Fundamentos de Biomecánica: Estática, Cinemática y Dinámica del Movimiento Humano
Biomecánica
La Biomecánica estudia las fuerzas internas y externas que actúan sobre el cuerpo, así como los efectos producidos por dichas fuerzas. Se relaciona estrechamente con la anatomía y la fisiología:
Relación entre Anatomía y Fisiología
- Anatomía (elementos anatómicos): Huesos, articulaciones, músculos, tendones.
- Fisiología (elementos mecánicos): Palancas, juntas mecánicas, motores, cables.
Estática
La Estática estudia los cuerpos que permanecen en reposo o en equilibrio como resultado de las fuerzas que actúan sobre ellos.
Huesos
Los huesos se clasifican en largos, cortos y planos. El esqueleto se divide en cabeza, tronco y extremidades.
Articulaciones
Existen tres tipos de articulaciones: móviles, fijas y semimóviles.
Representación Vectorial de una Fuerza
Las fuerzas constituyen magnitudes vectoriales y se representan mediante segmentos vectoriales o vectores.
Vector
Un vector tiene punto de aplicación, sentido, dirección y módulo.
Sistema de Fuerza
Un sistema de fuerzas está compuesto por las fuerzas que actúan sobre un cuerpo. Dependiendo de cómo se apliquen estas fuerzas a una estructura determinada, se pueden producir varios tipos de movimiento.
Tipos de Fuerza
- Colineales: Cuando las fuerzas actúan en línea recta.
- Coplanares: Cuando las fuerzas actúan en el mismo plano.
- Concurrentes: Fuerzas cuyas líneas de acción se encuentran en un punto.
Compensación de Fuerzas
Cuando dos o más fuerzas actúan en el mismo punto, se denomina resultante (R) a la fuerza que produce el mismo efecto que todas las fuerzas actuando juntas.
Sistema de Palancas
Una palanca es una máquina simple que consiste en dos fuerzas, una de potencia y una de resistencia, que actúan sobre un punto de apoyo.
Centro de Masa y Centro de Gravedad
El centro de masa es el punto donde actúan todas las fuerzas, como consecuencia de las leyes de Newton. El centro de gravedad se encuentra en el centro geométrico del objeto. Un objeto está en equilibrio cuando su centro de gravedad se halla por encima del área de la base definida por sus soportes.
Clases de Equilibrio
Existen tres clases de equilibrio: estable, inestable y neutro. La estabilidad es inversamente proporcional a la altura del centro de masa.
Cinemática
La Cinemática estudia el movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo producen.
Conceptos Básicos
- Trayectoria: Posiciones que va ocupando el cuerpo en cierto tiempo.
- Clases de Movimiento: Traslación, rotación, ondulatorio.
- Velocidad: Magnitud vectorial igual a la distancia recorrida en una unidad de tiempo.
- Rapidez: Magnitud escalar, no tiene dirección ni sentido.
- Velocidad Instantánea: Velocidad de una partícula en cualquier instante de tiempo.
Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU)
Un cuerpo se desplaza con movimiento rectilíneo uniforme cuando recorre espacios iguales en tiempos iguales. La velocidad es constante.
Movimiento Rectilíneo Uniformemente Variado (MRUV)
En el MRUV, la velocidad de una partícula cambia con el tiempo. La aceleración es constante.
Caída Libre
Fenómeno estudiado por Galileo Galilei, donde un cuerpo cae bajo la influencia exclusiva de la gravedad. Se caracteriza por la aceleración constante debida a la gravedad.
Tiro Vertical
Movimiento uniformemente desacelerado bajo la influencia de la gravedad.
Movimiento de Proyectiles
En este movimiento, la aceleración de la gravedad es constante y se desprecia el efecto de la resistencia del aire.
Movimiento Circular
Movimiento en el que la trayectoria es una circunferencia. Se caracteriza por la presencia de:
- Fuerza Centrípeta: Tiene la dirección y sentido hacia el centro de giro.
- Fuerza Centrífuga: Tiene sentido opuesto a la fuerza centrípeta.
Dinámica
La Dinámica estudia la relación entre las fuerzas y los movimientos que producen. Una fuerza es cualquier acción que modifica el movimiento de un cuerpo. Algunos ejemplos son la fuerza de contacto, la fuerza de gravedad y la fuerza de rozamiento.
Leyes de Newton
- Ley de la Inercia: Todo cuerpo continúa en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que sobre él actúe una fuerza neta. La fuerza neta es la suma vectorial de todas las fuerzas individuales.
- Ley Fundamental de la Dinámica: La aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza resultante que actúa sobre él e inversamente proporcional a su masa. El peso es la fuerza gravitacional resultante sobre un objeto y depende de la gravedad del lugar. La relación peso-masa establece que el peso varía y es una magnitud vectorial, mientras que la masa no varía y es una magnitud escalar.
- Ley de Acción y Reacción: Siempre que un objeto ejerce una fuerza sobre otro, el segundo objeto ejerce una fuerza igual y opuesta sobre el primero. A cada acción le corresponde una reacción igual y opuesta.
Fuerza Normal
Es una fuerza de reacción perpendicular a la superficie de contacto.
Tensión
Es la fuerza que ejerce una cuerda, cable o similar sobre un objeto y se denota con T.
Fuerza de Rozamiento
Cuando un cuerpo está en movimiento sobre una superficie áspera o cuando un objeto se mueve a través de un medio viscoso como el aire o el agua, existe una resistencia al movimiento debido a la interacción del objeto con el medio que lo rodea.
Trabajo y Energía
Trabajo
El trabajo es la transmisión de energía que se produce cuando una fuerza aplicada a un cuerpo le provoca un desplazamiento en el sentido y dirección de dicha fuerza.
Energía Cinética
La energía cinética es la medida del trabajo que un objeto puede realizar en virtud de su movimiento.
Energía Potencial
La energía potencial es la energía relacionada con la posición de un sistema mecánico que puede convertirse en energía cinética para realizar trabajo.
Tipos de Fuerzas
- Fuerzas Conservativas: Gravitatorias, eléctricas y elásticas.
- Fuerzas No Conservativas: Fuerza de rozamiento.
Potencia
La potencia es la velocidad media a la que se realiza el trabajo.
Principio de Conservación de la Energía Mecánica
En cualquier proceso, la energía mecánica no aumenta ni disminuye, la energía puede transformarse de una forma a otra y ser transferida de un cuerpo a otro, pero la cantidad total permanecerá constante.
Hidrodinámica
La Hidrodinámica estudia los fluidos en movimiento, es decir, el flujo de los fluidos.
Tipos de Fluidos
- Flujo Laminar: Ocurre cuando las moléculas de un fluido en movimiento siguen trayectorias paralelas.
- Flujo Turbulento: Cuando las moléculas de un fluido en movimiento siguen trayectorias erráticas.
- Flujo Estacionario: Si cada partícula del fluido sigue un camino uniforme y los caminos de cada partícula no se cruzan.
- Flujo Compresible: Si su densidad varía.
- Flujo Viscoso: Cuya viscosidad es apreciable.
- Flujo Rotacional: Hay un momento angular del fluido respecto al punto.
- Fluido Ideal: No viscoso, estacionario, incompresible.
Líneas de Corriente
Una línea de corriente es la trayectoria de una partícula en un fluido en movimiento.