Clase 1 Bmc
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El documento presenta una introducción a la biomecánica. Explica que la biomecánica estudia los fenómenos mecánicos que ocurren en organismos vivos, particularmente en el cuerpo humano. También describe algunos objetivos generales de cursos sobre biomecánica, como comprender la disciplina y analizarla en el contexto de la actividad física.
Clase 1 Bmc
- 1. 07/08/2009 Unidades • Bi Biomecánica d llas grandes á i de d Biomecánica articulaciones • Estudio instrumental del Diploma en Ciencias de la Actividad Física movimiento • Aspectos de Ergonomía aplicada en lla actividad Fí i li d ti id d Física Francisco J. Herrera Neira Kinesiólogo U. de Chile • Biomecánica de las pruebas Magíster © en Kinesiología funcionales U. Católica del Maule Introducción Biomecánica • La Biomecánica es una • Como disciplina, se apoya de otras áreas del conocimiento disciplina científica que di i li i tífi constituidas por algunas ciencias como lla mecánica, lla tit id l i i á i tiene por objeto el estudio ingeniería, la anatomía, la fisiología y otras disciplinas, y de los fenómenos de así estudia el comportamiento del cuerpo humano para carácter mecánico que se resolver los problemas derivados condiciones particulares producen en los seres en las que puede encontrarse. vivos, fundamentalmente del cuerpo humano. 1
- 2. 07/08/2009 Objetivos del curso Objetivos del curso • Conocer y comprender la • Integrar la ergonomía al campo Biomecánica como disciplina disciplinar de la Biomecánica deportiva • Analizar la Biomecánica en el contexto de la actividad física de • Integrar otras disciplinas al sujetos en cualquier condición de estudio de la actividad física salud • Integrar la Biomecánica al desarrollo de otras disciplinas afines Introducción • Desde la antigüedad, el hombre ha intentado desarrollar sistemas d medición que lle permitan t i t de di ió it tener una mejorj comprensión del mundo que lo rodea • A continuación veremos unos ejemplos generales de dispositivos de medición que el hombre ha desarrollado a través de la historia. viernes, 07 de agosto de 2009 7 viernes, 07 de agosto de 2009 8 2
- 3. 07/08/2009 viernes, 07 de agosto de 2009 9 viernes, 07 de agosto de 2009 10 Introducción Patrones básicos • La mecánica clásica es fundamental para explicar los • En mecánica las 3 cantidades fundamentales son longitud movimientos d llos planetas, llanzamiento d cohetes y llos i i t de l t i t de h t (T), (T) masa (M) y ti tiempo (T) Ot se expresan en f ió (T). Otras función movimientos del cuerpo humano. de estás tres. • Las medidas tomadas por diferentes personas en un lugar • Las leyes fundamentales empleadas en el desarrollo de determinado debe arrojar el mismo resultado. teorías se expresa en el lenguaje de las matemáticas matemáticas. viernes, 07 de agosto de 2009 11 viernes, 07 de agosto de 2009 12 3
- 4. 07/08/2009 Patrones básicos Longitud • En 1960 se integró durante un comité internacional el • Se definió un metro en el año 1983 como “la distancia sistema iinternacionall SI en d d lla llongitud es ell metro, i t t i SI, donde it d t recorrida por lla lluz en ell vacío d id í durante un ti t tiempo d de la masa el kilogramo y el tiempo el segundo. 1/299.792.458 segundos” • Otras determinadas en este sistema son kelvin, ampere y mol. viernes, 07 de agosto de 2009 13 viernes, 07 de agosto de 2009 14 Masa Tiempo • Se estableció en el año 1887, que se define el kilogramo • En 1967 el segundo se definió como 9.192.631.770 veces como lla masa d un cilindro d t i d d aleación d de ili d determinado de l ió de ell periodo d vibración d lla radiación d l át i d de ib ió de di ió del átomo d cesio de i platino–iridio. Este se conserva en el laboratorio Cs –133. Internacional de pesas y medidas en Francia. viernes, 07 de agosto de 2009 15 viernes, 07 de agosto de 2009 16 4
