Biomecánica
Conceptos claves
– Biomecánica es el estudio de la naturaleza mecánica de los procesos biológicos. En traumatología se aplica al estudio del movimiento, equilibrio y de la acción de fuerzas internas y externas en el sistema músculo-esquelético.
– Esta disciplina, la cual combina principios de física, ingeniería y biología, permite entender el efecto de las distintas fuerzas en condiciones normales y patológicas, y por otro lado colabora en el diseño de instrumentos, implantes y prótesis.
|
RAMAS MÁS IMPORTANTES DE LA MECÁNICA CLÁSICA |
|
| Estática | – Estudio del equilibrio mecánico y su relación con las fuerzas.
– En el equilibrio mecánico los objetos no varían su posición relativa en el tiempo. |
| Cinética | – Estudio del movimiento y su relación con las fuerzas.
– En esta rama se estudian las distintas fuerzas y torques. – La dinámica es útil en biomecánica músculo-esquelética para comprender el movimiento del cuerpo humano. |
| Cinemática | – Estudio del movimiento de objetos sin considerar las causas de su movimiento.
– Esta rama es la que observa la “geometría del movimiento” a través de las trayectorias, velocidades y aceleraciones, sin considerar la masa del objeto o las fuerzas que produjeron este movimiento. – La cinemática es útil en biomecánica músculo-esquelética para comprender el movimiento de una articulación, así como el diseño y estudio de artroplastías. |
| LEYES DEL MOVIMIENTO DE NEWTON (BASES DE LA MECÁNICA CLÁSICA) | ||
| Nombre | Principio | Postulado |
| Primera | Inercia |
“Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él”. |
| Segunda | Aceleración |
“El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime”. |
| Tercera | Reacción | “Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: quiere decir que las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto”. |
Magnitud escalar
| MAGNITUDES ESCALARES VERSUS MAGNITUDES VECTORIALES | |
| Concepto | Definición |
| – Magnitud física que se expresa por un número único, invariable en cualquier sistema de referencia, y tiene el mismo valor para todos los observadores.
– Ej.: temperatura, masa. |
|
| Magnitud vectorial o vector | – Magnitud física asociada a una dirección.
– Específicamente es una magnitud física definida por un punto en el espacio, un módulo (longitud), dirección (orientación) y sentido (que distingue el origen del extremo). – Ej.: velocidad (su módulo es lo que marca el velocímetro, y su dirección y sentido es hacia donde se dirige). |
Representación gráfica de un vector de fuerza (V): su orientación es la dirección de acción de la fuerza, su base es el origen de la fuerza, la cabeza es la dirección hacia donde actúa y la longitud de la flecha es proporcional a la magnitud de la fuerza.
«Vector 08» de Dnu72 – Trabajo propio. Disponible bajo la licencia Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 vía Wikimedia Commons – http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Vector_08.svg#mediaviewer/File:Vector_08.svg
Vector de fuerzas de la carga de compresión patelofemoral en la rodilla (extensión y flexión). Se observa un aumento significativo de la fuerza de compresión de la rótula contra la tróclea femoral con la flexión.
| CONCEPTOS BÁSICOS EN CINEMÁTICA | |
| Concepto | Definición |
| Masa | – Magnitud escalar que expresa la cantidad de materia que tiene un cuerpo.
– La unidad del sistema internacional de unidades (SI) es el kilogramo (kg). – Esta magnitud, al ser escalar, no depende de la ubicación y posición del objeto. |
| Peso | – Magnitud vectorial de la fuerza gravitatoria que actúa sobre un objeto. Depende de la masa del cuerpo y de la gravedad, la cual en nuestro planeta es una fuerza promedio de 9,81 m/s2.
