Curso de Fisioterapia Disciplina de Biofísica Prof. Valnir de Paula Biomecânica

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1 Curso de Fisioterapia Disciplina de Biofísica Prof. Valnir de Paula Biomecânica

2 Introdução MECÂNICA é o ramo da Física que estuda o movimento dos corpos do Universo, ou seja, como eles mudam de posição, no decorrer do tempo, com relação a um sistema de referência pré determinado. A BIOMECÂNICA é o estudo da mecânica dos organismos vivos. É o estudo da estrutura e da função dos sistemas biológicos utilizando métodos da mecânica. A Biomecânica externa estuda as forças físicas que agem sobre os corpos enquanto a biomecânica interna estuda a mecânica e os aspectos físicos e biofísicos das articulações, ossos e tecidos do corpo. 2

3 Aplicações das Leis de Newton 1ª Lei de Newton: Lei da Inércia Num sistema de referência inercial, um corpo que não está sujeito a nenhuma força externa se mantém em repouso ou se move com velocidade constante. Esta lei traduz a ideia de que existe um referencial em que o estado de movimento de um corpo isolado (não sujeito a forças) permanece inalterado, isto é, inerte. Uma força é então requerida para mudar o estado de movimento de um corpo. 3

4 Lei da Inércia Aplicações das Leis de Newton Inércia é a propriedade que os corpos têm de se manter no estado em que se encontram. Se está em repouso, quer ficar em repouso (A). Se está em movimento quer continuar naquele tipo de movimento (B). 4

5 2ª Lei de Newton (princípio fundamental da dinâmica) A mudança de movimento é proporcional à força motora imprimida, e é produzida na direção de linha reta na qual aquela força é imprimida F = m x a Aplicações das Leis de Newton a F m 5

6 Aplicações das Leis de Newton 2ª Lei de Newton (princípio fundamental da dinâmica) Nessa formulação está implícito que o efeito, a aceleração a adquirida pelo corpo, está diretamente relacionado à sua causa, que é a força F, através da massa m. Pode-se usar esta equação para se determinar as forças a partir das acelerações observadas. Lesões provocadas por aceleração ou desaceleração são causadas pela transferência da energia necessária para mover um corpo em repouso ou pará-lo quando em movimento. 6

7 Aplicações das Leis de Newton 3ª Lei de Newton: Ação e Reação As ações mútuas entre dois corpos são sempre iguais e contrárias, isto é, a cada ação corresponde uma reação igual e oposta. Esta lei relaciona as forças de interação entre dois corpos quaisquer F 12 = - F 21 É importante notar que as forças estão agindo em corpos diferentes, isto é, F 12 é a ação do corpo 1 sobre o corpo 2, enquanto que F 21 é a reação do corpo 2 sobre o corpo 1. F F 12 7

8 Aplicações das Leis de Newton Aplicação da 3ª Lei de Newton A corrida é uma atividade de alto impacto, se comparada à caminhada. Estudos mostram que durante a corrida, a força de reação do solo é de 2 a 3 vezes o peso corporal, o que significa que ao correr, uma pessoa de 70 kg pode receber impacto de cerca de 200 kg a cada passada. No basquetebol essa força ultrapassa 5 vezes o peso corporal; No salto em altura, 11 vezes; No salto triplo, a força de reação do solo pode passar de 20 vezes o peso corporal. Isso quer dizer que um atleta com os mesmos 70 kg receberia um impacto de 1400 kg. Impacto articular 8

9 Força gravitacional Um exemplo de como uma força está relacionada às suas causas (origens) pode ser visto na lei universal de gravitação. Essa lei afirma que um corpo de massa M em presença de outro de massa m, a uma distância d, está sujeito a uma força atrativa. 9

10 Efeitos da Gravidade no Corpo Humano Um dos importantes efeitos médicos da força gravitacional é a formação de veias varicosas nas pernas quando o sangue venoso viaja contra a força da gravidade no seu caminho de volta ao coração. A bomba plantar Cada vez que pisamos o sangue acumulado nos pés é bombeado para cima. Por isto é tão importante caminhar. A bomba muscular da panturrilha A contração dos músculos da perna também serve de bomba para o retorno venoso. 10

