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Cargas mecânicas que atuam sobre as estruturas biológicas Carga Mecânica Aplicação de uma força externa a um corpo. • Fatores que caracterizam a carga: - Magnitude (intensidade) - Localização - Direção - Duração frequência variabilidade - ritmo Cargas mecânicas Axiais Compressão ou esmagamento Tração ou tensão Compressão Tração ou tensão • As cargas tensivas tendem a separar as extremidades de um corpo; • As cargas compressivas tendem a aproximar as extremidades de um corpo; Cargas Não axiais Inclinação ou arqueamento Torção ou rotação Cargas combinadas Cisalhamento ou deslizamento Arqueamento ou inclinação Um lado do osso formará uma convexidade em que estarão presentes as forças tensivas, e do outro lado irá formar uma concavidade que estarão presentes forças compressivas. Doença de Paget Torção ou rotação Ocorre quando uma estrutura é impelida a rodar sobre seu eixo longitudinal, o que em geral ocorre quando uma de suas extremidades está fixa. Torção ou rotação Arqueamento ou inclinação Cisalhamento ou deslizamento As cargas de cisalhamento tendem a produzir um deslizamento horizontal ou paralelo de uma parte do objeto em relação a outra parte desse objeto. Atua paralelamente a uma secção transversa. Cisalhamento Exercício de agachamento (CCF) Movimento de cisalhamento Deslizamento na direção paralela ao côndilo tibial Cargas combinadas • Presença concomitante de mais de uma forma de carga; • Tipo mais comum de carga que atua no corpo humano (grande quantidade de forças agindo simultaneamente). Estresse mecânico - Resultado da distribuição da força no interior de um corpo quando uma força externa atua. - É definido do mesmo modo que a pressão: força por unidade da área sobre a qual ela atua. E = F/A F (carga axial) A (área em corte transversal sobre a qual a carga se distribui) Uma determinada força agindo em uma pequena superfície produz um estresse maior que a mesma força atuando sobre uma superfície maior; A quantidade de estresse mecânico criado por uma força é inversamente proporcional ao tamanho da área sobre a qual a força se propaga. Termos que indicam a direção do estresse - estresse compressivo (resistência em ser empurrado e aproximado); - Estresse tensivo (resistência em ser tracionado ou separado); - Estresse de cisalhamento (forças que atuam paralelamente ou tangencialmente à carga aplicada criam um estresse em cisalhamento) O estresse compressivo é maior na coluna torácica ou lombar??? Vértebra torácica Vértebra lombar Resposta - A quantidade de estresse presente não é diretamente proporcional à quantidade de peso sustentada; - As áreas de superfície que sustentam as cargas lombares são maiores que as áreas das vértebras localizadas em regiões mais altas da coluna vertebral; - Esse aumento de superfície de área reduz a quantidade do estresse compressivo presente na região; Quando um corpo sofre um golpe, a probabilidade de esse golpe causar lesão tecidual está diretamente relacionada à magnitude e a direção do estresse criado pelo golpe ( estresse compressivo, estresse de cisalhamento, estresse tensivo). Efeito de Poisson Carga compressiva é aplicada á um objeto haverá uma deformação que comprime o objeto na direção da carga; Ao mesmo tempo, ocorre uma deformação concomitante perpendicular á carga axial ; Deformação tensiva Efeitos das cargas Quando uma força age em um objeto, ocorrem dois efeitos: - 1° aceleração; - 2° deformação (mudança na forma). Deformação Quando uma carga é aplicada a um corpo, este muda de formato ou de configuração, as vezes de forma imperceptível. Elasticidade É a habilidade do material em retornar seu tamanho e forma original (livre de estresse) quando as cargas aplicadas são removidas. Plasticidade • Implica deformações permanentes ou “temporariamente permanentes”. • Materiais podem sofrer deformações plásticas quando são carregados além dos seus limites elásticos. As deformações plásticas podem vir acompanhadas de falha ou ruptura. Deformação • Deformação elástica = tecido readquire seu formato original quando a carga é removida; • Deformação plástica = deformação permanente – tecido não será capaz de readquirir seu formato original. Se uma carga é aplicada em um material, tal que o estresse gerado no material é igual ou menor que o limite elástico, as deformações que acontecerão no material serão completamente recuperadas, uma vez que as cargas aplicadas sejam removidas. Ponto de cedência ou cessão • É o ponto em que o material passa da condição elástica para condição plástica. • Cada biomaterial (osso, tendão, cartilagem, músculo, etc...) apresenta um ponto de cessão diferente. Ponto de cedência • Grau de deformação será permanente; • Deformidades que excedem o ponto de falência final culminam em perda de continuidade ou ruptura mecânica da estrutura; Curva de carga-deformação Relação entre a quantidade de força aplicada a uma estrutura e a resposta dessa estrutura. Curva de carga-deformação Cargas pequenas • deformação – resposta é elástica; • Assim que a força é removida, a estrutura readquiri seu tamanho e forma original; Materiais mais rígidos • Exibem menor grau de deformação em resposta a uma