músculos

Los músculos son una máquina simple

Los músculos son ejemplos de máquinas simples.

Con una palanca, puedes aumentar la fuerza del movimiento, su velocidad o su amplitud de movimiento; pero no puedes hacer las tres cosas a la vez. Las palancas tienen que ver con compensaciones; cambias un beneficio por otro. Una palanca se compone de un punto de apoyo, un esfuerzo y una carga.

1. Fulcro: punto en el que se apoya y pivota la palanca.
2. Esfuerzo (fuerza de entrada): se caracteriza por la cantidad de trabajo que realiza el operador y se calcula como la fuerza utilizada multiplicada por la distancia sobre la que se utiliza la fuerza.
3. Carga (fuerza de salida): el objeto que se mueve o levanta; a veces se denomina resistencia.

Hay tres clases de palancas: Primera, Segunda y Tercera. En el cuerpo humano hay muy pocas palancas de primera y segunda clase.

Tres clases de palancas StudySmarter Originals

Todos los músculos esqueléticos proporcionan estabilidad y producen movimiento en el cuerpo humano actuando como fuerza o esfuerzo aplicado a las palancas de nuestros huesos, y utilizando fuerzas opuestas para conseguir una ventaja mecánica. Dicho de otro modo, los músculos mueven los huesos alrededor de las articulaciones.

Definición de par muscular

Para entender cómo se relaciona el par con los músculos, echemos un vistazo al par en sentido general. El par es una medida de cuánto hace girar un objeto una fuerza que actúa sobre él. La ecuación del par es

$$T=rf\sin\phi$$

donde \(t\) es el par, \(r\) es el radio, \(f\) es la fuerza y \(\phi\) es el ángulo entre la fuerza y el brazo.

Los músculos crean las torsiones que hacen girar nuestros miembros. Cuando un músculo se contrae, tira de su punto de unión, a lo largo de la línea de acción.

Primer plano de una mujer con el pelo rizado haciendo un curl de bíceps con una mancuerna de 1 kg que representa el esfuerzo, la carga y el punto de apoyo, adaptado de una imagen de Ivan Radic y flickr, CC by 2.0

Fuerzas y pares en músculos y articulaciones

El par muscular es la fuerza aplicada por los músculos a través de un brazo de momento. Para que haya torsión muscular, es necesaria la articulación. La articulación, cuando se encuentra en diferentes ángulos, producirá variaciones del par muscular. Como nuestros músculos sólo pueden contraerse, se presentan por pares en todo el cuerpo. En el brazo, el músculo bíceps es un flexor, es decir, cierra la extremidad. El músculo tríceps es un extensor que abre la extremidad. Esta configuración es típica de los músculos esqueléticos, los huesos y las articulaciones de los seres humanos. La razón por la que la mayoría de los músculos esqueléticos ejercen fuerzas mayores que las extremidades es que la mayoría de nuestros músculos están unidos a los huesos mediante tendones cerca de las articulaciones, lo que hace que estos sistemas tengan ventajas mecánicas.

Pares musculares

El par es crucial para el movimiento humano porque es lo que crea el movimiento en nuestras articulaciones. El brazo de momento es crucial y algunas cosas clave que hay que recordar sobre el brazo de momento son:

• A medida que el antebrazo se flexiona y se extiende, el brazo de momento cambia.
• El brazo de momento es mayor cuando el codo está a 90 grados y se reduce a medida que se flexiona y extiende fuera de esta posición (una situación similar existe para la mayoría de los músculos y las articulaciones que cruzan).
• Explica por qué los músculos son más fuertes en algunas posiciones articulares que en otras

Para profundizar en cómo se relacionan la torsión y el movimiento en el cuerpo con el movimiento cotidiano, veamos algunos ejemplos de torsión en el cuerpo humano.

Ejemplos de torsión en el cuerpo humano

Probablemente somos más conscientes de las fuerzas externas que actúan sobre el cuerpo en la vida cotidiana, como cuando chocamos contra objetos. No solemos ser conscientes de las fuerzas internas del cuerpo, como las fuerzas musculares que hacen circular la sangre. Veamos algunos ejemplos de torsión en el cuerpo humano.

Caminar:

• Al caminar, la torsión creada en la articulación de la cadera ayuda a girar la pierna.

Rotar la mano:

• La torsión que actúa en el hombro hace girar la mano alrededor del hombro.

Girar la cabeza:

• Cuando giramos la cabeza mirando de un lado a otro, hacia arriba o hacia abajo, los músculos del cuello crean torsión.

Ahora que sabemos que la torsión crea movimiento en nuestras articulaciones, veamos más de cerca el ángulo de movimiento de nuestros músculos.

Ángulo de tracción de los músculos

Cuando movemos nuestros músculos, existe un ángulo de tracción que crea fuerza o tensión en nuestros movimientos. Esto se denomina "ángulo de tracción".

El ángulo de tracción es el ángulo formado entre la línea de tracción y el músculo y el hueso en el que se inserta (ángulo hacia la articulación). Es el ángulo formado entre la línea de tracción de un músculo y el eje longitudinal del hueso en el que actúa el músculo.

