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Dra. Norka Carola Salazar Correa
Biofísica
BIOMECANICA
I. Consideraciones generales
La biomecánica o cinesiología mecánica, es una disciplina científica que tiene por objeto el estudio de
las estructuras de carácter mecánico que existen en los seres vivos (fundamentalmente del cuerpo
humano).Esta área de conocimiento se apoya en diversas ciencias biomédicas, utilizando los
conocimientos de la mecánica, la ingeniería, la anatomía, la fisiología y otras disciplinas, para estudiar
el comportamiento del cuerpo humano y resolver los problemas derivados de las diversas condiciones a
las que puede verse sometido.
La Biomecánica está presente en diversos ámbitos, aunque tres de ellos son los más destacados en la
actualidad:
1.- La biomecánica médica, evalúa las patologías que afectan al cuerpo humano para generar
soluciones capaces de evaluarlas, curarlas, rehabilitarlas o paliarlas.
2.- La biomecánica deportiva, analiza la práctica deportiva para mejorar su rendimiento, desarrollar
técnicas de entrenamiento y diseñar complementos, materiales y equipamiento de altas prestaciones.
3.- La biomecánica ocupacional, estudia la interacción del cuerpo humano con los elementos con que
se relaciona en diversos ámbitos (en el trabajo, en casa, en la conducción de automóviles, en el manejo
de herramientas, etc.) para adaptarlos a sus necesidades y capacidades.
El hueso es uno de los elementos biomecánicas, posee una resistencia a la tensión similar a la del hierro
pero es tres veces más ligero y diez veces más flexible. Es el principal componente del esqueleto adulto
por lo que posibilita la acción mecánica de la musculatura, protege órganos, alberga la medula ósea,
tiene función hematopoyética, reservorio de energía, reservorio de Calcio, fósforo y otros iones.
En relación con su función, los huesos del esqueleto presentan formas y tamaños diferentes pero
poseen una estructura común: Una corteza de hueso compacto (80% del volumen total de hueso) que
por su superficie interna se halla en continuidad con un hueso de aspecto esponjoso o trabecular (20%
del volumen total del hueso). En el interior del hueso compacto existe una red de finos canales
longitudinales (canales de Havers) y transversales (canales de Volkman) que transportan los vasos que
posibilitan su nutrición y nervios.
El hueso compacto predomina en el esqueleto apendicular y es adecuado para resistir: La Flexión, la
torsión y el cizallamiento. El hueso esponjoso se halla constituido por un entramado de tabiques que se
orientan de forma paralela a las líneas de fuerza, predomina en el esqueleto axial y es adecuado para
resistir las fuerzas de compresión y tensión que se generan en esta región.
II. Propiedades biomecánicas del hueso
Los huesos responden a las fuerzas aplicadas sobre su superficie siguiendo un patrón característico.
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La primera fase es la elástica y depende de la rigidez del hueso. En esta fase, la deformación es
temporal y se mantiene solo durante el tiempo de aplicación de la fuerza, para luego, el hueso recuperar
su forma original. Si la fuerza aumenta, se entra en una fase plástica y el hueso aunque se recupera
parcialmente, queda deformado. Por último cuando la fuerza aplicada es superior a la resistencia del
tejido se produce la fractura.
La respuesta del tejido óseo frente a las fuerzas que se aplican sobre su superficie dependerá del tipo de
fuerza, del tipo de hueso, así como de la densidad, arquitectura y composición del tejido óseo.
Las fuerzas que pueden actuar sobre el tejido óseo son de tres tipos: Tensión, compresión y torsión.
Además pueden ser aplicadas de forma perpendicular a la superficie ósea(fuerza normal) o de forma
oblicua(fuerza de cizallamiento).
Cambios en la tensión, Se entiende por tensión a la fuerza de reacción interna que experimenta el
material frente a la aplicación de la fuerza, cualquiera sea esta y que corresponde a los fenómenos
descritos por la Tercera Ley de Newton (Acción y Reacción). De acuerdo con este principio, materiales
de naturaleza más bien elástica presentarán menores niveles de aumento de la tensión frente a la
aplicación de una fuerza y materiales más bien rígidos, experimentarán mayores niveles de aumento de
la tensión interna frente a la aplicación de la fuerza.
