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1.     Introducción

    En la actualidad, la biomecánica del movimiento humano es una ciencia que suscita un enorme interés por parte de especialistas de muy diversos ámbitos debido a su pluridisciplinariedad. Así, es objeto de estudio por parte de físicos, biólogos, médicos, entrenadores, licenciados en ciencias del deporte, informáticos, etc.

    La biomecánica es una disciplina científica que se basa en principios y métodos de la mecánica para el estudio de los seres vivos. La mecánica (del griego mekhanike), que etimológicamente significa inventar, es la parte de la física que estudia el movimiento de los cuerpos en sí mismo, describiéndolo, y refiriendo también a sus causas (fuerzas). Asimismo, se ocupa del estudio del equilibrio (falta de movimiento), relacionándolo con las fuerzas internas y externas que los provocan (cinética), y los movimientos asociados que afectan a los seres humanos (cinemática).

    El Instituto de Biomecánica de Valencia (1992) define este término como el conjunto de conocimientos interdisciplinares generados a partir de utilizar, con el apoyo de otras ciencias biomédicas, los conocimientos de la mecánica y distintas tecnologías en el estudio del comportamiento de los sistemas biológicos (cuerpo humano), y en resolver los problemas que le provocan las distintas condiciones a las que puede verse sometido.

    La biomecánica del movimiento humano tiene su origen en la Edad Antigua, aunque su desarrollo definitivo como disciplina científica se encuentra en el Siglo XIX. A lo largo del presente trabajo, se analizarán algunos de los factores históricos que se consideran relevantes para fijar la realidad científica, y el desarrollo mecánico y/o biológico dentro del contexto sociocultural en el cual se ha desarrollado esta disciplina científica a lo largo de los siglos. Asimismo, se presentan aquellos personajes que han sido determinantes en su evolución histórica. Por último, se describirán algunos de los aparatos de la biomecánica más relevantes para el registro de datos.

2.     Evolución histórica de la biomecánica humana

Edad Antigua (650 a.C.- 200 d.C.)

    El conocimiento científico tiene su origen en la época griega. Los griegos fueron pioneros en el desarrollo de elementos básicos de matemáticas, física, mecánica o medicina. Durante esta etapa, las principales aportaciones a la biomecánica humana fueron:

• Separación de conocimiento y mito (Tales y Pitágoras).

• Planteamiento de paradigmas matemáticos y mecánicos (Arquímedes).

• Creación de paradigmas anatómicos (Galeno).

• Desarrollo de los primeros análisis biomecánicos del cuerpo humano (Aristóteles).

Edad Media (200-1450 d.C.)

    En líneas generales, aunque la contribución científica en esta etapa es casi nula, surgieron representaciones y dibujos del movimiento en el arte griego y romano, y serían los artistas antes que los científicos, quienes posteriormente reavivarían el estudio del movimiento humano.

El Renacimiento Italiano (1450-1600)

    El renacimiento italiano se caracterizó por la libertad de pensamiento, que posibilitó el resurgimiento de la filosofía griega antigua, la literatura y el arte. En esta etapa, el hombre se convierte en la medida de todas las cosas y emergen figuras como Miguel Ángel, Leonardo Da Vinci y Maquiavelo. Las principales aportaciones a la biomecánica se basan en tres aspectos:

• Renace el trabajo científico.

• Se sientan las bases de la anatomía moderna y la fisiología.

• El movimiento y la acción muscular fueron estudiadas como entidades interconectadas.

Revolución Científica (1600-1730)

    La libertad intelectual, el interés por nuevas ideas y los descubrimientos fueron sustanciales, apoyado por instituciones públicas y privadas. Personajes como Newton, Descartes, o Galileo se conviertes en “piedras angulares” del nuevo método científico. Las principales aportaciones a la biomecánica fueron:

• Teoría y experimentación se unen a la investigación científica, como elementos complementarios.

• Se desarrollan las tres leyes de Newton.

La Ilustración (1730-1800)

    Es la época de la nueva mecánica general, que sustituye a la filosofía natural. Las discusiones científicas se desarrollan en torno al concepto de fuerza. Científicos como Euler, D’Alembert o Lagrange contribuyeron a la biomecánica con aportaciones como:

• Se comprende mejor el concepto de fuerza.

• Se desarrollan los conceptos de conservación de momento y energía.

• Se consolidan matemáticamente las diferentes leyes mecánicas.

• La contracción muscular se convierte en un fenómeno influenciado por fuerzas eléctricas, bioquímicas y mecánicas.

