Wilmer E. Moncada Sosa
18 de julio de 2012
Agradezco a DIOS por darme la dicha
de realizarme como profesional,
como persona, como hijo y como
Prólogo vii Introducción ix 1. Biomecánica 1 1.1. Introducción . . . 1 1.2. Leyes de Newton . . . 2 1.3. Principios de la Biomecánica . . . 7 1.4. Aplicaciones de la Biomecánica . . . 7 1.5. Palanca Mecánica . . . 12 1.5.1. Palancas Óseas: . . . 13 1.6. Centro de Gravedad . . . 18 1.7. Problemas Propuestos . . . 25 2. Hemodinámica 35 2.1. Introducción . . . 35 2.2. Elementos Hemodinámicos . . . 37 2.3. Gasto Cardíaco . . . 44 2.4. Flujo Sanguíneo . . . 46 2.5. Presión Sanguínea . . . 49 2.6. Problemas Propuestos . . . 52 3. Temperatura, Calor y Termodinámica 63
3.1. Introducción . . . 63 3.2. Calor y Temperatura . . . 64 3.3. Transferencia de Calor . . . 71 3.4. Termodinámica . . . 79 3.5. Metabolismo . . . 85 3.6. Bioenergética . . . 90 3.7. Problemas Propuestos . . . 105 4. Mecánica Respiratoria 111 4.1. Introducción . . . 111 4.2. Ley de Dalton . . . 113
4.3. Tensión Superficial Alveolar . . . 115
4.4. Elasticidad Pulmonar . . . 118
4.5. Capilaridad . . . 120
4.6. Difusión . . . 122
4.7. Ósmosis Y Presión Osmótica . . . 124
4.8. Dispersiones Coloidales . . . 127
4.9. Ácidos, Bases y Sistemas Amortiguadores en la Sangre . . . 131
4.10. Problemas Propuestos . . . 139 5. Bioeléctricidad 145 5.1. Introducción . . . 145 5.2. Elementos Bioeléctricos . . . 146 5.2.1. Carga Eléctrica . . . 146 5.2.2. Fuerza Eléctrica . . . 147 5.2.3. Campo Eléctrico . . . 148
5.2.4. Energía Potencial Eléctrica . . . 149
5.2.5. Potencial Eléctrico . . . 150
5.2.6. Capacidad Eléctrica . . . 151
5.3. Bomba de Sodio Potasio . . . 153
5.5. Conducción Nerviosa . . . 162 5.6. Problemas Propuestos . . . 170 6. Mecánica de la Audición 177 6.1. Introducción . . . 177 6.2. El Sonido . . . 178 6.3. Audición . . . 184 6.4. El Efecto Doppler . . . 189 6.5. Preguntas de Análisis . . . 192 6.6. Problemas Propuestos . . . 193 7. Mecánica de la Visión 199 7.1. Introducción . . . 199
7.2. Naturaleza y Propiedades de la Luz . . . 200
7.3. Visión . . . 206
7.4. Defectos Ópticos en el Ojo . . . 209
7.5. Problemas Propuestos . . . 218
8. Radiactividad y Dosimetría 223 8.1. Introducción . . . 223
8.2. Naturaleza de las Radiaciones . . . 224
8.3. Desintegración Radiactiva . . . 226 8.4. Radiobiología . . . 232 8.5. Dosimetría . . . 237 8.6. Radioterapia . . . 244 8.7. Protección Radiológica . . . 246 8.8. Problemas Propuestos . . . 254 9. Instrumentación Biomédica 259 9.1. Introducción . . . 259 9.2. Fluoroscopía . . . 261 9.3. Rayos X . . . 261
9.4. Imagen por Resonancia Magnética (MRI) . . . 262
9.5. El Electrocardiograma . . . 263
9.6. Tomografía Computarizada . . . 266
9.7. Ultrasonido . . . 266
9.8. Otra Instrumentación Biomédica . . . 269
Apéndice 274
El presente texto tiene por finalidad proporcionar a los estudiantes de Biología, Medicina Veterinaria y demás especialidades afines a ciencias de la salud, los conoci-mientos básicos de la Biofísica dentro de su formación profesional. Por ello pensando en la necesidad de los estudiantes, producto de la experiencia recogida, a lo largo de muchos años, guiandolos en ésta materia, es que he podido elaborar un texto de Intro-ducción a la Biofísica, donde los temas tratados de Física, relacionados con situaciones que ocurren en los seres vivos y en la ciencia de la vida y la salud, motivan a los estu-diantes al análisis de éstos fenómenos, mostrando así interés en la materia, además de fomentar la aplicación del método científico en la solución de problemas de aplicación y temas de investigación propuestos en clase.
La matemática que presenta éste libro se reduce a cálculos sencillos y aplicación de fórmulas, demostradas en algunos casos, ya que siendo un curso básico el estudiante aun no muestra dominio suficiente de Matemática Avanzada, por ello su mayor atención se centra en el análisis de los fenómenos físicos, desarrollando así una física aplicada a la ciencia de la vida y la salud, con nociones elementales de Fisiología Médica, Anatomía Humana, Química General, Biología General, necesarias para comprender los aspectos biofísicos de las diferentes funciones que se tratan en el presente texto.
El autor agradece a todos los lectores hacer llegar sus sugerencias y críticas a és-ta obra, las cuales son muy bien recibidas para su mejoramiento, de igual manera quedo muy agradecido de los colegas Mg. Jaime Horacio Bustamante Rodríguez y el Lic. Lorenzo Delgado Saire, docentes del área de Física del Departamento Académico de Matemática y Física de la Universidad Nacional de San Cristóbal de Huamanga, quienes dignamente contribuyeron en la revisión del presente texto sugiriendo algunas mejoras, cualquier otro error que haya quedado sin corregir es de mi entera responsa-bilidad.
Lic. Wilmer E. Moncada Sosa
La Biofísica estudia los principios físicos subyacentes a todos los procesos de los sistemas vivos, es una ciencia reduccionista porque establece que todos los fenómenos observados en la naturaleza tienen una explicación científica predecible, así, si no se puede explicar algunos fenómenos en la actualidad no se debe a que estos no tengan una explicación científica, sino que aún no se tiene los implementos necesarios para estudiar las causas subyacentes a esos fenómenos aún inexplicables. La vida es una función de estados que depende de procesos estocásticos a nivel microscópico (prin-cipios microfísicos) y determinísticos a nivel macroscópico (prin(prin-cipios macrofísicos), donde los sistemas estocásticos son aquellos cuyos estados microscópicos tienen cau-sas dadas al azar y los sistemas determinísticos macroscópicos, formados a la vez por sistemas microscópicos, son aquellos cuyos estados tienen causas reconocibles. Ambos tipos de procesos son objeto de estudio de la biofísica.
La biofísica no es una rama de la física, sino una sub disciplina de la biología, se hace esta aclaración porque en muchos libros de biofísica se dice que la biofísica estudia los fenómenos físicos que determinan los procesos vivientes o que la biofísica es el estudio de los fenómenos biológicos desde el punto de vista de la física, lo cual es erróneo. La biofísica explica los fenómenos biológicos aplicando los principios fundamentales de la Física, por ejemplo, el estudio de los cambios de polaridad en los microtúbulos de un Paramecium, la transferencia de energía de una partícula a otra dentro del complejo motor molecular conocido como ATP (Adenosin Tri Fosfato), la mecánica del cuerpo humano donde se aplica palancas óseas, la dinámica de fluidos en el sistema circulatorio sanguíneo, etc.
Por supuesto, que la biofísica se fundamenta en los estudios proporcionados de la física, por ello, decimos que es una ciencia interdisciplinaria, por lo que es necesario tener en cuenta ciertas ramas, las que desarrollaremos en el presente texto, en las diferentes unidades de aprendizaje:
La unidad 1 desarrolla la Biomecánica, quien estudia la mecánica del movimiento en los seres vivientes; por ejemplo, la locomoción, el vuelo, la natación, el equilibrio anató-mico, las palancas óseas, la fabricación de prótesis móviles, etc.
La unidad 2 desarrolla la Hemodinámica del sistema circulatorio en un ser vivo, bajos las leyes y principios físicos, explicando así las causas del movimiento de la sangre en
la mecánica de fluidos corporales.
La unidad 3 desarrolla los temas de Calor, Temperatura y Termodinámica relacionado con la producción de calor en un ser vivo, medida bajo las leyes de la termodinámica, sus formas de transferencia de calor en la Bioenergética del ser vivo (termodinámica biológica), y las transformaciones de energía que ocurren en los sistemas vivos; por ejemplo, la captura de energía por los biosistemas, la transferencia de energía desde y hacia el entorno del biosistema, el almacenamiento de energia en la célula, etc.
La unidad 4 estudia la Mecánica respiratoria desde el inicio de la respiración hasta el final de ella, explicando el comportamiento físico de los pulmones y alvéolos en la obtención del oxígeno, importante para la oxigenación de la sangre y los procesos me-tabólicos.
