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Bases Mecánicas del Movimiento Humano

Klgo. Mg. Ricardo Arteaga S-M

Biomecánica

International Society of Biomechanics

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Yuan-Cheng B. Fung Giovanni Alfonso Borelli

Definición

• Estudio de las fuerzas y sus efectos en el cuerpo humano y animal en movimiento y en reposo.

• Amplio espectro de aplicaciones tanto teóricas como prácticas.

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ANATOMÍA FISIOLOGÍA MECÁNICA / FÍSICA

Biomecánica

Ejercicio Basado en BIOM.

Terapia Física

Ortopedia

Medicina Deportiva

Terapia Ocupacional

Objetivos

Movimiento

Describir

Explicar

Definir

Desarrollar

Evaluar

Clasificar

Analizar

Discriminar

Proponer

Determinar

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Áreas de Desarrollo:

• Deportivo: teoría del movimiento. • Ergonomía. Biomecánica ocupacional. • Evaluaciones clínicas. • La Biomecánica médica sirve de base

a muchos métodos de desarrollo y construcción de prótesis, traumatología, ortopedia, gimnasia terapéutica.

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Que estudia

• El ser humano en si mismo: – Describir movimiento, técnicas. – Adaptar el movimiento. – Mejorar la eficacia, corregir errores. – Evitar lesiones.

Que estudia

• En relación con el medio: – Describir las características del medio. – Adaptar el movimiento. – Mejorar la eficacia. – Evitar lesiones, fuerzas de reacción.

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Que estudia

• En relación con el material: – Describir las características del material. – Adaptar el material, características

antropométricas. – Mejorar la eficacia, mas liviano, resistente,

etc. – Evitar lesiones.

Que estudia la Biomecánica

Puede ser objeto de estudio para la Biomecánica:

– Movimientos normales y anormales. – Análisis de las acciones motoras. – Deportes.

� Causas (mecánicas y fisiológicas) de los movimientos, y las particularidades de estas en

cada sujeto.

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Componentes del Movimiento Humano

• SISTEMA ÓSEO

• SISTEMA MUSCULO-

ESQUELÉTICO

• MECANISMOS CONTROL

MOTOR

PALANCAS

MOTORES 1° Y 2°

SISTEMA DE INTEGRACIÓN

Movimiento mecánico en el hombre

• Acciones motoras interrelacionadas • Fenómeno Complejo • Cerebro – cuerpo – consciencia • Movimiento con un objetivo

�Más que movimiento Acciones Motoras

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¿Qué logro con la Biomecánica?

• Análisis de un hecho.

• Síntesis de las acciones que ocurren.

• Cuantifico y caracterizo.

Interrelaciones con otras ciencias

• Ingeniería. • Robótica. • Ergonomía. • Deportes. • Clínica. • ETC….

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Veamos a través de ejemplos…

• Análisis de un hecho.

• Síntesis de las acciones que ocurren.

• Cuantifico y caracterizo.

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11

El lenguaje técnico es muy importante

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Esto es más clínico…

• Existe una desviación en valgo del quinto metatarsiano e inclinación hacia lateral (subluxación) del tercio proximal de la falange proximal del quinto dedo. Con seguridad la amputación genera desequilibrio de fuerzas al perderse el tendón flexor y extensor del quinto dedo. Esto posibilita que el abductor, que posee una inserción más proximal ejerza una momento desviando e inclinando el muñon hacia lateral. No considero que el fibular corto pueda ejercer una fuerza desviadora del metatarsiano.

• El arco externo esta modificado por la acción del abductor generando la deformación y la posible sensación dolorosa por la desviación de la falange proximal al traccionarla. El arco anterior es posible que no sufra modificaciones significativas porque los cambios en este se deben a los movimientos en la interlinea de Lisfranc.

• Sin embargo, podría ser necesaria una RX lateral para observar la angulación del quinto radio.

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¿Provocará algún tipo de alteración de la marcha?

