Biomecánica PDF

Tema 1 : CONCEPTO Y ÁREAS DE ESTUDIO 1. Concepto de Biomecánica FÍSICA (Gr. Naturaleza): Ciencia que estudia todos los fenómenos naturales. Descubrir y comprender las leyes básicas de la naturaleza, reduciéndolas a sus interrelaciones causa – efecto. Tendencia a la simpliﬁcación (Navaja de Occam) I V MECÁNICA (Gr. Herramienta): Ciencia o pseudociencia que trata de la inﬂuencia de las fuerzas en el caso estático y en el movimiento de los cuerpos y de la descripción de dicho movimiento + BIO (Referente a los seres vivos) II BIOMECÁNICA: Podemos considerarla como la disciplina que estudia los modelos, fenómenos y leyes que sean relevantes en el movimiento (incluyendo el estático) de los seres vivos Según diferentes autores la biomecánica es considerada de forma diferente, ya sea como:  Ciencia por si misma  Ciencia interdisciplinar  Conocimientos cientíﬁco-técnicos Deﬁniciones Establecer los principios y métodos de la aplicación mecánica al estudio de las estructuras y fundamentos de los sistemas biológicos. Pero ¿Nos aclara lo que aporta la mecánica? ¿es completa? Estudio del cuerpo humano como un sistema bajo dos conjuntos de leyes: las leyes de la mecánica Newtoniana y las leyes biológicas Mecánica y biología. Pero ¿solo el cuerpo humano y cómo un sistema? La biomecánica investiga los movimientos del hombre y de los animales desde la perspectiva de las leyes de la mecánica Es la ciencia de las leyes del movimiento en los sistemas vivos Pero ¿Solamente referente al movimiento? Conjunto de conocimientos interdisciplinares generados a partir de utilizar, con el apoyo de otras ciencias biomédicas, los conocimientos de la mecánica y distintas tecnologías en, primero, el estudio del comportamiento de los sistemas biológicos y, en particular, del cuerpo humano, y segundo, en resolver los problemas que le provocan las distintas condiciones a las que puede verse sometido Conclusión:  Nueva ciencia o conjunto de ciencias interdisciplinares  No solo estudia el movimiento sino el comportamiento de los seres vivos con objetos inanimados y la estática  Utiliza o Conocimientos mecánica o Diversas tecnologías o Ciencias biomédicas TECNOLOGÍA: Ha propiciado con su desarrollo la evolución de la biomecánica, permitiendo entre otros, tratar modelos matemáticos cada vez más complejos, lo que facilita una mejor aproximación a lo que acontece en la realidad Por lo que la relación entre biomecánica y tecnología es muy estrecha haciendo avanzar la una a la otra  Cinemática: parte de la biomecánica que describe los movimientos  Dinámica: Cuando el mov. Se relaciona con las fuerzas o Cinética: Cuando las fuerzas que actúan provocan el movimiento o Estática: Si las fzas implicadas mantienen el cuerpo en cuestión en equilibrio 2. Antecedentes históricos y precursores Aristóteles (384-322 a.C.)  Diferencia Movimientos: o Naturales o Violentos  Analizó el proceso de la marcha  Algunas observaciones parecen verdadera  Biomecánica deportiva  Grandes conocimientos del CG y el movimiento Arquímedes (287-212 a.C.)  Principios hidrostáticos  Determinación del CG. Leonardo Da Vinci (1452-1519)  Se interesó por la estructura del cuerpo humano y su relación  con lo que le rodea: o Estudio de las corrientes aéreas y la acústica o CG y equilibrio o Acción e interacción de los músculos Galileo Galilei (1564-1643)  Dio crédito al movimiento de la Tierra de Copérnico  Tuvo muchos problemas, en su época  Desacreditó conceptos de Aristóteles, como que la velocidad de la caída libre está en función del peso (importancia del método cientíﬁco)  Su mejor trabajo, contiene anotaciones de Biomecánica humana y Deportiva (caída libre y movimientos parabólicos en deporte)  Para algunos autores el fundador de la Biomecánica Rene Descartes (1596 - 1649)  Completa la aportación de Galileo a la descripción del movimiento de los cuerpos “GEOMETRÍA ANALÍTICA” Alfonso Borelli (1608-1679) “DE MOTU ANIMALIUM”  Los huesos son palancas y los músculos máquinas  Yatrofísica y Yatromecánica  Padre de la biomecánica del Sistema Locomotor Isaac Newton (1642-1727) “Philosohiae naturalis principia mathematica”  Uniﬁcó criterios y Teorías de otros cientíﬁcos  Formuló las Tres Leyes de Newton ± 384 a.C. – 1727 d.C. Hasta esta época queda estructurada la base de los conocimientos de la mecánica, pero sigue existiendo durante muchos años una falta de técnicas instrumentales y metodologías (tecnologías) adecuadas que permitan aplicarlas al estudio de los seres vivos. Es por esto que como veíamos en el punto 1.1, el desarrollo de la biomecánica ha estado íntimamente ligado al desarrollo de una serie de tecnología adecuada a la complejidad del objeto de estudio, así como de procedimientos con los que elaborar resultados a partir de la deﬁciente información experimental que era capaz de obtener. 1827 d.C. Posibilidad de registro del movimiento del hombre mediante el gran descubrimiento de la fotografía con la primera cámara fotográﬁca, construida por Nicéphore Niepce, con la que realizo fotografías de paisajes (8 horas de exposición) 1872 d.C. Primera obtención de una fotografía seriada por Muybridge y Marey, con un sistema de 24 cámaras electrofotográﬁcas de activación secuencial, para el análisis del galope del caballo 1873 d.C. Obtención de fotografía seriada para el estudio del movimiento humano por Marey, mediante un sistema parecido al de 1872 1886 d.C. – 1977 d.C. Archibald Vivian Hill – investigo la eﬁcacia mecánica de la contracción muscular, el consumo de oxígeno durante esfuerzo/recuperación y la producción de calor muscular 1929 d.C. Bernstein realiza los primeros estudios cinemáticos en tres dimensiones. Estudio los diferentes segmentos corporalesmcon el objetivo de analizar la coordinación de los movimientos, estableció el concepto de la “optimización de las sinergias musculares” Siglo XX A lo largo de este siglo la biomecánica evoluciona rápidamente, ayudada por la aparición de nuevos instrumentos y metodologías de registro 3. La biomecánica deportiva Final de la Segunda Guerra Mundial Al ﬁnal de este