1. 07/08/2009
Unidades
• Bi
Biomecánica d llas grandes
á i de d
Biomecánica articulaciones
• Estudio instrumental del
Diploma en Ciencias de la Actividad Física movimiento
• Aspectos de Ergonomía
aplicada en lla actividad Fí i
li d ti id d Física
Francisco J. Herrera Neira
Kinesiólogo U. de Chile • Biomecánica de las pruebas
Magíster © en Kinesiología funcionales
U. Católica del Maule
Introducción Biomecánica
• La Biomecánica es una • Como disciplina, se apoya de otras áreas del conocimiento
disciplina científica que
di i li i tífi constituidas por algunas ciencias como lla mecánica, lla
tit id l i i á i
tiene por objeto el estudio ingeniería, la anatomía, la fisiología y otras disciplinas, y
de los fenómenos de así estudia el comportamiento del cuerpo humano para
carácter mecánico que se resolver los problemas derivados condiciones particulares
producen en los seres en las que puede encontrarse.
vivos, fundamentalmente
del cuerpo humano.
1

2. 07/08/2009
Objetivos del curso Objetivos del curso
• Conocer y comprender la • Integrar la ergonomía al campo
Biomecánica como disciplina disciplinar de la Biomecánica
deportiva
• Analizar la Biomecánica en el
contexto de la actividad física de • Integrar otras disciplinas al
sujetos en cualquier condición de estudio de la actividad física
salud
• Integrar la Biomecánica al
desarrollo de otras disciplinas
afines
Introducción
• Desde la antigüedad, el hombre ha intentado desarrollar
sistemas d medición que lle permitan t
i t de di ió it tener una mejorj
comprensión del mundo que lo rodea
• A continuación veremos unos ejemplos generales de
dispositivos de medición que el hombre ha desarrollado a
través de la historia.
viernes, 07 de agosto de 2009 7 viernes, 07 de agosto de 2009 8
2

3. 07/08/2009
viernes, 07 de agosto de 2009 9 viernes, 07 de agosto de 2009 10
Introducción Patrones básicos
• La mecánica clásica es fundamental para explicar los • En mecánica las 3 cantidades fundamentales son longitud
movimientos d llos planetas, llanzamiento d cohetes y llos
i i t de l t i t de h t (T),
(T) masa (M) y ti
tiempo (T) Ot se expresan en f ió
(T). Otras función
movimientos del cuerpo humano. de estás tres.
• Las medidas tomadas por diferentes personas en un lugar
• Las leyes fundamentales empleadas en el desarrollo de determinado debe arrojar el mismo resultado.
teorías se expresa en el lenguaje de las matemáticas
matemáticas.
viernes, 07 de agosto de 2009 11 viernes, 07 de agosto de 2009 12
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4. 07/08/2009
Patrones básicos Longitud
• En 1960 se integró durante un comité internacional el • Se definió un metro en el año 1983 como “la distancia
sistema iinternacionall SI en d d lla llongitud es ell metro,
i t t i SI, donde it d t recorrida por lla lluz en ell vacío d
id í durante un ti
t tiempo d
de
la masa el kilogramo y el tiempo el segundo. 1/299.792.458 segundos”
• Otras determinadas en este sistema son kelvin, ampere y
mol.
viernes, 07 de agosto de 2009 13 viernes, 07 de agosto de 2009 14
Masa Tiempo
• Se estableció en el año 1887, que se define el kilogramo • En 1967 el segundo se definió como 9.192.631.770 veces
como lla masa d un cilindro d t i d d aleación d
de ili d determinado de l ió de ell periodo d vibración d lla radiación d l át
i d de ib ió de di ió del átomo d cesio
de i
platino–iridio. Este se conserva en el laboratorio Cs –133.
Internacional de pesas y medidas en Francia.
viernes, 07 de agosto de 2009 15 viernes, 07 de agosto de 2009 16
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5. 07/08/2009
PREFIJOS para los múltiplos del S I PREFIJOS para los submúltiplos del S I
1024 Yota 1.000.000.000.000.000.000.000.000 Y 10 –24 0,000 000 000 000 000 000 000 001 yocto y
1021 Zeta 1.000.000.000.000.000.000.000 Z 10 – 21 0,000 000 000 000 000 000 001 zepto z
1018 Exa 1.000.000.000.000.000.000 E 10–18 0,000 000 000 000 000 001 ato a
1015 Peta 1.000.000.000.000.000 P 10–15 0,000 000 000 000 001 femto f
1012 Tera 1.000.000.000.000 T 10–12 0,000 000 000 001 pico p
109 Giga 1.000.000.000 G 10–9 0,000 000 001 nano n
106 Mega 1.000.000 M 10–6 0,000 001 micro µ
103 Kilo 1.000 K 10–3 0,001 mili m
viernes, 07 de agosto de 2009 17 viernes, 07 de agosto de 2009 18
Conversión de Unidades Conversión de Unidades
Algunas veces es necesario convertir unidades de un • Se puede tratar a las unidades como cantidades
sistema a otro
otro. algebraicas.
l b i
Las convencionales son: • Por ejemplo, si deseo convertir 15 pulgadas a cm:
• 1 milla = 1.609 m=1,609 Km
• 1pulg = 2,54 cm
• 1 m = 39,37 pulgadas = 3,281 pies
• 15 pulg = x
l
• 1 pie = 0,3048 m = 30,38 cm
• x =15 pulg x 2,54 cm/pulg = 38,1cm.
• 1 pulgada = 0,0254 m = 2,54 cm
viernes, 07 de agosto de 2009 19 viernes, 07 de agosto de 2009 20
5