- 5. 07/08/2009 PREFIJOS para los múltiplos del S I PREFIJOS para los submúltiplos del S I 1024 Yota 1.000.000.000.000.000.000.000.000 Y 10 –24 0,000 000 000 000 000 000 000 001 yocto y 1021 Zeta 1.000.000.000.000.000.000.000 Z 10 – 21 0,000 000 000 000 000 000 001 zepto z 1018 Exa 1.000.000.000.000.000.000 E 10–18 0,000 000 000 000 000 001 ato a 1015 Peta 1.000.000.000.000.000 P 10–15 0,000 000 000 000 001 femto f 1012 Tera 1.000.000.000.000 T 10–12 0,000 000 000 001 pico p 109 Giga 1.000.000.000 G 10–9 0,000 000 001 nano n 106 Mega 1.000.000 M 10–6 0,000 001 micro µ 103 Kilo 1.000 K 10–3 0,001 mili m viernes, 07 de agosto de 2009 17 viernes, 07 de agosto de 2009 18 Conversión de Unidades Conversión de Unidades Algunas veces es necesario convertir unidades de un • Se puede tratar a las unidades como cantidades sistema a otro otro. algebraicas. l b i Las convencionales son: • Por ejemplo, si deseo convertir 15 pulgadas a cm: • 1 milla = 1.609 m=1,609 Km • 1pulg = 2,54 cm • 1 m = 39,37 pulgadas = 3,281 pies • 15 pulg = x l • 1 pie = 0,3048 m = 30,38 cm • x =15 pulg x 2,54 cm/pulg = 38,1cm. • 1 pulgada = 0,0254 m = 2,54 cm viernes, 07 de agosto de 2009 19 viernes, 07 de agosto de 2009 20 5
- 6. 07/08/2009 Tejido epitelial escamoso simple de un vaso Ejercicios para practicar: sanguíneo Expresar 365 Días horas. Expresar 5,3 millones de segundos días. Expresar 1,67 x 108 Minutos mes Expresar 860 horas semanas Expresar 4,5 meses segundos Tejido epitelial pseudoestratificado ciliado Tejido epitelial estratificado escamoso esófago columnar de la tráquea 6
- 7. 07/08/2009 Tejido conectivo óseo Tejido conectivo óseo Tejido conectivo cartílago Tejido conectivo cartílago hialino 7
- 8. 07/08/2009 Tejido conectivo denso tendón Tejido muscular estriado Tejido muscular cardiaco Tejido Nervioso 8
- 9. 07/08/2009 Propiedades de los tejidos Viscoelasticidad • Todas las estructuras biológicas del aparato locomotor • Modelo están sometidos a f tá tid fuerzas d f deformantes. t • Cada tejido presenta características físicas y comportamiento propio adecuado a su función, a las fuerzas que actúan sobre ellos y cambian en el tiempo Estrés Estrés • Estrés mecánico, stress, tensión o esfuerzo mecánico es • La unidad del Estrés es el Pascal (Pa). En la práctica se lla f fuerza por unidad d á en un objeto o material. id d de área bj t t i l expresa en M Megapascales (MP ) l (MPa) • Se representa por la letra σ • 1 Pa = 1 N/m2 • 1 MPa = 106 Pa • σ=F/A A. 9
- 10. 07/08/2009 Estrés Deformación • Existen 3 tipos de estrés: • Si a un objeto con un área de sección A le aplicamos una fuerza F ell estrés en una sección t f F, té ió transversall d t d l dentro del • Por compresión objeto es: σ = F / A. • Por tensión • Por cizallamiento Deformación Curva stress strain • Si se aplica una fuerza sobre el objeto, ésta causará una d f ió definiremos como ε. deformación que d fi i ε = l – l0 l0 • Typical stress-strain curve for connective tissue. The elastic and plastic regions of the curve are divided by the yield point, beyond which deformation causes tissue failure; the elastic region is further divided into a toe region and a transition zone. 10
- 11. 07/08/2009 Viscoelasticidad Biomecánica de los tejidos Tejido muscular Tipos de músculo Tipos de acción muscular • Estriado Liso Cardiaco • Isométrica – La tensión tiende a mantener la distancia entre origen e inserción • Concéntrica – Acortamiento con acercamiento de las inserciones • Excéntrica – El movimiento realizado va en contra de la acción muscular 11
