Resumo de Biomecânica

1 - CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO ESTÁTICO

Um corpo submetido à ação de forças pode estar em repouso, em movimento de translação, em movimento de rotação, ou em movimento que seja a combinação de translação e rotação.

Se o corpo estiver em movimento sem rotação, a soma dos torques produzidos por todas as forças externas em relação a um ponto qualquer deve ser nula.

Diz-se que o corpo está em equilíbrio estático se a soma das forças externas e de seus torques forem nulas, isto é,

A soma das forças externas, a primeira equação, pode ser decomposta em soma das componentes em x e y:

A ação da Terra sobre os corpos na sua superfície se estende às partículas e às moléculas que os constituem. Assim , a força peso não atua numa única partícula, mas em todas, e a resultante P é a soma dessas forças. Existe, entretanto, em todos os corpos, um único ponto em relação ao qual o torque de sua força peso é sempre nulo. Tal ponto é conhecido como centro de gravidade CG do corpo. Uma conseqüência imediata é o fato de que o ponto de aplicação da força peso resultante sobre o corpo é o centro de gravidade.

A COLUNA VERTEBRAL

Os ossos fornecem o principal suporte estrutural para o corpo (Fig. 2.20). Exames desta figura mostram que a área seccional transversal dos ossos de suporte geralmente aumentam da cabeça para os pés. Estes ossos fornecem um suporte para os músculos adicionais e tecidos contidos no corpo quando ele se move para baixo.

A coluna vertebral é dividida em quatro partes: sete vértebras cervicais, logo abaixo da caixa craniana, doze vértebras torácicas, seguidas de cinco vértebras lombares, que estão imediatamente acima do sacro contendo o cóccix. A ordenação das vértebras é de cima para baixo; assim, a primeira vértebra cervical está sustentando a cabeça e a quinta vértebra lombar é a última antes do sacro, que, por sua vez, está rigidamente ligado à pelve. A linha definida pela coluna de uma pessoa em pé não é reta, mesmo em posição normal, mas curva “em S” com variação de concavidade, como ilustra a Figura 2.21 . A coluna vertebral faz parte do esqueleto e participa da sustenção do corpo.

As vértebras são exemplos da capacidade de carregamento dos ossos. Note que as vértebras aumentam na espessura e área de seção transversal quando você vais da região do pescoço (cervical) para a região inferior (lombar). Uma área superficial maior é necessária para suportar a massa adicional do corpo acima de cada vértebra. Existem discos fibrosos entre as vértebras que amortecem as forças para baixo e os outros impactos na coluna vertebral. Entretanto, a pressão ( força/área) permanece aproximadamente constante para todos os discos. O disco rompe numa pressão de cerca de 107 Pa (100 atmosferas).

O comprimento da coluna vertebral pode encurtar o seu comprimento normal de cerca de 70 cm (homem) de até 1,5 cm durante o curso de um dia ativo. Isto não é permanente e o comprimento é restabelecido durante o sono noturno. Entretanto, a coluna vertebral encolhe permanentemente com a idade devido a osteoporose, que é particularmente comum em mulheres idosas. Osteoporose faz o osso enfraquecer e encolher. Isto é discutido no final deste capítulo.

A coluna vertebral tem uma curvatura normal para a estabilidade. Vista do lado direito a porção mais baixa da coluna tem a forma da letra “S” como mostrado na Fig. 2.21. Lordose, cifose e escoliose são desvios na forma da coluna. Lordose, muita curvatura, freqüentemente ocorre na região lombar. Uma pessoa com esta condição é algumas vezes chamada de “dorso curvado” (ver Fig. 2.22a). Cifose é uma curvatura irregular da coluna vertebral quando vista de lado; freqüentemente ela leva a uma corcunda atrás. Uma pessoa com esta condição é freqüentemente referida como “corcunda”. (Fig 2.22b). Escoliose é uma condição a coluna curva na forma de “S” quando vista de trás (Fig. 2.22c). Postura normal é mostrada na Fig. 2.22d.

A curvatura da lordose lombar é determinada pelo ângulo lombossacral, que é o ângulo definido entre a linha horizontal e a superfície superior do sacro. Normalmente o ângulo lombossacral é cerca de 30º. Uma inclinação para frente aumenta o ângulo, enquanto que uma inclinação para trás o diminui, como mostra a Figura 2.22. A curvatura anômala da lordose lombar pode causar dores na parte inferior das costas. Seu desvio do valor normal pode ser provocado por muitos fatores, entre os quais o enfraquecimento dos músculos flexores da bacia ou dos músculos abdominais.

