Biomecanica

CARRERA DE KINESIOLOGIA CCP BIOMECANICA

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PLANIFICACIN DE CLASE BIOMECANICA y FISIOLOGIA ARTICULAR.

Unidad: Introduccin a la Biomecnica. Docente: Klgo. Ms. Francisco Guede Objetivos de la Clase: Al finalizar esta clase, Usted ser capaz de: Comprender conceptos biomecnicos bsicos Definir los conceptos de cintica, cinemtica Conocer los fundamentos bsicos artrokinemtcos de la movilidad intrarticular Conocer las aplicaciones de palancas corporales y momentos msculo esquleticos Metodologa de la Clase: Clase expositiva asociada con material audiovisual (Power point) Condiciones Internas: Cuaderno de apuntes Condiciones Externas: Sala de clases Datashow Introduccin :

La Biomecnica comienza a aparecer como trmino recin en el siglo XX, sin

embargo sus aplicaciones se fundan desde los comienzos de la existencia humana. Es un trmino formado por la combinacin de las palabras biologa y mecnica, por tanto, establece los principios y mtodos de aplicacin mecnica al estudio de las estructuras y fundamentos de los sistemas biolgicos.

Es en la dcada de 1930 en que se comienza a utilizar la biomecnica para el estudio de la locomocin en Estados Unidos, al mismo tiempo, comenz su utilizacin masiva en la ortopedia producto de los innumerables secuelados de las dos grandes guerras mundiales.

De este modo la mecnica fsica y bioestructural se correlacionan mutuamente para el estudio ya sea de movimientos bsicos, desarrollados por personas normales, como para los movimientos adaptados, los cuales son desarrollados por personas que padecen ciertas patologas estructurales que afectan su rendimiento motor.

La biomecnica actual constituye uno de los pilares de la Kinesiologia y utiliza mtodos cientficos para explicar racionalmente la interaccin entre los movimientos y las fuerzas aplicadas sobre el cuerpo humano, o dicho de otro modo, busca la explicacin desde una perspectiva cuantitativa convirtiendo la formulacin verbal a un lenguaje matemtico. Orgenes lejanos de la biomecnica. 1. Aristteles (384 384 AC).

Conocido por sus escritos sobre las partes corporales, movimientos y desplazamientos de los animales, con los que se inici el establecimiento de las leyes del movimiento. Obras: Del movimiento de los animales" "De la marcha de los animales" "De las partes de los animales" 2. Leonardo Da Vinci (1452 1529)

Se interesaba por el movimiento del cuerpo humano desde las leyes mecnicas y fsicas, y adems de los estudios anatmicos del hombre y estudio sobre las leyes de las corrientes areas y acuticas.


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3. Vesalio (1514 1564) Leyes mecnicas aplicadas al sistema osteomuscular 1543 "De Humani Corpori Fabrica libri" 4. Galileo Galilei (1564 1642) Aplica matemticas al estudio de la naturaleza Leyes de cada libre y parbolas 5. Giovanni Borelli (1608 1679) Mdico y matemtico italiano, alumno de Galileo, fue el primero en determinar la posicin

del centro de gravedad en el cuerpo humano. Leyes mecnicas en el sistema osteo muscular 1680 "De Motu Animaliun" 6. Isaac Newton (1642 1727) Leyes de Newton 1687 "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" Orgenes cercanos de la biomecnica. 1. Eadweard Muybridge (1831 1904) Fotoseriaciones del movimiento humano y animal 1877 "Animal Locomotion" 2. Etienne Jules Marey (1830 1904) Fotografa cronocclica movimiento humano 1892 "Du Mouvement dans les functions de la vie" 3. Braune y Fischer Realizan los primeros anlisis cinemticos 3D, estudiando la marcha humana, entre los aos

1895 y 1904 4. Moritz Benedikt (1887 y 1910) Usa probablemente por primera vez la palabra biomecnica en un seminario cientfico en

Wiesbaden (Alemania) en 1887 y posteriormente en 1910 publica los contenidos, en la primera publicacin sobre biomecnica.