periodo de guerra y el inicio de la Guerra Fría, el deporte adquirió una nueva dimensión, y comenzó a disponerse de recursos y a favorecerse esfuerzos con el propósito de mejorar el rendimiento físico de los deportistas 1931 Instituto de Educación Física de Leningrado, se organiza el “Primer Ciclo de Conferencias sobre la Biomecánica de los Ejercicios corporales 1960 En Leipzig se organiza el “Primer Congreso Mundial de Biomecánica deportiva” 1968 Aparición de la primera revista especializada en biomecánica, el Journal of Biomechanics, con una orientación médica, en Nueva York 1970 En Londres aparece la Modern Trends in Biomechanics 1985 Aparece en EEUU el Journal of Sports Biomechanics, que pasa a denminarse más tarde Journal of Applied Biomechanics, con orientación deportiva 22 Olimpiadas de Moscú Se crea dentro de la comisión médica del COI una subcomisión de Biomecánica y Fisiología del Deporte Primeras becas en las Olimpiadas de Los Ángeles Objetivos:  Describir y mejorar las técnicas.  Evolución y mejora de las marcas fuera del doping Últimos años del S. XX La biomecánica deportiva deja de tener como único objeto de estudio al ser humano y empieza a estudiar también el medio y el material Un claro ejemplo es el calzado deportivo Conceptualización:  Nueva ciencia, una disciplina o conjunto de conociientos interdisciplinares  Estudia el comportamiento muy frecuentemente el movimiento, y los problemas del hombre, incluyendo su interacción con el medio y con los objetos inanimados, durante la práctica deportiva  Utiliza o Conciencia mecánica o Diversas tecnologías o Ciencias biomédicas  C. C. Deporte y AF.  Deﬁnición: Un conjunto de conocimientos interdisciplinares, que estudia el comportamiento del hombre, muy frecuentemente su movimiento, y sus problemas, durante la práctica deportiva. Para ello utiliza los conocimientos de la mecánica y distintas tecnologías y se apoya en otras ciencias biomédicas, especialmente las ciencias del Deporte y de Actividad Física 3.1. Objetivos de la biomecánica deportiva 1. En relación directa con el deportista  Describir las técnicas deportivas  Ofrecer nuevos aparatos y metodologías de registro  Corregir defectos en las técnicas y ayudar en el entrenamiento  Evitar lesiones, aconsejando sobre cómo ejecutar las técnicas deportivas de forma segura  Proponer técnicas más eﬁcaces 2. En relación directa con el medio  Minimizar las fuerzas de resistencia.  Optimizar la propulsión en diferentes medios  Estudiar las fuerzas de acción-reacción, sustentación y ﬂotación para optimizar el rendimiento deportivo  Deﬁnir la eﬁcacia en diferentes técnicas deportivas en función de las fuerzas de reacción del suelo  Estudiar las fuerzas de reacción del suelo en relación a lesiones deportivas 3. En relación con el material deportivo  Reducir el peso del material deportivo sin detrimento de otras características  Aumentar en algunos casos la rigdez, en tros la ﬂexibilidad, o la elasticidad del material  Aumentar la durabilidad del material  Conseguir materiales más seguros  Conseguir materiales que permitan lograr mejores marcas Para investigar en biomecánica. Aplicación del método cientíﬁco Se basa en el pensamiento racional y la experimentación 1. Reconocer una duda o problema. 2. Crear una hipótesis, de cual sea la respuesta. 3. Predecir consecuencias, tanto si es cierto como si erróneo. 4. Hacer experimentos para comprobar lo pronosticado. 5. Formular la regla que integre lo más básico: hipótesis, efectos predichos y determinaciones experimentales. 3.2. Áreas de Aplicación Terrenos de máximo desarrollo:  Médico  Deportivo  Ocupacional 1. Mejora de salud y calidad de vida 2. Rendimiento deportivo Creando y adaptando numerosos productos:  Instrumental quirúrgico  Sistemas de evaluación de la capacidad motriz humana  Seguridad de automoción  Mobiliario  Prótesis… 3.3. La biomecánica deportiva en España  En 1967 cuando José María Cagigal funda el INEF de Madrid, la biomecánica se encuentra dentro del plan de estudios  Previamente en otras muchas escuelas o institutos ya se introduce, ello sucede a principios de siglo  Es a partir de los 80 cuando experimenta un gran crecimiento debido a los INEFs de las distintas regiones españolas  IBV, sobre todo con equipamientos deportivos  DISCIPLINAS PRÓXIMAS A LA BIOMECÁNICA Puntos de referencia de la biomecánica deportiva en España:  Facultades de CCAFD.  INEFs.  CARs.  CEARs.  IB (Institutos de Biomecánica, IBV)  CNICD (Centro Nacional de Investigación y Ciencias del Deporte.  Laboratorios privados (Sportlab, …) Tema 2 : BASES MATEMÁTICAS Y FÍSICAS PARA EL ANÁLISIS HUMANO 1. Conceptos generales Medir El afán de medición del ser humano en sus diferentes dimensiones puede situar su origen en Egipto y Grecia con valoraciones antropométricas y el cálculo de determinados cánones de proporcionalidad  Consiste en atribuir un valor numérico cuantitativo a alguna propiedad de un cuerpo, como la longitud o el área.  Es comparar una magnitud con otra, tomada de manera arbitraria como referencia, denominada patrón y expresar cuántas veces la contiene.  Medir una magnitud signiﬁca compararla con la unidad de medida para ver cuantas veces está contenida esta última en la primera. o Al resultado de medir lo llamamos Medida Medida Es la operación, o conjunto de operaciones, mediante las cuales se determina cuantitativamente una magnitud física, ya sea comparándola con las magnitudes que se eligen como patrones o mediante la utilización de instrumentos calibrados. Así, el resultado de la medida es un valor que nos indica la relación entre la magnitud en estudio y el patrón que se tiene como unidad;…el símbolo numérico que expresa el resultado de la medida debe ir acompañado siempre de la unidad correspondiente. Al patrón de medir le llamamos también Unidad de medida. Debe cumplir estas condiciones: 1. Ser inalterable, esto es, no ha de cambiar con el tiempo ni en función de quién realice la medida 2. Ser universal, es decir utilizada por todos los países 3. Ha de ser fácilmente reproducible S.I. (Sistema internacional) Debe existir un convenio, sino obtendríamos diferentes medidas o no serían comparables. Tipos de errores: Calidad en las medidas se determina por:  La resolución: Nivel de detalle y ﬁnura de la medida. Varia en función del sistema utilizado  La precisión en la medida: Depende de la resolución y del sistema y forma de medida. Se puede juzgar en función de la repetibilidad  La exactitud: Como de cercano es el valor medio al valor real. Depende de la resolución y de la calibración del aparato de medida Características instrumentos de los medida  Validez: Grado en que un instrumento mide lo que se quiere medir.  