• Surgen las leyes de la energía y el movimiento.

• El análisis matemático de los científicos D’Alembert y Lagrange, facilitaron el estudio de la dinámica de los movimientos humanos.

• Se inicia el estudio de los biomateriales.

El Siglo de la Marcha (1800-1900)

    En esta época, la influencia de tres sucesos (la novela Emilio de Rousseau, 1762; la invención de la máquina de vapor de Watts, 1777; la Revolución Francesa, 1789) tuvo una serie de consecuencias:

• El desarrollo del deporte y la actividad física creó un renovado interés científico por la locomoción humana.

• Se desarrollan métodos e instrumentos de tipo experimental para el estudio de la locomoción humana.

    Las principales aportaciones a la biomecánica fueron:

• Se desarrollan métodos de medición para cuantificar la cinemática, la cinética y la corriente eléctrica.

• La biomecánica se convierte en una ciencia basada en el análisis matemático.

• Se desarrolla la técnica fotográfica.

• La acción muscular es cuantificada a través de la electromiografía.

• Se extienden los biomateriales.

Siglo XX

    En este siglo, las investigaciones de científicos como Jules, Bernstein, Hill, y otros muchos más, contribuyeron al desarrollo de la biomecánica con aportaciones como las siguientes:

• El enorme desarrollo tecnológico y mecánico a partir de las dos guerras mundiales.

• El apoyo financiero a la investigación.

• El reconocimiento social del deporte.

• El aumento en el número de investigadores y centros de investigación.

• La publicación en 1955 de la principal obra dedicada al estudio de la locomoción, que fue Animal Locomotion, escrita por Muybridge en 1887.

3.     Aparatos de registro de datos en biomecánica humana

    Las aportaciones realizadas por diversos científicos a los largo de la historia ha generado que, en la actualidad, se hayan desarrollado una serie de aparatos para la medición de la locomoción humana y otras acciones motrices.

Algunos de estos aparatos son los siguientes:

3.1.     Pulsómetro

Definición

    Es un aparato electrónico que principalmente mide de forma gráfica y digital la frecuencia cardiaca (pulsaciones por minuto) en tiempo real. Permite controlar la intensidad y la duración, tanto del esfuerzo como de la recuperación, el volumen de entrenamiento, y almacenar estos datos para su posterior análisis. Su uso está ampliamente difundido y muy indicado en deportes y actividades fundamentalmente aeróbicas.

    Nos permite realizar nuestros entrenamientos de una forma más inteligente, porque podemos llevar un mejor control de la frecuencia cardiaca, y de esta forma distribuir la carga de entrenamiento por zonas de esfuerzo y no solo al tanteo o con aproximaciones.

    En definitiva, el pulsómetro es un aparato que permite medir y registrar la frecuencia cardíaca (máxima, reposo y reserva).

Tipo de medida

    Es un aparato de medida externa al sistema biológico (consecuencia del efecto que produce el sistema sobre otros elementos externos a él) y directa (puede visualizarse de forma simultánea a la realización de la actividad).

Funcionamiento

    Se sitúa una banda elástica en el pecho, justo debajo de los pectorales, que lleva unos terminales a cada lado capaces de detectar los impulsos eléctricos del corazón y los envían por radiofrecuencia al pulsómetro, que se encarga de realizar todos los cálculos correspondientes. Es recomendable que para el correcto funcionamiento de la banda, que no resulta para nada incómoda, se humedezcan antes con saliva los terminales, ya que de este modo la electricidad pasará mejor desde el corazón hacia afuera por la saliva.

    En cuanto empecemos a sudar, el propio sudor, mucho más salino que la saliva, se encargará de conducir esa electricidad natural de nuestro organismo. Después de cada salida conviene mantener limpias tanto la banda como la goma elástica que sirve para sujetarla, ya que tras el uso se acumulan restos de sal procedentes del sudor.

    Los pulsómetros constan del visualizador, que normalmente es como un reloj de pulsera y la banda que se coloca en el pecho. La banda es una especie de cinturón que sirve para el conteo de los latidos y pasa la información al reloj.

    Los pulsómetros son cada vez más completos, exactos, seguros y fiables. Si queremos un control total del entrenamiento ya como deportista o como entrenador tendremos que buscar un pulsómetro con posibilidad de conexión al ordenador (PC). Estos pulsómetros tienen prefijados multitud de test de entrenamiento y nos construyen gráficas y ofrecen multitud de datos.

