Biomecánica: una mirada al funcionamiento de nuestro cuerpo

Transcripción

1 Biomecánica: una mirada al funcionamiento de nuestro cuerpo Resumen Modesto Sosa 1 humano responsables de producir las condiciones de equilibrio en estructuras óseas y musculares, el trabajo mecánico producido por diversos órganos, la deformación de las estructuras biológicas cuando determinadas fuerzas son aplicadas sobre ellas, así como también las fuerzas actuantes en fluidos estacionarios y en movimiento, como el flujo sanguíneo y el flujo de fluidos a través de poros en membranas del cuerpo, entre otros. Biomecánica, por su estructura semántica, puede definirse como la ciencia que estudia la Mecánica de los sistemas biológicos. No obstante, muchas otras acepciones de la palabra pueden aparecer en la literatura científica, pero todas conciernen con el estudio de fuerzas actuando sobre los órganos y estructuras de los seres vivos. En tal sentido, la Biomecánica estudia una amplia gama de situaciones biológicas tales como las fuerzas experimentadas por el cuerpo 1. Introducción Muchas partes del cuerpo humano, por su naturaleza, están sometidas a fuerzas que modifican su estado y permiten su funcionamiento. Así, es sorprendente la cantidad de conceptos de Física que contienen los cursos de los primeros años de los programas de Medicina, y cuán poco es discutido en los programas de Física sobre sus aplicaciones biológicas. 1 Grupo de Física Aplicada, Instituto de Física, Universidad de Guanajuato, Loma del Bosque 103, Lomas del Campestre, León, Gto. modesto@fisica.ugto.mx 171

2 En este artículo se discuten algunos ejemplos sencillos de la aplicación de la Mecánica a situaciones de interés médico. 2. La Biomecánica de la marcha El análisis y entendimiento de la dinámica en el proceso de la marcha es posiblemente uno de los ejemplos más notorios del uso de las leyes de la Física en un sistema biomecánico. Su comprensión, al menos en primera aproximación, no requiere más allá que la aplicación de las leyes clásicas de la Física, específicamente las leyes de Newton, correspondientes a los primeros semestres en todos los programas de Ingeniería o Física. Como ilustración consideremos los siguientes ejemplos. Al estar de pie y en reposo (ver Figura 1a), la persona tiene dos puntos de apoyo sobre el piso. En este caso, tal como se ilustra en la Figura las únicas fuerzas que actúan sobre el cuerpo serían las fuerzas F 1 y F 2 correspondientes a la reacción del piso sobre los pies y actuando hacia arriba, y la fuerza peso W producida por la atracción de la gravedad de la Tierra, hacia abajo. Un simple análisis de fuerzas a través de un diagrama de cuerpo libre (ver Figura 1b) muestra que F 1 + F 2 = W, por lo que en principio se puede asumir con cierto grado de confiabilidad que F 1 = 1 F 2 = W, esto indica que el peso del 2 cuerpo se distribuye por igual sobre las dos piernas, lo cual concuerda con el sentido común Ejemplo 1. Una persona de pie Este es probablemente la situación más simple de analizar. Figura 1.- Fuerzas de una persona: a) de pie y b) en reposo. 172

3 2.2. Ejemplo 2. Una persona al caminar Cuando una persona camina podemos siempre pensar que existe un instante en el cual ésta se encuentra parada en un solo pie. Esta situación se repite periódicamente a lo largo de la marcha justo antes del instante en que se da el siguiente paso, es decir, al dar un paso un pie está en el aire y el otro es nuestro único punto de apoyo. Podríamos exagerar diciendo que en realidad las personas caminan en un solo pie. El análisis de fuerzas en este caso (ver Figura 2) nos lleva a que la fuerza de reacción N del piso sobre el pie de apoyo es igual al peso W, esto N = W. Figura 2.- Fuerzas actuantes cuando se esta en un solo pie Como puede verse, a diferencia del caso anterior, ahora todo el peso es soportado por una sola pierna, lo cual nos indica que durante la marcha ésta se encuentra sometida a esfuerzos mayores comparados a aquellos en estado de reposo. Esto significa que el cansancio que se experimenta al caminar no es sólo debido al ejercicio en sí, sino también al hecho de que se somete a las piernas a un esfuerzo que es aproximadamente 2 veces mayor que aquel en que se encuentran en reposo. Por otro lado, es importante darse cuenta de los dos casos simples analizados arriba que mientras para una persona de pie y en reposo la situación de mayor equilibrio es tener ambas piernas separadas formando un pequeño ángulo con la vertical, según se muestra en la Figura 1, en cambio, para una persona al caminar la situación de equilibrio estable lo lleva a que el pie de apoyo sea colocado justamente debajo del centro de gravedad del cuerpo, el cual se encuentra, en condiciones normales, justo sobre la línea media de éste. Así, este ejemplo nos permite entender por qué es tan notorio, además de bello, que las modelos al caminar 173

