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RESUMEN

El siguiente capítulo completa al anterior tratando de forma específica el origen, concepto y evolución de la biomecánica deportiva. En él se presenta la biomecánica deportiva como una ciencia básica y aplicada dentro las ciencias de la actividad física y el deporte, realizándose un breve repaso por las disciplinas más próximas a la biomecánica deportiva, como la biónica y la cinesiología, así como su origen académico. Finalmente, se presenta los principales canales de difusión científica en materia de biomecánica deportiva: manuales, revistas, congresos y jornadas…, así como las instituciones o centros más representativos en España y con una amplia producción científica en materia de biomecánica deportiva.

1. CONCEPTUALIZACIÓN DE LAS CIENCIAS DE LA ACTIVIDAD FÍSICA Y DEL DEPORTE

Tal y como cita el Libro Blanco del Título de Grado en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte, debemos remontarnos a la Grecia clásica para encontrar como término cercano al de actividad física el de gimnasia, que proviene de “gymnos”, con el significado desnudo (por la forma de realizar los ejercicios físicos en aquella época y cultura). O bien de “Gymnazein” que significa hacer ejercicio. El término gimnasia, hoy en desuso y con connotaciones negativas, ha sido muy utilizado hasta fechas relativamente recientes. Así, Cagigal (1996) la considera como un componente de la Educación Física.

Hasta la década de los noventa, el término más usado ha sido el de Educación Física. Pero este término encerraba un sesgo claro hacia el ámbito educativo, pedagógico, herederos de la propia historia de la materia unida a la enseñanza. En el análisis que realiza del término, Cagigal lo divide en sus dos componentes “educación” y “física”. El término físico procede del griego “fysis”, que significa naturaleza, y para Cagigal (1996) lo físico significa lo perteneciente a la constitución y naturaleza corpórea o material, que aplicado al ser humano se entiende por aquello que forma su constitución o naturaleza. En estas definiciones de lo físico se encuentran conceptos de gran utilidad actual. En primer lugar, el valor de lo corporal y del cuerpo, y en segundo lugar, el movimiento como elemento clave. En este sentido, es precisamente el componente físico, lo corporal, el movimiento, el que se va mantener hasta nuestros días, y no el de educación.

PUNTO CLAVE

Aunque el término educación física se sigue manteniendo, sobre todo en el ámbito educativo, hoy en día se prefiere un término más amplio que no se restrinja a la enseñanza y pueda recoger desde la investigación básica sobre el movimiento o la actividad física general humana, hasta campos aplicados que no sean únicamente educativos, como el entrenamiento, la rehabilitación, la recreación, o la gestión deportiva. A este término gené-rico, ya sea actividad física, motricidad humana, o movimiento humano, se incorpora la palabra “ciencia o ciencias”, para significar la orientación científica del ámbito de estudio.

2. LAS CIENCIAS DE LA ACTIVIDAD FÍSICA Y DEPORTIVA

El término Ciencias de la Actividad Física, por tanto, se puede considerar sinónimo del de Ciencias del Movimiento Humano, Ciencias de la Motricidad, Ciencias del Deporte, o como actualmente se denominan en España, Ciencias de la Actividad Física y del Deporte. Todas estas denominaciones enfatizan el valor de las ciencias o la ciencia en este ámbito de estudio, y remiten a un problema básico y no aplicado, como lo es el movimiento humano o la actividad física. Por tanto, el objeto de estudio no es la educación física o el deporte, sino algo más general, el movimiento del hombre, sea cual sea las condiciones en que se realice, desde los movimientos más esenciales como la marcha o las posturas básicas (sentarse, caminar,...), hasta los más específicos como los de conducir un automóvil o los necesarios para practicar un deporte (Oña et al., 1999).

La configuración actual, científica y básica, de este ámbito de estudio es bastante reciente, como lo demuestra el hecho de que sólo hasta los años noventa no se sustituye en España el término Educación Física por el de Ciencias de la Actividad Física y del Deporte, sustitución que ha constituido una tendencia general en todo el mundo. Ha sido una sustitución necesaria para superar las carencias en cuanto a solidez y rigor del mundo tradicional de la Educación Física, aunque aún hoy este debate se mantiene en algunos círculos. La exigencia de delimitación, de especialización, hace que la ciencia se estructure a distintos niveles y áreas según la especificidad de los problemas a estudiar, aunque interrelacionados y compartiendo los atributos del conocimiento y del método; por ello, se puede hablar de ciencias en plural al referirse a las diferentes concepciones, modelos, objetos de estudio y métodos de investigación. La Física y la Psicología son ciencias distintas, ramas científicas, pero comparten con la ciencia como conocimiento los principios y el método general hipotético-deductivo.

