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El Sistema Biomecánico



    1. El sistema
    2. Modelos
      biomecánicos
    3. Clasificación de los
      modelos en biomecánica

    Cuando comenzamos el estudio de la Biomecánica
    como encontramos en los textos el concepto de
    Sistema
    Biomecánico utilizado para caracterizar de cierta
    forma algunos enfoques que tiene que ver con el cuerpo
    humano.

    Este es definido como una copia simplificada, un
    modelo del
    cuerpo humano en el cual se pueden estudiar las leyes de los
    movimientos [ 3 ].

    En realidad no es otra cosa que un modelo del cuerpo
    humano o de algunas de sus partes, propuesto para analizar
    conceptos desde un punto de vista simple de la Maquinaria y
    Mecanismos o de la Mecánica Teórica.

    Este ese un concepto novedoso aplicado al estudio de
    la biomecánica y que tuvo su origen el los trabajos de
    autores motivados por la aparición de la cibernética como ciencia [2
    ]. En la actualidad se ha comenzado a emplear con mucho
    énfasis el modelaje de los movimientos humanos, de su
    cuerpo, sus partes y componentes.

    Es por eso que en este trabajo
    pretendemos dar una noción de algunos conceptos que
    están relacionados con el modelaje y que servirán
    para aclarar y actualizar los existentes.

    Palabras claves: biomecánica, sistema,
    modelos

    El
    sistema

    Desde hace algún tiempo se ha
    venido utilizando dentro de las ciencias el
    enfoque sistemático y para la biomecánica no ha
    pasado por alto, aún cuando no nos damos cuenta de su
    manifestación.

    Para la biomecánica resulta muy beneficioso este
    enfoque sobre todo en el estudio de los movimientos del hombre como
    leyes que rigen su dirección.

    El nacimiento de la Cibernética, como ciencia de
    la dirección o control, se puede
    establecer en el año 1942, durante la celebración
    de un congreso sobre la inhibición cerebral en Nueva York.
    De aquí surgió la idea de la necesidad de un
    intercambio de conocimientos entre fisiólogos y
    técnicos en control [1].

    Esta ciencia comenzó a nombrarse así a
    partir de la publicación del libro de
    Norbert Wiener "Cibernética o dirección y enlace en
    el animal y en las máquinas"
    (1948).

    Entre sus conceptos fundamentales se
    encuentran:

    Sistema: Es cualquier todo, agrupado y formado
    por partes componentes interactuantes. Es decir, un conjunto de
    componentes, interrelacionados entre sí, que actúan
    bajo determinadas leyes.

    Estado del sistema: Es el valor
    determinado de sus características en un momento
    dado.

    Conducta del sistema: Es el cambio de sus
    estados, la variación de la magnitud de sus
    características.

    Dirección del sistema: Es la
    transición del sistema a un nuevo estado
    determinado con anticipación (el logro de un objetivo).

    El sistema de movimientos se estudia en la siguiente
    sucesión bajo este enfoque:

    • De qué partes componentes está formado
      y cómo están agrupados esas partes
      (composición y estructura).
    • Cuáles son las características de sus
      movimientos (estado del sistema).
    • Cómo se produce el proceso de
      movimiento,
      según los datos de
      registro de
      las características (conducta del
      sistema).
    • Cuáles acciones y
      de qué forma conducen al logro del objetivo
      (dirección del sistema).

    En la Cibernética se han determinado tres
    aspectos que dan solución a estas tareas:

    1. La Cibernética analiza las particularidades
      generales de los sistemas
      dirigidos y de los procesos
      de dirección.
    2. La Cibernética aplicada o experimental
      soluciona fundamentalmente las tareas prácticas
      mediante el modelaje; su empleo en
      las cuestiones de la técnica deportiva está en
      sus comienzos.
    3. La Cibernética técnica estudia y
      construye instalaciones técnicas que transforman la información con el objetivo de hacerla
      más óptima (aparatos de información
      inmediata). Estas instalaciones se emplean en la enseñanza y el entrenamiento.

    La biomecánica actual se desarrolla en este
    sentido, que incluye todo lo clásico y su desarrollo
    ulterior dentro del enfoque
    sistemático-estructural.

