força X comprimento. Então o problema é entender o que realmente essa relação quer dizer. Fica claro a confusão na maneira de se interpretar a relação força X comprimento se a aplicarmos na flexão do cotovelo. A grande maioria das pesquisas internacionais sobre produção de força, considerando a relação ângulo X torque, na flexão do cotovelo em humanos apontam para uma curva em forma de sino, onde no início da flexão (0°) próximo a posição de repouso, insisto, onde os músculos envolvidos estão no seu maior comprimento, humanos conseguem produzir a menor quantidade de força levando em conta toda a amplitude articular. Então como podemos considerar a relação força X comprimento que, como já dito, afirma que no comprimento de repouso (no caso, no início da flexão do cotovelo) músculos esqueléticos conseguem produzir máxima quantidade de força. Não precisamos pensar muito para perceber a contradição. Kulig, Andrews e Hay (1984, p.436) já tinham percebido algo errado sobre a relação força X comprimento, onde afirmavam já naquela época, que "todas as curvas de força encontradas para a flexão de cotovelo foram 'ascendentes-descendentes' (hoje denominada 'forma de sino') e que estes resultados encontrados eram contrários ao que dizia a relação força X comprimento, pois a capacidade de produzir força ou torque pelos músculos flexores aumentavam conforme o comprimento diminuía e, portanto, que algum outro fator (ou fatores) exerceu uma maior influência para os resultados encontrados do que a relação força X comprimento". Também mencionaram que talvez pudesse ser o braço de momento esse outro fator influenciador da curva de força dos flexores do cotovelo, porém mais informações do que as fornecidas pelos estudos revisados ​​seriam necessárias antes da relação desses fatores ser determinada.
Ainda falando sobre uma possível confusão na forma de se interpretar a relação força X comprimento, é pertinente citar Carpenter (2005, p. 99) que fazendo referência a Hill (1938), menciona que "o desenvolvimento de força por músculos depende do sistema de ligação dos filamentos e quando muito estirados, se desfazem estas ligações e a força cai". Também em "músculos com o comprimento diminuído, haverá uma menor sobreposição o que faz também com que caia o nível de tensão".
Considerações sobre braço de momento
Segundo Campos (2000, p. 30) "braço de momento é a distância entre o eixo de uma articulação e o ponto de aplicação de força muscular (inserção do músculo)", e ainda que "o torque gerado pelo músculo será o maior no ponto em que a linha de ação do músculo estiver mais longe do eixo da articulação".
Entendo que braço de momento é a distância total entre o eixo de uma articulação e o ponto de aplicação da força (inserção do músculo) que pode variar conforme a amplitude articular de movimento se altera. Contrariando o que se diz, que braço de momento é sempre a menor distância entre o ponto de aplicação da força e o eixo da articulação, na verdade, quanto mais perto a linha de ação da força muscular estiver do eixo da articulação, menor é o braço de momento e por conseqüência disto o músculo conseguirá produzir uma menor quantidade de força. No caso da flexão do joelho e cotovelo, quando ambas as articulações estão em exatos noventa graus de flexão é onde ocorre à maior distância perpendicular entre o eixo da articulação e a linha de ação da força muscular e por isso neste ângulo, humanos conseguem produzir a máxima quantidade de força, levando em conta toda a amplitude articular.
Kulig, Andrews e Hay (1984, p. 429) mencionavam já naquela época que "o braço de momento varia conforme se altera a amplitude articular"; também que "quanto aos resultados das curvas de força encontrados para os movimentos de ombro alguns pesquisadores consideraram somente a relação força X comprimento e ignoraram o braço de momento dos músculos envolvidos para conclusão dos resultados".
Suspeito que a ação de considerar somente a relação força X comprimento e ignorar o braço de momento para conclusão de resultados sobre produção de força muscular pode estar ocorrendo até hoje principalmente em relação às pesquisas que afirmam que a curva de força da flexão do joelho é do tipo descendente.
Considerando ainda que o principal fator influenciador que define uma curva de força de músculos esqueléticos seja realmente a variação do braço de momento, o que ocorre na flexão tanto do cotovelo quanto do joelho é que nos graus iniciais de movimento as fibras musculares e seu tendão obviamente estão quase que paralelas aos ossos ao qual são inseridas, e com pouquíssima distância entre a linha de ação do músculo e o eixo da articulação o que gera uma desvantagem mecânica muito grande no início da amplitude de movimento, razão esta, da pouca capacidade de produção de força dos músculos flexores nos ângulos iniciais de movimento. Conforme a amplitude de movimento aumenta, gradativamente as fibras musculares deixam de ficar paralelas aos ossos de inserção, aumentando assim a distância entre a linha de ação do músculo e o eixo da articulação o que faz aumentar gradativamente a capacidade de produção de força dos músculos envolvidos até ser máxima no ângulo articular de noventa graus de flexão. Após noventa graus de flexão, começa a diminuir novamente a distância entre a linha de ação dos músculos e o eixo da articulação e com isso diminui gradativamente sua capacidade de produzir força, conforme pode ser observado na figura 2. É preciso lembrar que nos ângulos finais de movimento há uma maior distância perpendicular entre o eixo da articulação e o ponto de aplicação da força, do que nos ângulos iniciais de movimento o que faz com que os músculos flexores tenham uma maior capacidade de produzir força, obviamente, nos ângulos finais da flexão do que no início da mesma (posição de repouso e também de maior comprimento muscular).
Diante do exposto, o objetivo deste trabalho é principalmente mostrar que em humano as curvas de força da flexão do joelho e cotovelo são idênticas e também que a maneira de se interpretar a relação força X comprimento deve ser revista.
Mcmaster, Cronin e Mcguigan (2009, p. 51) citam os três tipos de curva de força, a saber; ascendente, descendente e tipo sino. E realmente, há três tipos de curvas de força conhecidas que podem ser vistas na figura 1.
Segundo Kulig, Andrews e Hay (1984, p.422) músculos com curvas de força ascendente aumentam a capacidade de produzir força conforme o ângulo articular aumenta. Já músculos com curvas de força descendente diminuem a capacidade de produção de força conforme o ângulo articular aumenta e músculos com curvas de força em 'forma de sino', que na época, os autores classificavam-nos como "ascendente/descendente" primeiro aumentavam e depois diminuíam a capacidade de produzir força, conforme aumentava a amplitude articular. Ainda segundo Kulig, Andrews e Hay ibidem, p. 457 o critério para classificar uma curva de força como ascendente/descendente foi ha existência inicial de um aumento na força ao longo de pelo menos quinze graus da amplitude articular seguido de uma diminuição de força no final de no mínimo quinze graus da amplitude articular.
Fatores influenciadores da curva de força
Enoka (2000, p. 193) afirma que a variação do comprimento muscular afeta a variação da força muscular. O autor ainda, citando Kulig, Andrews e Hay (1984) apresenta como fatores influenciadores desta variação da capacidade de produção de força, a relação ângulo X torque, os efeitos da arquitetura da fibra, o número de articulações que um músculo alcança e da influência do ângulo articular no braço de momento (IBIDEM p. 194). Kulig, Andrews e Hay (1984, p. 421) apresentaram como fatores que influenciam uma curva de força, o gênero, a idade e tipos corporais, bem como fatores psicológicos, que inclui a motivação, também fatores fisiológicos como a quantidade de unidades motoras recrutadas, tipo de fibras musculares e tipo de trabalho muscular (isométrico, isotônico e isocinético). Também mencionam sobre o fator geométrico, onde os autores falam sobre a linha de ação, a localização do eixo de movimento, a determinação do braço de momento e da relação que chamamos hoje de força X comprimento como também da localização dos pontos de fixação muscular. Os mesmos autores (Ibidem p. 462) também mencionaram que sobre a fase ascendente de uma curva de força pouco se podia dizer com relação à influência relativa do comprimento muscular e do braço de momento, mas com relação à fase descendente parecia ser seguro dizer que a maior influência era o braço de momento. E ainda, no mesmo estudo, Kulig, Andrews e Hay (p. 449) apontaram que lesões ou doenças podem influenciar também a forma de uma curva de força.
Carpenter (2005, p. 99) afirma ainda que "a força final de um músculo não depende só dos filamentos, mas de toda a estrutura, de outros músculos em ativação, do ângulo de tração, da arquitetura muscular, entre outros fatores". Também fala que "o comportamento de cada articulação dependerá sempre das distancias a que estes músculos estão desta". Ao lembrarmos que braço de momento é a distância entre o eixo articular e o ponto de aplicação da força muscular, fica claro a referência do autor ao braço de momento. Ainda segundo Carpenter ibidem p. 100, a velocidade também influencia a força muscular, onde quanto mais aumentamos a velocidade mais o torque diminui.
Falando sobre a flexão do cotovelo todas as curvas de forças encontradas por Kulig, Andrews e Hay (1984, p. 457) foram ascendente/descendente, (hoje denominamos em 'forma de sino'); muitas das curvas encontradas apontavam para pico de força dos músculos flexores do cotovelo no ângulo de 90°. Campos (2000, p. 36) também fala sobre curva de força dos músculos flexores do cotovelo onde a maior produção de força ocorre em 90° de flexão.
Ainda que Enoka (2000, p. 194) conteste, é preciso salientar que a curva que apresenta o braço de momento do músculo é sempre idêntica à curva de força do mesmo. Então, se a curva do braço de momento de um músculo flexor for 'em forma de sino' com o pico no ângulo articular de 90°, esse músculo aumenta sua capacidade de produzir força até 90° de flexão e depois diminui a capacidade de produção de força gradativamente até o final da flexão.
Marchese et al (2001, p. 95) apresenta a curva do braço de momento dos músculos flexores do cotovelo que como já dito, é idêntica à curva de força dos mesmos, também em forma de sino, com pico de produção de força em 90° de flexão do cotovelo. Murray, Buchanan e Delp (2001, p. 25) também apresentaram curvas com valores relativos ao braço de momento dos principais músculos flexores do cotovelo, também em forma de sino, com valores que indicam máxima produção de força no ângulo próximo a 90° de flexão do cotovelo. Também Mcmaster, Cronin e Mcguigan (2009, p. 53) afirmam que a flexão de cotovelo quanto à produção de força, possui uma curva de força do tipo sino.
A principal motivação para afirmar que as curvas de força da flexão do joelho e cotovelo são idênticas em humanos, é a idêntica variação do braço de momento conforme se altera a amplitude articular de movimento que pode ser visualizado na figura 2.
A mesma variação do braço de momento que ocorre na flexão do cotovelo ocorre na flexão do joelho, por isso que ambos os movimentos de flexão das duas articulações em humanos possuem a mesma curva de força.
Na verdade na prática fica fácil perceber que humanos independente da idade, do nível de treinamento, da motivação psicológica são extremamente fracos no início e fracos no final da flexão tanto do cotovelo quanto do joelho. A causa da independência destes fatores é que a razão da variação de produção de força em humanos tem unicamente a haver com a variação do braço de momento de força que ocorre conforme a amplitude de movimento e altera. É uma questão de vantagem ou desvantagem mecânica simplesmente. Lembrando que não estamos falando de força máxima ou mínima, como se o objetivo fosse verificar quem levanta mais ou menos carga, mas estamos falando do porque a força muscular varia dentro do seu respectivo arco articular. Testes simples com caneleiras e halteres, conseguem mostrar claramente que tanto a flexão do joelho quanto do cotovelo produzem máxima quantidade de força no ângulo articular de 90° de flexão, apresentando assim uma curva de força em forma de sino. Fico surpreso quando aparecem trabalhos científicos, mesmo usando dinamômetros isocinéticos, apontando curvas ascendentes e descendentes para os músculos ísquios-surais.
Não há razão para a curva de força dos músculos flexores do cotovelo ser diferente da curva de força dos músculos flexores do joelho, pois ambas as articulações envolvidas, são do tipo gínglimo (ou dobradiça), e conforme já mencionado, possuem a mesma variação do braço de momento de força conforme se altera a amplitude articular de movimento.
