Programa doctorado UCAM: Biomecánica de la fuerza y arquitectura muscular Profesor: Xavier Aguado Jódar. Tema 3

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1 TEMA 3: PLATAFORMA DE FUERZAS EN LA MEDICIÓN DE LAS MANIFESTACIONES DE LA FUERZA 1- Introducción 2- Tecnología de captación. 3- Usos 4- Variables que se recogen 5- Aplicación en la evaluación de la fuerza isométrica y dinámica en saltos 1- INTRODUCCIÓN Por un lado decir que la práctica totalidad de lo que conocemos como fuerzas se originan en el contacto entre cuerpos, con la salvedad de la denominada fuerza de la gravedad que no es en sí misma una fuerza y que se produce a distancia, sin contacto con el cuerpo que la sufre. Las plataformas de fuerza miden las fuerzas de reacción del suelo originadas en el contacto con ellas. Para entender su funcionamiento se debe recurrir a la explicación de la 2ª y 3ª ley de newton. Segunda ley de Newton: (de la ecuación fundamental de la dinámica): Existe una relación directamente proporcional entre la fuerza que aplicamos, pe en un lanzamiento, y la aceleración que adquiere el objeto lanzado. Experimentalmente podemos comprobar lanzando un mismo objeto (desde la misma altura y con el mismo ángulo) que cuanta más fuerza apliquemos tanta más aceleración adquirirá y por tanto más lejos llegará. Así se puede llegar a establecer una relación directamente proporcional entre la fuerza que se aplica y la aceleración que adquiere el objeto. Por otro lado también podemos comprobar, lanzando objetos de diferente masa y aplicando la misma fuerza en todos los lanzamientos (desde la misma altura y. Profesor: Xavier Aguado Jódar 1

2 con el mismo ángulo), que existe una relación inversamente proporcional entre la aceleración que adquiere el objeto y su masa. Así a menor masa adquirirá mayor aceleración (llegará más lejos) y a mayor masa adquirirá menor aceleración (llegará menos lejos). De estos datos experimentales se deduce que: F = m a a = F m (modificado de Gutiérrez, 1988) De no haber otras fuerzas el impulso mecánico aplicado a un cuerpo se va a traducir en la variación de su cantidad de movimiento. Impulso mecánico = Es el área de la gráfica de fuerza / tiempo. En el SI se mide en N s.. Profesor: Xavier Aguado Jódar 2

3 De forma práctica se sabe que cuando lanzamos un cuerpo (disco, peso, piedra,..) o impulsamos nuestro cuerpo en una batida el resultado es el mismo si aplicamos mucha fuerza durante poco tiempo que si lo que hacemos es aplicar poca fuerza durante mucho tiempo, siempre que el impulso mecánico aplicado en el primer caso coincida con el aplicado en el segundo caso. F = m a = m v t F t = m v Es lo mismo aplicar 50 N durante 2 s, que 20 N durante 5 s. En ambos casos el impulso mecánico será 100 N s. En ambos casos, si se tratara de un lanzamiento de un objeto que parte desde parado adquirirá una velocidad de: si su masa es de 100 kg si su masa es de 50 kg si su masa es de 20 kg si su masa es de 10 kg si su masa es de 1 kg a 1 m / s 2 m / s 5 m / s 10 m / s 100 m / s b Por ejemplo, cayendo en 2 pruebas consecutivas, desde la misma altura (pe 1,5 m), pero la primera caída la realizamos amortiguando poco, pues caemos bastate rígido, flexionando poco las rodillas, tobillos y caderas, mientras que en la segunda caída la realizamos amortiguando mucho más (con mayor grado de. Profesor: Xavier Aguado Jódar 3

4 flexión de rodillas, tobillos y caderas). En los dos casos en el instante de empezar a tocar el suelo nuestro CG tendrá la misma velocidad de caída (ya que lo hacemos de la misma altura) y al final de la amortiguación llegaremos a tener velocidad 0. Lo único que varía es que en la caída poco amortiguada habremos aplicado mucha fuerza de frenado durante poco tiempo, mientras que en la caída más amortiguada habremos aplicado un menor nivel de fuerza de frenado durante más tiempo. En ambos casos el impulso de frenado coincidirá y en ambos casos la variación (pérdida) de cantidad de movimiento será la misma. En la realidad prácticamente no ocurre nunca que se aplique una fuerza constante durante un lanzamiento, impulsión, batida o golpeo. Lo frecuente es que el nivel de fuerza varíe a lo largo del tiempo en función de la disponibilidad para aplicar más o menos fuerza que tengamos a lo largo del lanzamiento, impulsión batida o golpeo.. Profesor: Xavier Aguado Jódar 4

