MATERIAL AULA 3 - CINETICA E ALAVANCAS

Prévia do material em texto

1
BIOMECÂNICA:
CINÉTICA E ALAVANCAS
Prof. MS. André de Souza Rocha
Curso de Fisioterapia
3ª e 4ª fases
CINÉTICA
• Estuda as forças que produzem, param ou
modificam o movimento dos corpos como um
todo ou de segmentos individuais.
Forças exercidas pela:
-Gravidade
- Músculos
- Atrito
- Resistências externas
- Compressão articular
- Tração articular
- Pressões sobre as
superfícies do corpo
2
FORÇAS
• Perturbação mecânica ou carga;
• Uma força agindo em um objeto pode
deformá-lo, mudar seu estado de movimento
ou ambas as coisas.
FORÇAS
• Empurrão – compressão (pernas sobre o solo);
• Tração (tensão);
• Para produzir estas forças cada menino esta exercendo forças
máximas de tração ou compressão em cada articulação entre suas
mãos e pés
3
FORÇAS
• Se ambos puxarem a corda com mesma força nenhum
movimento ocorrerá – sistema balanceado ou em equilíbrio;
• Se as forças estiverem desequilibradas– movimento.
FORÇAS
4
FORÇAS
Fontes principais de força:
• Gravidade ou peso das partes corporais e aparelhos (talas,
gesso, livros...);
• Músculos – podem produzir forças sobre os segmentos
ósseos por contração ativa ou por serem esticados
passivamente.
• Resistências aplicadas externamente – polias de exercício,
resistência manual....
• Atrito – pode proporcionar estabilidade se ótimo, retardar o
movimento se excessivo e levar instabilidade se inadequado.
FORÇAS
Consequencias secundárias da aplicação de forças:
• Compressão articular ;
• Tração articular;
• Pressão sobre os tecidos do corpo – importante pois nos
faz ter consciência de sensibilidade. Quando houver perda de
sensibilidade haverá perda de pressão.
5
FORÇAS – CARACTERÍSTICAS VETORIAIS
Diagrama de Forças
Os vetores de força (F ou em negrito e sem seta, F) podem ser 
representado tanto gráfica como matematicamente.
• Matematicamente são representados por uma seta cuja a 
HASTE determina a linha de ação da força e o seu 
comprimento (tamanho) desenhado em escalas e representa 
a magnitude (intensidade) da força (lbs, N, kg). A PONTA DA 
SETA determinas o sentido (a direção da força) e a CAUDA 
(origem) especifica o ponto de aplicação da força.
FORÇAS – CARACTERÍSTICAS VETORIAIS
GRANDEZAS VETORIAIS 
magnitude , direção e sentido
• Magnitude  Ex: quantidade de força que está sendo aplicada
(tamanho da seta).
• Direção  direção para onde a força está sendo aplicada (vertical /
horizontal/oblíqua).
• Sentido  é a orientação do vetor sobre sua direção.
• Para cada direção existem dois sentidos, indicados pela ponta da
flexa.
• Graficamente, o sentido é dado pela extremidade da seta que
representa o vetor.
• Ex: de cima para baixo; da esquerdapara direita
6
FORÇAS – CARACTERÍSTICAS VETORIAIS
GRANDEZAS VETORIAIS 
magnitude , direção e sentido
• Ponto de aplicação da força ponto específico onde a força é
aplicada em um objeto (inserção – ponto móvel).
• Linha de aplicação linha reta de comprimento infinito na
direção na qual a força está agindo (origem – ponto fixo).
FORÇAS - VETORES
• Podem ser expressas gráfica e
matematicamente.
Ponto de 
fixação em 
outro 
corpo
Direção e
sentido da
força
Linha de ação da força
Magnitude da força
Positivo Negativo
7
Direção: vertical
Sentido: de baixo para cima
Magnitude (2cm): 1N, 1Kg ... 
Direção: vertical
Sentido: de cima para baixo
Magnitude (4cm): 2N, 2Kg ... 
Direção: Horizontal
Sentido: da esquerda para direita
Magnitude (2cm): 1N, 1Kg ... 
Direção: Horizontal
Sentido: da direita para esquerda
Magnitude (6 cm): 3 N, 3 Kg ... 
Direção: Oblíqua
Sentido: 
da esquerda para direita
de baixo para cima
Magnitude (2cm): 1N, 1Kg ... 
Direção: Oblíqua
Sentido: 
da esquerda para direita
de baixo para cima
Magnitude (6cm): 3N, 3Kg ... 
FORÇAS - VETORES
8
FORÇAS - VETORES
FORÇAS - VETORES
9
FORÇAS - VETORES
FORÇAS
• Componentes (I) gráficos e (II) matemáticos dos vetores de forças 
sobre a corda em equilíbrio no cabo-de-guerra.
10
FORÇAS
• Sistemas comumente usados para expressar pesos e medidas.
COMPOSIÇÃO VETORIAL
• A composição de vetores com o mesmo sentido depende da
soma de suas magnitudes.
11
COMPOSIÇÃO VETORIAL
• A composição de vetores com sentidos opostos depende da
subtração de suas magnitudes.
COMPOSIÇÃO VETORIAL
• Método “ponta-para-cauda” – a cauda do segundo vetor é
colocada sobre a ponta do primeiro vetor e a resultante é
traçada com sua cauda sobre a cauda do primeiro vetor e sua
ponta sobre a ponta do segundo vetor.
12
COMPOSIÇÃO VETORIAL
• Método do paralelogramo
A
B
A
B
B
A
C
m. Peitoral maior
C
COMPOSIÇÃO DE FORÇAS
Método do paralelogramo para
encontrar a força de tração resultante
sobre a perna.
(A) Os vetores de força atuando sobre a
perna são desenhados em escala.
(B) Linhas são desenhadas paralelas a
cada vetor de força a partir da ponta
de seta do outro vetor para formar
um paralelogramo.
(C) A força resultante é a diagonal a
partir da origem das forças. A
magnitude pode ser encontrada
medindo-se o comprimento da linha
de ação.
13
DECOMPOSIÇÃO VETORIAL
• Método do paralelogramo
m. Peitoral menor
A
B
C
A = magnitude direção e sentido da força musc.
B = vetor de ação da direita para esquerda
ABDUÇÃO DA ESCÁPULA
C = vetor de ação de cima para baixo
DEPRESSÃO DA ESCÁPULA
DIAGRAMAS DE VETORES DE FORÇAS
• O estado de movimento de um corpo depende das forças que
estão atuando sobre ele, em vez das forças que ele pode
exercer sobre outro corpo.
Forças sobre antebraço quando
segurando um peso de 4,5kg na
mão.
(A) Representação anatômica,
(B) Desenho a traço do
antebraço isolado e
(C) Representação vetorial das
forças exercidas pelas
estruturas removidas e a
gravidade.
14
DEPRESSÃOELEVAÇÃO
ROTAÇÃO SUPERIOR ROTAÇÃO INFERIOR
PROTRAÇÃO
RETRAÇÃO
15
16
COMPOSIÇÃO DE FORÇAS
• A composição e decomposição de forças são
características importantes na análise do
movimento humano, já que elas são usadas
para determinar o efeito das diversas forças
agindo sobre um objeto de segmento corporal
e, o efeito funcional, isto é, rotação x
estabilização.
COMPOSIÇÃO DE FORÇAS
17
COMPOSIÇÃO DE FORÇAS
• Várias forças podem agir simultaneamente sobre um corpo.
• + ou – duas ou mais forças  força resultante (força mais
simples que é capaz de produzir o mesmo efeito que todas as
forças atuando juntas).
Representação vetorial das forças
desenvolvidas por (A) o bíceps braquial,
(B) o braquial, (C) uma combinação dos
músculos braquiorradial, extensor
radial longo do carpo e extensor radial
curto do carpo quando o paciente
levanta um halter com a mão e
antebraço.