6. 07/08/2009
Tejido epitelial escamoso simple de un vaso
Ejercicios para practicar:
sanguíneo
Expresar 365 Días horas.
Expresar 5,3 millones de segundos días.
Expresar 1,67 x 108 Minutos mes
Expresar 860 horas semanas
Expresar 4,5 meses segundos
Tejido epitelial pseudoestratificado ciliado
Tejido epitelial estratificado escamoso esófago
columnar de la tráquea
6

7. 07/08/2009
Tejido conectivo óseo Tejido conectivo óseo
Tejido conectivo cartílago Tejido conectivo cartílago hialino
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8. 07/08/2009
Tejido conectivo denso tendón Tejido muscular estriado
Tejido muscular cardiaco Tejido Nervioso
8

9. 07/08/2009
Propiedades de los tejidos Viscoelasticidad
• Todas las estructuras biológicas del aparato locomotor • Modelo
están sometidos a f
tá tid fuerzas d f
deformantes.
t
• Cada tejido presenta características físicas y
comportamiento propio adecuado a su función, a las
fuerzas que actúan sobre ellos y cambian en el tiempo
Estrés Estrés
• Estrés mecánico, stress, tensión o esfuerzo mecánico es • La unidad del Estrés es el Pascal (Pa). En la práctica se
lla f
fuerza por unidad d á en un objeto o material.
id d de área bj t t i l expresa en M
Megapascales (MP )
l (MPa)
• Se representa por la letra σ
• 1 Pa = 1 N/m2
• 1 MPa = 106 Pa
• σ=F/A
A.
9

