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MarcoConceptualeHistórico delaBiomecánica (Dr.FranciscoJ.Vera‐García)

Capítulo 2. Marco Conceptual e Histórico de la Biomecánica. (Dr. Francisco J. Vera-García)

Índicedecontenidosdelcapítulo 2.1. Definiciones, clasificaciones y conceptos ……………………………...

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2.1.1. Biomecánica y Cinesiología ……………………………………

37

2.1.2. La Mecánica y sus componentes ……………………………….

38

2.1.3. Áreas de la Biomecánica ……………………………………….

39

2.2. Antecedentes y nacimiento de la Biomecánica ………………………...

41

2.2.1. Orígenes lejanos ……………………………………………….

41

2.2.2. Historia contemporánea ………………………………………

44

2.2.3. Nacimiento y estado actual de la Biomecánica ………………..

49

2.3. Biomecánica en España ………………………………………………...

52

2.4. Biomecánica en los planes de estudios de la titulación de Ciencias de la Actividad Física y del Deporte ……………………………………………...

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2.5. Referencias bibliográficas del capítulo y recursos para recabar información ……………………………………………………………….…

62

2.5.1. Referencias bibliográficas del capítulo ………………………..

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2.5.2. Direcciones Web consultadas ………………………………….

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Capítulo 2. Marco Conceptual e Histórico de la Biomecánica. (Dr. Francisco J. Vera-García)

2.1.Definiciones,clasificacionesyconceptos. 2.1.1. Biomecánica y Cinesiología. La palabra Biomecánica está compuesta por el prefijo bio y en la raíz mecánica. Bio indica que este concepto tiene algo que ver con los sistemas vivos o biológicos. Asimismo, mecánica, que etimológicamente proviene de mekhaniké (herramienta), es la parte de la física que estudia las fuerzas y sus efectos. Por tanto, podemos afirmar que la Biomecánica es la ciencia que estudia las fuerzas internas y externas que actúan sobre los sistemas biológicos y sus efectos (Hay, 1993, McGinnis, 2005). Las fuerzas internas son aquellas que actúan dentro del sistema o cuerpo y las externas las que actúan sobre el cuerpo o sistema como resultado de la interacción con el medio. Siguiendo a López Elvira (2006), la Biomecánica se nutre de diversas ciencias y tecnologías. Por una parte existe un componente biológico (bio), al que contribuyen las ciencias biomédicas. Por otro lado, a la parte mecánica contribuyen las Ingenierías, las Matemáticas y la Física, principalmente. Por tanto, se trata de una ciencia pluridisciplinar (Aguado, 1993), en la que trabajan, entre otros profesionales, físicos, biólogos, médicos, ingenieros y licenciados en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte. En el campo biomédico se ha desarrollado el concepto de Cinesiología, que etimológicamente significaría el tratado o estudio del movimiento (kinein: movimiento; logos: tratado). En la actualidad la Cinesiología es el estudio del movimiento humano (McGinnis, 2005) y está muy relacionada con la Biomecánica, especialmente con la Biomecánica estructural o interna, es decir, la Biomecánica del aparato locomotor (sistemas neuromuscular y osteoarticular). Según el profesor Marcos Gutierrez (1998), tanto la definición como el origen y el desarrollo de los términos Biomecánica y Cinesiología son similares y paralelos. Posiblemente, la Cinesiología es más antigua que la Biomecánica; sin embargo, desde los años 70, dentro de las Ciencias de la Actividad Física y del Deporte, para referirse al estudio del movimiento humano se utiliza principalmente el término Biomecánica. En este sentido, como veremos más adelante, la mayor parte de las revistas científicas que publican estudios sobre el movimiento humano incluyen en su título el término Biomecánica en lugar de Cinesiología.

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2.1.2. La Mecánica y sus componentes. Como hemos comentado anteriormente, la Mecánica es la ciencia que estudia las fueras y sus efectos sobre los cuerpos y sistemas. Podemos diferenciar varios tipos de Mecánica (McGinnis, 2005): −

Mecánica de los sólidos rígidos. Útil para estudiar el movimiento del cuerpo humano y de los implementos deportivos en la actividad física y el deporte.

−

Mecánica de los cuerpos deformables. Útil para estudiar la respuesta de los materiales a la carga mecánica.

−

Mecánica de fluidos. Mecánica de los líquidos y los gases (aerodinámica, hidrodinámica, etc.).

−

Mecánica relativista. Relacionada con la Teoría de la Relatividad de Einstein.

