Nordin_Bases biomecánicas.5ed

2

CAPÍTULO 1

IntroduccIón a la bIomecánIca: termInología y conceptos básIcos

nología y los conceptos básicos de la mecánica y la física se utilizan para describir las fuerzas internas del cuerpo humano. El objetivo de estudiar estas fuerzas es comprender la condi ción de aplicación de carga de los tejidos blandos y sus res puestas mecánicas. El propósito de esta sección es revisar los conceptos básicos de la mecánica aplicada que se utilizan en la literatura biomecánica y a lo largo de este libro.

Introducción La biomecánica es considerada una rama de la bioingeniería y de la ingeniería biomédica. La bioingeniería es un campo inter disciplinario en el cual los principios y los métodos de la inge niería, las ciencias básicas y la tecnología se aplican al diseño, la prueba y la fabricación de equipo de uso médico, y para com prender, de nir y resolver problemas en siología y biología. La bioingeniería es una entre varias áreas de especialidad que se incluyen en el campo general de la ingeniería biomédica. La biomecánica considera las aplicaciones de la mecánica clásica al análisis de los sistemas biológicos y siológicos. Distin tos aspectos de la biomecánica recurren a elementos diferentes de la mecánica aplicada. Por ejemplo, los principios de la está tica se han aplicado para analizar la magnitud y la naturaleza de las fuerzas implicadas en varias articulaciones y músculos del sistema musculoesquelético. Los principios de la dinámica se han utilizado para describir el movimiento, el análisis de la mar cha y el análisis del movimiento segmentario, y tienen muchas aplicaciones en lamecánica del deporte. Lamecánica de los sóli dos provee las herramientas necesarias para el desarrollo de las ecuaciones constitutivas de campo para los sistemas biológicos, que se utilizan para evaluar su comportamiento funcional bajo distintas condiciones de carga. Los principios de la mecánica de uidos se han utilizado para investigar el ujo sanguíneo en el sistema circulatorio, el ujo del aire en el pulmón y la lubrica ción articular. La investigación en biomecánica busca incrementar el conocimiento sobre una estructura muy compleja —el cuerpo humano. Las actividades de investigación en biomecánica pue den dividirse en tres áreas: estudios experimentales, análisis de modelos e investigación aplicada. En biomecánica se realizan estudios experimentales para de nir las propiedades mecánicas de los materiales biológicos, entre ellos el hueso, el cartílago, el músculo, el tendón, el ligamento, la piel y la sangre en su totali dad o como las partes que los constituyen. Estudios teóricos que implican análisis de modelos matemáticos también han sido un componente importante de la investigación en la biomecánica. En general, un modelo que se basa en hallazgos experimentales puede utilizarse para predecir el efecto de los factores ambienta les y operativos sin recurrir a experimentos de laboratorio. La investigación aplicada en la biomecánica es el uso del conocimiento cientí co para el bene cio de los seres huma nos. Se sabe que la lesión y la enfermedad musculoesqueléti cas constituyen uno de los principales riesgos laborales en los países industrializados. Al aprender el modo en que el sistema musculoesquelético se ajusta a condiciones de trabajo comunes y desarrollar lineamientos para asegurar que el trabajo manual se adapte con más precisión a las limitaciones físicas del cuerpo humano y a sus movimientos naturales, es posible combatir estas lesiones. Conceptos básicos La biomecánica del sistema musculoesquelético hace necesa ria una buena comprensión de la mecánica básica. La termi

ESCALARES, VECTORES Y TENSORES

Casi todos los conceptos en la mecánica son escalares o vec toriales. Una cantidad escalar solo tiene magnitud. Conceptos como masa, energía, potencia, trabajo mecánico y tempera tura son cantidades escalares. Por ejemplo, resulta su ciente decir que un objeto tiene 80 kilogramos (kg) de masa. Una cantidad vectorial, en contraste, tiene tanto una magnitud como una dirección asociadas con ella. Fuerza, momento, velocidad y aceleración son ejemplos de cantidades vectoria les. Para describir una fuerza en su totalidad, debe indicarse la cantidad de fuerza y la dirección en la cual se aplica. La mag nitud de un vector también es una cantidad escalar. La magnitud de cualquier cantidad (escalar o vectorial) es siem pre un número positivo que corresponde a la medida numé rica de esa cantidad. Desde la perspectiva grá ca, un vector se representa con una echa cuya orientación indica la línea de acción, y la cabeza denota la dirección y el sentido del vector. Si en una misma ilustración debe mostrarse más de un vector, la lon gitud de cada echa tendrá que ser proporcional a la magnitud que el vector representa. Tanto escalares como vectores son formas especiales de una categoría más amplia que incluye a todas las cantidades de la mecánica denominadas tensores. Los escalares también se conocen como “tensores de orden cero”, en tanto los vectores son “tensores de primer orden”. Por el contrario, conceptos como esfuerzo y deformación son “tensores de segundo orden”. La fuerza puede de nirse como una anomalía o carga mecá nica. Cuando un objeto se empuja o jala se aplica una fuerza sobre el mismo. También se aplica una fuerza cuando se arroja o patea una pelota. Una fuerza que actúa sobre un objeto puede deformarlo, cambiar su estado de movimiento o producir ambos fenómenos. Las fuerzas pueden clasi carse de distintos modos de acuerdo con sus efectos sobre los obje tos a los que se aplican o según su orientación al compararlas entre sí. Por ejemplo, una fuerza puede ser interna o externa; normal (perpendicular) o tangencial; tensil, compresiva o de cizallamiento; gravitacional (peso), o friccional. Dos o más fuerzas que actúan sobre un mismo cuerpo pueden ser copla na-res (que actúan sobre la super cie de un plano bidimen sional), colineales (que tienen una línea de acción común), concurrentes (líneas de acción que se intersectan en un mismo punto) o paralelas. Tome en cuenta que el peso es una

VECTOR DE FUERZA SAMPLE