COMPOSIÇÃO DE FORÇAS
• Forças atuando em linhas paralelas ou na mesma linha  somadas.
Forças que atuam na articulação
do joelho quando o paciente
está sentado com uma bota de
exercício e peso no pé.
(A) Diagrama anatômico.
(B) Diagrama de corpo livre das
forças sobre o fêmur.
(C) Composição gráfica da força
resultante.
(D) Composição algébrica da
força resultante (o sinal negativo
indica que a direção da força é
para baixo).
18
COMPOSIÇÃO DE FORÇAS
Forças atuando em ângulos:
• Devem ser encontradas graficamente ou
trigonometricamente.
• Duas forças tracionando no mesmo ponto – resultante pelo
paralelogramo.
• Quanto maior o ângulo entre as duas forças menor a
resultante e vice-versa.
• Ex: paciente movendo-se sobre a maca.
COMPOSIÇÃO DE FORÇAS
• Mais de duas forças atuando – resultante pela formação de
um polígono. Resultante fecha o polígono.
Método do polígono de composição das forças usando-se tração de Russel, que se aplica a uma força de
tração sobre o fêmur. (A) 6,75kg de peso são suspensos no porta-peso. A perna, pé e peça do pé pesam,
3,6kg. (B) Diagrama em escala das forças atuando sobre o fêmur. (C) Os vetores de força são conectados
seriadamente, de acordo com o seu ângulo e direção. O lado aberto do polígono é a força única
resultante. Neste caso, a força de tração sobre o fêmur é 11,7kg e está atuando em um ângulo de 30° a
partir do eixo longitudinal do fêmur. Realinhamento das poliasé necessário a fim de colocar a força
resultante em linha Com o eixo longitudinal do fêmur.
19
MASSA x PESO
• Massa  É a medida da quantidade de matéria que constitui
um objeto e é expressa em quilogramas(kg).
• A massa de um objeto é constante, independente de onde ela
é medida, de modo que a massa deve ser a mesma se
calculada na Terra ou na Lua.
• Quanto maior a massa, maior sua inércia, e assim, maior a
dificuldade para movê-lo.
MASSA x PESO
• Peso Efeito da aceleração da gravidade sobre uma massa.
• O peso de um objeto na Terra é a força gravitacional exercida
pela Terra sobre a massa daquele objeto.
• A magnitude do peso de um objeto na Terra é igual a massa
do objeto vezes a magnitude da
aceleração da gravidade (9,8 m/s2).
• Ex: objeto de 10kg pesa aproximadamente 98 Newtons (N) na
Terra.
• A direção do peso sempre é verticalmente para baixo.
P= m.g
20
LEIS DE NEWTON DO MOVIMENTO
• 1ª LEI  equilíbrio;
• 2ª LEI  massa e aceleração;
• 3ª LEI  ação e reação.
1ª LEI - EQUILÍBRIO
• Equilíbrio – soma das forças atuando sobre um corpo é zero
ou balanceada.
• Ex: cabo de guerra – equilíbrio se todas as forças do lado
esquerdo igualam-se ao lado direito.
21
1ª LEI - EQUILÍBRIO
• Lei da Inércia – “Todo corpo persiste no seu estado de
repouso ou movimento uniforme em uma linha reta a não ser
que seja obrigado a alterar este estado por forças atuando
sobre ele.”
• Inércia  propriedade de um corpo que resiste a alteração no
movimento ou equilíbrio.
Uma força é necessária para iniciar, alterar a direção ou a 
velocidade e parar um movimento.
INÉRCIA
Exemplos:
• Pessoa em cadeira de rodas, maca, carro e o veículo pára
subitamente.
22
2ª LEI – MASSA E ACELERAÇÃO
• A aceleração (a) de um corpo é proporcional à magnitude
das forças (F) resultantes sobre ele e inversamente
proporcional à massa (m) do corpo.
• Uma força maior é necessária para mover (ou parar o
movimento de) uma massa grande do que uma massa
pequena.
