historiaBiomecânica2023

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HISTÓRIA DA BIOMECÂNICA
Luis Mochizuki
Professor de Biomecânica e Controle Motor
Escola de Artes, Ciências e Humanidades USP
mochi@usp.br @mochizukil
We see more and farther than our predecessors, not because we have keener vision or greater height, but because we are lifted up and borne aloft on their gigantic stature
BERNARD OF CHARTRES (1080 - 1167)
Enxergamos mais e mais distante que nossos predecessores, não porque temos a visão mais aguçada ou somos mais altos, mas porque estamos elevados e apoiados na estatura gigante deles
BERNARD de CHARTRES (1080 - 1167)
If i have seen further, it is by standing on the shoulders of giants
Em 1675, Isaac Newton escreveu uma carta para Robert Hooke
Se enxerguei mais longe foi porque estava sobre ombros de gigantes
Em 1675, Isaac Newton escreveu uma carta para Robert Hooke
No natural phenomena can be understood without carefully considering how it emerged
Bernstein NA. On dexterity and its development 1996
Nenhum fenômeno natural pode ser entendido sem cuidadosamente considerar como emergiu
Bernstein NA. On dexterity and its development 1996
A história da Biomecânica
Quais perguntas podem ajudar a organizer a história da Biomecânica?
O caminho histórico da Biomecânica
Qual é a origem das doenças? 
Como os movimentos são organizados?
O caminho histórico da Biomecânica
Qual é a origem das doenças
Como os movimentos são organizados?
Fase humoral
Iatroquímica
Fase orgânica
Iatrofísica: Fisiologia e Biomecânica
 
Controle define coordenação: Problema de Carlos V
Coordenação define controle: Problema de Bernstein
As partes definem o todo
O todo define as partes
Por que estudar o movimento?
Expressão da natureza
Melhorar o trabalho
Melhorar o desempenho
geometria e as leis naturais
Instrumentos
Esporte e reabilitação
A origem das doenças
Fase humoral 
Idade Antiga e Idade Média
Fase orgânica 
Séculos XV e XVI
Teoria humoral
Equilíbrio entre 4 humores (sangue, fleuma, bilis amarela e negra) define o equilíbrio saúde-doença
Representante: Galeno
Anatomia de Galeno
De usu partium corporis humani
De anatomicis administrationibus
Idade Antiga
The Edwin Smith Surgical Papyrus (3000-2500 AC)
Euclides de Alexandria
Pai da Geometria
Geometria euclidiana (retas paralelas, ângulos retos, círculos)
Axiomas e postulados (Ex: Duas coisas iguais a uma terceira são iguais entre si) 
Aristóteles (384 - 322 AC)
Pai da Cinesiologia
não realizou experimentos
Função da ciência
Explicar a natureza - Matemática como instrumento.
1a descrição científica da função e ação de músculos, ossos e do movimento. 
De Motu Animalium & 
De Incessu Animalium 
ARISTOTELES (384 – 322 AC)
De Motu Animalium & 
De Incessu Animalium 
Aristoteles (384 – 322 aC)
Sobre o movimento dos animais
Sobre a locomoção dos animais
“o animal que se move faz sua mudança de posição pressionando contra o que está embaixo dele... Assim, os atletas saltam mais longe se carregarem pesos nas mãos do que em caso contrário e os corredores são mais velozes se balançarem os membros superiores pois na extensão destes há uma espécie de apoio sobre as mãos” (esboço sobre as forças de reação).
Todo movimento depende da ação de um agente motor. 
Movimento é o resultado da ação dos pneumas transmitidos do coração para o corpo
Um corpo mais leve demora mais para cair que um corpo mais pesado
ARQUIMEDES (287 – 212 AC)
Verdade ou lenda?