• Es factible que exista alteración de la del gesto motor de la marcha en la fase de apoyo, específicamente en las subfases media de apoyo y la de mayor compromiso, la fase final de apoyo, pues es en esta en la cual se apoya prácticamente toda la carga en los metatarsianos y falanges. Una amputación traumática, sin un muñon en buenas condiciones, sin corrección de deformidad y con daño de partes blandas (incluyendo daño neurológico potencial del nervio plantar lateral o el sural externo corto del nervio tibial) pueden provocar dolor o neuroma en la zona.

• El uso del calzado puede generar dolor y lesiones en la piel por fricción o simplemente a la carga.

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• Mecanismo • Propiedades de los tejidos • Disposición de segmentos • Comparación • Alteraciones… • …??????

Mecánica

• Estática: estudio de los cuerpos que permanecen en reposo, es decir las fuerzas que actúan sobre ellos permanecen en equilibrio .

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Dinámica

Estudio de las cuerpos que se encuentran que equilibrio y las fuerzas que actúan sobre ellos. Se divide en:

�Cinemática: Ciencia del movimiento, estudia las relaciones entre desplazamientos, velocidades, aceleraciones, que ocurren, ya sea traslacional o rotacional. Describe el

Movimiento.

�Cinética: Ciencia que estudia las fuerzas que producen el

movimiento. Se centra en las fuerza que producen o modifican el estado de reposo o movimiento de una masa.

Fuerzas

• Que es fuerza? • Acción entre dos cuerpos • Internas y externas

• Fuerza muscular (tensiones) y Resistencia (cargas). * Revisar Movimientos lineales y angulares

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Introducción al Análisis Vectorial

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Cantidades Escalares y Vectoriales

• Escalares: – Representan una magnitud o cantidad.

• Ejemplo: – masa, energía, Voltaje, temperatura, etc.

• Vectoriales: – Representan una magnitud y una dirección.

• Se representan con una flecha que indica su línea de dirección.

• Ejemplos: – Peso, Fuerza, velocidad, etc.

g = 9,8 m/s² Vel: 2,5 m/s sur

V

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Adición de Vectores

• Vectores con una misma dirección, se suman sus magnitudes.

Velocidad del tren Velocidad de la

persona dentro del tren

Vector resultante

Adición de Vectores

Si los vectores poseen diferente dirección, se usa la regla del polígono.

Velocidad de la persona dentro del

elevador

Velocidad del elevador

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Adición de Vectores

• El método del triángulo

es un caso especial

del método anterior en

el cual intervienen dos

fuerzas solamente.

A B

C

Ejemplos

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• En este ejemplo analicemos microscópicamente…

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Área de Sección Transversal Fisiológica (ASTF o PCSA)

θθθθ

Fm Fa

Fibra penniforme

θθθθ

Fm Fa

Fa = fuerza de contracción de la fibra muscular paralela al eje longitudinal del músculo.

Fm = fuerza de contracción de la fibra muscular.

θθθθ = ángulo penneación

Fa = (cos θθθθ)(Fm)

ΣFa =suma de todas la contracciones de la fibras musculares paralelas al eje muscular.

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Diferencia de fuerza resultante por ángulo de penneación

Leyes de Newton

Primera Ley de la Inercia:

“Un cuerpo permanece en reposo o en movimiento uniforme hasta que actúa sobre el una o un conjunto de fuerzas externas”

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Segunda Ley de la Aceleración: “La aceleración de una partícula es directamente

proporcional a la fuerza desestabilizadora, e inversamente proporcional a la masa de la partícula”

F = m * a

¿Qué pasa si la pelota es más pesada? ¿Qué pasa si la pelota es lanzada por un niño de 6 años?

Tercera Ley Acción-Reacción: “Por cada acción existe una reacción igual en

magnitud y opuesta en sentido”

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Centro de Masa

• Es aquel punto que se encuentra exactamente en el centro de la masa de un objeto.

Centro de Gravedad

• Es un punto donde se “concentra todo el peso de un cuerpo”.

• Al aplicar una fuerza, este cuerpo se desplazará, pero no girará.

• Si la vertical pasa por este, permanecerá en equilibrio.

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En un Objeto Regular…

Centro de Masa en el Cuerpo Humano

– El centro de masa varía dependiendo de:

• Distribución de la masa.

• Sexo.

• Constitución.

• Edad.

• Actividades.

• Posición de los segmentos corporales.