F = m.a
3ª LEI – AÇÃO E REAÇÃO
• Para toda força de ação há uma força
de reação igual e oposta.
• Cada uma das forças atuando sobre um corpo ou uma parte
origina-se de outro corpo – forças não atuam isoladamente
mas de forma interativa.
• Sempre que dois corpos estão em contato eles exercem
forças iguais e opostas um sobre o outro.
• Exemplos:
• Cabo de guerra - em equilíbrio os meninos empurram o solo
e o solo empurra de volta com uma força igual e oposta.
23
3ª LEI – AÇÃO E REAÇÃO
• Um peso mantido na mão cria uma
força de 4,5kg na mão e a mão
resiste ao peso com uma força de
4,5kg.
• Um músculo traciona um osso e o
osso reage com uma força igual e
oposta.
3ª LEI – AÇÃO E REAÇÃO
• FORÇA DE REAÇÃO DO SOLO (FRS)
24
MEDIDA DE FRS
FRS
25
FRS
ALAVANCAS
26
ALAVANCAS
• Alavanca – haste rígida que roda ao redor de um eixo ou
fulcro. A força aplicada na alavanca movimenta uma
resistência.
ALAVANCAS
• Em biomecânica, os princípios da alavanca são usados para
visualizar o sistema mais complexo de forças que produzem
movimento rotatório no corpo.
• No corpo humano, o osso atua como uma haste rígida, a
articulação constitui o eixo ou fulcro e os músculos aplicam
força.
27
QUATRO 
COMPONENTES DA ALAVANCA
1. Ponto fixo/fulcro/Eixo:
ponto de rotação de alavanca.(p.ex.articulações ou solo)
2. Barra rígida:
local onde são aplicadas as forças.(p.ex.ossos)
3. Potência ou Força:
força de ação. (p. ex. ação muscular)
4. Resistência:
força de resistência – se opõe ao movimento.
(p.ex. carga externa ou massa corporal)
COMPONENTES DA ALAVANCA
• Braço de resistência – distância perpendicular da linha de
ação da força que se opõe ao movimento para o eixo.
• Braço de potência ou braço de força – distância
perpendicular da linha de ação da força que produz ou tende
a produzir o movimento para o eixo.
28
ALAVANCAS
• As três forças da alavanca mecânica são o eixo E (ou apoio), o 
peso P (ou resistência R), e a força F que move ou mantém. 
Eixo (E)
Peso (P) ou
Resistência (R)
Força (F)
ALAVANCAS
• A distância perpendicular do ponto de apoio (centro de
rotação - eixo) até a linha de ação do peso / resistência é
chamada braço de peso ou braço de resistência. A distância
perpendicular da força ao eixo é chamada braço da força ou
braço de potência.
Eixo (E) Peso (P) ou
Resistência (R)
Força (F)
Braço de peso ou 
de resistência
Braço de força ou 
de potência
29
ALAVANCAS
• Em movimentos angulares ou posturas do corpo, o
osso ou o segmento é a alavanca, e o eixo
usualmente está na articulação.
• A contração muscular é a força que move ou
mantém, e a resistência é o peso da parte,
segmentos do corpo ou resistências aplicadas.
P R
PF
P R
PF
P R
PF
1ª CLASSE 2ª CLASSE 3ª CLASSE
INTERFIXA
INTER = ENTRE
INTERRESISTENTE
INTERPOTENTE
BP BR
BP
BR BP
BR
EQUILÍBRIO FORÇA VELOCIDADE
BP = BR BP > BR BR > BP
30
ALAVANCA DE 1ª CLASSE
• Eixo fica situado entre a força e a resistência.
• A força aplicada e a resistência estão localizadas em lados
opostos do eixo.
• Funções: equilíbrio, força, velocidade.
Força ResistênciaEixo
ALAVANCA DE 1ª CLASSE
• As alavancas de 1ª classe, como a
gangorra ou a balança, podem ser usadas
para ganhar força ou distância,
dependendo dos comprimentos relativos
do braço de força e do braço de peso ou
resistência.
31
ALAVANCA DE 1ª CLASSE
• No corpo humano, a ação simultânea dos
grupos musculares agonistas e antagonistas
em lados opostos de um eixo articular é
análoga ao funcionamento de uma alavanca
de primeira classe
• os agonistas fornecendo a força aplicada e os
antagonistas proporcionando uma força de
resistência.
ALAVANCAS DE 1ª CLASSE
• No corpo, o sistema de alavanca de 1ª classe é
frequentemente usado para manter posturas e equilíbrio.
32
ALAVANCAS DE 1ª CLASSE
• Ex: articulação
atlantooccipital (eixo), onde
a cabeça (peso) é equilibrada
pela força dos músculos
extensores.
ALAVANCAS DE 1ª CLASSE
• Este tipo de disposição de alavanca é comumente usado em órteses
para aplicar um suporte ou força corretiva a partes do corpo
33
ALAVANCAS DE 2ª CLASSE
• Resistência entre o eixo e a força.
• Função – força.
Eixo
Resistência
Força
ALAVANCAS DE 2ª CLASSE
• As alavancas de 2ª classe proporcionam uma vantagem de força tal
que grandes pesos podem ser suportados ou movidos por uma
força menor. O carrinho de mão e o uso de um pé de cabra para
forçar são exemplos mecânicos deste tipo de alavancagem.
34
ALAVANCAS DE 2ª CLASSE
• No corpo, há poucos exemplos desta alavanca.
Exemplos:
• Ação do braquiorradial e dos extensores do
punho para manter a posição de flexão do
cotovelo.
• Ação do tríceps sural no movimento de ficar na
ponta dos pés e na impulsão durante a marcha
ALAVANCAS DE 3ª CLASSE
• Força está situada entre a resistência e o eixo.
• Função – velocidade.
• Extremamente comum no corpo humano.
• Braço de resistência é sempre mais longo que braço de força.
Eixo
Força
Resistência
35
ALAVANCAS DE 3ª CLASSE
• Este arranjo é projetado para produzir
velocidade do segmento distal e para mover
um peso pequeno por uma longa distância.
• Assim, no corpo humano, uma pequena
quantidade de encurtamento de um músculo
como o braquial causa um grande arco de
movimento ao nível da mão.
ALAVANCAS DE 3ª CLASSE
36
ALAVANCAS DE 3ª CLASSE
• Este tipo de alavanca é encontrado na maioria dos
movimentos de cadeia aberta das extremidades:
• Deltóide atuando sobre a articulação glenoumeral.
• Flexor superficial dos dedos nas articulações
interfalangeanas.
• Tibial anterior na articulação do tornozelo .
• Bíceps e o braquial no cotovelo.
ALAVANCAS DE 3ª CLASSE
37
ALAVANCAS DE 3ª CLASSE
• A maioria dos sistemas de alavanca músculo-osso do corpo
humano é também de terceira classe para as contrações
concêntricas, com o músculo fornecendo a força aplicada e
fixando-se ao osso a uma curta distância do centro articular,
em comparação com a distância na qual na qual atua a
resistência proporcionada pelo peso do segmento corporal ou
aquela de um segmentocorporal mais distal.
ALAVANCAS
• Vantagem mecânica (VM) da alavanca designa a razão entre
o comprimento do braço da força e o comprimento do braço
de resistência. A equação é:
• Um aumento no comprimento do braço da força ou uma
diminuição no comprimento do braço de resistência, resulta
em maior vantagem mecânica, facilitando assim a tarefa a ser
realizada.
VM = Comprimento do braço da força (potência)
Comprimento do braço de resistência (peso/carga)
38
ALAVANCAS
Na construção de uma alavanca existem 3 situações que podem 
surgir e definem a função da alavanca:
• O caso mais simples é quando VM=1 ou quando o braço de
força equivale ao braço de resistência (BP = BR). Nesse caso,
a função da alavanca é alterar a direção do movimento ou o
equilíbrio da alavanca, mas não ampliar nem a força nem a
resistência.
