Fuerzas en diferentes direcciones
- Fuerza de compresión
- Tensión
- Fuerza de cizallamiento
- Momento de torsión
- Conjugación
Los principios de Newton
Para comprender las fuerzas y sus efectos sobre el movimiento de los seres humanos, resulta útil conocer las leyes físicas formuladas por Sir Isaac Newton que rigen el movimiento de todos los objetos;
Inercia: Todo se mantiene a la misma velocidad y en la misma dirección mientras no actúe ninguna fuerza sobre él. En otras palabras, la fuerza necesaria para poner un objeto en movimiento y para contrarrestar o detener un objeto que ya está en movimiento. La inercia de un cuerpo es proporcional a su masa. Por ejemplo, si levantas pesas, una pesa más pesada requiere más fuerza tanto para ponerla en movimiento como para frenar o detener su movimiento que una más ligera.
Aceleración e impulso; F = ma . La fuerza depende de la masa y de la aceleración. Esta ley establece que la fuerza (F) que actúa sobre un cuerpo que se mueve en una dirección determinada es igual a la masa del cuerpo (m) multiplicada por su aceleración (a): F = ma.
De esto se desprende que la aceleración de un cuerpo es proporcional a la magnitud de la fuerza aplicada: a = F / m. Por lo tanto, la aceleración del cuerpo depende de la fuerza con la que se empuje, dividida por su masa. Cuanto más fuerte se empuje o tire de algo, más rápido acelerará en la dirección de la fuerza. La segunda ley se refiere también a la velocidad de un cuerpo. El momento lineal o de cantidad de movimiento es la cantidad de movimiento que tiene un cuerpo en movimiento y es igual a su masa multiplicada por su velocidad. Esto significa que la cantidad de movimiento de un cuerpo puede aumentar aumentando su masa o aumentando su velocidad. Así, al levantar un peso de 10 kg y luego uno de 20 kg a la misma velocidad, el peso de 20 kg tendrá más velocidad. Levantar una pesa de 10 kg a gran velocidad requiere más fuerza que levantar el mismo peso a menor velocidad, aunque la resistencia sea la misma. Cuanto más aumenta el momento, más fuerza se necesita también para detenerlo o cambiar su dirección. El momento puede ser una fuerza positiva cuando se practican deportes como el fútbol, en los que los jugadores compiten por el campo y esperan que los oponentes no puedan igualar su velocidad. Sin embargo, en un entrenamiento físico progresivo, tu propio cuerpo debe ser capaz de detener la velocidad que generas. Una velocidad excesiva puede provocar lesiones; especialmente al trabajar con pesas, el entrenamiento de fuerza debe realizarse a velocidades que estén bajo control muscular total. En otras palabras, si «haces trampa» iniciando un movimiento con impulso desde una parte del cuerpo distinta a la que estás trabajando, la fuerza impulsora del movimiento puede hacer que el peso sea mayor que la capacidad del músculo para frenarlo y detenerlo.
El principio de acción y reacción: todas las fuerzas que actúan sobre un objeto en reposo son contrarrestadas por una fuerza igual y opuesta. Por lo tanto, a cada acción le corresponde una reacción igual y opuesta. Esta ley se aplica a las fuerzas que el cuerpo debe absorber durante actividades como correr, saltar y practicar aeróbic de alto impacto. El uso excesivo y el estrés pueden provocar lesiones en la articulación del hombro debido a la incapacidad del cuerpo para resistir los impactos y las fuerzas de reacción. El impacto sobre los pies y el cuerpo aumenta rápidamente, especialmente en personas de mayor corpulencia o durante actividades con alta aceleración. La fuerza de impacto es la masa del cuerpo (m) multiplicada por su aceleración (a). El cuerpo ejerce una fuerza (m × a) sobre el suelo; el suelo ejerce una fuerza reactiva igual de grande sobre el cuerpo, que debe ser desviada a través de sus estructuras amortiguadoras. Las lesiones suelen producirse cuando el cuerpo está mal alineado, de modo que las fuerzas no se distribuyen uniformemente, o se concentran en tejidos que no están diseñados para absorber fuerzas tan intensas. Esto explica además por qué las lesiones por sobrecarga y estrés también pueden producirse en el entrenamiento con pesas en el que la alta velocidad es un factor: la fuerza de los tejidos que participan en detener el movimiento debe igualar la masa de la pesa y la masa del segmento corporal multiplicadas por la aceleración de la pesa y del segmento corporal.
