Metodologia biomecânica para o estudo das forças

Metodologia biomecânica para o estudo das forças

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METODOLOGIA BIOMECÂNICA PARA O ESTUDO DAS FORÇAS INTERNAS AO APARELHO LOCOMOTOR: IMPORTÂNCIA E APLICAÇÕES NO MOVIMENTO HUMANO Alberto Carlos Amadio

Biomecânica é uma disciplina entre as ciências derivadas das ciências naturais, que se ocupa de análises físicas de sistemas biológicos, conseqüentemente, de análises físicas de movimentos do corpo humano. Quando dimensionamos a biomecânica no contexto das ciências derivadas, cujo objetivo é estudar o movimento, devemos lembrar que esta reinvidicação científica apoia-se em dois fatos fundamentais: a) a biomecânica apresenta claramente definido seu objeto de estudo, definindo assim sua estrutura de base do conhecimento; b) seus resultados de investigações são obtidos através do uso de métodos científicos próprios, envolvendo todas as etapas do trabalho científico.

Naturalmente estes aspectos são amplamente dinâmicos e não devem sofrer soluções de continuidade em função do tempo, admitindo avanços científicos que colaboram para o crescimento do próprio conhecimento científico. Assim, é muito importante dizermos que não é suficiente a matéria de estudo estar definida, mas também é necessário que existam métodos de estudo próprios para que se aplique na investigação do movimento. Seu atual estágio de desenvolvimento é expresso pelos novos procedimentos e técnicas de investigação, nas quais podemos reconhecer a tendência crescente de se combinar várias disciplinas científicas na análise do movimento.

Nos últimos anos o progresso das técnicas de medição, armazenamento e processamento de dados contribuiu enormemente para a análise do movimento humano. É claro que nenhuma disciplina se desenvolve por si mesma; para a sua formação, a biomecânica recorre a um complexo de disciplinas científicas, e, particularmente no caso da biomecânica pode-se observar uma estreita relação entre as necessidades e exigências da prática do movimento humano.

O corpo humano pode ser definido fisicamente como um complexo sistema de segmentos articulados em equilíbrio estático ou dinâmico, onde o movimento é causado por forças internas atuando fora do eixo articular, provocando deslocamentos angulares dos segmentos, e por forças externas ao corpo. Em princípio deve-se considerar que a estrutura funcional do sistema biológico passou por um processo organizacional evolutivo de otimização, que se diferencia sensivelmente do caminho de aperfeiçoamento técnico do movimento. Em contraposição a um corpo rígido, a estrutura biológica do corpo humano permite a produção de força através da contração muscular, que transforma o corpo num sistema autônomo e independente e assim acontece o movimento. Desta maneira definimos que a ciência que descreve, analisa, e modela os sistemas biológicos é a biomecânica, logo uma ciência de relações altamente interdisciplinares dada a natureza do fenômeno investigado. Assim, a biomecânica do movimento busca explicar como as formas de movimento dos corpos de seres vivos acontece na natureza a partir de parâmetros cinemáticos e dinâmicos (ZERNICKE, 1981).

Conhecimentos científicos possibilitam o desenvolvimento de métodos para o estudo de fenômenos naturais, indispensáveis para a compreensão dos parâmetros que compõem o universo do movimento humano. A biomecânica interna investiga as forças que têm sua origem dentro do corpo e que na maioria dos casos pressupõem conhecimento da biomecânica externa. Portanto, com relação a aplicação da biomecânica para análise e investigação de movimentos do corpo humano e consequentemente do movimento esportivo, poderíamos apresenta-la subdividida em duas áreas de estudo: biomecânica interna e biomecânica externa.

Na área de análise do movimento esportivo, o comportamento da sobrecarga articular e os efeitos dos mecanismos motores no processo de aprendizagem são exemplos de áreas do conhecimento, que se relacionam com a diagnose no esporte. Portanto, referimo-nos ainda a uma biomecânica do esporte que se dedica ao estudo do corpo humano e do movimento esportivo em relação as leis e principios físico-mecânicos, incluindo os conhecimentos anatômicos e fisiológicos do corpo humano. No sentido mais amplo de sua aplicação, ainda é tarefa da biomecânica das atividades esportivas, a caracterização e otimização das técnicas de movimento através de conhecimentos científicos que delimitam a área de atuação da ciência, que tem no movimento esportivo seu objeto central de estudo. A biomecânica do esporte integra ainda outras áres da ciência que também possuem no movimento esportivo a definição do seu objeto de estudo.

O relacionamento entre os parâmetros estruturais do movimento faz-se presente, na prática, através da real interdependência entre dois parâmetros: o qualitativo e o quantitativo, dada a natureza da tarefa de movimento a ser realizada. Assim sendo, encontramos distintos tipos de relacionamento com participação de maior ou menor grau dos parâmetros estruturais para cada tarefa de movimento. Quanto maior a interdependência mais avançado é o processo de especialização e maturidade do movimento. Muito raramente poderíamos encontrar tarefas de movimento de interesse de estudo onde não existisse interdependência alguma entre estes parâmetros estruturais do movimento. Portanto, quanto maior a interdependência, tanto maior é a possibilidade de entendermos a estrutura de movimento na sua concepção mais complexa para a análise.

