Monografía: Fijación Externa por Dr. Alexandre Tarragó

 

Capítulo III

3.2 CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE LA BIOMECÁNICA

 

A - Principio de economía de esfuerzos. Economía de materiales.

El material óseo empleado en la construcción de los huesos, así como su forma y estructura están relacionadas con:

1 - exigencias mecánicas
2 - actividad de cada edad
3 - en una estructura sana la energía ha de ser mínima.

El hueso es diferente dependiendo de las cargas que ha de soportar y donde. Huesos largos diáfisis mas estrechas y vacías(contenido hematopoyético) y epífisis mas anchas y rellenas de hueso esponjoso y recubiertas de cartílago.

B - Principio de un segmento compensa al vecino.

La deformación en un determinado nivel, siempre se ve compensada por los segmentos vecinos. Ejemplo, en un flexo de rodilla habrá un flexo de cadera. Una anteversion del cuello del fémur provoca una torsión externa exagerada de la tibia.

C - Principio de los movimientos integrados.

Las funciones de los segmentos corporales, no deben estudiarse de forma aislada, pero sus movimientos si. Cada posición o situación anatómica del aparato locomotor es producto de la suma de todas las articulaciones, y estructuras no óseas de la extremidad.

D - Principio del equilibrio.

El principio del equilibrio es consecuencia del principio de los movimientos integrados. En condiciones normales existe un equilibrio entre las estructuras , lo denominamos situación estaticodinamica, Cuando estas compensaciones no se dan, se producen alteraciones en la función desequilibrio de las funciones.

E - Estado de tensión previa (pretensado).

La mayor parte de las estructuras del aparato locomotor que resisten presiones, disponen de un estado previo de tensión. El cartílago articular dispone de unas fibras de colágeno en forma de arcos góticos que pueden amortiguar las presiones. El colágeno esta reforzado por cristales de hidroxiapatita, para que no se deforme.
El cartílago articular utiliza métodos bioquímicos para retener la tensión, retiene agua gracias a los proteoglicanos, comprime descomprime manteniendo un equilibrio de presiones gracias al liquido intraarticular.

F - Beneficio de los sistemas cerrados.

Los sistemas sometidos a una presión, solo cumplen su objetivo si son cerrados, sistemas herméticos. Una articulación funciona, y puede ser sometida a presión, si la cápsula articular es estanca.
Un hueso es un sistema cerrado que viene determinado por su sistema vascular. Volumen de sangre que entra y sale. En la aparición de una necrosis o esclerosis ósea aumenta la presión, y el dolor se percibe en la parte mas baja del hueso. En una necrosis de la cabeza femoral, el dolor máximo esta en la rodilla.

 

Mecánica aplicada al movimiento del cuerpo de un ser vivo.

La mecánica es la parte de la física que se encarga de estudiar la evolución y el cambio en la posición de los cuerpos en relación al tiempo. También estudia los sistemas en los que no se producen cambios en la posición, consecuencia de que las fuerzas actúan sobre ellos produciendo un estado de equilibrio.

La mecánica se divide en:

- Cinemática: estudia los movimientos sin preocuparse de cual es la causa que lo produce

- Estática: se ocupa de valorar las fuerzas y el equilibrio que proporcionan.

- Dinámica: estudia los movimientos, y sus causas, estudia las fuerzas.

En cualquier mamífero, el movimiento se traduce en una distribución de fuerzas, estas actúan sobre las articulaciones, basándose en el tiempo, y en el espacio.

Estas fuerzas son de diferentes tipos:

- Fuerzas internas aplicadas, (generadas por la masa muscular).

- Fuerzas internas de compresión, (el peso del propio cuerpo).

- Fuerzas exteriores.

FUERZA.

 

Una fuerza la podemos definir como cualquier acción que produzca aceleración sobre el cuerpo sobre el que actúa.
La fuerza solo la podemos valorar por sus efectos. Y estos pueden ser:

- Efecto de desplazamiento.
- Efecto de deformación.

Una fuerza la medimos en Newton N. Que resultan del producto de la masa sobre la que actúa por la aceleración que se produce:

F (N) = M(Kg.) * a(m/seg2)

Una fuerza además de magnitud tiene dirección y sentido, para poder representar estas variantes necesitamos de vectores, cuando dos o mas fuerzas interactúan, las representamos por un vector que es la resultante de todas.

 

LEYES DE NEWTON

La dinámica se basa en las tres leyes de Newton, las dos primeras tienen su origen en las experiencias de Galileo y la tercera es aportación directa de Newton.

1ª ley o ley de la inercia: todo cuerpo permanece en su estado de reposo o movimiento uniforme sobre una línea recta, si no hay ninguna fuerza que lo saque de el.

2ª ley: todo cuerpo capaz de moverse libremente, sometido a una fuerza, adquiere una aceleración proporcional a dicha fuerza, esto es, F = M. a

3ª ley: a cada acción se le opone siempre una reacción igual y en sentido opuesto; o bien, las acciones mutuas de dos cuerpos son iguales, en la misma dirección y sentido contrario.

 

MOMENTO CINÉTICO

Cuando aplicamos una fuerza sobre un objeto que esta fijo en un sitio, se produce una rotación del objeto, y con ello un momento de rotación.
El momento de una fuerza F sobre un punto O, que esta sobre su plano, se obtiene del producto de la magnitud de la fuerza, por la distancia de la perpendicular de la fuerza al punto O.
El conocer los momentos de fuerza nos pueden servir para conocer las fuerzas que se ejercen en las articulaciones y en los tendones.

