Fundamentos Biomecanica

Fundamentos Biomecanica

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FUNDAMENTOS DE BIOMECÂNICA 2

INTRODUÇÃO À BIOMECÂNICA03
O que é Biomecânica03
Aspectos históricos04
Biomecânica Moderna06
Biomecânica no Brasil06
MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO07
CINEMETRIA08
Cinematografia08
Sistema optoeletrônico08
Câmera digital09
Aplicações da Cinemetria09
DINAMOMETRIA10
Forças externas10
Forças externas VS lesões13
Força de reação do solo14
Pressão16
Aplicação de pressão18
Forças Internas19
Como estimar Força interna21
ELETROMIOGRAFIA25
quadríceps29

SUMÁRIO Um caso de EMG no futebol e paradoxo do

OMATERIAIS30
OSSOS30
Características histológicas30
Características biomecânicas31

INTRODUÇÃO AO ESTUDO DOS BICaracterísticas do tecido ósseo em desen-

volvimento35
Distúrbios de crescimento37
Relatos da Literatura37
Mecanismos de lesão38
Influência no envelhecimento39
ósseo40
ARTICULAÇÕES43
LIGAMENTOS45
CARTILAGEM ARTICULAR48
MÚSCULO ESQUELÉTICO52
lar53
Funções musculares54
Tensão no músculo esquelético56
Adaptação do músculo58

Efeitos crônicos do treinamento no tecido Mecanismos de contração muscu-

NO61

ALAVANCAS DO CORPO HUMAGeração de torque em função da variação

angular64
articular65
Exemplos de exercícios67

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O QUE É BIOMECÂNICA? Ciência interdisciplinar que descreve e analisa o movimento humano e de animais, se utilizando de aplicações mecânicas, considerando as propriedades do sistema biológico. Estuda se as forças internas e externas, e seus efeitos nas estruturas biológicas.

Seu objetivo é a análise física do movimento dos sistemas biológicos levando em consideração as particularidades fisiológicas e anatômicas bem definidas.

Os objetivos da área são: • Otimizar o rendimento

• Reduzir a sobrecarga

Áreas de aplicação: • Biomecânica do esporte - análise da técnica do movimento

- construção de equipamentos esportivos • Clínica e reabilitação

• Movimento laboral

• Movimento cotidiano

• Instrumentação (instrumentos e métodos)

• Biomateriais

Em função de suas particularidades, as diversas expressões do movimento humano exigem a aplicação de procedimentos e técnicas de medida.

• Cinemetria Determina como o movimento foi realizado, através de: Deslocamento Velocidade Aceleração

• Dinamometria Força de reação do solo Pressão Forças internas

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• Eletromiografia Músculos ativos Intensidade e duração da ação muscular Coordenação muscular

• Antropometria Peso Centro de massa Centro de gravidade Centro de volume Propriedades inerciais

Aspectos históricos

• Aristóteles - contribuições em diversas áreas do conhecimento: Mecânica, matemática, fisiologia, química, ética, etc. - função da ciência: explicar a natureza utilizando a matemática como instrumento. - alguns conceitos:

- coração é a fonte da inteligência

- todo movimento depende da ação de um agente motor

- o movimento muscular é o resultado da ação dos pneumas que são transmitidos do coração para o corpo.

• Galeno - primeiro médico dedicado ao esporte: 4 anos de práticas médicas e nutricionais aos gladiadores. - 500 tratados médicos: conhecimento acerca do corpo humano e seu movimento. - de moto muscularum:

- estudo da estrutura muscular (tipo de contração: agonista e antagonista) - nervos: transmissão do “espírito animal” do cérebro para os músculos, neurônios motores e sensoriais - artérias são transportadoras de sangue.

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• Leonardo da Vinci - análise mecânica das estruturas anatômicas

- desenvolvimento da mecânica: paralelogramo de forças, atrito, fundamentos de ação e reação. - estudos anatômicos: arte e ciência: descrição de origem-inserção e posição de alguns músculos - alguns conceitos:

- descrição do vôo das aves: um corpo oferece tanta resistência do

- “força espiritual: energia que movimenta músculos e nervos que torna possível o movimentos. ar quanto o ar exerce sobre o corpo.