11 Centro de Massa (centro de gravidade) Centro de massa de um corpo é o ponto médio de toda a massa que o constitui. O centro de massa não precisa coincidir com o centro geométrico (centróide). Na verdade, nem ao menos precisa estar dentro do corpo. Na figura, o pássaro está apoiado apenas pelo bico (centro de massa), com o restante do corpo suspenso, em equilíbrio. 11

12 Centro de Gravidade Existe, em todos os corpos, um único ponto em relação ao qual o torque de sua força peso é sempre nulo. Tal ponto é conhecido como centro de gravidade (CG) do corpo. Uma consequência imediata é o fato de que o ponto de aplicação da força peso resultante sobre o corpo é o centro de gravidade. 12

13 Centro de Gravidade Na gestação, o desvio do CG é um fator que contribui para o aumento da dor na coluna, presente em cerca de 90% das mulheres grávidas. À medida que a barriga cresce, o centro de gravidade é alterado e a curvatura da coluna costuma se acentuar cada vez mais. 13

14 Condições de Equilíbrio Estático Um corpo submetido à ação de forças pode estar em repouso, em movimento de translação ou de rotação. Se o corpo estiver em movimento sem rotação, a soma dos torques produzidos por todas as forças externas em relação a um ponto qualquer deve ser nula. Diz-se que o corpo está em equilíbrio estático se a soma das forças externas e de seus torques forem nulas. 14

15 Forças de Tração (ou Tensão) Um corpo sob a ação de duas forças opostas de igual intensidade que o puxam se mantém em repouso. Diz-se que o corpo está sob a ação de forças de tração. F 1 = F 2 Uma corda flexível, tal como um tendão, pode ser usada para mudar a direção de uma força sem mudar sua intensidade. 15

16 Forças de Tração Este fato é de grande importância em biomecânica, onde tendões são usados para mudar a direção da força de um músculo. Estes tendões passam por ossos ao invés de roldanas. No corpo, fluidos lubrificantes reduzem praticamente a zero o atrito entre o tendão e o osso. O tendão do músculo quadríceps da coxa muda a direção da força ao contornar a patela e se inserir na tíbia. 16

17 Forças de Tração Tração Cervical É uma técnica usada pela fisioterapia para proporcionar alívio da dor e melhorar o movimento. O tracionamento suave estende o pescoço e possibilita a abertura dos espaços entre as vértebras cervicais e alivia temporariamente a pressão sobre os discos afetados. A tração cervical pode ser feita de forma contínua ou intermitente, alternando entre curtos períodos de descanso.

18 Forças de Compressão Um corpo comprimido por duas forças opostas de igual intensidade se mantém em repouso. Entretanto, essa situação é diferente daquela em que esse corpo está em repouso, sem sofrer ação de nenhuma força. Diz-se então que o corpo está sob a ação de forças de compressão. Dependendo da natureza do corpo e da intensidade dessas forças podem ocorrer deformações ou rupturas em sua estrutura. 18

19 Princípio de Arquimedes (Forças de Empuxo) Um corpo, ao ser mergulhado em um líquido, tem seu peso diminuído, chegando às vezes a ser totalmente anulado quando o corpo flutua. Este fenômeno ocorre devido a uma força que atua de baixo para cima, aplicada pelo líquido sobre o corpo, sempre que este é mergulhado. Essa força, chamada EMPUXO, possui intensidade igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo. 19

20 Princípio de Arquimedes (Forças de Empuxo) A intensidade do empuxo (E) é igual ao produto da densidade do fluido (d F ) vezes o volume de fluido deslocado (V D ) vezes a aceleração da gravidade local (g). E = df.vd.g 20

21 Princípio de Arquimedes (Forças de Empuxo) Se P > E, A resultante dessas forças estará dirigida para baixo e o corpo irá afundar. Neste caso a densidade do corpo é maior que a do líquido. E = df.vd.g 21

22 Princípio de Arquimedes (Forças de Empuxo) Se o peso do corpo for igual ao empuxo (P=E), a resultante destas forças será nula e o corpo permanece em repouso no local que foi abandonado. Sua densidade é igual a do líquido. Se um submarino está em repouso no meio da água temos seu peso igual ao empuxo sendo a densidade média do submarino igual a densidade da água do mar. E = df.vd.g 22

