Capítulo 3

Factores determinantes de la fuerza según el atleta

En el capítulo anterior vimos como la fuerza depende de varios factores según la tarea dentro de un deporte dado. Ahora veremos los factores que afectan la fuerza máxima producida por atletas individuales y como estos factores pueden variar de persona en persona.

Atletas individuales generan diferentes fuerzas máximas cuando realizan movimientos similares. Estas variaciones se deben principalmente a:

• La capacidad de fuerza máxima de los músculos individuales (factores secundarios). • La coordinación de la actividad muscular por el sistema nervioso central (factores

principales).

Factores secundarios

Dimensiones del músculo

Entre los factores secundarios, las dimensiones del músculo parecen ser lo más importante. Es bien conocido que los músculos con un área transversal mayor producen fuerzas mayores que músculos similares con un área transversal menor. Esto es verdadero sin importar la longitud del músculo.

El músculo esquelético está compuesto de numerosas fibras. Cada fibra está conformada por muchas miofibrillas en paralelo, las cuales consisten en la repetición longitudinal de sarcómeros. Los sarcómeros incluyen filamentos finos compuestos en gran parte de la proteína actina y filamentos gruesos compuestos de la proteína miosina.

Los filamentos de actina y miosina se traslapan parcialmente. Los filamentos de miosina tienen pequeñas proyecciones helicoidales exteriores llamados puentes cruzados. Estos puentes cruzados tienen en el extremo cabezas de miosina que realizan contacto, conocidos como enlaces, con los filamentos finos (actina) durante la contracción.

La fuerza producida por un músculo es la consecuencia de la actividad de las subunidades (sarcómeros, miofibrillas, fibras musculares). La fuerza máxima producida por el sarcómero depende en cierta extensión del número total de cabezas de miosina disponibles para los enlaces de los puentes cruzados con filamentos de actina. El número total de enlaces de puentes cruzados en un sarcómero dado se debe aparentemente a:

• El número de filamentos de actina y miosina, o el área transversal de todos los filamentos, y

• El número de cabezas de miosina que pueden interactuar con filamentos de actina, o la longitud del sarcómero.

Músculos con largos sarcómeros ejercen fuerzas mayores por unidad de área transversal debido a una mayor posibilidad de solapamiento (mayor extensión). Todos los sarcómeros de una miofibrilla trabajan en serie. La fuerza ejercida por cualquier sarcómero es igual a la fuerza ejercida por cualquier otro de los sarcómeros de la serie. Por lo tanto, todos los sarcómeros de una miofibrilla ejercen la misma fuerza y la fuerza registrada en el final de la miofibrilla no depende de su longitud.

La fuerza producida por una fibra muscular está limitada por el número de filamentos de actina y miosina y consecuentemente por el número de miofibrillas trabajando en paralelo. Para estimar el potencial de un músculo en producir fuerza, en vez de calcular el número de filamentos, los investigadores determinan el área transversal total.

El entrenamiento de la fuerza puede aumentar el número de filamentos por miofibrilla, el número de miofibrillas por fibra muscular y la densidad superficial del filamento. Se sabe poco sobre la influencia sobre la longitud del sarcómero.

La capacidad de un músculo para producir fuerza depende de su área transversal, y particularmente del número de fibras musculares en el músculo y del área transversal de las fibras.

Es comúnmente sabido que el tamaño del músculo aumenta cuando es sujeto a un régimen de entrenamiento de fuerza. Este aumento es llamado hipertrofia y es causado por:

• Un aumento en el número de fibras motoras (hiperplasia de la fibra), ó

• El agrandamiento de las áreas transversales de las fibras individuales (hipertrofia de la fibra)

Investigaciones recientes han encontrado que tanto la hiperplasia como la hipertrofia contribuyen al aumento del tamaño del músculo. Sin embargo, la contribución de la

hiperplasia es bastante pequeña (< 5%) y puede ser despreciada para propósitos prácticos. El tamaño del músculo aumenta debido principalmente al aumento del tamaño de fibras individuales y no por el aumento de fibras.

Personas con un mayor número de fibras tienen un mayor potencial como halterófilos o culturistas que personas con menor número de fibras en sus músculos.

Dos tipos extremo de hipertrofia de las fibras musculares se pueden describir: Hipertrofia sarcoplasmática e hipertrofia miofibrilar (figura 3.1).