La unidad 5 estudia los procesos eléctricos y electroquímicos que ocurren en los orga-nismos vivos, así como los efectos de los procesos electromagnéticos abióticos sobre los seres vivos; por ejemplo, la transmisión de los impulsos neuroeléctricos, el intercambio iónico a través de las biomembranas, la generación biológica de electricidad (anguilas, rayas, etc.), la aplicación de la electrónica en biomedicina, etc.
La unidad 6 analiza la mecánica de la Audición, la forma como el sonido ingresa al oido sometiéndose a diferentes procesos fisiológicos transformándolos en impulsos eléctricos para luego ser interpretados por el cerebro, objeto de estudio de la Bioacústica, quien se encarga de investigar y aplicar la transmisión, captación y emisión de ondas sonoras por los biosistemas.
La unidad 7 analiza la mecánica de la Visión, de como la luz ingresa al ojo por múl-tiples reflexiones, sometiéndose a diferentes procesos fisiológicos transformándolos así en impulsos eléctricos para luego ser interpretados por el cerebro, objeto de estudio de la Biofotónica, quien se encarga de estudiar las interacciones de los biosistemas con los fotones; por ejemplo, la visión, la fotosíntesis, etc.
La unidad 8 hará un análisis básico de las aplicaciones de la Radiobiología, quien se encarga de estudiar los efectos biológicos de la radiación ionizante y no ionizante, y sus aplicaciones en las técnicas biológicas de campo y de laboratorio, así como la pro-tección radiológica a tomar en cuenta.
La unidad 9 describe teóricamente el uso de los distintos instrumentos biomédicos. Es importante recalcar, que la biofísica demanda de una buena base de conocimien-to en asignaturas como: matemática, biología, química y física, haciendo del curso de biofísica un tanto complejo, por lo que es necesario realizar un texto que esté al alcan-ce del estudiante universitario, brindándole así el conocimiento básico, nealcan-cesario para interpretar fenómenos biológicos en sistemas complejos, mediante modelos simples.
Biomecánica
Índice:
1.1 Introducción 1.2 Leyes de Newton 1.3 Principios de la Biomecánica 1.4 Aplicaciones de la Biomecánica 1.5 Palanca Mecánica 1.6 Centro de Gravedad 1.7 Problemas PropuestosObjetivo: Estudiar el comportamiento motor de los sistemas vivos, mediante modelos básicos de la Biomecánica estática y dinámica, bajo las leyes y principios de la física.
1.1.
Introducción
Para las ciencias médicas el cuerpo humano es una máquina compleja muy desarro-llada, formada por tejido vivo y sometida a las leyes y principios de la mecánica y de la biología, por ello nos ayuda analizar las destrezas motoras, de manera que se evalúe eficiente e inteligentemente técnicas que corrijan algunas fallas existentes. De ésta ma-nera el estudio biomecánico puede concentrarse en analizar las variables que causan y modifican el movimiento de los seres vivos o simplemente dedicarse a la observación y descripción de las características biomecánicas en la destreza que se desea estudiar. La biomecánica es la disciplina que estudia los modelos, fenómenos y leyes que sean relevantes en el movimiento de los seres vivos, por ello 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 inge-niería, 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 íntimamente ligada a la biónica y usa algunos de sus principios, ha tenido un gran desarrollo en relación con las aplicaciones de la ingeniería a la medi-cina, la bioquímica y el medio ambiente, tanto a través de modelos matemáticos para el conocimiento de los sistemas biológicos como en lo que respecta a la realización de partes u órganos del cuerpo humano y también en la utilización de nuevos métodos diagnósticos.
El cuerpo humano es un sistema de palancas que consta de los segmentos óseos, las articulaciones, los músculos y la sobrecarga. Según la ubicación de estos elementos se pueden distinguir tres tipos de géneros: Primer Género considerada palanca interapo-yante, Segundo Género considerada palanca interresistente y Tercer Género conside-rada palanca interpotente, donde según la posición involucconside-rada en el movimiento, una misma articulación puede presentar más de un género. Por ejemplo, la extensión del codo es de primer género y la flexión es de segundo género.
La longitud de una palanca entre el punto de apoyo y el punto de aplicación de fuerza se llama brazo de fuerza, y la longitud entre el punto de apoyo y el punto de aplicación de resistencia se llama brazo de resistencia. Esto proviene de la ley de proporcionalidad descubierta por Arquímedes.
1.2.
Leyes de Newton
Primera ley de Newton: Ley de Inercia
La tendencia de un cuerpo a seguir moviendose una vez puesto en movimiento resulta de una propiedad llamada inercia. La palabra inercia se refiere a una partícula libre que no está sujeta a interacción alguna, cosa que no existe en la maturaleza, ya que todas las partículas están sujetas a interacciones con el resto de mundo y por que no decirlo con todo lo que nos rodea; por lo que debe adecuarse a lo real por ello ésta ley postula, que un cuerpo u objeto permanece en estado de reposo o en movimiento rectilíneo uniforme (sin aceleración), a menos que actúe sobre él una fuerza neta distinta de cero que modifique dicho estado.
Por lo tanto, dicho de otra forma se tiene que: “Un cuerpo sobre el que no actúa una fuerza neta se mueve con velocidad constante, que tambien puede ser cero, y aceleración cero”.
Cuando la fuerza neta que actúa sobre el cuerpo es cero, entonces el cuerpo de masa constante “m” permanece en reposo si su velocidad ~v es cero, pero si se mueve, deberá
hacerlo con movimiento rectilíneo uniforme, velocidad (~v) constante, siempre y cuando no actúen sobre él fuerzas externas que cambien su estado; luego, como el cuerpo tiene masa constante “m” y lleva velocidad ~v, entonces posee una cantidad de movimiento lineal definida como:
~ p = m~v
dicha cantidad de movimiento también será constante, siempre y cuando la velocidad sea constante, tal como se muestra en la figura 1.1:
Figura 1.1: Ley de Inercia
Segunda ley de Newton: Ley de Movimiento
Cuando un cuerpo de masa “m” constante, interacciona con otro u otros cuerpos se produce una fuerza neta distinta de cero, equivalente a la suma de todas las fuerzas que actúan sobre dicho cuerpo, cambiando así su velocidad y por ende también su cantidad de movimiento lineal.
Por esa razón, el cuerpo de masa “m” cambia su velocidad, la cual puede aumentar o disminuir, de tal manera que la aceleración puede ser, positiva o negativa, la cual es adquirida durante la interacción y es directamente proporcional a la intensidad de la fuerza e inversamente proporcional a la masa, es decir que la fuerza resultante es:
~
F = m~a
donde dicha fuerza resultante es aplicada sobre el cuerpo de masa “m” induciendole así movimiento de traslación, en otras palabras comunicandole una aceleración ~a; por lo tanto, la velocidad del cuerpo de masa “m” variara y también su cantidad de movi-miento (~p = m~v).
La figura 1.2 muestra un cuerpo de masa m1 interaccionando con otro cuerpo de masa
Figura 1.2: Ley de Movimiento
de la Cantidad de Movimiento (PCCM), se tiene que la suma de las cantidades de movimiento de ambos cuerpos antes y después de la interacción, son iguales, por lo tanto: ~ p1+ ~p2 = ~p 0 1 + ~p 0 2 −(~p01− ~p1) = (~p 0 2− ~p2) −4~p1 = 4~p2
lo cual significa que durante la interacción el cuerpo de masa m1 pierde cantidad
de movimiento, mientras que el cuerpo de masa m2 gana cantidad de movimiento,
por lo tanto éste resultado puede traducirse diciendo que una interacción produce un intercambio de cantidad de movimiento, pero como la interacción entre las dos masas se da en un instante de tiempo 4t, entonces se tiene:
−4~p1 4t =
4~p2
4t (1.1)
En general, si dos cuerpos interaccionan, su cantidad de movimiento cambia en ese pequeño instante de tiempo, por ello la palabra interacción recibe el nombre de Fuerza, la cual se define como:
4~p 4t = m
4~v
4t = m~a = ~F Tercera ley de Newton: Ley de Acción y Reacción
La experiencia muestra que cada vez que un cuerpo de masa m1 ejerce una fuerza
sobre otro cuerpo de masa m2, el cuerpo de masa m2 reacciona y ejerce una fuerza
sobre el cuerpo de masa m1 de igual magnitud, en la misma dirección, pero en sentido
otra partícula, ésta responderá simultáneamente con otra fuerza de reacción igual en módulo y dirección pero de sentido opuesto a la primera, entonces de la ecuación 1.1 se tiene:
− ~F1 = ~F2 (1.2)
si ubicamos ambos vectores fuerza en un mismo miembro, se tiene que la suma de ambas fuerzas debe ser cero:
~
F1+ ~F2 = ~0
Si consideramos que ambas fuerzas tienen la misma dirección, entonces la suma de sus módulos será:
F1+ F2 = 0
En términos generales, si un cuerpo interacciona con varios cuerpos que le rodean, se tiene muchas fuerzas aplicadas a dicho cuerpo, por lo tanto, el cuerpo se moverá con una fuerza resultante:
~
F = ~F1+ ~F2+ ~F3+ · · · = m~a
pero si el cuerpo se encuentra en equilibrio, entonces su aceleración es cero, luego se tiene que:
~
F = ~F1+ ~F2+ ~F3+ · · · = ~0
es decir, que la fuerza neta está dada por la suma de todas las fuerza aplicadas a dicho cuerpo, y si el cuerpo permanece en equilibrio entonces dicha sumatoria es cero, por lo tanto, el cuerpo no se traslada y si lo hace lo deberá hacer con velocidad constante, por ello, recibe el nombre de primera condición de equilibrio:
~ F = n X i=1 ~ Fi = ~0
descomponiendo la fuerza neta en sus componentes rectangulares, es decir en los ejes XYZ, se tiene: ~ F = ~Fx+ ~Fy+ ~Fz = Fxˆi + Fyˆj + Fzkˆ se tiene que: Fx = n X i=1 Fxi = 0 Fy = n X i=1 Fyi = 0 Fz = n X i=1 Fzi= 0
Pero el movimiento de traslación no es el único movimiento del que gozan todos los cuerpo; el otro tipo de movimiento se produce cuando se le aplica una fuerza ~F a un
cuerpo de masa “m00 en el punto A, con respecto a un punto de apoyo “’O’, tal como se muestra en la figura 1.3, entonces dicho cuerpo realizará un movimiento de rotación alrededor de dicho punto O.
