1.
Introducción
La biomecánica del movimiento humano tiene su origen en la Edad Antigua, aunque
su desarrollo definitivo como disciplina científica se produce en el Siglo XIX.
La biomecánica de la actividad física y el deporte ha adquirido una especial
relevancia en las últimas tres décadas, a partir del interés mostrado por
investigadores de distintas disciplinas en el análisis de actividades motrices
como la marcha, la carrera o el salto. Esta investigación biomecánica se
orienta, por tanto, a diversas áreas del movimiento humano. Entre otras, se
pueden mostrar las siguientes:
-
Mecánica
del movimiento humano.
-
Funcionamiento
de músculos, tendones, ligamentos, cartílagos y huesos.
-
Carga
y sobrecarga de estructuras específicas.
-
Factores
influyentes en el desarrollo corporal.
En el ámbito de la biomecánica, se pueden establecer objetivos y principios
que fundamentan de forma teórica esta disciplina científica, así como algunos
de los aparatos de medición que se emplean para investigar y registrar datos
que ayudan a mejorar el rendimiento deportivo, prevenir lesiones deportivas y
mejorar la ergonomía en las actividades cotidianas.
2.
Objetivos de la biomecánica de la actividad física y el deporte
Según Gutiérrez (1999), se pueden plantear los siguientes objetivos:
-
Educación y reeducación física: orientar hacia aspectos muy
específicos relacionados con la incidencia social sobre los desequilibrios
del hombre.
-
Reeducación deportiva: conocer las bases biomecánicas que inciden
en los ejercicios físicos, siendo capaz de solucionar (fuera del ámbito
patológico) de forma individualizada las posibles causas de las lesiones
deportivas.
-
Metodología del aprendizaje deportivo: agrupar y esquematizar el
gesto en función de las leyes mecánicas, conocer el modelo o patrón de
movimientos más eficaz que se debe enseñar.
-
Rendimiento deportivo: perfeccionar la técnica deportiva para
mejorar los resultados en competición, desarrollar investigaciones para
mejorar la técnica deportiva.
3.
Principios de la biomecánica de la actividad física y el deporte
La
identificación de las variables mecánicas que intervienen en las habilidades y
destrezas motoras, así como en los gestos técnicos de los deportes, facilita
la detección de errores, sus causas, y también previene lesiones. Según
Hochmuth (1973), en el ámbito de la actividad física y el deporte se pueden
considerar una serie de principios mecánicos:
Principio
de la fuerza inercial
, que muestra que
todo movimiento corporal con el que se pretenda alcanzar una elevada velocidad
final (ej. Lanzamiento de balonmano), debe ir precedido de un movimiento de
impulso en sentido contrario.
Principio
del curso óptimo de la aceleración,
que plantea que todo movimiento corporal con el que se pretenda alcanzar una
elevada velocidad final (Ej. Lanzamiento de disco en atletismo) debe
aprovecharse la longitud óptima de la trayectoria de aceleración, que
dependerá de la magnitud del impulso de frenado en relación con el impulso de
aceleración.
Principio
de coordinación de impulsos parciales,
que muestra que todo movimiento corporal con el que se pretenda alcanzar una
elevada velocidad final dependerá de una serie de aspectos que favorezcan la
prolongación del recorrido de aceleración y una mayor eficacia muscular. Estos
aspectos son:
-
Una coordinación de impulsos parciales originados en los segmentos
corporales, pierna-tronco-hombro-brazos.
-
Esta sucesión de impulsos debe seguir una dirección espacial.
Principio
de reacción o contraefecto. Basado en
la Tercera Ley de Newton, esta premisa muestra que cualquier fuerza que actúa
sobre una superficie rígida provoca una fuerza de reacción.
Principio
de conservación del impulso, que indica
que cualquier movimiento que implique un giro (Ej. Salto con pértiga en
atletismo), si se mantiene la cantidad de movimiento de rotación constante,
puede modificarse su velocidad angular, cambiando la posición de lo segmentos,
aproximándolos o alejándolos del eje de giro.
4.
Aparatos de medición en biomecánica de la actividad física y el deporte
1.