La hipertrofia sarcoplasmática está caracterizada por el crecimiento del sarcoplasma (sustancia semifluida interfibrilar) y proteínas no contráctiles que no contribuyen directamente a la producción de fuerza del músculo. Específicamente, la densidad superficial del filamento en las fibras musculares decrece, mientras que el área transversal aumenta, sin un acompañamiento en el aumento de la fuerza muscular.

La hipertrofia miofibrilar es el agrandamiento de la fibra muscular al ganar más miofibrillas y, correspondientemente, más filamentos de actina y miosina. La síntesis de las proteínas actina y miosina en una célula muscular está controlada por los genes en el núcleo de la célula. Los ejercicios de fuerza pueden provocar a los genes a mandar mensajeros químicos a las enzimas afuera del núcleo, estimulándolas a construir proteínas actina y miosina (proteínas contráctiles). Las proteínas contráctiles son sintetizadas, los enlaces de proteínas conforman nuevos filamentos, y la densidad de estos últimos aumenta. Este tipo de hipertrofia conduce a aumentos en la producción de la fuerza muscular.

Ejercicios con gran resistencia conducen a una mezcla de hipertrofia sarcoplasmática y miofibrilar. Dependiendo de la rutina de entrenamiento, estos tipos de hipertrofia se

manifiestan en diferentes grados (al parecer hipertrofia sarcoplasmática o miofibrilar pura nunca ocurre).

En su mayor parte, la hipertrofia miofibrilar se encuentra en halterófilos de elite, mientras que la hipertrofia sarcoplasmática es típicamente vista en culturistas. Excepto en casos especiales en los cuales el objetivo del entrenamiento es ganar peso corporal, los atletas están interesados en la hipertrofia miofibrilar.

El mecanismo envuelto en la síntesis de proteína muscular no ha sido bien establecido hasta ahora. Una teoría, que aún no ha sido validada en detalle, aparece como la más realista y apropiada para el entrenamiento práctico -la teoría energética de la hipertrofia muscular.

De acuerdo con esta hipótesis, el factor crucial para incrementar el catabolismo proteico es la escasez en la célula muscular de la energía disponible para la síntesis proteica durante el ejercitamiento pesado de la fuerza.

La síntesis de proteínas musculares requiere una cantidad sustancial de energía. En cada instante de tiempo, sólo una cierta cantidad de energía está disponible en la célula muscular. Esta energía es utilizada para el anabolismo de proteínas musculares y para el trabajo muscular.

Normalmente, la cantidad de energía disponible en la célula muscular satisface estos dos requerimientos. Durante el ejercitamiento pesado, sin embargo, casi toda la energía disponible es utilizada por los elementos contráctiles musculares y gastada para el trabajo muscular.

Dado que el suministro de energía para la síntesis proteica disminuye, la degradación de proteína aumenta. La captación de aminoácidos desde la sangre al interior del músculo disminuye durante el ejercicio. La masa de proteínas catabolizadas durante el ejercicio excede a la nueva masa de proteínas sintetizada.

Como resultado, la cantidad de proteína muscular desciende un tanto después de una sesión de entrenamiento, mientras que la cantidad de catabolitos proteicos sube por encima del valor normal.

Luego, entre sesiones de entrenamiento, la síntesis proteica aumenta. La captación de aminoácidos desde la sangre al interior del músculo está por encima de los valores normales. La repetición de este proceso de degradación y síntesis de proteínas contráctiles puede resultar en la supercompensación de la proteína (figura 3.2).

Las fibras tipo I, o de contracción lenta, y las fibras tipo II, o de contracción rápida, no se hipertrofian de la misma manera. Las fibras tipo I dependen más en reducir la cantidad de degradación de proteína miofibrilar, mientras que las fibras tipo II dependen más en

aumentar la síntesis. Las fibras tipo I son más sensibles al no-entrenamiento y pueden requerir una frecuencia de mantenimiento mayor que las fibras de tipo II.

Cualquiera sea el mecanismo que estimula la hipertrofia muscular, los parámetros vitales de una rutina de entrenamiento que induce tales resultados son la intensidad (fuerza muscular ejercida) y el volumen (número total de repeticiones, trabajo mecánico realizado). Los aspectos prácticos de esta teoría serán tratados en el capítulo cuatro.

