sábado, 24 de octubre de 2015

Viscoelasticidad


0-. INTRODUCCIÓN A LA VISCOELASTICIDAD

La viscoelasticidad es una característica fundamental para nuestro cuerpo, sin esta propiedad no podríamos hacer todas las actividades que realizamos sin sufrir daños.

Para entender lo que significa y su importancia para nuestro cuerpo os presentamos esta entrada.


I-.¿QUÉ SIGNIFICA VISCOELÁSTICO?

Partiendo de estudio científico del comportamiento de los materiales hay dos leyes claves, para el comportamiento mecánico de muchos sólidos se usa la ley de Hooke (comportamiento elástico) y el de muchos líquidos a la ley de Newton (comportamiento viscoso), pero ambas leyes son idealizaciones.

Al aplicar una carga sobre un sólido elástico éste se deforma hasta que la fuerza cesa y la deformación vuelve a su valor inicial. Si la carga se aplica sobre un fluido viscoso también se deforma, pero no recupera su forma al cese de la carga.

En el caso de un material viscoelástico, el objeto sobre el que se aplica la fuerza recupera parte de la deformación. La viscoelasticidad es un fenómeno que describe las características mecánicas de los materiales en función del tiempo.

Los huesos y los músculos, al igual que la mayoría de los materiales biológicos, son materiales viscoelástico. Para cuantificar las propiedades mecánicas de un material viscoelástico debemos tener en cuenta la relajación (stress relaxation) y la fluencia (creep). La relajación es la disminución de la tensión en un material sometido a una deformación constante, mientras que la fluencia es el aumento gradual de la deformación en un material sometido a una carga constante.


II-. FACTORES QUE MODULAN LA ELASTICIDAD EN UN SISTEMA VISCOELÁSTICO

Las características viscoelásticas dependen de la estructura corporal en concreto que estemos analizando.  
a) Hueso

Está compuesto por:
  • 35% sustancias orgánicas (colágeno) que le aportan ELASTICIDAD
  • 45%sustancias inorgánicas (Ca y P) , las cuales le dan la cualidad de la RIGIDEZ
  • 20% Agua
b) Cartílagos:

Su comportamiento depende del tiempo de aplicación y de la velocidad.
  • Comportamiento viscoelástico recuperable: Aplicación lenta o constante de la carga genera que el tejido se deforme con el tiempo puesto que va a ir expulsando su líquido al exterior, pero debido a su cualidad viscoelástica es capaz de reabsorber ese líquido y no deformarse por completo.

Ejemplo: Posición mantenida de bipedestación.
  • Comportamiento elástico recuperable: Consisten en una aplicación y retirada rápida de la carga, lo que no da tiempo a que el líquido pueda fluir hacia el exterior, por lo que nos es necesario que luego vuelva a penetrar en él. En este caso se comporta como un sólido elástico monofásico. Se deforma instantáneamente bajo la carga aplicada y se recupera instantáneamente al verse descargado. A este proceso se le denomina fenómeno de solicitación, relajación.

Ejemplo: un salto


b) Tendones y ligamentos:

El comportamiento de estas estructuras respecto a la viescoelasticidad dependerá del tipo de fuerzas que apliquemos sobre ellos.
  • Fuerzas aplicadas a velocidades altas responden volviéndose más rígido.
  • Fuerzas aplicadas a velocidad y carga alta à no son capaces de aguantarlas y se rompen.
  • Fuerzas aplicadas a velocidades lentas y carga alta à provocan un fallo en las inserciones de las estructuras, pudiendo llegar a desgarrase o romperse totalmente si las fuerzas fueran demasiado exigentes.
  • Ciclos repetidos de cargas à provocan que disminuya su rigidez.


Es debido a esto la importancia del calentamiento durante el entrenamiento, puesto que el ejercicio aumenta la resistencia a los distintos tipos de fuerzas.

c) Músculos:

Una propiedad biomecánica de estos es la viscoelasticidad, que viene dada por la relación fuerza – longitud.

Esta fuerza se genera por la resistencia a estirarse. Es la resistencia activa del musculo.

Una mayor velocidad conlleva a una mayor resistencia.




III-. FACTORES QUE AFECTAN A ESTA PROPIEDAD MECÁNICA SON:

1. La localización anatómica

2. Inmovilización/ejercicio

3. Exposición previa a la carga

4. Tasa de esfuerzo (elongación)

5. Dirección de las fuerzas aplicadas

6. Edad




IV-. MODELO MECÁNICO DE UN MÚSCULO:

Según el modelo mecánico para una fibra muscular (Hill 1938) el músculo está compuesto por elementos elásticos y contráctiles:

a) Elementos elásticos. Se dividen en dos

  • Elementos elásticos en serie, corresponden a los puentes cruzados de las miofibrillas cuya estructura posee cierta capacidad de estiramiento. Almacena gran cantidad de energía elástica si antes de que el músculo sea estirado existe una contracción previa (polimetría).

