BIOMECÁNICA DEL MÚSCULO ESQUELÉTICO ALEJANDRO GÓMEZ RODAS PROFESIONAL EN CIENCIAS DEL DEPORTE Y LA RECREACIÓN ESPECIALISTA EN ACTIVIDAD FÍSICA Y SALUD FISIOTERAPEUTA Y KINESIÓLOGO

GENERALIDADES El músculo es el único tejido capaz de desarrollar tensión activamente, esto le permite: Mantener la postura erguida Mover los segmentos corporales Absorber impacto Dado que lo hace en conjunto con el sistema nervioso, se les llama sistema neuromuscular

PROPIEDADES DE LA UNIDAD MÚSCULO-TENDINOSA Las cuatro propiedades del tejido muscular son: Extensibilidad Elasticidad Irritabilidad Habilidad para desarrollar tensión

EXTENSIBILIDAD Y ELASTICIDAD Es la habilidad para incrementar la longitud Elasticidad: Es la habilidad para retornar a la longitud normal después de un estiramiento y provee una transmisión suave de tensión del músculo al hueso

ELASTICIDAD El comportamiento elástico del músculo se ha descrito dependiente de dos grandes componentes: El componente elástico en paralelo: Epimisio, perimisio, endomisio: Provee resistencia ante el estiramiento pasivo El componente elástico en serie: Tendón: Actúa como un resorte que guarda energía elástica cuando un músculo es estirado

CURVA PASIVA LONGITUD - TENSIÓN

IRRITABILIDAD Y HABILIDAD PARA DESARROLLAR TENSIÓN Es la habilidad para responder a estímulos: Electroquímicos: potencial de acción neuronal motor Mecánico: Fuerza externa Cuando un músculo responde a estímulos, desarrolla tensión! Habilidad para desarrollar tensión: Característica única del músculo, históricamente referida como contracción: Contractilidad: Habilidad para acortarse en longitud, sin embargo, no siempre es así.

CURVA ACTIVA LONGITUD - TENSIÓN

CURVA TOTAL LONGITUD - TENSIÓN

ORGANIZACIÓN ESTRUCTURAL DEL MÚSCULO ESQUELÉTICO

TIPOS DE FIBRAS MUSCULARES Las fibras musculares exhiben diferentes características estructurales, histoquímicas y de comportamiento. Se dividen en: Fibras rápidas: Requieren sólo 1/7 parte del tiempo requerido a una fibra lenta para alcanzar su pico de tensión Fibras lentas

ARQUITECTURA DEL MÚSCULO ESQUELÉTICO Otra variable que influencia la función muscular es el ordenamiento de las fibras musculares dentro del músculo Estas consideraciones estructurales afectan la expresión de fuerza muscular y el rango de movimiento que puede generar un músculo. Las dos categorías de ordenamiento de fibras musculares son: Paralelo Penado

ARQUITECTURA DEL MÚSCULO ESQUELÉTICO Fibras orientadas en PARALELO: Se orientan ampliamente en paralelo a lo largo del eje longitudinal del músculo Fibras PENADAS: Se orientan oblicuamente a determinado ángulo al eje longitudinal del músculo. Cada fibra de un músculo penado se inserta a uno o más tendones, los cuales se extienden a lo largo de la longitud entera del músculo. Cuando las fibras de un músculo penado se acortan, rotan alrededor de su tendón de inserción, incrementando progresivamente su ángulo de penación A medida que se incrementa el ángulo de penación, más pequeña será la cantidad de fuerza efectiva transmitida al tendón o al hueso El ordenamiento penado permite empaquetar mayor número de fibras musculares por unidad de volumen muscular, pudiendo entonces generar mayor fuerza muscular que el ordenamiento de fibras en paralelo.

INCREMENTO ÁNGULO DE PENACIÓN AL INCREMENTARSE LA TENSIÓN

DESARROLLO PROBLEMA Cuánta fuerza ejerce un tendón de un músculo penado cuando la tensión en las fibras es de 100 N, dados los siguientes ángulos de penación: 40⁰ 60⁰ 80⁰ Datos: Fuerza de las fibras (Ff = 100 N) Fuerza del tendón (Ft = ?)

