Biomecânica das Articulações Humanas As articulações efectuam a junção entre dois ou mais ossos do esqueleto humano. As suas principais funções incluem: Permitir ou inibir o movimento numa dada direcção. Transmitir forças de um osso para outro(s). O corpo humano possui mais de 200 articulações, o que faz com que estes elementos tenham um papel determinante na sua capacidade de movimento e locomoção. As articulações são feitas de tecidos vários, estando muito bem projectadas para o desempenho da sua função. Ao contrário do seu equivalente mecânico - que avaria com alguma frequência - as articulações funcionam por vezes em situações extremas e em média durante 70 anos sem patologias de maior. A anatomia de uma articulação saudável pouco varia de pessoa para pessoa, no entanto diferenças na espessura relativa dos tecidos moles envolventes podem resultar em diferenças significativas na amplitude do movimento entre diferentes pessoas. -56-
Classificação de Articulações No corpo humano e na grande maioria dos ser vivos vertebrados, existem 3 principais tipos de articulações: Sinartroses (articulações fixas). Anfiartroses (articulações de reduzida mobilidade). Diartroses ou Sinoviais (articulações de grande mobilidade): Enartroses. Condilartroses. Trocleartroses. Artrodias ou artroses. Sinartroses Cranianas (Suturas) Anfiartroses Vertebrais (Discos) Diartrose da Anca -57-
Classificação de Articulações Sinartroses: São articulações fixas, desprovidas ou com muito pouco movimento, constituídas por tecidos fibrosos, cuja função é unir dois ou mais ossos. Suturas Cranianas Têm como função dar estabilidade estrutural, tendo a capacidade de absorver choques e vibrações, dissipando alguma energia. As Sinartroses dividem-se em: Suturas. Sindesmoses. Gonfoses. Gonfose Periodontal Ex: Suturas do crânio, sindesmose da tíbia e perónio e gonfose periodontal. Sindesmose Tíbio-Peronial -58-
Classificação de Articulações Anfiartroses: Articulações que apresentam mobilidade reduzida. Os ossos estão unidos entre si por uma fibrocartilagem cuja consistência (rigidez, histerese) permite a existência de deformação e dum certo grau de movimento (normalmente flexão) entre os segmentos ósseos. Anfiartroses Intervertebrais Têm como função dar estabilidade estrutural, tendo a capacidade de absorver choques e vibrações, dissipando alguma energia. Ex: Anfiartroses vertebrais (discos intervertebrais), sínfise pubiana. Sínfise Pubiana -59-
Classificação de Articulações Diartroses (sinoviais): Articulações que permitem uma ampla gama de movimentos e nas quais os ossos estão interligados por meio de ligamentos. Existem vários tipos de articulações sinoviais consoante a sua função e o movimento admitido (desde pequenas translações até grandes rotações) Ex: Diartrose do joelho, diartrose da anca, diartrose do ombro. Diartroses ou Articulações Sinoviais -60-
Classificação de Articulações Tipos de articulações sinoviais: Enartrose: Constituída por um segmento ósseo esférico que encaixa dentro de uma cavidade com a sua forma e portanto pode rodar em todas as direcções. Ex: Enartrose da anca. Enartrose da Anca Condilartrose: Constituída por um segmento ósseo arredondado ou elíptico e outro que apresenta a forma côncava recíproca. Ex: Condilartrose do cotovelo. Trocleartrose: Constituída por um segmento ósseo em forma de poleia, que apresenta uma depressão no centro e outro com uma crista que encaixa no canal da poleia. Ex: Trocleartrose do cotovelo. Condilartrose e Trocleartrose do Cotovelo Artrodia (artrose): Constituída por segmentos ósseos planos que só podem deslizar entre si. Ex: Artrodia entre o atlas e o axis. Artrodia Cervical -61-
Juntas Mecânicas de Geometria Ideal As articulações sinoviais têm estruturas extremamente complexas, sendo a sua modelação computacional complexa, morosa e por vezes desnecessária face aos objectivos primordiais da análise. De forma a simplificar e aumentar a eficiência computacional da formulação matemática, a modelação computacional de articulações biológicas é na grande maioria dos casos substituída pela utilização de juntas mecânicas de geometria ideal. Modelo Biomecânico (As Articulações Biológicas foram substituídas por Juntas Mecânicas de Geometria Ideal) Exemplos de Juntas Mecânicas de Geometria Ideal -62-
Juntas Mecânicas de Geometria Ideal Junta de Revolução: Tipo dobradiça de porta. Permite movimento de rotação em torno de uma única direcção. Junta Esférica: Tipo espelho retrovisor de automóvel. Permite movimento de rotação em qualquer direcção. Rotação livre. Junta de Revolução Junta Universal: Tipo Cardan de transmissão de veículo. Permite rotação nas duas direcções definidas pelos eixos da cruzeta. Junta de Translação: Tipo antena telescópica: Prismática: Permite translação numa dada direcção. Cilíndrica: Permite translação e a rotação das peças sobre si próprias. Junta Esférica Junta Translação (cilíndrica) Junta Translação (prismática) Junta Universal -63-
Graus de Liberdade de Corpos Rígidos: Um corpo rígido no espaço tridimensional tem no máximo 6 graus-de- -liberdade (g.d.l.) que são respectivamente 3 translações e 3 rotações. No plano, o número máximo de g.d.l. de um corpo rígido reduz-se para apenas 3, respectivamente 2 translações e 1 rotação. 3D 2D O número de g.d.l. de um sistema mecânico é calculado como sendo o número total de coordenadas subtraído do número de constrangimentos cinemáticos de junta e de corpo rígido: n c : nº de coordenadas n gdl = n c n h n h : nº de constrangimentos -64-
Graus-de-Liberdade de Juntas Cinemáticas: Uma Junta de Revolução permite apenas uma rotação entre dois corpos rígidos, i.e., restringe 5 g.d.l. (em problemas 2D restringe apenas 2 g.d.l.) Uma Junta Esférica permite apenas a existência de rotações, o que significa que elimina as translações entre os corpos que une, i.e., restringe 3 g.d.l. (em problemas 2D restringe 2 g.d.l) Uma Junta Universal é semelhante à junta esférica, mas restringe também uma rotação (dos corpos sobre o seu eixo longitudinal), assim, permite apenas 2 g.d.l., i.e., restringe 4 g.d.l. (em problemas 2D restringe 2 g.d.l.) Uma Junta de Translação: Se for prismática permite translação numa dada direcção, restringindo as 3 rotações e 2 translações, i.e., restringe 5 g.d.l. (em problemas 2D restringe 2 g.d.l). Se for cilíndrica permite também 1 rotação em torno do eixo de translação. Graus de Liberdade de Juntas Mecânicas de Geometria Ideal -65-
Exercícios Determinar para os exemplos ilustrados o número de graus-de-liberdade (g.d.l.) de cada sistema mecânico e biomecânico. Considere que os casos a) e b) são planares e que o caso c) é tridimensional, com 12 segmentos, sendo todas as juntas esféricas menos as dos joelhos e cotovelos. a) b) c) -66-