Coroa de ouro do rei Hierão II ou 
o maior navio (Siracusia) da Antiguidade para proteger a cidade de Siracusa
Idade Antiga
Grécia: Aristóteles
A alma é o motor fundamental do movimento
Coordenação é sinônimo de harmonia, que ocorre com naturalidade
Grécia: Arquimedes
Empuxo: definiu
Alavanca: explicou
Galeno (129 – 217 DC): a doença só pode ser entendida se o médico souber como o corpo funciona
Império Romano: Galeno
Os movimentos são realizados por pares de músculos (agonista/antagonista)
Os nervos transmitem o espírito animal para os músculos se moverem
Os órgãos funcionam por causa da presença de uma força interna em suas paredes
Por cerca de 1300 anos, estudar medicina foi estudar Galeno
Organizou a noção dos humores e os associou com a presença e ausência de doenças
Estudar o corpo é descobrir o plano divino destinado a cada órgão, mas essa plano divino não é responsável pela doença
Legado da Antiguidade
Anatomia
Geometria
Matemática
Mecânica
Teoria Humoral
Fim da Idade Média
Revisão dos conceitos da anatomia de Galeno
São Tomás de Aquino estuda as obras de Arquimedes e favorece a emergência do humanismo
Curiosidade: Tratado sobre a Gratidão – reconhecer, agradecer e retribuir: obrigado ou gratidão
Idade Moderna
Renascentismo (Séc XIV, XV E XVI)
Humanismo
Fase orgânica no estudo das doenças
Idade Moderna, Renascentismo e Humanisno
Leonardo da Vinci (1452 – 1519)
Andreas Vesalius (1514 – 1564
Galileo Galilei (1564 – 1642) 
Leonardo da Vinci
Curiosidade:
Mona Lisa só se tornou famosa depois de ter sido roubada em 1911 
Leonardo da Vinci
Desenvolvimento da mecânica: paralelogramo de forças; atrito; fundamentos das forças de reação.
Análise mecânica das estruturas anatômicas;
Descreveu a mecânica do corpo na posição ereta, andar, no salto e na elevação a partir de posição sentada.
Estudos anatômicos: arte + ciência (descrição da origem inserção e posição de alguns músculos).
Descrição do vôo das aves: Um corpo oferece tanta resistência ao ar quanto o ar exerce sobre o corpo. 
VESALIUS
Pai da anatomia moderna
De humani corporis fabrica
Refuta a ideia que ligamentos e tendões sejam unidades nervosas
Nervos não são ocos e transmitem sensações
Estudos de crânios e início da antropometria 
VESALIUS
Curiosidade
Grande desenvolvimento da anatomia a partir da possibilidade de dissecar cadáveres de criminosos executados 
GALILEO GALILEI 
“De Animaliam Motibus”: 
biomecânica do salto humano
análise da marcha de cavalos e insetos
Andar como um pêndulo
Alometria: Estrutura e função dos biomateriais
Fundamentos de mecânica na formulação das leis de Newton
Criticou Aristóteles: “Dois corpos, caindo a uma só tempo de alturas iguais, tocarão o solo no mesmo instante, apesar da diferença de peso”.
GALILEO GALILEI (1564 - 1642) 
Pai da Biomecânica (Ascenzi, 1993) 
Curiosidades
A trajetória de um projétil por um meio sem resistência é uma parábola
Descobriu que o período de oscilação de um pêndulo não dependia de sua amplitude. 
No final de sua vida aos 77, em 1641, cego, Galileo observou a possibilidade de usar o pêndulo como um medidor do tempo. Isso só foi aplicado aos relógios 3 décadas depois
Idade Moderna, Renascentismo e Humanisno
Redescoberta da matemática e geometria 
Renovação da anatomia, rompendo com a tradição de Galeno e a teoria humoral
Evolução da mecânica, mudando conceitos de Aristóteles
Idade Moderna e Revolução Científica
René Descartes (1596 – 1650)
Giovanni Alfonso Borelli (1608 – 1679)
Robert Boyle (1627 -1691)
Jan Swammerdam (1637 1680)
Isaac Newton (1642 – 1727)
Johannes Franc (1649-1725)
Friedrich Hoffmann (1660-1742)
DESCARTES
Discurso sobre o método
Geometria analítica e sistemas de coordenadas: plano cartesiano
Bases para o racionalismo
Método da dúvida, que vem do processo de pensar: Penso, logo existo
Borelli
Pai da Biomecânica
“De Motu Animalium” – Os animais são máquinas. Aplicou a matemática de Galileu aos problemas do movimento muscular. Os ossos são alavancas e os músculos funcionam segundo princípios matemáticos.
