INTRODUÇÃO A BIOMECÂNICA

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Prof. Dr. Antonio Carlos Shimano 
 
 
BIOMECÂNICA APLICADA AO CORPO HUMANO 
 
 
A MÁQUINA HUMANA 
 
Somos uma máquina mais perfeita que existe, mas que pensamos, raciocinamos, 
decidimos, controlamos, agimos e sentimos. Geramos as nossas próprias energias 
através, de reações bioquímicas, retirando as energias dos alimentos. Temos um sistema 
central, um computador que tem o controle de todo nosso organismo. A nossa caixa 
craniana protege um dos mais fantástico sistema computacional com uma rede de 
neurônios que são capazes de enviar, receber e codificar informações de todo corpo, de 
raciocinar e tomar decisões. Temos também um sistema elétrico eletrônico que é o meio, 
processo e maneira para se enviar as informações, se a rede de nervos em algum ponto 
for interrompida esta não irá mais transmitir e nem receber informações deste local em 
diante. A exemplo disto quando em um acidente onde uma pessoa tem o seu sistema 
medular interrompido na altura da cervical, esta não terá mais controle sobre o resto de 
seu corpo, pois não chegará mais sinais, ou seja, informações. Podemos dizer que a 
energia foi contada ou interrompida na entrada de nossa casa e quiséssemos ligar a 
televisão. Com certeza não conseguiríamos ligar, pois não há energia elétrica chegando 
até a televisão. E por último temos o sistema mecânico que não é menos importante, 
todos os sistemas têm a sua devida importância. No caso deste sistema que são 
representados pela parte estrutural que é o sistema músculo esquelético formado pelo 
esqueleto (formado por vários tipos, formas e tamanhos de ossos), ligamentos, tendões e 
músculos. O esqueleto tem as funções de suportar cargas, proteger partes vitais como 
crânio e tórax, ajuda na locomoção combinando ligamentos, tendões e músculos com os 
ossos, formando sistemas de alavancas e de articulações combinadas, é um 
armazenador e gerador de novas células fundamentais ao nosso organismo. Se não 
fossem os ossos o nosso corpo seria uma massa sem estrutura, não poderíamos 
caminhar, às vezes somente arrastar. Os músculos é um biossitema que transforma 
energia elétrica potenciais de biomoléculas em calor e trabalho mecânico, são 
responsáveis pelos movimentos e aplicação de esforços. A combinação dos mecanismos 
de alavancas e articulações perfeitas, que facilitam os nossos movimentos e execução de 
esforços, que conseguimos pegar com as mãos e dedos um determinado objeto num 
único movimento. Este movimento consiste de infinitos graus de liberdade, sem 
necessidade de realizar os movimentos por etapas, como os robôs. Toda máquina tem 
uma vida útil. A natureza de nosso organismo também tem seus limites, principalmente 
quando há, os excessos, os desgastes, a fadiga e as sobrecargas. Os acontecimentos e 
acometimentos que vai contra ela, com certeza esta se reagirá a favor ou contra. Mas 
inteligência com ajuda da pesquisa e desenvolvimento, combinado com os avanços 
tecnológicos traz benefícios para o tratamento ou cura dos possíveis problemas que 
possam ocasionar em nosso corpo. O importante a dizer é que para a máquina humana 
dependendo da situação ela auto se protege, se remodela, se cura, se transforma, 
sozinho ou com ajuda externa. A tudo isso e muito mais que esta máquina deve ser 
amada e preservada com carinho da melhor forma, para que o seu funcionamento não 
seja afetado em todos os sentidos. 
 
 
OS SISTEMAS 
 
Podemos comparar a máquina humana com outros tipos de máquinas, dividindo em três 
sistemas: 1- Sistema de Controle (comando) – Computacional (Caixa craniana); 2- 
Sistema Elétrico-eletrônico (Energia); 3- Sistema Mecânico (músculo-esquelético). 
Se qualquer um desses sistemas ou parte deles não estiver de acordo então a máquina 
não estará trabalhando ou funcionando bem. 
Mas, então quais as diferenças básicas entre as outras máquinas com a máquina 
humana. Temos algumas fundamentais, por exemplo: nós pensamos, tomamos decisões, 
os materiais como: osso, músculo, ligamento tendão, e outros, se adapta, se modifica, se 
transforma de acordo como que eles são solicitados. 
 
Para a Biomecânica Aplicada à Ortopedia o sistema que trabalhamos diretamente é o 
sistema mecânico (Sistema músculo esquelético). 
 
Propriedades dos Materiais 
Impossível o conhecimento de todos tipos de materiais, portanto para haver 
critérios na escolha deve-se conhecer: 
� As propriedades 
� Os fatores que influenciam 
�Os processos usados para modificá-los 
 
Propriedades Mecânicas 
As propriedades mecânicas definem o comportamento de um material 
quando sujeitos a esforços de natureza mecânica e correspondem às 
propriedades que, num determinado material, determinam a sua 
capacidade de transmitir e resistir aos esforços aplicados, sem romper 
ou sem que produzam deformações incontroláveis” (CHIAVERINI, 1979). 
• Resistência: Capacidade do material resistir à certa solicitação (estático 
ou dinâmico) sem se romper. 
 
BIOMECÂNICA – FORÇAS E EFEITOS 
“A Mecânica esta sujeita as forças e seus efeitos” 
 
 BIOMECÂNICA pode ser definido como as aplicações de princípios de 
mecânica para os sistemas do corpo humano. 
 “Lida com as forças que agem no corpo, seus movimentos, os princípios 
de sua construção e as relações entre estrutura e função” 
 - Efeitos sobre os tecidos 
 - Novos projetos de Implantes 
 - Novos materiais 
 - Novas técnicas 
 
ALGUMAS DEFINIÇÕES 
 
• Estudo das forças que agem sobre e dentro das estruturas biológicas e 
os efeitos produzidos por tais forças (Hay,1973). 
• Ciência que estuda as estruturas e funções dos sistemas biológicos 
usando o conhecimento e métodos da mecânica (Hatze, 1974). 
• Estudo do movimento humano (Winter,1979). 
 