23 Princípio de Arquimedes (Forças de Empuxo) Se P < E, a resultante está dirigida para cima, fazendo o corpo ir para a superfície do líquido. Ao emergir o corpo passa a deslocar menor volume de líquido e o empuxo sobre ele torna-se menor. No caso de um navio ele ficará em equilíbrio parcialmente mergulhado na água, fazendo com que o empuxo se iguale ao peso. A densidade do corpo é menor que a do líquido. Você já deve ter ouvido falar que, no mar Morto, no oriente médio, uma pessoa pode flutuar facilmente, com parte de seu corpo fora da água. Qual é a propriedade desta água que torna isto possível? E = df.vd.g 23

24 Princípio de Arquimedes (Forças de Empuxo) Forças de Empuxo na Hidroterapia A atividade física em piscina é amplamente empregada para diversas finalidades e com excelentes resultados em praticamente todas as áreas da medicina física e reabilitação. Com o corpo parcialmente submerso, há diminuição da pressão intra-articular, principalmente das articulações de suporte como quadril, joelho e coluna vertebral, facilitando a movimentação e a nutrição articular. 24

25 Princípio de Arquimedes (Forças de Empuxo) Forças de Empuxo A Hidroterapia A Hidroterapia atua na redução da atividade dos músculos antigravitacionais, diminuindo a tensão e o espasmo muscular. O efeito do empuxo auxilia a postura ortostática em pacientes cujos músculos e ou articulações não suportam o seu peso corporal. O empuxo oferece também, resistência ou assistência ao movimento, quando os objetivos são o fortalecimento, a resistência muscular e as amplitudes de movimento. 25

26 Vetores Algumas grandezas físicas exigem, para a sua perfeita caracterização, apenas um valor numérico acompanhado de uma unidade. Essas grandezas são denominadas grandezas escalares. Assim, grandezas físicas, como massa, comprimento, tempo, temperatura, etc., são classificadas como grandezas escalares. Por outro lado, existem grandezas físicas que, para a sua perfeita caracterização, exigem, além do valor numérico acompanhado da unidade, uma direção e sentido. Tais grandezas recebem o nome de grandezas vetoriais. Como exemplo de grandezas vetoriais podemos citar: força, impulso, quantidade de movimento, velocidade, aceleração e muitas outras. 26

27 Regra das Componentes Vetoriais Todo vetor a, em um plano, pode ser representado por dois outros vetores, chamados componentes retangulares. Dado um vetor a e duas direções de referência OX e OY, determinamos as componentes retangulares do vetor a através das projeções perpendiculares da origem O e da extremidade do vetor nas direções dadas: F1 O vetor a pode ser representado pelas suas componentes retangulares a x e a y sendo válida a relação a = a x + a y 27

28 Aplicação prática de vetores Suponha que dois músculos com uma inserção comum mas diferentes ângulos de tração se contraiam simultaneamente como mostra a figura abaixo. O ponto O representa a inserção comum dos músculos vastos lateral e medial, do quadríceps da coxa, na patela. OA - é o vetor que descreve a tração do vasto lateral OB é o vetor que descreve a tração do vasto medial F1 28

29 Aplicação prática de vetores na biomecânica do joelho A contração do quadríceps cria uma força dirigida superiormente que é suportada por uma força dirigida inferiormente oriunda do tendão patelar. A resolução dessas duas forças origina um vetor de força resultante dirigido posteriormente que causa compressão entre a patela e o fêmur. A magnitude de vetor de força resultante, e, portanto de força de compressão, é influenciada pelo ângulo de flexão do joelho e pela força de contração do quadríceps. A força de compressão é conhecida como força de reação da articulação patelofemoral (RAPF). F6 29

30 Aplicação prática de vetores na biomecânica do joelho A magnitude da força patelofemoral é afetada pelo modo de como o exercício é realizado, sendo que um aumento da flexão do joelho aumenta esta força. F6 30

31 Referências GARCIA, Eduardo Antônio Conde.Biofísica. São Paulo. Sarvier, p. BERTOLO.Biomecânica, Aplicações da Mecânica Clássica o Corpo Humano: Forças, Equilíbrio e Leis de Newton. Disponível em NORDIM, Margareta. Biomecânica Básica do Sistema Músculoesquelético. Guanabara Koogan 31