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