Goniómetro
Definición
Del
griego gonía, ángulo, y metron, medida, es un instrumento
destinado a medir los ángulos. Se utiliza para medir los ángulos de la cara y
del cráneo, y para medir la amplitud de los movimientos de ciertas
articulaciones.
En el
campo de la matemática, lo más frecuente es que tenga forma de semicírculo
graduado en grados (desde 0° hasta 180°), aunque también los hay en forma de
círculo (desde 0° hasta 360°).
Existen
varios tipos de goniómetros aplicables en función de la anatomía de las
articulaciones a evaluar y de los movimientos que estamos midiendo. Entre los
más empleados se encuentran: brújula, ramas largas, universal y digital.
En
atención de la salud humana se utiliza para medir el ángulo de movilidad
articular limitado por enfermedades, lesión o desuso. Es decir en la
exploración del aparato locomotor se caracteriza por ser una técnica simple,
no invasiva y no requerir sedación (en la mayoría de los casos).
Tipo
de medida
Se
trata de un aparato de medida externa al sistema biológico, ya que nos permite
obtener datos sobre la amplitud, flexibilidad y extensibilidad de determinadas
articulaciones, mediante una instrumentación situada fuera del organismo. Posee
un transportador que expresa los grados del ángulo de flexión y extensión
conseguidos por la articulación de forma indirecta, a través de un proceso de
cálculo, para medir de forma objetiva la amplitud de la articulación.
Funcionamiento
La
técnica general consiste en ubicar los brazos del goniómetro sobre el eje
medio de los huesos proximal y distal de la articulación a explorar,
localizando el centro del goniómetro sobre el eje de flexión articular el cual
se determina tras realizar suaves movimientos de flexión y extensión.
Funciona
como una falsa escuadra pero posee un transportador en el cual se puede leer
directamente el ángulo. Está constituido por dos brazos articulados que se
unen en el centro de un semicírculo graduado.
Para
realizar una valoración articular en general, y particularmente, una
goniométrica, necesitamos ciertas premisas:
-
Conocer las posibilidades normales de cada articulación en los tres planos del
espacio, para lo que es necesario conocer de qué depende esa amplitud.
Imagen
2.
Acelerómetro
Definición
Instrumento
que cuantifica la magnitud de los cambios de la aceleración del centro de masas
del cuerpo durante el movimiento.
Un
acelerómetro es un dispositivo pequeño (casi del tamaño de un busca-personas)
que puede ser usado para medir el nivel de actividad, los patrones de actividad
y uso de las calorías de la persona que lo lleva puesto. También se puede
llevar puesto en la muñeca para determinar los patrones al dormir/despertarse.
Es un
sensor de movimiento, que utiliza un transductor piezoeléctrico para detectar
la aceleración en uno o en los 3 planos del espacio. Permiten realizar un
registro continuo durante varios días y proporcionan la media de las
aceleraciones experimentadas a lo largo de dicho período, denominada vector de
desplazamiento (VMU). Ésta es una medida más objetiva de la actividad física,
que ha demostrado alcanzar un elevado grado de precisión a través de un amplio
rango de niveles de actividad, con un coste relativamente bajo.
Tipo
de medida
Es un
aparato de medida interna al sistema biológico, ya que nos permite obtener
datos nivel de actividad y gasto energético, mediante un instrumental situado
dentro del sistema de estudio. Posee un sensor que registra los datos de forma
directa, a través de un proceso de cálculo, para medir de forma objetiva el
gasto energético realizado.
Funcionamiento
El
dispositivo se coloca en una correa elástica, en la cintura, debajo de la ropa.
No tiene botones o conexiones, los cuales los chicos pueden usar para jugar o
alterar, por lo tanto, se puede usar en chicos muy jóvenes, sin correr el
riesgo de perder los datos.
El
acelerómetro se inserta en el cinturón de los sujetos mediante una pinza y se
les indica que únicamente deben quitárselo para dormir o ducharse. Los
acelerómetros se programan de tal forma que almacenan una medida del vector de
desplazamiento (VMU) en el eje triaxial cada minuto. Una vez que se vuelca el
registro, se calcula la media de todas las determinaciones del VMU. La
acelerometría se basa en la existencia de una relación linear entre la
integral de la aceleración corporal y el consumo de oxígeno, hecho que permite
el cálculo del gasto energético asociado al movimiento.
