Dinámica y Fuerza: Interacción en Sistemas (Biodinámica)

La dinámica es parte de la mecánica que estudia las fuerzas en relación con el movimiento que producen.

Concepto de Fuerza

La fuerza es todo agente externo capaz de modificar el estado de movimiento, el equilibrio o la forma de los cuerpos. Se mide en Newtons (N). Un Newton es la fuerza que, aplicada sobre una masa de 1 kg, la acelera a 1 m/s².

Tipos de Fuerza

• Fuerza por contacto: Ocurre al empujar o jalar un cuerpo.
• Fuerza a distancia: Incluye la fuerza de la gravedad y la fuerza nuclear.
• Fuerza gravitatoria: Aquella producida entre las masas de dos cuerpos. Es una fuerza de atracción y es la más débil.
• Fuerza electromagnética: Es la interacción que se da entre partículas cargadas eléctricamente.

Leyes del Movimiento de Newton

También conocidas como Leyes del movimiento de Newton, son tres principios a partir de los cuales se explican la mayor parte de los problemas planteados por la dinámica, en particular aquellos relativos al movimiento de los cuerpos.

1. Primera Ley (Inercia): Todo cuerpo permanece en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que otros cuerpos actúen sobre él.
2. Segunda Ley (F = m · a): La fuerza que actúa sobre un cuerpo es directamente proporcional a su aceleración. La aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta actuando sobre él, e inversamente proporcional a la masa del objeto.
3. Tercera Ley (Acción y Reacción): Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, este ejerce sobre el primero una fuerza igual y de sentido opuesto.

Conceptos Fundamentales de la Dinámica

Peso y Masa

• Peso: Fuerza con la que el planeta atrae a los cuerpos. Se mide con el dinamómetro.
• Masa: Es la cantidad de materia que tiene un cuerpo. Mide la inercia de un cuerpo. Se mide con una balanza.

Fuerza de Rozamiento (Fricción)

• El rozamiento o fricción es la oposición que presenta una superficie para que un cuerpo se desplace sobre ella.
• La fuerza de rozamiento que actúa sobre el cuerpo siempre es de sentido opuesto al movimiento o posible movimiento del cuerpo.

Cuerpo Rígido I (Biomecánica I)

La Biomecánica estudia, por ejemplo, la locomoción, el vuelo, la natación, el equilibrio anatómico, la mecánica de los fluidos corporales, la fabricación de prótesis móviles, etc.

• Las articulaciones mantienen unidos a los segmentos corporales.
• La interacción lleva consigo la acción de fuerzas.
• Es la fuerza ejercida por los músculos que controlan la postura.

Fuerza Muscular (FM)

Es la fuerza ejercida por los músculos que controlan la postura y el movimiento de los animales. Los músculos son la masa orgánica que rodea al esqueleto y recubre y protege diversas vísceras.

El conjunto de los huesos y las articulaciones que forman el esqueleto constituye la estructura básica que hace posible los movimientos. Sin embargo, estos no tienen lugar hasta que los músculos no se contraen o se relajan.

La fuerza máxima que puede ejercer un músculo depende del área de su sección transversal, y en el hombre es de unos 3 a 4 kgf/cm². Esto es, para producir una fuerza muscular (FM) de 60 kgf se necesita un músculo con una sección transversal de 15 o 20 cm².

Fuerzas de Compresión

La magnitud C de la compresión es igual a la magnitud de una u otra de las fuerzas que actúan sobre él, es decir, C = F₁ = F₂.

Fuerzas de Tensión o Tracción

En este caso se dice que el cuerpo está en un estado de tensión o tracción, y la magnitud T de la tensión es igual de nuevo a la magnitud de una u otra de las fuerzas que actúan sobre él (T = F₁ = F₂).

Estudio Biomecánico del Cuerpo Humano

Consiste en analizar las fuerzas actuantes en los músculos, huesos y articulaciones, que permitan comprender la aplicación de las leyes físicas en el movimiento y equilibrio en el hombre.