Cambios en la forma, Cuando se somete a un objeto cualquiera a la aplicación de una fuerza, en
algún momento experimentará una deformación observable. Para los objetos más bien elásticos, dicha
deformación se alcanza con aplicaciones de fuerza de baja magnitud, mientras que los materiales
rígidos requieren de aplicación de magnitudes de fuerza de mayor consideración. Dichos materiales se
caracterizan por presentar un comportamiento diferente en el tiempo a pesar de que las condiciones de
carga o deformación a las que se les somete permanezcan constantes. Esto quiere decir, por ejemplo,
que si el material es sometido a una carga constante, la deformación del material inicialmente ocurre a
una cierta velocidad y que con el paso del tiempo de carga mantenida, dicha deformación tiende a ser
constante (no experimentar variaciones). Un ejemplo clásico de material semielástico lo constituye el
cartílago articular que cubre las superficies óseas.
Los huesos largos, formados fundamentalmente por tejido óseo compacto o cortical, son elásticos y
poco plásticos. En estos huesos, la resistencia será mayor cuando la fuerza se aplica de forma vertical al
sentido de la carga. Cuando la fuerza se aplica de forma oblicua la fase plástica se acorta y el hueso se
fractura con mayor rapidez.
En los huesos integrados por tejido óseo esponjoso, la resistencia es mayor cuando la fuerza se aplica a
lo largo del eje vertical de las trabéculas vertebrales y también cuando es paralela a los sistemas
trabéculares del cuello femoral. Estos huesos, al ser menos densos que los formados por tejido cortical,
son menos elásticos y mas plásticos, por lo que pueden presentar deformaciones mayores.
Así mientras que en los huesos integrados por tejido esponjoso, la fractura se produce cuando existe
variaciones del 7% de su longitud, en los integrados por
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La Biomecánica, es el conjunto de conocimientos que usando las leyes de la física y la ingeniería
describe los movimientos efectuados por los distintos segmentos corporales y las fuerzas que actuan
sobre ellas durante las actividades normales de la vida diaria.
¿POR QUE NOS INTERESA LA BIOMECANICA?
Porque algunas posturas, puestos de trabajo, movimientos, esfuerzos excesivos, torceduras, etc.
Influyen sobre los músculos, ligamentos y articulaciones, afectando al cuello hombros espalda y
muñecas. Además las posturas y movimientos inadecuados producen un gasto excesivo de energía
afectando músculos corazón y pulmones.
La biomecánica también estudia los daños producidos en accidentes de tránsito, caídas, deporte, etc.
Mecanismo de daño: Actividad = Trauma por sobreesfuerzo =
nervios lumbago, etc.
Daño: tendinitis, compresión de
¿QUE PODEMOS HACER?
Para mejorar la calidad de vida evitar los daños que pueden producir en un futuro incluso la perdida
funcional de las articulaciones, hipotrofia de músculos se debe tomar en cuenta los siguientes puntos:
-
Adecuado diseño de tareas
-
Postura neutral
-
Respetar el sistema de palancas corporales
-
Utilizar zapatos anatómicos
¿COMO DISENAR PARA POSTURAS NEUTRAS?
Mantener el trabajo cercano al cuerpo
 Evitar trabajar con los brazos elevados
 No llevar las manos sobre la altura de los codos
 Cuidar el esfuerzo en las articulaciones críticas: codos, espalda, hombros.
Eliminar las inclinaciones hacia adelante
 En caso contrario se requerirán músculos y ligamentos mas fuertes para mantener el equilibrio
de fuerzas
 Representan un gran esfuerzo para la espalda
Eliminar las torsiones de tronco
o Implican un esfuerzo extra sobre la columna
o Se produce compresión y estrechamiento de los discos intervertebrales
o Se produce un esfuerzo asimétrico sobre músculos y tendones
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BIOMECANICA Y PALANCAS
¿Para
qué estudiar Biomecánica?.