    La cibernética aplicada utiliza la
    simulación para el análisis de los sistemas, sobre todo,
    aquellos sistemas dinámicos (varían con el
    tiempo).

    La simulación
    es una técnica (normalmente numérica) que se
    utiliza para realizar experimentos a
    partir de un modelo que describe el comportamiento
    de las componentes del sistema y su interacción en el tiempo.

    A partir del modelo de simulación se imita el
    desarrollo del sistema en el tiempo, considerando todos los
    factores que le acompañan (optimización) y
    realizando una analogía entre el modelo y el sistema real
    en condiciones naturales (validación).

    La optimización consiste en asegurar al sistema
    una trayectoria óptima. Resulta imposible optimizar un
    modelo sino se conoce profundamente las leyes que rigen su
    comportamiento.

    La validación es hacer que el modelo sea lo
    más semejante al real en funcionamiento.

    Es por eso que: "La biomecánica estudia en el
    cuerpo humano, en su aparato locomotor preferentemente aquellas
    particularidades de la estructura y funciones que
    tienen importancia para el perfeccionamiento de los movimientos.
    Sin detenerse en los detalles de la estructura anatómica y
    de los mecanismos fisiológicos del aparato locomotor,
    analiza un modelo simplificado del cuerpo humano: el sistema
    biomecánico. Este sistema posee las propiedades
    fundamentales, que resultan esenciales para la ejecución
    de la función
    motora, pero no posee gran cantidad de detalles parciales"
    [4].

    El sistema biomecánico puede ser activo,
    de todo el cuerpo, del aparato locomotor y pasivo, de los
    órganos internos, de los tejidos blandos y
    de los líquidos [3]. Esta es una forma de clasificar los
    posibles modelos del
    cuerpo humano, como un sistema autodirigido, que pueden tenerse
    en cuenta para estudiar al cuerpo completo y sus
    partes.

    Modelos
    biomecánicos

    El modelaje del cuerpo humano, de sus partes y tejidos
    ha comenzado a aparecer como un método
    importante para estudiar problemas
    específicos de la mecánica humana.

    Estos modelos se emplean:

    1. Figura No. 1: Modelos de los
      miembros como palancas [2]

    2. Para aplicar las leyes de la Mecánica y la
      Teoría de Maquinaria y Mecanismos. Por
      ejemplo, cuando analizamos a un miembro del cuerpo humano como
      palanca, estamos utilizando un modelo de ese miembro donde se
      pueden considerar uno o varios músculos que son los encargados de mover
      o estabilizar al miembro y su carga
      mecánica.
    3. Para la simulación en computadora.
      Con ayuda de los modelos, programas
      especializados y la acumulación de datos, ha comenzado a
      emplearse como un método de la biomecánica. En la
      actualidad existen programas creados especialmente para la
      simulación a partir de modelos del cuerpo
      humano.

    Un ejemplo es modelo músculo-esquelético
    SIMM (Modelo del cuerpo completo o de sus partes),
    diseñado a partir de un hombre adulto. Este modelo posee
    86 grados de libertad,
    117 articulaciones y 344 actuadores que representan
    a músculos y tendones. Las articulaciones tienen gran
    exactitud cinemática.

    a —————— b

    Figura No. 2: Modelos para la simulación en
    computadoras

    a – del cuerpo completo y

    b – de los miembros inferiores durante el
    pedaleo

    La Figura No. 2 b corresponde a una imagen de la
    animación del pedaleo en ciclismo. En
    cualquier instante las fibras rojas están representando a
    los músculos motores que son
    los encargados del movimiento de la pierna y las fibras oscuras
    representan a los músculos antagonistas.

    La simulación con modelos posee ciertas ventajas
    cuando se desea experimentar al sistema de movimientos del hombre
    en determinadas condiciones, ya que permite:

    1. El estudio y análisis del comportamiento de
      sistemas en los cuales sería muy costoso o imposible
      experimentar directamente en ellos.
    2. Estudiar los aspectos que sobre un sistema
      determinado tendría ciertos cambios o innovaciones sin
      necesidad de arriesgar a estudiarlos en el sistema
      real.
    3. El análisis de determinadas alternativas
      para seleccionar sistemas de nueva
      implantación.
    4. Resolver problemas analíticos complicados de
      una forma más sencilla.