Es importante recordar estos factores clave:

• Cuando hay algún grado de movimiento en la articulación, cambia el ángulo de tracción.
• Los movimientos articulares y los ángulos de inserción implican en su mayoría pequeños ángulos de tracción.
• La línea de tracción suele estar indicada por el ángulo articular.
• El ángulo de tracción afecta a la fuerza de la acción muscular; sólo en determinados ángulos de tracción puede un músculo ejercer la tensión máxima.

• Las máquinas de ejercicios de resistencia variable compensan las variaciones de tensión muscular en los distintos ángulos articulares.

El ángulo de tracción de un bíceps en la articulación mostrando los componentes de fuerza estabilizadora y rotatoria StudySmarter Originals

Puesto que el ángulo de tracción del músculo determina el tipo de movimiento en la articulación, aprendiendo dónde se origina e inserta el músculo, puedes determinar el ángulo de tracción y determinar la acción del músculo.

Hay 3 componentes principales de la fuerza en el ángulo de tracción:

• Componente rotatorio: fuerza de un músculo que contribuye al movimiento del hueso alrededor del eje articular; mayor cuando el ángulo de tracción del músculo es perpendicular al hueso (es decir, 90 grados).
• Componente estabilizador: grado de fuerzas paralelas generadas sobre la palanca (hueso y articulación) cuando el ángulo de tracción del músculo es inferior a 90 grados.
• Componente luxante: grado de fuerzas paralelas generadas en la palanca (hueso y articulación) cuando el ángulo de tracción del músculo es superior a 90 grados.

Si quieres producir el par máximo de un músculo, la articulación debe colocarse de modo que el músculo que se está trabajando tenga un ángulo de tracción de 90º sobre la extremidad.

Intentemos ahora un problema en el que calculemos el par muscular.

Ecuación del par muscular

Podemos utilizar esta ecuación para el momento de torsión de un músculo cuando las fuerzas son perpendiculares al brazo de momento:

$$T=M_{\text{Arm}}f$$

Par = Fuerza multiplicada por el brazo de momento

Paso 1:

Antes de sumar los pares, debes identificar las fuerzas que tienen un brazo de momento y pueden crear un par.

Para ello, repasa el problema, identifica cada fuerza y ponle una etiqueta para seguir el hilo de la ecuación.

Para este problema, digamos

• El peso de la mancuerna puede etiquetarse como _WD (donde D significa mancuerna).

• El peso del segmento del antebrazo/mano puede etiquetarse como_WS (donde S significa segmento).

• La fuerza muscular puede etiquetarse como_FM (donde M significa músculo).

El peso es una fuerza que siempre actúa hacia abajo. Utiliza un signo más (+) para la dirección ascendente y un signo menos (-) para la dirección descendente. Los pesos se aplican en el centro de gravedad de un cuerpo, y se indica la ubicación del centro de gravedad tanto para el segmento como para el peso de la mancuerna.

Paso 2:

Crea una tabla con los datos que utilizarás para calcular los pares, y rellena la información conocida del problema de palabras, más o menos así:

Tabla de par para problema de ejemplo StudySmarter Originals

Consejos:

Recuerda que los pesos son fuerzas negativas, y que el brazo de momento de cada fuerza está en el mismo lado del eje de la articulación del codo, así que ponlos todos como positivos.

Los brazos de momento para el peso del segmento y el peso de la mancuerna son la distancia de cada centro de gravedad desde el eje del codo porque el antebrazo/mano está en posición horizontal.

El par creado por cada fuerza se calcula como producto de la fuerza y el brazo de momento.

Las pesas (segmento y mancuerna) crean pares negativos, por lo que es importante indicar la dirección y la magnitud del par en la tabla.

Paso 3:

A continuación, utiliza la ecuación

\[\sum\,T=0\]

Para resolver el par creado por el músculo \(T_M\).

Expande la ecuación para enumerar todos los pares: \(T_M+T_D+T_S=0\).

Aísla para el par muscular desconocido:

$$T_M=T_D-T_S.$$Paso4:

Rellena los valores conocidos de la tabla que has creado antes y luego resuelve el problema: $$T_M=(-170\,\mathrm{Nm})-(-3,9\,\mathrm{Nm})=173,9\,\mathrm{Nm}$$El músculo debe crear un par de \(173,9\,\mathrm{Nm}\) que sea de dirección opuesta a los pares creados por el segmento y las pesas de las mancuernas, para evitar la aceleración angular.

Paso 5:

Calcula la fuerza muscular \((F_M)\) mediante esta ecuación: \[T_M=F_M\,\times\,M_{\text{Arm}}\]

Aísla para \(F_M\)

Reorganiza la ecuación: $$F_{mathrm M}=\frac{T_{mathrm M}}{M_{mathrm{Arm}}=\frac{173,9;\mathrm{Nm}}{0,05;\mathrm m}=3,478;\mathrm N$$

El par muscular necesario para evitar la rotación es \(3\,478\,\mathrm{N}).