−

Mecánica cuántica. Estudia la materia a escala muy pequeña (Teoría Cuántica).

Cada una de estas ramas de la Mecánica es útil para la descripción y análisis de diferentes características de nuestro mundo físico. Así, la Mecánica de los cuerpos rígidos es la más adecuada para el estudio del movimiento del cuerpo humano y de los implementos utilizados en el deporte. Por lo tanto, esta rama de la Mecánica será útil para la Biomecánica de la Actividad Física y del Deporte. Otra rama importante será la Mecánica de fluidos, ya que la práctica deportiva se desarrolla en contacto con el aire y/o el agua. Asimismo, la Mecánica de los cuerpos deformables es adecuada para el estudio de las respuestas y adaptaciones de los tejidos a la carga mecánica, lo que facilita, tanto la prevención y tratamiento de lesiones del aparato locomotor en los deportistas, como el diseño y evaluación del material deportivo. La Mecánica de los sólidos rígidos, la más utilizada en Biomecánica deportiva, se divide en cinemática y dinámica. Mientras la cinemática estudia el movimiento de los cuerpos sin considerar las fuerzas que lo producen, la dinámica estudia las fuerzas, es decir, las causas físicas del movimiento (Aguado, 2001). Asimismo, la dinámica se subdivide en estática y cinética. La cinética estudia las fuerzas que provocan el movimiento y la estática las fuerzas que actúan sobre los cuerpos en reposo, es decir, sin movimiento aparente (Aguado, 2001).

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2.1.3. Áreas de la Biomecánica. La Biomecánica es una disciplina que, con el progreso de la ciencia y de la tecnología, está en plena evolución. Cada vez son más las áreas que componen la Biomecánica. En el último congreso de la International Society of Biomechanics, celebrado en Taipei (Taiwán), en julio de 2007, los trabajos de investigación se estructuraron en 34 áreas diferentes, que presentamos a continuación en orden alfabético: −

Anthropometry/Anthropology.

−

Bio-informatics.

−

Bioheat/Mass Transfer.

−

Biomaterials & Medical Devices.

−

Biorhelogy.

−

Bio-robotics.

−

Cardiovascular Biomechanics/ Biofluid Dynamics.

−

Cell Mechanics/Engineering.

−

Clinical Biomechanics.

−

Dental Biomechanics.

−

Ergonomics.

−

Forensic Biomechanics.

−

Hearing Mechanics.

−

Hemodynamics.

−

Human Movement.

−

Injury Biomechanics/Impact Biomechanics.

−

Martial Arts/ Gait & Locomotion.

−

Medical Vision and Optometry.

−

Microcirculation.

−

Microelectromechanical Systems (MEMS).

−

Modeling Techniques/Animation.

−

Molecular Biomechanics.

−

Muscle Mechanics/Motor Control.

−

Neuromuscular Mechanics.

−

Neural Prostheses. 39

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−

Oculomotor Mechanics.

−

Orthopaedics/ Joint Mechanics/Bone Mechanics.

−

Occupational Biomechanics/Physical Therapy/Rehabilitation.

−

Respiratory Biomechanics.

−

Spine Biomechanics.

−

Sport Biomechanics.

−

Sport Technique & Analysis.

−

Sport Training.

−

Tissue Mechanics/Engineering.

Los objetivos que se persiguen dentro de cada una de estas áreas son diferentes. Basándose en las aportaciones del profesor Xavier Aguado (1993), López Elvira (2006) diferencia tres áreas fundamentales de especialización de la Biomecánica en España. A continuación se presentan los objetivos principales de la Biomecánica dentro de cada una de estas áreas según el autor: 1) Biomecánica de la Actividad Física y del Deporte: −

Describir las técnicas deportivas desde un punto de vista mecánico y buscar las más eficaces y seguras.

−

Desarrollar nuevos materiales deportivos y mejorar los ya existentes.

−

Conocer el medio o entorno en el que se produce el movimiento.

−

Desarrollar métodos de medición de variables biomecánicas que sean válidos, fiables, objetivos, sencillos y de fácil aplicación.

−

Prevenir la aparición de patologías y mejorar la calidad de vida.

2) Biomecánica Ocupacional: −

Analizar la relación hombre-máquina con el fin de conseguir un mayor rendimiento laboral.

−

Diseñar máquinas que se adapten al trabajador.

−

Educar o reeducar al trabajador para que utilice adecuadamente las máquinas y utensilios propios de su trabajo y para que realice movimientos y posturas seguras.