Nervos com material esponjoso através dos quais circulam espíritos animais (“succus nerveus”: gás dos nervos). “Espíritos enchem poros no músculos com resultante turgescência; a reação desses espíritos com substâncias nos músculos iniciava um tipo de fermentação (contração)”
BOYLE
Lei de Boyle P1V1=P2V2
Mecânica da respiração
SWAMMERDAM
Mostrou que o volumedo músculo não se altera quando o músculo se contrai
Fez os primeiros estudos sobre a atividade elétrica dos músculos
ISAAC NEWTON (1642 - 1727) 
“Principia Mathematica Philosophia Naturalis"
Teoria da gravitação.
annus mirabilis (18 meses) – descobertas na matemática, óptica, astronomia, mecânica
Principal contribuição: sintetizou a mecânica (Kepler, Galileo, Descartes “Consegui enxergar tão longe pois estive apoiado no ombro de gigantes”)
FASE ORGÂNICA DA PATOLOGIA: ROMPIMENTO COM A TEORIA HUMORAL
Estudar a anatomia do corpo para compreender as doenças
Johannes Franc (1649-1725): iatroquímica
Friedrich Hoffmann (1660-1742): iatrofísica
IDADE MODERNA E REVOLUÇÃO CIENTÍFICA
Estabelecimento dos conhecimentos de mecânica (geometria, álgebra e física) e biologia (fisiologia e anatomia) para fundamentar a iartrofísica: explicar as doenças por meio do funcionamento físico dos órgãos
Nova tradição científica: mecanismo 
IDADE MODERNA E ILUMINISMO
IDADE CONTEMPORÂNEA
Eletrofisiologia:
Luigi Galvani (1737 – 1798): Pai da neurologia
Alexander von Humboldt (1769 – 1859): Experimentos na excitação do músculo e fibra nervosa
Guillaume Duchene (1806 – 1875): eletroestimulação funcional
Emil du Bois-Reymond (1818 – 1896): eletrofisiologia animal
Idade Moderna e Iluminismo
Idade Contemporânea
Eletrofisiologia:
Curiosidade: Mary Shelley escreveu o romance Frankstein em 1818
IDADE MODERNA E ILUMINISMO
IDADE CONTEMPORÂNEA
Captação de movimentos:
EH Weber (1795 – 1878) & WE Weber (1804 – 1871) 
Eadward Muybridge (1830 – 1904)
Étienne-Jules Marey (1830 – 1904)
Braunne (1831 – 1892) & Fischer (1861 – 1917) 
MAREY
https://www.youtube.com/watch?v=q02saf_eumu
MUYBRIDGE
https://www.youtube.com/watch?v=IEqccPhsqgA
Experimento de Braune & Fischer
Análise 3D da marcha.
Antropometria: método experimental (4 cadáveres congelados, pregados na parede com espetos) para obter COG e momento de inércia (1889). 
IDADE MODERNA E ILUMINISMO
IDADE CONTEMPORÂNEA
Transição da iartrofísica para a biomecânica
Evolução das técnicas de medição
Mecanismos 
IDADE CONTEMPORÂNEA
REVOLUÇÃO INDUSTRIAL
Julius Wolff (1836 1902)
Archibald Vivian Hill (1886 - 1977)
Wallace Osgood Fenn (1893 1971)
Nikolai Bernstein (1896 1966)
Kurt Wachholder (1893 1961)
Andrew F. Huxley (1917 2012) e 
H.E. Huxley (1924 2013)
IDADE CONTEMPORÂNEA
REVOLUÇÃO INDUSTRIAL
Orientação ao trabalho
Problema de Bernstein: variabilidade do movimento
DEFINIÇÃO DO CAMINHO HISTÓRICO DA BIOMECÂNICA
Como os movimentos são organizados?