Figura 1.3: Momento de una Fuerza o simplemente Torque
Definiendo así, una cantidad física llamada momento de fuerza o torque, la cual está de acuerdo con la siguiente relación:
M0 = F b = F rsenθ
donde θ es el ángulo formado por la fuerza y la dirección de r, así la expresión se puede escribir por definición como producto vectorial:
~
M0 = ~r × ~F
donde dicho momento de rotación obedece la regla de la mano derecha. ~
M0 = ~r × ~F
Pero si el cuerpo interacciona con otros cuerpo, entonces el momento de rotación re-sultante será: ~ M0 = n X i=0 ~ Mi = n X i=0 ~ ri× ~Fi
Luego, si el cuerpo permanece en equilibrio entonces la sumatoria de los módulos de todos los momentos con respecto al punto de rotación es cero y recibe el nombre de segunda condición de equilibrio:
M0 = n
X
i=0
convencionalmente si el cuerpo rota en sentido horario se considera el momento nega-tivo, en caso contrario, si el cuerpo rota en sentido antihorario el momento es positivo.
1.3.
Principios de la Biomecánica
La Biomecánica es la ciencia que estudia las leyes y principios del movimiento mecánico en los sistemas vivos. Desde un punto de vista muy simplista a la biomecánica le interesa el movimiento del cuerpo humano, las cargas mecánicas y energías que se producen en ese movimiento, por lo que su principal objetivo es investigar las causas mecánicas y biológicas de los movimientos y las particularidades de las acciones motoras que dependen de ellas en las diferentes condiciones, donde los principios biomecánicos fundamentales del movimiento son:
Las articulaciones del cuerpo humano permiten ciertos tipos de movimiento El movimiento de los segmentos del cuerpo es provocado por la acción de los músculos.
Las fibras musculares son estimuladas por el sistema nervioso que llegan a trans-mitir hasta 75 impulsos por segundo.
El sistema de palancas proporcionan el movimiento y el equilibrio a través de los músculos y las articulaciones.
El conocimiento de las leyes del movimiento de Newton, facilitan la comprensión de los múltiples movimientos que se realizan en la vida diaria.
Los movimientos del cuerpo están regidos por fuerzas internas y fuerzas externas. El equilibrio estático y dinámico requiere que el centro de gravedad o su proyec-ción en la vertical, caiga sobre la base de sustentaproyec-ción.
Los movimientos se clasifican de acuerdo a su trayectoria, en rectilíneos y curvi-líneos; y de acuerdo a su itinerario en uniformes y variados.
Uno de los factores que modifican el movimiento es la fuerza de rozamiento.
1.4.
Aplicaciones de la Biomecánica
Las aplicaciones de la biomecánica van, desde el diseño de cinturones de seguri-dad para automóviles hasta el diseño y utilización de máquinas de circulación extra corpórea (utilizadas durante la cirugía cardíaca para sustituir las funciones cardíacas
y pulmonares). A pesar de las distintas clasificaciones que se le han podido dar a la biomecánica esta engloba tres grandes áreas, como son:
1. Biomecánica Médica: La Biomecánica en Medicina trata de la aplicación de las leyes mecánicas a las estructuras corporales, especialmente al aparato locomotor, encargada del diseño de sistemas para el mejoramiento de determinados sistemas motores del hombre, dentro del cual se considera la biomecánica Biológica en diversas Especialidades Médicas como son: Traumatología, Rehabilitación, Neu-rología, Reumatología y otras Especialidades en las que el movimiento corporal sea parte importante de su campo de estudio.
Un desarrollo importante fue el pulmón de acero, primer dispositivo de respira-ción artificial que salvó la vida a algunos enfermos de poliomielitis, el desarrollo de implantes y órganos artificiales además del desarrollo de prótesis mioeléctricas para extremidades de enfermos amputados las cuales son movidas por pequeños motores eléctricos estimulados por sistemas electrónicos que recogen las señales musculares (no todos los pacientes son capaces de utilizarlas de forma apropia-da).
Uno de los avances más importantes de la medicina de las últimas décadas, son las prótesis articulares, que permiten sustituir articulaciones destruidas por dife-rentes enfermedades reumáticas, mejorando de forma radical, la calidad de vida de los pacientes; se ha obtenido gran éxito clínico las prótesis de cadera y rodilla, y algo menos las de hombro.
El desarrollo de implantes artificiales para tratar fracturas ha revolucionado el mundo de la traumatología su enorme variedad incluye tornillos, agujas, placas atornilladas, clavos intramedulares y sistemas de fijación externa; todos requieren un estudio biomecánico pormenorizado previo a su ensayo y aplicación clínica. También se han desarrollado corazones artificiales, desde 1982, donde muchos pacientes han sido tratados con tales dispositivos con mucho éxito.
La biomecánica médica se divide en:
a) Biomecánica de tejidos y estructuras del aparato locomotor: Biomecánica del hueso.
Biomecánica del cartílago articular. Biomecánica de tendones y ligamentos.
Biomecánica de nervios periféricos y raíces raquídeas. Biomecánica del músculo esquelético
b) Biomecánica de las articulaciones: Biomecánica de la cadera Biomecánica del tobillo y el pie Biomecánica de la columna Biomecánica del hombro
Biomecánica del codo
2. Biomecánica Ocupacional: Las tendencias fundamentales en la biomecánica sur-gieron una tras otra y han continuado desarrollándose paralelamente. En la ten-dencia mecánica se mantiene la idea básica relacionada con la variación de los movimientos bajo la acción de las fuerzas aplicadas y sobre la aplicación de las leyes de la mecánica a los movimientos de los animales y del hombre.
La tendencia fisiológica se basa sobre las ideas de la sistematicidad de las fun-ciones del organismo, del aseguramiento energético, que pone en claro la impor-tancia de los procesos de dirección de los movimientos en la actividad motora. La tendencia anatómico-funcional se caracteriza preferentemente por el análisis descriptivo de los movimientos en las articulaciones, por la determinación de la participación muscular en la conservación de las posiciones del cuerpo y en sus movimientos. La biomecánica ocupacional, se utiliza actualmente en países desa-rrollados, con la finalidad de prevenir fracturas u otro tipo de lesiones debido a que son trabajos de alto riesgo.
En el mundo del trabajo, la biomecánica humana también encuentra una faceta dentro de lo que conocemos como “ergonomía”, la cual tiene por objeto la adap-tación y mejora de las condiciones de trabajo al hombre, tanto en su aspecto físico como psíquico y social. Es en el primero donde se puede utilizar los cono-cimientos de la biomecánica con la finalidad de aumentar el rendimiento, evitar fatigas y lesiones en el trabajo industrial, aunque cada vez son más numerosos los estudios que inciden en el trabajo doméstico, en tareas tales como barrer, fregar o sentarse. Esto permite a los fabricantes diseñar utensilios que resulten cada vez más cómodos para los usuarios.
Las metodologías de evaluación van a tener como objetivo las condiciones de trabajo en general, es decir, van a cubrir diversos aspectos de la organización empresarial tales como siguen:
a) El contenido del trabajo en sí mismo. Interés intelectual de la tarea.
Tipo de trabajo: ejecución, control, etc. Monotonía.
Responsabilidad.
Posibilidad de desarrollo personal. b) Parte material de trabajo.
Condiciones, seguridad e higiene. Ubicación y espacio físico.
Confort operacional (estático o dinámico). Confort ambiental.
Horarios de trabajo y descanso. Salarios.
Estabilidad de empleo. Política de empresa.
