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D. Gordon E. Robertson, PhD Fellow, Canadian Society for Biomechanics Emeritus Professor, Universidad de Ottawa traducción por Zoila Perez Cristancho, BMath Estudio de las fuerzas y sus efectos sobre los seres vivos Tipos de fuerzas Las fuerzas externas las fuerzas de reacción del suelo aplicados a otros objetos o personas las fuerzas del fluido (natación, la resistencia del aire) las fuerzas de impacto Las fuerzas internas las fuerzas musculares (fuerza y el poder) fuerza en los huesos, ligamentos, cartílagos Temporal Cinemática Cinética Directa Indirecta Electromiográfico Modelado y simulación Cuantifica la duración de las actuaciones en su totalidad (los tiempos de carrera) o en parte (apertura de pieranas, los tiempos de paso, las tasas de accidente cerebrovascular, etc.) Los instrumentos incluyen: cronómetros, reloj electrónico puertas de cronometraje fotograma a fotograma de vídeo de análisis Fácil de hacer, pero no muy esclarecedor Necesarias para que los estudios de cinemática Donovan Bailey establece récord mundial (9,835 s) a pesar del tiempo más lento de reacción (0,174 s) de los finalistas. Tiempos Tiempos de raza de reacción Posición, velocidad & aceleración Posición, velocidad & aceleración angular Distancia entre cintas métricas, sensores electrónicos, ruedas de la ruedecilla Desplazamiento linear distancia y dirección linear de punto a punto Desplazamiento angular cambios en orientaciones angulares de punto a punto usando un sistema especifico (ángulos de Euler, ángulos Cardán etc.) Los instrumentos incluyen: cintas métricas, electrogoniometers pistolas de velocidad, acelerómetros de captura de movimiento de vídeo u otros dispositivos de imagen (Cinéfilm, TV, infrarrojos, ultrasonidos, etc) GPS, giroscopios, sensores inalámbricos Barato a muy caro Los rendimientos baratos dan información mínima Los rendimientos caros dan superabundancia de datos por ejemplo, la longitud de zancada, la amplitud de movimiento, la distancia o la velocidad de salto de objeto tirada o bateada por ejemplo, la trayectoria del marcador y su cinemática, el segmento, la cinemática del cuerpo y el total de conjuntos lineales y angulares, en las dimensiones 1, 2 o tres y múltiples convenios angular Son esenciales para posterior estudio de dinámica inversa y otros análisis cinéticos a running/sprinting stride length b stance phase, left foot swing phase, left foot left foot Observe que la ejecución de los pies imprime y aparece en la línea media, a diferencia de a pie cuando one gait cycle están a ambos lados step length right foot flight phase right foot-strike left foot-strike right toe-off left toe-off time Paso velocidad = longitud de zancada / duración de zancada Tiempo de zancada= 1 / paso Localización de la cadera en los últimos 60 metros de la carrera de 100 m Masculino 10,03 s se aceleró hasta los 100 60 m donde alcanza 90 male: 12 m/s la velocidad máxima de 12 m/s 80 Femenina 11,06 s 70 se aceleró hasta los 70 m donde alcanza 60 la velocidad máxima de 10 m/s 50 Ambos no 40 desaceleraron! 5 6 7 8 female: 10 m/s 9 Race time (s) 10 11 Medidas directas como electro goniometría (para ángulos conjuntos) o acelerometría son relativamente baratas, pero pueden proporcionar información en tiempo Dentroreal de forma de de cabeza (abajo) es un acelerómetro las partes seleccionadas del cuerpo 3D y 3 pares de sensores lineales Acelerometría es particularmente útil para parala aceleración angular 3D evaluar los impactos en el cuerpo cabeza con 9 acelerómetros lineales para cuantificar la aceleración 3D Múltiples cámaras infrarrojas o marcadores infrarrojos Sistema de captura de movimiento Por lo general, múltiples plataformas de fuerza El sujeto tiene 42 marcadores reflectantes para el seguimiento en 3D de todos los segmentos importantes del cuerpo y las articulaciones X, Y, Z lineal velocidades de cabeza del palo Hacia adelante y velocidades