Fiabilidad: Grado de estabilidad del instrumento de medida (el grado de coincidencia en sus resultados).  Objetividad: Grado de independencia del instrumento respecto a la persona que realiza la medición. Coincidencia de la misma medición efectuada por personas diferentes.  Fidelidad o precisión: Coincidencia entre lo marcado en la escala del aparato y la medida verídica.  Sensibilidad: Propiedad del aparato medidor por la cual para pequeñas variaciones de la cantidad a medir los desplazamientos del índice sobre la escala graduada son muy destacados. Magnitud Cuando distintos observadores cuentan los cambios que experimentan algunos objetos o sus propiedades, es frecuente comprobar que algunas de ellas no son interpretadas o relatados de la misma forma por todos ellos. Son resultados subjetivos, dependen del observador. Ej. La diﬁcultad de un problema. Sí una propiedad, la diﬁcultad, no se puede medir, no es una magnitud. Y si la observación de un fenómeno, no da lugar a una información cuantitativa, dicha información será incompleta. Así pues, llamaremos magnitudes, a las propiedades físicas que se pueden medir.  1ª Clasiﬁcación: o Tipos de magnitudes  Magnitudes Fundamentales (7): Longitud (m), Tiempo (s), Masa (Kg), Intensidad de corriente eléctrica (A), Temperatura (K), Cantidad de sustancia (mol), Intensidad luminosa (cd).  Magnitudes Derivadas: Se obtienen de la combinación de las fundamentales. Longitud / Tiempo = Velocidad  2ª Clasiﬁcación: o Tipos de magnitudes:  Magnitudes escalares: Son aquellas que quedan totalmente determinadas dando un solo número real y una unidad de medida. Ejemplos de este tipo de magnitud son la longitud de un hilo, la masa de un cuerpo o el tiempo transcurrido entre dos sucesos. Otros ejemplos de magnitudes escalares son la densidad; el volumen; el trabajo mecánico; la potencia; la temperatura  Magnitudes vectoriales: No se las puede determinar completamente mediante un número real y una unidad de medida. Por ejemplo, para dar la velocidad de un móvil en un punto del espacio, además de su intensidad se debe indicar la dirección del movimiento y el sentido de movimiento en esa dirección. Sus efectos dependen no sólo de la intensidad sino también de las direcciones y sentidos en que actúan. Ejemplos de magnitudes vectoriales son la aceleración; el momentum o cantidad de movimiento; el momentum angular  Vectores: o Def. “Símbolo gráﬁco con un punto de aplicación, una línea de acción o dirección, un sentido y un módulo”. o Puede calcularse gráﬁca o matemáticamente o Tipos:  Lineales (misma dirección) Mismo sentido o sentidos opuestos o Concurrentes (mismo pto. de aplicación pero diferentes direcciones) o Paralelos (si sus cuerpos son paralelos) tangente a = cateto opuesto/cateto contiguo Vectores VS disposición de ﬁbras ¿Condiciona la disposición de las ﬁbras musculares su efectividad en una determinada tarea? Sistemas de referencia: En mecánica un sistema de referencia o marco de referencia es un conjunto de convenciones usadas por un observador para poder medir la posición y otras magnitudes físicas de un objeto o sistema físico en el tiempo y el espacio. No es indiferente el punto desde donde mido Leyes de Newton: Primera ley o de inercia: Todo cuerpo permanece en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que otros cuerpos actúen sobre él. Segunda ley o principio fundamental de la dinámica La fuerza que actúa sobre un cuerpo es directamente proporcional a su aceleración. F = m ٠ a (cantidad de movimiento) p = m ٠ v Tercer ley o principio de acción – reacción: Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, éste ejerce sobre el primero una fuerza igual y de sentido opuesto Destacar que, aunque los pares de acción y reacción tenga el mismo valor y sentidos contrarios, no se anulan entre si, puesto que actúan sobre cuerpos distintos Tema 3: EL MOVIMIENTO HUMANO BASES DE LA MECÁNICA 1. Cinemática (lineal y angular) La cinemática discute las leyes básicas del movimiento, para describirlo:  Velocidad (espacio recorrido en la unidad de tiempo).  Aceleración (variación de la velocidad en la unidad de tiempo). En ambos casos podemos hablar de datos instantáneos o medios.  Para poder describir, generalizar y analizar exactamente el movimiento, la cinemática los supone de una forma idealizada como partículas puntuales sin masa Tipos de movimientos:  Translación Movimiento: Es la modiﬁcación en la posición (coordenadas espaciales) de un objeto, que se produce en un intervalo de tiempo determinado y que ocurre dentro de un sistema de referencia. Dependiendo de la técnica deportiva que queramos analizar utilizaremos un sistema tridimensional, bi-direccional o unidireccional o Movimiento rectilineo  Se considera una sola dimensión, como sería el caso de una carrera de 100 m lisos, cuya trayectoria es una línea recta  En la recta situamos un origen O, donde estará un observador que medirá la posición del móvil x en el instante t. Las posiciones serán positivas si el móvil está a la derecha del origen y negativas si está a la izquierda del origen  Concepto de desplazamiento o cambio de posición. Si la posición cambia de x a x´, entonces el desplazamiento es: Δx = x´ – x  La posición x del móvil se puede relacionar con el tiempo t mediante una función x=f(t)  Supongamos ahora que en el tiempo t, el móvil se encuentra en posición x, más tarde, en el instante t' el móvil se encontrará en la posición x'. Decimos que móvil se ha desplazado Δx=x'-x en el intervalo de tiempo Δt=t'-t, medido desde el instante t al instante t'  Los desplazamientos pueden ser tanto positivos como negativos dependiendo de la dirección de movimiento con respecto al origen  La distancia recorrida es la suma de los valores absolutos de los desplazamientos. Es decir, un móvil puede partir del origen y recorrer una distancia x y después volver al origen: el desplazamiento al cabo de todo el movimiento es cero mientras que la distancia recorrida es 2x. Solo en el caso de que los dos desplazamientos sean en el mismo sentido coincidirán desplazamiento y distancia recorrida.  