Por lo que la Biomecánica ocupacional [1], es una ciencia de carácter multidisci-plinario que tiene como finalidad la adecuación de productos, sistemas y entornos artificiales a las características, limitaciones y necesidades de sus usuarios, pa-ra optimizar su eficacia, seguridad y confort. Analiza las condiciones de tpa-rabajo que conciernen al espacio físico de trabajo, ambiente térmico, ruidos, ilumina-ción, vibraciones, posturas de trabajo, desgaste energético, carga mental, fatiga nerviosa, carga de trabajo y todo aquello que pueda poner en peligro la salud del trabajador, su equilibrio psicológico y nervioso, así que orienta sus políticas, acciones y recursos con el fin de:
Mejorar y mantener la calidad de vida y salud de la población trabajadora. Proteger la salud de los trabajadores, ubicarlos, mantenerlos en una ocupa-ción acorde con sus condiciones fisiológicas y psicológicas.
Servir de instrumento de mejoramiento de calidad, productividad y eficien-cia en las empresas.
Mejorar la actitud de patrones y trabajadores frente a los riesgos profesio-nales mediante la promoción de la salud en el trabajo y la educación. Mejorar las condiciones de trabajo con el fin de disminuir los riesgos de enfermedad profesional y de accidentes derivados del ambiente laboral. Minimizar las cargas laborales y los factores de riesgo generados en los ambientes de trabajo, lo cual redunda en un menor riesgo para la vida del trabajador.
3. Biomecánica Deportiva: La biomecánica deportiva, estudia los movimientos del hombre en el proceso de los ejercicios físicos, sus propiedades mecánicas y sus fun-ciones (incluyendo los indicadores de las cualidades motoras), considerando las particularidades del sexo y la edad, la influencia del nivel de entrenamiento, por ello la biomecánica deportiva analiza las acciones motoras del deportista como sistemas de movimientos activos recíprocamente relacionados el cual es objeto del conocimiento.
En ese análisis se investigan las causas mecánicas y biológicas de los movimientos y las particularidades de las acciones motoras que dependen de ellas en las dife-rentes condiciones (campo de estudio), donde brevemente diremos que, el primer grupo de tareas consiste en el estudio de los deportistas mismos, de sus particu-laridades y sus posibilidades.
unos intereses económicos de gran magnitud. La máxima expresión del deporte son las olimpiadas, que se celebran cada cuatro años, y los Campeonatos del Mundo por especialidades [2].
La mejora en diferentes marcas y los resultados de gran parte de las especialidades deportivas se deben sobre todo a los siguientes hechos:
a) Mejora antropométrica (talla, envergadura, y longitudes segmentarias) de los deportistas que practican una determinada especialidad.
b) Mejora de la fisiología de los deportistas, lograda mediante el entrenamiento. c) Aspectos que hacen referencia principalmente, a la psicología deportiva. d ) Mejora de la técnica, y/o introducción de nuevas técnicas empleadas en la
especialidad en cuestión.
Po lo que todo ello conlleva a que la biomecánica deportiva tenga objetivos muy marcados en relación con:
a) El deportista:
Describir las técnicas deportivas.
Ofrecer nuevos aparatos y metodologías de registro.
Corregir defectos en las técnicas y ayudar en el entrenamiento.
Evitar las lesiones aconsejando sobre como ejecutar las técnicas depor-tivas de forma segura.
Proponer técnicas más eficaces. b) El medio:
Minimizar las fuerzas de resistencia.
Optimizar la propulsión en diferentes medios.
Estudiar las fuerzas de acción-reacción para optimizar el rendimiento deportivo.
Definir la eficacia en diferentes técnicas deportivas en función de las fuerzas de reacción en el suelo.
Estudiar las fuerzas de reacción del suelo en relación con las lesiones deportivas.
c) El material deportivo:
Reducir el peso del material deportivo.
Aumentar en algunos casos la rigidez, flexibilidad o elasticidad del ma-terial.
Aumentar la durabilidad del material. Conseguir materiales más seguros.
1.5.
Palanca Mecánica
Se denomina palanca mecánica a una barra ideal rígida, que puede girar en torno a un punto de apoyo fijo ideal llamado pivote, gozne, punto de rotación, el cual está ubicado en el punto A, tal como se muestra en la figura 1.4.
Figura 1.4: Palanca Mecánica
La longitud de la palanca entre el pivote y el punto de aplicación de la fuerza de re-sistencia (R), se llama brazo de rere-sistencia, y la longitud entre el pivote y el punto de aplicación de la fuerza de potencia (F ) se llama brazo de potencia.
Una palanca mecánica puede ser muy eficiente o no, dependiendo de la ubicación del punto de apoyo con respecto a la fuerza de potencia y la fuerza de resistencia, por ello es necesario calcular la ventaja mecánica (V.M ) de dicha palanca, la cual es la relación entre la fuerza de resistencia (R) y la fuerza de potencia (F ), o tambien viene hacer la relación entre la longitud del brazo de fuerza de potencia (a) y la del brazo de resistencia (b).
V.M = R F =
a b
La función usual de una palanca es obtener una ventaja mecánica de modo que una pequeña fuerza de potencia (F ) aplicada en un extremo de una palanca a gran distancia del pivote, produzca una fuerza mayor que opere a una distancia más corta del pivote en el otro extremo de la palanca donde se encuentra la fuerza de resistencia (R) a
vencer, o bien que un movimiento aplicado en un extremo produzca un movimiento mucho más rápido en el otro extremo de la palanca.
1.5.1.
Palancas Óseas:
En el cuerpo humano, los puntos de apoyo, gozne, pivote o punto de rotación se ubican en las articulaciones, pues es allí donde se produce el movimiento; por lo tanto, la fuerza de contracción generada por los músculos viene hacer la fuerza de potencia aplicada a la palanca ósea, la fuerza de resistencia representa la carga a vencer o a equilibrar incluyendo el mismo peso interno del segmento que tiene que mover (ligamentos, músculos antagónicos y huesos) y el peso exterior a incrementar (pesos, o cualquier oposición), donde su punto de aplicación del peso total o fuerza de resistencia coincide con el centro de gravedad del segmento o en el caso de la resistencia adicional su centro de gravedad del sistema está en el segmento, más el peso.
Los huesos tienen el importante papel de servir como palancas rígidas, mientras que los músculos se insertan en dos huesos distintos y se entiende que al contraerse ejercen igual tracción sobre los dos huesos aunque el desplazamiento de éstos no es igual, sino que uno de ellos se desplaza mucho más, mientras que el otro puede considerarse como inmóvil, el hueso movible representa una palanca que tiene el punto de apoyo en la unión con el hueso fijo, dicha unión se llama articulación.
Existen tres tipos de palancas, clasificables según las posiciones relativas de la fuerza de potencia (F ) y la fuerza de resistencia (R) con respecto al punto de apoyo o pivote: 1. Palanca de Primer Género: Conocida también como palanca Interapoyante, en la cual el punto de apoyo se encuentra entre la fuerza de resistencia (R) y la fuerza de potencia (F ).
Figura 1.5:Palanca de Primer Género o Interapoyante
Como ejemplo de palanca ósea de primer género tenemos la mecánica de la cabe-za, tal como se muestra en la figura 1.5, donde se observa que el punto de rotación
está en la articulación atlanto-occipital, la fuerza de resistencia es el peso de la cabeza aplicado en su centro de gravedad y la fuerza de potencia es la fuerza ejercida por los músculos extensores en el cuello, dichas fuerzas aplicadas en el sistema tienen la misma dirección vertical, por lo tanto para que el sistema de fuerzas se encuentre en equilibrio, se debe cumplir:
La primera condición de equilibrio:
n
X
i=0
Fi = 0 → Fc− F − R = 0
entonces se tiene que:
Fc = F + R (1.3)
La segunda Condición de equilibrio:
n
X
i=0
Mi = 0 → F a − Rb = 0
entonces se tiene que:
F a = Rb (1.4)
luego la ventaja mecánica (V.M), será: V.M = R
F = a
b (1.5)
Ejemplo 01: La mecánica de la cabeza es un sistema de palancas óseas de primer género, tal como se muestra en la figura 1.5, incluye los músculos extensores en el cuello, los cuales ejercen una fuerza muscular F , para sostener la cabeza, de masa 4Kg, en posición erguida, cuyo peso aplicado en su centro de gravedad se encuentra a 5cm de la articulación atlanto-occipital.
Calcule la fuerza Fcejercida por la primera vertebra cervical y la fuerza F ejercida
por los músculos extensores en el cuello, aplicada a 3cm de la articulación atlanto-occipital.
Solución:
Tomando momentos con respecto a la articulación atlanto-occipital, se tiene:
n X i=0 Mi = 0 → F a = Rb donde: a = 2, 5cm; b = 5cm; R = mg = 4Kg(10m/s2) = 40N ; reemplazando se tiene: F.(2, 5cm) = 40N.(5cm) → F = 80N
luego para calcular la fuerza de contacto Fc en la articulación atlanto-occipital
se utiliza la ecuación:
2. Palanca de Segundo Género: Conocida también como palanca Interresistente, en la cual la fuerza de resistencia (R) se encuentra entre el punto de apoyo y la fuerza de potencia (F ).