• Galileo - “de animaliam Motibus” Biomecânica do salto humano, análise da marcha de cavalos e insetos, estrutura e função dos biomateriais e flutuação. - Fundamentos da mecânica que com a formulação das leis de Newton

- Pai da Biomecânica (Ascenzi, 1993)

• Borelli - pela sua importância é tido como um dos pais da Biomecânica

- “ de motu animalium” (1680) - se utiliza de fisiologia e da física: saltos, corridas, vôos, deslocamento no meio líquido

• Etienne Jules Marey - quantificação de parâmetros relacionados à locomoção

- pioneiro da cinematografia (cronociclo)

- desenvolvimento de instrumentos para análise do movimento (equipamentos pneumáticos)

• Braune e Fischer - análise matemática 3D da marcha

- antropometria : centro de gravidade e movimento dos segmentos do corpo

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Biomecânica moderna

• 1960 - Leip Zig (Alemanha) - 1° encontro internacional

- tema: o papel da biomecânica na análise dos movimentos esportivos

• 1970 - Zurich (Suíça) - 1° seminário internacional de biomecânica

- 200 participantes

- temas: métodos de investigação, análise de movmentos laborais, esportivos e reabilitação

• 1968 - Journal of Biomechanics

• 1973 - Penn State University - IV seminário internacional de Biomecânica

- Sociedade internacional de Biomecânica (ISB)

• 1983 - Fundação da International Society of Biomechanics in Sports

Biomecânica no Brasil

• 1989 - Universidade Federal do Rio Grande do Sul - 1° encontro de professores de Cinesiologia de Biomecânica

- 100 participantes

- tema: a Biomecânica no ensino e pesquisa

• 1992 - Universidade de São Paulo - IV Congresso Nacional de Biomecânica

- Sociedade Brasileira de Biomecânica

- anais com 332 páginas

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Métodos de investigação CINEMETRIA

Cinematografia

Opto eletrônico Câmeras digitais

Forças Externas Forças Internas Reação do solo

Pressão

Tração Ligamentar Compressões Articulares Compressões de discos Torções ósseas

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A cinemetria é capaz de analisar a movimentação com acuidade suficiente, registrando as características cinemáticas da tarefa. Tais variáveis cinemáticas são mensuradas por filmagem através dos métodos descritos a seguir:

CINEMATOGRAFIA: Uso de câmeras cinematográficas onde o movimento é registrado em quadros individuais. Vantagens do método: • Flexibilidade: combinação de câmeras como desejado em 2D ou 3D;

• Precisão: ex: 3000Hz de freqüência = 3000 quadros por segundo;

• Alta resolução: quanto maior o número de pontos, mais detalhes podem ser identificados;

• Livre de efeito retroativo: sem interferência do indivíduo ou do método no movimento analisado;

• Pode ser feito em ambiente externo: não é necessário “pendurar coisas” no indivíduo.

Desvantagens do método: • Preço: o filme é muito caro para sustentar a câmera;

• Feedback lento: é exaustiva a análise de cada quadro;

• Necessidade de processar a imagem: precisa ser digitalizada;

• Necessidade de reconstruir tridimensionalmente a imagem.

SISTEMA OPTOELETRÔNICO: Os pontos recebem marcas ativas (fontes de luz) ou passivas (refletores de luz). As marcas são captadas por um receptor acoplado a um sistema e a câmera mostra o deslocamento de pontos e a coordenada é transferida para o computador. Vantagens do método: • Os softwares facilitam o tratamento dos dados. Desvantagens do método: • Efeito retroativo: os cabos impedem os movimentos de forma natural;

• Preço: é um sistema caro;

• Não pode ser feito em ambiente externo: tem que ser feito apenas em laboratório escuro.