10. 07/08/2009
Estrés Deformación
• Existen 3 tipos de estrés: • Si a un objeto con un área de sección A le aplicamos una
fuerza F ell estrés en una sección t
f F, té ió transversall d t d l
dentro del
• Por compresión objeto es:
σ = F / A.
• Por tensión
• Por cizallamiento
Deformación Curva stress strain
• Si se aplica una fuerza sobre el objeto, ésta causará una
d f ió definiremos como ε.
deformación que d fi i
ε = l – l0
l0
• Typical stress-strain curve for connective tissue. The elastic and plastic regions of the curve are divided by the yield point,
beyond which deformation causes tissue failure; the elastic region is further divided into a toe region and a transition zone.
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11. 07/08/2009
Viscoelasticidad
Biomecánica de los tejidos
Tejido muscular
Tipos de músculo Tipos de acción muscular
• Estriado Liso Cardiaco • Isométrica
– La tensión tiende a mantener la distancia entre origen e inserción
• Concéntrica
– Acortamiento con acercamiento de las inserciones
• Excéntrica
– El movimiento realizado va en contra de la acción muscular
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12. 07/08/2009
Rol de los grupos musculares Tensión
• Agonista • La tensión generada por el músculo depende de las
– M t principal, genera t
Motor i i l torque en ell sentido d l movimiento
tid del i i t propiedades mecánicas d sus componentes
i d d á i de t
• Antagonista
– Genera un torque opuesto al agonista
• Tejido contráctil
• Estabilizador
– Actúa de manera isométrica menteniendo • Tejido no contráctil en paralelo
• Neutralizador • Tejido no contráctil en serie
– Elimina o neutraliza los componentes no deseados de la acción muscular agonista
Propiedades mecánicas Fuerza
• La fuerza de un músculo depende de • Las fibras musculares en serie, alargan el vientre
muscular, sin d l más capacidad d generar t ió
l i darle á id d de tensión
• Reclutamiento de fibras musculares (UM)
• Área de sección transversal
• Velocidad de contracción • Las fibras musculares en paralelo suman su tensión
• Tiempo de estímulo
• Temperatura
• Tipo de fibra muscular
• Inserciones (torque generado)
• Posición de los segmentos
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13. 07/08/2009
Área de sección transversal Sección transversal
• En teoría, la cantidad de tensión producto de la acción • El tejido muscular es capaz de generar unos 30 N ó
muscular d
l depende d l número d puentes actina –
d del ú de t ti 3 K F/ 2 d sección t
KgF/cm de ió transversall
miosina dentro del músculo • La tensión total es Fm = Am*cm
• Fm = Tensión generada
• La disposición de las fibras musculares incide • Am = Área fisiológica transversal
directamente en su capacidad de generar tensión • cm = Tensión isométrica máxima generada por el músculo
• La tensión generada por un vientre muscular de 3 cm de
diámetro es de 210 N
Orientación de las fibras Músculo Pennado
• La orientación de las fibras musculares puede ser en la • No se puede estimar la tensión
misma di
i dirección d lla lí
ió de línea d acción d l músculo o con
de ió del ú l máxima de esta manera dado
manera,
cierta angulación que las fibras se encuentran
oblicuas respecto de la línea
de acción muscular
• Fusiforme
• Pennado
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14. 07/08/2009
¿Cómo se calcula la fuerza? Fuerza de un músculo pennado
• Se pueden tomar varias • Se utiliza el área de sección transversal fisiológica
secciones transversales , de
modo que se incluyan todas
las fibras • La línea de acción de las fibras musculares no es en el
sentido de la acción muscular, por lo que es necesario
considerar el ángulo
Músculo longitudinal
• Fm = A σ Cos θ • En este caso, la tensión que
genera el músculo es:
• Fm = Tensión generada por el músculo
• F = (5 cm)(2cm)(30N/cm2)
• A = Área fisiológica de sección transversal
• σ = Tensión isométrica máxima generada por el músculo • F = 300 N
• θ = Ángulo entre la línea de acción muscular y de las
fibras
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15. 07/08/2009
Músculo pennado Fuerza v/s Excursión
• En este caso la tensión es: • En un músculo penado, la
tensión puede llegar a ser
• F= (11,54 cm2 )(2)(Cos30º) σ cm mucho mayor que en uno
longitudinal, para la misma
cantidad de masa muscular,
• F= (11,54 cm2 )(2)(0,866) σ cm pero con un menor recorrido
• F= 600 N
Longitud Tensión Activa
• La mecánica dentro del sarcómero determina que la • La máxima tensión se obtiene cuando la interacción entre
tensión
t ió no sea iiguall a llo llargo d l recorrido.
del id actina y miosina es mayor, y a esta posición lla ll
ti i i t i ió llamamos
• La máxima tensión se obtiene cuando la interacción entre de reposo (l0)
actina y miosina es mayor, y a esta posición la llamamos • Si continua el acortamiento, los filamentos de actina se
de reposo (l0) superponen, hasta llegar a comprimirse contra el disco Z,
disminuyendo la capacidad de generar tensión. (60% l0)
• Si el músculo se alarga, se alejan los filamentos,
disminuyendo la tensión. (160% l0)
15