Imagen
3.
Células fotoeléctricas
Definición
Una
célula fotoeléctrica, también llamada célula, fotocélula o celda
fotovoltaica, es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía
luminosa (fotones)
en energía eléctrica (electrones)
mediante el efecto fotovoltaico.
Las
células fotoeléctricas son sensibles a la luz visible y a la luz invisible con
los rayos infrarrojos.
Se
utilizan para medir los tiempos de carrera, principalmente en aquel tipo de
competición de poca duración y en las que existen escasas diferencias entre
los atletas (carrera de velocidad, 100 metros lisos). Actualmente, su uso se ha
generalizado hasta tal punto que hoy día no se homologa ninguna marca de
atletismo o natación, sino es con este tipo de material.
Tipo
de medida
Se
trata de un aparato de medida externa al sistema biológico, ya que nos permite
obtener datos sobre tiempos de carrera mediante una instrumentación situada
fuera del organismo. Posee unos rayos infrarrojos sensibles a la luz y al
movimiento que permite recoger de manera directa cualquier gesto deportivo o
movimiento que se realiza en la práctica de actividad físico-deportiva.
Funcionamiento
El
sistema consiste en colocar dos células fotoeléctricas con sus respectivos
receptores en una disposición tal que permita medir el tiempo en que se ejecuta
un ejercicio determinado o el gesto técnico que realiza un deportista.
Por
medio de este sistema y con la creación de una hoja de cálculo se obtienen
datos importantes de cualquier ejercicio.
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4.
Plataforma de fuerzas
Definición
La
plataforma de fuerza brinda un sistema de análisis cinético del movimiento que
permite medir las fuerzas que el pie ejerce sobre el plano de apoyo durante la
marcha, la carrera o el salto.
Estas técnicas tienen su fundamento en la tercera ley de Newton -principio de
acción-reacción- que dice que puede obtenerse el valor de una fuerza externa
ejercida sobre una superficie al hallar la fuerza que origina, igual en magnitud
y dirección, pero de sentido contrario. Toda fuerza aplicada sobre la
plataforma producirá una señal eléctrica proporcional a la fuerza que se haya
aplicado y que se proyectará en los tres ejes del espacio (x, y, z).
La componente vertical (Y) es la de mayor magnitud y está relacionada con la
gravedad (peso del cuerpo actuando sobre el pie). Al estudiar la gráfica de
esta componente vertical se observa una curva con dos picos (choque de talón y
empuje), el primero de ellos situado al inicio y el segundo al final de la
gráfica, los cuales coinciden con las dos fases de doble apoyo que tienen lugar
en cada ciclo de la marcha. Los valores que se registran en esos dos picos son
superiores al peso del cuerpo y su magnitud se modifica con las variaciones de
la velocidad. Entre ambos picos existe un valle que correspondería a la fase de
apoyo monopodal o de apoyo del pie, en que todo el peso del cuerpo recae sobre
la extremidad inferior apoyada en el suelo. Las fuerzas paralelas, antero
posterior (Z) y medio lateral (X) son de menor magnitud y están originadas por
las fuerzas de fricción entre el pie y el suelo.
La componente anteroposterior está representada por una curva que en su inicio
indica la deceleración o frenado que se produce en el choque de talón y que
alcanza su máximo valor en la fase de doble apoyo, posteriormente la fuerza
disminuye hasta hacerse cero en el momento que pasa por la vertical (en el medio
de la planta del pié), cuando el centro de gravedad se encuentra sobre el pie
que soporta toda la carga, después se observa un nuevo pico en la gráfica que
alcanza un valor máximo cuando se inicia la fase de apoyo bipodal.
La componente medio lateral es la de menor magnitud. Indica las desviaciones
laterales del pie durante la marcha. Su amplitud es mayor cuando aumenta la
inestabilidad del sujeto.
Por último las fuerzas de torsión son aquellas que traducen los
movimientos de rotación interna y externa de la extremidad inferior durante el
proceso de deambulación.
