Principios de la Biomecánica: Fuerzas, Movimiento y Eficiencia en el Deporte

Segunda Ley de Newton y Dinámica de Traslación

La aceleración producida en un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza aplicada e inversamente proporcional a la masa. Esto se representa con la ecuación fundamental de la dinámica de traslación:

a = F / m

F = m * a

Para aplicar esta ecuación, se deben cumplir dos condiciones:

1. Utilizar un sistema de referencia inercial.
2. Que la masa del sistema sea constante.

Fuerza Normal y Coeficiente de Rozamiento

Fuerza normal (Fn): Es la fuerza de reacción de la superficie sobre el cuerpo y siempre es perpendicular a la superficie.

Definición del coeficiente de rozamiento: Son las fuerzas que aparecen cuando un cuerpo se mueve o intenta moverse sobre una superficie en contacto con él.

1. Coeficiente de rozamiento estático (µe = Fe/Fn): Relación entre la fuerza de rozamiento máxima que aparece antes de iniciarse el movimiento y la fuerza normal perpendicular al desplazamiento.
2. Coeficiente de rozamiento cinético (µc = Fc/Fn): Relación entre la fuerza de rozamiento provocada por el contacto de un cuerpo sobre una superficie, una vez iniciado el movimiento, y la fuerza normal perpendicular al desplazamiento.
3. Coeficiente de rozamiento por rodadura (µr = Fr/Fn): Relación entre la fuerza de rozamiento que aparece cuando un cuerpo gira sobre una superficie y la fuerza normal.

Factores que influyen en el Rozamiento por Rodadura

1. Peso del sistema: A mayor peso, mayor fuerza de rozamiento (↑ Peso => ↑ Fr).
2. Presión de la rueda: A mayor presión, menor fuerza de rozamiento (↑ Presión => ↓ Fr).
3. Diámetro de la rueda: A mayor diámetro, menor fuerza de rozamiento (↑ Diámetro => ↓ Fr).
4. Sección transversal de la rueda: A mayor sección, mayor fuerza de rozamiento (↑ Sección => ↑ Fr).
5. Coeficientes de rozamiento estático y cinético: Deben tener un valor adecuado para que µr no sea muy grande y evitar la deformación excesiva de la rueda.

Principio de Conservación de la Cantidad de Movimiento

En ausencia de fuerzas externas, la cantidad de movimiento total de un sistema permanece constante.

Ʃ Fext = 0 → c = constante

Esto se deduce de la Segunda Ley de Newton (F = dc/dt). Si Ʃ Fext = 0 → dc/dt = 0 → c = constante.

Impulso Angular

El impulso angular explica la salida de tacos en carreras de velocidad. En estas carreras, se busca acelerar rápidamente el centro de gravedad (CG) en la dirección del movimiento, aplicando fuerzas contra el suelo.

Densidad

La densidad es la relación entre la masa y el volumen de un cuerpo o fluido. El de menor densidad flota y el de mayor densidad se hunde.

Fuerza de Arrastre Superficial o Viscosa

Se debe al rozamiento del fluido con la superficie del sólido, reduciendo su velocidad. El coeficiente de viscosidad de un fluido está relacionado con la temperatura: al aumentar la temperatura del agua, disminuye el coeficiente de viscosidad.

Fuerza de Sustentación

La fuerza de sustentación se produce por la diferencia de presión desarrollada por el fluido entre la parte superior e inferior de un sólido en movimiento. Siempre es perpendicular a la dirección del desplazamiento del sistema.

Variables Relevantes en Biomecánica

1. Informan de los intercambios de energía que causan los movimientos.
2. Ayudan a valorar la eficiencia de la ejecución de un gesto deportivo.
3. Explican la interrelación entre los segmentos corporales durante la ejecución de un gesto deportivo.

Concepto de Trabajo (W)

Se define como el producto escalar de una fuerza por el vector desplazamiento que origina la fuerza:

W = F͐ · r͐ = F · r · cos Ơ

Su unidad de medida en el sistema internacional es el Julio (J) = N (F) · m (r).

Tipos de Trabajo (W)

1. W máximo: La fuerza actúa en la misma dirección del desplazamiento (Ơ = 0). W = F · r · (cos 0 = 1) = F · r
2. W nulo: La fuerza es perpendicular al desplazamiento (Ơ = 90º). W = F · r · (cos 90º = 0) = 0
3. W negativo: Rozamiento de un sistema por otro. W = F · r · (cos Ơ = -1) = W -

Para que exista trabajo (W), debe haber un desplazamiento, y el ángulo entre la fuerza y el desplazamiento no puede ser de 90º.

Energía (E)

Es una medida del estado de un cuerpo en un instante determinado, caracterizada por la posibilidad de realizar un trabajo (W). Su unidad de medida es el Julio (J).

Tipos de Energía (E)

1. Energía cinética: Depende del estado de movimiento de un cuerpo. Puede ser:

• Energía cinética de traslación: ECT = ½ · m · v²
• Energía cinética de rotación: ECR = ½ · I · ω²

Energía potencial: Depende de la posición (altura) que ocupa un cuerpo. Ep = m · g · h Energía mecánica: Engloba la energía cinética (Ec) y la energía potencial (Ep). Se utiliza para conocer el estado energético de un cuerpo y definir la ley de conservación de la energía. Em = Ec + Ep

Eficiencia Mecánica

La eficiencia mecánica se identifica como la relación entre la energía química y la energía mecánica en el organismo.

Causas que Reducen la Eficiencia Mecánica

1. Contracción muscular: Contracciones simultáneas de músculos agonistas y antagonistas, oponiéndose al movimiento. La forma más eficiente de moverse es relajando los músculos antagonistas.
2. Contracciones isométricas en contra de la gravedad: No cambian la longitud del músculo, pero aumentan el gasto metabólico. En algunas patologías, los movimientos lentos prolongan los periodos de contracción isométrica, aumentando el consumo de energía.
3. Generación de energía en una articulación y absorción en otra (más habitual): Grupos musculares generan trabajo positivo mientras otros realizan trabajo negativo. Ejemplo: marcha o carrera.
4. Movimientos discontinuos o robóticos: Aceleraciones y desaceleraciones continuas aumentan el trabajo metabólico muscular (WMRM). La eficiencia se consigue con movimientos armónicos a velocidad constante.