16. 07/08/2009
Tensión pasiva Músculos mono v/s poliarticulares
• El estiramiento pasivo de las estructuras no contráctiles • La tensión generada por un músculo monoarticular
aportan t ió por sus capacidades elásticas.
t tensión id d lá ti depende sólo d lla posición d lla articulación, por llo que
d d ól de i ió de ti l ió
• Este estiramiento permite que exista tensión más allá del la fuerza máxima será siempre la misma para una
160% de l0 determinada posición articular.
• • La tensión máxima generada por un vientre muscular
está así a 120% de l0 • Un músculo poliarticular puede variar su relación de
longitud según las posiciones de las articulaciones que
cruza.
Velocidad de contracción
• La tensión que puede generar un músculo es • El ciclo de la contracción tiene, a nivel del sarcómero, 3
iinversamente proporcionall a lla velocidad con que mueve
t i l id d etapas:
t
un segmento. – Unión
– Tracción
– Separación
• Si la velocidad es muy alta, se necesita tener más sitios
disponibles, por lo que baja la cantidad de puentes
cruzados actina-miosina.
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17. 07/08/2009
Transmisión de la fuerza
• Desde un punto de vista • La tensión generada por un músculo es igual a ambos
empírico,
empírico la curva de tensión extremos d l vientre muscular.
t del i t l
v/s velocidad es fácil de
comprender. • La transmisión de esta tensión se realiza a través del
componente no contráctil en paralelo (endo–peri–epimisio)
hacia el componente no contráctil en serie (tendón)
• La estructura del tendón cambia a fibrocartílago que
aumenta gradualmente su mineralización hasta su
inserción ósea.
Tendones
• Tejido conectivo denso
Biomecánica de los tejidos • Pobre vascularización
Tendones y ligamentos • Principalmente compuesto de colágeno
• 75 a 90 % de su peso seco
• Transmisión de tensión
17

18. 07/08/2009
Tendón v/s Ligamento MEC
Componente Ligamento Tendón
Células (fibroblastos)
( ) 20 % 20 % • Colágeno
MEC 80 % 80 % – Sustancia Fundamental
Agua 60 – 80 % 60 – 80 % – Fibronectina
Sólidos 20 – 40 % 20 – 40 % – Proteoglicanos
Colágeno 70 – 80 % Ligeramente mayor • Entrecruzado de colágeno
Tipo I 90 % 95 – 99 % – Agua
Tipo III 10 % 1–5%
Sustancia 20 – 30 % Ligeramente menor
fundamental
Proteoglicanos Propiedades mecánicas
• Piloaniónicos • Se comprueban sometiéndolos a cargas uniaxiales,
obteniendo curvas carga / elongación
bt i d l ió
• Atraen Na+
• “Atraen” agua
18

19. 07/08/2009
Para el ligamento
1. Región baja 1. Región baja
2. Región lineal o elástica 2. Región lineal o elástica
3. Falla progresiva, región plástica 3. Falla progresiva, región plástica
4. Amplia falla 4. Amplia falla
5. Falla o ruptura total 5. Falla o ruptura total
Región baja (toe) Región elástica o lineal
Tendón Ligamento Tendón Ligamento
• Deformación escasa • En el ligamento equivale a • Comienza la microrruptura • Esta deformación (variable
• (1,2 – 1,5 %) la prueba clínica de de las fibras de colágeno en el ligamento) puede
estabilidad ya estiradas reducirse, pero si es
mantenida por mucho
• La tensión producida por tiempo se demorará más
t e po de o a á ás
lla contracción tetánica
ió á i • El tendón humano no sufre
deformación mayor a 4% en retornar
máxima
19