- 12. 07/08/2009 Rol de los grupos musculares Tensión • Agonista • La tensión generada por el músculo depende de las – M t principal, genera t Motor i i l torque en ell sentido d l movimiento tid del i i t propiedades mecánicas d sus componentes i d d á i de t • Antagonista – Genera un torque opuesto al agonista • Tejido contráctil • Estabilizador – Actúa de manera isométrica menteniendo • Tejido no contráctil en paralelo • Neutralizador • Tejido no contráctil en serie – Elimina o neutraliza los componentes no deseados de la acción muscular agonista Propiedades mecánicas Fuerza • La fuerza de un músculo depende de • Las fibras musculares en serie, alargan el vientre muscular, sin d l más capacidad d generar t ió l i darle á id d de tensión • Reclutamiento de fibras musculares (UM) • Área de sección transversal • Velocidad de contracción • Las fibras musculares en paralelo suman su tensión • Tiempo de estímulo • Temperatura • Tipo de fibra muscular • Inserciones (torque generado) • Posición de los segmentos 12
- 13. 07/08/2009 Área de sección transversal Sección transversal • En teoría, la cantidad de tensión producto de la acción • El tejido muscular es capaz de generar unos 30 N ó muscular d l depende d l número d puentes actina – d del ú de t ti 3 K F/ 2 d sección t KgF/cm de ió transversall miosina dentro del músculo • La tensión total es Fm = Am*cm • Fm = Tensión generada • La disposición de las fibras musculares incide • Am = Área fisiológica transversal directamente en su capacidad de generar tensión • cm = Tensión isométrica máxima generada por el músculo • La tensión generada por un vientre muscular de 3 cm de diámetro es de 210 N Orientación de las fibras Músculo Pennado • La orientación de las fibras musculares puede ser en la • No se puede estimar la tensión misma di i dirección d lla lí ió de línea d acción d l músculo o con de ió del ú l máxima de esta manera dado manera, cierta angulación que las fibras se encuentran oblicuas respecto de la línea de acción muscular • Fusiforme • Pennado 13
- 14. 07/08/2009 ¿Cómo se calcula la fuerza? Fuerza de un músculo pennado • Se pueden tomar varias • Se utiliza el área de sección transversal fisiológica secciones transversales , de modo que se incluyan todas las fibras • La línea de acción de las fibras musculares no es en el sentido de la acción muscular, por lo que es necesario considerar el ángulo Músculo longitudinal • Fm = A σ Cos θ • En este caso, la tensión que genera el músculo es: • Fm = Tensión generada por el músculo • F = (5 cm)(2cm)(30N/cm2) • A = Área fisiológica de sección transversal • σ = Tensión isométrica máxima generada por el músculo • F = 300 N • θ = Ángulo entre la línea de acción muscular y de las fibras 14
- 15. 07/08/2009 Músculo pennado Fuerza v/s Excursión • En este caso la tensión es: • En un músculo penado, la tensión puede llegar a ser • F= (11,54 cm2 )(2)(Cos30º) σ cm mucho mayor que en uno longitudinal, para la misma cantidad de masa muscular, • F= (11,54 cm2 )(2)(0,866) σ cm pero con un menor recorrido • F= 600 N Longitud Tensión Activa • La mecánica dentro del sarcómero determina que la • La máxima tensión se obtiene cuando la interacción entre tensión t ió no sea iiguall a llo llargo d l recorrido. del id actina y miosina es mayor, y a esta posición lla ll ti i i t i ió llamamos • La máxima tensión se obtiene cuando la interacción entre de reposo (l0) actina y miosina es mayor, y a esta posición la llamamos • Si continua el acortamiento, los filamentos de actina se de reposo (l0) superponen, hasta llegar a comprimirse contra el disco Z, disminuyendo la capacidad de generar tensión. (60% l0) • Si el músculo se alarga, se alejan los filamentos, disminuyendo la tensión. (160% l0) 15