5 En estos casos (cuando la fuerza aplicada varía a lo largo del tiempo) la forma más usual de calcular el impulso mecánico es sumando las áreas de todos los rectángulos que están incluidos en la gráfica. El área de cada rectángulo equivale a multiplicar su altura (valor de fuerza registrado) por su base (tiempo que transcurre entre 2 medidas. Cuanto menos tiempo transcurra entre 2 medidas de fuerza tanto más preciso será este método para calcular los impulsos. Normalmente, cuando se toman medidas con plataformas de fuerza el tiempo que transcurre entre 2 medidas se suele fijar entre 1 y 5 milisegundos (es decir se mide con una frecuencia de muestreo entre 1000 y 200 Hz) dependiendo de lo que se esté estudiando.. Profesor: Xavier Aguado Jódar 5

6 En estos tests de salto y en cualquier otro movimiento que se haga partiendo desde parado se podrá calcular a partir de las variaciones en las fuerzas de reacción del suelo a lo largo del tiempo:. Profesor: Xavier Aguado Jódar 6

7 - La evolución de la velocidad del CG (y por tanto saber su velocidad al perder contacto con el suelo) - La evolución de la altura del CG - La evolución de la potencia mecánica Para ello se parte del supuesto de que todas las fuerzas que se aplican o se dejan de aplicar y por tanto los impulsos se convierten en variaciones de la cantidad de movimiento y no se pierden. En los saltos se definen 4 diferentes tipos de impulsos (2 negativos y 2 positivos): INPULSOS NEGATIVOS: Se miden por debajo de la línea del peso y encima de la gráfica de fuerza / tiempo. Impulso negativo de descenso: durante el descenso del CG, pe en un CMJ. Impulso negativo de ascenso: durante el ascenso del CG, pe en un CMJ, un SJ o un DJ. INPULSOS POSITIVOS: Se miden por encima de la línea del peso y debajo de la gráfica de fuerza / tiempo. Impulso de frenado: durante el descenso del CG, pe en un CMJ. Impulso de aceleración: durante el ascenso del CG, pe en un CMJ, un SJ o un DJ.. Profesor: Xavier Aguado Jódar 7

8 Tercera ley de Newton: (ley de acción y reacción): A toda fuerza de acción le corresponde otra del mismo módulo y dirección pero de sentido contrario denominada de reacción. Si empujamos el suelo hacia abajo y éste no se deforma nos devolverá una fuerza hacia arriba en la misma dirección, con el mismo módulo y sentido contrario. En realidad la ley de acción y reacción debe entenderse dentro de la conservación de la cantidad de movimiento. La tierra no se va hacia abajo porque tiene mucha más masa que nosotros. Si damos un paso hacia el muelle desde un buque que no está amarrado, este tampoco se va hacia atrás porque tiene mucha más masa que nosotros, pero si lo hacemos sobre una barca pequeña esta retrocede considerablemente. Al disparar una bala con una pistola casi no hay retroceso, pero la cosa cambia con una escopeta o con un pequeño cañón. Si una persona tuviera tanta masa como la tierra, cuando saltara (empujando la tierra hacia abajo) la tierra saldría despedida a la misma velocidad que la persona, pero en sentido contrario. (Aguado,1993). Profesor: Xavier Aguado Jódar 8

9 Cuando existe una deformación del suelo sobre el que se aplica una fuerza la fuerza parte de la fuerza de acción se pierde en la deformación y la fuerza de reacción es menor, como sucede al correr por la playa, o sobre una colchoneta blanda, en donde cuesta más impulsarse. Al lanzar un artefacto como por ejemplo un peso la misma fuerza que aplicamos al artefacto la sentimos en sentido contrario contra nuestra mano. (Gutiérrez,1988) 2-TECNOLOGÍA DE CAPTACIÓN Básicamente las hay de 2 tipos: extensiométricas (ideales en apoyos largos y sin impactos bruscos, como por ejemplo en ejercicios estáticos sobre ellas) y piezoeléctricas ( ideales para usar en apoyos con fuerte impacto y más o menos cortos, como por ejemplo una batida en un salto de longitud). Las plataformas de fuerza son relativamente pequeñas. Las valencianas (Dinascán: 600x380x100). Se insertan en un suelo deportivo, cubriendo la parte superior de la plataforma con una plancha. Profesor: Xavier Aguado Jódar 9