Peso corporal

La masa muscular constituye una parte sustancial del peso corporal (en halterófilos de elite, constituye alrededor del 50%). A esto se debe que, entre atletas igualmente entrenados, aquellos con mayor peso corporal demuestran mayor fuerza.

La dependencia de la fuerza con el peso corporal es vista más claramente cuanto las personas examinadas tienen las mismas magníficas cualificaciones atléticas. Los campeones en halterofilia han mostrado una correlación muy fuerte entre rendimiento y

peso corporal mientras que aquellas personas no envueltas en actividades deportivas, la correlación ha sido baja e incluso cero.

Para comparar la fuerza de diferentes personas, la fuerza por kilogramo de peso corporal, o la fuerza relativa, es usualmente calculada. Por otro lado, la fuerza muscular, cuando no está relacionada con el peso corporal, es llamada fuerza absoluta.

Fuerza relativa = Fuerza absoluta/peso corporal

Con un incremento en el peso corporal, entre atletas igualmente entrenados de varias categorías de peso, la fuerza absoluta aumenta mientras que la fuerza relativa disminuye.

Por ejemplo, el record para el clean and jerk en la categoría de 56 kg es de 168 kg. De ahí, la fuerza relativa es 3. El peso corporal en las categorías super-pesadas es típicamente entre 130 kg y 140 kg. Si los mejores atletas de esa categoría tuvieran una fuerza relativa de 3 kg de fuerza por kilo de peso corporal, podrían levantar aproximadamente 400 kg. Pero en realidad, el record para esa categoría es de 263,5 kg.

¿Por qué atletas de diversos deportes tienen diferentes cuerpos?

¿Porque los atletas de gimnasia son pequeños? Porque deben levantar su propio cuerpo y nada más. Por eso, la fuerza relativa, no la absoluta, es importante en la gimnasia. Los atletas pequeños tiene una ventaja en este deporte.

¿Por qué los mejores lanzadores de bolas son altos y pesados (pero no obesos)? Porque aquí la fuerza absoluta es importante. Los atletas con cuerpos grandes tienen ventaja en este deporte.

Para los linieros en fútbol americano, los lanzadores o los levantadores de las categorías pesadas, la fuerza absoluta es muy valorada. Para deportes en los cuales el cuerpo del atleta en vez de un objeto es movido, la fuerza relativa es más importante.

Otros factores (Nutrición, estado hormonal)

El entrenamiento de la fuerza activa la síntesis de proteínas musculares contráctiles y causa la hipertrofia de las fibras solo cuando existen sustancias suficientes para la reparación y el crecimiento de la proteína. Los bloques de construcción de tales proteínas son los aminoácidos, los cuales deben estar disponibles para la re-síntesis en el período de descanso luego del entrenamiento.

Atletas en deportes tales como halterofilia o lanzamiento de bola, en los cuales la fuerza muscular es la habilidad motora dominante, necesitan al menos 2 gr de proteína por kilogramo de peso corporal.

En atletas de elite durante períodos de estrés, donde la carga de entrenamiento es extremadamente alta, la demanda de proteína puede llegar hasta 3 gr de proteína por kilogramo de peso corporal. Esta cantidad de proteína debe ser provista por comida con una apropiada variedad de aminoácidos esenciales. Es importante observar que los requerimientos reales no son para proteína sino para aminoácidos seleccionados.

Además del suministro de aminoácidos, el estado hormonal de un atleta juega un rol muy importante. Varias hormonas secretadas por diferentes glándulas afectan el tejido muscular. Estos efectos son clasificados como catabólicos, que conducen a la ruptura de las proteínas musculares, o anabólicos, que conducen a la síntesis de las proteínas musculares.

Dentro de las hormonas anabólicas se encuentran la testosterona, la hormona de crecimiento y la insulina. La hormona catabólica predominante es el cortisol. Las concentraciones de estas hormonas en la sangre determinan en gran parte el estado metabólico de las fibras musculares.

El nivel de testosterona es más bajo en mujeres que en hombres, y por lo tanto el entrenamiento de la fuerza no obtiene el mismo grado de hipertrofia muscular en mujeres que en hombres. El entrenamiento de la fuerza obtiene cambios en el nivel de hormonas anabólicas circulando por la sangre. Estos cambios pueden ser agudos (como reacción a un entrenamiento) o acumulativo (cambios a largo plazo en los niveles de reposo).

