Práctica de Aula: Biomecánica Articular y Mecánica del Sistema Locomotor

Consigna 1. Leyes de Newton aplicadas a gestos motrices

A partir de la observación de las tres acciones motrices representadas a continuación:

Enuncie sintéticamente los principios de la dinámica de Newton e identifique la manifestación de al menos dos de ellos en los ejercicios ilustrados (carrera atlética, levantamiento de pesas en banco plano y dribleo de baloncesto).

Consigna 2. Morfología muscular y orientación de la fuerza

La morfología, disposición estructural y función contráctil de los músculos forman una unidad funcional indisociable. De acuerdo con la disposición de sus fibras, los músculos pueden clasificarse en fusiformes, bipenniformes, convergentes, etc. Puesto que el acortamiento de las fibras determina la línea de acción de la fuerza y esta se transmite tanto en serie como en paralelo hacia las inserciones tendinosas, analice la siguiente figura e interprete el sentido y la orientación de los vectores de fuerza resultantes en cada morfología:

1.

2.

3.

4.

5.

Consigna 3. Descomposición de la fuerza del músculo deltoides

En la siguiente ilustración se esquematiza la fuerza $F$ desarrollada por el músculo deltoides cuando el brazo se sostiene en abducción horizontal a $90^\circ$ respecto al tronco. Dicha fuerza forma un ángulo de $15^\circ$ con el eje diafisario del húmero:

a.

Sabiendo que el módulo de la fuerza desarrollada por el deltoides es $F = 500\text{ N}$, calcule los módulos de sus componentes rectangular vertical ($F_y$) y horizontal ($F_x$).

b.

Explique cuál es la función biomecánica primordial que cumple la componente vertical $F_y$.

Consigna 4. Concepto físico y biomecánico de momento o torque

Redacte con precisión físico-matemática el concepto de momento de una fuerza (o torque). Complemente la definición relacionándola con los ejemplos cotidianos y articulares mostrados a continuación:

a.

Definición físico-matemática del momento de una fuerza ($\,\vec{M}$ o $\,\vec{\tau}\,$, fórmula y significado de sus términos):

b.

Relación con el ejemplo de la puerta giratoria:

c.

Relación con el ejemplo articular del codo:

Consigna 5. Momentos articulares del miembro superior con carga

Un sujeto sostiene con la mano una esfera cuyo peso es de $50\text{ N}$. Las distancias articulares medidas a lo largo del miembro superior son las siguientes:

Desde el eje del hombro ($O$) hasta el codo ($O'$): $28\text{ cm}$.

Desde el codo ($O'$) hasta la muñeca ($O''$): $23\text{ cm}$.

Desde la muñeca ($O''$) hasta el centro de gravedad de la esfera: $7{,}5\text{ cm}$.

a)

Calcule el momento de fuerza producido por la bola sobre el hombro, el codo y la muñeca cuando el brazo se encuentra extendido en abducción horizontal completa ($90^\circ$).

b)

Calcule los momentos de fuerza sobre las mismas tres articulaciones cuando el miembro superior se halla a $30^\circ$ respecto a la vertical.

c)

¿En cuál postura y sobre qué articulación se registra el mayor momento de fuerza?

d)

¿Qué relación general existe entre el módulo del momento de una fuerza y la distancia perpendicular a la línea de acción respecto al eje de rotación?

Consigna 6. Momento flexor cervical según el ángulo de inclinación

De acuerdo con el estudio de K. Hansraj (2014) sobre la columna cervical, la cabeza humana posee una masa aproximada de 5,00 kg, generando una fuerza peso vertical hacia abajo de 49 N. Al mantener una postura erecta (0°), el peso recae en compresión axial sobre la columna. No obstante, al utilizar dispositivos móviles, la cabeza se flexiona hacia delante incrementando el brazo de palanca y la demanda muscular sobre los extensores del cuello.

Considerando una longitud efectiva del cuello de 20 cm (0,20 m) respecto a la bisagra cervicodorsal, determine el momento flexor ejercido por el peso cefálico para los siguientes ángulos de inclinación: 0°, 15°, 30°, 45° y 60°.

a)

b)

c)

d)

e)

7. Consigna 7. Elementos y géneros de palanca anatómicos

Una palanca mecánica está conformada por un punto de apoyo o fulcro ($O$), una barra rígida ($B$), una fuerza de potencia ejercida por los músculos ($F_p$) y una fuerza resistente o carga ($F_r$). En el sistema locomotor, estos componentes corresponden a la articulación, el hueso, la fuerza muscular y la carga externa o peso corporal, respectivamente.

A partir de la figura anterior, identifique para cada caso (1, 2 y 3) los elementos de la palanca (marcando fulcro, potencia y resistencia) y determine el género correspondiente.

1.

Caso 1 (Articulación atlanto-occipital):

2.

Caso 2 (Elevación sobre la punta de los pies / flexión plantar):

3.

Caso 3 (Flexión del codo):

Consigna 8. Conceptos fundamentales de mecánica y deformación elástica

Las propiedades elásticas y resistentes determinan la capacidad del sistema locomotor para absorber impactos y transmitir movimiento sin daño tisular. Complete y defina con claridad conceptual los siguientes términos de la mecánica de materiales aplicados a la biología:

a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

Consigna 9. Modelo de Hill de la arquitectura musculoesquelética

El modelo mecánico propuesto por A. V. Hill (1957) representa las propiedades viscoelásticas y activas del músculo esquelético mediante un conjunto de elementos mecánicos dispuestos en serie y en paralelo:

¿Qué estructuras histológicas y tisulares están representadas por cada uno de los cuatro componentes del esquema? Describa el comportamiento y rol de cada una durante la contracción y el estiramiento muscular tomando como referencia el elemento contráctil.

a)

b)

c)

d)

Consigna 10. Diagrama de tensión pasiva y comportamiento viscoelástico

La ley de Hooke estipula que, en un resorte ideal, la deformación es linealmente proporcional a la fuerza aplicada. En el músculo esquelético en reposo, la respuesta a la tensión pasiva es generada primordialmente por las estructuras de tejido conectivo elástico.

A partir del análisis del diagrama de longitud-tensión del músculo en reposo, describa y analice la relación entre las variables longitud ($l$) y tensión ($\\sigma$), contrastándola con la ley de Hooke lineal.

Consigna 11. Curva longitud-tensión del sarcómero y puentes cruzados

La generación de tensión activa dentro del sarcómero depende del grado de solapamiento entre los filamentos gruesos (miosina) y finos (actina).

a.

¿En qué sentido de la gráfica se produce el acortamiento concéntrico del sarcómero y el aumento inicial de la tensión muscular?

b.

¿Qué ocurre funcionalmente con la tensión cuando la longitud del sarcómero es superior a $3{,}65\ \mu\text{m}$ o inferior a $1{,}65\ \mu\text{m}$?

c.

¿Qué fenómeno se produce cuando todos los puentes cruzados posibles se encuentran acoplados a la actina?

Consigna 12. Superposición de curvas de tensión activa, pasiva y total

Al integrar la respuesta elástica pasiva del tejido conectivo con la respuesta contráctil del sarcómero, se obtiene la curva global de tensión-longitud de un músculo esquelético entero:

Identifique con precisión qué representan las curvas a, b y c, y especifique su vinculación con los tejidos contráctiles y no contráctiles del músculo.

Curva a:

Curva b:

Curva c: