CÓMO BIOMECÁNICA PUEDE MEJORAR EL
RENDIMIENTO DEPORTIVO
D. Gordon E. Robertson, PhDFellow, Canadian Society for BiomechanicsEmeritus Professor, Universidad de Ottawa
traducción porZoila Perez Cristancho, BMath
¿QUÉ ES LA BIOMECÁNICA? Estudio de las fuerzas y sus efectos
sobre los seres vivos Tipos de fuerzas
Las fuerzas externas las fuerzas de reacción del suelo aplicados a otros objetos o personas las fuerzas del fluido (natación, la resistencia del
aire) las fuerzas de impacto
Las fuerzas internas las fuerzas musculares (fuerza y el poder) fuerza en los huesos, ligamentos, cartílagos
TIPOS DE ANÁLISIS Temporal Cinemática Cinética
Directa Indirecta
Electromiográfico Modelado y simulación
ANÁLISIS TEMPORAL Cuantifica la duración de las actuaciones
en su totalidad (los tiempos de carrera) o en parte (apertura de pieranas, los tiempos de paso, las tasas de accidente cerebrovascular, etc.)
Los instrumentos incluyen: cronómetros, reloj electrónico puertas de cronometraje fotograma a fotograma de vídeo de análisis
Fácil de hacer, pero no muy esclarecedor Necesarias para que los estudios de
cinemática
EJEMPLO: CRONOMETRAJE ELECTRÓNICO
Donovan Bailey establece récord mundial (9,835 s) a pesar del tiempo más lento de reacción (0,174s) de los finalistas. Tiempos
de reacciónTiemposde raza
CINEMÁTICA Posición, velocidad & aceleración Posición, velocidad & aceleración angular Distancia entre cintas métricas, sensores
electrónicos, ruedas de la ruedecilla Desplazamiento linear
distancia y dirección linear de punto a punto Desplazamiento angular
cambios en orientaciones angulares de punto a punto usando un sistema especifico (ángulos de Euler, ángulos Cardán etc.)
CINEMÁTICA Los instrumentos incluyen:
cintas métricas, electrogoniometers pistolas de velocidad, acelerómetros de captura de movimiento de vídeo u otros
dispositivos de imagen (Cinéfilm, TV, infrarrojos, ultrasonidos, etc)
GPS, giroscopios, sensores inalámbricos
CINEMÁTICA Barato a muy caro Los rendimientos baratos dan información
mínima por ejemplo, la longitud de zancada, la amplitud de
movimiento, la distancia o la velocidad de salto de objeto tirada o bateada
Los rendimientos caros dan superabundancia de datos por ejemplo, la trayectoria del marcador y su
cinemática, el segmento, la cinemática del cuerpo y el total de conjuntos lineales y angulares, en las dimensiones 1, 2 o tres y múltiples convenios angular
Son esenciales para posterior estudio de dinámica inversa y otros análisis cinéticos
ECONÓMICAS: MODO DE ANDAR CARACTERÍSTICO EN EL CORRER O EN LA CARRERA CORTA
stride length step length
left foot
swing phase,left foot
right foot
stance phase,left foot
left toe-off
one gait cycle
timeleft foot-strike right foot-strikeright toe-off
a
b
running/sprinting
flight phase
Observe que la ejecución de los pies imprime y aparece en la línea media, a diferencia de a pie cuando están a ambos lados
Paso velocidad = longitud de zancada / duración de zancadaTiempo de zancada= 1 / paso
ECONÓMICAS: ANÁLISIS DE VÍDEO DE CARRERA CORTA
Localización de la cadera en los últimos 60 metros de la carrera de 100 m
Masculino 10,03 s se aceleró hasta los 60 m donde alcanzala velocidad máxima de 12 m/s
Femenina 11,06 s se aceleró hasta los 70 m donde alcanza la velocidad máxima de 10 m/s
Ambos no desaceleraron!
40
50
60
70
80
90
100
5 6 7 8 9 10 11Race time (s)
female: 10 m/s
male: 12 m/s
MODERADO: ACELEROMETRÍA Medidas directas como electro
goniometría (para ángulos conjuntos) o acelerometría son relativamente baratas, pero pueden proporcionar información en tiempo real de las partes seleccionadas del cuerpo
Acelerometría es particularmente útil para evaluar los impactos en el cuerpocabeza con 9
acelerómetros lineales para cuantificar la aceleración 3D
Dentro de forma de cabeza (abajo) es un acelerómetro 3D y 3 pares de sensores lineales para la aceleración angular 3D
CARO: LA MARCHA Y EL LABORATORIO DE ANÁLISIS DE MOVIMIENTO Múltiples cámaras
infrarrojas o marcadores infrarrojos
Sistema de captura de movimiento
Por lo general, múltiples plataformas de fuerza
El sujeto tiene 42 marcadores reflectantes para el seguimiento en 3D de todos los segmentos importantes del cuerpo y las articulaciones
LACROSSE: PALO Y EL CENTRO DE LA CINEMÁTICA DE LA GRAVEDAD
X, Y, Z linealvelocidades decabeza del palo
Hacia adelante y velocidades verticales del centro de gravedad
LACROSSE: PELVIS Y TÓRAX VELOCIDADES ANGULARES
Sagital,transversal, yaxial rotacionalvelocidades deL5/S1 y de las articulaciones de la cadera
CINÉTICA Fuerzas o momentos de fuerza (pares
de torsión) El momento o velocidad o empuje (lineal
y angular) Energía mecánica (cinética y potencial) Trabajo (de las fuerzas y pares de
torsión) Potencia (de las fuerzas y pares de
torsión)
CINÉTICA Dos maneras de obtener la
cinética Dinamometría directa
El uso de instrumentos para medir directamente e igual las fuerzas externas e internas
Dinamometría indirecta a través de la dinámica inversa Indirectamente valorar las fuerzas
internas y momentos de fuerza de las medidas cinemáticas directa, de los parámetros sectoriales del cuerpo y de las fuerza medidas externamente
Instron controlador de compresión para las medidas de fuerzas y la deformación de los huesos, músculos, ligamentos, etc., bajo carga
Marcha de laboratorio (U. de Sydney), con 10 cámaras de Análisis de movimiento y una pasarela con cinco plataformas de fuerza
CINÉTICA: DINAMOMETRÍA Medición de la fuerza, momento de la
fuerza, o energía Instrumentación incluye:
Los transductores de fuerza Deformación, LVDTs y piezoeléctricos,
piezoresistivo Sensores de presión Plataformas fuerza
Deformación y piezoeléctricos, efecto Hall Isocinéticos
Para los momentos y fuerzas en las articulaciones Concéntrico, excéntrico e isotónico
TRANSDUCTORES DE FUERZA Medidor de tensiones:
rango de bajo costo, de tamaños, y aplicaciones
rango dinámico es limitado, tiene una capacidad estática, fácil de calibrar
pueden ser incorporados en artículos deportivos
Ejemplos: los pedales de la bicicleta, remos y palas, raquetas, palos de hockey y bates
EJEMPLO: REMO LA ERGOMETRÍA Sujeto utilizó un ergómetro de remo
Gjessing con un transductor indicador de presión de fuerza en cable que gira un volante con una resistencia de 3 kilopondio
Seguimiento de fuerzavisible en tiempo realal entrenador y atleta
Impulso de un aumento significa una mejor rendimiento
Se aplica al ciclismo, piragüismo, natación o las salidas de pista
TRANSDUCTORES DE FUERZA Sensores de presión de asignación:
moderadamente elevado, rango de tamaños y aplicaciones, la respuesta dinámica es pobre
se pueden incorporados entre persona y entorno deportivo (suelo, implementos)
Ejemplos: plantillas para calzado, asientos, guantes
TRANSDUCTORES DE FUERZA
Piezoeléctrico: rango de bajo costo, variedad de tamaños y
aplicacionesescasa capacidad estática, difícil de calibraradecuado para las pruebas de laboratorio o enestadios deportivosEjemplos: las células de carga, plataformas de
fuerza
EJEMPLO: PRUEBAS DE IMPACTO Casco y Cabeza de 5 kg cayó desde una
altura fija sobre un yunque. Transductor de fuerza en el yunque piezoresistivo mide el impacto lineal (impulso) y, especialmente, el pico de fuerza
La máxima fuerza sereduce cuando elimpulso se propaga con el tiempo o engrandes zona de casco y materiales derevestimiento
PLATAFORMAS DE FUERZA Suelen medir tres componentes de la fuerza
de reacción del suelo, la ubicación de la aplicación de la fuerza (llamado centro de presión), y la libre (vertical) momento de fuerza
Piezoeléctrico: es caro, variedad amplia de fuerza, respuesta alta
para la dinámica, respuesta pobre para la estatica Medidor de tensiones:
moderadamente caro, estrecho rango de fuerza, respuesta moderada dinámica, excelente estáticamente
EJEMPLO: ESGRIMA (FLECHE) Vectores de fuerza de
