Biofísica Esquelética

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Biofísica Esquelética 
Introdução 
A biomecânica é o estudo das 
forças que são aplicadas no corpo e a 
reação do corpo a essas forças. 
A biomecânica externa estuda as 
forças físicas que agem sobre os corpos, 
enquanto a biomecânica interna estuda a 
mecânica e os aspectos biofísicos das 
articulações, dos ossos e tecidos. 
Ossos 
Os ossos são um tecido conjuntivo 
especializado. O tecido ósseo é composto 
de colágeno do tipo I com várias células 
(osteoblastos, osteócitos e osteoclastos), 
glicoproteínas e íons como cálcio e fósforo. 
Eles conferem uma sustentação 
rígida ao corpo e criam um sistema de 
alavancas. Além disso protegem as partes 
moles e promovem a locomoção do corpo. 
O osso longo é composto 
internamente por trabéculas de osso 
esponjoso e em sua periferia por osso 
compacto. A subunidade do osso 
compacto é o ósteon (sistema de Havers) 
composto por um canal de Havers com 
espirais concêntricas que formam lamelas 
e dentro destas estão lacunas com os 
osteócitos. 
Forças Esqueléticas 
As estruturas do aparelho locomotor 
podem ter diferentes forças aplicadas sobre 
elas. Estas forças são chamadas de 
solicitações mecânicas e podem ser de: 
compressão, tração, flexão, deslizamento e 
torção. 
A compressão atua na direção 
longitudinal dos ossos, tendendo a diminuir 
seu comprimento e aumentar seu diâmetro. 
Quanto maior essa força, mais tecido o 
osso deve ter para suportá-la. 
 
 
 
 
 
 
 
 
A tração é o oposto da compressão, 
tendendo a aumentar o comprimento do 
osso e diminuir seu diâmetro. 
O deslizamento (cisalhamento) 
tende a provocar um deslizamento de uma 
parte de um osso sobre outra. 
A flexão tende a curvar um osso, 
provocando esforços de compressão de um 
lado e esforços de tração do outro. 
 
 
 
 
A torção é um tipo de carga que 
tende a torcer um osso. 
Além disso, os ossos estão 
submetidos à força gravitacional, forças 
musculares e muitas outras, sendo então 
submetidos a mais de uma solicitação 
mecânica, formando cargas combinadas. 
Fraturas Ósseas 
A fratura de galho verde é uma 
fratura incompleta e a solução de 
continuidade ocorre na superfície convexa 
da inclinação no osso. 
A fratura fissurada envolve uma 
fenda longitudinal incompleta. 
A fratura cominutiva é uma fratura 
completa que fragmenta o osso. 
A fratura transversa é uma fratura 
completa e a fenda ocorre em ângulo reto 
com o osso. 
A fratura obliqua é uma fratura que 
ocorre sem formar ângulo reto com o eixo 
do osso. 
A fratura espiralada é uma fratura 
completa causada pela rotação excessiva 
do osso. 
 
 
Forças Musculares 
As molas motoras dos movimentos 
dos animais são os músculos, mediante de 
algumas células excitáveis, adquirindo 
habilidade de se mover. Os músculos, ao se 
movimentarem, acacabam por movimentar 
os ossos. 
Os músculos esqueléticos (liso e 
cardíaco) são responsáveis pelo 
movimento do animal, sendo constituídos 
pelas fibras musculares que são células 
excitáveis que podem contrair ou relaxar. 
As propriedades dos músculos são 
extensibilidade (capacidade de aumentar 
seu comprimento), elasticidade 
(capacidade de retornar ao seu 
comprimento original após a deformação), 
contratilidade (capacidade de se encurtar 
ao receber estímulos), irritabilidade 
(capacidade de responder a um estímulo) e 
a capacidade de gerar tensão pela 
ativação do músculo. 
Papéis dos Músculos 
Os músculos podem exercer vários 
papéis diferentes, sendo agonistas ou 
antagonistas. 
O agonista é o músculo ou grupo 
muscular que está mais diretamente 
relacionado ao ínicio e à execução de um 
dado movimento em uma dada articulação, 
por meio de uma ação concêntrica. 
O antagonista é o músculo ou grupo 
muscular cuja ação é considerada oposta a 
um dado agonista, por meio de uma ação 
excêntrica. 
 