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CÂMERA DIGITAL: Semelhante ao sistema opto-eletrônico. Coloca-se os pontos no indivíduo e o filma. Depois processa a informação no computador por dois caminhos: - Software de reconhecimento automático ou

- Manualmente

Entretanto, nem sempre esse reconhecimento funciona e, além disso, a câmera digital tem baixa freqüência (120 Hz, 240 Hz) para captar movimentos rápidos. Teorema da amostragem: A taxa de aquisição deve ser pelo menos 2x maior do que a freqüência do sinal. No exemplo abaixo, a imagem obtida foi mais lenta do que a original:

Exemplos: 1º) Cinematografia para analisar salto triplo de atleta brasileiro e norte-americano. Notou-se maior angulação no joelho do brasileiro. Com a análise, percebemos que quanto mais rápido tocar o chão menos velocidade se perde e, sendo assim, é uma questão que pode interferir no desempenho do cidadão. 2º) Quais os parâmetros que regem a propulsão no meio líquido? Na década de 70 pensava-se da seguinte maneira: “Eu empurro a água e ela me empurra”, era uso da força de reação. Um estudo de COUSILMAN em 1971 nos trouxe a descrição do padrão cinemático de nadadores no I Simpósio Internacional de Biomecânica da Natação. Observou deslocamentos médio-laterais e não retos. Percebeu-se que: F sustentação + F arrasto = F propulsiva

Essa é, portanto, a chamada Teoria da Sustentação Propulsiva. drag lift resultant

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Medição de forças que produzem o movimento.

Forças externas: Força de reação do solo Pressão

Forças internas: Tração ligamentar

Compressões articulares Compressões de discos Torções ósseas

É fácil medir força externa, por exemplo, através de uma plataforma de pressão ou outro instrumento de interface. A mesma facilidade não ocorre com as forças internas como veremos a seguir, uma vez que estas combinam medição e cálculo.

** Para que estudar Força Externa? A determinação das forças nos ajuda a entender: Desempenho Mecanismos de sobrecarga (somatória de F ext e F int) Treinamento, aprendizagem e reabilitação

DESEMPENHO Exemplo: Como entender os mecanismos que afetam o desempenho nos saltos?

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O indivíduo produziu mais força para frear do que para executar o movimento na propulsão. Descemos muito no movimento para acumular energia e com isso tem que desacelerar muito fortemente. Com o salto adequado junta a força correta com a técnica. Segue abaixo outro exemplo na caminhada da pessoa “normal”:

O 1º pico é denominado passivo, quando o calcanhar toca o chão. O 2º pico é de propulsão.

Neste outro exemplo o indivíduo não consegue acelerar o próprio corpo com a força de propulsão e, além disso, seu movimento de entrada está incorreto. A marcha é característica de paralisia cerebral, com acionamento desorganizado dos músculos: produzem mais energia para usar menos.

Os gráficos são representações de dois mundos diferentes: um associado ao desempenho e um outro exemplo com marcha atípica que precisa ser melhorada.

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Associa-se a lesões, muito freqüentes na atividade física e que podem provocar o afastamento do treinamento e também abreviar a carreira esportiva. ** Por que nos lesionamos?

O leigo toma a lesão como uma fatalidade, como algo comum para determinada atividade. Na verdade, a lesão é causada pela somatória das forças impostas às estruturas biológicas.

O melhor seria evitar as atividades que geram impacto, pois quanto menor o “impacto” melhor: caso de esportes na água como a hidroginástica, corrida na água, etc. No entanto, em idosos o impacto é necessário para a massa óssea no caso de osteoporose. A osteopenia é a fase que antecede a osteoporose principalmente em mulheres mais novas com cerca de 30 anos.

Com carga adequada ossos, músculos e ligamentos funcionam bem. No entanto, com carga excessiva, a força extrapola o aparelho locomotor podendo causar fraturas.

Ɖ Forças e momentos agindo no aparelho locomotor Cargas mecânicas

Efeito biopositivo Efeito bionegativo

Manutenção das características biomecânicas

Otimização das estruturas Lesões

Controle das cargas mecânicas

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Experimentos:

A) RADIN El all (1982) pegou coelhos e imobilizou uma de suas patas para aplicar forças de 1x seu peso corporal durante 6 ciclos/min (1h/dia). Os animais tinham redução de glicosaminoglicanos, precursores do ATP (indício de osteoartrose); há muitos na cartilagem onde forma o gel colóide. Além dessa redução ocorreram também fraturas trabeculares e calcificação do ligamento colateral. Logo, precisamos conhecer a carga para controlá-la.

B) A aula de step melhora muito a condição cardiovascular, entretanto muitos a consideram como atividade de alto impacto. Será que isso é ruim? No step a magnitude da força de descida é cerca de 1,5 PC (uma vez e meia o peso corporal). Há medições do movimento humano que geram 2 PC, como é o caso do salto triplo. Logo, no step não há tanto impacto assim como dizem.