5. A. Vivian Hill (1886-1977) Modelo mecnico de la contraccin muscular 1929 Nobel de Medicina 1931 "Adventures in biophysics" 6. N. Bernstein (1896- 1966) Estudia fisiologa y medicina. Investiga en el laboratorio de biomecnica del Instituto central de Ergonoma de Mosc. Realiza anlisis cinemticos 3D para estudiar la coordinacin en la biomecnica de la

marcha Lectura Post-Sesin:

Cap. 1 - 4. Neumann. Fundamentos de la rehabilitacin fsica. Cinesiologa del sistema msculo esqueltico.


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Evaluacin: 1 Certamen Examen

MATERIAL DE CLASES. Introduccin a la Biomecnica y Fisiologa articular.

Desarrollo Terico:

SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SIU)

Sistema mtrico. Las unidades del sistema internacional de unidades (SIU) las podemos clasificar en tres grupos:

1. Unidad Base: son un pequeo grupo de medidas estndar que han sido definidas arbitrariamente (Longitud, masa, tiempo y temperatura). 2. Unidades suplementarias: el radian es una unidad suplementarias para medir angulos planos. Esta unidad, como las unidades base se definen arbitrariamente. 3. Unidades Derivadas: son unidades establecidas a partir de las unidades base, en relacin a los principios fsicos fundamentales. Algunos ejemplos son el area, velocidad, aceleracin, que se expresan en unidades del SIU

DEFINICIONES.

Biomecnica: es la aplicacin de la mecnica a los organismos vivos y a los tejidos biolgicos.

"La biomecnica es el conjunto de conocimientos interdisciplinares generados a partir de utilizar, con el apoyo de otras ciencias biomdicas, los aportes de la mecnica y distintas tecnologas en, primero, el estudio del comportamiento de los sistemas biolgicos, en particular del cuerpo humano, y segundo, en resolver los problemas que le provocan las distintas condiciones a las que puede verse sometido" (Instituto de Biomecnica de Valencia, 1992). La biomecnica del cuerpo humano puede estudiarse desde distintos puntos de vista: mecnico (ingeniera), bioqumico (composicin molecular y sus


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repercusiones sobre la funcin) y estructural (macroscpica, microscpica, vascularizacin e inervacin relacionndolas con sus propiedades)

Mecnica: Es la parte de la Fsica que estudia el movimiento. Rasch agrega que versa sobre la evaluacin de las fuerzas responsables de mantener a un objeto o estructura en posicin fija y tambin sobre la descripcin, prediccin y causas del movimiento de un objeto o estructura. Segn este ltimo autor, la mecnica se divide en esttica y dinmica, y esta ltima a su vez se divide en cinemtica y cintica.

Esttica: estudia las condiciones que deben producirse para que un cuerpo o sistema est en equilibrio.

Equilibrio: condicin en que un cuerpo o sistema se encuentra en reposo o movimiento continuo. Para un modelo biomecnico, la suma de las fuerzas o torques debe ser cero.

Dinmica: es la parte de la mecnica que estudia cules son las causas del movimiento, intenta establecer las relaciones existentes entre las fuerzas que actan sobre un determinado cuerpo y el movimiento resultante. Los cuerpos interactan entre ellos, las fuerzas son la medida de estas interacciones. Rasch dice de ella que estudia objetos que estn en movimiento acelerado. La divide en cinemtica y cintica.

CINEMATICA.

Es la parte de la fsica encargada de dar la descripcin matemtica (tempo espacial) del

movimiento sin tener en cuenta las fuerzas. Los parmetros bsicos son Posicin, velocidad y aceleracin. Movimiento: Cambio en la posicin relativa de un cuerpo. Existen tres tipos bsicos de

movimiento: Translacin rectilneo, curvilneo y angular (rotatorio). Movimiento rectilneo: todas las partculas de un cuerpo recorren la misma distancia en una

lnea recta, paralela a la trayectoria de todas las otras partculas. Movimiento curvilneo: todas las partculas de un cuerpo recorren la misma distancia en una

lnea curva, paralela a la trayectoria de todas las otras partculas. Puede ser circular (a travs del permetro de una circunferencia) o parablico.