reacción instantánea del suelo se encuentran en los centros de presión
El compás de fuerza muestran patrón de las fuerzas de reacción del suelo en cada plataforma de fuerza
CINÉTICA: DINÁMICA INVERSA proceso por el cual todas las fuerzas y
momentos de fuerza a través de una articulación se reducen a una sola fuerza neta y el momento neto de la fuerza
la fuerza neta se debe principalmente a las acciones a distancia, tales como fuerzas de reacción del suelo o de las fuerzas de impacto
el momento neto de la fuerza, también llamado el par neto, es causada principalmente por los músculos que cruzan la articulación por lo que está muy relacionada con la coordinación del movimiento, los mecanismos de lesión y el rendimiento
diagrama de cuerpo libre de fuerzas real del músculo, ligamento fuerzas, las fuerzas de hueso con hueso y el momento de la fuerza conjunta
cinética de conjunto se simplifican como una sola fuerza y un momento de la fuerza (en azul)
DINÁMICA INVERSA requiere cinemática lineal y angular de
los segmentos y el conocimiento de las propiedades inerciales del segmento
propiedades inerciales se suelen obtener mediante el uso de proporciones para estimar la masa del segmento y entonces las ecuaciones basadas en la masa que se distribuye por igual en un representante geométricas sólidas (por ejemplo, elipsoide, un tronco de cono o cilindro elíptico), basado en los marcadores del segmento
la cabeza es un elipsoide de tronco y la pelvis son cilindros elípticos, otros segmentos de los conos son conos recortados
DINÁMICA INVERSA Generalmente el análisis comienza con
un segmento distal que esta libramente oscilando o en contacto con una plataforma de fuerza
Luego, el segmento siguiente en la cadena cinemática es analizado
El proceso continúa al tronco y luego vuelve a comenzar en la otra extremidad
CINÉTICA: ANÁLISIS DE LA POTENCIA CONJUNTA Las fuerzas netas no añaden trabajo ni hace
nada, ellas difunden energía luego pueden: transferencia de energía de un segmento a otro
pasivo Momentos neto de la fuerza puede:
generar energía haciendo trabajo positivo en la articulación
difunde energía haciendo trabajo negativo al otro lado de la articulación
transfiere activamente energía al otro lado del la articulación (significado que los músculos están activamente contractados a menos que la articulación esté totalmente extendida o flexionada)
CINÉTICA: ANÁLISIS DE LA POTENCIA CONJUNTA El poder de la fuerza neta es:
Pfuerza = F · v Momentos neto de la fuerza es:
Pmomentos = M · w
El trabajo realizado por momento neto de la fuerza se calcula mediante la integración de la potencia momento en el tiempo:Wmomentos=Pmomentos dt
Trabajo realizado por la fuerza neta es cero
EJEMPLO: SPRINT masculina (10,03 s, 100-m) a 50 m en la carrera la longitud de zancada es de aproximadamente
4.68 metros
la velocidad horizontal del pie a la mitad de la oscilación fue de 23,5 m s (84,6 km/h)!
solamente la fase de oscilación pudo ser analizada puesto que no hay plataformas de fuerza en la pista
SPRINT: RODILLA El momento del extensor de la
rodilla hizo trabajo negativo (rojo) durante la primera mitad de la oscilación (probablemente no los músculos)
Los flexores de la rodilla actuaron negativamente (azul) durante la segunda mitad al impedir la extensión completa (probablemente debido a los músculos de la corva)
poco o ningún trabajo (verde) hecho por el momento en las rodillas
velocidad angular
momento de la fuerza
poder de momento
fase de oscilación
SPRINT: CADERA el momento de músculo
flexor de la cadera hizo un trabajo positivo (rojo) durante la primera parte de la oscilación del músculo recto anterior (iliopsoas)
el momento extensor de cadera realizó trabajo negativo a la mitad de la oscilación (verde) y trabajo positivo (azul) de extensión (probable glúteos)
SPRINT: CONCLUSIÓN Los flexores de la rodilla (recto femoral y músculo
psoas-ilíaco) no son responsables de la flexión de rodilla a mitad de la oscilación
Los flexores de la cadera son los responsables de la flexión de la cadera y flexión de la rodilla durante la oscilación
Los flexores de la cadera son los más importantes para mejorar la longitud de la zancada
Los extensores de la cadera (glúteos) son necesarios para la extensión de la pierna, mientras que los flexores de la rodilla (isquiotibiales) evitan el bloqueo de la rodilla antes de aterrizar
EJEMPLO: PATADA FRONTAL DE KARATE levanta el pie en la flecha verde, el impacto en la flecha roja la velocidad de pie en el impacto fue de 8,6 m/s (31 km/h)