    De este modo diremos que los pulsómetros pueden ser usados de dos formas:

• Para controlar la frecuencia de trabajo y la intensidad de la zona del entrenamiento. Por ejemplo en los deportes cíclicos, en los que se trabaja distintas zonas, podemos usar el pulsómetro de la siguiente manera: si queremos que un ciclista, atleta o nadador realice diez series de tres minutos en forma de aeróbico intenso, tenemos que calcular el porcentaje de su frecuencia cardiaca para esa actividad con la ayuda del pulsómetro.

• Mediante la lectura de los datos del pulsómetro, el deportista y el entrenador verán si se esta cumpliendo el objetivo impuesto.

• El pulsómetro puede servir para planificar el entrenamiento. A diferencia del caso anterior, en el que la función del pulsómetro era servir de apoyo al entrenamiento, esta vez regulará, distancias y descansos del entrenamiento.

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3.2.     Pie de rey (calibrador)

Definición

    El calibre o compás de pequeños diámetros (pie de rey) es un compás de corredera graduado, de profundidad en sus ramas de 50 mm, con capacidad de medida de 0 a 259 mm. Sirve para medir los diámetros óseos. La precisión es de 1 mm.

Tipo de medida

    Es un instrumento de medida externa al sistema biológico (consecuencia del efecto que produce el sistema sobre otros elementos externos a él) y directa (puede visualizarse directamente durante la medición). Las medidas suelen ser medidas transversales o diámetros. Son las medidas lineales realizadas en sentido horizontal. Las podríamos definir como la distancia tomada en proyección entre dos puntos anatómicos medidos en centímetros.

Funcionamiento

    Se cogen las ramas del instrumento entre el dedo pulgar e índice descansando sobre el dorso de la mano. El dedo medio se utiliza para localizar el punto anatómico deseado. Hay que aplicar una presión firme sobre las ramas para minimizar el espesor de los tejidos blandos. Con esta técnica se pueden medir diversos diámetros, como por ejemplo el biestiloide (distancia entre la apófisis estiloides del radio y del cubito, el brazo estará extendido y la mano en dorxiflexión al tomar la medida) y el bicondíleo del fémur (distancia ente el cóndilo lateral y medial del fémur), como elementos necesarios para el cálculo de la masa ósea.

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Características

1. Mordazas para medidas externas.

2. Mordazas para medidas internas.

3. Coliza para medida de profundidades.

4. Escala con divisiones en centímetros y milímetros.

5. Escala con divisiones en pulgadas y fracciones de pulgada.

6. Nonio para la lectura de las fracciones de milímetros en que esté dividido.

7. Nonio para la lectura de las fracciones de pulgada en que esté dividido.

8. Botón de deslizamiento y freno.

3.3.     Plataforma de presiones

Definición

    Sistema para el registro y análisis de distribución de presiones. Esta aplicación responde a la necesidad de conocer el comportamiento de las presiones en la planta del pie en condiciones estáticas y dinámicas.

    Permite realizar la visualización de las distintas gráficas de forma interactiva junto con la gráfica de fuerzas, permitiendo ver la evolución de la medida en el transcurso del tiempo.

    Se convierte en una herramienta idónea para profundizar en el funcionamiento del pie normal y patológico, detectando alteraciones de la marcha compatibles o no con la patología del paciente.

    Permite valorar esta marcha en condiciones basales, y también post-esfuerzo, buscando detectar comportamientos no fisiológicos, o detectando una falta de repetibilidad.

Tipo de medida

    Se trata de 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

    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

    La plataforma de presiones permite observar el reparto de presiones en antepiés y retropiés, pudiendo por ejemplo tener indicios de una disimetría.

    Permite apreciar en todo momento la presión máxima de ambos pies, así como las diferentes presiones. Podemos ver la superficie de cada pie y su distribución de masas.

    También es posible hacer un estudio estabilométrico para analizar si lateraliza, prona o supina durante una captación de 30 segundos de media. Permite trazar ángulos y mediciones sobre la huella plantar y se pueden hacer comparaciones de huellas con soportes o sin estos para ver las diferencias.

Estudios posturológicos

    Los estudios de posturología se representan tanto de forma elíptica como en eje cartesiano lateral y antero posteriormente.

Estudios dinámicos

    El estudio dinámico se realiza pisando primero con un pie y con el otro a la vuelta. El análisis recoge la duración del paso, presiones medias, máximas, e incluso a la vez 4 fases de la presión dinámica.