    Clasificación
    de los modelos en biomecánica

    El modelaje en biomecánica puede ser dividido en
    dos grandes grupos, cada uno
    de los cuales posee subgrupos:

    1. Físico
    2. 1.1 Modelos a escala

      1.2 Maniquí
      antropométrico

    3. Matemático

    2.1 Modelos de elementos deformables

    1. Modelos de cuerpo rígido

    El modelo físico es bastante caro y
    no puede ser fácilmente modificado. Estos modelos
    desarrollan un importante papel en la
    investigación biomecánica.

    El modelo a escala es utilizado cuando es
    extremadamente dificultoso resolver las ecuaciones de
    movimiento. Casi todos los estudios donde interviene la
    mecánica de fluido y el cuerpo humano se desarrolla
    mediante este tipo de modelaje. Por ejemplo, este tipo de modelo
    se ha utilizado para estudiar el vuelo de los saltadores en
    esquís y el efecto de la resistencia del
    aire sobre los
    corredores.

    Los maniquíes antropométricos se
    usan para pruebas
    destructivas o dañinas. Se utilizan con mucho acierto en
    pruebas de la aviación y automovilísticas. Son
    modelos extremadamente caros debido a los sensores que son
    necesarios colocarles para hacer las mediciones deseadas y se ven
    sometidos a grandes cargas que pueden destruirlos.

    Figura No. 3 Maniquíes
    antropométricos (hombre y mujer)

    Estos maniquíes fueron utilizados
    para estudiar

    las lesiones de columna vertebral en
    accidentes

    automovilísticos

    El modelaje matemático son muy
    utilizados en la biomecánica y especialmente en el
    deporte debido al
    desarrollo de las computadoras
    digitales de alta velocidad que
    pueden resolver ecuaciones matemáticas rápidamente.

    Otra ventaja de este tipo de modelaje se debe a la
    relativa facilidad para modificar las representaciones
    matemáticas del cuerpo y lo económico de simular
    los sistemas biomecánicos.

    Se emplean para modelar además del cuerpo humano,
    sus segmentos y sus componentes (huesos y
    tejidos).

    Los modelos de elementos deformables pueden ser
    de parámetro mezclados, parámetros discretos y
    elementos finitos o continuos.

    El modelo de parámetro mezclados es aquel
    en que las subunidades están concentradas y aproximadas
    con muelle, masas y/o amortiguadores, dependiendo de la
    característica de la respuesta dinámica.

    Figura No. 4 Modelaje a
    parámetros mezclados

    En el modelo de parámetro discreto se
    alternan cuerpos rígidos y deformables. Como ejemplo de
    este tipo tenemos la representación de la columna
    vertebral , donde las vértebras son los cuerpos
    rígidos.

    En los modelos de elementos finitos las
    componentes del sistema son finamente subdivididas en unidades
    homogéneas tal que la geometría
    pueda ser modelada con mayor precisión.

    Este tipo de modelo se ha utilizado para estudiar en los
    huesos la distribución de la carga y en la columna
    vertebral para conocer el comportamiento mecánico de los
    discos intervertebrales

    Mientras más pequeñas subdivisiones se
    empleen mejor será el modelo, ya que se acercará
    más a una representación continua.

    En los modelos continuos las componentes del
    sistema son retratadas en forma continua. Ellos se emplean para
    estudiar el momento flexor, fuerzas de cizalladura y de
    compresión de la columna vertebral y los
    miembros.

    Los modelos de cuerpo rígido pueden
    emplearse para definir la configuración del cuerpo humano.
    Estos modelos son muy utilizados cuando se simula colisiones,
    caída
    libre y destrezas e n el deporte.

    Los moldeos de respuesta a colisiones del cuerpo
    completo
    han tenido una gran línea de evolución ya que han ayudado al desarrollo
    de análogos al humano, adecuados para estudiar la
    respuesta del cuerpo completo a la colisión.

    En la Figura No. 5 se muestra un modelo
    de respuesta a colisiones desarrollado como muestra en el
    simulador Working Model 2D.

    Observe que el sistema moto-hombre está a punto
    de caer.

