UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN JUAN
FACULTAD DE INGENIERÍA
BIOINGENIERÍA
CÁTEDRA: "BIOMECÁNICA"
PRÁCTICA DE GABINETE Nº 3:
“Análisis Cinético del Movimiento Humano”
Elaborado por:
Dra. Ing. Silvia E. Rodrigo (
Profesor Titular
)
Bioing. Carina del Valle Herrera (
Jefe de Trabajos Prácticos
)
PRÁCTICA DE GABINETE Nº 3
“Análisis Cinético del Movimiento Humano”OBJETIVOS:
Integrar los conocimientos teóricos desarrollados en la Unidad 3, referidos a la cinética de cuerpos rígidos aplicada al análisis de una actividad humana, tal como la locomoción.
INTRODUCCIÓN
La Cinética es una rama de la Dinámica de Cuerpos Rígidos que estudia la acción de las fuerzas que generan los movimientos. La combinación de datos cinemáticos (que registran el movimiento de un sujeto, capturado por ejemplo a partir de un sistema de videografía), cinéticos (obtenidos por ejemplo, mediante plataformas de fuerza que registran las componentes de la fuerza de reacción del suelo) y
antropométricos (datos sobre las características físicas del sujeto) permiten un análisis de las fuerzas
netas que producen los músculos para generar el gesto o movimiento del cuerpo humano considerado. El análisis que utiliza datos del movimiento para calcular datos de fuerzas producidas se denomina Análisis Dinámico Inverso (o Solución Inversa).
Además, para realizar este análisis se necesita un modelo que represente las extremidades de interés. En biomecánica, tradicionalmente se utiliza un Modelo de Cuerpos Múltiples (cuerpos rígidos vinculados por juntas cinemáticas, que representan respectivamente los segmentos óseos y articulaciones anatómicas del cuerpo humano). Asimismo, dependiendo de la articulación considerada y del tipo de análisis a efectuar, las juntas pueden tener de 1 a 3 GDL. En el modelo 2D que se utilizará en esta guía para modelar a la extremidad inferior durante la marcha, se considera que las juntas que representan a las articulaciones de cadera, rodilla y tobillo son tipo bisagra y por lo tanto, tienen solo 1 GDL (Figura 1).
Figura 1: Diagrama de fuerzas y momentos sobre
el modelo de la extremidad inferior durante la fase de apoyo del ciclo de marcha.
Y
0 m1 m2 1 1 1 I I M 1 1 1 II
M
2 2 2 II
M
3 iF
m3 3 3 I3I
α
M
3 iF
R
torso muslo RF
g
m
2 g
m
1 g
m
3 m1 m2 1 1 1 I I M 1 1 1 II
M
2 2 2 II
M
3 iF
m3 3 3 I3I
α
M
3 iF
muslo - torso RF
g
m
2 g
m
1 g
m
3Se asumen también las siguientes simplificaciones del modelo:
Cada segmento tiene una masa constante concentrada en su centro de masas (CM).
La localización del CM del segmento permanece fija (relativa al segmento) durante el movimiento.
El Momento de Inercia respecto del CM y de cualquiera de los extremos del segmento permanece constante durante el movimiento.
La longitud del segmento permanece constante durante el movimiento.
En esta práctica se efectuará el análisis dinámico inverso en 2D de la marcha. Nuevamente se estudiará el movimiento en el plano sagital de la pierna derecha del sujeto analizado y se considerará que la marcha es simétrica y, por tanto, el movimiento de la pierna izquierda será igual al de la pierna derecha pero retrasada medio ciclo.
ACTIVIDADES:
A partir de:
- los datos cinemáticos de marcha calculados en la práctica anterior para un ciclo de marcha (CM), - los datos antropométricos visualizados en las Tablas I y II,
- los datos de fuerza de reacción del suelo (cuyas componentes Rx y Ry están referidas como
GROUND) contenidos en la hoja 5 de la base de datos de Winter,
y considerando los conocimientos sobre cinética del movimiento humano desarrollados en clases teóricas, efectuar las siguientes actividades usando Matlab:
1. Lectura de los datos de aceleración lineal y angular de los segmentos muslo, pierna y pie calculados en la práctica anterior, como resultado del análisis cinemático efectuado con la base de datos 2D de marcha humana de David Winter.