Si cada vez que medimos la posición del móvil medimos simultáneamente el instante de tiempo, con respecto a un tiempo inicial de referencia, entonces podemos realizar lo que se denomina una gráﬁca posición-tiempo o gráﬁca o curva x – t Velocidad: Es un concepto de cambio de la posición de un móvil en el tiempo. Se pueden deﬁnir dos tipos de velocidad que nos dan dos tipos de informaciones distintas: velocidad media y la velocidad instantánea. Velocidad media = distancia recorrida / intervalo de tiempo Vm = (x´- x) / (t´- t) = Δx / Δt Aceleración: Al igual que la velocidad la aceleración es un concepto que también se usa para describir los cambios en la velocidad. Un movimiento en el cual cambia el valor de la velocidad con el tiempo es un movimiento acelerado. Supongamos que en un instante t la velocidad del móvil es v, y en el instante t' la velocidad del móvil es v'. Se denomina aceleración media entre los instantes t y t' al cociente entre el cambio de velocidad Δv=v'-v y el intervalo de tiempo en el que se ha tardado en efectuar dicho cambio, Δt=t'-t Una vez conocida la velocidad instantánea de un móvil en cada instante de tiempo podemos realizar un gráﬁco velocidad-tiempo o gráﬁca o curva v – t. o La aceleración media de un móvil durante un intervalo de tiempo determinado es el cambio de velocidad dividida por el intervalo de tiempo en el cual se ha realizado. o La aceleración en el instante t es el límite de la aceleración media cuando el intervalo Δt tiende a cero, que es la deﬁnición de la derivada de v.  Caída libre: o Un objeto pesado que cae libremente (sin inﬂuencia de la fricción del aire) cerca de la superﬁcie de la Tierra experimenta una aceleración constante o a=g y v0=0 o + el móvil baja y – el móvil sube  Tiro vertical: o Movimiento acelerado donde la aceleración es la de la gravedad y la dirección del movimiento, puede ser ascendente o descendente o a=g y vo ≠ 0 o + el móvil baja y – el móvil sube  Tiro parabólico: o Otro tipo de movimiento sencillo que se observa frecuentemente es el de una pelota que se lanza al aire formando un ángulo con la horizontal. Debido a la gravedad, la pelota experimenta una aceleración constante dirigida hacia abajo que primero reduce la velocidad vertical hacia arriba que tenía al principio y después aumenta su velocidad hacia abajo mientras cae hacia el suelo. Entretanto, la componente horizontal de la velocidad inicial permanece constante (si se prescinde de la resistencia del aire), lo que hace que la pelota se desplace a velocidad constante en dirección horizontal hasta que alcanza el suelo. Las componentes vertical y horizontal del movimiento son independientes, y se pueden analizar por separado. La trayectoria de la pelota resulta ser una parábola o En eje x:  v = constante  a=0 o En eje y:  a=g  vo ≠ 0  + el móvil baja y – el móvil sube  Rotación o Movimiento circular:  Este tipo de movimiento existe un eje de giro alrededor del cual el objeto o cuerpo se mueve de tal forma que es más conveniente describir el movimiento en términos de la variación del ángulo de situación del objeto desde un eje de referencia perpendicular al eje de giro   El movimiento circular es otro tipo de movimiento sencillo. Si un objeto se mueve con celeridad constante pero la aceleración forma siempre un ángulo recto con su velocidad, se desplazará en un círculo. La aceleración que está dirigida hacia el centro del círculo, se denomina aceleración normal o centrípeta. En el caso de un objeto que se desplaza a velocidad v en un círculo de radio r, la aceleración centrípeta es: ac = vt ² / r  La dirección de la velocidad cambia constantemente y, por tanto se tiene una aceleración. Se puede tener una aceleración debida al cambio en el módulo de la velocidad o debida al cambio en la dirección de la velocidad o bien debido a un cambio tanto de módulo como de dirección. Velocidad angular o tangencial: En el caso del movimiento circular de radio constante puede describirse el movimiento en función de su posición angular. Podemos describir la velocidad angular media: ωm = Δθ / Δt Podemos describir la velocidad angular instantánea (derivada): ωi = dθ / dt Espacio lineal recorrido: e=θ·r Si vt = ω · r y ac = vt ² / r entonces: ac = ω2 · r2 / r acp = ω² · r Aceleración angular: El ritmo de cambio de la velocidad angular. o Aceleración angular media: αm = Δω / Δt o Aceleración instantánea: αi = dω / dt Si la velocidad angular del objeto en rotación cambia entonces los puntos del objeto en rotación o el propio objeto experimentará una aceleración tangencial que valdrá: at = r · α 2. Dinámica  Estudia las causas de los diferentes tipos de movimientos.  Se abstrae de los tamaños, estructuras, detalles y formas de los objetos.  Pero tiene en cuenta la masa.  Al considerar la masa, introduce los conceptos de masa, fuerza, momento y energía Newton Isaac Newton demostró que la velocidad de los objetos que caen aumenta continuamente durante su caída. Esta aceleración es la misma para objetos pesados o ligeros, siempre que no se tenga en cuenta la resistencia del aire (rozamiento). Newton mejoró este análisis al deﬁnir la fuerza y la masa, y relacionarlas con la aceleración. o Para los objetos que se desplazan a velocidades próximas a la velocidad de la luz, las leyes de Newton han sido sustituidas por la teoría de la relatividad de Albert Eistein. o Para las partículas atómicas y subatómicas, las leyes de Newton han sido sustituidas por la teoría cuántica. o Pero para los fenómenos de la vida diaria, las tres leyes del movimiento de Newton siguen siendo la piedra angular de la dinámica (el estudio de las causas del cambio en el movimiento) o Leyes:  Primera ley o de inercia (equilibrio): Todo cuerpo permanece en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que otros cuerpos actúen sobre él.  