Para poder tener conciencia de cuáles son las posturas y movimientos inadecuados, el sobreesfuerzo en
músculos, ligamentos y articulaciones, que podrán afectar a diferentes partes del cuerpo generando
lesiones.
El cuerpo humano es un sistema de palancas, los 3 tipos de palancas que se conocen en la física,
también se aplican en el cuerpo humano. Las articulaciones serian las bisagras y las contracciones de
los músculos conducen el movimiento de las uniones alrededor de sus centros de rotación, todos los
movimientos musculares son de rotación y pueden ser medidos en grados o radianes.
¿Qué
es una palanca?
Una palanca no es más que una barra rígida que gira sobre un punto fijo que la física suele llamar eje o
punto de apoyo, la porción de la palanca se encuentra entre el punto de apoyo y el peso o resistencia,
denominada brazo de palanca (o brazo de potencia).Cuando hablamos de eficiencia mecánica hablamos
de la relación entre el brazo de resistencia y el brazo de palanca.
Las palancas son instrumentos que sirven para hacer más veloz una actividad, para cambiar el sentido y
dirección de una fuerza, para multiplicar la fuerza. Es decir que las palancas sirven para lograr una
ventaja mecánica al aplicar una fuerza pequeña sobre una gran resistencia.
La fuerza generalmente se logra con un brazo de potencia corto y un brazo de resistencia largo,
ejemplos sería los bates de béisbol, los palos de hockey, las raquetas de tenis etc., son óptimas para
logra velocidad dado su amplitud de movimiento. Los instrumentos tales como carretillas, tenazas y
palancas de hierro tienen por objeto disminuir los brazos de resistencia y aumentar los brazos de
potencia logrando una ventaja mecánica al permitir un mayor rendimiento con una menor fuerza
muscular, en este caso con un detrimento de la velocidad.
El cuerpo como un sistema de palanca podemos decir que está más predispuesto a la velocidad que a la
fuerza.
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Un ejemplo lo constituye el brazo que se levanta desde su posición al lado del cuerpo. El eje es la
articulación del hombro, el esfuerzo es realizado por el músculo deltoides, el cual se contrae
abduciendo así el brazo; la resistencia es el peso del brazo.
1.-
Palancas de Primer Genero o Interfija
Tienen el punto de apoyo situado entra la fuerza y la resistencia, (las tijeras, el sube y baja), estas
palancas sacrifican la fuerza en función de la velocidad, el ejemplo típico en el cuerpo humano sería el
psoas-ilíaco.
2.- Palancas de Segundo Género o Interresistente
La resistencia se encuentra entre el punto de apoyo y la potencia, en este caso se sacrifica velocidad
para ganar fuerza (ejemplo la carretilla, los rompenueces), en el cuerpo humano casi no se encuentran
este tipo de palancas, pero un ejemplo sería la apertura de la boca contra una resistencia.
3.- Palancas de Tercer Género o Interpotente
En este caso la Potencia se aplica entre el punto de apoyo y la resistencia, (ejemplo el resorte que cierra
la puerta de vaivén), este es el tipo de palanca más frecuente en el cuerpo humano ya que permite que
los músculos se inserte cerca de las articulaciones y generen movimientos amplios y rápidos, pero con
un detrimento de la fuerza.
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En el cuerpo humano abundan las palancas de tercer género, pues favorecen la resistencia y por
consiguiente, la velocidad de los movimientos.
Los beneficios de las palancas de tercer orden son:
-
Máxima velocidad
-
Amplio rango de movimientos
-
Trabajar en espacios reducidos
Como ejemplos de los tres géneros de palancas en el cuerpo humano encontramos:
1º Género: articulación occipitoatloidea (apoyo), músculos extensores del cuello (potencia) y peso de
la cabeza (resistencia).
2º Género: articulación tibiotarsiana (apoyo), músculos extensores del tobillo (potencia) y peso del
cuerpo (resistencia).
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3º Género: articulación del codo (apoyo), músculos flexores del codo (potencia) y peso del antebrazo y
la mano (resistencia).