los extensores de la rodilla no trabajan, los flexores de la rodilla (rojo) hacen un trabajo negativo para prevenir la hiperextensión
los flexores de la cadera hacen un trabajo positivo (verde), luego los extensores hacen un trabajo negativo (azul) para crear “una acción látigo”
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00Time (s)
Knee powerHip power
DINÁMICA INVERSA Beneficios:
puede atribuir grupos de músculos específicos al trabajo total realizado dentro del cuerpo
puede exhibir la coordinación del movimiento Desventajas:
momentos netos son construcciones matemáticas, no miden las estructuras fisiológicas
no se puede validar con mediciones directas no puede detectar el almacenamiento elástico y el
retorno de la energía no se puede cuantificar las transferencias multi-
articulares (músculos biarticulares)
ELECTROMIOGRAFÍA Proceso de medición de las descargas eléctricas
debido al recobro de fuerzas de los músculos activos
Sólo cuantifica el componente activo del músculo, componentes pasivos no es registrado
Los niveles son relativos a un músculo en particular y una persona en particular, por lo tanto, necesita un método para comparar el músculo / músculo o persona / persona
No todos los sujetos pueden realizar la máxima contracción voluntaria (MVCs) para permitir la normalización
La manera eficaz de identificar el músculo es el recobro de fuerzas
EMG: AMPLIFICADORES Tipos:
cable fiable menos costoso sobrecarga de materia
telemetría de cable fiable menos costoso menos cableado
telemetría poco confiables más caro sin cables
EMG: ELECTRODOS Tipos:
superficie (mejor para deportes) fiable menos costoso no invasiva
alambre fino poco confiables más caro invasiva
aguja (mejor para médicos) poco confiables más caro doloroso
EJEMPLO: LACROSSE experiencia de lacrosse en jugador
masculino velocidad de liberación 20 m/s (72 km/h) duración del movimiento oscilante hacia
atrás hasta liberación 0,45 s estilo híbrido al tirar 8 EMG de superficie (L / R erector de la
columna, L / R oblicuos externos, L / R recto abdominal, y L / R oblicuos internos)
cuatro plataformas de fuerza velocidad máxima de lanzamiento en una
cortina de lienzo
EJEMPLO: LACROSSE
left erector spinae
right erector spinae
left external obliques
right external obliques
left rectus abdominus
right rectus abdominus
left internal obliques
right internal obliques
inicio de tiro liberación
•erector de la columna tranquilo en el lanzamiento•obl. externos altamente activos•recto abd. sólo cerca de la liberación •notable a la izquierda/ asimetría a la derecha
ELECTROMIOGRAFÍA Beneficios
identifica si un músculo particular está activo o inactivo
puede ayudar a identificar los estados depre-fatiga y del cansancio
Inconvenientes Estorba al sometido difíciles de interpretar no se puede identificar que contribución
está haciendo el musculo (concéntrica, excéntrica, isométrica)
deben documentarse con la cinemática
FUTURO modelos musculo esqueléticos
medida interna del músculo, ligamento y las fuerzas de hueso con hueso
difícil de construir, validar, y aplicar adelante la dinámica
se predice la cinemática basada en el patrón de recobro de las fuerzas musculares
difícil de construir, validar, y aplicar simulaciones en ordenador (computadora)
requiere el modelo apropiado (ver arriba) y los datos exactos de entrada para impulsar el modelo
se puede ayudar a probar nuevas técnicas, sin riesgo de lesiones
CONCLUSIÓN cinemáticas son útiles para distinguir una
técnica de otra, un ensayo de otro, un atleta de otro
cinemáticas proporcionan información poco fidedigna acerca de cómo producir un movimiento
cinéticas directas son útiles como retroalimentación para controlar de forma rápida y mejorar el rendimiento
cinéticas directas no cuantifican qué músculos o cuál patrón de la coordinación produjo el movimiento
CONCLUSIÓN CONTINUACIÓN Dinámica inversa y análisis de potencia
conjunta identifica qué grupos musculares y patrón de coordinación produce un movimiento
no se puede identificar directamente los músculos específicos, contracciones biartculares o elasticidad
electromiogramas producen nivel del recobro de fuerza muscular específica de rendimiento y potencialmente el estado de fatiga
electromiogramas son medidas relativas de actividad y no se puede cuantificar la fuerza muscular pasiva, debe utilizarse con otras medidas
PREGUNTAS, COMENTARIOS, RESPUESTAS
Escuela de cinesiología, Universidad de Ottawa, Ottawa, Ontario
Castor canadiense en invierno, Gatineau Park, Gatineau, Quebec
FINIS
Muchas Gracias