- 16. 07/08/2009 Tensión pasiva Músculos mono v/s poliarticulares • El estiramiento pasivo de las estructuras no contráctiles • La tensión generada por un músculo monoarticular aportan t ió por sus capacidades elásticas. t tensión id d lá ti depende sólo d lla posición d lla articulación, por llo que d d ól de i ió de ti l ió • Este estiramiento permite que exista tensión más allá del la fuerza máxima será siempre la misma para una 160% de l0 determinada posición articular. • • La tensión máxima generada por un vientre muscular está así a 120% de l0 • Un músculo poliarticular puede variar su relación de longitud según las posiciones de las articulaciones que cruza. Velocidad de contracción • La tensión que puede generar un músculo es • El ciclo de la contracción tiene, a nivel del sarcómero, 3 iinversamente proporcionall a lla velocidad con que mueve t i l id d etapas: t un segmento. – Unión – Tracción – Separación • Si la velocidad es muy alta, se necesita tener más sitios disponibles, por lo que baja la cantidad de puentes cruzados actina-miosina. 16
- 17. 07/08/2009 Transmisión de la fuerza • Desde un punto de vista • La tensión generada por un músculo es igual a ambos empírico, empírico la curva de tensión extremos d l vientre muscular. t del i t l v/s velocidad es fácil de comprender. • La transmisión de esta tensión se realiza a través del componente no contráctil en paralelo (endo–peri–epimisio) hacia el componente no contráctil en serie (tendón) • La estructura del tendón cambia a fibrocartílago que aumenta gradualmente su mineralización hasta su inserción ósea. Tendones • Tejido conectivo denso Biomecánica de los tejidos • Pobre vascularización Tendones y ligamentos • Principalmente compuesto de colágeno • 75 a 90 % de su peso seco • Transmisión de tensión 17
- 18. 07/08/2009 Tendón v/s Ligamento MEC Componente Ligamento Tendón Células (fibroblastos) ( ) 20 % 20 % • Colágeno MEC 80 % 80 % – Sustancia Fundamental Agua 60 – 80 % 60 – 80 % – Fibronectina Sólidos 20 – 40 % 20 – 40 % – Proteoglicanos Colágeno 70 – 80 % Ligeramente mayor • Entrecruzado de colágeno Tipo I 90 % 95 – 99 % – Agua Tipo III 10 % 1–5% Sustancia 20 – 30 % Ligeramente menor fundamental Proteoglicanos Propiedades mecánicas • Piloaniónicos • Se comprueban sometiéndolos a cargas uniaxiales, obteniendo curvas carga / elongación bt i d l ió • Atraen Na+ • “Atraen” agua 18
- 19. 07/08/2009 Para el ligamento 1. Región baja 1. Región baja 2. Región lineal o elástica 2. Región lineal o elástica 3. Falla progresiva, región plástica 3. Falla progresiva, región plástica 4. Amplia falla 4. Amplia falla 5. Falla o ruptura total 5. Falla o ruptura total Región baja (toe) Región elástica o lineal Tendón Ligamento Tendón Ligamento • Deformación escasa • En el ligamento equivale a • Comienza la microrruptura • Esta deformación (variable • (1,2 – 1,5 %) la prueba clínica de de las fibras de colágeno en el ligamento) puede estabilidad ya estiradas reducirse, pero si es mantenida por mucho • La tensión producida por tiempo se demorará más t e po de o a á ás lla contracción tetánica ió á i • El tendón humano no sufre deformación mayor a 4% en retornar máxima 19