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1) FORÇA DE REAÇÃO DO SOLO

É de acordo com a 3ª Lei de Newton: “Você aplica força no chão e ele aplica em você.” É de mesma magnitude em sentido oposto.

AÇÃO - igual REAÇÃO - oposta

**Como mensurar a Força de reação do solo? Por plataforma de força.

A desvantagem do método é estar fixa no solo e possuir efeito retroativo, pois o indivíduo muitas vezes acaba olhando para a plataforma durante a execução do movimento com receio de pisar fora dela.

Há uma unidade de medição em cada canto da plataforma: são os transdutores de força, que podem ser: • pizoelétricos: pressão elétrica. Cristais mudam sua configuração e seu comportamento elétrico. É possível acompanhar as mais sensíveis variações de força, até mesmo a força da freqüência cardíaca. Apesar da alta fidelidade, a desvantagem do sistema é o alto preço.

• Strain-gauges: há transdutores também com célula de deformação, sendo menos rápida do que a primeira plataforma.

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** Nos cristais pizoelétricos, por que usar 3 pares de sensores?

Com o uso de 3 pares de sensores é possível mensurar as 3 componentes da Força de Reação do Solo, classificadas de acordo com o Sistema de Referência em:

A Fz é sempre muito pequena no movimento humano, a não ser em movimentos específicos de deslocamento lateral. São os músculos e os ligamentos os responsáveis pelo controle dessa força.

Hoje, as plataformas de força emitem sinal para um módulo que o amplifica.

Esse módulo de amplificação e condicionamento junta a informação de 4 sensores. O sinal que sai do amplificador é analógico e precisa ser convertido em digital na placa mãe (conversor analógico-digital). **Evolução dos métodos de medição • FENN (1930): Aplicava-se o Princípio da deformação, como se fosse uma mola.

• KISTLER (modelo 9285): Superfície transparente; registra parâmetros cinemáticos de apoio.

• KISTLER (modelo 9253): Suporta até 100m de profundidade. Pode ser montada em ambiente externo e mantida lá; produzida só por encomenda. Características: - Superfície robusta;

- Submergível;

- Ambientes sujos (medições com animais);

- Ambientes externos;

- Meio líquido. • KISTLER (modelo9286): É portável e serve apenas para marcha em velocidade baixa; não serve para avaliar movimentos rápidos.

• SISTEMA GAITWAY KISTLER: Esteira com duas plataformas piezoelétricas. Essa plataforma possui a limitação de medir apenas força vertical e não as outras 2 forças, Fx e Fz..

Fy = Força Vertical Fx = Força Horizontal Antero-posterior Fz = Força médio-lateral

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Exemplo de aplicação com plataforma de força: ** Qual a influência da joelheira no controle de cargas externas?

No experimento realizado, observou-se como o indivíduo cai com e sem joelheira na plataforma de força. Notou-se apenas 100N de diferença, quase insignificante, pois a massa e a aceleração são as mesmas. No entanto, o uso de joelheiras aumentou a superfície de contato e com isso há alteração de pressão.

2) PRESSÃO

A pressão não é sinônimo de força e sim como esta é distribuída em determinada área. **Quais as conseqüências de descontrole de pressão? - Alterações na pele (calo, bolha, formigamento — alta pressão);

- Alterações ósseas (pressão concentrada em determinadas regiões);

- Alterações articulares;

- Alterações posturais (na posição sentado recebe-se grande pressão na região glútea); - Alterações Somato-sensoriais (mecanoreceptores medem a pressão; se o sujeito não sente dor, pode ter maiores prejuízos).

**Como mensurar a Pressão?

Poderíamos medir pressão usando uma plataforma de força, sabendo-se a área do pé. Entretanto, há diferentes pressões no pé. Por isso usamos então os métodos descritos a seguir:

COM JOELHEIRA 70 cm² 75 cm² SEM JOELHEIRA 15 cm² 12 cm²

SEM JOELHEIRA 467 KPA 994 KPA COM JOELHEIRA 161 KPA 1339 KPA

A (Pa ou KPa)

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