Tipo
de medida
La
plataforma de fuerzas es una medida externa al sistema biológico. En este caso
la medida se obtiene mediante instrumentación situada fuera del sistema
biológico de estudio. La medida es la consecuencia del efecto que produce el
sistema sobre otros elementos externos a él. Esta plataforma de fuerzas nos
permite registrar parámetros cinemáticos de movimientos deportivos que se
desarrollan durante la competición.
A su
vez se trata de una medida directa, que es aquella que no requiere proceso
intermedio alguno para su estudio y pueden registrarse o visualizarse de forma
simultánea a la realización de la actividad. Es una medida que puede ser
automatizada con gran facilidad. Los inconvenientes de estas técnicas se
derivan de la ubicación directa de los captadores sobre el sistema en
movimiento, ya que la mayoría de estas medidas se caracterizan por ser internas
al sistema de estudio. Por el contrario, las ventajas son múltiples ya que
ofrecen una gran fiabilidad, un conocimiento inmediato de los resultados y el
tratamiento matemático se puede abordar sin ningún tipo de problemas.
Funcionamiento
Las
plataformas de fuerza son empleadas para proporcionar información precisa sobre
la magnitud y el comportamiento de las fuerzas que actúan sobre el cuerpo, o
bien para mejorar el rendimiento físico o para un diagnóstico médico.
La biomecánica es una ciencia relativamente nueva; describe los procesos
involucrados en los movimientos de los seres vivos. Tales movimientos dependen
de la aplicación de las fuerzas, invisibles para el ojo humano, por ello
ortopedistas, atletas, entrenadores, fabricantes de zapatos, ergonomistas,
neurólogos y otros muchos especialistas, confían en los datos suministrados
por las plataformas de fuerza. El equipo les proporciona una información exacta
sobre la magnitud y el comportamiento de las fuerzas que actúan sobre el
cuerpo, o bien para mejorar el rendimiento o para un diagnóstico médico.
Los
seres humanos han podido empezar a andar recto desde hace ya un millón de
años, pero sólo desde 1969 ha sido posible medir y analizar el modo de andar
de manera precisa y fiable.
Los
platos de fuerza de permiten grabar de manera fiable las fuerzas que actúan
entre el pie y el suelo y en tiempo real, cuando se camina, haciendo jogging,
saltando, deslizándose o simplemente estando de pie. El software procesa las
señales y proporciona la información sobre la fuerza resultante así como sus
direcciones, el centro de presión, las fuerzas de fricción, los pares de
torsión, el rendimiento y la energía. Las exigencias de rendimiento en el
deporte de alto nivel son inmensas. Ganar requiere no solamente talento y un
poco de suerte sino, sobre todo una preparación óptima a través de un
entrenamiento intensivo. Fuerza, resistencia, coordinación – los límites son
extendidos todo el tiempo. La diferencia entre ganar y perder está disminuyendo
constantemente al igual que lo hace la diferencia entre salud y lesión.
La
plataforma de fuerza es usada de modo continua en el diagnóstico del
rendimiento. Permite cuantificar fuerza explosiva y rendimiento mediante saltos
estandarizados independientemente del tipo de deporte.
Una
información precisa y cuantificable es necesaria para el diagnóstico fiable
del modo de andar humano y éste es exactamente el tipo de información que los
platos de fuerza proporcionan. Detectan variaciones mínimas y asimetrías en el
comportamiento de la fuerza, y así son capaces de suministrar a los
especialistas la información adicional necesaria.
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5.
Ergómetro
Definición
Instrumento
destinado a medir el trabajo muscular. Del griego –ergon-, trabajo, y –metron-,
medida.
En
1953, la firma Monark lanzó al mercado un cicloergómetro, con los criterios de
Astrand, que todavía hoy sigue en uso y con mejoras y accesorios.
También
desde 1907 ha corrido, paralelo al desarrollo de los ergómetros de freno
mecánico, otro gran grupo con freno eléctrico, o electromagnéticos, por estar
dotados de dinamo, siendo en 1954 cuando Holmgren y Mattsson construyen el
primer cicloergómetro con freno electrodinámico que mantiene la carga de
trabajo independientemente de la frecuencia de pedaleo.