SOLUCIÓN DEL PROBLEMA Lo que se quiere averiguar es la magnitud de la fuerza del lado adyacente, por tanto se debe multiplicar el coseno del ángulo conocido por la magnitud de la fuerza de la hipotenusa conocida: Para 40⁰ → (cos 40⁰) (100 N) = 76.6 N Para 60⁰ → (cos 60⁰) (100 N) = 50 N Para 80⁰ → (cos 80⁰) (100 N) = 17.4 N

ARQUITECTURA DEL MÚSCULO ESQUELÉTICO Las diferencias en la organización estructural muscular le proveen de características especiales: Debido a que las fibras musculares poseen relativamente una capacidad similar para acortarse, las fibras musculares más largas, producen mayor acortamiento absoluto que las fibras cortas. Debido a que los músculos con fibras paralelas, generalmente tienen fibras más largas que los músculos penados, tendrán mayor capacidad de acortamiento que los músculos penados Los músculos con brazos de palanca más cortos son capaces de producir excursiones angulares más grandes que músculos con igual longitud en sus fibras pero con brazos de palanca más largos

RELACIÓN ENTRE LA GENERACIÓN DE TORQUE Y EL ÁNGULO ARTICULAR La fuerza máxima isométrica de un músculo es un indicador general del pico de fuerza de un músculo. La generación de torque interno de un músculo se puede medir en varios ángulos articulares y sorprendentemente, cada ángulo muestra valores de torque diferentes para cada músculo en particular

COMPONENTE ROTATORIO MÁXIMO Debido a que el componente de la fuerza muscular directamente perpendicular al sitio de inserción muscular, produce torque o efecto rotatorio; este componente es la medición estándar de la fuerza muscular. Por tanto, la predicción de este componente de fuerza es esencial en el conocimiento de la función biomecánica muscular

PROBLEMA Cuánto torque se produce en el codo por el bíceps braquial al insertarse en la tuberosidad radial en un ángulo de 60⁰, cuando la tensión del músculo es de 400 N? Asuma que la inserción del músculo en el radio se encuentra a 3 cm del centro de rotación de la articulación del codo. Datos conocidos: Fm = 400 N Α = 60⁰ d = 0.03 m

SOLUCIÓN Se quiere hallar Tm, dado que sólo el componente de fuerza muscular perpendicular al hueso genera torque en la articulación. El componente perpendicular de fuerza es: Fp = Fm x Sen α Fp = (400 N) (Sen 60⁰) Fp = 346.4 N Tm = Fp x d Tm = (346.4 N) (0.03 m) Tm = 10.4 N-m

EL MÚSCULO COMO MOVILIZADOR DEL ESQUELETO: MODULACIÓN DE LA FUERZA Los músculos modifican activamente la fuerza mientras cambian su longitud, lo cual es necesario para mover controladamente el sistema esquelético. La gradación activa de las fuerzas musculares requiere de un mecanismo de control de la excitación del tejido muscular El sistema nervioso actúa como un controlador que puede variar la activación del músculo de acuerdo a las demandas particulares de tareas motoras específicas.

CAMBIOS EN LA LONGITUD MUSCULAR CON EL DESARROLLO DE TENSIÓN Cuando una tensión muscular produce un torque interno mayor que el torque externo de la gravedad, el músculo se acorta. A este tipo de contracción se le denomina concéntrica: se desarrolla tensión mientras el músculo se acorta Si el torque externo que se opone al torque interno muscular son iguales, la longitud muscular se mantiene sin cambio y no se produce movimiento en la articulación. A este tipo de contracción se le denomina isométrica: se desarrolla tensión y el músculo permanece en una misma longitud. Si el torque externo es más grande que el torque interno muscular, el músculo se alarga. A este tipo de contracción se le denomina excéntrica: se desarrolla tensión mientras el músculo se alarga.

MODULACIÓN DE LA FUERZA A TRAVÉS DE LA ACTIVACIÓN CONCÉNTRICA O EXCÉNTRICA El sistema nervioso estimula a las músculos para generar o resistir una fuerza por medio de contracciones concéntricas, isométricas o excéntricas. Durante las contracciones concéntricas y excéntricas, la tasa de cambio de longitud está íntimamente relacionada al potencial máximo de fuerza del músculo Durante la contracción concéntrica, por ejemplo, el músculo se contrae a una máxima velocidad cuando la carga es insignificante, a medida que la carga se incrementa, la velocidad de contracción máxima decrece En algún punto, a cargas muy altas, la velocidad de contracción llega a ser cero, alcanzándose una contracción isométrica.