20. 07/08/2009
Región plástica Falla
Tendón Ligamento Tendón Ligamento
• Tras pasar el límite • Aunque el ligamento • Cuando la deformación es • Se ve “intacto”, pero
elástico, la ruptura de parezca sano a simple mayor, la curva se aplana disminuye su diámetro
fibras de colágeno vista, hay lesión de éste rápidamente • Puede seguir la
determina una caída en la • Se ve “intacto”, pero deformación sin aumentar
pe d e e
pendiente de la curva
a cu a disminuye su diámetro la carga
• Clínicamente hay dolor y
puede llevar a la ruptura
Falla completa Factores físicos
• Al alcanzar la fuerza y deformación máximas, el tendón o • Velocidad de aplicación de una fuerza
ligamento se corta
li t t • Temperatura
• Inmovilización previa
• La deformación máxima no excede el 8 % para un stress • Edad
agudo
• Otros
• Embarazo
• Diabetes
• Uso de esteroides
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21. 07/08/2009
Tejido óseo
• Elemento muy duro
Biomecánica de los tejidos • Activo durante toda la vida
• Muy vascularizado
Tejido óseo • Gran capacidad de autorreparación
• Altera sus propiedades y configuración según la demanda
mecánica
Funciones del tejido óseo Propiedades mecánicas del hueso
• Estructural: • El hueso es un tejido altamente estructurado, compuesto
• Soporte y protección de órganos internos, inserción por matriz d colágeno e hid i tit di
t i de lá hidroxiapatita dispuesto en
t
muscular y locomoción mallas jerarquizadas de lagunas y canalículos
• Metabólica: • Los líquidos intersticiales, debido a las presiones, fluyen
• Reservorio de minerales por pequeños poros constituyendo una señal para la
poros,
– Calcio y fosfatos célula
21

22. 07/08/2009
Componentes del tejido óseo Tejido conectivo óseo
• Matriz extracelular
• El hueso es muy dinámico,
– Agua (20%)
pudiendo cambiar su
– Componente orgánico e inorgánico (80%)
• Componente orgánico (30-40%)
configuración debido a la
– colágeno tipo I edad y en respuesta a la
• Componente inorgánico (60-70%)
demanda mecánica
• Calcio y fósforo (hidroxiapatita) Ca10(PO4)6(OH)2
( p ) ( )( )
• Células
– Osteoblastos, Osteocitos, Osteoclastos
Hueso cortical Hueso trabecular
22

23. 07/08/2009
Membranas del hueso
• Endostio: limita el canal medular (médula amarilla). Tiene
osteoblastos y osteoclastos.
t bl t t l t
– Función de recambio
• Periostio: aporta vasos y nervios hacia canales de
Volkmann. La capa interna tiene osteoblastos.
p
– Función osteogénica, vascular y nerviosa
Formación del hueso Formación del hueso
• Hueso inmaduro o “tejido”: • Presión permanente sobre la fisis (cartílago de
– Menos organizado ((colágeno al azar)) crecimiento)
i i t )
– Más flexible – inhibe el crecimiento
– Menos resistente
– Se forma rápidamente
– En embrión (hasta 5 años), callo de fractura, tumores, osteogénesis • Presión intermitente sobre la fisis
imperfecta,
imperfecta metáfisis del hueso en crecimiento
crecimiento. – estimula el crecimiento
• Hueso maduro o laminar:
– Estructura más ordenada (Ley de Wolff)
– Se forma lentamente.
23

24. 07/08/2009
Recambio óseo Recambio óseo
• Proceso para mantener la forma, calidad y tamaño del esqueleto. 1. Reabsorción: migración de preosteoclastos a la superficie
• Se
S reparan microfracturas
i f t osteoclastos multinucleados. 2 semanas.
t l t lti l d
• Se modifica la estructura como respuesta al estrés. 2. Inversión: mononucleados preparan la superficie para los
• Acción coordinada de osteoblastos y osteoclastos (Unidad osteoblastos. 4 – 5 semanas.
Multicelular Básica)
3. Formación: osteoblastos se ubican en la superficie hasta
• UMB forma túneles en la dirección de carga.
que llenan el espacio 4 meses
espacio. meses.
• Velocidad 20 – 40 μm/día.
4. Reposo: se cubre con las
• 8% recambio año (Cortical: 2-5%; hasta 25% trabecular)
• Regulación mediante factores hormonales y otros a nivel sistémico. células de revestimiento.
Remodelación ósea Masa ósea
• Proceso en el cual hay absorción en un lugar y producción
en otro llugar.
t
• Se cambia la forma del hueso, en forma local o más
general.
• Permite el crecimiento y la adaptación a la carga sobre el
hueso.
hueso
• Osteocitos responden a los cambios de tensión, quizás
atrayendo osteoclastos a los sitos donde se requiere
remodelación.
24