10 del mismo suelo, intentando que no destaquen, para que el deportista pise en ellas sin estar pendiente de la plataforma. En algunas ocasiones se han usado en situación real de competición. 3- USOS A partir de las fuerzas de reacción se puede: evaluar la eficacia de una técnica deportiva, corregir errores en la técnica, observar riesgo de lesión, realizar diferentes tests,.. Tests de equilibrio estático de mantenimiento de postura sobre plataforma de fuerzas.. Profesor: Xavier Aguado Jódar 10

11 La ventaja de recoger las fuerzas de reacción para valorar la técnica deportiva, respecto a otros sistemas está en que son un instrumento de medición directo, de alta precisión, que se obtienen los resultados rápidamente y que se puede usar en situación de campo y competición. Se usan en muchos deportes, entre otros: atletismo (carreras, saltos, lanzamientos), tenis, natación (salidas en carreras, virajes en carreras, saltos), kárate, fútbol, halterofilia, VARIABLES QUE SE RECOGEN IMPULSOS: - En el eje vertical: negativos (de ascenso y descenso), positivos (de aceleración y de frenado). Relación entre 2 impulsos. - En el eje anteroposterior. Pueden calcularse matemáticamente, pero también gráficamente a partir de sumar cuadritos de papel milimetrado, conociendo la escala con la que se trabaja.. Profesor: Xavier Aguado Jódar 11

12 * PICOS o CRESTAS: - En el eje vertical (de frenado y de impulsión o aceleración) - En el eje anteroposterior (de frenado y de impulsión) - En el eje mediolateral * VALLES: Valores mínimos entre 2 picos * RECORRIDO DEL PUNTO DE APLICACIÓN * TIEMPOS: - En los que se dan los diferentes picos y valles - De duración del apoyo. - De duración del frenado y de la impulsión. 5- APLICACIONES A LA EVALUACIÓN DE LA FUERZA ISOMÉTRICA Y DINÁMICA-SALTOS Fuerza isométrica Hay que ajustar bien las alturas Se deben medir bien los ángulos. Profesor: Xavier Aguado Jódar 12

13 Además de una minuciosa familiarización (de varias sesiones) se deben, al realizar el test, tomar múltiples medidas de seguridad. TESTS DE SALTO Hay diferentes tipos de saltos; en cuanto al objetivo unos buscan conseguir la mayor altura o distancia y otros en cambio la ejecución más perfecta o más arriesgada. En cuanto a lo que se hace previamente a la batida algunos parten de parado (detentes) mientras que otros tienen una carrera de aproximación, que en algunos casos es un deslizamiento o incluso pedaleo previo a la impulsión de la batida. Hay bastantes tipos de saltos que se emplean como tests de fuerza, llegando a hacerse incluso con sobrecarga con una barra y pesas u otros lastres, mientras que otros saltos son realizados en competición, algunas competiciones el salto es el elemento principal, mientras que en otras es un elemento técnico más. Algunas de las principales variables que se recogen en estos saltos para evaluar la fuerza de extensión de extremidades inferiores son: Impulsos (frenado, aceleración y frenado / aceleración) Altura del salto Velocidad de extensión de rodillas Pico máximo de fuerza de reacción en el eje vertical. Profesor: Xavier Aguado Jódar 13

14 Pendientes de incremento en la fuerza de reacción Potencia máxima Son tests que no se pueden pasar sin haber hecho una familiarización previa de un mínimo de 2-3 sesiones, pues de lo contrario pueden haber mejoras en posteriores tests debidas al aprendizaje y no a la ganancia de fuerza. Se debería realizar un mínimo de 3 intentos metodológicamente correctos y de entre ellos seleccionar para el análisis el de mayor altura. Entre intento e intento habría que dejar unos 90 s de descanso. Hay que estandarizar al máximo las condiciones de calentamiento, lugar de realización del test (temperatura, luz, ruido, otras actividades), la hora a la que se hace, forma de realizar el test (incluyendo ángulo de flexión de rodillas, vestimenta con la que se hace, zapatillas bien cordadas,....).... Se deberían descartar todos los intentos en los que: - ha habido un desequilibrio en la batida, vuelo o caída - la persona dice que no lo ha podido realizar de forma máxima - la posición final de la batida no coincide con la del inicio del contacto con el suelo en la caída - no se respetan los protocolos (pe se separan las manos de las caderas o se flexiona el tronco en el CMJ Gráfico de Bosco y Komí (1979) en el que muestran las diferencias encontradas en 2 grupos de personas al realizar un SJ. El primer grupo con más del 60 % de fibras rápidas en el vasto lateral de cuadriceps y el segundo grupo con menos del 40 % de fibras rápidas en el vasto lateral de cuadriceps.. Profesor: Xavier Aguado Jódar 14