Son principalmente la actina y la miosina, aunque también se pueden incluir los tendones dentro de este grupo.

  • Elementos elásticos en paralelo, es el tejido conectivo paralelo a las miofibrillas que recubren los músculos y sus partes. Se produce cuando cohesionan las fibras musculares que permiten la circulación linfática y sanguínea y contienen los nervios.

Están compuestos por elementos pasivos está formado por tres componentes:

     Ø El endomisio que recubre a las fibras musculares y agrupa las unidades contráctiles de manera que hay menos pérdida de fuerza en el músculo

     Ø El perimisio recubre a los haces o fascículos musculares (conjunto de fibras musculares)
     Ø El epimisio que envuelve al músculo completo (conjunto de fascículos).

b) Elementos contráctiles o elementos activos, lo forman las miofibrillas del citoesqueleto de las fibras musculares (fibras musculares excitables), compuestas por sarcómeros en serie. Estas fibras actúan contrayéndose bajo un estímulo nervioso.



V-. ¿QUIERES SABER MÁS? 

a) Referencias bibliográficas de revistas científicas:
  • Kovach IS. A molecular theory of cartilage viscoelasticity. Biophys Chem [Internet]. 1996 [citado 6 mayo 2015];59(1-2):61-73. Disponible en: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8867327
  • Silver FH, Horvath I, Foran DJ. Viscoelasticity of the vessel Wall: the role of collagen and elastic fibers. Crit Rev Biomed Eng [Internet]. 2001 [citado 6 mayo 2015];29(3):279-301. Disponible en: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11730097
 b) Referencias a otras páginas profesionales:

 c) Contenido multimedia:



VI-. BIBLIOGRAFIA

  • Guede D, González P, Caeiro J.R. Biomechanics and bone (1): Basic concepts and classical mechanical trials. 2013; Rey Osteoporos Metab Miner. Vol 5.
  • Guede F, biomecanica del músculo. [Tesis doctoral]. Laureate: universidad de las américas.
  • También hemos obtenido información de los apuntes de la PDU de la Universidad San Jorge.

miércoles, 14 de octubre de 2015

Energia potencial y cinética

¿Cómo se transforma la energía potencial en cinética cuando caminamos? ¿Lo hace igual cuando corremos?

I-. Introducción:

La energía es uno de los conceptos más importantes de la ciencia, en este documento, hablaremos de la energía potencial y de su transformación en cinética cuando andamos o corremos.

La energía potencial es aquella que se encuentra almacenada en espera de ser utilizada, se llama así porque en ese estado tiene el potencial para realizar el trabajo. Cualquier sustancia capaz de realizar trabajo por medio de una reacción química posee energía potencial, como en el cuerpo humano, tras los procesos metabólicos, se produce la contracción muscular, lo que llegara a producir movimientos como correr o andar.

 II-. La relación entre la energía cinética y potencial

La energía potencial  está vinculada a la posición de los cuerpos, depende de la altura a la que se encuentra el cuerpo, mientras que la energía cinética depende de la velocidad que tenga el cuerpo.
La energía potencial fórmula: Ep = m.g.h
La energía cinética fórmula: Ec = ½.m.v2

Cuando el cuerpo está en reposo, el sistema es conservativo, por lo que al haber ausencia de fuerzas externas, si la energía potencial disminuye, la cinética aumentara y viceversa.

Cuando estamos en presencia de fuerzas no conservativas como la de rozamiento, el cuerpo realiza un trabajo en contra. Este trabajo es igual a dicha fuerza multiplicada por la distancia.
 Fórmula: W fr = Fr . d
 Fórmula Fr: Fr = μ . N

El trabajo realizado por el cuerpo, hace que disminuya la energía mecánica del sistema. Es decir la variación de la energía mecánica de un sistema es igual al trabajo de la fuerza de roce
Formula: EMa – EMb = WFr

Sin embargo, también podemos encontrar la energía potencial elástica, que es la que nos interesa como funcionamiento de la musculatura, esta energía es aquella que tras estar el musculo en tensión, se libera una energía y al liberarse se realiza un movimiento, ya que las fibras musculares se liberan. 
Es como si hablásemos de un muelle.

Ante esto nos puede surgir una pregunta, ¿de dónde viene la energía potencial?