2. Cálculo de: fuerza de reacción y momento de fuerza de reacción para el tobillo, considerando las fuerzas y momentos que actúan en el diagrama de cuerpo libre pie-tobillo representado en la Figura 2. Compare sus resultados con los datos correspondientes de la tabla A.5 y analice el sentido del momento encontrado (flexor o extensor) para el tobillo en las fases de apoyo y balanceo del CM.
Figura 2: Diagrama de cuerpo libre pie- tobillo
para análisis cinético durante un ciclo de marcha.
g
m
3 pierna-pie RF
pierna - pie RM
3 IM
T
m3R
3 iF
3. Cálculo de: fuerza de reacción y momento de fuerza de reacción para la rodilla, mediante las fuerzas y momentos que actúan en el diagrama de cuerpo libre tobillo-pierna-rodilla mostrado en la Figura 3. Compare sus resultados con los datos correspondientes de la tabla A.5 y analice el sentido del momento encontrado (flexor o extensor) para la rodilla en las fases de apoyo y balanceo del CM.
4. Cálculo de: fuerza de reacción y momento de fuerza de reacción para la cadera, a partir de las fuerzas y momentos que actúan en el diagrama de cuerpo libre rodilla-muslo-cadera mostrado en la Figura 4. Compare sus resultados con los datos correspondientes de la tabla A.5 y analice el sentido del momento encontrado (flexor o extensor) para la cadera en las fases de apoyo y balanceo del CM.
Nota: para esta práctica, calcule las fuerzas de reacción y momentos de fuerza de reacción para las articulaciones de tobillo y rodilla. Queda a cargo del alumno, el cálculo equivalente para la articulación de la cadera.
Figura 3: Diagrama de cuerpo libre
tobillo-pierna-rodilla para análisis cinético durante un ciclo de marcha.
Figura 4: Diagrama de cuerpo libre
rodilla-muslo-cadera para análisis cinético durante un ciclo de marcha.
pierna pie R
F
RpieF
m
2 2 2 2 II
M
2 iF
M
Rpiepierna g
m
2R
pierna muslo RF
pierna muslo RM
m
2 2 2 2 II
M
2 iF
M
Rpie g
m
2 muslo RF
muslo RM
T
R
m 1 1 1 1 II
M
torso muslo RF
g
m
1 1 iF
pierna-muslo RF
M
Rpierna-muslo C torso muslo RM
m 1 1 1 1 II
M
muslo RF
g
m
1 1 iF
RF
M
R C muslo RM
C
Tabla I: Datos antropométricos de longitud y localización del centro de masas de los
segmentos muslo, tibia y pie respecto de la articulación proximal.
Lmuslo (cm) 31.4 LCM muslo (cm) 0.433 Lmuslo Ltibia (cm) 42.5 LCM pierna (cm) 0.433 Ltibia Lpie (cm) 25.5 LCM pie (cm) 0.5 Lpie
Tabla II: Datos antropométricos de masa y momentos de inercia de los
segmentos muslo, tibia y pie.
Masa (Kg) Momento de Inercia de Masa (Kg m2) Cuerpo completo M = 56.7
Muslo 0.1 M 0.058
Tibia 0.0465 M 0.044
Pie 0.0145 M 0.012
5. En todos los casos, corrobore los resultados obtenidos con los datos representados en la Hoja 5
de la base de datos de Winter.
6. Obtenga sus propias conclusiones de todo el trabajo efectuado.
NOTA: para cada diagrama de cuerpo libre, calcule la sumatoria de momentos respecto del centro de masa del respectivo segmento.
EVALUACIÓN:
El práctico se evaluará a través de la presentación de un informe en formato digital, que deberá ser enviado a la siguiente dirección de correo electrónico: [email protected].