– La unidad SI es el Newton (N) (kg ∙ m/s2) – Esta magnitud, al ser vectorial, depende de la ubicación y posición del objeto. Ej.: 100 kg en la Tierra equivalen a 16,5 kg en la Luna ya que la gravedad varía en ambos lugares. – También se usa en ingeniería el concepto de que el peso es la magnitud de la inercia o resistencia al movimiento de un objeto al cual se le aplica una fuerza. |
| Rapidez | – Magnitud escalar que expresa el desplazamiento lineal de un objeto por unidad de tiempo.
– Se utiliza como una medida que no considera la dirección del desplazamiento. – La unidad SI es el metro por segundo (m/s). |
| Velocidad | – Magnitud vectorial que expresa el desplazamiento (lineal o angular) de un objeto por unidad de tiempo.
– La unidad en el SI es el metro por segundo (m/s) en el desplazamiento lineal y radianes por segundo (rad/s) en el desplazamiento angular (1 rad = 57,3º). |
| Aceleración | – Magnitud vectorial que expresa el cambio de velocidad por unidad de tiempo.
– La unidad SI es el metro por segundo (m/s2) en el desplazamiento lineal y radianes por segundo (rad/s2) en el desplazamiento angular (1 rad = 57,3º). |
SI: Sistema Internacional de unidades
| CONCEPTOS BÁSICOS EN CINÉTICA | |
| Concepto | Definición |
| Fuerza (F) | – Causa capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los materiales.
– Se expresa como el producto de masa por aceleración (F = m ∙ a) – La unidad SI es el newton (N) (kg ∙ m/s2). 1N equivale a la fuerza necesaria para entregarle a un objeto de 1 kg de masa, una aceleración de 1 m/s2. – Un vector de fuerza puede ser representado gráficamente por una flecha. La orientación de ella es la dirección de acción de la fuerza, la base es el origen de la fuerza, la cabeza es la dirección hacia donde actúa y la longitud de la flecha es proporcional a la magnitud de la fuerza. – Se denomina fuerza resultante a la suma de todos los vectores de fuerza que se aplican sobre un objeto. |
| Trabajo (W) | – Magnitud escalar de la alteración del estado de movimiento de un cuerpo producto de la aplicación de una fuerza.
– Se expresa como el producto de fuerza por distancia de desplazamiento. – La unidad SI es el joule (J) (N ∙ m). 1 J equivale a la energía necesaria para mover un objeto 1 metro contra la resistencia de 1 N. |
| Energía (E) | – Capacidad para realizar un trabajo.
– La energía mecánica se compone de las formas cinética (relativa al movimiento) y potencial (energía almacenada, no asociada al movimiento). – La energía no puede ser creada ni destruida, sino convertida de un estado a otro. – La unidad SI también es el joule (J). |
|
Centro de masa o centro de gravedad |
– Punto geométrico de un objeto en torno al cual la distribución de la masa está balanceada.
– En el cuerpo humano este punto se ubica, aproximadamente, justo anterior a la vértebra S2. |
| Desplazamiento lineal | – Magnitud escalar definida por la menor distancia entre la posición inicial y final de un objeto que se mueve con la aplicación de una fuerza.
– La unidad SI es el metro (m). |
| Desplazamiento angular | – Magnitud vectorial que expresa la rotación de un cuerpo mientras se desplaza.
– La unidad SI es el radian (rad) (1 rad = 57,3º) |
| Momentum lineal | – Magnitud vectorial resultante del producto de masa y velocidad de un objeto que se encuentra en movimiento lineal.
– La unidad SI es el Newton-segundo (N s). – Un objeto tiene mayor momentum mientras mayor masa tenga o a mayor velocidad se desplace. Por ejemplo, un auto versus una bicicleta |
| Momentum de inercia | – Magnitud escalar que expresa la resistencia de un objeto a la rotación.
– Depende no sólo de la masa sino también de la forma del objeto (distribución de la masa). |
|
Momentum angular (momentum rotacional) |
– Magnitud vectorial resultante del producto del momentum de inercia y la velocidad angular.