Movimiento angular o rotatorio: los recorridos de las diversas partculas de un cuerpo rgido (radio de circunferencia) se describen en relacin con un centro o eje de rotacin. Este eje puede estar dentro o fuera del cuerpo.

Otros movimientos: se dan por combinacin de movimientos: Reciprocativo, oscilatorio y general.

Movimiento Activo: aqullos que ocurren en una articulacin como resultado de una

contraccin muscular voluntaria. Utilidad: observacin de rango articular y funcin muscular.


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Movimiento Pasivo: aqullos movimientos que se llevan a cabo gracias a la aplicacin de fuerzas externas Utilidad: para contrastar con el movimiento activo y as determinar la naturaleza de la resistencia al final del rango (sensacin terminal).

OSTEOCINEMATICA. Corresponde a la descripcin de los movimientos de los huesos en el espacio a travs de su orientacin con respecto a un sistema de referencia (planos y ejes). Cada plano del espacio se configura por la interseccin de dos ejes. El eje de rotacin articular se define como aquel que es perpendicular al plano espacial correspondiente. Ejes espaciales: anteroposterior, cfalo caudal y perlateral. Cada articulacin est diseada mecnicamente en funcin de permitir un nmero determinado de grados de libertad, los cuales corresponden por tanto a la posibilidad de movimiento de cada articulacin. Por ejemplo, las articulaciones trocleares permiten exclusivamente la flexo extensin, por lo cual, su grado de libertad es de uno. El hombro por su parte permite los 3 movimientos bsicos por tanto posee 3 grados de libertad. Por otra parte existen los grados de libertad accesorios, los cuales dependen de la posibilidad de movilidad pasiva (Traslaciones) de cada articulacin.

Movimientos bsicos. Flexin extensin Abduccin aduccin Rotacin

Movimientos especiales Bascula escapular interna - externa Pronacin Supinacin de antebrazo Circunduccin (cadera hombro) Flexin Extensin horizontal de hombro Etc

Descriptores anatmicos del movimiento.

Es necesario considerar los descriptores anatmicos para ubicarse regionalmente en el cuerpo humano. Descriptores: Medial Lateral Ventral Dorsal. Ceflico caudal Proximal - Distal

Por otra parte, el cuerpo humano est conformado por

eslabones (segmentos corporales), que conformarn cadenas cinemticas: Cadena cinemtica abierta.

Se designa como cadena cintica abierta a una combinacin en la cual la articulacin terminal esta libre. Ej: La ondulacin de la mano es una cadena cintica abierta, en la cual la accin de la articulacin del hombro, el codo y de la mueca estn sucesivamente implicadas.


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Cadena cinemtica cerrada. Una cadena cerrada, es aquella en la cual la articulacin terminal (mas distal) choca con

una resistencia externa considerable, la cual restringe el libre movimiento. Eventualmente la resistencia externa puede ser vencida y la parte distal de la extremidad puede moverse contra esa resistencia, por ejemplo, empujar una carreta o levantar una carga. Tambien la resistencia puede ser absoluta, en cuyo caso la parte ms prxima se mueve hacia la distal. Ejemplo, traccionar sobre si mismo de una barra horizontal. En este caso la cadena cerrada es estricta y absolutamente cerrada.

ARTROCINEMATICA. Corresponde a todos aquellos movimientos generados dentro de las articulaciones, entre las superficies articulares y que son necesarios para la ejecucin de un rango de movilidad (ROM) normal (Osteocinemtica) Analizando detenidamente el movimiento, y poniendo atencin en el movimiento caracterstico de las articulaciones nos encontramos con una clasificacin llamada movimientos fundamentales los cuales son: RODAR: Mltiples puntos de una superficie toman contacto con mltiples puntos de la

superficie opuesta. DESLIZAR: Un solo punto de una superficie toma contacto con mltiples puntos de la

superficie opuesta. GIRAR: d Un solo punto de una superficie gira sobre un solo punto de la superficie opuesta Fisiolgicamente estos movimientos movimientos fundamentales pueden darse en forma simultnea durante la movilidad activa de muchas articulaciones y su comportamiento depende de la relacin cncava convexa de las carillas articulares.