Qual é a origem das doenças? Problema: compreender a coordenação e controle no mundo mecânico
Metáfora: Problema de Carlos V
Como fazer com que uma coleção de relógios toquem juntos a cada hora?
Problema dos humores
HISTÓRIA DA BIOMECÂNICA
Luis Mochizuki
Professor de Biomecânica e Controle Motor
Escola de Artes, Ciências e Humanidades USP
mochi@usp.br @mochizukil
DEFINIÇÃO DE UM CAMINHO HISTÓRICO
Problema de Carlos:
Como uma pessoa ou cultura que se baseia na metáfora do mecanismo da máquina de Turriano e na anatomia de Vesalius pode entender propriamente a coordenação e a controle do movimento?
GRÉCIA ANTIGA E IMPÉRIO ROMANO
Relações entre o corpo (que se move) e alma (que controla o movimento)
Qual é a origem do movimento no mundo?
Como a alma comanda o corpo para se mover?
Como a alma induz o movimento corporal?
GALENO (129 – 201) 
Primeiro médico dedicado ao esporte
4 anos de práticas médicas e nutricionais dedicadas aos gladiadores.
500 tratados médicos
conhecimento do corpo humano e seu movimento.
GALENO (129 – 201) 
“De Motu Musculorum”
Os músculos são contráteis
Estudo da estrutura muscular (tipos, contração, agonista/antagonistas)
“Espíritos Animais” do cérebro, através dos nervos, para os músculos. 
Artérias
Transporte sangüíneo
Contra a dissecação de cadáveres humanos !!!! (observação + animais) 
SÉCULO XIX
O século das rãs e da fotografia
Plfuger (1829-1910)
Reflexo de coceira nas rãs decapitadas
Pavlov (1849-1936)
 comportamento e condicionamento
E.H. WEBER (1795 – 1878) & W.E. WEBER (1804 – 1871) 
Cronofotografia
 150 hipóteses sobre a marcha
 velocidade máxima da corrida é 6.5 m/s
A variabilidade durante a marcha normal é menor do que durante a corrida
O comprimento da passada é maior na corrida do que no andar, mas sua duração durante a corrida é menor
HISTÓRIA DA CIÊNCIA DO MOVIMENTO
Busca sistemática para resolver o Problema de Carlos
SÉCULO XX
Qual é o papel dos impulsos neurais?
Pavlov – movimento construído por reflexos, movimentos controlados pela alma
Bernstein – o movimento é dirigido pelo ambiente por meio das interações mecânicas e pelas informações sensoriais
HILL (1886 - 1977) 
Estudou a produção de calor do músculo: Nobel -1923
Estrutura e função muscular (contração e Consumo de oxigênio). 
ARCHIBALD VIVIAN HILL, 1965
“The simplicity of the visco-elastic theory , and accuracy with which it fitted many facts, bewitched me (and several of my colleagues) too long.”
A.F. HUXLEY (1917) E H.E. HUXLEY (1924) 
Ultra estrutura muscular e fisiologia do músculo estriado.
BERNSTEIN (1896 - 1966) 
Coordenação e regulação do movimento em crianças e adultos.
Sinergias musculares para controlar o movimento
Problema de Bernstein - problema dos graus de liberdade 
HISTÓRIA DA CIÊNCIA DO MOVIMENTO
Importantes marcos do século XX
Carlos V – controlar os relógios para coordená-los
Bernstein – coordenação precede controle
Modelo estocástico do futuro necessário
HISTÓRIA DA CIÊNCIA DO MOVIMENTO
Importantes marcos do século XX
Planck – propriedades macroscópicas emergem do microscópico
HISTÓRIA DA CIÊNCIA DO MOVIMENTO
Importantes marcos do século XX
Sinergética é um campo interdisciplinar de pesquisa fundado por Hermann Haken em 1969.
Lida com sistemas complexos que são compostos por muitas partes individuais que se interagem e são capazes de produzir estruturas funcionais, temporais ou espaciais pela auto-organização. 
busca por princípios gerais que governam a auto-organização em relação a natureza das partes individuais do sistema.