Partiendo de la estructura general de la ciencia, ya en 1972 José María Cagigal (Cagigal, 1996) (figura 1) propone una organización o estructura de las Ciencias de la Actividad Física, donde la Educación Física es abordada multidisciplinariamente desde los conceptos y métodos de otras ciencias relacionadas. Por lo tanto, la Educación Física está compuesta por diversas ciencias que profundizan en el conocimiento del hombre en movimiento, y cada una lo hace desde su perspectiva. Todas estas disciplinas son áreas aplicadas de la Educación Física que comparten un método similar, el método científico, y un objeto común de estudio, el de la actividad física o el movimiento humano, dividido en cuatro campos principales de acción: la educación física institucionalizada, el alto rendimiento deportivo, la actividad física y la salud, y la promoción social del deporte para todos.

Figura 1. D. Jose María Cagigal Gutiérrez.

3. BIOMECÁNICA DE LA ACTIVIDAD FÍSICA Y DEL DEPORTE

Definida la biomecánica y sus perspectivas (capítulo 1), resulta algo más sencillo definir la biomecánica deportiva, puesto que difiere, básicamente, en el objeto de estudio. Bäumler y Schneider (1989) la definen sencillamente como “la aplicación de la mecánica en la investigación de los movimientos del deportista”, y la reconocen como una rama de la biomecánica, para lo cual existe un consenso generalizado.

Sin embargo, la biomecánica deportiva no sólo aplica la mecánica a la hora de analizar una actividad física y/o gesto deportivo. En este sentido, una definición más completa de la biomecánica deportiva debería considerar aspectos como:

La biomecánica deportiva, por tratarse de una especialización, se deberá definir como una rama de la biomecánica de carácter multidisciplinario y aplicado.

Un espíritu eminentemente antropocentrista de la biomecánica deportiva, ya que se ocupa del ser humano durante la práctica físico-deportiva.

El hecho de restringir el objeto de estudio al ser humano se basa en que solamente el hombre practica deporte. Aunque utilice determinados equipamientos, implementos o elementos que también se estudian desde la biomecánica deportiva, la atención siempre se dirige a la mejora del rendimiento y/o seguridad (lesiones) en la práctica físico-deportiva.

PUNTO CLAVE

En consonancia con la conceptualización de biomecánica y de sus perspectivas, la biomecánica de la actividad físico-deportiva podría definirse como:

Biomecánica físico-deportiva. Rama interdisciplinaria y eminentemente aplicada de la biomecánica, con base fundamental o punto de partida en las Ciencias de la Actividad Física y el Deporte, cuyo objeto de estudio a través de diferentes herramientas y técnicas instrumentales se centra en el ser humano durante la práctica físico-deportiva (especialmente en la cinética y cinemática del movimiento), así como el resultado de su interacción con otras personas, fluidos, pavimentos y/u objetos inanimados.

3.1. Objetivos de la biomecánica físicodeportiva

Los objetivos que se plantean desde la biomecánica deportiva han ido evolucionando desde sus inicios. De este modo, los primeros planteamientos de objetivos atendían a lo siguiente (Brizuela, 1996):

Objetivos generales:

Tarea general (Donskoi y Zatsiorski, 1988). “...Consiste en evaluar la efectividad de la aplicación de las fuerzas para el logro más perfecto del objetivo planteado.”

Objetivos específicos:

Tareas parciales (Donskoi y Zatsiorski, 1988). “...Consisten en el estudio de las cuestiones fundamentales siguientes: a) estructura, propiedades y funciones motoras del cuerpo del deportista; b) técnica deportiva racional, y c) perfeccionamiento técnico del deportista.”

Tareas específicas (Hochmuth, 1973). Investigar las técnicas deportivas más eficaces. Reducir el conocimiento adquirido sobre las técnicas individuales a principios de aplicación general dirigidos a generar la máxima eficiencia. Desarrollar los métodos de investigación biológica. Desarrollar métodos de investigación de obtención rápida de resultados para su aplicación al entrenamiento técnico. Adquisición de principios biomecánicos para la práctica del entrenamiento, desarrollando los requisitos físicos y psicológicos necesarios.

Actualmente, debido a la evolución que ha sufrido la biomecánica deportiva, se puede plantear unos objetivos que abarcan un espectro más amplio que el exclusivamente deportivo, incluyendo la actividad física y la Educación Física escolar, no sólo en términos de mejora del rendimiento deportivo, sino también de eficiencia desde una perspectiva de desarrollo psicomotor natural y desde la salud. En ese sentido, Aguado (1997) establece un espectro más amplio en cuanto a los objetivos de la biomecánica deportiva fundamentado en tres bloques (tabla 1): el deportista, el medio con el que interactúa y el material deportivo empleado.

Tabla 1. Objetivos de la biomecánica deportiva (Aguado, 1997).

