Nordin_Bases biomecánicas.5ed

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CAPÍTULO 1

IntroduccIón a la bIomecánIca: termInología y conceptos básIcos

en la dirección de las fuerzas aplicadas. La aplicación de una carga de cizallamiento di ere de la tensión y la compresión en el sentido de que deriva de fuerzas que actúan en direcciones tangenciales al área que resiste las fuerzas, y producen cizalla miento, en tanto la tensión y la compresión son causadas por fuerzas colineales que se aplican en dirección perpendicular a las áreas sobre las que actúan. Es común denominar fuer zas normales o axiales a las fuerzas tensiles y compresivas; las fuerzas de cizallamiento son fuerzas tangenciales. Los objetos también se deforman cuando se les sujeta a fuerzas que cau san exión y torsión, que se relacionan con las acciones de momento y torque de las fuerzas aplicadas. Un material puede responder de manera distinta a dife rentes con guraciones de aplicación de carga. Para un mate rial determinado pueden existir diferentes propiedades físicas que deben considerarse al analizar su respuesta a la aplicación de una carga tensil, en comparación con la aplicación de una carga compresiva o cizallamiento. Las propiedades mecánicas de los materiales se de nen por medio de análisis de esfuerzo, al someterlos a distintos experimentos como las pruebas uniaxiales de tensión y compresión, torsión y exión. Considere el hueso completo de la gura 1-3A, que se encuen tra sujeto a un par de fuerzas tensiles de magnitud F. El hueso está en equilibrio estático. Para analizar las fuerzas inducidas dentro del hueso, puede aplicarse el método de secciones al cortarlo de manera hipotética en dos partes a la altura de un plano perpendicular a su eje longitudinal. Puesto que el hueso en su totalidad se encuentra en equilibrio, ambos trozos deben también estar en equilibrio. Esto obliga a que en la sección de corte de cada trozo exista una fuerza interna que sea igual en magnitud pero opuesta en dirección a la fuerza externa apli cada ( g. 1-3B). La fuerza interna se distribuye sobre toda el área de la sección de corte, y F representa la resultante de la fuerza distribuida ( g. 1-3C). La intensidad de esta fuerza dis tribuida (fuerza por unidad de área) se conoce como esfuerzo. Para el caso que se muestra en la gura 1-3, toda vez que la fuerza resultante en la sección de corte es perpendicular al plano del corte, al esfuerzo correspondiente se le denomina esfuerzo normal o axial. Es habitual utilizar el símbolo σ (sigma) para hacer referencia a los esfuerzos normales. Si se asume que la intensidad de la fuerza distribuida en la sección de corte es uniforme en toda el área transversal A del hueso, entonces σ = F/A. Los esfuerzos normales que son producto de fuerzas que tienden a estirar (elongar) los materiales se cono cen de manera más especí ca como esfuerzos tensiles; los que tienden a encogerlos se conocen como esfuerzos compresivos. De acuerdo con el sistema internacional de unidades estanda rizadas (SI, por sus siglas en inglés; ver apéndice), los esfuerzos se miden en Newtons por metro cuadrado (N/m 2 ), lo que tam bién se conoce como Pascales (Pa). ESFUERZO NORMAL Y ESFUERZO DE CIZALLAMIENTO

F

F

A

A

F

F

B

A F

σ = —

F

C

FIGURA 1-3 Definición de esfuerzo normal. Reimpresa con autorización de Özkaya, N. (1998). Biomechanics. En W. N. Rom (Ed.). Environmental and Occupational Medicine (3rd ed., pp. 1437 1454). Philadelphia, PA: Lippincott-Raven.

Existe otra modalidad de esfuerzo, el esfuerzo de cizalla miento, que es una medida de la intensidad de las fuerzas internas que actúan en dirección tangencial (paralela) a un plano de corte. Por ejemplo, considere el hueso completo de la figura 1-4A. El hueso se encuentra sujeto a distintas fuer zas paralelas que actúan en planos perpendiculares a su eje longitudinal. Asúmase que el hueso se corta en dos partes a través de un plano perpendicular a su eje longitudinal (fig. 1-4B). Si el hueso completo se encuentra en equilibrio, cada una de sus partes también debe estarlo. Esto obliga a que exista una fuerza interna en la sección de corte que actúe en una dirección tangencial a la superficie de corte. Si se conoce la magnitud de las fuerzas externas, entonces puede calcularse la magnitud F de la fuerza interna al considerar el equilibrio traslacional y rotatorio de una de las partes que constituyen el hueso. La intensidad de la fuerza interna tan gencial a la sección de corte se conoce como esfuerzo de cizallamiento. Es habitual utilizar el símbolo τ (tau) para hacer referencia a los esfuerzos de cizallamiento (fig. 1-4C). Si se asume que la intensidad de la fuerza tangencial a la sec ción de corte es uniforme en el área transversal A del hueso, entonces τ = F/A. SAMPLE