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Manual del residente traumatologa COT 2

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con una resistencia decreciente hasta llegar a la rotura.
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7. Elementos de sistemas estructurales
En un cuerpo sometido a una solicitación simple por tracción, compresión, flexión o deslizamiento, el análisis 
mecánico es muy sencillo. Pero nos encontramos generalmente con estructuras anatómicas o con estructuras 
biológicas en reparación. En estos casos los análisis son más complejos y, también, inexactos. Por eso, cuando 
se trata de analizar estos elementos hay que estudiarlos en conjunto con diferentes técnicas o simplificarlos, 
haciendo ensayos mecánicos. Una de las técnicas más utilizadas desde hace tiempo para estudiar un elemento 
corporal es el análisis de elementos finitos; cada pequeño elemento se considera individualmente y las 
condiciones que gobiernan los requisitos de equilibrio  y compatibilidad se consideran en las uniones entre los 
elementos.
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Cualquier estructura tiene que alcanzar un equilibrio de tensiones y todos los miembros de la estructura han de ser 
compatibles, es decir, no puede haber ninguna fuerza resultante que desplace la estructura y todos los trozos 
tienen que ajustar unos con otros y permanecer ajustados. Los requisitos de un elemento particular serán 
transmitir una fuerza durante una cierta distancia sin romperse ni deformarse excesivamente. Además, es 
deseable que tenga suficiente reserva de resistencia para responder a las sobrecargas producidas por un 
accidente, etc., utilizar la menor cantidad de material para disminuir el coste metabólico y efectuar el mayor 
movimiento relativo con el mínimo esfuerzo.
Supongamos un ejemplo práctico, dos placas, una de titanio y otra de acero inoxidable. El módulo elástico de la 
placa de aleación de titanio es la mitad que la del acero inoxidable; así que dadas dos placas del mismo tamaño y 
forma, aquella hecha de titanio tendrá la mitad de rigidez que la de acero inoxidable. Por su parte, el coeficiente de 
Poisson relaciona la deformación en la dirección principal con las deformaciones en las direcciones transversales.
Normalmente las estructuras del cuerpo no están sujetas a una carga constante sino a una carga repetitiva. Por 
ejemplo, la deambulación  produce un patrón particular de carga sobre la cadera, con una carga máxima en el 
apoyo del talón y en el despegue del pie. Estas cargas se repiten en cada ciclo de la marcha. El fallo del material 
puede ocurrir después de la aplicación de ciertos números de ciclos de carga, aunque la solicitación del material 
esté dentro de la región elástica. A este tipo de comportamiento se le conoce como fatiga que sería el cambio 
microestructural permanente, localizado y progresivo que tiene lugar en un material que está sometido a cargas 
variables en el tiempo.
Si se aplica una carga máxima en un tiempo corto hablamos de impacto; si la carga se aplica de forma repetitiva, 
hablamos de fatiga. El tiempo también puede aparecer en otros contextos como en el caso de los materiales 
plásticos. Su respuesta a la carga no es instantánea, como en el caso de los metales y cerámicas. Los materiales 
que tienen un comportamiento tiempo-dependiente son conocidos como materiales viscoelásticos. 
 
7.1. Anisotropía ósea
El tejido óseo, como otros, es un tejido no homogéneo y anisotrópico. Es decir tiene la propiedad mecánica de 
responder a las solicitaciones de forma diferente según su localización y la dirección en la que actúan dichas 
fuerzas. La anisotropía es la cualidad de un material cuyas propiedades físicas varían en función de la dirección. 
En el caso del hueso, la resistencia es mayor con relación a las fuerzas axiales de tensión y mínima para las 
fuerzas perpendiculares. Por el contrario, la isotropía es la cualidad de un material cuyas propiedades físicas son 
iguales en todas las direcciones.
Un material anisotrópico generalmente tiene una estructura interna ortotrópica, es decir, con propiedades 
mecánicas diferentes en cada uno de los ejes del espacio. Sin embargo, se habla de isotropía transversal en un 
material anisótropo cuyas propiedades físicas son iguales en dos direcciones y diferente en la tercera. 
 
7.2. Fractura de un hueso
Mientras que un hueso fracturado cura, las partes óseas en ocasiones no recuperan su estructura original. 
Además, es frecuente observar que un hueso cuando se repara tiende a fortalecerse. Para ello, se debe eliminar 
 tejido de la parte convexa, donde predominan las deformaciones y las solicitaciones a tensión, para aponerse en 
la parte cóncava del hueso, donde predominan las deformaciones y las solicitaciones a compresión.
Se considera a las deformaciones óseas como uno de los mecanismos más importantes para alterar la morfología 
y estructura interna de un hueso. La deformación ósea comprende mecanismos muy diferentes, como pueden ser 
el modo, la dirección, el índice, la frecuencia, la distribución y la energía de la deformación.
En el hueso y en la mayoría de los tejidos encontramos en su superficie los llamados concentradores de tensiones 
que son irregularidades geométricas, poros, huecos, tuberosidades, diferentes densidades, etc. que dan lugar a 
tensiones muy elevadas localizadas cuando el tejido es sometido a carga. La deformación del hueso está 
relacionada con la capacidad de deformación de las propias osteonas.
La fractura de un hueso se puede producir por una solicitación excesiva o por una debilidad del material. Las 
solicitaciones pueden ser excesivas porque:
• La fuerza que actúa es excesiva.
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• La dimensión de la estructura es pequeña.
• La geometría de las fuerzas actuantes no es favorable.
• Hay una frecuencia excesiva de aplicación de la carga. 
 
7.3. Deformación de un ligamento o tendón
Hemos visto qué ocurre con un hueso, sin embargo si pensamos en una estructura elástica, como un tendón o 
ligamento veremos, en primer lugar, que sólo se pueden estudiar con ensayos mecánicos a tensión. Si estiramos 
un ligamento se producirá una curva característica viendo que la rigidez, la resistencia del material (índice del 
cambio de fuerza con la deformación) varía de una manera no lineal; esto permite que los ligamentos se deformen 
inicialmente en las articulaciones con una resistencia mínima. Además, los ligamentos trabajan dentro de un 
pequeño rango de fuerzas para dirigir a los huesos a través de un movimiento normal. A mayores fuerzas, los 
ligamentos se hacen más resistentes ofreciendo mayor resistencia para aumentar las deformaciones y proteger 
así la articulación.
Este tipo de comportamiento se debe al ondulamiento de las fibras de colágeno de los ligamentos y a la 
distribución heterogénea de las fibras. Sin embargo, medir las propiedades mecánicas de un ligamento no es 
sencillo. Como tampoco lo es el estudio de los tendones ni tampoco del músculo. 
 
7.4. Viscoelasticidad del cartílago
Cuando un material está sujeto a solicitaciones o deformaciones constantes y su respuesta varía con el tiempo, se 
dice que tiene un comportamiento viscoelástico. La viscoelasticidad es la propiedad que poseen los materiales que 
experimentan tensiones y deformaciones variables en el tiempo, cuando se someten a cargas constantes. La 
viscoelasticidad del cartílago guarda relación con el movimiento del fluido en el interior del tejido. De hecho, el 
fluido es proporcional a la presión de gradientes de agua en los poros que se conoce como coeficiente de 
permeabilidad hidráulica. Cuanto mayores sean las presiones y las deformaciones a compresión, menos 
permeable será el cartílago.