Convexa sobre cncava: - Rodadura y deslizamiento en direcciones opuestas Cncava sobre convexa - Rodadura y deslizamiento en direcciones similares

En forma complementaria existen otras clasificaciones de movimientos artrocinematicos: Movimientos componentes: Son movimientos que acompaan a todo movimiento

activo. No se encuentran bajo control voluntario: Ej: abduccin glenohumeral se acompaa de rotacin escapular y clavicular

Movimientos de Juego articular: Son movimientos que ocurren dentro de la articulacin. Determinados por la laxitud de los tejidos blandos periarticulares (capsula). Pueden evocarse pasivamente pero no desarrollarse en forma activa

Posiciones de Bloqueo y Laxas de una articulacin.

Bloqueo (close packed): - Mxima congruencia articular - Ligamentos y cpsula tensos Laxa (Loose packed): - Menor congruencia - Ligamentos y cpsula relajados (slack) - Permite movimientos accesorios - Grados de libertad pasivos Juego articular


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CINETICA. Rama de la fsica que considera las fuerzas que causan el movimiento. Se basa en gran medida en aplicaciones de la 2 Ley del Movimiento de Newton. En trminos generales las fuerzas pueden ser:

Internas: Son aquellas generadas en el interior del organismo. - Pasivas (conjuntivos periarticulares) - Activas (contraccin muscular) Externas: Son aquellas generadas fuera del organismo - Gravedad - Contacto fsico

Definicin de fuerza:

Accin que produce (o tiende a producir) un cambio en el movimiento y/o en la forma de un objeto (deformacin). Corresponde a una magnitud vectorial la cual consta de:

Longitud del segmento rectilneo: Representa la magnitud del vector. El largo de la flecha es proporcional a la magnitud y corresponde a una escala dada.

Angulo de aplicacin: Representa la direccin del vector respecto a un sistema de referencia.

La flecha en el extremo final del segmento: Indica el sentido del vector. Punto de aplicacin de la fuerza ejercida sobre el objeto o cuerpo (o sus segmentos).

En el cuerpo humano esto puede ser el punto de insercin de un msculo en una palanca sea.

La fuerza de reaccin articular, corresponde a aquella fuerza que tiende a comprimir o coartar una articulacin. Se aplica directamente sobre el centro articular y depende de la magnitud de las fuerzas internas y externas.

Torques o Momentos musculo esquelticos.

La movilidad rotatoria de un segmento depende de la magnitud de las fuerzas internas, externas (resistencia) y de la distancia a la cual se aplican dichas fuerzas con respecto al eje de rotacin. El torque (T) o momento de fuerza (Mo) representa la "expresin rotacional de una fuerza alrededor de un centro de rotacin. Es una medida que indica la cantidad de fuerza que se requiere para poder producir un movimiento rotatorio (angular) de un objeto rgido o palanca.


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De manera que, el torque es el producto de la magnitud de una fuerza (F) y la distancia (d) a la cual se aplica del fulcro (eje). Esta distancia o brazo de momento (interno o externo) corresponde a la lnea trazada perpendicularmente () entre la lnea de accin de la fuerza y el eje de rotacin.

T = Fuerza (Newton) x Distancia o brazo de momento (metros)

La funcin muscular depende de la capacidad de generar

momento por parte de ellos. En funcin de la relacin de los Mo Internos y Externos los msculos pueden activarse de tres maneras:

Isomtrica = Mo I = Mo E Concntrica = Mo I > Mo E Excntrica = Mo E > Mo I

En funcin de los roles musculares, stos pueden clasificarse en

Agonistas, Antagonistas y Sinergistas. Las Palancas

Una palanca representa una barra rgida que se apoya y rota alrededor de un eje Las palancas sirven para mover un objeto o resistencia. Las palancas estn constituidas de: El fulcro: Es el punto de apoyo donde pivotea la palanca o eje de rotacin. Las

articulaciones corporales pueden representar los ejes. Punto de aplicacin de la fuerza interna (FI). Representa el punto donde se aplica la fuerza a

la palanca. En el cuerpo humano, la accin de los msculos esquelticos producen la fuerza interna

Punto de aplicacin de la fuerza externa (FE): Representa el punto donde se aplica el peso o resistencia que se va a mover. Puede ser el centro de gravedad del segmento que se mueve o una masa (peso) externa que se le aade a la palanca o una combinacin de ambos.