- 20. 07/08/2009 Región plástica Falla Tendón Ligamento Tendón Ligamento • Tras pasar el límite • Aunque el ligamento • Cuando la deformación es • Se ve “intacto”, pero elástico, la ruptura de parezca sano a simple mayor, la curva se aplana disminuye su diámetro fibras de colágeno vista, hay lesión de éste rápidamente • Puede seguir la determina una caída en la • Se ve “intacto”, pero deformación sin aumentar pe d e e pendiente de la curva a cu a disminuye su diámetro la carga • Clínicamente hay dolor y puede llevar a la ruptura Falla completa Factores físicos • Al alcanzar la fuerza y deformación máximas, el tendón o • Velocidad de aplicación de una fuerza ligamento se corta li t t • Temperatura • Inmovilización previa • La deformación máxima no excede el 8 % para un stress • Edad agudo • Otros • Embarazo • Diabetes • Uso de esteroides 20
- 21. 07/08/2009 Tejido óseo • Elemento muy duro Biomecánica de los tejidos • Activo durante toda la vida • Muy vascularizado Tejido óseo • Gran capacidad de autorreparación • Altera sus propiedades y configuración según la demanda mecánica Funciones del tejido óseo Propiedades mecánicas del hueso • Estructural: • El hueso es un tejido altamente estructurado, compuesto • Soporte y protección de órganos internos, inserción por matriz d colágeno e hid i tit di t i de lá hidroxiapatita dispuesto en t muscular y locomoción mallas jerarquizadas de lagunas y canalículos • Metabólica: • Los líquidos intersticiales, debido a las presiones, fluyen • Reservorio de minerales por pequeños poros constituyendo una señal para la poros, – Calcio y fosfatos célula 21
- 22. 07/08/2009 Componentes del tejido óseo Tejido conectivo óseo • Matriz extracelular • El hueso es muy dinámico, – Agua (20%) pudiendo cambiar su – Componente orgánico e inorgánico (80%) • Componente orgánico (30-40%) configuración debido a la – colágeno tipo I edad y en respuesta a la • Componente inorgánico (60-70%) demanda mecánica • Calcio y fósforo (hidroxiapatita) Ca10(PO4)6(OH)2 ( p ) ( )( ) • Células – Osteoblastos, Osteocitos, Osteoclastos Hueso cortical Hueso trabecular 22
- 23. 07/08/2009 Membranas del hueso • Endostio: limita el canal medular (médula amarilla). Tiene osteoblastos y osteoclastos. t bl t t l t – Función de recambio • Periostio: aporta vasos y nervios hacia canales de Volkmann. La capa interna tiene osteoblastos. p – Función osteogénica, vascular y nerviosa Formación del hueso Formación del hueso • Hueso inmaduro o “tejido”: • Presión permanente sobre la fisis (cartílago de – Menos organizado ((colágeno al azar)) crecimiento) i i t ) – Más flexible – inhibe el crecimiento – Menos resistente – Se forma rápidamente – En embrión (hasta 5 años), callo de fractura, tumores, osteogénesis • Presión intermitente sobre la fisis imperfecta, imperfecta metáfisis del hueso en crecimiento crecimiento. – estimula el crecimiento • Hueso maduro o laminar: – Estructura más ordenada (Ley de Wolff) – Se forma lentamente. 23
- 24. 07/08/2009 Recambio óseo Recambio óseo • Proceso para mantener la forma, calidad y tamaño del esqueleto. 1. Reabsorción: migración de preosteoclastos a la superficie • Se S reparan microfracturas i f t osteoclastos multinucleados. 2 semanas. t l t lti l d • Se modifica la estructura como respuesta al estrés. 2. Inversión: mononucleados preparan la superficie para los • Acción coordinada de osteoblastos y osteoclastos (Unidad osteoblastos. 4 – 5 semanas. Multicelular Básica) 3. Formación: osteoblastos se ubican en la superficie hasta • UMB forma túneles en la dirección de carga. que llenan el espacio 4 meses espacio. meses. • Velocidad 20 – 40 μm/día. 4. Reposo: se cubre con las • 8% recambio año (Cortical: 2-5%; hasta 25% trabecular) • Regulación mediante factores hormonales y otros a nivel sistémico. células de revestimiento. Remodelación ósea Masa ósea • Proceso en el cual hay absorción en un lugar y producción en otro llugar. t • Se cambia la forma del hueso, en forma local o más general. • Permite el crecimiento y la adaptación a la carga sobre el hueso. hueso • Osteocitos responden a los cambios de tensión, quizás atrayendo osteoclastos a los sitos donde se requiere remodelación. 24