Por ejemplo, el entrenamiento de la fuerza conduce a aumentos en la concentración de testosterona en reposo e induce una aguda elevación en el nivel de testosterona circulante. Una correlación positiva relativamente alta ha sido encontrada entre la proporción testosterona/globulina fijadora de hormonas sexuales (SHBG) y las ganancias en resultados de halterofilia para el clean and jerk. Un estudio ha demostrado una correlación significativa entre aumentos de la fuerza y la proporción testosterona libre/testosterona ligada. Los sujetos fueron todos campeones y/o poseedores de records nacionales en halterofilia.

Los niveles de la hormona de crecimiento son significativamente elevados durante el ejercitamiento con cargas pesadas (70-85% de la fuerza máxima). Ningún cambio ha sido observado cuando la resistencia es reducida para poder completar 21 repeticiones. El nivel de reposo de la hormona de crecimiento no es cambiado como resultado del entrenamiento de la fuerza.

Las magnitudes de las respuestas hormonales agudas a un entrenamiento específico están relacionadas a lo siguiente:

• Cantidad de masa muscular activada • Cantidad de trabajo • Cantidad de descanso entre series y entre ejercicios

Factores primarios (neuronales)

El sistema nervioso central (SNC) es de primordial importancia en el desarrollo de la fuerza muscular. La fuerza muscular está determinada no solo por la cantidad de masa muscular involucrada sino también por la extensión de fibras musculares activadas en un músculo (por coordinación intramuscular).

El esfuerzo de fuerza máxima es un acto habilidoso en el cual muchos músculos deben ser apropiadamente activados (coordinación intermuscular). Como resultado de una adaptación neuronal, los atletas de elite pueden coordinar mejor la activación de las fibras en músculos individuales y en grupos musculares. En otras palabras, tienen mejor coordinación intramuscular e intermuscular.

Coordinación intramuscular

El sistema nervioso utiliza tres opciones para variar la producción de fuerza muscular:

• Reclutamiento, la gradación de la fuerza muscular total mediante la activación y desactivación de unidades motoras individuales;

• Tasa de codificación (rate coding), un cambio en la tasa de disparo (firing rate) de las unidades motoras; y

• Sincronización, la activación de unidades motoras en una manera más o menos sincronizada.

Las tres opciones están basadas en la existencia de unidades motoras. Las unidades motoras son los elementos básicos de la producción del sistema motoro. Cada unidad motora consiste en una motoneurona en la médula espinal y las fibras musculares que estimula. Una unidad motora también incluye un largo axón que va desde la motoneurona hasta el músculo, donde se ramifica y estimula fibras musculares individuales.

Cuando una motoneurona está activa, impulsos son distribuidos hacia todas las fibras en la unidad motora. En músculos pequeños, por ejemplo las musculatura extrínseca que posiciona el ojo incluye en promedio 23 fibras musculares. En músculos grandes tales como el recto femoral, por otro lado, una unidad motora puede incluir hasta 2000 fibras musculares.

Las unidades motoras pueden ser clasificadas como rápidas o lentas en base a propiedades contráctiles. Las unidades motoras de contracción lenta están especializadas para un uso prolongado a velocidades relativamente lentas. Consisten en (a) motoneuronas pequeñas

con un bajo umbral (para ser reclutada) con frecuencia de descarga baja; (b) axones con relativamente poca velocidad de conducción; y (c) fibras motoras altamente adaptadas a ejercicio aeróbico de gran duración.

Las unidades motoras de contracción rápida están especializadas para relativamente cortos períodos de actividad caracterizados por grandes producciones de fuerza/potencia, altas velocidades y altas tasas de desarrollo de fuerza. Consisten en (a) motoneuronas grandes con un alto umbral (para ser reclutada) con frecuencia de descarga alta; (b) axones con alta velocidad de conducción; y (c) fibras motoras altamente adaptadas a actividades explosivas o anaeróbicas.

Una clasificación más detallada incluye tres tipos de fibras musculares: Tipo I (lentas), tipo IIA (rápidas pero resistentes a la fatiga) y IIX (rápidas pero con baja resistencia a la fatiga) (ver tabla 3.1).