THE PROBLEM OF INTERRELATIONS BETWEEN COORDINATION AND LOCALIZATION, 1935
Nem o controle central ou interações periféricas podem gerar sozinhas os padrões normais ou patológicos do movimento.
Como decompor o movimento para que sua organização seja revelada , enquanto sua integridade seja preservada?
A MARCHA HUMANA É UMA MARAVILHA BIOMECÂNICA
Braune & Fischer
Análise analítica da marcha
Construção de novos instrumentos
Muitos cálculos
Teste rigoroso da hipótese dos irmãos Weber:
O movimento da perna de balanço reproduz o movimento de um pêndulo
Gravidade é força que dirige o movimento da perna
A MARCHA HUMANA É UMA MARAVILHA BIOMECÂNICA
Ernst, Wilhelm e Eduard, os Irmãos Weber :
150 hipóteses sobre a marcha
 velocidade máxima da corrida é 6.5 m/s
A variabilidade durante a marcha normal é menor do que durante a corrida
O comprimento da passada é maior na corrida do que no andar, mas sua duração durante a corrida é menor
A MARCHA HUMANA É UMA MARAVILHA BIOMECÂNICA
Cavanagh (1990)
uma mistura de certo, errado e talvez
Significância dos irmãos Weber “não está no fato de o que eles disseram, mas do fato que eles disseram”
A ABORDAGEM DE BRAUNE E FISCHER (1895-1904)
Calcularam os torques atuando na coxa, perna e pé
Muscular, gravitacional e forças efetivas (forças externas resultantes)
Subtraindo os componentes associados à gravidade, mostraram que muito torque havia sido gerado internamente
Geraram padrões de atividade muscular
AS DESCOBERTAS DE BRAUNE E FISCHER
Os pilares em que os irmãos Weber construíram sua teoria foram abalados
O conceito da teoria do pêndulo não pode ser verdadeira, ou mesmo aproximada
Muito do discutido sobre a teoria do pêndulo dos irmãos Weber é errônea
WALLACE OSGOOD FENN
Publicou 267 artigos entre 1916 e 1972
Antes de Fenn:
Músculos se comportam como elásticos. Quandoum elásticos é alongado, ele guarda uma certa quantidade de energia potencial.
Quando o elásticos é solto, parte da energia potencial é gasta na produção de trabalho mecânico e o resto é dissipado na forma de calor.
A quantidade de energia do elástico é mantida constante. Assim, no elástico, a maior quantidade de trabalho realizado, menor a quantidade de calor produzido. 
WALLACE OSGOOD FENN
Quantidade de calor aumenta quando o músculo é encurtado
Produção extra de calor é proporcional ao trabalho externo produzido pelo músculo, que é o oposto observado no elástico
WALLACE OSGOOD FENN
Encurtamento do músculo é um processo ativo que requer o suprimento de energia
Músculos não são similares aos elásticos pré-alongados que encurtam passivamente.
Este é conhecido como efeito Fenn (Fenn, 1930) 
PRINCIPAIS APONTAMENTOS
As pernas se movem como pêndulos durante a marcha e a corrida?
Não, porque os pêndulos são sistemas conservativos. Nas pernas, a energia cinética é muito maior que a sua energia potencial.
PRINCIPAIS APONTAMENTOS
Qual é o papel da viscosidade no músculo?
“O fato que o músculo se encurtar mais lentamente não é por causa da viscosidade, mas da forma que a liberação de energia é regulada.” Hill (1938)
PRINCIPAIS APONTAMENTOS
O músculo exibe um comportamento elástico?
Se a transformação de energia é o ponto: não.
HILL (1922)
Resistência muscular interna por causa da viscosidade foi responsável pela dissipação de parte da energia elástica produzida pelo músculo quando este é encurtado lentamente
Teoria da viscosidade muscular permite prever a eficiência mecânica muscular e a velocidade de contração na qual a eficiência é máxima
Eficiência mecânica dos músculos é a taxa do trabalho realizado pela energia liberada
Roda de inércia
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