Elementos Estructurales Clave

• El esqueleto es el elemento estructural básico que permite que el cuerpo humano adquiera la forma que presenta y realice las funciones que lleva a cabo.
• Las articulaciones son las uniones de un hueso u órgano esquelético con otro. Ejemplos: codo, rodilla, tobillo, etc.
• Los músculos son transductores (es decir, traductores) que convierten la energía química en energía eléctrica, energía térmica y/o energía mecánica útil. Aparecen en diferentes formas y tamaños, difieren en las fuerzas que pueden ejercer y en la velocidad de su acción; además, sus propiedades cambian con la edad de la persona, su medio ambiente y la actividad que desarrolla.

Funcionamiento Muscular

• Los músculos son la masa orgánica que rodea al esqueleto y recubre y protege diversas vísceras. Para su funcionamiento necesitan energía, y esta procede de los alimentos y llega en forma de compuestos orgánicos a través de la sangre.
• El conjunto de los huesos y las articulaciones que forman el esqueleto constituye la estructura básica que hace posible los movimientos. Sin embargo, estos no tienen lugar hasta que los músculos no se contraen o se relajan.

Diagrama de Cuerpo Libre (DCL)

Es aquel diagrama donde aparece un cuerpo aislado imaginariamente del sistema, graficándose sobre él todas las fuerzas externas que actúan sobre dicho cuerpo. Para hacer un DCL se debe tener en cuenta que no debe graficarse ninguna fuerza a menos que haya un cuerpo que la ejerza. Se cumple asimismo que el número de fuerzas que actúan sobre un cuerpo es igual al número de cuerpos que interactúan.

Ejemplo de Fuerzas en un DCL

• FM: Fuerza muscular ejercida por el bíceps para sujetar la esfera, el antebrazo y la mano.
• FC: Fuerza de contacto ejercida en la articulación del codo.
• g: Fuerza de la gravedad ejercida por la Tierra sobre el antebrazo y la mano.
• P: Peso de la esfera (o fuerza de la gravedad ejercida sobre la esfera).

Cuerpo Rígido II (Biomecánica II)

Leyes de Newton Referidas al Equilibrio

Estas leyes son de aplicación universal y nos permiten entender la función de los músculos que mantienen la postura del cuerpo.

Palancas

Una palanca es una barra rígida que puede girar alrededor de un punto de apoyo llamado fulcro.

Tipos de Palancas según la posición del fulcro

• Primer género: El fulcro está entre la fuerza motriz y la resistencia.
• Segundo género: La resistencia está entre el fulcro y la fuerza motriz.
• Tercer género: La fuerza motriz está entre el fulcro y la resistencia.

Poleas

Una polea es una rueda con un canal en su contorno por el que pasa una cuerda o una cadena. La rueda gira alrededor de su eje sin deslizarse.

Tipos Representativos de Poleas

• Polea simple: La fuerza aplicada es igual a la fuerza a vencer, pero el cambio de dirección facilita la tarea.
• Polea móvil: Se desplaza verticalmente y la fuerza que hay que aplicar para levantar un peso es igual a la mitad de este.
• Polipasto: Es una asociación de poleas; cada polea móvil utilizada reduce la resistencia a la mitad.

Torque (Momento de una Fuerza)

El torque, también denominado momento de una fuerza, es una cantidad vectorial que mide el efecto de rotación debido a una fuerza que actúa sobre un cuerpo respecto a un punto o eje de dicho cuerpo. La magnitud del torque está dada por la siguiente ecuación: T = F · d

Donde F = magnitud de la fuerza, y d = distancia perpendicular o brazo de palanca.

Equilibrio

Es aquel estado mecánico que presentan los cuerpos o sistemas cuando se hallan en reposo o tienen movimiento rectilíneo uniforme (aceleración igual a 0), respecto a un sistema de referencia inercial (sistema sin aceleración).

Equilibrio de Cuerpos Rígidos

Un cuerpo rígido se halla en equilibrio cuando se cumplen las dos condiciones de equilibrio:

1. 1ª Condición de Equilibrio: La fuerza resultante sobre el cuerpo es igual a cero (Fr = 0).
2. 2ª Condición de Equilibrio: El torque resultante sobre el cuerpo con respecto a cualquier punto es igual a cero (Tr = 0).

Equilibrio Estable

Un cuerpo se halla en equilibrio estable cuando la línea de acción de la fuerza gravitatoria cae sobre la base de soporte. Los seres humanos son mucho menos estables que los mamíferos cuadrúpedos.