Figura 1.6:Palanca de Segundo Género o Interresistente
Como ejemplo de palanca ósea de segundo género tenemos la mecánica del pie para una persona incada sobre uno de sus pies, tal como se muestra en la figura 1.6, donde se observa que el punto de apoyo es el punto donde el pie se inca para levantar el talón, la fuerza de resistencia es el peso del cuerpo aplicado en su centro de gravedad y la fuerza de potencia es la fuerza ejercida por los músculos de la pantorrillas los cuales se contraen para poder elevar el talón, dichas fuerzas aplicadas en el sistema tienen la misma dirección vertical, por lo tanto para que el sistema de fuerzas se encuentre en equilibrio, se debe cumplir:
La primera condición de equilibrio:
n
X
i=0
Fi = 0 → Fc+ F − R = 0
entonces se tiene que:
Fc= R − F (1.6)
La segunda Condición de equilibrio:
n
X
i=0
Mi = 0 → F a − Rb = 0
entonces se tiene que:
luego la ventaja mecánica (V.M ), será: V.M = R
F = a
b (1.8)
Ejemplo 02: Una persona de 90Kg se empina sobre un pie tal como se muestra en la figura 1.6. El brazo de palanca del tendón de Aquíles es a = 15cm y el brazo de palanca b = 10cm de la fuerza en la articulación del tobillo que cae sobre el eje que pasa por dicha articulación, ambos brazos de palanca son con respecto al punto de apoyo en la yema de los dedos.
Calcule la fuerza muscular F la cual ejerce tensión en el tendón y la fuerza en la articulación del tobillo.
Solución:
La persona se empina sobre un pie así que todo su peso lo soporta dicho pie, luego la fuerza de reacción en el punto de apoyo corresponde al peso del cuerpo, Fc = mg = 90Kg(10m/s2) = 900N . Tomando momentos con respecto al punto
de apoyo se tiene:
n
X
i=0
Mi = 0 → F a − Rb = 0
Reemplanzando valores se tiene:
F (15cm) − R(10cm) = 0 → R = 1, 5F
Reemplazando la equivalencia de R en la siguiente ecuación, se tiene: Fc= R − F → 900N = 1, 5F − F = 0, 5F
Calculando se tiene que: F = 1800N y R = 2700N
3. Palanca de Tercer Género: Conocida también como palanca Interpotente, en la cual la fuerza de potencia (F ) se encuentra entre el punto de apoyo y la fuerza de resistencia (R).
Como ejemplo de palanca ósea de tercer género tenemos la mecánica del brazo antebrazo perpendiculares al brazo, tal como se muestra en la figura 1.6, donde se observa que el punto de rotación es la articulación en el codo, la fuerza de resistencia es el peso del antebrazo-mano más el peso adicional que se pueda tener en la mano el cual está aplicado en su centro de gravedad, que para efecto de análisis lo ubicamos en la mano y la fuerza de potencia es la fuerza ejercida por el músculo bíceps el cual se contrae para mantener el sistema antebrazo mano en posición horizontal, dichas fuerzas aplicadas en el sistema tienen la misma dirección vertical, por lo tanto para que el sistema de fuerzas se encuentre en equilibrio, se debe cumplir:
Figura 1.7: Palanca de Tercer Género o Interpotente
La primera condición de equilibrio:
n
X
i=0
Fi = 0 → F − Fc− R = 0
entonces se tiene que:
Fc= F − R (1.9)
La segunda Condición de equilibrio:
n
X
i=0
Mi = 0 → F a − Rb = 0
entonces se tiene que:
F a = Rb (1.10)
luego la ventaja mecánica (V.M), será: V.M = R
F = a
b (1.11)
Ejemplo 03: El antebrazo de la figura 1.7, se encuentra formando un ángulo de 90o con respecto al brazo; en la mano sostiene un peso de 7Kg a 35cm
de la articulación del codo, ejerciendo una fuerza Fm en el músculo bíceps.
Calcule la fuerza Fm si ésta se aplica a 3, 5cm de la articulación del codo, y
la fuerza que se ejerce sobre dicha articulación. Solución:
El momento producido por el peso de mg = 7Kg(10m/s2) = 70N en la
mano, alrededor de la articulación del codo es:
n
X
i=0
Reemplazando valores se tiene:
F (3, 5cm) = 70N (35cm) → F = 700N
Para calcular la fuerza en la articulación del codo se reemplaza el valor de F en la ecuación:
Fc= F − R → Fc= 700N − 70N = 630N
1.6.
Centro de Gravedad
Es el punto donde un cuerpo de masa “m” concentra su peso, generando así un mo-mento de rotación respecto a un punto de apoyo, el cual es equivalente a la suma de los momentos generados por los pesos de todas las partículas que constituyen dicho cuerpo. Esta definición se puede expresar sencillamente mediante la fórmula matemática:
~rC.G= Pn i=1~ri.mi.g Pn i=1mi.g ~ rC.G = ~ r1.m1.g + ~r2.m2.g + ~r3.m3.g + . . . m1.g + m2.g + m3.g + . . .
donde el vector de posición del Centro de Gravedad, se puede expresar en sus tres componentes rectangulares:
~
rC.G = ~XC.G+ ~YC.G+ ~ZC.G= XC.Gˆi + YC.Gˆj + ZC.Gkˆ
por lo tanto, al desdoblarse éste punto para cada eje de coordenadas correspondiente a un sistema de referencia inercial XYZ, con respecto a un observador, se tendrá el centro de gravedad del cuerpo, de tal manera que se puede escribir en las tres componentes del espacio tridimensional, tal como se detalla a continuación:
Para el eje x, se tiene:
XC.G= Pn i=1xi.mi.g Pn i=1mi.g XC.G= x1.m1.g + x2.m2.g + x3.m3.g + . . . m1.g + m2.g + m3.g + . . .
suprimiendo la gravedad, ya que g = cte, se tiene: XC.G =
x1.m1+ x2.m2+ x3.m3+ . . .
Para el eje y, se tiene: YC.G = Pn i=1yi.mi.g Pn i=1mi.g YC.G = y1.m1.g + y2.m2.g + y3.m3.g + . . . m1.g + m2.g + m3.g + . . .
suprimiendo la gravedad, ya que g = cte, se tiene: YC.G =
y1.m1+ y2.m2+ y3.m3+ . . .
m1+ m2+ m3+ . . .
Para el eje z, se tiene:
ZC.G= Pn i=1zi.mi.g Pn i=1mi.g ZC.G= z1.m1.g + z2.m2.g + z3.m3.g + . . . m1.g + m2.g + m3.g + . . .
suprimiendo la gravedad, ya que g = cte, se tiene: ZC.G=
z1.m1.g + z2.m2.g + z3.m3.g + . . .
m1.g + m2.g + m3.g + . . .
Centro de Gravedad del Cuerpo Humano
Es el punto donde se supone está concentrado todo el peso de las partes que forman al cuerpo humano, el cual se ubica dentro del sistema de referencia conformado por los planos de orientación que dividen simétricamente al cuerpo humano, ello permitirá comprender el equilibrio y la dirección que tiene la estructura de nuestro cuerpo en relación al punto de intersección de los tres planos; teniendo en cuenta la posición anatómica podemos trazar estos tres planos anatómicos, tal como se muestra en la figura 1.8:
El plano sagital o medio, es un plano vertical que pasa a través del cuerpo en dirección desde el frente hasta atrás, dividiendo a éste en mitades derecha e izquierda.
El plano coronal, lateral o frontal. Es un plano vertical que pasa a través del cuerpo de lado a lado, dividiendo a éste en porciones anterior y posterior y formando un ángulo recto con el plano sagital.
El plano transversal, es un plano horizontal que pasa a través del cuerpo, divi-diendo a éste en mitades superior e inferior.
Figura 1.8:Planos de División Anatómica del Cuerpo Humano
Las coordenadas del centro de gravedad (C.G) se denotan por XC.G, YC.G y ZC.G y el
punto correspondiente, por (XC.G; YC.G; ZC.G), con respecto a la intersección de los tres
planos: sagital, coronal y transversal, tal como se muestra en la figura 1.8. Desde la posición anatómica de pie con las manos extendidas hacia abajo pegadas al cuerpo, la localización del C.G en el cuerpo humano se encuentra en la pelvis, frente a la porción superior del sacro (segunda vértebra sacra, S-2), en la línea que une las articulaciones coxofemorales. En las mujeres, se encuentra más abajo que en los hombres, debido a que las mujeres poseen una pelvis y muslos más pesados y piernas más cortas.
Los ejes en el ser humano pueden ser conceptualizados como líneas imaginarias que atraviesan el cuerpo y nos ayudan a describir y a comprender mejor la ejecución de los movimientos, los mismos pueden ser divididos o agrupados en tres secciones:
Eje Cefalopodal: es el más largo del cuerpo, se representa por una línea imaginaria que va desde las vértebras cervicales al centro de las superficies de apoyo formadas por los pies ubicado perpendicularmente al plano horizontal, estando el sujeto de pie con las extremidades inferiores unidas.