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3) Biomecánica Médica (dental, terapéutica, traumatológica, ortopédica, quirúrgica, cardiovascular, etc.): −

Estudiar aquellos factores mecánicos relacionados con las patologías y su tratamiento.

−

Diseñar máquinas y aparatos destinados a la rehabilitación.

2.2.AntecedentesynacimientodelaBiomecánica. Según Aguado (2001), posiblemente, la palabra Biomecánica fue utilizada por primera vez por del Dr. Moritz Benedikt en 1887, durante un seminario científico en Wiesbaden (Alemania). Posteriormente, en la segunda mitad del siglo XX, aparecen asociaciones, publicaciones científicas, seminarios y congresos sobre Biomecánica que le confieren el reconocimiento internacional y que guían su desarrollo hasta su estado actual. No obstante, a lo largo de la historia, aparecen diversas personas cuyos trabajos son los precursores de la Biomecánica actual. En este apartado, siguiendo a Aguado (2001) y López Elvira (2006), primero, se realiza una revisión histórica de los principales autores que han realizado aportaciones relevantes para el conocimiento científico y el desarrollo de la Biomecánica y, posteriormente, se presenta la situación actual de esta ciencia, haciendo especial hincapié en las asociaciones e instituciones que fomentan su desarrollo. 2.2.1. Orígenes lejanos. 1. Aristóteles (384-322 a.C.). El primer personaje de la historia que podemos relacionar con la Biomecánica es Aristóteles. Destacamos tres de sus obras por su estudio sistemático de los seres vivos: "Del Movimiento de los Animales", "De la Marcha de los Animales" y “De las Partes de los Animales". Entre sus aportaciones más interesantes podemos destacar el hecho de que estudió las partes corporales de los animales de forma independiente y las relacionó con el desplazamiento. Además, anticipó la 3ª ley de Newton diciendo que el movimiento se produce por interacción con el suelo.

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2. Leonardo Da Vinci (1452-1519). Dando un salto importante en el tiempo, llegamos a una figura central del Renacimiento. Leonardo Da Vinci realizó estudios del cuerpo humano desde una doble perspectiva artística y científica. Tenía conocimiento de diversos aspectos de la Mecánica, como los vectores de fuerza, los coeficientes de rozamiento y los movimientos de caída libre. Realizó observaciones sistemáticas de los principios mecánicos aplicados al hombre y estudió el vuelo de los animales y los principios que rigen el movimiento en el medio aéreo y acuático, llegando incluso a diseñar diversas máquinas voladoras. 3. Andrés Vesalio (1514-1564). Anatomista que realiza algunos de los primeros estudios anatómicos basados en la disección de cadáveres. En 1543 publica "De Humani Corporis Fabrica Libri Septem", donde se detalla con ilustraciones y comentarios la estructura interna del cuerpo humano (Figura 1). Corrigió más de 200 errores de la antigua anatomía de Galeno e introdujo la idea de que los músculos poseen la capacidad de generar fuerza, mientras que los tendones actúan como elementos transmisores de estas fuerzas hasta los huesos. 4. Galileo Galilei (1564-1642). El mismo año de la muerte de Vesalio nace Galileo. Su preocupación por encontrar explicación a todos los fenómenos que observaba le llevó a establecer las bases de lo que actualmente conocemos como método científico. Galileo es uno de los precursores más importantes de la Biomecánica actual. Aplicó las matemáticas al estudio de la naturaleza y enunció las leyes de los movimientos de caída libre y de los movimientos parabólicos. Otra aportación importante fueron sus estudios sobre las características morfológicas y mecánicas de los huesos.

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Figura 1. Grabado de la obra de Vesalio "De Humani Corporis Fabrica Libri Septem" (pp. 184), en el que se puede ver el cuerpo humano diseccionado. (http://archive.nlm.nih.gov/proj/ttp/vesaliusgallery.htm).

