Mecanica Articular

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28/03/2016
Educação Física
Prof. Elinai dos Santos Freitas Schutz
AULA 06B
Educação Física
Prof. Elinai dos Santos Freitas Schutz
AULA 06B
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BIO
SISTEMAS
VIVOS
MOVIMENTO
FORÇA
MECÂNICA
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BIOMECÂNICA
INTERNA EXTERNA
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Determinação das forças internas
(musculares, articulares) e suas 
conseqüências sobre o biomaterial frente a 
diferentes formas de solicitação mecânica.
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MECÂNICA INTERNA
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BIOMATERIAIS
OSSOS
MÚSCULO
TENDÃO 
LIGAMENTO
SISTEMA 
ARTICULAR
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BIOMATERIAIS
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MÚSCULO
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ARTICULAÇÕES
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Basicamente uma articulação é empregada 
na conexão de um componente de uma 
estrutura com um ou mais componentes 
distintos. 
... é definida como uma região onde dois ou 
mais ossos estejam conectados.
Função de ligar elementos cartilagíneos ou 
ósseos
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As articulações que conectam esses diversos 
ossos variam desde as mais simples às mais 
complexas, e devem propiciar tanto mobilidade 
como estabilidade para a estrutura, 
representando um problema de engenharia de 
considerável magnitude.
...as articulações humanas determinam o seu 
funcionamento, baseadas nas suas estruturas.
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TIPOS:
• Imóveis, sinartrose, fibrosa;
• Semi-móveis, anfiartrose, cartilaginosas;
• Móveis, diartrose, sinoviais.
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TIPOS:
• Imóveis, sinartrose, fibrosa:
a) Suturas: as superfícies ósseas articulares 
apresentam ranhuras irregulares que têm encaixe 
contíguo e estão firmemente conectadas através de 
fibras contínuas ao periósteo. 
Exemplo: suturas no crânio.
b) Sindesmoses (unidas por faixas): um tecido fibroso 
e denso une os ossos, permitindo apenas a 
realização de um movimento muito limitado.
Exemplos: articulações coracoacromial, radioulnar 
média, tibiofibular média e distal. 
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TIPOS:
• Imóveis, sinartrose, fibrosa:
b) Sindesmoses
a) Suturas
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TIPOS:
• Semi-móveis, anfiartrose, cartilaginosas:
a) Sincondroses (unidas pela cartilagem): os ossos que 
se articulam são mantidos juntos por uma fina 
camada de cartilagem hialina.
Exemplos: articulações esternocostais, placas 
epifisárias (antes do processo de ossificação).
b) Sínfises: lâminas finas de cartilagem hialina separam 
um disco fibrocartilaginoso dos ossos. 
Exemplos: articulações vertebrais, sínfise púbica.
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TIPOS:
• Semi-móveis, anfiartrose, cartilaginosas:
b) Sínfisesa) Sincondroses
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TIPOS:
• Móveis, diartrose, sinoviais: As superfícies 
ósseas que se articulam são cobertas por 
cartilagem articular, uma cápsula articular
circunda a articulação e uma membrana 
sinovial que reveste o interior da cápsula 
excreta um lubrificante (líquido sinovial ).
a) Deslizantes (planas, artrodiais);
b) Dobradiça (gínglimos);
c) Pivôs (em formato de parafuso, trocóides);
d) Condilares (ovóides, elipsóides);
e) Selares (em sela);
f) Esferóides (bola-e-soquete).
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TIPOS:
• Móveis, diartrose, sinoviais:
a) Deslizantes (planas, artrodiais): quase planas, 
único movimento permitido é o deslizamento. 
Exemplos: intermetatarsais, intercarpais, vértebras.
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TIPOS:
• Móveis, diartrose, sinoviais:
b) Dobradiça (gínglimos): uma superfície articular 
óssea convexa e outra côncava. Ligamentos 
colaterais restringem o movimento.
Exemplos: umeroulnar, interfalângicas.
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TIPOS:
• Móveis, diartrose, sinoviais:
c) Pivôs (em formato de parafuso, trocóides): a 
rotação permitida ao redor de um eixo.
Exemplos: atlantooccipital, radioulnar proximal e 
distal.
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TIPOS:
• Móveis, diartrose, sinoviais:
d) Condilares (ovóides, elipsóides): uma superfície 
tem formato convexo ovóide e a outra superfície 
reciprocamente côncava.
Exemplos: 2ª a 5ª metacarpofalângicas, radiocarpal. 
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TIPOS:
• Móveis, diartrose, sinoviais:
e) Selares (em sela): ambas as superfície têm formato 
do assento da sela de cavalo.
Exemplo: carpometacarpal do polegar.
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TIPOS:
• Móveis, diartrose, sinoviais:
f) Esferóides (bola-e-soquete): superfícies são 
reciprocamente côncavas e convexas.
Exemplos: do quadril e do ombro.
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GRAUS DE LIBERDADE
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Um corpo isolado no espaço pode deslocar-se 
livremente em um movimento que se pode decompor 
em 3 rotações e 3 translações independentes 
(e seus respectivos eixos)
Para um corpo unido mecanicamente a outros corpos 
alguns destes movimentos elementares 
desaparecem. 
Conhecem-se como graus de liberdade os 
movimentos independentes que permanecem 
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3 rotações e 3 translações independentes 
(e seus respectivos eixos)
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GRAU DE LIBERDADE (SINOVIAIS):
�UNIAXIAIS: flexão/extensão
Um grau de liberdade: um plano e um eixo 
com dois movimentos.
Deslizante; Em pivô; 
Dobradiça.
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GRAU DE LIBERDADE (SINOVIAIS):
�UNIAXIAIS: flexão/extensão
�BIAXIAIS: flexão/extensão e adução/abdução
Dois graus de liberdade: dois planos e dois eixos 
com quatro movimentos.
Condilóide; Em sela (>ADM).
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GRAU DE LIBERDADE (SINOVIAIS):
�UNIAXIAIS: flexão/extensão
�BIAXIAIS: flexão/extensão e adução/abdução
�TRIAXIAIS: flexão/extensão, adução/abduçãoe rotação
Três graus de liberdade: Três planos e três 
eixos com seis movimentos.
Esferoidal
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CADEIA CINÉTICA
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Geralmente, a análise do movimento é realizada 
em cada uma das articulações, considerando-
as como unidades independentes. 
Entretanto, em verdade, os movimentos 
ocorrem de uma forma complexa, envolvendo 
várias articulações vizinhas.
Assim, a cadeia cinética é uma combinação de 
várias articulações que unem segmentos 
sucessivos.
A quantidade de articulações minimizam os 
efeitos incapacitantes das restrições em uma 
única articulação, associando os movimentos 
das articulações adjacentes. 
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Divididas em:
Cadeia cinética aberta: é uma série de articulações 
sucessivas entre cadeias ósseas na qual o segmento 
distal está livre para movimentar-se sem interferir nas 
articulações adjacentes.
Cadeia cinética fechada: o segmento distal está fixo, 
encontrando uma resistência que restringe o seu 
movimento, movimentando outras articulações da 
mesma cadeia. 
Cadeia cinética combinada: é a união da aberta com a 
fechada, como o que ocorre na marcha.
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Cadeia cinética fechada
Cadeia cinética 
combinada
Cadeia cinética 
aberta 
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Osso ����
Cartilagem hialina
Fibrocartilagem
Líquido Sinovial
Ligamento
Tendão
Músculo ����
ESTRUTURAS DA ARTICULAÇÃO
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TENDÃO E LIGAMENTO
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)
Envolvem;
Conectam;
Estabilizam.
Apesar de serem estruturas passivas, cada uma 
tem um papel essencial no movimento da 
articulação.
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Tendão
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)
– Atar músculo e osso;
– Transmitir cargas do músculo ao osso;
– Distância ótima do músculo a articulação.
A função dos tendões é atar músculos ao osso e 
transmitir cargas do músculo ao osso, dessa forma 
permitindo o movimento da articulação ou a manutenção 
da postura do corpo. 
O tendão também permite que o ventre muscular esteja a 
uma distância ótima da articulação, na qual o tendão age 
sem requerer um comprimento estendido de músculo 
entre origem e inserção. 
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Ligamento
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)
– Conecta osso com osso;
– Aumenta a estabilidade mecânica;
– Guiar o movimento;
– Prevenir movimento excessivo.
O papel do ligamento, que conecta osso com osso, é 
aumentar a estabilidade mecânica da articulação, guiar o 
movimento e prevenir movimento excessivo. 
Os ligamentos agem como restritores estáticos.
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)
Composição e estrutura:
O tendão é formado por um feixe inelástico de 
fibras de colágenos arranjadas paralelamente
na direção da aplicação da força do músculo. 
No ligamento o arranjo destas fibras é mais 
variado, havendo uma mistura entre arranjos 
paralelos com arranjos oblíquos e espirais, 
variando com sua função.
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)
Os arranjos das fibras de colágeno difere um 
pouco nos tendões e ligamentos...
...adaptado à função de cada estrutura.
As fibras que compõem os tendões têm um arranjo 
mais ordenadamente paralelo que equipa os 
tendões para controlar cargas de tração, 
unidirecionais para as quais estão sujeitas durante 
as atividades. 
O ligamento geralmente sustenta cargas de tração 
em uma direção predominante, mas também 
podem agüentar cargas menores em outras 
direções, suas fibras podem não ser 
completamente paralelas mas podem ser 
entrelaçadas umas às outra.
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)
Comportamento mecânico:
...são estruturas viscoelásticas com propriedades 
mecânicas únicas.
Os tendões são extremamente fortes, mas ainda 
assim flexíveis. 
Os ligamentos são adaptáveis e flexíveis, 
permitindo o movimento natural dos ossos aos 
quais são ligados, mas são fortes e inextensíveis
oferecendo resistência satisfatória as forças 
aplicadas. 
Os ligamentos e os tendões suportam 
principalmente cargas de tração durante o 
carregamento normal e excessivo
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A) Curva de tensão-deformação:
1) Região primaria: o alongamento nesta região é resultado de 
uma mudança no padrão ondulado das fibras de colágeno 
relaxadas;
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)
2) Região linear: à medida que a carga continua a resistência 
do tecido aumenta e progressivamente maior força e exigida pra 
produzir quantidades equivalentes de alongamento. 
Nesta fase há um aumento na inclinação da curva que 
corresponde à resposta do tecido ao alongamento adicional.
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)
3) Falha progressiva: em grandes deformações a curva pode 
terminar abruptamente ou se curvar para baixo como resultado 
de mudanças irreversíveis (falha). Quando a curva tinge o ponto 
denominado que é o ponto limite para o tecido
4) Carga máxima: reflete a resistência de tensão final para o 
tecido. A falha completa acontece rapidamente. 
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B) Elasticidade e Histerese:
Durante o carregamento e o descarregamento entre 
limites de alongamento, as fibras elásticas permitem 
que o material retorne a sua forma e tamanhos originais
depois de ser deformado...
...enquanto isso, parte da energia gasta é armazenada, o 
que sobra representará a perda de energia durante o 
ciclo e é chamada de histerese.
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)
C) Comportamento viscoelástico:
... exibem comportamento viscoelástico sob carga, as suas 
propriedades mecânicas mudam com diferentes taxas de 
carga. 
Quando é submetido à taxa de deformação elevada, a porção 
linear da curva de tensão-deformação fica mais íngreme, 
indicando maior rigidez do tecido em altas taxas de 
deformação. 
Com taxas de deformação mais altas, ligamentos e tendões 
em isolamento armazenam mais energia, requerem mais 
força para romper e sustentam maior alongamento.
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D) Falha e mecanismos de lesão:
Mecanismos de lesão são semelhantes para ligamentos e 
tendões...
Quando um ligamento é submetido a cargas que excedem ao 
seu alcance fisiológico, microfalhas acontecem até mesmo 
antes do seu ponto de colapso ser alcançado, quando este 
ponto é excedido, o ligamento começa a sofre falhas em 
grandes quantidades e conseqüentemente a articulação 
começa a se deslocar de forma anormal.
Este deslocamento anormal também pode resultar em lesão 
das estruturas vizinhas, como a cápsula articular, 
ligamentos adjacentes e vasos sanguíneos que suprem 
estas estruturas.
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)
Exemplo:
...pode ser observada a curva de um ligamento cruzado 
anterior de um cadáver testado em tração até a falha a uma 
taxa de deformação fisiológica. 
Neste teste a articulação foi deslocada 7 mm antes do 
ligamento falhar completamente. 
A curva gerada durante esta experiência é correlacionada 
com vários graus de deslocamento da articulação 
registrados por fotografia e correspondem aos pontos 
numerados na curva.
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E) Fatores que afetam as propriedades mecânicas:
1. Período de recuperação;
2. Maturação e envelhecimento;
3. Gravidez e período pós-parto;
4. Mobilização e imobilização;
5. Diabete miellitus;
6. Esteróides;
7. Drogas anti-inflamatórias não-esteroides;
8. Hemodiálise;
9. Enxertos;
10.Treinamento!
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Esteróides: 
• Inibição da síntese de colágeno;
• Rigidez, carga para falha e 
absorção diminuída após injeção 
de corticosteróides. 
Comportamento tempo de dose 
dependente. Mudanças mínimas 
após 6 semanas, após 15 semanas 
< a carga de falha máxima (20%), 
absorção de energia (11%) e 
rigidez (11%);
• Injeção única não altera as 
propriedades mecânicas em 
ligamentos lesados em fase aguda;
• Flutuações de estrogênio pode 
alterar o metabolismo do ligamento 
tornando mais suscetível a lesão.