    Este es un simulador que permite la construcción de cualquier tipo de modelo
    para su estudiar su comportamiento. Se ha utilizado muy poco para
    el estudio del movimiento humano

    Figura No. 5: Modelo de respuesta
    .

    a colisiones

    Los modelos a parámetro inercial
    comenzaron a utilizarse a partir del año 1960 debido al
    desarrollo de los vuelos cósmicos, donde se empleaban en
    los modelos de cuerpo rígido parámetros inerciales
    en un intento de anticipar los problemas de reorientación
    que pudieran aparecer durante los trabajos orbitales. Estos
    modelos se ha ido refinando con el tiempo y casi todos poseen los
    siguientes aspectos comunes:

    • Los segmentos del cuerpo son considerados
      rígidos, de densidad
      uniforme y de forma geométrica simple.
    • El miembro rígido rota sobre ejes
      fijos.
    • La deformación del tejido y la
      localización asimétrica de los órganos
      internos son despreciables.

    El modelo de Hanavan a parámetro inerciales
    constituye uno de los modelos matemáticos más utilizados y
    está compuesto de 15 segmentos.

    Este modelo originalmente fue concebido para calcular
    las propiedades inerciales del cuerpo completo en una
    posición específica y el programa permite
    obtener además la longitud, masa, localización del
    centro de masa y momentos de inercia principales de los 15
    segmentos [5].

    Para especificar las dimensiones de los segmentos se
    utilizaron 25 mediciones antropométricas en
    sujetos

    Figura No. 6: El modelo de Hanavan
    (1964)

    es un ejemplo de modelo a
    parámetro inercial

    En los últimos años el desarrollo de
    la computadora
    y de programas cada vez más sofisticados permiten la
    creación de modelos del cuerpo humano cada ves más
    complejos. A continuación mostramos un ejemplo de
    ello.

    Figura No. 7: Modelo para
    animación virtual

    mediante la captura del movimiento
    humano

    Esta nueva técnica para la animación de
    actores (y por qué no del deportista) virtuales
    está basada en tecnología de
    sensores magnéticos y guantes-datos VR.

    Dos clases de aplicaciones pueden ser realizadas, la
    primera, aplicación en tiempo real utilizando la
    captura del movimiento y reproduciendo dicho movimiento en
    un ambiente
    virtual; y la segunda, el registro de gestos y acciones motoras
    que demandan más esfuerzo computacional.

    Por último se hace necesario aclarar que los
    modelos matemáticos son los más usados y para su
    utilización es necesario tener en cuenta los
    parámetro de los segmentos del cuerpo
    humano, que han sido investigados por varios
    científicos, ya no sería posible entonces la
    aplicación de la mecánica de Newton al
    movimiento del hombre.

    Bibliografía

    1. Álvarez-Buylla Valle, Mercedes Modelos
    económicos-matemáticos II

    Editorial ISPJAE, Ciudad de la Haban, 1987

    2. Antoniazzi, Luis D. Variables
    Biomecánicas
    . PubliCE .

    Standard. 18/11/2001. Pid:
    10

    3. Donskoi, D. D. Leyes de los movimientos en el deporte
    Cultura
    Física

    y Deporte, Moscú, l968.

    4. Donskoi, D D. Biomecánica con fundamentos de
    la técnica deportiva

    Editorial Pueblo y Educación, Ciudad de
    la Habana, 1982.

    5. Donskoi, D. D. y Zatsiorski, V. M. Biomecánica
    de los ejercicios

    físicos Editorial Pueblo y Educación,
    Ciudad de la Habana, 1988.

    6. Grieve, D. W. Y otros Techniques for the
    Análysis of Human

    Movement The Human Movement Series, Lepus Book,
    London

    1975

    7. Martínez Fernández, S. C. Temas para el
    desarrollo de un curso de

    diplomado en Biomecánica para la formación
    de profesores

    Trabajo para optar por la categoría docente de
    Profesor
    Titular

    Santa Clara, febrero de 2005

    8. MusculoGrapics c/o Motion Analysis
    Corporation

    //www.musculographics.com/

    9. Working Model 2D Simulador version 4.0.1.
    1996.

     

     

     

    Autor:

    Sixto Conrado Martínez
    Fernández

    Profesor de Biomecánica SUM ISCF "M. Fajardo"
    Sagua la Grande

    Estudios realizados:

    Profesor de Educación Física

    Ingeniero Eléctrico

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