Las unidades motoras son activadas de acuerdo a la ley de todo o nada. En cualquier momento temporal, una unidad motora está activa o inactiva; No hay una gradación en el nivel de excitación de la motoneurona. La gradación de la fuerza para una unidad motora se consigue a través de cambios en la tasa de disparo (tasa de codificación).

En humanos, los tiempos de contracción varían desde 90 a 110 milisegundos para las unidades motoras de contracción lenta y desde 40 a 84 milisegundos para las unidades motoras de contracción rápida. La fuerza por unidad en fibras motoras tanto rápidas como lentas es similar, pero las unidades motoras rápidas típicamente poseen secciones transversales mayores y producen fuerzas mayores por unidad motora individual. Las diferencias en la capacidad de producción de fuerza entre unidades motoras puede ser de 100 veces.

Todos los músculos humanos contienen tanto unidades motoras rápidas como lentas. La proporción de fibras motoras varía de atleta en atleta. Atletas de resistencia tienen un alto porcentaje de unidades motoras de contracción lenta, mientras que las unidades motoras de contracción rápida predominan entre atletas de fuerza y potencia.

Reclutamiento

Durante contracciones voluntarias, el patrón metódico del reclutamiento está controlado por el tamaño de las motoneuronas (esto es el llamado principio de tamaño). Motoneuronas pequeñas, aquellas con más bajo umbral de disparo, son reclutadas primero, y demandas de fuerzas mayores son satisfechas por el reclutamiento de unidades motoras cada vez más fuertes.

Las unidades motoras con las motoneuronas más grandes, las cuales tienen las contracciones más rápidas y fuertes, tienen el más alto umbral de disparo y son reclutadas a lo último (figura 3.3). Esto implica que la participación de las unidades motoras de contracción lenta es obligada, sin importar la magnitud de la tensión muscular y de la velocidad desarrollada.

En cambio, una activación completa de las unidades motoras de contracción rápida es difícil de conseguir. Personas no entrenadas no pueden reclutar todas sus unidades motoras de contracción rápida. Atletas relacionados con el entrenamiento de la fuerza y/o potencia muestran una activación mayor de las unidades motoras.

El orden del reclutamiento de las unidades motoras está relativamente fijado para un músculo envuelto en un movimiento específico, incluso si la velocidad del movimiento o la tasa de desarrollo de la fuerza cambia. Sin embargo, el orden del reclutamiento puede ser cambiado si el músculo opera en diferentes movimientos.

Diferentes conjuntos de unidades motoras dentro de un músculo podrían tener un bajo umbral para un movimiento y un alto umbral para otro movimiento. Si el objetivo del entrenamiento es el desarrollo completo de un músculo (no un alto rendimiento atlético), se debe ejercitar ese músculo en todos los rangos posibles de movimiento. Esta situación es típica para culturistas y atletas principiantes, pero no para atletas de elite.

Tasa de codificación

Otro mecanismo primario para graduar la fuerza muscular es la tasa de codificación. La frecuencia de descarga de las moto-neuronas puede variar en un rango considerable. En general, la tasa de disparo sube con el aumento de la fuerza y la potencia.

Las contribuciones relativas de reclutamiento versus tasa de codificación en la gradación de la fuerza son diferentes en músculos grandes y pequeños. En músculos pequeños, la mayoría de las unidades motoras son reclutadas a un nivel de fuerza menor que el 50% de la Fmm ; A partir de entonces, la tasa de codificación juega el rol mayor en el desarrollo adicional de la fuerza hasta llegar a la Fmm .

En músculos grandes y cercanos, tal como deltoide y bicep, el reclutamiento de unidades motoras adicionales parece ser el mecanismo principal para incrementar el desarrollo de la fuerza hasta el 80% de la Fmm e incluso más. En el rango de fuerza entre 80% y 100% de la Fmm la fuerza es incrementada casi exclusivamente por la intensificación de la tasa de disparo de las unidades motoras.

Sincronización

Normalmente, las unidades motoras trabajan asincrónicamente para producir un movimiento preciso y fluido. Sin embargo, existe cierta evidencia que, en atletas elite de fuerza y potencia, las unidades motoras son activadas sincrónicamente durante un esfuerzo voluntario máximo.