Brazo de momento externo (BME): Es aquella porcin de la palanca que se encuentra entre el fulcro y el peso o resistencia.

Brazo de momento interno (BMI): Representa la distancia comprendida entre el fulcro y el punto de aplicacin de la fuerza muscular.

Segn la disposicin relativa del punto de aplicacin de la fuerza, punto e apoyo y la resistencia., las palancas se pueden clasificar en primera, segunda o tercera clase.


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a) Palancas de primera clase. En estos tipos de palancas, el fulcro se encuentra entre la fuerza y la resistencia. En este gnero, se aplican dos fuerzas en uno de los dos extremos del eje. Esto implica que ambos brazos de palanca se mueven en direcciones opuestas.

b) Palancas de segunda clase. La resistencia se encuentra entre el fulcro y la fuerza. c) Palancas de tercera clase. Son aquellas que se crean cuando la fuerza est entre el

fulcro de un extremo y la resistencia por el otro La ley de las palancas. Dado cualquier tipo de palanca (primera, segunda o tercera), se dice que estn balanceadas o en equilibrio cuando el producto de la fuerza por el brazo de fuerza (momento interno) equivale al producto de la resistencia por el brazo de resistencia (momento externo).

F x BF = R x BR Ventaja Mecnica La ventaja mecnica (VM) es una medida de la habilidad o capacidad de una palanca para poder trasladar una carga. En otras palabras, es la manera que una palanca puede ayudar en la amplificacin de la fuerza. Esto es, entonces, un ndice de cuan eficiente es una palanca. Se dice que una palanca mecnica es eficiente (alta ventaja mecnica) cuando slo se requiere poca fuerza para superar una gran resistencia. Matemticamente, la ventaja mecnica puede expresarse como la razn del BMI y el BMR:

VM = BMI / BME

Palanca de 1 VM puede ser menor, igual o mayor a 1

Palanca de 2 VM siempre es mayor a 1 Favorece la fuerza sobre la velocidad y el ROM

Palanca de 3 VM siempre es menor a 1 Favorece la velocidad y el ROM por sobre la fuerza


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Las palancas musculo esquelticas de 3 son las que predominan en el cuerpo humano y en compensacin a su menor ventaja mecnica, stas requieren de un bajo acortamiento muscular para lograr un rango de movimiento articular considerable. De sta manera el trabajo muscular generado no se incrementa significativamente, en funcin de la siguiente expresin:

Trabajo (joules) = Fuerza muscular (Newton) x acortamiento muscular (metros) Leyes de Newton. PRIMERA LEY DE NEWTON: Un cuerpo permanece en estado de reposo o de

movimiento rectilneo uniforme a menos que una fuerza externa no equilibrada acte sobre l.

SEGUNDA LEY DE NEWTON: La aceleracin a de un objeto en la direccin de una fuerza resultante F es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza e inversa-mente proporcional a la masa.

TERCERA LEY DE NEWTON: Para cada fuerza de accin debe haber una fuerza de reaccin igual y opuesta

Fuerza de gravedad y centro de gravedad.

La gravedad es una fuerza que bajo condiciones normales constantemente afectan

todos los objetos de la tierra. La fuerza de gravedad representa la atraccin de la tierra hacia los objetos o cuerpos dentro su esfera de influencia; i.e., es la accin de traccin que ejerce la tierra sobre el cuerpo (o sus segmentos). Corresponde a fuerza a distancia y se calcula multiplicando la masa del cuerpo por la aceleracin de la gravedad (g): 9,8 m x s-2. El peso total del cuerpo ser la suma de los pesos de todas sus partes.

Es una cantidad vectorial, de manera que puede ser descrita por un punto de aplicacin de la fuerza, lnea/direccin de accin, magnitud y sentido. Centro de masa (CM): Punto donde se concentra la masa de u cuerpo Centro de gravedad (CG): Punto donde acta la fuerza de gravedad sobre un cuerpo. Puede o no coincidir con su centro geomtrico: depende de la homogeneidad del cuerpo (densidad); el centro de gravedad se desplazar hacia zonas ms densas.