Es importante recalcar que se utiliza la distancia horizontal entre el eje y el esfuerzo o la resistencia
más que simplemente la distancia a lo largo de la palanca. Ello significa que la palanca será mayor
cuando una parte del cuerpo se aleje de la horizontal.
IV.PALANCAS Y MOVIMIENTOS MUSCULARES
El musculo esquelético es el otro elemento biomecánica más importante después del hueso, porque es
el elemento biológico que hace FUERZA está formada por largas fibras cilíndricas, multinucleadas
denominadas fibras musculares; estas contienen miofibrillas constituidas por unidades llamadas
sarcomeros, este último es la unidad contráctil fundamental, cada sarcomero separado por líneas Z que
consta de una banda I separada por las bandas A, la respuesta contráctil del musculo se denomina
acoplamiento excitación contracción el potencial de acción despolariza los tubulos T y provoca la
apertura de los canales de calcio de acuerdo a la cantidad desarrolla tensión.
La actina, la miosina, la tropomiosina, la troponina y el calcio, son elementos muy importantes en la
contracción muscular.
V.- POLEAS Y POLEOTERAPIA
Las poleas son ruedas acanaladas en su circunferencia girando sobre un eje y los efectos son obtenidos
por cuerdas que se aplican a los canales, existen dos tipos de polea: fijas y móviles. La fija cambia el
sentido de la fuerza, las móviles dividen o multiplican la fuerza por 2.
La tracción combinada con poleas móviles se utiliza en ciertas fracturas donde la contracción muscular
puede mantener el hueso desalineado en este caso es necesario aplicar fuerzas en sentido contrario a las
fuerzas musculares para mantener posición del hueso.
La poleoterapia, es el tratamiento fisioterapéutico por medio de unas maquinas simples que son las
poleas. Las poleas son maquinas simples constituidas por una rueda provista de una eje que le permite
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girar libremente y con una llanta de forma apropiada para que pueda arrastar o ser arrastrada por una
correa, cuerda o cadena.
La poleoterapia estudia los métodos de reeducación activa o pasiva con circuitos constituidos por
poleas, que en este caso se utilizan para modificar la orientación de la fuerza exterior aplicada, contra la
que debe oponerse un determinado grupo muscular. Esta fuerza por un juego inverso de poleas puede
ser capaz de ejercer una tracción sobre las palancas articulares de esos mismos músculos.
Con este tipo de tratamiento realizamos una movilización activa, resistida y pasiva. Se pueden
combinar con suspensiones o sin ellas, según sea la articulación en la que se aplique el tratamiento. Las
movilizaciones mediante la aplicación de poleas presentan una serie de ventajas:
 La fuerza externa aplicada es fácilmente regulable y medible
 Se pueden desarrollar casi todos los movimientos articulares
 Gran comodidad de aplicación tanto para el paciente como para el fisioterapeuta
 El tratamiento es individualizado
 La instalación es poco costosa y de fácil aplicación
La poleoterapia se sustenta sobre unos principios físicos basados en la definición de polea: Maquina
simple en la que la cuerda actua de eje que transmite la tensión aplicada. Para el estudio de las fuerzas
que aparecen en los sistemas de poleas seguiremos la nomenclatura tradicional de las maquinas
simples: la fuerza exterior es la resistencia que se iguala o vence con una potencia.
El propósito de las maquinas simples, en general es multiplicar la fuerza. El cociente entre resistencia y
potencia es la ventaja mecánica: si es mayor que 1, la resistencia igualada es mayor que la potencia
aplicada, quiere decir que se va ganando. Una polea fija tiene una ventaja mecánica de 1, es decir
potencia y resistencia son iguales en magnitud.
VI.- MOMENTO
Es más fácil detener a un niño que viene corriendo que a un adulto que viene a esa misma velocidad; la
combinación masa y velocidad de un cuerpo es el momento.
Momento
= impulso
Masa * velocidad = fuerza * tiempo
El Momento en el cuerpo humano
Muchas actividades atléticas tratan de maximizar la transferencia de momento por ejemplo en el boxeo,
los golpes no son efectivos con la simple extensión del brazo y no se imparte un buen momento al
oponente en cambio si se combina con el movimiento del cuerpo es mejor lo mismo que en otros
deportes de contacto, en los lanzamientos de bala en los atletas, etc.