    La evolución dinámica es analizada en el apartado de video para ver conjuntamente la evolución plantar y las curvas de fuerzas, presión media y de sensorización. En este apartado veremos la morfología de la marcha realizada (cavo, equino, talo, plana, etc.).

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3.4.     Dinamómetro

Definición

    Se denomina dinamómetro o newtómetro a un instrumento utilizado para medir fuerzas. Fue inventado por Isaac Newton y no debe confundirse con la balanza (instrumento utilizado para medir masas), aunque sí puede compararse a la báscula. Proveniente del griego: (dyna) significa fuerza el sufijo (metron) medir, medida, etc. Por lo tanto un dinamómetro es un aparato para medir intensidades de fuerza.

Tipo de medida

    Se trata de un aparato con el que podemos realizar una medida externa al sistema biológico (La fuerza). En este sentido, una forma común de dinamómetro es una balanza de resorte calibrada en newtons, la unidad de fuerza del Sistema Internacional de unidades (SI) y mide tanto fuerzas de tracción como de compresión, empleándose el dinamómetro correspondiente según el caso.

    En relación al tipo de proceso que requiere para obtener la medida, con el dinamómetro podemos realizar una medida de la fuerza de forma directa, ya que no se requiere de un proceso intermedio para obtener la medida.

Funcionamiento

    Estos instrumentos consisten generalmente en un muelle contenido en un cilindro, con dos ganchos, uno en cada extremo. Los dinamómetros llevan marcada una escala, en unidades de fuerza, en el cilindro hueco que rodea el muelle. Al colgar pesos o ejercer una fuerza sobre el gancho inferior, el cursor del cilindro inferior se mueve sobre la escala exterior, indicando el valor de la fuerza.

    Normalmente, un dinamómetro basa su funcionamiento en un resorte que sigue la Ley de Hooke, siendo las deformaciones proporcionales a la fuerza aplicada.

    La ley de elasticidad de Hooke o ley de Hooke, originalmente formulada para casos del estiramiento longitudinal, establece que el alargamiento unitario que experimenta un material elástico es directamente proporcional a la fuerza aplicada F:

Principio de funcionamiento del Dinamómetro

Dinamómetro de Jamar

    La mano, el extremo distal de la extremidad superior, es un instrumento mecánico de eficiencia extraordinaria. Es la parte menos protegida de los miembros superiores y, por tanto, muy vulnerable. Tiene como función esencial la prensión. Podemos describir tres zonas (palmar, dorsal y dedos).

    El acto motor en la medición dinamométrica es una prensa cilíndrica con la totalidad de la mano. Se realiza en un primer momento una contracción isotónica de los músculos extrínsecos e intrínsecos de la mano, y luego una contracción isométrica de los mismos.

    En 1954, Bechtol, diseñó un dinamómetro para medir la fuerza de agarre de la mano con distintas posiciones ajustables a la mano, conocido como dinamómetro Jamar que utiliza un sistema hidráulico cerrado con registro de fuerza en libras o kilogramos.

    Presenta 5 posiciones de medición de fuerza isométrica siendo normalmente en la posición 3, en la que se realiza mayor fuerza. Este dinamómetro es aceptado en la actualidad como el más preciso cuando se trata de determinar la fuerza de agarre de la mano de forma cuantitativa.

    La dinamometría manual se realiza ajustando la empuñadura de tal forma que la articulación interfalángica proximal de los dedos del sujeto, cuando empuñe el dinamómetro, forme un ángulo de 90º (mas información en (Ruiz, España-Romero et al. 2006). Se coloca el sujeto de pie, brazos extendidos a lo lago del cuerpo con el dinamómetro en la mano indicándole hacer la mayor fuerza posible sin apoyar el brazo en el cuerpo.

    También se puede valorar la fuerza isométrica del cuádriceps utilizando un dinamómetro que se compone de un resorte que se encuentra sujeto a una barra rígida y vertical, fijada a una pared, pudiendo graduarse su posición en altura según las necesidades derivadas del músculo a analizar.

    Dispone de una pantalla móvil, en la que se refleja la fuerza muscular ejercida en cada momento y la fuerza máxima registrada a lo largo de la prueba.

    Se coloca al sujeto en una silla fija de tal forma que la espalda esté apoyada en el respaldo y la cadera y rodilla a 90º. En esta situación se coloca una cincha a la altura del 1/3 medio de la tibia y se pide al sujeto que haga la mayor fuerza.

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Bibliografía

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