El vector de gravedad se conoce comnmente

como la lnea de gravedad y su direccin es siempre vertical y orientada hacia abajo, i.e., hacia el centro de la tierra. Esto siempre es as, sin importar la posicin actual en que se encuentra el cuerpo u objeto.

Centros de gravedad segmentarios.

Cada segmento de nuestro organismo humano posee su propio centro de gravedad. Esto quiere decir


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que, sobre stos actan la fuerza de gravedad. La posicin de un cuerpo u objeto en el espacio no podr alterar el centro de gravedad de stos. La distribucin de todos los CG segmentarios determinar la ubicacin del CG corporal. En el esquema de Dempster se representa la ubicacin de los CG segmentarios.

Pesantez de los segmentos corporales.

Cada uno de los segmentos corporales posee una proporcin de peso en relacin al peso corporal total. La siguiente tabla expone las proporciones de peso segmentales:

Centro de gravedad del cuerpo humano

En una persona adulta joven, desde la posicin anatmica de pie, el CG se encuentra aproximadamente en la posicin anterior de la regin lumbosacra. Esto es cierto cuando todas las palancas del organismo humano se combinan y el cuerpo se considera como objeto slido. La ubicacin precisa del vector de gravedad para una persona depender de las dimensiones fsicas de sta, dnde su magnitud es igual a la masa corporal del individuo.

Relocalizacin del centro de gravedad

El CG no solo depende tambin de la distribucin de la masa corporal (peso) en el cuerpo. El peso de los segmentos corporales cambia con la adicin de masas externas, i.e., cargar o levantar resistencias/pesos. Esto implica que el centro de gravedad habr de moverse hacia el peso aadido. Este cambio en el centro de gravedad ser proporcional a la magnitud del peso que fue aadido al segmento del cuerpo. Diagramas de cuerpo libre (DCL).

Modelo mecnico que consiste en la representacin a trabes de un diagrama vectorial en el cual se presenta la accin de las diferentes fuerzas que actan sobre un punto.

Marco de referencia. Para describir y analizar los movimientos corporales es fundamental contar con un marco de referencia (plano cartesiano), el cual puede ser 2D o 3D. La relacin entre dos segmentos suele representarse como un ngulo relativo. Mientras que la posicin de un segmento en el espacio como un ngulo absoluto o global.


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Composicin de fuerzas. Una fuerza (tanto interna como externa) corresponde a una magnitud vectorial y como tal, en funcin de su ngulo de aplicacin puede conformarse de una componente normal y una tangencial con respecto a la referencia espacial.

La posicin articular influye sobre la magnitud de las componentes de una fuerza. Por ejemplo:


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TRIGONOMETRA BSICA

En un tringulo rectngulo el seno de un ngulo equivale

al cateto opuesto dividido por la hipotenusa y el coseno es igual al cateto adyacente dividido por la hipotenusa Seno = a / c Cos = b / c

En el crculo consideramos los ngulos de 0 a 360, dividiendo el crculo en 4

cuadrantes por medio de las coordenadas x e y, que tienen su origen o punto 0 en el centro del crculo (Fig.8).

La abscisa x posee una direccin horizontal; y la ordenada y es vertical. Las flechas indican sus sentidos. El radio del crculo se considera como la hipotenusa (c) del tringulo ABC. Segn la modificacin del ngulo, tendrn variaciones las magnitudes de a y b.

Este radio tiene un mdulo igual a 1, esto para simplificar los clculos de los valores seno y coseno.

Por lo tanto, considerando un crculo con un radio de magnitud igual a 1, el valor del seno es igual a la proyeccin de la hipotenusa en la ordenada y (Fig.8). El valor coseno corresponde a la proyeccin de la hipotenusa en la abscisa x. Referencias:

Cap. 1 - 4. Neumann. Fundamentos de la rehabilitacin fsica. Cinesiologa del sistema msculo esqueltico.

Capitulo 1 Nordin. Biomecnica bsica del sistema musculoesqueltico. Hay. Research methods in biomechanics. -- Illinois (Estados Unidos) : Human Kinetics,

2004.

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