Los
cicloergómetros han tenido un gran desarrollo y utilización en Europa, y
últimamente complementados por los ergómetros de tapiz rodante (treadmill),
con variantes que han llegado a ofertar velocidades de hasta 40km/h y pendientes
negativas.
Funcionamiento
Desde
hace décadas, los fisiólogos y biomecánicos diseñan y construyen sistemas
ergométricos con el fin de realizar valoraciones con diversidad de finalidades
como pueden ser el rendimiento o la salud.
Bajo
esta premisa, se han diseñado un gran número de ergómetros específicos,
entre los que pueden destacarse ergómetros para remo, para esquí de fondo, o
los más populares cicloergómetros y tapices rodantes, ampliamente difundidos
en los ámbitos de la salud y del deporte.
A
fecha de hoy existen ergómetros que permiten trabajo con revoluciones de
pedaleos dependientes o independientes de la carga, multifuncionales, con
posibilidad de ergometría de miembros superiores o inferiores, en sedestación
o en decúbito o en bipedestación.
En
general, el funcionamiento de un ergómetro está basado en:
-
Un sistema mecánico a partir de un bastidor, un rodillo, unos anclajes, un
sistema de autocalibración y compensación de pérdidas, un regulador de
resistencia, un freno, una base de apoyo, entre otros elementos.
-
Un sistema de control con la presentación simultánea de parámetros
biomecánicos como la potencia (W) o la velocidad (m/s).
-
Un sistema de almacenamiento de datos.
En la
actualidad los ergómetros disponen de una pantalla digital en la cual muestran
diversas medidas como pueden ser: el tiempo (puede ser cuenta atrás o normal,
en intervalos de tiempo...), la distancia (intervalos de tiempo, distancia
decreciendo o aumentando...), una medición del tiempo o los metros que se
realizarán si se continua como en ese momento, la cadencia de pedaladas por
minuto, el trabajo realizado en calorías, el ritmo cardiaco, etc...
Tipo
de medida
En
relación al origen de los registros, el ergómetro es un aparato que registra
una medida externa al sistema biológico (El trabajo de un músculo o grupo
muscular).
Con
respecto al tipo de proceso para obtener la medida, se trata de un instrumento
con el que puede registrarse o visualizarse parámetros de forma simultánea al
desarrollo de la actividad.
En
este sentido, podemos señalar con respecto a algunos tipos de ergómetros las
unidades de medida siguientes:
a.
Prueba del Escalón:
Trabajo
positivo en subida y negativo en bajada, el negativo supone un tercio de el
de subida. Se aplica la siguiente fórmula:
P =
1.33 x M x h x n
Donde
P es la potencia en Kg/min, M es el peso del sujeto en Kg, h es la altura
del
escalón y n el número de subidas y bajadas.
b.
Cicloergómetro:
En
este caso la variable del peso se obvia, puesto que el individuo reposa su peso
sobre el sillín del cicloergómetro, incluso si es uno de decúbito reposa de
forma completa.
P = R
x k x RPM
R es
la fuerza sobre el pedal que nos la da la resistencia que hayamos seleccionado
en Kp, y RPM son las revoluciones por minuto, k es la distancia teórica
recorrida por cada pedaleo (6m para la Monark).
En el
caso de cicloergómetros con freno electromagnético, el ajuste de la carga
es
automático, la frecuencia de pedaleo se relaciona con la carga, y la potencia
se mantiene constante en la seleccionada.
c.
Cinta sin fin (treadmill)
Aquí
hay que tomar en consideración la velocidad de la cinta, teniendo en cuenta su
longitud y el número de revoluciones por minuto. A esto hay que añadirle el
trabajo adicional que se genera al inclinar el tapiz hasta la pendiente
seleccionada en cada caso.
P = M
x L x RPM x %
Siendo
P es la potencia en Kg/min, M es el peso del sujeto en Kg, L la longitud del
treadmill, RPM los giros del tapiz, y % la carga adicional por la pendiente.
Por
último, comentar que con ayuda del ergómetro y a través de una prueba de
esfuerzo, podemos determinar parámetros fundamentales en el rendimiento
deportivo como el umbral anaeróbico.
Imagen
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EFDeportes.com, Revista
Digital · Año 18 · N° 188 | Buenos Aires,
Enero de 2014
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