1. EN RELACIÓN DIRECTA CON EL DEPORTISTA:
	Describir las técnicas deportivas.
	Ofrecer nuevos aparatos y metodologías de registro.
	Corregir defectos en las técnicas y ayudar en el entrenamiento.
	Evitar lesiones, aconsejando sobre cómo ejecutar las técnicas deportivas de forma segura.
	Proponer técnicas más eficaces.
2. EN RELACIÓN CON EL MEDIO:
	Minimizar las fuerzas de resistencia.
	Optimizar la propulsión en diferentes medios.
	Estudiar las fuerzas de acción-reacción, sustentación y flotación para optimizar el rendimiento deportivo.
	Definir la eficacia en diferentes técnicas deportivas en función de las fuerzas de reacción del suelo.
	Estudiar las fuerzas de reacción del suelo en relación con las lesiones deportivas.
3. EN RELACIÓN CON EL MATERIAL DEPORTIVO:
	Reducir el peso del material deportivo sin detrimento de otras características.
	Aumentar en algunos casos la rigidez, en otros la flexibilidad, o la elasticidad del material.
	Aumentar la durabilidad del material.
	Conseguir materiales más seguros.
	Conseguir materiales que permitan lograr mejores marcas.

3.2. Disciplinas próximas a la biomecánica de la biomecánica

Durante la evolución y desarrollo de determinadas disciplinas, éstas se encuentran a mitad de camino entre lo biológico y otras ciencias/tecnologías. En este sentido, se encuentran dos conceptos empleados de forma similares, pero cuyo significado es diferentes: biociencia y biotecnología. Las biociencias tienen en común el estudio de las manifestaciones físico-químicas de los sistemas biológicos. Para ello, aplican los recursos y las metodologías idóneas, de acuerdo al tipo de manifestación que se pretende analizar. En este sentido, la biomecánica es una de estas disciplinas o biociencias responsable de estudiar las manifestaciones mecánicas de la actividad biológica de los seres vivos. Del mismo modo, otras biociencias se ocupan de otras manifestaciones, como la bioelectricidad (resistencia de la piel, electromiografía, etc..), la bioquímica, la biotermodinámica (distribución de la temperatura, generación de calor,…), etc., cada una de las cuales estudia un tipo de manifestación y recurre a su propio método.

Por otra parte, se habla de biotecnologías haciendo referencia a herramientas o tecnologías no específicas, que no se ocupan exclusivamente de un tipo de manifestación, sino que como la electrónica, los métodos estadísticos, los métodos de organización o los métodos de control, pueden ser útiles a las diferentes biociencias. Entre estas biotecnologías pueden citarse, a modo de ejemplo, la bioelectrónica, la bioestadística, la bioinformática o la biocibernética.

3.2.1. La biónica

Dentro de las biociencias, y con una marcada relación con la biomecánica se encuentra la BIÓNICA. Etimológicamente, la palabra viene del griego “bios“; que significa “vida” y el sufijo “ico“ que significa “relativo a”. El origen de la biónica fue el estudio del hombre y de los animales, interesándose por la forma en que realizan sus tareas y resuelven sus problemas, para aplicarlo a la técnica de los sistemas de arquitectura, ingeniería y tecnología moderna. La biónica se plantea de modo inverso que las biotecnologías, de modo que inspirándose en la concepción, diseño y comportamiento de los sistemas biológicos, genera nueva tecnología.

Biónica (de bio y electrónica). f. Aplicación del estudio de los fenómenos biológicos a la técnica de los sistemas electrónicos (RAE).

El primer investigador biónico y estrechamente relacionado con la biomecánica seguramente sea Leonardo Da Vinci, que aplicó sus estudios de la naturaleza a prácticamente todos sus diseños, empezando por el Ornitóptero (figura 2), un artilugio volador con alas batientes realizado a partir de un estudio anatómico de los pájaros. Destaca también en arquitectura la cubierta del Crystal Palace en Hide Park (Londres), del arquitecto inglés del siglo XIX Sir Joseph Paxton (1851), que para diseñarla se basó en un nenúfar sudamericano, cuyas delicadas hojas de hasta 2 metros de diámetro podían soportar 90 kg de peso gracias a un sistema de nervaduras en el reverso de las hoja (Gerardin, L., 1968). Estudios más recientes, como el traje de natación Speedo Fastskin ® basado en el diseño de la piel de tiburón, han causado grandes impactos mediáticos en las Olimpiadas de Sydney (2000) y Pekín (2008).

Figura 2. Diseños biónicos: Ornitópero de Da Vinci (MS-Encarta), Crystal Palace (wikipedia) y traje de natación (Speedo Fastskin®).

3.2.2. La cinesiología

El estudio del movimiento humano se puede abarcar desde diferentes puntos de vista: psicológico, filosófico, psicológico, sociológico, biológico, físico y anatómico. Tradicionalmente, se ha conocido con el nombre de “cinesiología” al estudio concerniente a las bases biológicas y mecánicas del movimiento humano.

Cinesiología (del gr. movimiento, y logía).

1. f. Conjunto de los procedimientos terapéuticos encaminados a restablecer la normalidad de los movimientos del cuerpo humano.

2. f. Conocimiento científico de aquellos procedimientos (RAE).

