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
run nin g/s printing
a
st ri d e len gt h
b
st an ce p h a se,
l eft f o o t
sw in g p h as e,
l eft f o o t
l eft f o o t
Observe que la ejecución de
los pies imprime y aparece
en la línea media, a
diferencia
de a pie cuando
o n e g ai
t c ycl e
están a ambos lados
st ep le n g th
ri g h t fo o t
fl ig h t p h ase
ri g h t fo o t -s tri k e
ri g h t t o e-o f f
l eft t o e-o ff
l eft f o o t-s tr ik e
t im e
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
m ale: 1 2 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

fem a le: 1 0 m /s
9
R ace tim e (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
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