La energía química almacenada en el glucógeno del hígado y en las grasas puede transformarse en otras modalidades: cinética, potencial gravitatorio y calorífico. Estas transformaciones ocurren de modo análogo al proceso en que la energía química del combustible de un vehículo a motor puede convertirse en cualquiera de las otras modalidades.(ver imagen 0)


¿Qué implicaciones tiene esto para la conservación de la energía y el gasto energético en estas actividades diarias?

A continuación trataremos la repercusión que tiene la transformación de energía potencial en cinética sobre la conservación de la energía y el gasto energético en estas actividades diarias.

Para poder profundizar en este tema hay que tener claros dos conceptos:
Ø  La Ley de Conservación de la Energía dice que la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma;  por ejemplo, en este caso,  la energía potencial puede transformarse en  cinética y viceversa.
Ø  El gasto energético hace referencia  a la cantidad de energía que un organismo utiliza en la realización de todas sus funciones y actividades diarias. Se define también como la diferencia existente entre la energía ingerida y el gasto energético o energía total empleada.

Hablemos sobre las implicaciones que esto supone:
Las necesidades energéticas varían según si nos encontramos en estado de reposo o realizando alguna actividad física. La energía cinética y potencial están tan relacionadas que una se transforma en la otra a medida que un cuerpo en reposo se pone en movimiento, y viceversa. En un sistema aislado, la suma de energías cinética y potencial entre dos instantes de tiempo se mantiene constante.

De este modo, la energía cinética se transforma en potencial, y a la inversa, pero la suma de ambas siempre se conserva.

III-. Relación de la energía potencial y cinética corriendo y andando:

El momento en que el cuerpo llega al suelo, este ha perdido toda la energía potencial, ya que no hay altura en él. Pero como la energía potencia ha de mantenerse constante, formula anterior, la energía potencial se transforma en cinética.
Por lo tanto la energía potencial en el punto más alto es igual a la energía cinética del punto más bajo. (ver imagen 1 y 2)



Un ejemplo habitual de las transferencias entre energía potencial y cinética es el desplazamiento rítmico vertical del cuerpo que llevamos a cabo cada día (caminar, correr)  y su centro de gravedad durante la marcha. En los periodos de doble apoyo el centro de gravedad se encuentra en su punto más bajo y en los periodos de apoyo unipodal, alcanza su punto más alto. Cuando el centro de gravedad se eleva va aumentando la energía potencial almacenada, alcanzando su valor máximo en el momento de mayor elevación. Cuando desciende va gastándose en forma de energía cinética, la cual es máxima en el punto más bajo y es empleada en impulsar el cuerpo hacia delante, mientras se va transformando de nuevo en energía potencial que volverá a ser almacenada.

La relación entre energía potencial y cinética es muy diferente corriendo y andando. Andando, ambas están fuera de fase. Cuando la energía potencial es alta, la cinética es baja, y viceversa. Caminar se ha denominado caída controlada. Por otro lado, corriendo, ambas están en fase. Debido a esta diferencia, el cuerpo altera los métodos que utiliza para mantener la eficiencia energética. Puesto que grandes  cambios de energía total que entra y sale del sistema son desventajosos  independientemente del ritmo de movimiento. La eficiencia al caminar se mantiene por el intercambio efectivo entre energía potencial y cinética. Este cambio no es posible al correr por lo que se realiza mediante otros mecanismos:
1.      El estiramiento de estructuras elásticas como tendones para el almacenamiento y posterior devolución de energía potencial elástica
2.      La transferencia de energía de un segmento del cuerpo a otro por dos músculos unidos, como el recto femoral y los isquiotibiales. (ver imagen 3)



IV-. Bibliografía:



¿QUIERES SABER MÁS?

Libros/ revistas:
  • Winter DA. Biomechanics and motor control of Human Movement. 4th ed. New Jersey: John Wiley & Sons; 2009.
  • Romilio T, Muñoz H. Física 1. 3rd ed. Mexico: Limusa; 2005.
  • Álvarez Domínguez  H. La transformación de la energía y la ley de la conservación de la energía. Correo del maestro [Internet]. 2014 [citado 20 may 2015]. Disponible en: http://www.correodelmaestro.com/publico/html5042014/capitulo3/capitulo_03.html

Otras páginas de profesionales:
  • Marco Sanz, C. Cinesiología de la marcha humana. Disponible en: http://wzar.unizar.es/acad/cinesio/Documentos/Marcha%20humana.pdf
  • Endesaeduca.com [Internet]. Barcelona: Endesa Educa; 2008 [citado 20 may 2015]. Disponible en: http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/conceptos-basicos/i.-la-energia-y-los-recursos-energeticos

Páginas web: