M1 Locomoción Pendular

Tópico

La locomoción pendular describe el caminar en los mamíferos: durante cada paso, el centro de masa oscila sobre el miembro que está en contacto con el suelo como si fuera la masa de un péndulo invertido, intercambiando energía potencial y energía cinética en sentidos opuestos a lo largo del ciclo, de modo que cuando una sube la otra baja.

Ese intercambio entre energía potencial y energía cinética nunca es perfecto, pero a la velocidad óptima de caminata la recuperación pendular de energía alcanza entre un sesenta y un setenta por ciento del total intercambiado en cada paso, y es precisamente esa recuperación la que minimiza el costo metabólico de caminar a esa velocidad.

Esa velocidad óptima de intercambio energético está gobernada por un número adimensional que combina la velocidad de desplazamiento, la aceleración de la gravedad y la longitud del miembro de apoyo: el caminar, como modo locomotor, solo es posible mientras ese número se mantiene por debajo de un valor crítico cercano a un medio, y la velocidad a la que el intercambio de energía potencial y cinética resulta más eficiente corresponde a un valor de ese número cercano a un cuarto.

Ese mismo número adimensional predice, además, en qué momento un mamífero cambia de la marcha caminada a la marcha corrida: mamíferos de tamaño corporal muy distinto cambian de una marcha a la otra al alcanzar aproximadamente el mismo valor de ese número, sin importar si se trata de un ratón o de un elefante, una predicción que ha sido verificada experimentalmente a lo largo de ese enorme rango de tamaños corporales.

La frecuencia natural con la que el animal da cada paso se determina, igual que en un péndulo simple, por la longitud de su miembro de apoyo: cuanto más largo es el miembro, más lento oscila de forma natural, igual que un péndulo más largo oscila más lentamente que uno corto, de modo que la frecuencia de paso disminuye con la raíz cuadrada de la longitud del miembro.

A lo largo de ese mismo ciclo pendular, la componente vertical de la fuerza de reacción del suelo sigue un perfil con dos máximos por paso, uno poco después del apoyo y otro poco antes del despegue: esos dos máximos corresponden a los dos momentos del ciclo en que el centro de masa se encuentra en el punto más bajo de su arco, donde el cuerpo debe soportar, además de su peso, la fuerza adicional necesaria para frenar y luego volver a levantar el centro de masa.

El costo metabólico de caminar, expresado como energía gastada por unidad de masa y de distancia recorrida, resulta mínimo precisamente en la velocidad de marcha que el animal prefiere de forma natural, y crece tanto si el animal camina más lento como si camina más rápido que esa velocidad preferida.

El control de la estabilidad lateral es, dentro de esta locomoción pendular, el problema más exigente para los mamíferos bípedos —los humanos y algunos primates—, porque el sistema resulta intrínsecamente inestable en el plano frontal, de lado a lado, incluso cuando el intercambio de energía potencial y cinética hacia adelante funciona correctamente. Mantener el equilibrio lateral exige ajustar continuamente tanto la posición donde se apoya el pie como el ancho de cada paso, y el costo metabólico de sostener esos ajustes crece con el cuadrado de la velocidad de desplazamiento, de modo que caminar rápido resulta desproporcionadamente más costoso, en términos de estabilidad lateral, que caminar despacio.

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