 

ESTRÉS Y DEFORMACIÓN

 

 

Que es el estrés sobre el material; estrés mecánico, Stres, tensión o esfuerzo mecánico, se define como la fuerza que se ejerce sobre una unidad o área en un objeto o material. La superficie de un elemento se define por lo que mide su área, la fuerza se puede ejercer totalmente o dependiendo del apoyo mas en un punto u otro, (articulación de la rodilla). El estrés se representa por la letra sigma:

s (sigma) = F / A

La unidad de Estres es el Pascal (Pa). En la practica normalmente se expresa por Megapascal (MPa)

Como ya hemos apuntado el estrés sobre una superficie puede ser uniforme o diferente en cada sección. Existen tres tipos de estrés:

1 - Estrés en tensión o tracción, el objeto sobre el que actúa tiende a largarse, (la forma de laminar el hierro), una hiperextension sobre un tendón.

2 - Estrés en compresión, cuando el objeto sobre el que actúa tiende a acortarse. Compresión sobre una articulación, deformación del cartílago acorta su espesor.

3 - Estrés de cizallamiento, cuando la fuerza actúa en el plano de la sección, se trata de movimientos paralelos al plano.

Generalmente cuando valoramos las fuerzas estresantes que actúan sobre un cuerpo, es una combinación de las tres que hemos relatado

Cualquier cuerpo u objeto sometido a una serie de fuerzas sufre un strain figura. (Figura 1-2).
Esta deformación la definiremos como la relación entre el incremento de longitud, (alargamiento o acortamiento) y la longitud original del objeto, esta representada por e (epsilon).

Si aplicamos una fuerza sobre el objeto se producirá una deformación que definiremos como:

e (epsilon) = L-Lo / Lo

Si es una fuerza compresiva L será menor que Lo, y si es una fuerza en tensión L será mayor que Lo.
Para calcular el estrés la mejor técnica es la del cálculo de los elementos finitos.

Si aplicamos una fuerza compresiva a un objeto, se causa un acortamiento del objeto y también un ensanchamiento de este.
La relación entre el incremento en longitud en la dirección de la fuerza y el incremento en anchura en la dirección perpendicular se llama relación o índice de Poisson.

 

CURVA DE ELASTICIDAD

La relación entre estrés mecánico y deformación nos da una idea de la rigidez de un objeto o material.
Si sometemos un objeto a un estrés, incrementando este mientras medimos la deformación, obtendremos una curva de estrés deformación. (Figura 1-3)

La relación entre estrés y deformación nos la da la pendiente de la curva y se llama modulo de elasticidad (E):

E = s (sigma) / e (epsilon)

Cuando la experiencia es en tracción se llama modulo de Young (Y), en compresión es la misma magnitud, para materiales simples.
El modulo de cizallamiento (G), o modulo de rigidez es 1/3 menor de E, en los metales.
La unidad de medición es el Pascal, aunque se utilizan los gigapascal (GP).
El hueso es un material anisotropico, sus propiedades cambian dependiendo de la dirección en que se midan.

La curva de estrés-deformación, tiene dos regiones distintas:

- La primera parte de relación entre carga y deformación es rectilínea.
Si retiramos la fuerza el objeto recupera su forma, esta es la región elástica. (Plasticidad de los materiales hasta un punto de fuerza).

- A partir de cierto punto la deformación no se recupera al retirar la fuerza. Este punto es la carga limite, punto de cesión o “yield point”.
Esta parte de la curva se llama porción Plástica, aumentando la fuerza llegaremos al punto de rotura “failure point”

En ingeniería, se trabaja en la zona de elasticidad, a fin de que no exista la posibilidad de fallo de estructura. También se estudia los tipos de materiales que se van a utilizar.

La dureza de un material se define por la capacidad de ser rayado por otro material. El material mas duro que se conoce es el diamante.

Ductivilidad, es la capacidad de que un material se pueda alargar, bajo un sistema de fuerzas.
Un material poco dúctil es quebradizo, y tiene poca resistencia a los impactos.

Viscoelasticidad, es la propiedad delos materiales, que se deforman al someterlos a un estrés y a una velocidad determinada.
Los materiales viscoelásticos como el hueso o los ligamentos. Tienen una curva de estrés-deformación que depende del tiempo que se tarda en aplicar la fuerza. Esto se debe al contenido en agua de la estructura.

Tenacidad, llamada también dureza de un material es la medida de la energía que se necesita para fracturarlo.

La fatiga de un material, es la consecuencia de un estrés cíclico y fluctuante, aunque no llegue al punto máximo, puede romper (rotura crónica del ligamento cruzado anterior en razas grandes.).
Cuando se procede a colocar una placa en una fractura, se inicia una carrera, en la que si el hueso tarda mucho en unirse, el material sufre una fatiga y puede romperse.

Materiales isotropicos son los que tienen las mismas propiedades en cada dirección del material.
Materiales homogéneos son los que tienen una estructura y composición uniformes a través de ellos.
El organismo animal es muy complejo, por ello son materiales no homogéneos, y anisotropicos.

La Biomecánica es una ciencia básica en el estudio de la traumatología y ortopedia, así como de cualquier disciplina relacionada con el aparato locomotor, fisioterapia, ortesis, correcciones en la marcha etc.

(Biomecánica clínica del aparato locomotor, Rodrigo C. Miralles Marrero editorial Masson 1988)