Segunda ley o principio fundamental de la dinámica: La fuerza que actúa sobre un cuerpo es directamente proporcional a su aceleración. F=m·a (cantidad de movimiento) p = m · v  Tercer ley o principio de acción – reacción: Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, éste ejerce sobre el primero una fuerza igual y de sentido opuesto Masa La masa es una propiedad de los cuerpos por la cual tienen inercia, es decir, que tienden a estar en su estado de reposo o movimiento a velocidad constante por tiempo inﬁnito si no hay nada que los perturbe. Por lo que podemos decir que la masa es la medida de la inercia de un cuerpo. Aunque es frecuente que se deﬁna como la cantidad de materia contenida en un cuerpo, esta última deﬁnición es incompleta. Es decir, es una medida de la resistencia que un cuerpo ofrece a cambios de su velocidad. o Masa inercial: resistencia que ofrecen los cuerpos a ser acelerados o Masa gravitacional: la que hace que dos cuerpos se atraigan por el hecho de tener masa. Cuanto más cerca se encuentren los objetos con más fuerza se atraerán Fuerza Se denomina fuerza a cualquier acción o inﬂuencia capaz de modiﬁcar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo, es decir, de imprimirle una aceleración modiﬁcando su velocidad 1. La aceleración que experimenta un cuerpo es, por deﬁnición, proporcional a la fuerza que actúan sobre él 2. La constante de proporcionalidad entre la fuerza y la aceleración se denomina masa inercial del cuerpo Estas dos aﬁrmaciones se resumen en la Ley Fundamental de la Dinámica o Segunda Ley de Newton: F=m·a 2.1. Estática El siguiente paso para describir y explicar el movimiento es considerar que los cuerpos no son puntuales sino tienen un tamaño ﬁnito y, por tanto, una forma, pero que son indeformables. Concepto de sólido o rígido, cuerpo que no cambia de forma ni tamaño al ser sometido a una fuerza, es decir no se deforma. El concepto de cuerpo rígido con forma macroscópica lleva a los conceptos de centro de masas, momento angular y momento de fuerzas, y a la rama de la mecánica denominada ESTÁTICA  Estudio de las fuerzas que actúan sobre los cuerpos que están en equilibrio y que su centro de masas está en reposo.  Al considerar un sólido rígido, con tamaño ﬁnito se deben de introducir conceptos que nos permitan estudiar el equilibrio: o Momento de una fuerza: es el producto de dicha fuerza por la distancia perpendicular a un determinado eje de giro El momento de una fuerza con respecto a un punto da a conocer en qué medida existe tendencia en una fuerza o desequilibrio de fuerzas para causar la rotación de un cuerpo con respecto a éste. El momento tiende a provocar un giro en el cuerpo o masa sobre el cual se aplica y es una solicitación característica en elementos que trabajan sometidos a torsión (como los ejes de maquinaria) y en elementos que trabajan sometidos a ﬂexión (como las vigas) F= m x a o Momento de inercia o Momento angular o Centro de gravedad 2.1.1. Equilibrio: estabilidad del equilibrio, centro de presión y ajustes posturales Es un estado corporal donde distintas y encontradas fuerzas actúan sobre el cuerpo anulándose Desde un punto de vista más ﬁsiológico correspondería a una integración de la postura en un sistema funcional complejo dado por una acción coordinada y simultánea entre propioceptividad, tonicidad y exteroceptividad.  Así para la Biomecánica es: “mantener el cuerpo en unas posiciones determinadas, sin perderlas”  En sentido amplio es: “impedir la caída”  Por lo que hay que introducir conceptos como el de postura, estabilidad, base de sustentación, centro de presión, balance, y más afondo el de centro de masas y centro de gravedad Postura Representa la totalidad de posiciones, del cuerpo y extremidades, entre ellas y su orientación en el espacio Balance Es un término genérico que describe la postura dinámica del cuerpo para prevenir la caída. Es relativo a las fuerzas inerciales que actúan sobre el cuerpo y de la inercia de cada segmento del cuerpo Estabilidad Deﬁnido como la resistencia a perder el equilibrio o como la capacidad de mantener el centro de gravedad dentro de la base de sustentación ante estímulos externos. Va a depender principalmente de tres factores que son: o La base de sustentación en forma directamente proporcional o La distancia de la línea de gravedad al borde de la base de sustentación, siendo más inestable cuanto más se acerca al borde de la base de sustentación o Altura del centro de gravedad, donde una mayor altura del centro de gravedad representará mayor inestabilidad Estabiligrama Trazado superior, oscilaciones posturales derecha-izquierda; trazado inferior, oscilaciones posturales anterior-posterior. En abscisas, tiempo en seg.; en ordenadas, la amplitud de las oscilaciones en cm Base de sustentación Es la superﬁcie disponible para apoyar el peso del cuerpo. Área de apoyo es aquella superﬁcie sobre la que dichos pesos efectivamente se descargan. Se establece una interacción eﬁcaz de las distintas partes del cuerpo entre sí y la base de sustentación. La base de sustentación es la superﬁcie que los pies ocupan al tomar contacto con el suelo, y como se ubica el centro de gravedad de nuestro cuerpo proyectado como un punto dentro de esta superﬁcie De acuerdo el cuerpo se mueve, los desequilibrios nos obligan a correcciones motoras que nos aseguren que el centro de gravedad proyectado sobre la base de sustentación este siempre dentro de él. Si esto no sucede nos caemos. El ejemplo más claro de esto es la marcha. Caminar supone una constante perdida del equilibrio del cuerpo hacia delante adelantando un pie, frenando la inercia de la caída para nuevamente desequilibrarnos hacia delante y adelantar el otro pie. Así caminamos. Centro de presión Corresponde al punto de localización del vector de las fuerzas verticales de reacción del suelo. Representa el promedio de todo el peso que está en contacto con la superﬁcie del piso. Este es totalmente independiente del Centro de masas 2.1.2. Centro de masas y centro de gravedad EL CENTRO DE GRAVEDAD es el punto sobre el que se considera que se aplica la resultante de las fuerzas gravitatorias (peso) de todas las partículas que forman parte del cuerpo. EL CENTRO DE MASA es el punto del cuerpo rodeado por iguales cantidades de masa. ¿Cuándo varía el CG?  