15 . Profesor: Xavier Aguado Jódar 15

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17 2000 Fuerza de reacción (N) Velocidad angular de extensión de rodillas (rad / s) Durante la batida en el CMJ recibiendo la misma fuerza de reacción del suelo se lograría estar extendiendo las rodillas a más velocidad 1 radián = 57,3 º).. Profesor: Xavier Aguado Jódar 17

18 En el Abalakov (ABK) se salta más que en el CMJ debido a la acción de los miembros superiores, que son 6 de los 14 segmentos que participan en este test de salto. En el ABK existe correlación entre el pico de fuerza vertical máximo registrado con plataforma de fuerzas y la velocidad con la que se elevan los miembros superiores en la batida. En muchos deportes puede ser interesante adaptar tests de salto específicos a diferentes características técnicas del deporte.. Profesor: Xavier Aguado Jódar 18

19 ALGUNOS VALORES ORIENTATIVOS OBTENIDOS EN LA PRIMERA TANDA DE TESTS DEL CURSO SE ARQUITECTURA MUSCULAR 2001 Velocidades de despegue del CG en el CMJ 2,49 m/s en chicas. 2,94 m/s en chicos Velocidades de despegue del CG en el SJ 2,38 m/s en chicas. 2,72 m/s en chicos El tiempo de la fase concéntrica de la batida del CMJ 0,265 s (casi sin diferencias entre chicos y chicas). El tiempo de la fase concéntrica del SJ 0,31 s (casi sin diferencias entre chicos y chicas). El pico de fuerza máxima vertical / peso en el CMJ 1,50 BW en chicas 1,56 BW en chicos El pico de fuerza máxima vertical / peso en el SJ 1,26 BW en chicas 1,43 BW en chicos El impulso de frenado en el CMJ 72,4 N x s en chicas 94 N x s en chicos El impulso de aceleración en el SJ 127 N x s en chicas 188,6 N x s en chicos El impulso de aceleración en el CMJ 133,6 N x s en chicas 201,5 N x s en chicos. Profesor: Xavier Aguado Jódar 19

20 SALTO HORIZONTAL A PIES JUNTOS DESDE PARADO (SLJ) El SLJ se utiliza frecuentemente como test de fuerza explosiva de tren inferior. Varios estudios muestran que puede llegar a tener una buena reproducibilidad y validez frente a otros tests como el CMJ y el SJ. A pesar de ello diferentes autores discuten sobre su elevada complejidad técnica, que podría invalidar los resultados obtenidos por personas poco entrenadas en saltar. La distancia del salto consta de 3 distancias: L1, L2 y L3. L1 es la distancia horizontal al final de la batida desde la marca de posición de los pies hasta el CG. L2 es la distancia horizontal que cubre el CG durante el vuelo. L3 es la distancia entre la posición del CG y la parte del cuerpo más retrasada que toca el suelo en la caída. Profesor: Xavier Aguado Jódar 20