No processo de investigação do movimento em biomecânica, busca-se a definição de um método para a orientação da análise experimental, procedimento que poderá envolver uma técnica ou um conjunto delas permitindo o esclarecimento de problemas na estrutura da investigação. Assim, o primeiro passo é o estabelecimento de objetivos para o desenvolvimento da análise do movimento humano.

Outro aspecto muito importante em estudos biomecânicos é o desenvolvimento de uma ampla base de dados relativa a informações acerca do movimento humano. A possibilidade de intensificar as interpretações estatísticas de modelos biomecânicos depende, em primeiro lugar, da expansão dos parâmetros e variáveis do movimento nesta ampla base de dados, que devemos buscar através de estudos experimentais e demais registros sobre informações de testes em biomecânica.

psicologia, a física, a matemática, etc

Através da biomecânica e de suas áreas de conhecimento correlatas podemos analisar as causas e fenômenos do movimento. Para que possamos entender melhor a complexidade do movimento humano e explicarmos suas causas, é necessário que outros aspectos da análise multidisciplinar sejam também consideradas. Além da biomecânica fazem parte desse campo de estudo e de pesquisa outras importantes disciplinas como a antropometria, a neurofisiologia, a fisiologia geral, a bioquímica, o ensino do movimento, a

Outro aspecto a ser discutido é sobre os limites ou fronteiras entre as disciplinas científicas e neste sentido observamos ser uma prática de alguma forma artificial, pois na realidade sempre existem domínios de superposição. Este dilema é típico de todas as ciências e ainda pertence a estrutura dinâmica de progresso no conhecimento científico onde sempre se busca a partir da superposição, um novo aspecto e ou explicações de fenômenos partindo de problemas interdisciplinares.

Considerando-se o movimento humano como o objeto central de estudos em educação física e esportes, analisamos suas causas e efeitos produzidos em relação à biomecânica e às demais áreas de estudos que compõem esta multidisciplinar interdependência no estudo do movimento humano. Para a investigação deste movimento, torna-se necessário, pela complexidade estrutural do mesmo, a aplicação simultânea de métodos de mensuração nas diversas áreas do conhecimento da ciência. A este procedimento denomina-se "Complexa Investigação" do movimento. Este procedimento deve envolver todos os métodos de pesquisa em biomecânica, determinados pelas variáveis a serem observadas na análise do movimento, como, por exemplo, a combinação simultânea e sincronizada de procedimentos cinemáticos e dinâmicos tão comuns e necessários para a interpretação do movimento.

Todo estudo biomecânico depende da determinação de grandezas mecânicas, que podem ser interpretadas como propriedades do corpo humano em análise comportamental, ou mesmo entendidas no processo de desenvolvimento como sendo passível a alterações. Medir uma grandeza física significa estabelecer uma relação entre esta e uma grandeza-unidade de mesma natureza. Padronizar procedimentos de medida em biomecânica torna-se uma tarefa difícil, pois o processo de coleta, armazenamento e digitação de dados depende muito dos avanços tecnológicos e das mudanças que ocorrem, o que nos impede de traçar técnicas definitivas. Essas mudanças ocorrem no sentido tanto da pesquisa básica do desenvolvimento de equipamentos e materiais quanto nas aplicações da biomecânica (WOLTRING, 1992).

A determinação de forças internas assume destacada relevância científica e tecnológica na análise biomecânica do movimento humano. A partir da análise dessas forças, importantes considerações acerca do controle do movimento e da sobrecarga mecânica imposta ao aparelho locomotor podem ser feitas, contribuindo de forma efetiva na busca de parâmetros de eficiência do movimento e/ou proteção do aparelho locomotor. As forças internas podem ser obtidas através de modelos físico-matemáticos aplicados ao corpo humano. Em função da simplificação da representação do aparelho locomotor, estes modelos permitem o cálculo dessas forças, a partir de variáveis oriundas da dinamometria, da cinemetria e da antropometria (AMADIO & DUARTE, 1996).

Genericamente os métodos utilizados em biomecânica podem ser classificados nas seguintes categorias: (a) teórico-dedutivos ou determinísticos, baseados somente em leis físicas e relações matemáticas (relações causais), (b) empírico-indutivos ou indeterminísticos, baseados em relações estatísticas (relações formais) e relações experimentais e ainda poderiamos relacionar (c) métodos combinados, que tentam conjugar as duas categorias anteriores, em função do problema científico a ser tratado.