Transportando cualquier objeto  Ante alguna amputación  Evolución humana, bebe, niño, adolescente,…  En la luna 2.2. Cinética ¿Cuál es la causa del movimiento? Las fuerzas, son las responsables de que los cuerpos se muevan o modiﬁquen su mov. Interacción entre dos cuerpos Características de las fuerzas:  Momento de fuerza  Inercia (masa)  Aceleración  Impulso y cantidad de movimiento  Acción  Reacción 2.2.1. Fuerza y momento de una fuerza Momento de Fuerza Es el producto de la fuerza por el brazo de palanca (donde éste es la distancia mínima y perpendicular al eje de giro). M = F · l (longitud)  Brazo de palanca o 1er género: aquella palanca en la cual el fulcro o eje de giro se sitúa en el centro, entre la resistencia y la potencia. o 2º género: referido a aquella en la que la resistencia estará situada entre el eje de giro y la potencia. o 3er género: cuando la potencia se encuentra entre la resistencia y el punto de apoyo o eje de giro. 2.2.2. Ley de Inercia y 1ª Ley de Newton Inercia: Galileo – Newton. Propiedad que poseen los cuerpos de mantenerse quietos en reposo, o en movimiento rectilíneo con una velocidad constante.  A mayor inercia, más difícil será modiﬁcar su estado.  Relación masa – Inercia (m=I)  1ª Ley de Newton (ley de la inercia o Todo objeto continúa en su estado de reposo o de movimiento uniforme en línea recta a menos que sea obligado a cambiar ese estado por fuerzas que actúen sobre él Momento de Inercia: Equivaldría a la inercia angular. Un objeto que gira en torno a un eje, tiende a permanecer alrededor de ese eje, a menos que interﬁera alguna inﬂuencia externa ¿Qué eje del cuerpo humano posee menor momento de inercia?  Eje supero-inferior: Al estar alineado con la longitud del cuerpo (cabeza a pies), la masa del cuerpo (que es principalmente central) está relativamente más cerca del eje de rotación, lo que resulta en un menor momento de inercia. Este eje es el más adecuado para los movimientos de rotación rápidos, como al girar el cuerpo.  Eje latero-medial: Al rotar alrededor de este eje (como al realizar una voltereta lateral), las extremidades del cuerpo (brazos y piernas) están más alejadas del eje, lo que genera un momento de inercia mayor.  Eje antero-posterior: Al rotar alrededor de este eje (como en los giros de una pirueta), el momento de inercia es intermedio, ya que las piernas y los brazos también están relativamente alejados del eje, pero no tanto como en el eje lateral. El eje supero-inferior (de arriba hacia abajo) tiene el menor momento de inercia en el cuerpo humano. En el cuerpo humano todos los movimientos generados por los músculos son de tipo angular Brazo de resistencia Según la posición en la que se realiza un ejercicio cambia la longitud del brazo de resistenciay, por tanto, también la fuerza que deberán realizar los músculos. 2.2.3. Impulso, cantidad de movimiento y 2ª Ley de Newton Relación Fuerza – Aceleración  La aceleración de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza aplicada sobre éste  2ª Ley de Newton o Segunda ley o principio fundamental de la dinámica: La fuerza que actúa sobre un cuerpo es directamente proporcional a su aceleración. F=m x a p(cantidad de movimiento)=m x v Impulso y cantidad de movimiento (lineal y angular) La cantidad de movimiento es el producto de la INERCIA de un cuerpo por su velocidad. Si la inercia es lineal, ésta vendrá a ser la masa p=m x v Impulso: Para casos angulares, la cantidad de movimiento o momento angular, será la inercia por la velocidad angular de este cuerpo. L=I·ω El impulso mecánico es la fuerza ejercida por un objeto sobre otro durante un tiempo determinado. Im = F · ∆t Ley de conservación de la cantidad de movimiento  Mismas condiciones que la ley universal de la conservación de la energía  Se da siempre que NO haya fuerzas de resistencia  Si la fuerza resultante es cero, se conserva la cantidad de movimiento Im = ∆p 0= F · ∆t = pf - po 0 · ∆t = pf - po 0 = pf - po po = pf p inicial = p ﬁnal 2.2.4. 3ª Ley de Newton y conservación de la cantidad de movimiento Acción y reacción  Las fuerzas se producen por el contacto o interacción entre cuerpos.  3ª Ley de Newton (Ley de acción y reacción) 2.2.5. Fuerzas de rozamiento Fuerza de rozamiento  Surge del roce de dos cuerpos cuyas superﬁcies están en contacto, ya sea estático o en movimiento.  Es tangencial a la superﬁcie de contacto y de sentido contrario. Froz=µ x N µ = Coeﬁciente de rozamiento (entre 0 y 1)  Depende de: o De la superﬁcie de contacto o De la temperatura o De los contaminantes Fuerza normal Es una fuerza que ejerce la superﬁcie sobre el cuerpo, siempre perpendicular a la superﬁcie. Su intensidad depende de la presión ejercida por el cuerpo sobre la superﬁcie, su módulo es igual a las componentes perpendiculares a la superﬁcie de todas las fuerzas ejercidas por el cuerpo N=m·g Tema 4: EL MEDIO AÉREO Y EL ACUÁTICO 1. La resistencia Introducción  ¿En qué estados se da la materia? Sólido, líquido y gaseoso  ¿Cuáles son capaces de ﬂuir? ¿?Líquido y gaseoso  ¿Condiciona esto la práctica deportiva? Si  Si es así ¿se regirán por las mismas leyes? Si 1.1. Conceptos básicos: coeﬁciente de forma, capa límite y perﬁles Introducción Los ﬂuidos diﬁeren de los sólidos en que son incapaces de soportar una tensión de cizalladura o corte, es decir no pueden soportar una fuerza tangencial a su superﬁcie. Por lo que adaptan su forma al recipiente o cuerpo