MODULACIÓN DE LA FUERZA A TRAVÉS DE LA ACTIVACIÓN CONCÉNTRICA O EXCÉNTRICA En las contracciones concéntricas, se excede por más la carga soportada en una isométrica, forzando al músculo a alargarse lentamente. La velocidad de la elongación se incrementa controladamente a medida que la carga también lo hace. Habrá eventualmente una carga máxima que el músculo no podrá resistir y más allá de este nivel de carga el músculo se elongará incontrolablemente.

CURVA FUERZA VELOCIDAD

PRINCIPIO DEL TAMAÑO Cuando debe movilizarse una carga de bajo peso, el sistema nervioso reacciona reclutando las fibras de más bajo umbral (ST o tipo I). A medida que se incrementa la carga a movilizar, se irán reclutando progresivamente las fibras de contracción rápidas, primero las tipo II a y después las II b. A este orden de reclutamiento, se le ha denominado “reclutamiento en rampa” - “principio de Henneman” y se caracteriza por respetar el principio del tamaño de las unidades motoras.

PRINCIPIO DEL TAMAÑO Al 15% de la FIM (fuerza isómetrica máxima) se activan las tipo I con frecuencias de impulso nervioso de 10 Hz. Al 30% de la FIM, siguen unidades motoras lentas tipo I pero que producen más fuerza aumentando su frecuencia de estímulo. Al 40-50% de la FIM se reclutan las II a a frecuencias de impulso de 15 Hz. Al 70-90% de la FIM se activan las II b a frecuencias de impulsos de 40-60 Hz. Al 100% de la FIM, todas las unidades motoras están activadas a frecuencias de impulso elevadas.

PRINCIPIO DEL TAMAÑO Las frecuencias de impulso de las fibras II b al 100% de la FIM (60 Hz) son inferiores a las máximas que pueden producir (100-120 Hz), pero al contrario de producir más fuerza, lo que producen estas frecuencias es una disminución en el tiempo de manifestación de la fuerza. Este hecho reviste una gran importancia en el campo deportivo, ya que el tiempo necesario para aplicar la máxima fuerza voluntaria ronda aproximadamente los 300-400 ms.

ROLES ASUMIDOS POR LOS MÚSCULOS El músculo sólo puede hacer una cosa: generar tensión. Sin embargo, en términos de su función, interactúa con otros músculos asumiendo diferentes roles: Agonista: Cuando causa movimiento de un segmento corporal en una articulación. (Hay agonistas primarios y asistentes) Antagonista: Cuando ejecuta la acción contraria de las agonistas Estabilizadores: Cuando estabilizan una porción del cuerpo en contra de fuerzas particulares, tanto internas como externas Neutralizadores: Cuando evitan movimientos indeseados producidos por otros músculos

MÚSCULOS BIARTICULARES Y MULTIARTICULARES Hay músculos que cruzan dos o más articulaciones en su recorrido, convirtiendo fácilmente las rotaciones de los segmentos en traslaciones corporales, con dos desventajas: Insuficiencia activa: Inhabilidad para desarrollar tensión cuando la posición de la articulación lo deja corto de acción en una de sus inserciones Insuficiencia pasiva: Inhabilidad para elongarse cuando la posición de las articulaciones lo deja corto de estiramiento en una de sus inserciones.

CICLO ESTIRAMIENTO - ACORTAMIENTO Cuando un músculo es estirado previamente antes de su inminente tensión (patrón de contracción excéntrica), la contracción resultante es más poderosa que en ausencia del preestiramiento. A este tipo de función muscular se le denomina ciclo estiramiento-acortamiento Se ha estimado que contribuye entre un 22% y 42% al trabajo positivo efectuado. Disminuye el costo metabólico de las acciones musculares Posibles causas: Componentes elásticos en serie y paralelo Facilitación neural desde husos neuromusculares

ÁREA DE CORTE TRANSVERSAL MUSCULAR Otra de las variables directamente implicada con la capacidad de tensión muscular es el tamaño del área de corte transversal muscular A mayor cantidad de miofilamentos que produzcan puentes cruzados, mayor capacidad contráctil del músculo y, por ende, mayor fuerza muscular

PROBLEMA Cuánta tensión debe ser desarrollada en músculos con las siguientes áreas de corte transversal? 4 cm² 10 cm² 12 cm² Datos conocidos: Cada cm² de área de corte transversal muscular produce 90 N

SOLUCIÓN F = (90 N/cm²) (4 cm²) = 360 N