Além disso, os músculos também 
podem ser estabilizadores e 
neutralizadores. 
Os estabilizadores são os músculos 
que agem em um segmento de modo a 
estabilizá-lo, para que possam ocorrer 
movimentos específicos em articulações 
adjacentes. 
Os neutralizadores são músculos 
que previnem ações acessórias 
indesejadas provocadas por outros 
músculos. Ex.: se apenas a flexão do 
cotovelo é desejada o músculo pronador 
redondo age como neutralizador na 
supinação do antebraço. 
Tensão Muscular 
Quando um músculo é ativado ele 
desenvolve tensão, que depende da área 
da sua seção transversal. Esta tensão 
produz torque nas articulações. O torque 
resultante determina a presença ou não de 
movimento. 
O produto de uma força pela 
distância perpendicular produz um torque 
ou momento. Um torque é o equivalente 
rotatório de uma força, sendo descrito como 
ocorrendo ao redor de uma articulação, em 
um plano perpendicular a um eixo de 
rotação. 
O torque interno é o produto de 
uma força interna (músculo) e o braço do 
momento interno. O braço do momento 
interno é a distância perpendicular entre o 
eixo de rotação e a força interna. 
O torque externo é o produto de 
uma força externa (como a gravidade) e o 
braço do momento externo. O braço do 
momento externo é a distância 
perpendicular entre o eixo de rotação e a 
força externa. 
Os torques internos e externos estão 
sempre competindo pela dominância nas 
articulações. Desse modo, o mais 
dominante se reflete na direção do 
movimento ou na posição das articulações. 
Uma força produzida por um 
músculo que não apresenta braço de 
momento não provoca torque ou rotação. 
Um músculo é considerado ativo 
quando é estimulado pelo sistema 
nervoso. Quando ativado pode produzir 
três tipos de ações: isométrica, concêntrica 
ou excêntrica. 
Ações Musculares 
A ação isométrica (do grego isos, 
igual, e metron, medida) ocorre quando o 
músculo produz uma força de tração 
enquanto mantém seu comprimento 
constante. Durante essa ação o torque 
interno é igual ao torque externo. 
A ação concêntrica (“indo para o 
centro”) ocorre quando um músculo produz 
uma força de tração ao se contrair. Nela o 
torque interno excede o torque externo. 
A ação excêntrica (“distante do 
centro”) ocorre quando um músculo produz 
uma força de tração ao se alongar. Nela o 
torque externo excede o torque interno. 
 Torque (Momento) 
O torque é definido como o produto 
da magnitude de uma força pela distância 
perpendicular desde a linha de ação da 
força até o eixo de rotação, tendo então a 
seguinte fórmula: 
T = F x r 
Onde T é o torque em unidade do 
torque (Nm), F é a força em Newtons (N) e 
r é a distância perpendicular em metros (m). 
As características do torque são: 
→ Magnitude da força: é a intensidade 
da força aplicada que permitirá o 
movimento; 
→ Distância: mais curta, ou 
perpendicular, desde o ponto pivô até 
a linha de ação da força; 
→ Quanto maior o braço de momento 
ou a força aplicada, maior o torque. 
Equilíbrio Estático 
Um corpo está em equilíbrio estático 
quando não está experimentando 
aceleração. Portanto, a soma das forças e 
a soma dos torques são zero. As condições 
de equilíbrio estático são as seguintes: 
→ 1ª condição: a força resultante de 
todas as forças que atuam sobre o 
corpo deve ser igual a zero, 
garantindo a ausência de translação. 
F = 0 
→ 2ª condição: o momento (torque) 
resultante de todas as forças que 
atuam sobre o corpo em relação a 
qualquer eixo deve ser igual a zero, 
garantindo a ausência de rotação. 
M = 0 
A Terceira Lei de Newton 
A 3ª lei de Newton postula que para 
cada ação há uma reação igual e oposta. 
Portanto, todo efeito que um corpo exerce 
sobre outro é contrabalanceado pelo efeito 
que o segundo corpo exerce sobre o 
primeiro. 
Alavancas Ósseas 
No corpo, as forças internas e 
externas produzem torques por meio das 
alavancas ósseas. Uma função da 
alavanca é converter uma força linear em 
torque rotatório. Elas são compostas 
basicamente de: 
→ Força potente: é a força interna (do 
músculo que exercemos para gerar o 
torque (Força); 
→ Força resistente: é a força externa 
que cria resistência à força potente, 
ou seja, a forçaque pretendemos 
vencer para gerar o torque 
(resistência); 
→ Ponto fixo (fulcro): é o ponto de 
apoio. O eixo de rotação se localiza 
sobre o ponto fixo, pois o ponto fixo 
representa o centro da circunstância 
que descreve a trajetória do 
movimento; 
→ Braço de força: é a distância entre a 
força e o ponto fixo; 
→ Braço da resistência: é a distância 
entre a resistência e o ponto fixo. 
Podemos usar como exemplo uma 
gangorra simples como alavanca de 
primeira classe (interfixa): 
 