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Prof. Ms. Gustavo Ricardo Schutz
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Durante a movimento da articulação, as forças 
na sua superfície podem variar de zero à 
várias vezes o peso corporal. As áreas de 
contato também variam e de forma complexa. 
A cartilagem articular, também é um material 
extremamente estressado sob condições de 
cargas fisiológicas. 
A fim de entender como este tecido 
especializado se comporta sob essas 
condições, é necessário determinar suas 
propriedades mecânicas intrínsecas em 
compressão, tração e cargas tangenciais
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CARTILAGEM ARTICULAR
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FUNÇÕES:
Distribuir a carga da articulação sobre uma área 
mais larga e, dessa forma, distribuir o estresse 
sustentado pelas superfícies de contato das 
articulações;
Permitir um movimento relativo das superfícies das 
articulações opostas com mínimo de fricção e 
desgaste.
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CARACTERÍSTICAS: 
A cartilagem articular é um tecido altamente 
especializado e precisamente moldado para 
sustentar o ambiente altamente carregado da 
articulação sem falhar durante o tempo de vida 
médio do indivíduo. 
Fisiologicamente, contudo, é um tecido virtualmente 
isolado, destituídos de vasos sanguíneos, canais 
linfáticos e inervação neurológica. 
Além disso, sua densidade celular é menor do 
qualquer outro tecido, a cartilagem mais 
conhecida é cartilagem hialina representando um 
tecido conjuntivo, fino (1 a 6mm), denso, branco e 
translúcido 
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CARTILAGEM HIALINA:
A cartilagem articular hialina é composta por 60 a 
80% de água, sais orgânicos, pequena quantidade 
de outras proteínas matrizes, glicoproteínas e 
lipídios, o restante é composto por condrócitos, 
colágenos e proteoglicanos.
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COLÁGENO:
Na cartilagem articular, o colágeno tem um alto nível 
de organização estrutural que provê uma ultra-
estrutura fibrosa. 
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... não é homogeneamente distribuído, diferentes 
camadas:
Na zona superficial tangencial, são camadas de 
fibras finas, densamente compactadas, 
randomicamente entrelaçadas em planos paralelos à 
superficie articular. 
Na zona medial há uma distância maior entre as 
fibras randomicamente orientadas e 
homogeneamente dispersas. 
Abaixo na zona profunda, as fibras se juntam 
formando bandas mais largas e radialmente 
orientadas. Essas bandas cortam a interface, entre a 
cartilagem articular e a cartilagem calcificada abaixo 
dela, para entrar na cartilagem calcificada, formando 
um sistema de raiz interlaçada que ancora a 
cartilagem ao osso. 
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RIGIDEZ E ALTA RESISTÊNCIA A TRAÇÃO
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PROTEOGLICANOS: 
... formados por vários elementos organizados numa 
complexa arquitetura aniônica (com carga elétrica 
negativa), com função de mola biológica 
... são ligados a uma proteína central através de 
ligações covalentes, formando complexos 
denominados agrecans, os quais ligam-se ao ácido 
hialurônico, através de proteínas de ligação 
A presença de água na cartilagem em associação 
com os proteoglicanos confere ao tecido uma 
tendência expansiva, por causa da pressão 
osmótica de pró-hidratação, que por sua vez é 
contida pela forte força de contenção exercida pela 
malha de fibras de colágeno, criando uma 
considerável pressão de expansão dentro do tecido 
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PROTEOGLICANOS: 
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RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO
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PROTEOGLICANOS: 
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RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO
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ÁGUA:
... mais abundante componente da cartilagem 
articular, está principalmente concentrada perto da 
superfície articular (80%) e diminui num modo 
aproximadamente linear com o aumento da 
profundidade para concentração de 65% na zona 
profunda. 
Esse fluido contém muitos cátions livres (sódio, 
potássio e cálcio) que influenciam grandemente o 
comportamento mecânico e físico-químico da 
cartilagem articular.
Forças compressivas cerca de 70% da água pode 
ser movida.
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INTERAÇÃO FÍSICA E ESTRUTURAL:
A cartilagem possui algumas propriedades 
especificas, que são a viscoelasticidade, a 
propriedade de tração, a propriedade de 
compressão e a propriedade de cisalhamento. 
Viscoelasticidade:
Elasticidade (capacidade do material de retornar ao 
seu estado original após deformação, diretamente 
proporcional as forças aplicadas)
Viscosidade (capacidade do material amortecer as 
forças de cisalhamento, que são dependentes do 
tempo e da velocidade). 