4 colocan tan pronunciadamente su pierna justo sobre la línea central de su simétrica y escultural figura. Claramente, un desvío de esa postura produce un desequilibrio de fuerzas, generando un torque con efectos que seguramente todos hemos observado y juzgado como poco atractivo; un balanceo al caminar. Ese balanceo es justamente un intento subconsciente de nuestro cuerpo por reducir el desequilibrio de fuerzas. Los casos analizados arriba nos dan mucha más información de lo que debemos hacer si queremos emplear las leyes de la Biomecánica para comprender las diversas situaciones en las que se puede encontrar el cuerpo humano, o calcular las fuerzas sobre las diversas estructuras óseo-musculares relacionadas. Por ejemplo, el cálculo de las fuerzas que actúan sobre el tendón de Aquiles o las fuerzas actuantes sobre la cadera, deben hacerse justamente considerando la situación en la que la persona se encuentra parada en un solo pie, pues es ésta situación la que mejor describe las fuerzas máximas que intervienen en el proceso de la marcha, siendo así la situación de mayor trascendencia para su estudio. Así mismo, otras situaciones comunes en la vida cotidiana, tales como el uso de un bastón o caminar con un maletín, pueden fácilmente analizarse bajo el mismo esquema, permitiéndonos obtener información de los esfuerzos a los que las estructuras óseas y musculares de nuestro cuerpo se ven sometidas. De este modo, la Biomecánica nos permite fácilmente entender el beneficio del uso de un bastón cuando se tiene la cadera lastimada y por qué éste debe usarse del lado opuesto a la parte afectada. Un modelo de fuerzas ligeramente distinto a los analizados permite observar que al usar un bastón las fuerzas que actúan sobre la cadera se reducen notablemente hasta en un 60%, con el consecuente beneficio. Igualmente, no es difícil descubrir las enormes fuerzas que actúan tanto sobre el tendón de Aquiles, las cuales inimaginablemente pueden llegar a ser de hasta 2 veces el peso de nuestro propio cuerpo, como aquellas que actúan sobre los huesos de la cadera y el fémur, las cuales llegan a ser cercanas a 3 veces nuestro peso. 174

5 3. Discusión y conclusiones Los simples ejemplos analizados en este artículo nos muestran que la Biomecánica a pesar de hacer uso de leyes elementales de la Física, nos arroja información muy útil sobre el funcionamiento de las estructuras óseas y musculares del cuerpo humano. Los ejemplos discutidos aquí conciernen solamente a aquellas estructuras que toman parte en la dinámica de la marcha, por ser estas precisamente algunas de las partes del cuerpo donde las aplicaciones biomecánicas han sido tradicionalmente más frecuentes y relevantes. No obstante, el campo de aplicación de la Biomecánica es muy amplio y no es restrictivo a la mecánica de la marcha. Un posible caso de esto es la determinación de las fuerzas ejercidas por lo dedos de la mano cuando se sostiene algún objeto o se realiza una determinada tarea. Igualmente, se han planteado modelos biomecánicos para estudiar la estructura de la columna vertebral, la articulación de la rodilla, el oído medio, entre muchos otros. Sorprendentemente nuestro cuerpo es una máquina perfecta que funciona bajo fuerzas internas imperceptibles, pero enormes, y la Biomecánica precisamente nos da cuenta de ello. En conclusión, podemos decir que la Biomecánica puede emplearse para comprender las condiciones de funcionamiento de nuestro cuerpo en una gran gama de situaciones cotidianas. Su campo de aplicación es vasto y su utilidad en muchos aspectos de nuestro quehacer diario es invaluable, a pesar de ello la Física que necesitamos es elemental. Esto último es notable y cabe remarcarse, pues muestra que con poco y una buena dosis de imaginación se puede hacer mucho. 175