Eje Anteroposterior: Es una línea imaginaria perpendicular al tórax (plano fron-tal) que lo atraviesa de adelante hacia atrás.
Eje Transversal: Es una línea imaginaria que atraviesa de lado a lado en forma perpendicular al plano sagital.
En términos generales, se admite que cuando la postura es correcta, la línea de grave-dad pasa a través de las vértebras cervicales medias y lumbares medias y por delante de las vértebras dorsales, de tal manera que para una persona de pie en posición derecha con las piernas extendidas y los brazos colgando paralelamente al tronco, su peso cae sobre la base de sustentación, tal como se muestra en la figura 1.9.
Figura 1.9: Polígono o Base de sustentación
Si el peso del cuerpo se ubica fuera de la base de los pies, entonces el cuerpo pierde el equilibrio y cae fácilmente, ya que cuando la persona está de pie, las fuerzas que actúan sobre su cuerpo están en equilibrio, es decir su C.G está apoyado, bajo esta condición lo que sostiene al cuerpo es la base de sustentación en los pies delimitada por una línea que corre alrededor de 2cm por delante de los límites exteriores de los pies; la distancia entre los límites del polígono y de los pies es más grande en la región de los dedos que en otras partes.
Ejemplo 04: El antebrazo de una mujer tiene una masa de 1,1kg y su brazo tiene una masa de 1,3kg. cuando su brazo se mantiene horizontal, el centro de gravedad (C.G) del antebrazo está a 0,3m de la articulación del hombro y el C.G del brazo está a 0,1m de dicha articulación. ¿Cuál es la posición del centro de gravedad de todo el sistema brazo-antebrazo con respecto al punto de articulación del hombro?
Solución:
Las coordenadas de los centros de gravedad del antebrazo es x1 = 0, 3m y del brazo es
x2 = 0, 1m; la masa del antebrazo es m1 = 1, 1Kg y del brazo es m2 = 1, 3Kg; siendo
la masa de todo el sistema brazo-antebrazo m = m1+ m2 = 2, 4Kg. Para calcular la
coordenada del centro de gravedad de todo el sistema tenemos que aplicar la siguiente fórmula:
XC.G=
P2
i=1xi.mi.g
Figura 1.10:
XC.G=
x1.m1.g + x2.m2.g
m1.g + m2.g
cancelando el valor de la gravedad en el numerador y en el denominador, se tiene: ~
XC.G =
(0, 3m)(1, 1Kg) + (0, 1m)(1, 3Kg) 2, 4Kg
cuyo resultado para el centro de gravedad es: XC.G= 0, 233m = 23, 3cm y YC.G= 0cm
con respecto a la articulación del hombro.
Preguntas de Análisis
1. ¿Qué estudia la Biomecánica o Cinesiología? Mencione algunos aportes y resalte su importancia en las diferentes especialidades donde tiene influencia.
2. Si una persona se eleva sobre la punta de sus pies, entonces ejerce un tipo de palanca mecánica, describa dicho tipo de palanca.
3. ¿Qué sucedería con la cabeza si fallaran los músculos cervicales posteriores? 4. La columna vertebral consta de 33 huesos o vértebras (7 cervicales, 12 dorsales, 5
lumbares, 5 sacras y 4 coxígeas) separadas por discos intervertebrales, cuando una persona se agacha, la columna se comporta como una palanca de poca ventaja mecánica, describa el tipo de palanca mecánica.
5. La lesión más común de la columna es una fractura por compresión del cuerpo vertebral, el cual es más rígido que el disco, ¿por qué no se rompe primero el disco que se deforma más que el hueso? y ¿por qué las vértebras están dispuestas una sobre otra y no una al costado de la otra, como en los cuadrúpedos?
7. Si una persona muerde una manzana con los incisivos, entonces la palanca mecá-nica es ejercida por la mandíbula inferior. Describa éste tipo de palanca mecámecá-nica. 8. Sabiendo que una persona adulta, frecuentemente mastica de un solo lado. Ex-plique ¿qué clase (género) de palanca es la mecánica de la mandíbula en éste proceso?
9. Explique ¿cuándo un cuerpo permanece en equilibrio y a qué factores se le atri-buye dicho equilibrio?
10. Básicamente el cuerpo Humano está organizado por palancas compuestas por huesos (órganos pasivos del movimiento) y músculos (órganos activos del movi-miento), explique algunos tipos de palancas existentes según su clasificación. 11. ¿A qué se llama flexión muscular y extensión muscular?
12. Dos músculos pueden tener una acción análoga sobre la misma articulación, pero con diferentes inserciones, por ejemplo el bíceps y el branquial anterior, ¿a qué se le llaman músculo distal y músculo proximal?
13. El estado de reposo de la mandíbula no está en la posición de cierre de la boca, pues esta posición exige la contracción cinética de los músculos masticadores. ¿por qué se mantiene cerrada la boca si la mandíbula tiene un peso y se comporta como una palanca de tercer genero?
14. Todo cuerpo u objeto en equilibrio presenta una base de sustentación donde debe caer su peso, explique ¿Qué sucederá si el vector peso se ubica fuera de la base de los pies de una persona?
15. Si los animales cuadrúpedos tienen relativamente poco problema de estabilidad, pues su centro de gravedad es bajo con respecto al suelo, por ello, si los brazos de palanca de las fuerzas que podrían tratar de derribarlos son cortos, entonces la fuerza de potencia aplicada para derribarlo debe ser grande, ¿cuál es la razón de que un luchador de sumo se agache?.
16. El cuadríceps es un músculo de cuatro ramas, tres veces más poderoso que el conjunto de músculos flexores de la pierna, explique si el cuadríceps interviene o no en el mantenimiento de equilibrio durante la estación de pie.
17. Describa el dispositivo biomecánico del que dispondría, para resolver el problema de un paciente al cual hay que mantenerlo en una posición adecuada de tal manera que no debe mover la cabeza, sabiendo que a ésta persona le fallan los músculos cervicales posteriores.
18. Describa el tipo de palanca, cuando una persona eleva el brazo-antebrazo a una posición horizontal.
19. Según la intensidad de contracción muscular, por ejemplo la flexión del antebrazo sobre el brazo, que es la acción del músculo bíceps en esta palanca de tercer genero, produce tres efectos. ¿Cuáles son estos efectos y explique cada uno de ellos?
20. Si una persona permanece en reposo (velocidad cero) o se mueve con movimiento rectilíneo uniforme (velocidad constante y aceleración cero), entonces si la perso-na está sometida a varias fuerzas esterperso-nas, explique si ésta persoperso-na está o no en equilibrio, sabiendo que la fuerza resultante que actúa sobre él, es despreciable. 21. Mencione algunos aportes de la biomecánica y resalte su importancia en los
avan-ces científico-tecnológico en las diferentes especialidades donde tiene influencia. 22. Describa el tipo de palanca mecánica que ejerce un collarín, el cual se le coloca
a una persona que padece de una dislocación en el cuello.
23. Describa la mecánica del pie, y responda: ¿Quién actúa como gozne o pivote durante la flexión y extensión del pie completo?
24. Siendo el cuerpo humano un objeto flexible, su centro de gravedad varía. Explique esta afirmación.
25. Para una persona de pie y con los brazos pegados al cuerpo, ¿dónde se encuentra ubicado el centro de gravedad promedio en una persona?
26. Todo cuerpo u objeto en equilibrio presenta una base de sustentación donde debe caer su peso. ¿Qué sucederá si el vector peso se ubica fuera de la base de sustentación?
27. En un bebe lactante, como explicaría usted el comportamiento de palanca en su mandíbula, si éste solo succiona y llora.
28. ¿Por qué el centro de gravedad de una mujer se ubica en una posición más baja a partir del ombligo, punto de intersección de los tres planos (sagital, coronal y transversal), comparado con el centro de gravedad de un varón, que está mas cerca al ombligo?
29. Cuando un deportista mejora sus diferentes marcas logradas, entonces los resul-tados se deben en gran parte a las especialidades deportivas y la influencia que tiene la biomecánica en ellas. Mencione se diferentes hechos que influyen en éstas mejoras.
30. En los diferentes tipos de palancas óseas aplicadas en el cuerpo humano, explique ¿cuáles realizan una mayor Ventaja Mecánica?
31. Explique físicamente, ¿por qué un gato cae parado, si usted lo deja caer desde una altura de 2,5m?
1.7.
Problemas Propuestos
1. La figura 1.11, muestra la mecánica de la rodilla donde el tendón del cuádriceps pasa por la rodilla ejerciendo una fuerza de tensión T, si la tensión T del tendón es 140N , calcule el módulo y la dirección de la fuerza F de contacto ejercida por el fémur sobre la rótula.