que interactúa con ellos. Al considerar los ﬂuidos en la discusión del movimiento hay que tener en cuenta dos aspectos:  El movimiento del ﬂuido  El movimiento de los cuerpos en los ﬂuidos Conceptualización Dinámica de ﬂuidos  Aerodinámica  Hidrodinámica Viscosidad ¿Qué es más viscoso el aire o el agua? El agua Conceptualización Sólo un ﬂuido puede tener viscosidad, nunca los solidos. Todos los ﬂuidos presentan una cierta resistencia al movimiento relativo de una parte con respecto a otra debido al rozamiento y a los choques entre moléculas. Dicha fuerza de rozamiento sería equivalente a las fuerzas de cizalladura en los sólidos. Consideremos un ﬂuido que se encuentra entre dos placas paralelas. Para conseguir desplazar la placa superior, de área A, a una velocidad constante v, se necesita ejercer sobre la placa una cierta fuerza F igual y de sentido contrario a la de rozamiento que está ejerciendo el ﬂuido para oponerse a dicho movimiento. Dicha fuerza se denomina fuerza viscosa. Si la fuerza que se está ejerciendo deja de actuar, entonces la placa se detiene. Como se observa en la ﬁgura, el ﬂuido se mueve pero el perﬁl de velocidades es tal que la velocidad del ﬂuido es máxima en las proximidades de la placa superior y mínima (velocidad cero) en las proximidades de la placa inferior. Este tipo de ﬂujo se denomina ﬂujo de Couette. La fuerza viscosa es proporcional a la velocidad (v) y al área (A) y es inversamente proporcional a la distancia entre los cuerpos (d), es decir, a la separación de las placas del ejemplo anterior. F = -η · A · v / d Donde η es el coeﬁciente de viscosidad, el cual disminuye a medida que aumenta la temperatura en los líquidos, mientras que en el caso de los gases es al contrario. Perﬁl:  Condiciona la fuerza a generar.  Su modiﬁcación favorecerá la efectividad de la fuerza generada.  Se explica en el Teorema de Bernoulli más adelante Angulo de ataque:  Borde de ataque: borde formado por el principio del perﬁl  Borde de salida: borde formado por el ﬁnal del perﬁl Resistencia  Def: “Conjunto de fuerzas que se oponen al movimiento de un cuerpo en el seno de un ﬂuido. Igual dirección y sentido opuesto, al desplazamiento”  En 1899, bici tras ferrocarril, 108 km/h  La resistencia al avance, tanto de aire como agua, tiene enorme importancia  La densidad del ﬂuido también condiciona la resistencia generada  El coeﬁciente de forma (Cx) o Determina la penetrabilidad en un ﬂuido  Ej. Los cascos de los ciclistas  Capa límite o Cambio de velocidad entre distintas capas de ﬂuido, se produce un gradiente de velocidades  Flujo laminar y ﬂujo turbulento o Ecuación de Reynolds Re = L · v · d /η L=longitud del cuerpo; v = Velocidad del cuerpo; d = densidad; η = viscosidad  Si Re>500.000 Régimen turbulento  Si Re Peso ===== Flota o Eh < Peso ===== No ﬂota  Para conseguir ﬂotar deberán aplicarse fuerzas en dirección vertical y sentido ascendente para tener “ﬂotabilidad activa”  Esta esta condicionada también por: o Raza o Género o Edad Tema 5: ENERGÉTICA DEL MOVIMIENTO: TRABAJO, POTENCIA Y ENERGÍA 1. Trabajo Necesidad de introducir una magnitud física que proporcione una medida del efecto de una fuerza que actúa a lo largo de una distancia, independientemente del tiempo (Impulso). Trabajo: se deﬁne por el producto del desplazamiento de un cuerpo por la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento. Hay que tener en cuenta que el espacio recorrido (d) es el que transcurre mientras la fuerza está actuando. W=F·d La unidad de medida del W es el Julio (J): cantidad de trabajo realizado por una F de 1 N que actúa durante una distancia de 1 m El trabajo es una magnitud escalar, que sólo tiene modulo y se mide en Julios (J). Por lo tanto, una fuerza produce trabajo siempre que tenga la misma dirección que el desplazamiento. W = (F · cos β) · d 2. Potencia Potencia: es la relación entre el trabajo realizado y el tiempo empleado en realizarlo. Se mide en vatios (w), siendo esta medida la relación de Julios / s. P=W/t Relación de la potencia con la velocidad: Si W = F · d Entonces P = W / t = F · d / t Si v = d / t Entonces P = F · v 3. Energía potencial, cinética y elástica Energía: es una medida del estado de un cuerpo en un instante determinado, caracterizada por su posibilidad de realizar un trabajo, es decir, el trabajo realizado se transforma en energía, por tanto ambas magnitudes se miden con las mismas unidades julios. O lo que es lo mismo la capacidad de producir trabajo. Tipos de energía:  E. mecánica (Em)  E. cinética (Ec)  E. potencial gravitatoria (Ep)  E. potencial elástica (Ee) Energía mecánica (Em) La capacidad de producir trabajo depende de su posición y movimiento. Es la suma de las energías cinética y potencial. Em = Ec + Ep Energía potencial (Ep) Es la capacidad para realizar un W, en función de la posición que ocupa un cuerpo en el espacio. Sólo tienen signiﬁcado los CAMBIOS. Es el producto del peso del cuerpo por la altura del centro de gravedad respecto a un plano de referencia arbitrario. Ep = F · h = m · g · h Energía cinética (Ec) Proviene del resultado de estado en movimiento de un cuerpo. También denominada la energía de movimiento. Se deﬁne como la capacidad que tiene un cuerpo de realizar un W en función de su estado de movimiento. Depende de la masa y de la velocidad: Ec = ½ · m · v2 Energía elástica (Ee) Es la energía que acumula un cuerpo, por el hecho de haber sufrido una deformación Ee = ½ · k · x² K: constante elástica; x: valor de contracción o elongamiento Ley de conservación de la Energía: La energía total de un sistema cerrado permanece constante. La energía ni se crea ni se destruye, sino que sólo se transforma. Et = Ec + Ep + Ee = Cte ¿Cuál es la relación entre el trabajo y la energía? Teorema del Trabajo y la Energía El trabajo neto realizado por todas las fuerzas que actúan sobre un objeto es igual al cambio en su energía cinética: Wneto = ΔEc = Ecf – Eci Donde:  Wneto: Es el trabajo total realizado sobre el objeto  Eci : Es la energía cinética inicial (½ m · vi 2)  Ecf : Es la energía cinética ﬁnal (½ m · vf 2) En física, la potencia y la energía están relacionadas a través del concepto de tiempo. La potencia es una medida de la tasa a la que se transﬁere o se transforma energía. Es decir, la potencia indica cuánta energía se utiliza, genera o transforma por unidad de tiempo. Deﬁnición de Potencia La potencia (P) se deﬁne como la razón entre la energía (E) transferida o transformada y el intervalo de tiempo (Δt) durante el cual ocurre el proceso: P=E/Δt Donde:  P: Potencia (en vatios, W).  