En conclusión, la fuerza muscular máxima es lograda cuando:

1. Un número máximo de unidades motoras tanto de contracción rápida como lenta son reclutadas;

2. La tasa de codificación es óptima para producir un tétano completo (fused tetanus) en cada fibra motora; y

3. Las unidades motoras trabajan sincrónicamente durante el corto período del esfuerzo voluntario máximo.

Los factores psicológicos son también de primaria importancia. Bajo circunstancias extremas (por ejemplo, situaciones de vida o muerte), las personas pueden desarrollar fuerzas extraordinarias.

Cuando humanos no entrenados reciben una sugestión hipnótica de una mayor fuerza, ellos demuestran aumentos en la fuerza mientras que demuestran una disminución en la fuerza luego de recibir una sugestión hipnótica de una menor fuerza.

Tales mejoras en la fuerza son interpretadas como significado de que el SNC en situaciones extraordinarias ya sea aumenta el flujo de estímulos excitatorios, disminuye la influencia inhibitoria a las moto-neuronas, o ambas.

Puede ser que la actividad de las moto-neuronas en la médula espinal es normalmente inhibida por el SNC y no es posible activar todas las unidades motoras dentro de un grupo muscular específico. Bajo la influencia del entrenamiento de la fuerza y en circunstancias excepcionales (competiciones deportivas importantes inclusive), una reducción en la inhibición neuronal ocurre con una expansión simultánea de las moto-neuronas reclutables y un aumento de la fuerza.

Coordinación intermuscular

Cada ejercicio, incluso el más simple, es un acto habilidoso requiriendo la coordinación compleja de numerosos grupos musculares. El patrón entero de movimiento, más que la fuerza de músculos individuales o el movimiento de articulaciones individuales, debe ser el objetivo de entrenamiento primario. Por eso, el atleta debe utilizar ejercicios de aislación, en los cuales el movimiento es realizado en una articulación individual, solo como un suplemento al programa principal de entrenamiento.

Aquí hay algunos ejemplos de la importancia primaria del patrón entero de coordinación (más que la fuerza de músculos individuales):

• Es posible aumentar la hipertrofia y la fuerza de un músculo individual, o incluso un grupo muscular (por ejemplo, extensores de la rodilla), a través de la electroestimulación. Sin embargo, si solo la electroestimulación es utilizada, conlleva un gran esfuerzo y tiempo transferir este potencial aumentado en una ganancia de fuerza medible en un movimiento multiarticular. Las ganancias de fuerza ganadas a través del entrenamiento convencional cuentan con cambios en el

sistema nervioso que no ocurren cuando los músculos son estimulados eléctricamente.

• Los mejores halterófilos no pueden realizar ejercicios lentos de gimnasia y por otro lado, gimnastas de elite no entrenan con pesos libres para incrementar la fuerza sino a través de ejercicios utilizando su peso corporal

• Una limitación importante de muchas máquinas de entrenamiento es que están diseñadas para entrenar músculos, no movimientos. Debido a esto, no son la herramienta de entrenamiento más importante para los atletas.

Taxonomía de la fuerza

Revisemos algunos hechos de los capítulos 2 y 3:

1. Magnitudes de la fuerza máxima Fm en movimientos lentos no difieren mucho de aquellas en acciones isométricas.

2. Las mayores fuerzas musculares son desarrolladas en acciones excéntricas; tales fuerzas son a veces el doble de aquellas desarrolladas en condiciones isométricas.

3. En acciones concéntricas, la fuerza Fm disminuye cuando el tiempo para alcanzar el pico de fuerza Tm decrece o cuando la velocidad aumenta.

4. No hay una correlación sustancial entre la fuerza máxima maximorum (Fmm) y la fuerza Fm en movimientos con resistencia externa mínima (observar que el peso corporal no es resistencia mínima). La correlación es mayor cuando la resistencia aumenta.

5. La tasa de desarrollo de la fuerza no se correlaciona con la fuerza máxima Fm 6. La fuerza en ejercicios con acción muscular reversible no cambia luego de un

entrenamiento de resistencia pesado, a pesar del aumento de Fmm (esto es cierto al menos en atletas experimentados).

Adicionalmente, la fuerza explosiva (o la tasa de desarrollo de la fuerza) y la fuerza ejercida en acciones musculares de estiramiento-acortamiento (reversibles) son consideradas componentes independientes de la función motora.