Figura 1.11:
2. En ortodoncia, las fuerzas aplicadas en los dientes se trasmiten a los huesos que los sostienen. Gradualmente, el tejido del hueso se destruye y permite que el diente se mueva y gire. En el espacio intermedio va creciendo nuevo tejido óseo. Las fuerzas han de ser suficientemente pequeñas para no dañar la raíz del diente. Calcule las fuerzas F1 y F2 sobre el diente de la figura 1.12.
3. La figura 1.13, muestra una cuerda elástica atada a dos muelas y estirada hasta pasar por un incisivo. La tensión en la cuerda es 2N. ¿Cuál es el módulo y la dirección de la fuerza aplicada al incisivo?
Figura 1.13:
4. Con respecto a la posición de la persona mostrada en la figura 1.14, determine: (a) ¿Qué tipo de palanca mecánica ejerce la columna vertebral de la persona? (b) El módulo de la fuerza T ejercida por los músculos de la columna vertebral. (c) La dirección y el módulo de la fuerza ejercida por la fuerza de contacto R en la articulación. (d) El centro de gravedad de la persona en esa posición.
Figura 1.14:
5. Los músculos maseteros de una serpiente en una mordida ejercen una fuerza muscular de 5N la cual actúa a una distancia de 0,03m a partir de la articulación. (a) Si la fuerza del mordisco es 2N, calcule la distancia desde la articulación hasta la línea de acción de dicha fuerza y (b) la fuerza ejercida por la articulación de la mandíbula.
6. La figura 1.15, muestra la mandíbula de una persona masticando un trozo de carne seca, la cual ejerce una fuerza de 80N con sus incisivos frontales. Calcule: (a) la tensión en cada músculo masetero y (b) la fuerza sobre cada cóndilo. Las dimensiones de la mandíbula son AB=7,5cm; BC=6,5cm y θ = 60o.
Figura 1.15:
7. La figura 1.16, muestra la fuerza sobre el pie de un hombre de 90kg en posición agachada. Determine: (a) el módulo de la fuerza Fm ejercida por el tendón de
Aquiles. (b) El módulo y dirección de la fuerza de contacto Fc ejercida en la
articulación del tobillo.
8. El músculo deltoides levanta el brazo hasta la posición horizontal. Está fijado a 15cm de la articulación del hombro y forma un ángulo de 16o con el húmero.
Suponiendo que el peso del brazo es de 35N y que se puede aplicar todo el peso del sistema en el centro de gravedad situado a 35cm de la articulación del hombro, calcule: (a) la fuerza que hace la articulación del hombro, (b) el ángulo que dicha fuerza forma con el húmero cuando el brazo está horizontal, (c) la fuerza de tensión que realiza el músculo, (d) la ventaja mecánica del músculo para levantar el brazo.
9. Los principales músculos del cráneo de un carnívoro se representan en la figura 1.17. Los músculos temporales T unen la apófisis coronoide de la quijada con la caja craneana. Los músculos masetereros M conectan la quijada al cráneo. La dirección aproximada de la fuerza sobre la quijada cuando el animal esta trozando la carne de la presa esta representada por F. Refiriéndonos al maxilar inferior de un animal pequeño QC = 3, 4cm; QB = 1, 4cm; y QA = 0, 6cm; dado que F = 4N , M = 6N y que el esfuerzo máximo Em que puede ejercer un
músculo es mas o menos de 30N/cm2. (a) Calcule el área del músculo temporal T, suponiendo que la quijada está en equilibrio. (b) Si las fuerzas ~F y ~M forman ángulos con la horizontal y ~T también forma un ángulo de 30o con la horizontal,
calcule la magnitud y la dirección de la fuerza resultante ~R en el punto de apoyo “O”, necesaria para mantener la mandíbula en equilibrio.
Figura 1.17:
10. El antebrazo de un varón tiene una masa de 1,5kg y su brazo tiene una masa de 2kg. cuando su brazo se mantiene horizontal, el centro de gravedad (C.G) del antebrazo está a 0,5m de la articulación del hombro y el C.G del brazo está a 0,15m de dicha articulación. ¿Cuál es la posición del centro de gravedad de todo el sistema brazo-antebrazo con respecto al punto de articulación del hombro? 11. Un caballo permanece en pie con su pata delantera izquierda levantada sin tocar
peso de 1500N del peso total del caballo que es 500N. La distancia entre las dos patas traseras es de 50cm y la distancia entre las patas delanteras con las patas traseras es 1, 20cm. Calcule el peso que soporta la pata trasera derecha y la posición del centro de gravedad.
12. Calcule la fuerza total aplicada por el dispositivo de tracción a la cabeza del paciente, tal como se muestra en la figura 1.18.
Figura 1.18:
13. Para una persona adulta, el peso de su cuerpo de 92N es sostenido exclusivamente por las vértebras donde su centro de gravedad está a una distancia de 9cm anterior al punto de apoyo. Los músculos de la espalda que producen el momento contrario tienen un brazo de palanca de 8cm posterior al punto de apoyo. (a) Calcule la fuerza total que soportan las vértebras en el punto de apoyo. (b) Haga un cálculo similar para una persona obesa de 100N , para quien su centro de gravedad está 10cm anterior al punto de apoyo, y la fuerza ejercida por los músculos en la espalda está a 2,5cm posterior al punto de apoyo.
14. Considere a un paciente sometido a una tracción de cuello con estribos de tracción vertical, como se ve en la figura 1.19. Encuentre el valor máximo del peso P para que el sistema se encuentre en equilibrio, si la cabeza pesa 80N y el coeficiente
de fricción entre la superficie de la cama y la cabeza es µ = 0,20.
Figura 1.19:
15. Suponiendo que el antebrazo que sostiene el peso W tal como se muestra en la figura 1.20, está en equilibrio, calcule la fuerza F ejercida por el músculo biceps. Sabiendo que el peso del antebrazo de 80N actúa en el punto P y la fuerza ejercida por el músculo bíceps actúa a 5cm de la articulación del codo.
16. Una persona muerde una manzana con los incisivos, ejerciendo una fuerza de 80N . Calcule la fuerza muscular ejercida por cada masetero y la fuerza de com-presión sobre cada condilo, sabiendo que la distancia de los incisivos al punto de aplicación de los maseteros es tres veces la distancia de los maseteros al fulcro proyectado sobre la horizontal.
17. Un persona de 75Kg dobla su cuerpo por la cintura 90ohacia delante, conservando
verticales las piernas. Suponga que el peso de la parte superior de su cuerpo es las dos terceras partes de su peso total y que el centro de gravedad de esa parte está localizada a 40cm arriba de las caderas. ¿A qué distancia por delante de sus piernas se encontrará su nuevo centro de gravedad?
18. Un excursionista de 850N de peso, lleva una mochila conteniendo un peso de 220N, el centro de gravedad (C.G) del excursionista se halla a 1,15m por encima del suelo cuando no lleva mochila y el C.G de la mochila se halla a 1,32m del suelo cuando es transportada por dicho excursionista, ¿a qué altura sobre el suelo se encuentra el C.G del excursionista y la mochila?
19. Un paciente acostado horizontalmente se le llenan sus pulmones con fluido, pero necesita usar un sistema de tracción de cuello paralelo a la cama. Esto se resuelve levantando la cama e inclinandola un ángulo de 37o con respecto a la horizontal.
¿Cuál es la fuerza máxima que el sistema de tracción debe vencer para arrastrar al paciente paralelamente a la cama inclinada? Supongase que el coeficiente de rozamiento de la superficie de la cama con respecto a la cabeza es 0, 5 y el peso de la cabeza es de 60N .
20. Un estudiante inclina su cabeza hacia abajo para estudiar un libro. Si la cabeza pesa 40N entonces la fuerza ejercida por los músculos extensores del cuello es 54N y está aplicada a 37o con respecto al eje horizontal. Calcule el módulo y la dirección de la fuerza de contacto ejercida en la articulación atlanto-occipital.
Resumen
Las leyes de Newton, rigen el movimiento del un cuerpo y son: La ley de Inercia, La ley de movimiento y la Ley de Acción y Reacción.
La Biomecánica es la ciencia que estudia las leyes y principios físicos que rigen el movimiento mecánico de los sistemas vivos.
La Biomecánica engloba tres importantes áreas: La Biomecánica Médica, La Bio-mecánica Deportiva y La BioBio-mecánica Ocupacional.
El cuerpo humano utiliza para su movimiento tres tipos de paalancas mecánicas o palancas óseas: La palanca de primer género o interapoyante; la palanca de segundo género o interresistente y la palanca de tercer género o interpotente. El centro de gravedad en una persona que está parada con los brazos pegados al tronco, se ubica en la línea que une las articulaciones coxofemorales, en la pelvis, frente a la porción superior del sacro (segunda vertebra sacra).
Si un cuerpo se encuentra en equilibrio entonces se deberá cumplir: la primera condición de equilibrio (sumatoria de las fuerzas aplicadas al cuerpo igual a cero) y la segunda condición de equilibrio (sumatoria de momentos de rotación en el cuerpo igual a cero), ademas de que el peso del cuerpo ubicado en su centro de gravedad debe caer sobre la base que lo sostiene, si en caso contrario sale de su base el cuerpo cae perdiendo el equilibrio.