 
Nessa imagem podemos perceber a 
presença de um ponto fixo entre as duas 
forças. O garoto é a força resistente (R) 
com seu braço de resistência (D1) e o 
homem é a força potente (P) com seu braço 
de força (D). É evidente que o braço de 
força está menor que o braço de 
resistência. 
Sabendo que R = 336N (peso do 
garoto em Newtons) e que seu braço de 
resistência mede 1,82m e que F = 672N 
(peso do homem em Newtons) e que seu 
braço de força mede 0,91m, podemos notar 
que esta alavanca está em equilíbrio, pois: 
672 x 0,91 = 336 x 1,82 → 611,5 = 611,5 
D1 D 
F 
R 
Portanto, como dito pelo equilíbrio 
estático, as forças resultantes são iguais a 
zero, e, desse modo ocorre o equilíbrio da 
gangorra (alavanca). 
Dentro do corpo, as forças potentes 
e resistentes produzem torques por meio 
das alavancas. O fulcro está localizado na 
articulação. 
As alavancas podem ser 
classificadas em três classes, sendo a de 
primeira classe chamada de interfixa, a de 
segunda classe inter-resistente e a de 
terceira classe interpotente. 
Alavanca Interfixa 
Nas alavancas de primeira classe, o 
ponto fixo está posicionado entre as 
forças potentes e resistentes. Um exemplo 
no corpo humano é formado pelos 
músculos extensores da cabeça e do 
pescoço que controlam a postura no plano 
sagital. A força é o músculo da cabeça, a 
resistência é o peso da cabeça e o ponto 
fixo são as vértebras. 
Nessas alavancas, geralmente as 
forças internas e externas agem em 
direções lineares similares, embora 
possam produzir torques opostos. 
Alavanca Inter-resistente 
As alavancas de segunda classe 
possuem seu ponto fixo localizado em uma 
extremidade do osso e a resistência está 
entre o ponto fixo e a força potente. Logo, 
a potência possui maior alavancagem do 
que a resistência. Essas alavancas são 
raras no organismo. Um exemplo é o 
torque necessário para ficarmos nas 
pontas dos pés pelos músculos da 
panturrilha. Nela o ponto fixo são os 
dedos do pé, a força é o músculo da 
panturrilha e a resistência é o peso 
corporal. 
Como o braço da força é superior ao 
braço da resistência conseguimos produzir 
um torque maior com menor força, 
superando o nosso peso corporal. 
Alavanca Interpotente 
Nas alavancas de terceira classe, 
assim como na alavanca de segunda 
classe o ponto fixo está em uma 
extremidade do osso, porém quem está no 
meio é a potência e a resistência fica na 
outra extremidade. Portanto, a resistência 
tem maior alavancagem. Um exemplo são 
os músculos do cotovelo que sustentam um 
peso colocado na mão. Nele, os músculos 
flexores do cotovelo são a força, o osso do 
cotovelo (olécrano) é o ponto fixo e o peso 
carregado é a resistência. 
A maioria das alavancas do sistema 
musculoesquelético animal são de terceira 
classe, apresentando baixo rendimento 
em termos de força. 
 
 
Tipos de Movimentos 
Os movimentos podem ser no solo, 
ar e água. Os meios de locomoção no solo 
mais comuns são: corrida, marcha, 
reptação e salto. A corrida é comum nos 
digitígrados (guepardo) e nos ungulados 
(cavalos), oferecendo grande velocidade a 
eles. A marcha é comum nos plantígrados 
(urso, por exemplo), oferecendo baixa 
velocidade em marcha lenta. 
Ao comparar um cachorro com um 
guepardo é notável que a posição estável 
da cabeça se mantém constante por todo o 
trajeto, ao contrário do cão. Isso porque o 
guepardo precisa manter o contato visual 
com sua presa, já o cão precisa maximizar 
seu impulso com os movimentos verticais 
da cabeça. 
 
A girafa se assemelha a um 
guindaste, com problemas mecânicos. Em 
um guindaste, o peso do braço do elevador 
é equilibrado por um contrapeso. Mas a 
girada não tem contrapeso e, portanto, a 
massa da cabeça cria a força de rolamento. 
E, no entanto, a girafa mantém o 
equilíbrio. Uma girafa funciona usando um 
giro rotatório ou uma marcha galopante, 
com movimentos grandes e dinâmicos dos 
membros e do eixo do corpo. 
A girafa galopante mantém sua 
cabeça e ombros estáveis durante a 
corrida, apenas com mudanças sutis no 
pescoço, resultando em um equilibro 
apesar da sua construção pesada. 
 
 
 
 
 
No salto os membros inferiores são 
muito desenvolvidos, com tendões longos e 
elásticos nos pés, como o canguru. 
Na escavação são necessárias 
extremidades fortes e garras bem 
desenvolvidas, como as toupeiras. 
Os répteis se locomovem por 
reptação se ondulando pelo solo, podendo 
fazer movimentos retilíneos, concertinas 
(sanfona) e em zig-zag. 
 
As aves podem ser ratitas (não 
voadaoras) ou carinatas (voadoras). 
As ratitas, como as emas, andam e 
correm necessitando de pernas fortes e 
longas e dedos reduzidos. 
As carinatas possuem dois tipos de 
voos: os voos de batimento contínuo 
típico de aves de ases curtas, como o beija-
flor, realizando batidas rápidas e potentes. 
 Os voos de batimento alternado 
com voo planar típico de aves com mais de 
140g que alternam o batimento para ganhar 
altitude com o planeio. Há ainda dois tipos: 
bater as asas e depois fechá-las ou bater as 
asas e mantê-las abertas. 
A locomoção da água é a natação, 
auxiliada pelas barbatanas.