Guía 3 Dinámica - Facultad de Ingeniería

Biomecánica – Facultad de Ingeniería – U.N.E.R.
Guía de Problemas
DINÁMICA
Introducción
La Dinámica es una rama de la Física que estudia la acción de las fuerzas que generan los
movimientos. La combinación de datos extraídos del movimiento de un sujeto (cinemáticos,
capturados por ejemplo a partir de un sistema de videografía, y cinéticos, que pueden obtenerse
desde una plataforma de fuerza) y las características físicas del sujeto (datos antropométricos)
permiten un análisis de las fuerzas netas que los músculos deben producir para generar el gesto o
movimiento. El análisis que utiliza datos del movimiento para calcular datos de fuerzas
producidas se denomina Análisis Dinámico Inverso (o Solución Inversa).
Para realizar este análisis, se necesita un modelo que represente las extremidades de interés. En
biomecánica, se ha utilizado con frecuencia el Modelo de Segmentos Articulados. Este Modelo
representa al cuerpo como una serie de segmentos rígidos unidos por pivotes sin fricción (que
representan a las articulaciones), que tienen entre uno y tres grados de libertad y sobre los cuales
actúan fuerzas de rotación. El Modelo 2D que se utilizará en esta guía asume que las
articulaciones son tipo bisagra y, por lo tanto, tienen solo un grado de libertad.
Además, se asumen las siguientes simplificaciones del modelo:
Cada segmento tiene una masa constante que puede suponerse fija en el centro de masa.
La localización del centro de masa del segmento permanece fija (relativa al segmento)
durante el movimiento.
El Momento de Inercia respecto del centro de masa y de cualquiera de los extremos del
segmento permanece constante durante el movimiento.
La longitud del segmento permanece constante durante el movimiento.
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Se considera para el análisis que actúan sobre el modelo fuerzas gravitatorias, fuerzas externas
(entre ellas la reacción del suelo) y fuerzas de músculos y ligamentos.
En esta guía se calcularán las fuerzas y momentos netos actuando en las articulaciones del
tobillo, la rodilla y la cadera de un sujeto sano.
Objetivos
Comprender el cálculo dinámico inverso.
Entender la relación que existe entre el momento muscular neto y el movimiento generado.
Identificar las ventajas y limitaciones del modelo 2D utilizado en esta guía para la
descripción del movimiento.
Problemas
Para la resolución de los siguientes problemas se utilizarán las tablas A.1 a A.5 del libro
“Biomechanics and Control of Human Movement”, autor: David A. Winter. Edición 1990 y la
tabla 3.1 de Datos Antropométricos, citada en el Capítulo 3 del mismo libro.
1) Calcule las fuerza de reacción y el momento de fuerza en el tobillo para el cuadro 20.
Compare sus respuestas con la tabla A.5a. Identifique la fase de la marcha a la que
corresponde el cuadro 20 y explique el sentido del Momento encontrado (flexor o
extensor) para el tobillo en esta fase.
2) Calcule las fuerza de reacción y el momento de fuerza en la rodilla para el cuadro 20.
Compare sus respuestas con la tabla A.5a. Explique su respuesta en términos del rol de
los músculos de la rodilla en esta fase de la marcha.
3) Calcule las fuerza de reacción y el momento de fuerza en la cadera para el cuadro 20.
Compare sus respuestas con la tabla A.5b y explique su respuesta en términos del rol de
los músculos de la cadera en esta fase de la marcha.
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4) Calcule las fuerza de reacción y el momento de fuerza en el tobillo para el cuadro 32.
Compare sus respuestas con la tabla A.5a. Identifique la fase de la marcha a la que
corresponde el cuadro 32 y explique el sentido del Momento (flexor o extensor)
encontrado para el tobillo en esta fase de la marcha.
5) Calcule las fuerza de reacción y el momento de fuerza en la rodilla para el cuadro 32.
Compare sus respuestas con la tabla A.5a. Explique su respuesta en términos del rol de
los músculos de la rodilla en esta fase de la marcha.
6) Calcule las fuerza de reacción y el momento de fuerza en la cadera para el cuadro 32.
Compare sus respuestas con la tabla A.5b y explique el sentido del Momento encontrado
(flexor o extensor) para la cadera en esta fase de la marcha.
7) Calcule las fuerza de reacción y el momento de fuerza en el tobillo para el cuadro 69.
Compare sus respuestas con la tabla A.5a. Identifique la fase de la marcha a la que
corresponde el cuadro 69 y explique el sentido del Momento (flexor o extensor)
encontrado para el tobillo en esa fase de la marcha.
8) Calcule las fuerza de reacción y el momento de fuerza en la rodilla para el cuadro 69.
Compare sus respuestas con la tabla A.5a. Explique su respuesta en términos del rol de
los músculos de la rodilla en esta fase de la marcha.
9) Calcule las fuerza de reacción y el momento de fuerza en la cadera para el cuadro 69.
Compare sus respuestas con la tabla A.5b y explique su respuesta en términos del rol de
los músculos de la cadera en esta fase de la marcha.
10) Calcule las fuerzas de reacción y el momento de fuerza en las tres articulaciones del
miembro inferior para el 45 % del ciclo de marcha. Compare sus respuestas con la tabla
A.5a. Identifique la fase de la marcha a la que corresponde y explique el sentido del
Momento (flexor o extensor) encontrado para cada articulación.
11) Calcule las fuerzas de reacción y el momento de fuerza en las tres articulaciones del
miembro inferior para el instante en que se produce el máximo ángulo de extensión en la
cadera durante el ciclo de marcha. Compare sus respuestas con la tabla A.5a. Identifique
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la fase de la marcha a la que corresponde y explique el sentido del Momento (flexor o
extensor) encontrado para cada articulación.
12) Identifique las ventajas y limitaciones que presenta el modelo utilizado en esta guía para
la descripción completa del movimiento.
13) Calcule el momento de soporte para el miembro inferior para los cuadros 30, 50, 60 y 66
durante la fase de apoyo. El momento de soporte Ms es el patrón extensor de las tres
articulaciones Ms= - Ma + Mk - Mh.
ACTIVIDAD DE LABORATORIO
14) Grafique el momento muscular neto para cada una de las articulaciones del miembro
inferior durante el ciclo de marcha.
a) Identifique los cruces por cero de cada uno de los momentos musculares netos.
b) Correlacione la actividad flexora extensora con los músculos agonistas (ver figura 2).
c) Correlacione la graficas de momentos musculares netos de las articulaciones del
miembro inferior con la cinemática angular correspondiente (ver figura 1)
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Figura 1
Figura 2
Figuras extraídas de Gait Analysis, Michael W. Whittle
15) Calcule el momento de soporte para todo el ciclo de marcha.
a) Grafique este momento de soporte.
b) Identifique en qué fase tiene sentido evaluar el momento de soporte.
c) Analice porque este patrón extensor se define como la sinergia del miembro inferior.
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