En este sentido, Gutiérrez (1998) señala la dificultad de encontrar argumentos sólidos que verifiquen las diferencias etimológicas y conceptuales entre la cinesiología y la biomecánica, llegándose incluso en la década de 1970 a sustituir el término de cinesiología por el de biomecánica en la mayor parte de las publicaciones que trataban de hacer una descripción del estudio del movimiento, particularmente cuando era aplicado al movimiento humano. Numerosos investigadores se han cuestionado la utilización de ambos términos, llegando a la conclusión de que sólo existen pequeñas diferencias en sus fundamentos básicos.

Entre los investigadores pro-cinesiología (Burke, 1977) frente a pro-biomecánica (Hay, 1978), se plantea en sus argumentos si la biomecánica puede sustituir y garantizar el contexto de una subdisciplina especializada en cinesiología mecánica dedicada al estudio del movimiento humano mediante los conceptos de la física clásica, o si por el contrario, el término cinesiología ha podido perder su utilidad para definir la parte de la ciencia que estudia el sistema musculoesquelético relacionado con los principios mecánicos aplicados al movimiento humano. En este sentido, y sin considerar las apreciaciones de investigadores reconocidos en la cinesiología y la biomecánica, lo que parece estar claro es que ambas disciplinas poseen un origen común que se remonta a las épocas de Aristóteles, de Leonardo da Vinci, de Galileo Galilei, de Alfonso Borelli, y de otros muchos que contribuyeron a desarrollar sus métodos y sus conocimientos. Tanto biomecánicos como cinesiólogos consideran a Galileo Galilei como la figura responsable de su desarrollo y establecimiento como ciencia.

En cuanto al aspecto terminológico, y posiblemente aplicado, existe consenso en que la Cinesiología tiene mayor antigüedad que la biomecánica, sin embargo el uso terminológico en la literatura de ambos términos está muy próximo. En 1890 se publicó un libro titulado “The Special Kinesiology of Educational Gymnastics”, de Baron Nils Posse, el cual describe una serie de ejercicios gimnásticos y establece cuales son los músculos implicados en tales ejercicios. Es a partir de la finalización de la Segunda Guerra Mundial cuando se observa un primer distanciamiento entre las actividades de la cinesiología y las de la biomecánica, aproximándose el trabajo de Kinesiólogos más a la anatomía funcional y a la anatomía fisiológica que a la mecánica o a la física aplicadas. A través de herramientas como la electromiografía, la cinesiología se va centrando en estudiar la función muscular, sus patologías, sus tratamientos, y, progresivamente, se va aproximando más a la medicina que a otras ciencias.

Rasch y Burke (1986) citan a la “Society for Behavioral Kinesiology”, y definen la cinesiología como:“ (…) La ciencia de las estructuras y procesos del movimiento humano y su modificación por factores inherentes, por sucesos ambientales y por intervención terapéutica (…).” Estos autores establecen cinco perspectivas de estudio dentro de la Kinesiología:

Cinesiología morfológica y funcional. Interrelación entre la forma y la función del cuerpo.

Cinesiología del desarrollo. Relación de la cinesiología con el crecimiento, desarrollo físico, nutrición, envejecimiento, etc.

Cinesiología psicológica. Estudio de las reciprocidades del movimiento y su significado.

Fisiología del ejercicio. Correlación entre la cinesiología y las ciencias básicas como la fisiología y la bioquímica.

Biomecánica. Investigación del movimiento humano por medio de los conceptos de la física clásica y de las disciplinas afines a la ingeniería.

Estos autores establecían en 1961 (en la primera edición del libro), que la biomecánica era una parte de la cinesiología debido a la amplitud que le asignaban a su disciplina, sin poder tener en consideración el espectacular crecimiento que la biomecánica presentaría en las siguientes décadas. Así, Hamill y Knutzen (1995) establecen posteriormente cómo la cinesiología ha ido centrándose progresivamente en las características funcionales del aparato locomotor, y en particular en los métodos y técnicas de rehabilitación de la función muscular normal. En cambio, la biomecánica profundiza en el estudio del movimiento aplicado a las leyes de la mecánica, describiendo y explicando las causas que lo producen.

En las últimas décadas, la biomecánica, como disciplina científica y lo que el término significa, han tenido una gran acogida en todo el mundo. Tanto es así que incluso aquellos aspectos relacionados con la anatomía funcional son denominados aspectos biomecánicos. A modo de ejemplo, casi cualquier libro de traumatología, al comenzar el estudio de un miembro corporal, lo hace comenzando por lo que denominan su “biomecánica”. Por ejemplo, el estudio del pie comienza por el estudio de la “biomecánica del pie”, apartado en el que se estudia especialmente su morfología y su función mecánica.

Posiblemente las áreas de la biomecánica más próximas o casi solapadas con la cinesiología sean las de la biomecánica médica y las de la biomecánica ocupacional (ergonomía). Y en lo referente a la actividad físico/deportiva, y concretamente con la titulación de Ciencias de la Actividad Física y el Deporte, con los contenidos de asignaturas como Anatomía, Sistemática del ejercicio y Fisiología de la Educación Física y el Deporte, además de su estrecha vinculación con la fisioterapia (rehabilitación de las funciones normales del cuerpo y prevención de lesiones).