- 25. 07/08/2009 Masa ósea Ley de Wolff • Pérdida: • Carga estática determina la forma del hueso – Mujer: 1,5 a 2% anual • Hueso se deposita donde hay stress y se absorbe donde – Hombre: 0,5 a 0,75 % anual no lo hay engrosamiento cortical o alineación • 80 años: hombres han disminuido su masa ósea en un trabecular. 20% y mujeres en un 30%. • Ejercicio con carga de peso y de alto impacto favorecen • Modulo de Young se modifica 2% cada década después mantención de masa ósea (correr caminar trotar) No (correr, caminar, trotar). de los 50 años. tanto natación y ciclismo. • Tabaco y alcohol disminuyen la masa ósea. • Para estimular se debe aumentar el estrés al que el hueso está adaptado. Propiedades mecánicas • La resistencia, elasticidad y fragilidad del hueso dependen de d lla proporción d t jid ó ió de tejido óseo corticall y esponjoso. ti j • Módulo de Young: depende de la edad y dirección de la compresión. • Al disminuir masa ósea: más frágil. • Hueso más jóven es más dúctil dúctil. • Debe estar adaptado para resistir la compresión y la tensión 25
- 26. 07/08/2009 Comportamiento viscoelástico • Se recupera lentamente ante la deformación. • Al aumentar la velocidad de la deformación se deforma menos y falla antes. Recuperación ante la deformación Velocidad de deformación • Más resistente a la fuerza violenta • Soporta menos deformación 26
- 27. 07/08/2009 Anisotropía • Hueso cortical • Disposición de osteonas • Hueso trabecular • Orientación de las trabéculas • Isotropía transversal Propiedades materiales Fza máx E Elongació g (Mpa) (Gpa) n(%) Aleación Cr – Co forjada 950 220 15 Biomecánica de los tejidos Titanio 900 110 51 PM MA 20 20 2-4 Cartílago Aluminia (cerámica) 300 350 <2 Hueso cortical 100-150 10-15 1-3 Hueso Trabecular 8-50 2-4 Tendón Ligamento 20-35 2-4 10-25 27
- 28. 07/08/2009 Cartílago Células • Cubre las superficies de las articulaciones sinoviales. • Condroblastos • Disminuye el roce • Reducción del stress • Condrocitos • Limita el crecimiento óseo • Avascular • Baja tensión de O2 Composición y estructura Agua • 70 – 85% de agua • Ya que el cartílago es avascular, el agua es fundamental para lla salud d l cartílago. l d del tíl • PG (30% del peso seco) • Transporte de gases, nutrientes y desechos. • Puede removerse hasta el 70% durante una carga • Colágeno (70 % del peso seco) compresiva • 2 fases: sólida y líquida 28
- 29. 07/08/2009 PG y agua PG y colágeno • La densidad de PG en la • La expansión por repulsión eléctrica del PG es retenida superficie es menor y en por lla red d colágeno. d de lá regiones más profundas es mayor. • Los PG unen fibras de colágeno que están muy alejadas • La concentración de agua es para formar puentes cruzados. inversa • Contribuyen a la estructura y resistencia mecánica del • 80% en la superficie a 65% en tejido. tejido la profundidad Arquitectura Cartílago • Se describen 4 zonas: • En la zona tangencial, el colágeno se encuentra empaquetado • Superficial o tangencial aleatoriamente en láminas densas, paralelas a la superficie. • Media o intermedia • En la zona media hay mayor • Profunda o radial distancia entre las fibras, y una distribución más homogénea. • Calcificada • En la zona profunda las fibras se agrupan radialmente en paquetes que cruzan la zona de barrera hacia el cartílago calcificado 29