[1] Marin, M. y Pico, M. 2004. Fundamentos de Salud Ocupacional. Edit. Comité. Primera Edición. Manizales-Colombia.
[2] Acero. J. 2009. Biomecánica Deportiva y control de entrenamiento. Edit. Funám-bulos, Primera Edición. Medellín-Colombia.
[3] Kane. J. y Sternheim, M. 1992. Física. Edit. Reverte, S.A. Segunda Edición. Barcelona-España.
[4] Morís, C. Cequier, A; Moreu, J y Pérez, H. 2001. Guías de práctica clínica de la Sociedad Española de Cardiología sobre requerimientos y equipamiento en hemo-dinámica y cardiologia intervencionista. Edit. Sociedad Española de Cardiología, Primera Edición. España.
[5] Cromer, A. 1982. Física para las ciencias de la vida. Edit. Reverte, S.A. Segunda Edición, España.
[6] MacDonald, S. y Burns, M. 1978. Física aplicada a las ciencias de la salud. Fondo Educativo Interamericano, S.A. Bogota-Colombia.
[7] Quezada, E. y Aguilar, W. 1994. Física aplicada a las ciencias de la vida y la salud. Concytec. Trujillo-Perú.
Hemodinámica
Índice:
2.1 Introducción 2.2 Elementos Hemodinámicos 2.3 Gasto Cardiaco 2.4 Flujo Sanguíneo 2.5 Presión Sanguínea 2.6 Problemas PropuestosObjetivo: Estudiar las causas que originan el movimiento de la sangre en los sistemas vasculares de los sistemas vivos, bajo las leyes y principios de la Física.
2.1.
Introducción
Hemodinámica, viene de “Hemo” que significa “sangre” y “Dinámica” parte de la Física que estudia la “causa del movimiento”. El corazón, es una visera muscular encar-gada del mantenimiento de la circulación sanguínea, el cual realiza un ciclo incesante toda nuestra vida, compuesto por dos tipos de circulaciones principales, que son la circulación mayor, circulación somática o sistémica y la circulación menor, circulación pulmonar o central, realizadas secuencialmente en cada ciclo cardíaco.
Está dividida en cuatro grandes cavidades: Las dos aurículas, derecha e izquierda, y los dos ventrículos, derecho e izquierdo. Las cavidades izquierdas son las encargadas de mantener la circulación mayor o sistémica, es decir, de bombear la sangre recién oxigenada que llega desde los pulmones a través de las venas pulmonares, hacia los
tejidos, por la arteria aorta. Las cavidades derechas mantienen la circulación menor o pulmonar: reciben la sangre venosa después de que los tejidos hayan extraído su oxígeno, y a través de las venas cavas la bombean hacia la circulación pulmonar por la arteria pulmonar, tal como se muestra en el esquema de la figura 2.1.
Figura 2.1:Esquema del sistema circulatorio de un mamífero
El ciclo cardíaco se divide básicamente en dos procesos: la diástole, durante la cual los ventrículos se relajan y se llenan de sangre y la sístole, en donde los ventrículos se contraen para vaciarse y expulsan la sangre al árbol circulatorio. La contracción auricular y ventricular del corazón debe producirse en una secuencia específica y con un intervalo apropiado para contribuir a la eficacia del trabajo de bombeo del corazón,
su función hemodinámica es la de aportar el adecuado flujo sanguíneo, según las ne-cesidades de órganos y tejidos, estos requieren que exista un flujo sanguíneo adecuado a sus necesidades, lo cual se logra con modificaciones dinámicas en la resistencia y en los gradientes de presión, por lo que la importancia hemodinámica es garantizar que haya una adecuada circulación de la sangre por todo el cuerpo, ya que lleva oxígeno y saca CO2 de todos los órganos del cuerpo.
La hemodinámica se encarga de que la sangre llegue a todas las partes del cuerpo (para que haya una adecuada circulación), incluso a los sistemas más distantes del corazón como los dedos de las manos y pies. Una componente interesante del sistema cardio-vascular es la anastomosis arteriovenosa (AAV), la figura 2.1 muestra sólo una de las muchas AAV presentes en el cuerpo. Estas uniones son importantes, ya que el tejido muscular liso circundante puede ajustar el diámetro de los vasos. En el interior del cuerpo ayudan a ajustar el flujo sanguíneo a diversos órganos a medida que las condi-ciones cambian. Unas anastomosis algo más pequeñas se abren en la piel si el cuerpo necesita desprender calor o aumentar la temperatura cutánea; en ciertas condiciones moderadas, se cierran para reducir el esfuerzo del corazón y dirigir una mayor parte del riego sanguíneo a otras partes del cuerpo [3].
2.2.
Elementos Hemodinámicos
La materia se clasifica en sólidos y fluidos, un fluido es un líquido o un gas que pueden fluir, así un líquido, como la sangre, se caracteriza por tener volumen definido, pero no una forma definida, fluye para adaptarse a la forma del recipiente que lo con-tiene, no obstante tiene un volumen definido que conserva a pesar de los cambios de forma, no posee rigidez porque sus moléculas se mueven libremente unas con respecto a otras. Al aplicarle las leyes Físicas, no se considera de ordinario el líquido en conjunto, sino una pequeña parte arbitraria de él, por lo que es habitual referir todas las magni-tudes Físicas a la unidad de volumen; así, en lugar de hablar de la masa (m) de todo el líquido el cual ocupa un determinado volumen (V ), resulta conveniente manejar la densidad (ρ), que se define como la masa por unidad de volumen:
ρ = m
V (2.1)
La densidad es una propiedad característica de una sustancia independiente de su volumen o su masa, cuyo valor para el caso del agua es, 1g/cm3 y para el caso de la
sangre, 1, 0595g/cm3 a la temperatura normal del cuerpo (≈ 37oC).
Dado que la masa de la sustancia es m = ρV , entonces su peso mg por unidad de volumen se conoce con el nombre de peso específico (γ):
γ = mg
La fuerza F que ejerce un líquido sobre el área A de las paredes del recipiente que lo contiene siempre es perpendicular a ellas, por lo que la fuerza normal por unidad de área se conoce como presión P :
P = F
A (2.3)
Su unidad más común es el Pascal (Pa) que es igual a un Newton (N ) por metro
cuadrado (m2), así: Pa = N m2 = 10 dina cm2 1Atmósfera = 760mmHg = 760T orr 1mmHg = 1334, 16dina/cm2
Figura 2.2:Fuerzas ejercidas sobre el fluido contenido en el cilindro
La figura 2.2 muestra la presión causada por el peso de un líquido (Fg = mg) de
densidad ρ a una profundidad h, medida desde la superficie, por donde es afectada por el peso de la atmósfera (F1) sobre el área de superficie A de la sección transversal del
cilindro, llamada también presión atmosférica (PAtm), además de la fuerza ejercida por
la base del cilindro (F2), donde se cumple que, la presión absoluta (PAbs) está dada
por:
por lo que aveces es conveniente trabajar con la presión manométrica (Pman): Pman = F A = mg A = mgh Ah = mgh V = ρgh (2.4)
La presión manométrica en la ecuación 2.4, la cual es el exceso sobre la presión atmosfé-rica también es llamada comunmente presión hidrostática, y establece que la presión en el interior de un líquido en reposo se debe exclusivamente a su densidad ρ y su altura h. Ejemplo 01: Durante la sístole cardiaca el corazón expulsa sangre hacia la aorta con una presión media de 100mmHg, si el área de la sección transversal de la aorta es 3cm2, calcule la fuerza ejercida por el corazón sobre la sangre que entra en la aorta.
Solución:
Dado que la presión media es: P = F
A = 100mmHg = 1, 334N/cm
2
Luego, la fuerza F = P.A = (1, 334N/cm2)(3cm2)
entonces la fuerza media que ejerce el corazón sobre la sangre es: F = 4N
Ejemplo 02: A un paciente se le suministra plasma sanguíneo desde un recipiente situado a 1,2m por encima de la cama sobre la cual está acostado, si la presión en la vena es de 10, 8cmH2O entonces, cuál es la presión, en cm de H2O, con la que el
plasma entra en la vena. Sabiendo que la presión manométrica del plasma sanguíneo a esa altura es 123, 6cmH2O.
Solución:
La presión con la cual el plasma sanguíneo entra en la vena es ∆P = P1 − P2 = γh − 10, 8cmH2O
∆P = 123, 6cmH2O − 10, 8cmHO = 112, 8cmH2O
donde, P1 es la presión manométrica del plasma sanguíneo es y P2 es la presión en la
vena.
Ley de Pascal: Una presión externa que se ejerce sobre un fluido, en un recipien-te cerrado, se transmirecipien-te inrecipien-tegramenrecipien-te en todos los puntos, en una cantidad igual a la presión aplicada.
Esto significa que los líquidos son prácticamente incompresibles, de manera que cualquier fuerza aplicada se transmite directamente a todas las paredes del recipiente.