verticales del centro de gravedad Sagital, transversal, y axial rotacional velocidades de L5/S1 y de las articulaciones de la cadera Fuerzas o momentos de fuerza (pares de torsión) El momento o velocidad o empuje (lineal y angular) Energía mecánica (cinética y potencial) Trabajo (de las fuerzas y pares de torsión) Potencia (de las fuerzas y pares de torsión) Dos maneras de obtener la cinética Instron controlador de Dinamometría directa compresión para las medidas deinstrumentos fuerzas y la deformación El uso de para medirde los huesos, músculos, directamente e igual las fuerzas externasligamentos, e internasetc., bajo carga Dinamometría indirecta a través de la dinámica inversa Indirectamente valorar las fuerzas Marcha de laboratorio (U. de internasSydney), y momentos fuerzade de las con 10de cámaras medidasAnálisis cinemáticas directa,yde los de movimiento una parámetros sectoriales del cuerpo y pasarela con cinco plataformas de fuerza de las fuerza medidas externamente Medición de la fuerza, momento de la fuerza, o energía Instrumentación incluye: Los transductores de fuerza Sensores de presión Plataformas fuerza Deformación, LVDTs y piezoeléctricos, piezoresistivo Deformación y piezoeléctricos, efecto Hall Isocinéticos Para los momentos y fuerzas en las articulaciones Concéntrico, excéntrico e isotónico Medidor de tensiones: rango de bajo costo, de tamaños, y aplicaciones rango dinámico es limitado, tiene una capacidad estática, fácil de calibrar pueden ser incorporados en artículos deportivos Ejemplos: los pedales de la bicicleta, remos y palas, raquetas, palos de hockey y bates Sujeto utilizó un ergómetro de remo Gjessing con un transductor indicador de presión de fuerza en cable que gira un volante con una resistencia de 3 kilopondio Seguimiento de fuerza visible en tiempo real al entrenador y atleta Impulso de un aumento significa una mejor rendimiento Se aplica al ciclismo, piragüismo, natación o las salidas de pista Sensores de presión de asignación: moderadamente elevado, rango de tamaños y aplicaciones, la respuesta dinámica es pobre se pueden incorporados entre persona y entorno deportivo (suelo, implementos) Ejemplos: plantillas para calzado, asientos, guantes Piezoeléctrico: rango de bajo costo, variedad de tamaños y aplicaciones escasa capacidad estática, difícil de calibrar adecuado para las pruebas de laboratorio o en estadios deportivos Ejemplos: las células de carga, plataformas de fuerza Casco y Cabeza de 5 kg cayó desde una altura fija sobre un yunque. Transductor de fuerza en el yunque piezoresistivo mide el impacto lineal (impulso) y, especialmente, el pico de fuerza La máxima fuerza se reduce cuando el impulso se propaga con el tiempo o en grandes zona de casco y materiales de revestimiento Suelen medir tres componentes de la fuerza de reacción del suelo, la ubicación de la aplicación de la fuerza (llamado centro de presión), y la libre (vertical) momento de fuerza Piezoeléctrico: es caro, variedad amplia de fuerza, respuesta alta para la dinámica, respuesta pobre para la estatica Medidor de tensiones: moderadamente caro, estrecho rango de fuerza, respuesta moderada dinámica, excelente estáticamente Vectores de fuerza de reacción instantánea del suelo se encuentran en los centros de presión El compás de fuerza muestran patrón de las fuerzas de reacción del suelo en cada plataforma de fuerza proceso por el cual todas las fuerzas y momentos de fuerza a través de una articulación se reducen a una sola fuerza neta y el momento neto de la fuerza la fuerza neta se debe principalmente a las acciones a distancia, tales como fuerzas de reacción del suelo o de las fuerzas de impacto cinética de deconjunto cuerpo el momento neto diagrama de la fuerza, también llamado se simplifican como libre de fuerzas real el par neto, es causada por los una sola principalmente fuerza y un del músculo, músculos que cruzan la articulación por lo que momento de la ligamento