Figura 3. Resumen de las posibles diferencias entre biomecánica y cinesiología (extraído de Gutiérrez, 1998).

En conclusión, tanto la definición, como el origen y el desarrollo de los términos de cinesiología y biomecánica son similares y paralelos, y aunque según muestra la figura 3 existan posibles diferencias entre ambos términos, lo cierto es que el término biomecánica está teniendo una utilización claramente superior en la literatura científica (o ha englobado al término cinesilogía), con 61.991 “entradas” en la base de datos pubmed, julio 2009 (empleando el término “Biomechanics”), frente a las 7.888 “entradas” (empleando el término “Kinesiology”).

PUNTO CLAVE

La biomecánica es biociencia, responsable de estudiar las manifestaciones mecánicas de la actividad biológica de los seres vivos. Dentro de estas biociencias, y con una marcada relación con la biomecánica se encuentra la biónica, la cual se plan-tea de modo inverso a las biotecnologías, ya que inspirándose en la concepción, diseño y comportamiento de los sistemas biológicos genera nueva tecnología. Referente a otra área próxima a la biomecánica, la “cinesiología”, existen dificultades para encontrar argumentos sólidos que verifiquen las diferencias etimológicas y conceptuales entre cinesiología y biomecánica (aunque parece estar claro que ambas poseen un origen común, siendo la biomecánica médica y la biomecánica ocupacional (ergonomía) las áreas más próximas a la cinesiología.

4. DIFUSIÓN DE LA BIOMECÁNICA DEPORTIVA

Según Izquierdo y Arteaga (en Izquierdo, 2008), el interés social del deporte, la proliferación de publicaciones sobre el análisis del movimiento y la biomecánica aplicada a la actividad física y el deporte durante la década de los cincuenta hizo que las investigaciones se extendieran a otros aspectos relacionados con la actividad física, como el equipamiento y el rendimiento deportivo. Durante esta década se incrementaron los conocimientos sobre técnicas electromiográficas aplicadas a las técnicas deportivas (Basmajian, 1962). Destaca en 1955 la obra de J.W. Bunn “Scientífic principles of coaching”, considerado como el primer libro de mecánica aplicado al deporte, con una estructura adecuada para la enseñanza de la biomecánica deportiva, ya que emplea una estructura muy similar a la que poseen textos de Hay o Kreighbaum y Barthels, reconocidos actualmente en la biomecánica (figura 4).

Gutiérrez (1998) señala que durante la época de los setenta las publicaciones estuvieron orientadas hacia la actividad muscular y articular, especialmente dirigidas hacia movimientos balísticos y habilidades deportivas concretas. También creció considerablemente el número de investigadores que orientaron sus trabajos hacia la mecánica del movimiento humano y de las técnicas deportivas.

En la actualidad, las publicaciones relacionadas con la biomecánica deportiva no sólo tratan de aspectos relacionados con el rendimiento deportivo, sino que también se abarca de forma amplia los temas relacionados con la salud y su relación con la práctica físico-deportiva (con un marcado carácter propio de “biomecánica deportiva” en las investigaciones, claramente diferenciado de las demás áreas de la biomecánica: médica u ocupacional).

De una forma sintética, se podría comentar que la difusión de la biomecánica deportiva estuvo representada por las contribuciones de las revistas, libros, seminarios/congresos, sociedades nacionales e internacionales, y foros especializados. Aguado (Campos, 2001) cita que la primera revista internacional y especializada en biomecánica, “Journal of Biomechanics” (1968, EE.UU.), poseía una clara orientación médica. Esta revista contó en su primer número con dos artículos relacionados con el análisis biomecánico de la técnica deportiva. Posteriormente, la revista con orientación biomecánica y deportiva fue “Journal of Sports Biomechanics”, que posteriormente pasó a llamarse “Journal of applied Biomechanics” (1985, EE.UU.) (figura 5).

En cuanto a los primeros autores reconocidos internacionalmente en el área de la biomecánica deportiva por sus obras y libros de texto, destacan los rusos D. Donskoi con la publicación “Biomechanik der Korperübungen” (1961), junto con V. Zatsiorski “Grundlangen der Biomechanik” (1975). Zatsiorski también publicó en 1966 “Die Körplichen Eigenschaften des Sportlers”. El alemán G. Hochmuth publicó en Leipzing el libro “Biomechanik” (1962) y “Biomechanik Sportlicher Bewegungen” (1967), donde presenta los principios biomecánicos que rigen la técnica deportiva, tratando con notable éxito la aplicación de las leyes de la física en el deporte, que fueron sintetizados en cinco principios mecánicos de gran importancia para el análisis. Donskoi, Hochmuth y Zatsiorski podrían ser considerados como los padres de la biomecánica deportiva moderna.