Podemos classificar os procedimentos de medição em biomecânica nas seguintes categorias: (a) Procedimentos Mecânicos - observações de grandezas por observação direta e que não se alteram muita rapidamente. (b) Procedimentos Eletrônicos - grandezas mecânicas são transformadas em elétricas, facilitando a medição de grandezas que se alteram rapidamente com o tempo e daí adaptando ao processamento de dados, o que permite medições dinâmicas. (c) Procedimentos Ópticos-eletrônicos (processamento de imagens) - representação óptica e geométrica do objeto a ser analisado. As análises e medições são feitas no modelo. São procedimentos indiretos uma vez que a análise é feita no modelo representado (ABDEL-AZIS & KARARA, 1971).

Quanto às técnicas de medição em biomecânica poderíamos relacionar os métodos que representam todo o suporte de desenvolvimento e evolução da ciência, particularmente em biomecânica do esporte: a) simulação e otimização computacional da técnica de movimento; b) comando e controle da técnica de movimento por computação; c) análise da sobrecarga do aparelho locomotor.

Por sua vez, a biomecânica, como já classificamos, pode ser dividida em interna e externa, dada a grande diferença de sua abordagem e aplicação. A Biomecânica Interna se preocupa com as forças internas, as forças transmitidas pelas estruturas biológicas internas do corpo, tais como forças musculares, forças nos tendões, ligamentos, ossos e cartilagem articular. Elas estão intimamente relacionadas com a execução dos movimentos e com as cargas mecânicas exercidas pelo aparelho locomotor, representadas pelo stress, que é o estímulo mecânico necessário para o desenvolvimento e crescimento das estruturas do corpo. O conhecimento destas forças internas tem aplicações como o estudo clínico da marcha patológica originada por anomalia muscular, transplante de tendão ou amputação de membros, por exemplo, para aperfeiçoamento da técnica de movimento, assim como na determinação de cargas excessivas durante as atividades físicas em esportes de alto nível ou em atividades laboriais do cotidiano. A determinação das forças internas dos músculos e das articulações ainda é um problema metodológico não totalmente resolvido na biomecânica, mas seguramente constitue-se a base fundamental para melhor compreensão de critérios para o controle de movimento (CHAO, 1986).

O sistema de comando estabelece uma sequência relacionada ao processo de ativação de centros nervosos para o controle de movimento. Esta sequência de ativação dos padrões musculares podem modificar-se em função de respostas do sistema sensorial periférico, do controle articular ou mesmo por ação de outros receptores. A interação entre o sistema nervoso central, sistema nervoso periférico e o sistema músculo-esquelético define a base de funcionamento e comando de movimento, que tem por pressuposto um modelo constituído, fundamentalmente segundo o princípio causa e efeito (VAUGHAN et al., 1992), conforme ilustrado na FIGURA 1.

FIGURA 01 - Componentes que estabelecem a base funcional do sistema de comando e controle de movimento segundo modelo de natureza causa e efeito (adaptado de VAUGHAN et al. 1992).

Este estudo sobre o funcionamento físico de estruturas biológicas tem se baseado principalmente em medidas experimentais. Pela óbvia dificuldade metodológica de acessarmos o comportamento biomecânico de estruturas internas dos sistemas biológicos, a sua parametrização em termos de variáveis biomecânicas internas se torna extremamente dependente ou de medições externas ao organismo, isto é, observadas exteriormente, ou de equações de estimação. Desta maneira, a biomecânica estrutura-se como um ramo de grande interação com áreas diversas que se aplicam ao estudo do movimento, em especial, ao do corpo humano, como a Educação Física, a Medicina, a Fisioterapia, a Engenharia, a Física, entre outras áreas.

Por se tratar de uma disciplina com alta dependência de resultados experimentais, é premente que a biomecânica apresente grande preocupação com seus métodos de medição. Somente desta forma é possível buscar métodos e medidas mais acurados e precisos para a modelagem do movimento humano. Os métodos utilizados pela biomecânica para abordar as diversas formas de movimento são: cinemetria, dinamometria, antropometria e eletromiografia (WINTER 1990, AMADIO 1989, BAUMANN 1995). Utilizando-se destes métodos, afinal, o movimento pode ser descrito e modelado matematicamente, permitindo a maior compreensão dos mecanismos internos reguladores e executores do movimento do corpo humano, como descrito na FIGURA 02, onde observamos áreas para análise e medição do movimento de origem analítica e/ou experimental para a determinação destes parâmetros da biomecânica interna.

FIGURA 02 - Áreas para complexa análise biomecânica do movimento humano (adaptado de AMADIO, 1989, BAUMANN 1995).

Existem duas abordagens possíveis para a determinação das forças internas: a) direta e b) indireta, através de procedimento analítico indireto, utilizando-se de medidas externas e um modelo mecânico do sistema em questão. Há grande dificuldade na determinação de forças internas pelo método direto, pois implica fundamentalmente na colocação de transdutores dentro do corpo humano para desempenhar tal tarefa. São poucos os estudos neste campo, e tratam basicamente de inserção de transdutores de força diretamente no tecido biológico em seres humanos, ou de transdutores em endopróteses e órteses, que são então utilizadas pelo indivíduo.

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