BIOMECÂNICA 
�Biomecânica interna 
 
Estuda as forças internas (forças articulares e musculares) que tem origem 
dentro do corpo humano. 
�Biomecânica externa 
Estuda as grandezas que podem ser observadas externamente ao corpo 
humano: 
- variáveis cinemáticas 
- variáveis dinâmicas 
- variáveis antropométricas 
 
Ensaios dos Materiais
 
 
 O mais conclusivo dos ensaios é realizar os ensaios dos materiais, em 
condições reais de funcionamento. 
CCllaassssiiffiiccaaççããoo:: 
••DDeessttrruuttiivvoo;; éé oo eennssaaiioo oonnddee aappóóss aa ssuuaa rreeaalliizzaaççããoo oo ccoorrppoo ddee pprroovvaa oouu mmooddeelloo nnããoo 
tteemm rreeccuuppeerraaççããoo.. OOss ttiippooss mmaaiiss ccoommuunnss ssããoo ooss eennssaaiiooss ddee ttrraaççããoo,, fflleexxããoo,, ttoorrççããoo,, 
cciissaallhhaammeennttoo,, ccoommpprreessssããoo ee ccoommbbiinnaaççããoo eennttrree eelleess.. 
 
 
••NNããoo ddeessttrruuttiivvoo:: éé oo eennssaaiioo oonnddee nnããoo pprreejjuuíízzoo ddoo mmaatteerriiaall aappóóss aa ssuuaa aannáálliissee.. PPoorr 
eexxeemmpplloo:: rraaiiooss--XX,, uuttrraassoonnooggrraaffiiaa,, eettcc..
 
 
 
 
�Estático: é o ensaio onde a aplicação de carga é lenta (quase-estático), a inércia não 
deve ser levada em consideração. Os tipos de ensaios estáticos são os mesmos dos 
ensaios destrutivos. 
�Dinâmico: é o ensaio onde a velocidade de aplicação de carga é alta. O problema de 
inércia neste caso é considerado. Por exemplo: ensaio de fadiga e de impacto. 
 
Qual o ensaio a realizar? 
O que sugere é realizar o ensaio de acordo com o tipo de solicitação que o 
material é submetido. Por exemplo: qual tipo de ensaio é sugerido para 
tendão e músculo? O que sugere é a de tração. E para o fêmur? O que 
sugere é compressão, flexão ou combinação de compressão e flexão. 
 
Tipos de tensões 
 
�Tração 
�Compressão 
�Flexão 
�Torção 
�Cisalhamento 
Combinado 
 
 
Máquina Universal de Ensaio 
É Máquina Universal de ensaios porque ela é capaz de realizar 
qualquer tipo de ensaio que desejarmos desde que nós 
padronizemoso ensaio e confeccionemos os acessórios 
adequados. 
 
 
Acessórios: depende do corpo de prova, do modelo e do ensaio e ser 
realizado. 
 
 
Material anisotrópico: comportamento mecânico do material varia com a direção, o 
sentido e o local de obtenção. 
Material viscoelástico: o material se comporta de acordo com que ele é solicitado. A 
resistência mecânica varia com a taxa de carregamento. 
Piezoeletricidade: o material piezoelétrico é o material que tem a capacidade de 
transformar energia elétrica em mecânica e vice-versa. 
 
 
Fase elástica dos materiais: É a fase onde o material tem comportamento linear 
elástico. Após a aplicação de carga o material se deforma mas, após a retirada desta 
carga este volta as condições normais originais. 
 
Fase de transição ou de escoamento: é a fase intermediária entre as fases elástica e 
plástica. 
 
Fase plástica: é a fase onde após aplicação de carga o material não volta as suas 
condições originais normais, ele fica deformado permanentemente. 
 
Rigidez: calculado pela tangente do ângulo alfa no gráfico tensãoxdeformação. 
Resiliência: Energia absorvida na fase elástica do material. Área do triângulo retângulo 
Base xaltura/2. 
Tenacidade: energia absorvida total até a carga máxima ou até a ruptura do material. 
Área total abaixo da curva. 
Propriedades Mecânicas 
 Diagrama Tensão x Deformação (Ideal) 
Lei de Hooke : σ = E.ε 
εεεε 
σσσσ 
α 
FP 
FE 
Es 
E=σ/ε 
tgα= σ/ε 
tgαααα = E N
E=Módulo de Elasticidade ou de Young σσσσM 
σσσσP 
εεεεP εεεεM 
���������	
Limite de resistência: é o limite máximo das tensões e cargas aplicadas. 
Limite de proporcionalidade: é o último ponto onde é proporcional a carga e 
deformação ou tensão deformação. È o último ponto da reta (fase linear). 
 
Geralmente quando não for possível determinar ou calcular a área da secção transversal 
dos modelos ou dos corpos de prova utiliza-se o diagrama carga x alongamento. 
 
Os parâmetros das ordenadas e as abscissas dependem do tipo de ensaio que estiver 
realizando. Por exemplo: se for ensaio de torção: carga aplicada x deformação angular. 
Se for ensaio de flexão: carga aplicada x deflexão. 
 
Propriedades Mecânicas 
 Diagrama Carga x Alongamento 
- Rigidez 
θθθθ 
Alongamento 
Carga 
LP LM 
CP 
CM