• O segundo caso é quando a VM é maior que 1, ou quando o
braço de força é maior que o braço de resistência (BP > BR).
ALAVANCAS
• Na terceira situação, VM menor que 1, o braço de força é
menor que o braço de resistência (BP < BR). Nesse caso, uma
força de esforço muito maior é necessária para vencer a força
de resistência.
• A força de esforço age sobre uma distância pequena,
contudo, com o resultado de que a força de resistência é
movida sobre uma distância muito maior na mesma
quantidade de tempo.
• Desse modo, quando VM menor que 1, considera-se que a
velocidade do movimento é ampliada.
39
ALAVANCAS
• Sempre que o braço de força for maior que o braço de
resistência, a magnitude da força aplicada necessária para
deslocar uma determinada resistência é menor que a
magnitude dessa resistência.
• Sempre que o braço de resistência é mais longo que o braço
de força, a resistência poderá ser deslocada através de uma
distância relativamente grande.
• Vantagem mecânica  eficiência mecânica de uma alavanca
em movimentaruma resistência .
ALAVANCAS
• O ângulo da vantagem
mecânica máxima para
qualquer músculo é o ângulo
no qual pode ser produzida a
maior força rotatória. Em uma
articulação como o cotovelo, o
ângulo fica próximo dos
ângulos de inserção dos
flexores do cotovelo. As
vantagens mecânicas máximas
para o braquial, o bíceps e o
braquiorradial ocorrem entre
ângulos no cotovelo de
aproximadamente 75° e 90°.
40
RELEMBRANDO....
• A classificação das alavancas como de 1ª , 2ª ou 3ª classe depende
unicamente das relações entre o eixo, a resistência (peso) e a força.
Se o eixo for central, a classe é I; se a resistência (peso) é central, a
classe é II; se a força é central, a classe é III.
RELEMBRANDO...
VM = 1  BF = BR
Não amplia nem força nem resistência.
VM˃ 1  BF ˃ BR Função: força
Grandes pesos podem ser suportados ou movidos por
uma força menor. Força necessária para deslocar uma
resistência é menor que essa resistência. R é menor
então não precisa de tanta força para mover o segmento.
VM˂ 1  BF ˂ BR Função: velocidade / movimento
Uma força muito maior é necessária para vencer a
força de resistência. Projetado para produzir
velocidade do segmento distal e para mover um peso
pequeno por uma longa distância. R é maior então
precisa de mais força para mover o segmento / vencer
a resistência.
41
RELEMBRANDO...
ALAVANCAS
• Qual a alavanca maisencontrada no corpo humano?
• 3ª Classe – função de velocidade. As inserções são próximas
das articulações então a força está sempre no meio.
• Por que relatam que o homem foi mal projetado do ponto de
vista mecânico?
• Porque quanto maior o braço de força, menor o trabalho
muscular, só que no homem o braço de força é menor que o
braço de resistência.
42
EXERCÍCIOS
• Cite e exemplifique as 3 leis de Newton.
EXERCÍCIO:
• Qual é o peso de um indivíduo que possui 
uma massa de 68 kg?
43
EXERCÍCIO:
• Qual é a massa de um objeto que pesa 
1.200N?
EXERCÍCIO:
• Representar graficamente o vetor resultante:
• A) C) 
• B) D) 
P
Q
R
A
B
L
M
T
U
V
44
EXERCÍCIO:
• Representar graficamente o vetor resultante:
• E) P
Q
R
S
REFERÊNCIAS
HALL, S. Biomecânica Básica. Editora Guanabara Koogan, 
6ª edição, 2013. 
FRANKEL, V.H. NORDIN, M. Biomecânica básica do 
sistema musculoesquelético. Editora Guanabara Koogan, 4ª 
edição, 2014.
HAMILL, J, KNUTZEN K.M. Bases biomecânicas do 
movimento humano. Editora Manole, 3ª edição, 2012.