25. 07/08/2009
Masa ósea Ley de Wolff
• Pérdida: • Carga estática determina la forma del hueso
– Mujer: 1,5 a 2% anual • Hueso se deposita donde hay stress y se absorbe donde
– Hombre: 0,5 a 0,75 % anual no lo hay engrosamiento cortical o alineación
• 80 años: hombres han disminuido su masa ósea en un trabecular.
20% y mujeres en un 30%. • Ejercicio con carga de peso y de alto impacto favorecen
• Modulo de Young se modifica 2% cada década después mantención de masa ósea (correr caminar trotar) No
(correr, caminar, trotar).
de los 50 años. tanto natación y ciclismo.
• Tabaco y alcohol disminuyen la masa ósea. • Para estimular se debe aumentar el estrés al que el hueso
está adaptado.
Propiedades mecánicas
• La resistencia, elasticidad y fragilidad del hueso dependen
de
d lla proporción d t jid ó
ió de tejido óseo corticall y esponjoso.
ti j
• Módulo de Young: depende de la edad y dirección de la
compresión.
• Al disminuir masa ósea: más frágil.
• Hueso más jóven es más dúctil
dúctil.
• Debe estar adaptado para resistir la compresión y la
tensión
25

26. 07/08/2009
Comportamiento viscoelástico
• Se recupera lentamente ante la deformación.
• Al aumentar la velocidad de la deformación se deforma
menos y falla antes.
Recuperación ante la deformación Velocidad de deformación
• Más resistente a la fuerza violenta
• Soporta menos deformación
26

27. 07/08/2009
Anisotropía
• Hueso cortical
• Disposición de osteonas
• Hueso trabecular
• Orientación de las trabéculas
• Isotropía transversal
Propiedades materiales
Fza máx E Elongació
g
(Mpa) (Gpa) n(%)
Aleación Cr – Co forjada 950 220 15 Biomecánica de los tejidos
Titanio 900 110 51
PM MA 20 20 2-4 Cartílago
Aluminia (cerámica) 300 350 <2
Hueso cortical 100-150 10-15 1-3
Hueso Trabecular 8-50 2-4
Tendón Ligamento 20-35 2-4 10-25
27

28. 07/08/2009
Cartílago Células
• Cubre las superficies de las articulaciones sinoviales. • Condroblastos
• Disminuye el roce
• Reducción del stress • Condrocitos
• Limita el crecimiento óseo
• Avascular • Baja tensión de O2
Composición y estructura Agua
• 70 – 85% de agua • Ya que el cartílago es avascular, el agua es fundamental
para lla salud d l cartílago.
l d del tíl
• PG (30% del peso seco) • Transporte de gases, nutrientes y desechos.
• Puede removerse hasta el 70% durante una carga
• Colágeno (70 % del peso seco) compresiva
• 2 fases: sólida y líquida
28

29. 07/08/2009
PG y agua PG y colágeno
• La densidad de PG en la • La expansión por repulsión eléctrica del PG es retenida
superficie es menor y en por lla red d colágeno.
d de lá
regiones más profundas es
mayor. • Los PG unen fibras de colágeno que están muy alejadas
• La concentración de agua es
para formar puentes cruzados.
inversa • Contribuyen a la estructura y resistencia mecánica del
• 80% en la superficie a 65% en tejido.
tejido
la profundidad
Arquitectura Cartílago
• Se describen 4 zonas: • En la zona tangencial, el colágeno
se encuentra empaquetado
• Superficial o tangencial aleatoriamente en láminas densas,
paralelas a la superficie.
• Media o intermedia
• En la zona media hay mayor
• Profunda o radial distancia entre las fibras, y una
distribución más homogénea.
• Calcificada
• En la zona profunda las fibras se
agrupan radialmente en paquetes
que cruzan la zona de barrera hacia
el cartílago calcificado
29