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Masa
Definimos como masa a la cantidad de materia que contiene un cuerpo. La materia es la sustancia
que ocupa espacio, mientras que un cuerpo es materia limitada por una superficie cerrada.
1 Masa gravitatoria
Es la propiedad que tiene un cuerpo de ejercer una atracción sobre otro. La fuerza de atracción
resultante será directamente proporcional a las masas de dichos cuerpos, e inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia que los separa (ley de Newton de la gravitación universal). Las fuerzas de
gravitación son parejas de acción y reacción. Por ejemplo, cuando un saltador efectúa su batida, la
tierra ejerce una fuerza de atracción sobre él, y en la misma dirección y sentido contrario, el saltador
ejerce una fuerza igual y contraria.
2. Masa inercial
Para acelerar un cuerpo cualquiera debemos imprimirle una fuerza determinada, la cual es
proporcional a su masa. A esta masa, independiente del campo gravitatorio terrestre, se la denomina
inercial. Es importante destacar que si bien la masa gravitatoria y la inercial son conceptualmente
diferentes, experimentalmente coinciden, por lo cual durante muchos años se pensó que era una
casualidad. Sin embargo, esta equivalencia condujo al desarrollo de la teoría general de la relatividad.
2.1. Fuerza
Es toda acción que tiende a variar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo. En el cuerpo
humano las fuerzas son desarrolladas por los músculos, los cuales tiran desde los puntos de inserción
para producir movimiento. Dado que para definir una fuerza además de su valor absoluto necesitamos
conocer su dirección y sentido, las fuerzas son cantidades vectoriales. La unidad utilizada por el
Sistema Internacional es el Newton que representa la fuerza que hay que imprimirle a una masa de 1Kg
para acelerarla 1m/s2.
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2.2. Peso
El peso de un cuerpo es la fuerza gravitacional que ejerce la tierra sobre él. En la vida diaria
utilizamos como unidad de peso al Kg, pero se debe aclarar que este Kg es un kilogramo fuerza, y
equivale a 9.81N.
2.3 Fuerzas internas y fuerzas externas
En Biomecánica se suelen considerar a las partes constituyentes del cuerpo humano como un sistema,
y cualquier fuerza que una parte de este ejerza sobre otra, es considerada una fuerza interna. Por
ejemplo, cuando un músculo se contrae y genera un esfuerzo sobre su punto de inserción, esta fuerza es
considerada interna. Por el contrario, la fuerza gravitatoria, la resistencia aerodinámica, las fuerzas que
se ejercen contra el suelo, o contra otro cuerpo, son consideradas fuerzas externas.
Leyes de Newton de la Mecánica
1. Primera Ley de Newton
Esta ley también es llamada “principio de inercia”, y su enunciado es el siguiente: “Todo cuerpo
conserva su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme, a menos que se vea obligado a
cambiar ese estado por fuerzas externas que se le apliquen”.
2. Segunda Ley de Newton
Se la suele denominar como la “ecuación fundamental de la Mecánica” y se expresa: “La resultante
de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo de masa m, es directamente proporcional y tiene la misma
dirección y sentido que la aceleración que produce”.
De dicha expresión podemos deducir que el aumento de velocidad, ya sea de un implemento de
atletismo, de una pelota, o del centro de gravedad del cuerpo humano, requerirá la aparición de una
determinada aceleración, la cual dependerá en forma directamente proporcional a la fuerza que la
origine. Dicho en forma más sencilla, a mayor fuerza, mayor aceleración (obviamente mientras la masa
permanezca constante).
Se puede deducir que la aceleración producida por una fuerza dada, es inversamente proporcional a la
masa del cuerpo. O sea que cuanto mayor sea la masa de un cuerpo, mayor será la fuerza necesaria para
acelerarlo.
3. Tercera Ley de Newton
Esta propiedad de las fuerzas es conocida como “principio de acción y reacción”, y se enuncia: “A
toda acción se le opone una reacción de igual intensidad y dirección, pero de sentido contrario”.
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