Sem contar que há resultados que já apontam que humanos produzem máxima quantidade de força em 90° de flexão do joelho. Kulig, Andrews e Hay (1984, p. 457) apresentaram nove resultados de estudos sobre produção de força na flexão do joelho e aproximadamente trinta e três por cento deles apontam para uma curva em forma de sino. Surpreendentemente no mesmo estudo aproximadamente sessenta e seis por cento deles apontam para uma curva de força ascendente. Também Mcmaster, Cronin e Mcguigan (2009, p.53) afirmam que a curva de força na flexão de joelhos em humanos é do tipo sino. Brockett, Morgan e Proske (2001, p. 787) encontraram uma curva de força para os músculos isquio-surais em forma de sino com valores de pico de torque próximos a 59° de flexão. Ainda que os ângulos de pico de torque encontrados não cheguem perto dos 90° de flexão propostos neste estudo, é importante ressaltar também que apesar do objetivo do estudo não ser o encontro simplesmente de curvas de força, que de 0° a 59.4° a curva de força encontrada foi ascendente, o que também contraria a relação força X comprimento, pois conforme os músculos encurtaram a capacidade de produção de força aumentou. Arnold et al (2000, p. 116) apresenta dados sobre o braço de momento da flexão de joelho, conseguidos com a ajuda de ressonância magnética, onde o pico de produção de força ocorreu próximo a 78° de flexão. A curva do braço de momento encontrada foi em forma de sino, o que também contaria a relação força X comprimento, pois da mesma forma, conforme os músculos encurtaram aumentou sua capacidade de produzir força até aos 78° de flexão. Já Carpenter (2005, p. 230) afirma que os "flexores do joelho produzem maior força em uma flexão de 90°".
Considerando a variação correta do braço de momento de força as curvas de força da flexão do cotovelo e do joelho seriam como mostra a figura a seguir, em forma de sino com pico de produção de força no ângulo articular de 90° de flexão.
A curva de força tanto da flexão do cotovelo quanto do joelho em humanos definitivamente é do tipo sino onde os músculos envolvidos, atuando em conjunto obviamente, conseguem produzir mais força em 90° de flexão tanto do cotovelo quanto do joelho e isto ocorre por que neste ângulo articular ambas as articulações estão na posição onde possuem a maior vantagem mecânica considerando para esta afirmação toda a amplitude articular.
Mesmo considerando Enoka (2000, p.193) que afirma que o comprimento muscular afeta a força, e também que é preciso transformar a relação força X comprimento em uma relação ângulo X torque, permanece a convicção de que a única relação a se considerar para verificar a variação de produção de força humana enquanto se altera a amplitude articular de movimento é a ângulo X torque. É preciso também questionar a relação força X comprimento porque a grande maioria dos músculos esqueléticos definitivamente não possuem máxima capacidade de produção de força quando estão na posição de maior comprimento. O conceito original da relação força x comprimento foi criado para todos os músculos esqueléticos e na realidade só é compatível com músculos com curvas de força descendentes. Entendo que para todos os músculos esqueléticos e até mesmo para músculos que realmente possuam curvas de força descendentes, o principal fator influenciador da variação da capacidade de produção de força é a variação do braço de momento do músculo e não a maior ou menor sobreposição dos filamentos de actina e miosina. Segundo Carpenter (2005, p. 99) considerando o comprimento muscular como fator influenciador de uma curva de força, a maior tensão produzida por um músculo esquelético ocorre quando o músculo está em uma posição intermediária de comprimento (nem muito e nem pouco estirado).
É perfeitamente aceitável comparar resultados encontrados com estudos anteriores e similares, mas o que não deveria ocorrer e tem sido um costume, por muitos pesquisadores é verificar se os resultados de estudos sobre a variação da produção de força muscular em humanos encontrados são compatíveis com a relação força x comprimento. Se realmente, a maneira com que tem sido interpretada a relação força X comprimento estiver errada, isso pode por em risco a credibilidade dos resultados de muitas pesquisas. Pertinente lembrar que Hill (1938) citado por Carpenter (2005, p.99) testou a tensão gerada por uma fibra muscular em diferentes comprimentos, previamente organizados e descobriu que comprimentos (musculares) inferiores a 2,2 μm e superiores a 2,5 μm geravam menor tensão do que no valor intermediário. Então, se o estudo de (HILL, 1938) for observado com a devida atenção e somado ao fato de que na realidade a grande maioria dos músculos esqueléticos são fracos no ângulo articular de maior comprimento muscular (posição de repouso), com certeza isso descredenciará a teoria da relação força X comprimento a estar no "hall" das grandes descobertas científicas.
No caso específico da flexão do joelho, sendo o cálculo tão simples para se achar o maior braço de momento, ou seja, de se chegar à maior distância perpendicular entre o eixo da articulação e a linha do ponto de aplicação da força muscular no ângulo de 90° de flexão, fica a dúvida de 'como' pesquisadores, usando cálculos aprimorados, algumas vezes até com a ajuda de ultrasom, ressonância magnética, imagens em 3D, em fim, usando formas de cálculos contemporâneos conseguem chegar a ângulos articulares diferentes de 90° de flexão para o maior braço de momento da flexão do joelho.
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