determinada carga; • Maior rigidez se traduz em uma inclinação + íngreme na curva de carga-deformação na região elástica; Viscoelasticidade • Viscosidade = propriedade fluídica ( uma medida quantitativa de resistência à fluidez); • Elasticidade = é uma propriedade do material sólido. Viscoelasticidade É a característica de um material ter propriedades sólidas e fluídicas. • A maioria desses materiais é classificada como fluido ou sólido; • Um material sólido deformará até uma certa extensão quando uma força externa for aplicada; • Uma força continuamente aplicada em um corpo fluido causará uma deformação contínua (também conhecida como fluxo); Características anisotrópicas • Um material homogêneo responderá da mesma maneira, independentemente da direção da carga; • Em geral os tecidos biológicos não são homogêneos (sua estrutura varia entre os compartimentos) – e como resultado a resposta da carga depende da sua direção . Características anisotrópicas Material anisotrópico o comportamento do tecido irá variar dependendo da direção da aplicação da carga Cargas mecânicas Os tecidos corporais experimentam cargas continuamente durante as atividades normais sem qualquer lesão. A probabilidade de lesão > quando as cargas ultrapassam a gama fisiológica = sobrecarga Lesão = carga imposta ultrapassa a tolerância do tecido. Visão Global dos Mecanismos de Lesão No contexto biomecânico, lesão é o dano, causado por trauma físico sofrido pelos tecidos do corpo. Mecanismos de lesão Processo físico fundamental responsável por uma determinada ação, reação, ou resultado. É essencial para o diagnóstico, tratamento e prevenção de futuras e lesões. Estabelece uma reação de causa efeito. Mecanismos de trauma joelho Estresse em valgo – LCM Hiperextensão - LCA Queda com mão espalmada Fratura de Colles Luxação posterior de ombro • Trauma de direção ântero-posterior. Luxação anterior de ombro • Trauma direto e violento em direção póstero-anterior sobre o ombro; Luxação anterior de ombro • Mecanismo de queda ao solo, acompanhadode movimento rotacional com o membro superior em abd e RE Luxação posterior - quadril • A posição do quadril no momento do trauma e o vetor da força incidente determinam a direção da luxação; Fratura patela Mecanismos de traumas: - Queda de alturas e trauma direto Fraturas do platôtibial Mecanismos de lesão Fratura platôtibial 1) Força dirigida medialmente (deformidade em valgo) ou lateralmente (deformidade em varo); 2) Força compressiva axial; 3) Ao mesmo tempo uma força axial e uma força pelo lado (o côndilo femoral exerce ao mesmo tempo forças de cisalhamento e compressivas). Hérnias de disco “A hérnia de disco é uma combinação de fatores biomecânicos, alterações degenerativas do disco e situações que levam aumento de pressão sobre o disco”. Sizínio,2003 Mecanismo de lesão Em um estudo experimental Pope (1992), por meio de um modelo matemático, demonstrou que o disco se rompe em flexão e rotação associada e resiste bem a compressão pura. Sizínio, 2003 Mecanismos básicos de lesão • Contato ou impacto • Sobrecarga dinâmica • Uso excessivo (overuse) • Vulnerabilidade estrutural • Inflexibilidade • Desequilíbrio muscular • Crescimento rápido Cargas repetitivas x cargas agudas Carga aguda • única força atua e é grande suficiente para causar lesões nos tecidos; • Lesão aguda; • Força causativa = macrotrauma. Cargas repetitivas • Ação repetida de forças relativamente pequenas (alta frequência de força de baixa intensidade) ; • Carga crônica ou repetida = lesão crônica ou lesão por estresse; • Mecanismo causador = microtrauma. Lesão • Única sobrecarga (ultrapassa a tolerância máxima do tecido) = Lesões agudas (macrotrauma) • Sobrecargas repetitivas (uso excessivo) – período de tempo é insuficiente para o reparo do tecido = Lesões crônicas (microtrauma) Obs: a carga crônica enfraquece o tecido diminuindo sua força máxima, aumentando a probabilidade de ocorrer uma lesão aguda. Lesão primária X Lesão secundária • Lesão primária: consequência direta e imediata do traumatismo • Lesão secundária: manifesta-se algum tempo após o traumatismo inicial ex:TCE - lesões cerebrais (diminuição do fluxo sanguíneo) Fatores determinantes para ocorrência de lesão ou não, quando aplicada uma força externa: • Magnitude (intensidade) da força; • Direção da força; • Área sobre a qual ela é distribuída; • Propriedades materiais dos tecidos corporais submetidos as cargas; Fatores auxiliares • Idade • Sexo • Genética • Estado fisiológico e condição física • Nutrição • Estado psicológico • Fadiga • Ambiente • Equipamento • Lesão prévia • Doença • Medicamento • Reabilitação • Variabilidade antropométrica • Nível de habilidade • dor Referências • Hall, S. J. Biomecânica Básica, 5ª ed. São Paulo: Manole, 2009. (capítulo 2) • Hamill, J.; Knutzen, K. M. Bases Biomecânicas do Movimento Humano. 1a ed. São Paulo: Manole,1999. (capítulo 1) • Nordin, M. & Frankel, V. H. Biomecânica Básica do Sistema Musculoesquelético, 3ª ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2003. • Whiting, W.C. & Zernicke, R.F. Biomecânica da Lesão Muculoesqueléticas, Rio de Janeiro:Guanabara Koogan, 2001
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