fuerzas, fuerza (en azul) está muy relacionada con la hueso coordinación del las fuerzas de con hueso y el de lesión y el movimiento, los mecanismos momento de la rendimiento fuerza conjunta requiere cinemática lineal y angular de los segmentos y el conocimiento de las propiedades inerciales del segmento la cabeza es un propiedades inerciales se suelen obtener elipsoide de tronco y mediantelaelpelvis usoson de proporciones para estimar lacilindros masaelípticos, del segmento y entonces las otros segmentos de ecuaciones en la masa que se los basadas conos son conos distribuyerecortados por igual en un representante geométricas sólidas (por ejemplo, elipsoide, un tronco de cono o cilindro elíptico), basado en los marcadores del segmento Generalmente el análisis comienza con un segmento distal que esta libramente oscilando o en contacto con una plataforma de fuerza Luego, el segmento siguiente en la cadena cinemática es analizado El proceso continúa al tronco y luego vuelve a comenzar en la otra extremidad Las fuerzas netas no añaden trabajo ni hace nada, ellas difunden energía luego pueden: transferencia de energía de un segmento a otro pasivo Momentos neto de la fuerza puede: generar energía haciendo trabajo positivo en la articulación difunde energía haciendo trabajo negativo al otro lado de la articulación transfiere activamente energía al otro lado del la articulación (significado que los músculos están activamente contractados a menos que la articulación esté totalmente extendida o flexionada) El poder de la fuerza neta es: Pfuerza = F · v Momentos neto de la fuerza es: Pmomentos = M · w El trabajo realizado por momento neto de la fuerza se calcula mediante la integración de la potencia momento en el tiempo: Wmomentos = Pmomentos dt Trabajo realizado por la fuerza neta es cero masculina (10,03 s, 100-m) a 50 m en la carrera la longitud de zancada es de aproximadamente 4.68 metros la velocidad horizontal del pie a la mitad de la oscilación fue de 23,5 m s (84,6 km/h)! solamente la fase de oscilación pudo ser analizada puesto que no hay plataformas de fuerza en la pista El momento del extensor de la rodilla hizo trabajo negativo (rojo) durante la primera mitad velocidad angular de la oscilación (probablemente no los músculos) Los flexores de la rodilla actuaronmomento negativamente (azul) de la fuerza durante la segunda mitad al impedir la extensión completa (probablemente debido a los músculos de la corva) poder de momento poco o ningún trabajo (verde) hecho por el momento en las rodillas fase de oscilación el momento de músculo flexor de la cadera hizo un trabajo positivo (rojo) durante la primera parte de la oscilación del músculo recto anterior (iliopsoas) el momento extensor de cadera realizó trabajo negativo a la mitad de la oscilación (verde) y trabajo positivo (azul) de extensión (probable glúteos) Los flexores de la rodilla (recto femoral y músculo psoas-ilíaco) no son responsables de la flexión de rodilla a mitad de la oscilación Los flexores de la cadera son los responsables de la flexión de la cadera y flexión de la rodilla durante la oscilación Los flexores de la cadera son los más importantes para mejorar la longitud de la zancada Los extensores de la cadera (glúteos) son necesarios para la extensión de la pierna, mientras que los flexores de la rodilla (isquiotibiales) evitan el bloqueo de la rodilla antes de aterrizar levanta el pie en la flecha verde, el impacto en la flecha roja la velocidad de pie en el impacto fue de 8,6 m/s (31 km/h) 2000 Knee power 1500 Hip power 1000 500 0 -500 -1000 -1500 -2000 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 Time (s) los extensores de la rodilla no trabajan, los flexores de la rodilla (rojo) hacen un trabajo negativo para prevenir la hiperextensión los flexores de la cadera hacen un trabajo positivo (verde), luego los extensores hacen un trabajo negativo (azul) para crear “una acción látigo” 1.00 Beneficios: puede atribuir grupos de músculos específicos al trabajo total realizado dentro del cuerpo puede exhibir la coordinación del movimiento Desventajas: momentos netos son construcciones matemáticas, no miden las estructuras fisiológicas no se puede validar con mediciones directas no puede detectar el almacenamiento elástico y el retorno de la energía no se puede cuantificar las transferencias multiarticulares (músculos biarticulares) Proceso de medición de las descargas eléctricas debido al recobro de fuerzas de los músculos activos Sólo cuantifica el componente activo del músculo, componentes pasivos no es registrado Los niveles son relativos a un músculo en particular y una persona en particular, por lo tanto, necesita un método para comparar el músculo / músculo o persona / persona No todos los sujetos pueden realizar la máxima contracción voluntaria (MVCs) para permitir la normalización La manera eficaz de identificar el músculo es el recobro de fuerzas Tipos: cable telemetría de cable fiable menos costoso sobrecarga de materia fiable menos costoso menos cableado telemetría poco confiables más caro sin cables Tipos: superficie (mejor para deportes) alambre fino fiable menos costoso no invasiva poco confiables más caro invasiva aguja (mejor para médicos) poco confiables más caro doloroso experiencia de lacrosse en jugador masculino velocidad de liberación 20 m/s (72 km/h) duración del movimiento oscilante hacia atrás hasta liberación 0,45 s estilo híbrido al tirar 8 EMG de superficie (L / R erector de la columna, L / R oblicuos externos, L / R recto abdominal, y L / R oblicuos internos) cuatro plataformas de fuerza velocidad máxima de lanzamiento en una cortina de lienzo left erector spinae •erector de la columna right erector spinae tranquilo en el left external obliques lanzamiento right •obl. external externos obliques altamente activos left rectus abdominus •recto abd. sólo cerca right rectus abdominus de la liberación left internal obliques •notable a la izquierda/ right asimetría internal obliquesa la derecha inicio de tiro liberación Beneficios identifica si un músculo particular está activo o inactivo puede ayudar a identificar los estados de pre-fatiga y del cansancio Inconvenientes Estorba al sometido difíciles de interpretar no se puede identificar que contribución está haciendo el musculo (concéntrica, excéntrica, isométrica) deben documentarse con la cinemática modelos musculo esqueléticos medida interna del músculo, ligamento y las fuerzas de hueso con hueso difícil de construir, validar, y aplicar adelante la dinámica se predice la cinemática basada en el patrón de recobro de las fuerzas musculares difícil de construir, validar, y aplicar simulaciones en ordenador (computadora) requiere el modelo apropiado (ver arriba) y los datos exactos de entrada para impulsar el modelo se puede ayudar a probar nuevas técnicas, sin riesgo de lesiones cinemáticas son útiles para distinguir una técnica de otra, un ensayo de otro, un atleta de otro cinemáticas proporcionan información poco fidedigna acerca de cómo producir un movimiento cinéticas directas son útiles como retroalimentación para controlar de forma rápida y mejorar el rendimiento cinéticas directas no cuantifican qué músculos o cuál patrón de la coordinación produjo el movimiento Dinámica inversa y análisis de potencia conjunta identifica qué grupos musculares y patrón de coordinación produce un movimiento no se puede identificar directamente los músculos específicos, contracciones biartculares o elasticidad electromiogramas producen nivel del recobro de fuerza muscular específica de rendimiento y potencialmente el estado de fatiga electromiogramas son medidas relativas de actividad y no se puede cuantificar la fuerza muscular pasiva, debe utilizarse con otras medidas Escuela de cinesiología, Universidad de Ottawa, Ottawa, Ontario Castor canadiense en invierno, Gatineau Park, Gatineau, Quebec Muchas Gracias