Ejemplos de sistemas de palanca en el cuerpo
X = Eje de rotación
F (Contracción del bíceps) = Fuerza motriz
R (Peso en la mano) = Fuerza de resistencia
Fa (Fuerza del bíceps × distancia entre la inserción del bíceps y el eje de rotación) = Brazo de palanca de la fuerza motriz
Ra (Peso × distancia desde el eje de rotación) = Brazo de palanca de la resistencia
Cuando una fuerza actúa sobre un brazo de palanca situado a cierta distancia del eje de rotación, el resultado es un efecto de torsión. Esta torsión se denomina par motor. La magnitud del par motor se calcula multiplicando la fuerza por la longitud del brazo de palanca (la distancia perpendicular al eje de rotación). Por lo tanto, F × Fa es el par motor de la fuerza motriz (bíceps), y R × Ra es el par motor de la resistencia. La rotación se produce en la dirección que presenta un mayor par motor.
Ejemplo de cálculo del par motor
Se pide a un paciente que sostenga un peso en la mano y lo mantenga firme con el codo flexionado a 90 grados. Se considera que la fuerza ejercida por el peso y el segmento del brazo es de 10 kg. Se considera que los flexores del codo actúan a una distancia perpendicular de 5 cm de la articulación del codo. La longitud del brazo de palanca (peso + segmento del brazo) es de 38 cm. ¿Cuál es el momento de torsión de los flexores del codo en un sistema equilibrado?
Para calcular el par de torsión de los flexores del codo, utilice la siguiente ecuación:
R × Ra = F × Fa
10 kg × 38 cm = 380 kg-cm
En un sistema equilibrado, el par de la resistencia y el par de los flexores del codo serían iguales a 380 kg-cm.
Para responder a la pregunta de cuánta fuerza hay que generar para mantener estable un peso de 10 kg, resuelve la siguiente ecuación: F:
Rx × Ra = F × Fa
10 kg × 38 cm = F × 5 cm
380 kg-cm = F × 5 cm
380 kg-cm / 5 cm = F
F = 76 kg
R = Resistencia, Ra = brazo de resistencia, F = fuerza motriz; Fa = brazo de fuerza
La generación de fuerza muscular
Relación longitud-tensión
Fig. 1 . Relación longitud-tensión . Cómo genera fuerza el músculo en función de su longitud actual.
Relación longitud-tensión muscular
La relación longitud-tensión muscular es la relación entre la longitud de la fibra y la fuerza que esta produce a dicha longitud. Esta longitud se refiere a la longitud de una fibra aislada y depende de la posición de los filamentos de actina y miosina en los sarcómeros, tal y como se muestra en la imagen anterior.
Curva de potencia-velocidad
Fig. 2 . Relación fuerza-velocidad . Cómo genera fuerza el músculo en función de la velocidad de contracción y el tipo de contracción.
La curva fuerza-velocidad que se muestra arriba ilustra el comportamiento de las fibras musculares aisladas. Aunque la mayoría de la gente da por sentado que esta relación se mantiene en los segmentos del sistema músculo-tendinoso del cuerpo, en realidad es mucho más complejo que eso. Por ejemplo, hay pruebas de que, en ciertos movimientos, al tiempo que aumenta la longitud total del músculo (lo que parece ser una contracción excéntrica), las fibras musculares en realidad se contraen de forma concéntrica (acortamiento), y la diferencia se compensa con el alargamiento de las partes no contráctiles del músculo (tendones y membrana de tejido conectivo). Dado que la producción de fuerza se ve influida en gran medida por estas estructuras, la realidad resulta más compleja que la clásica relación fuerza-velocidad.
Músculos y generación de fuerza
El número y el tamaño de las fibras musculares, el tipo y la disposición de las fibras, así como el entrenamiento y la activación neurológica, son factores que influyen en la capacidad de un músculo para generar fuerza. Existen varios tipos de disposición muscular, entre ellos los músculos peniformes (unipennados, bipennados, multipennados) y los músculos longitudinales (fusiformes). Los músculos peniformes están diseñados para producir más fuerza que los músculos longitudinales. La mayoría de los músculos del cuerpo son peniformes, en los que las fibras se disponen oblicuamente con respecto a la dirección de la tracción, que suele considerarse una línea recta entre los dos puntos de inserción del músculo.
Los músculos en forma de pluma permiten concentrar un mayor número de fibras en una determinada sección transversal, lo que hace posible que más fibras contribuyan a la generación de fuerza. El cuádriceps es un ejemplo de músculo en forma de pluma capaz de generar una fuerza considerable, y sus puntos de inserción se encuentran relativamente lejos de las articulaciones móviles.
Los músculos longitudinales son largos y delgados, con fibras paralelas que discurren en la misma dirección que el músculo. Esta disposición permite contracciones rápidas, pero, dado que su sección transversal es pequeña, la fuerza de contracción es limitada. El sartorio y el recto abdominal son ejemplos de músculos longitudinales.
Los factores anatómicos, fisiológicos y biomecánicos son importantes a la hora de determinar la resistencia adecuada para un cliente y de diseñar programas de entrenamiento. La estructura del músculo proporciona mucha información sobre su función principal y sobre cómo debe entrenarse.