– La unidad SI es el kilogramo por metro cuadrado por radianes-segundo (kg m2 rad/s). |
|
Momentum de fuerza (Torque*) |
– Magnitud vectorial que expresa la tendencia de una fuerza a hacer rotar un objeto en relación a un eje.
– Su magnitud se calcula multiplicando la magnitud de la fuerza aplicada por el brazo de torque. – La unidad SI es el Newton-metro (N m). |
|
Brazo de torque (brazo de momentum rotacional) |
– Menor distancia entre el eje instantáneo de rotación y el punto en el que se aplica la fuerza que causa la rotación. |
| Eje instantáneo de rotación |
– Eje alrededor del cual un objeto rota como resultado de una fuerza aplicada sobre éste. |
| Equilibrio mecánico |
– Estado de reposo o balance de un objeto en el que la suma de las fuerzas y momentum es cero. |
| Grados de libertad mecánicos | – Número de parámetros independientes que definen una configuración mecánica.
– Un objeto que se mueve en dos dimensiones tiene 3 grados de libertad: 2 de traslación (x,y) y 1 de rotación. – Un objeto que se mueve en tres dimensiones tiene 6 grados de libertad: 3 de traslación (x,y,z) y 3 de rotación. – Ejemplo: una articulación tipo bisagra (rodilla) tiene un grado de libertad de rotación y una articulación esférica (hombro) tiene tres grados de libertad de rotación. |
SI: Sistema Internacional de unidades
* Los conceptos de momentum de fuerza y torque se usan de forma intercambiable en algunas ocasiones. En Reino Unido y en ingeniería mecánica de USA se usa momentum de fuerza (acortado a momentum), y en física de USA se usa el término torque. Sin embargo en matemáticas, la definición de torque requiere un cambio en el momentum angular, no así el momentum de fuerza.
|
CARGAS MECÁNICAS |
|
| Concepto | Definición |
| Carga estructural
(load) |
– Conjunto de fuerzas, deformaciones o aceleraciones aplicada a una estructura o sus componentes.
– Las cargas producen estrés, deformación y/o desplazamiento en la estructura. – El daño progresivo de la estructura secundario a cargas repetidas se denomina fatiga. – Existen cargas estáticas (compresión, tensión, fricción) y dinámicas (momentum, impacto, vibración, etc.). |
| Compresión
(compression) |
– Aplicación de fuerzas de empuje sobre distintos puntos de un objeto, sin rotación asociada, que tienden a reducir su tamaño en una o más direcciones.
– Las fuerzas actúan de forma perpendicular a la superficie del objeto. |
| Tensión
o tracción (tension or traction) |
– Aplicación de fuerzas de distracción sobre distintos puntos de un objeto, sin rotación asociada, que tienden a aumentar su tamaño en una o más direcciones.
– Las fuerzas actúan de forma perpendicular a la superficie del objeto. |
| Flexión
(bending) |
– Aplicación de fuerzas sobre una elemento estructural alargado en una dirección perpendicular a su eje longitudinal.
– Estas fuerzas producen compresión por el lado cóncavo y tensión por el lado convexo. |
| Cizallamiento o corte
(shear) |
– Aplicación de fuerzas que actúan de forma paralela o tangencial a la superficie de un objeto. |
| Torsión
(torsion) |
– Aplicación de fuerza de rotación sobre el eje longitudinal de un objeto, que tiende a hacerlo girar y/o deformarlo helicoidalmente. |
Tipos de cargas mecánicas
Análisis de fuerzas en el cuerpo humano
Diagrama de fuerzas (Análisis de cuerpo libre)
– El diagrama de fuerzas (también denominado análisis de cuerpo libre) es la representación gráfica utilizada en física e ingeniería para analizar las fuerzas que actúan sobre un cuerpo libre.
– En la biomecánica del sistema músculo-esquelético se utilizan habitualmente diagramas de segmentos corporales para estudiar las fuerzas que actúan sobre ellos.
