Hamill. Biomecánica_5ed

Capítulo 2 Consideraciones esqueléticas para el movimiento 29

Flujo plástico

σ f σ y

A

Estrés

Estrés

B

ε y

Tensión

Área fisiológica

Tensión residual

Tensión

La región después del punto de vencimiento es la región plástica . Para los materiales rígidos, como el hueso, la región de vencimiento o plástica es relativamente pequeña, pero para otros materiales puede ser relativamente grande. Si la fuerza aplicada sigue más allá de la región plástica, la estructura de manera even- tual alcanzará la falla , en cuyo punto la tensión cae a cero con rapidez. El máximo estrés alcanzado cuando ocurre la falla deter- mina la fuerza de falla y la deformación de falla del material. En las actividades funcionales normales, la tensión aplicada no causará una deformación que alcance el punto de venci- miento. Cuando un ingeniero diseña estructuras, toma en con- sideración un factor de seguridad al determinar la relación tensión-deformación de la estructura. Este factor de seguridad por lo general está en el rango de cinco a 10 veces la tensión que normalmente tendría la estructura. Esto es, la fuerza apli- cada para alcanzar el punto de vencimiento es en forma signifi- cativa mayor a la fuerza aplicada en general en las actividades de la vida diaria. Es evidente, y se ha sugerido, que los materiales biológicos y las estructuras biológicas deben tener un factor de seguridad significativamente alto. No hace falta decir que las tensiones aplicadas sobre una estructura biológica en las activi- dades de la vida diaria son mucho menores de lo que la estruc- tura puede manejar. En la figura 2-6 se ilustra una curva de tensión-deformación para una tibia humana adulta, y la relación real de tensión-deformación al trotar. Cuando una estructura es deformada por una fuerza apli- cada, la deformación en el material se relaciona con la ener- gía mecánica absorbida por el mismo. La cantidad de energía mecánica almacenada es proporcional al área bajo la curva de tensión-deformación (fig. 2-7). Es decir, la energía mecánica almacenada es: ME = 1/2 σɛ Cuando la fuerza aplicada se retira, la energía almacenada se libera. Por ejemplo, una liga de hule puede ser estirada tirando de ambos extremos. Cuando se libera uno de los extremos, la li- ga rebota hasta su longitud original pero, al hacerlo, libera la energía almacenada durante el estiramiento. Para fines prácticos, Figura 2-7. La energía mecánica almacenada ( área sombreada ) es igual al área bajo la curva de tensión-deformación. SAMPLE este es el mismo concepto que el de un trampolín. El peso de la persona que salta sobre este lo deforma y almacena energía. El trampolín rebota y libera la energía almacenada a la persona. TIPOS DE MATERIALES Elástico El material idealizado descrito en la figura 2-4 es un mate- rial elástico . En este tipo de material existe una relación lineal entre la tensión y la deformación. Esto es, cuando el material es deformado por la fuerza aplicada, la cantidad de deforma- ción es la misma para una determinada cantidad de tensión. Cuando se retira la carga aplicada, el material regresa a su longi- tud en reposo siempre y cuando el material no haya alcanzado Figura 2-6. El área sombreada representa los valores de tensión- deformación de una tibia humana adulta al trotar, y la línea sólida representa muestras de hueso evaluadas en busca de falla. (Adap- tada con autorización de Nordin, M., Frankel, V. H. [1989]. Basic Bio- mechanics of the Musculoskeletal System . 2nd ed. Philadelphia, PA: Lea & Febiger). Figura 2-5. Una curva de tensión-deformación de un material que se ha alargado hasta la región plástica. ( A ) El periodo de aplicación de carga. ( B ) El periodo donde la carga aplicada se retira. La tensión residual se debe a la organización del material a nivel molecular. Tensión Estrés Energía = 1/2 σε