21 Con el objeto de explorar la eficacia en el salto desde el punto de vista cinético se hizo un experimento en el que 9 sujetos jóvenes (23.1 ± 1.9 años) jugadores de voleibol de nivel nacional realizaban el SLJ y saltos al 35%, 40%, 50%, 55%, 65%, 70%, y 80% de la distancia conseguida en el salto máximo batiendo sobre una plataforma de fuerzas. Partiendo desde los saltos submáximos hasta los máximos, crecen los valores de la fuerza máxima en el eje antero-posterior (Fx MAX: ): desde ± 78.1 N en el salto del 35% hasta ± N en el del 100%. Contrariamente los valores de la fuerza máxima en el eje vertical (Fz MAX ) decrecen desde ± N hasta ± N. Así la Fz MAX no puede usarse como variable indicadora de fuerza explosiva en el SLJ como sí sucede en el SJ y CMJ. Por su lado la fuerza resultante máxima (Fr MAX ) también decrece al aumentar el porcentaje del salto, desde ± N en el salto del 35% hasta ± en el salto máximo. Los impulsos en el eje antero-posterior (I X ) crecen desde ± 20.8 N s (35%) hasta ± N s (100%). Respecto a los impulsos en el eje vertical hay que decir que aumentan los impulsos de frenado (I F ) desde ± N s hasta ± N s y disminuyen ligeramente los impulsos de aceleración (I A ) desde ± N s hasta ± N s. Finalmente se observa que para conservar el patrón cinético del SLJ es necesario realizar un salto, como mínimo al 80% de distancia de un salto máximo, lo que tiene aplicaciones directas al entrenamiento.. Profesor: Xavier Aguado Jódar 21

22 Características Aspirantes a entrar INEF de León Estudiantes INEF León Sanos, activos, no entrenan un deporte Sanos, activos, no entrenan un deporte Aspirantes a entrar INEF de León Aspirantes a entrar INEF de León Jugadores de voleibol de alto nivel nº de sujetos Sexo hombres hombres hombres hombres mujeres hombres hombres Años de las mediciones Autor M. Izquierdo y X. Aguado J.L. López; M. Meana; I.Grande y X. Aguado R. González R. González M. Meana M. Meana X. Aguado; F.Mendoza; M.Izquierdo; J.L. Elvira y M. Meana Edad (años) 19,1 (± 1,8) 21,6 (± 1,65) 40,8 (± 2,57) 70,8 (± 4,45) ,1 (± 1,9) Estatura (cm) 178,3 (± 7) 174,7 (± 4,24) 172,0 (± 3,2) 167,7 (± 5,33) (± 7) Peso (Kp) 71,15 (± 8,01) 70,33 (± 5,46) 72,66 (± 6,72) 72,84 (± 8,08) ,44 (± 8,9) Distancia SLJ (cm) 245 (± 0,2) 233,3 (± 11,17) 194,7 (± 37,0) 117,3 (±15,0) 202 (± 20) 248 (± 19) 265 (± 13) Altura CMJ (cm) - 41,6 (± 5,1) 30,6 (± 6,3) 19,6 (± 3) Altura SJ (cm) - 34,2 (± 5,3) 28,5 (± 6,4) 19,3 (± 5,6) Características Estudiantes FCD Estudiantes FCD Toledo Toledo nº de sujetos 5 24 Sexo mujeres hombres Años de las mediciones Autor L. Alegre y X. Aguado L. Alegre y X. Aguado Edad (años) 20,20 (± 2,17) 21,35 (± 2,10) Estatura (cm) 163,32 (± 3,38) 174,20 (± 7,22) Peso (kp) 58,17 (± 7,86) 74,35 (± 9,80) Distancia SLJ 180,60 (± 6,68) 223 (± 17,6) Altura CMJ (cm) 31,60 (± 6,7) 44,32 (± 7,3) Altura SJ (cm) 29,00 (± 5,6) 37,78 (± 6,5). Profesor: Xavier Aguado Jódar 22

23 En un estudio realizado con 64 aspirantes a entrar al INEF de León se vio que los que presentaban 2 o más picos de fuerza vertical saltaban significativamente más distancia que los que presentaban un solo pico. Pero por otro lado en un estudio de 9 jugadores de voleibol de primera división nacional (edad media= 23 años, SD= ± 1.9; distancia media del salto= 2.65, SD= ± 0.13), superando todos ellos el percentil 98 de la distancia saltada en el estudio anterior, presentaban 8 de los 9 sujetos 2 o más picos de fuerza en el eje vertical. En este último estudio nada hacía sospechar que presentar 2 o más picos fuera un criterio de ineficacia. Meana (1998): Promedio hombres 2.48 Promedio mujeres 2.02 SD Hombres 0.19 SD Mujeres 0.20 Máximo Hombres 3.18 Máximo Mujeres 2.97 Mínimo Hombres 1.63 Mínimo mujeres 1.41 Varianza hombre 0.04 Varianza mujeres 0.04 Promedio total 2.37 SD Total 0.28 Máximo total 3.18 Mínimo Total 1.41 Varianza total Profesor: Xavier Aguado Jódar 23