Figura 4. “The biomechanics of sports techniques” (Hay, 1978) y “Biomechanics. A qualitative approach for studying human movement” (Kreighbaum y Barthels, 1981).

Figura 5. Portadas de las primeras revistas especializadas en biomecánica.

El primer Seminario Internacional de Biomecánica (“First International Seminar on Biomechanics”) (1967) se realizó en Zurich (Suiza), auspiciado por el “International Council os Sport and Physical Education” de la UNESCO. Los temas tratados en este seminario estuvieron relacionados con técnicas de movimiento humano: telemetría, principios del estudio del movimiento humano, biomecánica aplicada al trabajo, biomecánica aplicada al deporte y biomecánica clínica. Seis años más tarde, en la Universidad de Penn State (EE.UU.) se constituyó la “International Society of Biomechanics” (ISB) (figura 24), la cual celebra desde entonces y de forma bianual el “Congress of the International Society of Biomechanics”. El último congreso, “XXII Congress of the International Society of Biomechanics” se celebró en julio de 2009 en Ciudad del Cabo (Sudáfrica).

El notable crecimiento en las temáticas donde se aplica la biomecánica hace que en el ISB no sólo se presentes contenidos aplicados a las Ciencias de la Actividad Física y el Deporte. En este sentido, en 1983 se creen la “International Society of Biomechanics in Sports” (ISBS), donde se focalizó el objeto de estudio en el ámbito deportivo, y cuyo Simposio se celebra de forma anual y de forma rotativa entre continentes. En España únicamente se ha realizado una única vez, en Cáceres, el “XX Simposium ISBS” (2002), siendo la última edición de este Simposio la celebrada en agosto de 2009 en Limerik (Irlanda).

En 1976 se creó en Bruselas la “European Society of Biomechanic” (ESB) en una reunión de 20 científicos pertenecientes a 11 países europeos. Esta sociedad realiza un congreso bianual, habiéndose celebrado el último en 2008 en Lucerne (Suiza), y el próximo “XVII Congress of the ESB” se celebrará en Edimburgo (Escocia) en 2010. Finalmente, en España se creó la “Sociedad Ibérica de Biomecánica y Biomateriales” (SIBB) en 1977 con el objetivo de agrupar a cirujanos, médicos, ingenieros, físicos, químicos y especialistas en educación física, en un foro para el intercambio de ideas y al mismo tiempo como estímulo para la investigación. La SIBB organiza un simposio anual, siendo el último el celebrado en Palma de Mallorca (2009) (“XXXII Simposio de la Sociedad Ibérica de Biomecánica y Biomateriales”), y la próxima XXXIII edición (2010) se celebrará en la Facultad de Ciencias de la Actividad Física y el Deporte de la Universidad de Valencia.

Cabe mencionar también entre estas asociaciones y sus actividades la constitución en 1989 del primer “World Congress on Biomechanics”, celebrado en San Diego (EEUU), y que cada cuatro años se celebra en un continente distinto. En agosto de 2010 se celebrará en Singapur el “6th World Congress on Biomechanics”, sin ninguna especificidad en la biomecánica deportiva, pero abarcando la mayor parte de las áreas de aplicación de la biomecánica. En España, “La Asociación Española de Ciencias del Deporte” nació en 1998, y celebra su congreso de forma bianual. Esta Asociación ha desarrollado un gran esfuerzo para mejorar la biomecánica en España, incluyendo en su congreso un área de biomecánica, así como en la revista Motricidad. European Journal of Human Movement. Asimismo, en la web de la asociación (http://www.unex.es/eweb/cienciadeporte/), los asociados tienen acceso a un grupo de trabajo en biomecánica deportiva.

Figura 6. Asociaciones de biomecánica: International Society of Bimechanics (ISB), International Society of Biomechanics in Sports (ISBS), European Society of Biomechanics (ESB) y la Sociedad Ibérica de Biomecánica y Biomateriales (SIBB).

Finalmente, las nuevas tecnologías, y concretamente los recursos derivados del uso de Internet, ha originado la creación del mayor foro de intercambio de comunicación en materia de biomecánica: la lista de correo electrónico Biomch-L “Biomechanics and Movement Science Listserver”. Esta lista de correo fue fundada en 1988 por Herman Woltring y Ton van den Bogert. Actualmente es administrada por un equipo de moderadores: Ton van den Bogert, Krystyna Gielo-Perczak y Andreas Boehm, y cuenta con más de 6.000 personas o instituciones inscritas de todos los continentes (2009, http://www.biomchl.org/index.html). En este foro es posible anunciar congreso, ofertas de empleo, preguntas/consejos relacionados con la investigación en biomecánica, o difundir información de interés general.

PUNTO CLAVE

En la actualidad, las publicaciones relacionadas con la biomecánica deportiva no sólo tratan de aspectos relacionados con el rendimiento deportivo, sino que también se abarcan temas de salud y su relación con la práctica físico-deportiva. La primera revista especializada en biomecánica fue “Journal of Biomechanics” (1968, EE.UU.), seguida por “Journal of Sports Biomechanics”. Cabe señalar a los primeros autores reconocidos internacionalmente en el área de la biomecánica deportiva: D. Donskoi y V. Zatsiorski. El notable crecimiento de las temáticas en que se aplica la biomecánica en las Ciencias de la Actividad Física y el Deporte permite la creación en 1983 de la “International Society of Biomechanics in Sports” (ISBS), así como posteriores asociaciones y congresos: “European Society of Biomechanic” (ESB), “World Congress on Biomechanics”,...

5. SOBRE EL FUTURO DE LA BIOMECÁNICA DEPORTIVA

Aguado (en Campos, 2001) cita que algunos autores como Vera (1994) y Nikol (2000) critican el hecho de que quizá la biomecánica no pueda aún considerarse como una ciencia propiamente dicha. Vera argumenta que tras muchos años persiguiendo la obtención de metodologías adecuadas, la biomecánica hoy en día dedica sus esfuerzos a la obtención de mediciones y datos, pero que para poder catalogarla como ciencia debería poder predecir resultados en situaciones concretas a partir del seguimiento de variables de modelos previamente establecidos. Nikol apunta que aún son escasas las leyes que ha logrado formular la biomecánica, dedicándose la mayoría de biomecánicos a la tarea de realizar simples análisis descriptivos. Nikol apunta además, que algunos biomecánicos deportivos están más preocupados por realizar estudios a toda costa, aunque sea sin financiación, autofinanciados o infrafinanciados, antes que “hacerse valer” y perder tiempo en conseguir que, por ejemplo, empresas o federaciones deportivas avalen investigaciones sobre biomecánica.

Como reflexión a esta crítica de Vera/Nikol (no carente inicialmente de razón, pero de ello hace ya casi una década), esta situación o enfoque de la investigación sobre biomecánica está cambiado (o ha cambiado a día de hoy). Este cambió fue encabezado por los institutos tecnológicos, donde se han desarrollado contratos con empresas, instituciones o incluso con gobiernos autonómicos/estatales. Y cada vez más laboratorios y/o unidades de investigación de las Facultades de Ciencias de la Actividad Física y el Deporte consiguen financiación de proyectos en los Planes Nacionales I+D+I, establecen contratos y convenios de colaboración con empresas, federaciones, instituciones sanitarias, con la finalidad de financiar proyectos multidisciplinarios, aunque éstos no alcancen la financiación o el interés social que puedan tener otras áreas de la biomecánica como la médica o la ergonomía.

Vladimir Zatsiorski (1993) cita que el futuro de la biomecánica deportiva no puede ser visto simplemente como la biomecánica de las técnicas deportivas. La investigación aplicada será igual de común e importante, y entre sus direcciones principales se contará con las bases biomecánicas de los equipamientos deportivos (calzados, pavimentos, implementos, etc.). Debido a que esta investigación se financia por el sector privado de la industria, las posibilidades de progreso en esa dirección son muy grandes. Desde su punto de vista, este progreso es beneficioso para la biomecánica en general debido a que no sólo se incrementará el conocimiento biomecánico, sino que nuestra ciencia habrá encontrado su propio modo de ser útil a su sociedad. Por lo tanto, y como premisa de que la investigación en biomecánica deportiva será básica y aplicada, ésta deberá estar enfocada para su desarrollo desde la multidisciplinariedad, tal y como cita Gutiérrez (1998), con un amplio trabajo de colaboración entre las diferentes perspectivas científicas, y donde la mayoría de los trabajos de investigación estarán orientados hacia la medida, la descripción y el modelado, utilizando una instrumentación específica y sofisticada, con complejos modelos y métodos matemáticos.

Además de la contribución de la biomecánica deportiva en los pavimentos, material y equipamiento deportivo (cabe mencionar las investigaciones mediáticas en césped artificial para fútbol o golf, o los “trajes de piel de tiburón” en natación), así como en el análisis de acciones perjudiciales o lesivas en nuevas actividades físicas que practica la población, la biomecánica deberá seguir dos procesos en su consolidación y contribución como ciencia:

1. Invención de nuevas técnicas e instrumental propio de análisis. Este proceso es el menos frecuente. Necesita una gran base teórica sobre los principios mecánicos que rigen la especialidad deportiva en estudio y exige, además, bien que la especialidad sea muy nueva, bien que aun llevando tiempo en práctica debido a determinados factores, como la evolución o modificación de los materiales, equipamientos o implementos, necesiten que sus técnicas evolucionen, adaptándose a las nuevas necesidades.

2. La optimización de técnicas existentes. Este proceso es el más habitual y puede derivar en dos aplicaciones diferentes. Por una parte se puede optimizar la técnica de los deportistas de elite mediante la aplicación de principios biomecánicos de eficiencia al análisis de su técnica personal, o estilo, intentando mejorar pequeños aspectos que, en el deporte de alto rendimiento, pueden contribuir a destacar entre los mejores. Por otra parte, mediante el análisis y la cuantificación biomecánica de la técnica personal de los deportistas de máximo nivel, pueden construirse modelos de rendimiento de aplicación general a todos los deportistas de la misma especialidad, previa adaptación, por parte de los técnicos y entrenadores deportivos, a las características personales de deportistas de menor nivel.