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Relativa a Posición Corporal

Pie

Pierna

Muslo

Tronco

Cabeza/cuello

Antebrazo

Brazo

Centro de Gravedad

Objeto

- Cada segmento corporal posee un C.M. y/o C.G. - La sumatoria de éstos es el C.M. o C.G. del cuerpo en su totalidad.

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?

Los abdominales y paravertebrales se activan intermitentemente para mantener la posción erecta y estabilizar el tronco. (Cholewicki et al., 1997)

Momento flexor contrarrestado por los músculos paravertebrales y fuerzas ligamentarias.

Carga en Bipedestación

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¿Qué es el balance?

• Balance es la mantención de la posición del cuerpo en forma estacionaria o móvil en relación al medio ambiente .

• Balance requiere de estímulos de: – Sistema visual – Sistema vestibular – Propiocepción

• Fuerza muscular, resistencia y flexibilidad. • El sistema nervioso central produce el control motor.

El balance se puede afectar por…

• Muscular strength Fuerza muscular – Fatiga y disminución de coordinación.

– Edad. (Martin & Morgan, 1992; Syed & Davis, 2000)

• Sistema nervioso central – Lesión cerebral o espinal.

• Medicamentos

• Obesidad Blackburn et al., 2000; Carter et al., 2001; Clark, 2004; Hamilton & Luttgens,

2002; Houglum, 2005; Nitz et al., 2003

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Implicancia de la Base de Sustentación

• Área que se forma al unir todos los puntos distales de apoyo de un cuerpo.

• Mientras mayor base de sustentación, mayor estabilidad.

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Utilización

• Describir desplazamiento de cuerpos

• Calcular o describir el recorrido de proyectiles

• Describir giros

• Estudiar estados de equilibrio

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Equilibrio y Estabilidad

Equilibrio: Cuerpo en reposo o movimiento constante. Determinado por

∑ fuerzas = 0

Estabilidad: Tendencia a un cuerpo de recuperar su posición de reposo (equilibrio). Determinada por base de sustentación.

Equilibrio ≠ Estabilidad

• Los cuerpos en equilibrio tienen distinta estabilidad.

EXISTEN DIFERENTES GRADOS DE ESTABILIDAD

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Balance y Estabilidad

– Depende del tamaño de la base, de la localización de línea de gravedad con respecto a la base, de la altura del centro de masa y del peso del objeto.

Balance

Suspensión

Conclusión

– Un cuerpo cuyo equilibrio es estable regresará a su posición original a menos que su línea de gravedad se salga de su base de soporte, en cuyo caso perderá el equilibrio.

Estable Inestable Indiferente

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Conclusión

– La estabilidad es inversamente proporcional a la altura de su centro de masa por arriba de su base.

– Centro de masa más bajo es más estable que uno alto. – Con un peso concentrado más bajo mayor estabilidad.

Menor estabilidad Mayor estabilidad

Conclusión

• Al aumentar el peso de un objeto también aumenta su estabilidad.

Mayor estabilidad Menor estabilidad

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Diagrama de Centro de Masa

• Ejemplo

Centro de masa del jugador y el balón

Centro de masa del jugador

Centro de masa del balón

Tipos de Equilibrio

• ESTABLE: – Objeto que tiende a

volver a su posición original.

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Tipos de Equilibrio

• INESTABLE:

– el objeto es sacado fácilmente de su posición original (base).

Tipos de Equilibrio

• EQUILIBRIO NEUTRAL (indiferente): el objeto permanece en equilibrio en cualquier posición.

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Tipos de Equilibrio

• DINÁMICO: Se mantiene en equilibrio en movimiento.

En Resumen:

• Altura del CG: – A menor altura, mayor estabilidad.

• Área de la base de sustentación:

– A mayor base de sustentación, mayor estabilidad.

• Proyección de CG: – Mayor estabilidad si la proyección del CG cae dentro de

la base de sustentación.

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En Resumen:

• Masa Corporal:

– Mayor masa, mayor estabilidad.

• Distancia del CG al borde del objeto:

– Mayor distancia, mayor estabilidad.

• Punto de apoyo:

– Si existe, es más estable si el punto de apoyo esta en relación a la línea de fuerza.

Palancas

Máquina simple, constituida por un brazo articulado, que puede girar en torno a un fulcro (fijo), sobre el que actúa una fuerza motriz (potencia) y una carga

(o resistencia)

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Palancas

• Es una maquina simple o barra relativamente fija que realiza rotación libremente en torno a una posición, fulcro o pivote sobre un eje perpendicular al plano de movimiento.

F E

Palancas

• Es un dispositivo para la transmisión de fuerza y tiene la capacidad para realizar trabajo cuando éste se realiza sobre aquella.

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Palancas Corporales

• Los segmentos corporales actúan como palancas en un “sistema simplificado”

• Existen 3 elementos Fundamentales: – Segmento

– Fulcro

– Fuerzas que actúan en ellos

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I° Grado II° Grado III° Grado

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FORTALECIMIENTO MUSCULAR

30°

90°

60°

45°

30°

45° 60°

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R = 2 Kg.

Sen 90° = 1

60°

30°

o x y α

A

A´ Sen α: y / r

Cos α: x / r

Tg α: sen α / cos α

Si r = 1

Sen α: y Cos α: x Tg α: y / x

y

x 30°

Cos 30° = 0,866

R = 2 Kg.

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Aplicable a todas las articulaciones y posiciones.

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Ventaja Mecánica

• Momento de la Resistencia: P * Br

• Momento de la Potencia: P * Bp

P R

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Ventaja Mecánica

• VM = Brazo de Esfuerzo

Brazo de Resistencia

• Depende de la localización de las fuerzas.

– Aumentar Fuerza.

– Cambio de dirección del Esfuerzo.

– Aumentar distancia.

¿Qué otras palancas corporales podemos describir?

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¿Qué tipo de palanca se genera?

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48

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Torque

Torque

• Sinónimos del Torque: – Brazo de Fuerza

– Momento de Fuerza

– Brazo de Palanca

– Radio de Rotación.

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Recordemos…

Movimiento Rectilíneo Movimiento Rotatorio

Cinemática

Torque: F x d x sen α

Mov. Rectilíneo Mov. Rotatorio

Centro de Rotación

d

d

F

F

F

α

d = Distancia perpendicular de la Fuerza al Centro de Rotación.

d = 0

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Torque

Brazo de Momento : En el cuerpo, el brazo de momento de un músculo es la distancia perpendicular entre la linea de fuerza y el centro articular.

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Torque y Ángulos de las Palancas Óseas.

En las articulaciones existen implicancias de fuerzas que ayudan a movilizar las palancas óseas y otras que pueden comprimirlas o traccionarlas.

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En la Práctica…

• La fuerza muscular tiene dos componentes:

– Componente Rotador: • Actúa perpendicular al hueso.

• Permite que la palanca ósea rote alrededor del centro articular.

– Componente paralelo: • La fuerza es paralela al hueso.

• Lleva a la palanca ósea lejos del centro articular.

• Lleva a la palanca ósea hacia el centro articular.

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Condición de Equilibrio

Dirección de los Torques y Equilibrio

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?

Resistencias Variables

Brazos de Resistencia y Brazos de Potencia

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Isoinercia

Diferencias en momentos

Razones Trigonométricas

y

x

h

α

Sen α: y / h

Cos α: x / h

Tg α: y / x

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o x

y α

A

A´

O - A´ : Abscisa de A (x)

A – A´ : Ordenada de A (y)

O – A : hipotenusa (o el radio)

Sen α: y / r

Cos α: x / r

Tg α: sen α / cos α

Si r = 1

Sen α: y Cos α: x Tg α: y / x

o x

y α

A

A´

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Diagrama de Cuerpo Libre

¿De Donde Surge DCL?

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R

F

y

x α

F

y

x

α

R

β

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DCL Propuestos

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F R

A

B F

R

A B

Fulcro – A: 0,2 mts

Fulcro – B: 0.5 mts

Resistencia : 5 kgs

30º

30º

45º

FASE 1 FASE 2

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F

R

A

B

F

R

A B

Fulcro – A: 0,2 mts

Fulcro – B: 0.7 mts

Resistencia : 9 kgs

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