Os principais músculos que comandam os movimentos para curvar as costas ou levantar objetos do chão são os músculos eretores da espinha. Eles ligam o íleo e a parte inferior do sacro a todas as vértebras lombares e a quatro vértebras torácicas. Observações de chapas de raios-X mostram que, durante uma flexão das costas, as forças dos músculos eretores da espinha podem ser representadas por uma única força sobre a coluna, considerada como um corpo rígido, num ponto a 2/3 do seu comprimento em relação ao sacro, e formando um ângulo de aproximadamente 12º com a mesma.

ESTABILIDADE NA POSIÇÃO VERTICAL

Um humano ereto visto de trás , o centro de gravidade (C.G.) está localizado na pélvis na frente da parte superior do sacro a cerca de 58% da altura da pessoa do chão. Uma linha vertical do cg passa entre os pés. Controles musculares pobres, acidentes, doenças, gravidez, condições de sobrecarga ou mudanças erradas de posturas mudam a posição do cg para uma localização não natural no corpo como mostrado na Fig. 2.24. Uma condição de sobrecarga (ou um abaixamento pronunciado) leva a um deslocamento para frente do cg, movendo a projeção vertical na base dos pés onde o balanço é menos estável. A pessoa pode compensar voltando-se ligeiramente para trás.

Para manter a estabilidade na posição vertical, você deve fixar a projeção vertical do seu cg dentro da área coberta pelo seus pés (Fig. 2.25a). Se a projeção vertical do seu cg cai fora desta área você cairá. Quando seus pés estão muito juntos (Fig. 2.25a) você está menos estável do que quando eles estão separados (Fig. 2.25b). Por outro lado, se o cg é abaixado, você torna-se mais estável. Uma bengala ou muleta também melhora sua estabilidade (Fig. 2.25c) . Comparando a estabilidade de um humano com os animais de quatro pernas, é claro que o animal é mais estável porque a área entre seus pés é maior que para os humanos de duas pernas. Assim é que se entende porque os bebês humanos levam cerca de dez meses antes de serem capazes de ficarem em pé enquanto um animal de quatro pernas consegue isto em cerca de dois dias, este último por uma condição necessária de sobrevivência.

O corpo compensa sua posição quando ergue uma mala pesada. O braço oposto move para fora e o corpo tomba para o lado do objeto para manter o cg apropriadamente colocado para o balanço. Pessoas que tiveram um braço amputado estão numa situação semelhante que uma pessoa carregando uma mala. Elas compensam o peso do seu braço restante curvando o torso; entretanto, curvatura continuada do torso freqüentemente leva à curvatura da coluna. Uma prótese comum é um braço artificial com uma massa igual ao braço perdido. Muito embora o braço falso não funciona, ele evita a distorção da coluna.

LEVANTAMENTO E AGACHAMENTO

A medula espinhal está envolvida e protegida pela coluna vertebral. A medula espinhal fornece o principal caminho para a transmissão dos sinais nervosos de e para o cérebro. Os discos separando as vértebras podem ser lesados; uma doença comum nas costas é chamada de “deslocamento de disco”. A condição ocorre quando as paredes do disco enfraquece e rasgam, levando a um inchaço que algumas vezes empurra contra os nervos que passam através dos buracos especiais (foramina) nos lados de cada vértebra. Repousos extensos, algumas vezes trações e cirurgias são terapias usadas para aliviar a condição.

Uma parte freqüentemente abusada do corpo é a região lombar (inferior das costas) mostrada esquematicamente na Fig. 2.26. As vértebras lombares estão sujeitas a forças muito grandes – aquelas resultantes do peso do corpo e também por qualquer força que você submete a região lombar por um levantamento indevido de peso. A Fig. 2.26 ilustra a grande força compressiva (rotulada po R) na quinta vértebra lombar (L5 na Fig. 2.26). Quando o corpo é curvada para frente em 60º da vertical e existe um peso de 225 N nas mãos, a força compressiva R pode atingir 3 800 N (aproximadamente seis vezes o peso do seu corpo).