E: Energía (en julios, J).  Δt: Tiempo (en segundos, s). Un vatio (W) es equivalente a un julio por segundo: 1W=1 J/s Relación Instantánea Si la potencia varía con el tiempo, se puede expresar como una derivada: P=dE/dt Esta relación indica la potencia instantánea, es decir, la tasa de transferencia de energía en un instante especíﬁco. Tipos de Potencia 1. Potencia mecánica: En sistemas mecánicos, la potencia se relaciona con el trabajo (W) realizado por una fuerza (F) y la velocidad (v) del objeto sobre el que actúa: P=W/ Δt=F x v Donde F y v son vectores, y el producto puede incluir un factor de cos θcosθ si no están alineados. 2. Potencia eléctrica: En sistemas eléctricos, la potencia depende de la diferencia de potencial (V) y la corriente (I): P=V x I Si la potencia es constante, la energía total transferida o transformada en un intervalo de tiempo se calcula como: E=P x Δt Si la potencia varía con el tiempo, la energía se encuentra integrando la potencia respecto al tiempo: E= ∫ P(t) dt Ejemplo Práctico Una bombilla eléctrica con una potencia de 60 W consume energía a una tasa de 60 J/s. Si la bombilla está encendida durante 2 h, la energía consumida es: E= P x Δt= 60 W x (2 x 3600 s) = 432,000 J = 432 kJ En resumen, potencia describe "cómo rápido" se transﬁere o transforma la energía en un sistema físico  Trabajo de rotación: es el producto del momento de fuerza exterior por el desplazamiento angular Wr = M · δ  Potencia de rotación: es el producto del momento de fuerza exterior por la velocidad angular. Pr = M · ω  Energía cinética de rotación: la capacidad de un cuerpo de producir trabajo de rotación depende de su momento de inercia y de su velocidad angular. Ecr = ½ I · ω²  El trabajo de rotación realizado por los momentos de fuerza exteriores es igual a la variación de su energía cinética de rotación. Wr = ΔEcr TEMA-6. : CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE LOS MATERIALES. 1. Deformación Es el resultado de la aplicación de una fuerza determinada a un material  Deformación Absoluta  Deformación Relativa Tipos de deformación 2. Elasticidad Ley de Hooke (s.XVII): las deformaciones son proporcionales a las cargas que se producen. F=K·x F = la fuerza en Newton (N) K = constante del muelle (N/m) x = el alargamiento en metros (m) x = l – li (longitud – longitud inicial) Tipos de comportamiento Curva de esfuerzo deformación: Módulo de Young Mide la pendiente de la región lineal de la curva de esfuerzodeformación en materiales sometidos a tracción o a compresión. A más verticalidad de la pendiente, más… será el material. 3. Flexibilidad  Libertad que ofrece un material a recibir esfuerzos de ﬂexión.  Flexión: esfuerzo que consiste en estirar un material por un extremo y comprimir por el otro.  Opuesto a Rigidez. 4. Rigidez, restitución y fatiga Rigidez  Es la propiedad de los materiales de resistirse a la deformación Restitución  Velocidad con la que un material recupera su posición original al dejar de recibir una carga. Fatiga  Tras repetidas aplicaciones de un esfuerzo, el esfuerzo máximo que puede soportar el material disminuye.  Cambio periódico del material.  Posibilidad de uso individualizado. 5. Otras características  Peso  Rozamiento  Dimensiones  Vibración 6. Características de los tejidos vivos Modelo mecánico del músculo según Hill Mecánica bioestructural Tejidos viscoelásticos:  Fluencia: (creep phenomenon) Un tendón sometido a una carga de tensión constante a lo largo del tiempo, experimenta una elongación rápida, pero con el paso del tiempo sigue elongándose a un ritmo mucho menor.  Relajación: (load relaxation) Si el ligamento es elongado por ejemplo 1mm y se mantiene la elongación constante, la carga necesaria para mantener esa elongación irá disminuyendo con el tiempo.  Inﬂuencia de la velocidad de aplicación de la carga: a mayor velocidad de aplicación de la carga, menor deformación.  Histéresis: al dejar de aplicar una carga al material, este no recupera su forma original por el mismo camino por el que se ha deformado. Al área comprendida entre el camino de la defomración y el de recuperación se le denomina histéresis y representa la cantidad de energía disipada por el material.  Fuerza elástica o Test de Bosco Comportamiento de los tejidos  Tejido contráctil  Tejido elástico  Combinación 7. Pavimentos deportivos  PAVIMENTOS = suelos de superﬁcie artiﬁcial.  SUELOS = superﬁcie natural o artiﬁcial, que hace que el  piso este sólido.  PAVIMENTOS DEPORTIVOS = suelo de superﬁcie artiﬁcial de uso exclusivo para la actividad física y el deporte Aspectos de diseño de los pavimentos con mayor inﬂuencia en la patología deportiva o Fricción entre calzado y pavimento =problemas de ligamentos o sobrecargas musculares o Amortiguación= impactos pie-suelo= trastornos degenerativos cartílago articular o fracturas óseas por fatiga Requisitos o Absorber impactos sin provocar vibraciones. o Absorber ruidos. o Tener una buena tracción (fricción). o No ser abrasivo: protección frente a caídas. o Uniformidad de comportamiento o De fácil mantenimiento. o Buenas características de luminosidad y color, sin provocar destellos Requisitos mecánicos o Debe superar un valor mínimo para evitar caídas y desequilibrios. o No debe de ser excesiva y permitir deslizamiento controlado.  Excesivo fricción + giro brusco = lesión (ligamentos cruzados) El rozamiento de los pavimentos deportivos ¿rendimiento versus protección? nvestigaciones = posible punto óptimo relación rendimiento y protección (biomecánica)

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