5. René Descartes (1596-1650). Aunque Descartes se dedicó principalmente a la Filosofía, también realizó aportaciones importantes en Matemáticas. Entre otras cosas, desarrolló el sistema de coordenadas más utilizado en la actualidad para representar gráficas y figuras geométricas, es decir, el “sistema de coordenadas cartesiano”. 6. Giovanni Alfonso Borelli (1608-1679). Este autor es uno de los personajes cuyas aportaciones son decisivas para la Biomecánica del aparato locomotor y la Cinesiología, ya que aplica las leyes mecánicas al sistema osteo-muscular. En 1680 publica "De Motu Animaliun", en el que realiza estudios de las articulaciones considerándolas como palancas (Figura 2). En este sentido, fue el primero en comprender que la mayor parte de las palancas del aparato locomotor magnifican la velocidad, no la fuerza, de manera que los músculos deben producir fuerzas mucho mayores que las resistencias que tienen que vencer. Asimismo, sugirió que la base de la contracción muscular se produce en las fibras musculares y realizó estudios sobre el equilibrio postural de distintos animales en función de variables mecánicas, como por ejemplo, el centro de gravedad. 43

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Figura 2. Grabado de la obra "De Motu Animaliun" (1680), donde Borelli utiliza palancas para demostrar como la activación muscular desarrolla diferentes funciones, como por ejemplo, sostener una carga pesada.

7. Isaac Newton (1642-1727). Este científico inglés es pieza clave para entender la Mecánica moderna. En su obra "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" (1687), describe la Teoría de la Gravitación Universal y presenta las popularmente conocidas leyes de Newton. Actualmente, estas leyes se utilizan para el estudio de movimientos cotidianos, como por ejemplo, los deportivos, pero no son útiles para el estudio del movimiento de las partículas atómicas o para el análisis de los movimientos a velocidades cercanas a las de la luz. Entre otras aportaciones, también fue el creador, junto a Leibniz, del cálculo integral y diferencial, herramienta muy importante para las Matemáticas y la Física.

2.2.2. Historia contemporánea. Al llegar al siglo XIX, se puede afirmar que la Mecánica se encontraba en un estado de desarrollo muy avanzado. Es a partir de entonces cuando comienzan a realizarse una serie de progresos tecnológicos que facilitan el desarrollo de diferentes metodologías que se utilizan en la Biomecánica actual. A continuación presentamos algunos de los autores más importantes de la historia contemporánea:

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1. Eadweard James Muybridge (1831-1904). Este angloamericano inventó un artilugio, formado por una batería de cámaras fotográficas que se activaban secuencialmente, con el que realizó miles de fotoseriaciones del movimiento humano y animal. Gracias a sus trabajos acabó con la polémica existente en su época sobre si los caballos al galope tenían fase aérea o no (Figura 3). Entre sus trabajos más importantes destaca “The Attitudes of Animals in Motion” (1881), “Animal Locomotion” (1887) y “The Human Figure in Motion” (1901). En ellos presentó miles de fotoseriaciones de animales y personas realizando todo tipo de actividades (Figura 4).

Figura 3. Fotoseriación de Muybridge que muestra la fase aérea de los caballos al galope.

Figura 4. Fotoseriación de Muybridge que muestra una persona realizando un salto horizontal. Se puede apreciar una visión lateral y otra posterior.

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2. Étienne Jules Marey (1830-1904). El médico y fotógrafo francés Marey desarrolló una técnica fotográfica similar a la desarrollada por su coetáneo Muybridge, la fotografía cronocíclica o fotocronografía, con la que se capta en una sola fotografía varios instantes de un movimiento (Figura 5). Básicamente consiste en captar en un solo negativo varios instantes de un movimiento utilizando un sistema de flashes consecutivos. A lo largo de su vida desarrolló una gran cantidad de artilugios y aparatos para realizar diferentes mediciones, desarrollando un laboratorio que se podría considerar como el precursor de los laboratorios modernos de Biomecánica. Así, por ejemplo, en este laboratorio tenía numerosas cámaras fotográficas (Figura 6), sensores de presión (Figura 7) y máquinas para estudiar la Mecánica de los fluidos (Figura 8). Entre sus obras podemos destacar los títulos “La Machine Animale” (1873) y "Du Mouvement dans les Functions de la Vie" (1892).

Figura 5. Fotocronografía de Marey que muestra a una persona caminando con una serie de marcas luminosas colocadas en el cuerpo. Esta imagen tiene una gran similitud con los estudios fotogramétricos que se realizan en la actualidad.

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Figura 6. Fusil fotográfico diseñado por Marey y fotocronografía del vuelo de un ave.

Figura 7. Aparato neumático diseñado por Marey para registrar las fuerzas verticales de reacción del suelo.

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Figura 8. A la derecha aparece una máquina diseñada por Marey para estudiar los cambios en el flujo laminar de los gases al entrar en contacto con cuerpos de diversas formas. A la izquierda se muestran fotografías donde se aprecian las turbulencias que se producen en el fluido al contactar con cinco objetos diferentes.

3. Archibald Vivian Hill (1886-1977). Este fisiólogo inglés, apasionado por las matemática...