Não é surpreendente que levantamento de objetos pesados nessa posição incorreta é suspeitado ser a principal causa das dores lombares. Desde que a dor lombar é muito séria e não muito bem entendida, os fisiologistas estão interessados em encontrar exatamente quão grande são as forças nas regiões lombares das costas. Medidas de pressão nos discos tem sido feitas. Uma agulha oca conectada a um transdutor de pressão calibrado foi inserida no centro gelatinoso de um disco invertebral. Esta máquina mediu a pressão dentro do disco. A pressão no terceiro disco lombar para um adulto em diferentes posições estão mostradas na Figura 2.27a e b. Mesmo mantendo-se ereto existe uma pressão relativamente grande no disco devido ao efeito combinado do peso e tensão muscular. Se o disco está sobrecarregado como pode ocorrer num levantamento impróprio ele pode se romper (ou deslizar), causando dor pela ruptura ou permitindo materiais irritantes do interior do disco sejam expostos.

FORÇAS NO QUADRIL E COXA

Os músculos glúteo médio, glúteo mínimo e tensor fascia femuris são os responsáveis pela força abdutora que controla o deslocamento não rotacional do fêmur (e da perna) em relação ao eixo mediano do corpo humano. Eles ligam o íleo ao grande trocanter do fêmur. A cabeça do fêmur, por sua vez, está alojada no acetábulo do osso ilíaco. A Figura 2.31 mostra um diagrama da perna direita e dos quadrís com as indicações das forças e as distâncias entre os pontos de aplicação de cada uma das forças.

Quando você está andando existe um momento quando somente um pé está no chão e o C.G. do seu corpo está diretamente sobre aquele pé. A Fig. 2.32a mostra as forças mais importantes atuantes naquela perna. Estas forças são 1) força vertical para cima no pé, igual ao peso do corpo P, 2) o peso da perna PL, que é aproximadamente igual a P/7; 3) R, a força de reação entre o fêmur e o quadril, e 4) T, a tensão no grupo muscular entre o quadril e o grande trocanter no fêmur, que estabelece a força para manter o corpo no balanço.

As várias dimensões e o ângulo mostrado na Figura 2.32 foram tomadas das medidas de cadáveres. Neste exemplo, T é cerca de 1,6 P (onde P é o peso do corpo) e existe uma força de reação (R) na junta do quadril igual a 2,4 P. A cabeça do fêmur para um homem de 70 kg tem uma força de cerca de 1 600 N sobre ele.

O que acontece quando há uma lesão no grupo muscular no quadril ou ferimento na junta do quadril? O corpo reage tentando reduzir as forças T e R. Ele faz isto inclinando o corpo de modo que o C.G. fique diretamente sobre a bola do fêmur e pé (Fig. 2.32b). Isto reduz a força muscular T para aproximadamente zero. A força de reação R é aproximadamente igual ao peso do corpo acima da junta mais a perna (ou 6P/7). R aponta verticalmente para baixo. Isto reduz a força T e R e ajuda o processo de cura. Entretanto, força de reação para baixo faz a cabeça do fêmur crescer para cima, enquanto a bola do fêmur na outra perna não muda. Eventualmente isto conduz a um crescimento desigual na junta do quadril e uma possível curvatura permanente da coluna.

O uso de muletas e bengalas reduz as forças nas juntas do quadril. A física do uso de uma bengala está mostrada esquematicamente na Fig. 2.32c. Nesta figura existem três forças atuando no corpo. – o peso P, a força Fc empurrando a bengala para cima, a força para cima no pé igual a P – Fc. Note que a bengala está na mão oposta ao quadril lesado. Sem a bengala, T = 1,6 P e R = 2,4 P como mostrado na Fig. 2.32a. A bengala reduz estas forças permitindo o pé mover da posição sob a linha central do corpo como na Fig. 2.32a para uma nova localização mais perto ao being sob a cabeça do fêmur e sem a curvatura da espinha como na Fig. 2.32b. Na Fig. 2.32c, a bengala está localizada 0,3 m da linha de projeção vertical do C.G.. Assumiremos que a bengala suporte cerca de 1/6 do peso do corpo. Para as condições dadas na Fig. 2.16c, T = 0,65 P e R = 1,3 P, que é uma redução maior que aquela mostrada na Fig. 2.32a. Embora a natureza humana leva-nos a ocultar nossos defeitos, o uso de uma bengala pode ajudar consideravelmente no processo de recuperação das lesões nas juntas dos quadrís.