– Los diagramas de fuerzas o análisis de cuerpo libre nos permiten estimar la fuerza que recibe una articulación (fuerza de reacción articular) y las fuerzas musculares asociadas.
Diagrama de fuerzas de la carga compresiva de la columna lumbar (L5-S1) al levantar un peso fijo (20 kg) dependiendo de la postura. En el gesto se produce menor fuerzas compresivas al flectar las rodillas.
Diagrama de fuerzas de una extremidad superior soportando un peso en la mano. Este diagrama específico permite medir la reacción articular del codo y la fuerza muscular del bíceps braquial
Fuerza de reacción articular y fuerzas musculares
– En la siguiente tabla y a manera de ejemplo, se muestran distintas fuerzas de reacción articular y fuerzas musculares según distintos tipos de actividades físicas.
– Todos ellos se calculan a través de los diagramas de fuerzas.
– A pesar de que es una simplificación de la realidad, nos permite hacer una estimación de la realidad y comparar ejercicios físicos.
| FUERZA DE REACCIÓN ARTICULAR Y FUERZAS MUSCULARES EN DISTINTAS ACTIVIDADES FÍSICAS | |||
|
Articulación |
Actividad |
Fuerza de reacción articular (fuerza de contacto) |
Fuerza muscular |
|
Codo |
Flexión de 90º con brazo aducido y sosteniendo un objeto 0,06 veces el peso corporal |
Fuerza a nivel del codo:
0,5 veces el peso corporal |
Fuerza del bíceps braquial:
0,6 veces el peso corporal |
|
Hombro |
Brazo abducido 90º con codo en extensión y sosteniendo una mancuerna de 0,08 veces el peso corporal |
Fuerza a nivel de la articulación glenohumeral:
1,5 veces el peso corporal |
Fuerza del deltoides:
1,5 veces el peso corporal |
|
Columna |
Levantador de pesas se inclina hacia anterior 45º, levantando unas pesas equivalentes al peso corporal |
Fuerza compresiva en la unión L5-S1:
10 veces el peso corporal |
Fuerza del grupo muscular erector de la columna:
12 veces el peso corporal |
|
Cadera |
Apoyo monopodal (posición de pie con apoyo de una sola extremidad inferior) |
Fuerza a nivel de la articulación coxofemoral:
3 veces el peso corporal |
Fuerza del grupo muscular abductores de la cadera:
3 veces el peso corporal |
|
FUERZA DE REACCIÓN DE LA ARTICULACIÓN PATELOFEMORAL EN DISTINTAS ACTIVIDADES FÍSICAS |
|
|
Actividad |
Fuerza máxima de reacción articular (fuerza máxima de contacto) |
|
Caminata en plano |
0,5 veces el peso corporal |
|
Extensión de rodilla sentado |
2,6 veces el peso corporal |
|
Subir escaleras |
3,3 veces el peso corporal |
|
Sentadillas |
7 veces el peso corporal |
|
Trote |
7 veces el peso corporal |
|
Salto |
20 veces el peso corporal |
Método de elementos finitos
– Análisis matemático complejo a través del cual es posible modelar formas geométricas y propiedades mecánicas de los materiales.
– De esta forma, una estructura es modelada en un número finito de formas geométricas simples, habitualmente elementos triangulares o trapezoidales.
– A través del procesamiento computacional de datos es posible establecer el comportamiento mecánico de esta estructura y su respuesta a distintas fuerzas.
– Su uso permite estimar estrés interno y fuerzas de tensión, por ejemplo el de un hueso específico o la interfase entre el hueso y un implante frente a fuerzas externas.
– Actualmente el método de elementos finitos permite confeccionar las modelaciones mecánicas que más se aproximan a la realidad, por lo que es un área de constante desarrollo.
Espécimen de fémur porcino y su modelación computacional a través de análisis de elementos finitos