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INTERAÇÃO FÍSICA E ESTRUTURAL:
A tração da cartilagem varia de acordo com a 
orientação das fibras de colágeno, sendo que seu 
módulo diminui com o aumento da profundidade 
pela orientação irregular das fibras internas. 
A propriedade de compressão varia conforme a 
zona e a concentração de proteoglicanos, sendo 
que quanto maior a concentração destes, maior será 
a propriedade de compressão. 
A propriedade de cisalhamento está relacionada aos 
componentes sólidos da matriz, pois estes são os 
responsáveis pela deformação da matriz e 
conseqüentemente movimentação dos 
proteoglicanos. 
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COMPORTAMENTO MECÂNICO:
A) Viscoelasticidade:
A cartilagem contém grande quantidade de água 
que é dificilmente expelida pela ação das forças 
compressoras exercidas, já que esse tecido é muito 
pouco permeável.
A deformação por perda de água está antes na 
dependência do fator tempo, quando comprimida 
rapidamente a cartilagem perde pouca água e pouco 
se deforma, quando a compressão é exercida 
lentamente, a perda de água é maior e em 
conseqüência também a deformação.
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COMPORTAMENTO MECÂNICO:
A) Viscoelasticidade:
Acomodação (efeito creep).
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“MECÂNICA”
FLUIDOS CORPOS
DEFORMÁVEIS
CORPOS
RÍGIDOS
ESTÁTICA DINÂMICA
CINEMÁTICA
Descrição do movimento
CINÉTICA
Ação das forças
RELATIVÍSTICA QUÂNTICA
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Mecânica dos Fluídos
Viscosidade e Fluidez
... medida de resistência interna que um 
fluido oferece a uma força aplicada, ou seja, 
quando submetido a uma tensão.
� Resistência
� Resiliência
� Dureza
� Elasticidade
� Viscosidade
� f natural
�…
PROPRIEDADES 
DOS 
MATERIAIS
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Proteoglicanos geram cargas negativas que se 
repelem e atraem a água.
� Proteoglicanos + Colágeno + Fluido � Gel 
que funciona como uma “esponja” de baixa
permeabilidade. Capacidade de deformação.
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COMPORTAMENTO MECÂNICO:
B) Sobre tração: ocorre o alongamento das fibras 
de colágeno que se alinham de acordo com a tensão 
aplicada. 
A falha do tecido ocorre quando todas as fibras de 
colágeno estão alinhadas e rompem em conjunto.
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COMPORTAMENTO MECÂNICO:
C) Sobre carga tangencial: ocorrem apenas 
alterações na propriedade viscoelástica intrínseca
da matriz sólida de colágeno-proteoglicanos 
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COMPORTAMENTO MECÂNICO:
D) Lubrificação:
Importante lembrar:
Cápsula Articular
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Membrana Sinovial
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Líquido Sinovial
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Cápsula Articular:
Espaço denominado 
cavidade articular;
Duas ou mais camadas 
de tecido conjuntivo 
colágeno regular: 
- estrato fibrosos; 
- estrato sinovial
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Membrana Sinovial:
A membrana sinovial pode 
variar estruturalmente em 
diferentes regiões de uma 
articulação, porém 
geralmente consiste de um 
tecido conjuntivo frouxo que 
reveste a superfície interna 
da cápsula articular e forma 
um saco envolvendo a 
cavidade sinovial.
Esse tecido funciona para 
produzir a lubrificação da 
articulação
Líquido Sinovial
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Líquido Sinovial: Dialisato de plasma sangüíneo 
com a adição de proteínas (Lubricina) e um 
mucopolissacarídeo, o ácido hialurônico (Hialuronato).
Hialuronato:
Viscosidade;
Reduz o atrito entre as 
pregas da cápsula e 
as superfícies 
articulares. 
Lubricina:
Lubrificação da 
cartilagem
Cisalhamento Viscosidade
Cisalhamento Viscosidade
Funções:
•Lubrificação;
•Reduzir o atrito;
•Nutrir 2/3 da cartilagem
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Absorção-retenção do fluido leva alguns minutos, 
fato que permite que a cartilagem mantenha suas 
características biomecânicas.
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COMPORTAMENTO MECÂNICO:
E) Desgaste e lesão:
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Traumática:
▲ intensidade e ▼ repetição
Repetitiva:
▼ intensidade e ▲ repetição
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Fibrocartilagem
• Fibras de colágeno (paralelas e em camadas);
• Pode ser encontrada em diversas partes do corpo 
especialmente onde o atrito poderia ser problemático;
• Material de enchimento entre a cartilagem hialina e 
outros tecidos conjuntivos .
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Fibrocartilagem