PUNTO CLAVE

Como premisa de que la investigación en biomecánica deportiva será básica y aplicada, ésta deberá estar enfocada para su desarrollo desde la multidisciplinariedad, con un amplio trabajo de colaboración entre las diferentes perspectivas científicas, y donde la mayoría de los trabajos de investigación estarán orientados hacia la medida, la descripción y el modelado, utilizando una instrumentación específica y sofisticada, con complejos modelos y métodos matemáticos.

6. LA BIOMECÁNICA DEPORTIVA EN EL ÁMBITO DOCENTE/ACADÉMICO
6.1. La biomecánica y su origen como asignatura

Es en la antigua Unión Soviética donde la biomecánica deportiva comenzó a sentar sus orígenes académicos. En la segunda mitad del S. XX, el anatomista ruso P.F. Lesgaft (1877) desarrolló una serie de fundamentos teóricos sobre la anatomía de los movimientos corporales, con la finalidad de estructurar en la titulación de Educación Física una sistematización de la asignatura “Formación Física”. En 1927, en el Instituto Nacional de Educación Física “P.F. Lesgaft” la asignatura “Formación Física” se impartió con el nombre de “Teoría del Movimiento”, pasando su denominación en 1931 por “Biomecánica de los Ejercicios Físicos”. Ese mismo año, en el Instituto de Educación Física de Leningrado, E.A. Kotikova organizó el “Primer ciclo de conferencias sobre la biomecánica de los ejercicios corporales”.

En la década de los años treinta en diversos Institutos de Cultura Física, especialmente Moscú y Leningrado, se desarrolla un amplio trabajo científico y docente en el campo de la biomecánica deportiva. En 1939, E.A. Kotikova edita el manual “Biomecánica de los ejercicios físicos”, y desde entonces comienza a introducirse el fundamento biomecánico de la técnica deportiva en los manuales de deporte editados en el bloque de países socialistas. Durante los años siguientes, el desarrollo del deporte en la URSS, y la participación exitosa de sus atletas en los Juegos Olímpicos, fueron un potente estímulo para el desarrollo de la biomecánica en otros países, especialmente para la ex República Democrática Alemana, cuyos deportistas consiguieron un elevado número de medallas en las competiciones deportivas de más alto nivel.

Con el final de la Segunda Guerra Mundial, la biomecánica deportiva sufrió un importante crecimiento, debido, por una parte, al inicio de la denominada Guerra Fría, en la que el deporte adquiere una nueva dimensión, la de estandarte nacional, y por otra parte, comienza una era de desarrollo y aplicación de las nuevas tecnologías que permitieron la utilización de nuevos instrumentos y métodos. Los recursos y los esfuerzos disponibles para el estudio del deporte, a partir de entonces, se multiplicaron y favorecieron el desarrollo de las ciencias del deporte, entre ellas la biomecánica.

El bloque de países socialistas de Europa Oriental creó una serie de condiciones especialmente favorables para el desarrollo del deporte de alto rendimiento, y durante dos o tres décadas fueron potencia mundial en materia de biomecánica y de otras ciencias aplicadas al deporte de competición. En 1960 se celebró en Leipzig (antigua República Democrática Alemana) un Congreso Internacional de Países Socialistas sobre Biomecánica Deportiva. Tal y como cita Aguado (en Campos, 2001), una muestra anecdótica del nivel que la biomecánica llegó a alcanzar en los Países del Este fue que hasta que se derribó el muro de Berlín en todo el mundo se conocían sólo 3 piscinas ergométricas (figura 7) de uso deportivo, siendo sorprendente que en Alemania Oriental aparecieran 7 piscinas más de estas características.

En esa época el problema del dopaje entre los deportistas de alto rendimiento ya se hacía notar, y sin que existieran todavía ni las normas ni las técnicas de control antidopaje que se aplican hoy en día, el estudio biomecánico de las técnicas deportivas surgió como una alternativa para luchar contra la superioridad física que las drogas ofrecían a quienes las usaban. De este modo, ingenieros, físicos, biólogos, médicos y profesionales del deporte comenzaron a desarrollar líneas de trabajo centradas en biomecánica deportiva.

Tal y como cita Gutiérrez (1998), Alemania fue uno de los grandes focos en Europa relevantes para la investigación en biomecánica. Así, con la incorporación de la asignatura de “Biomecánica del movimiento humano y de las técnicas deportivas” en el plan de estudios de los Institutos de Educación Física de Alemania, y la creación del Instituto de Biomecánica asociado al Centro de Investigaciones de la Escuela Superior de Educación Física, surge la necesidad de hacer un texto de biomecánica que permitiera reunir las publicaciones aisladas. En este sentido, tal y como se ha mencionado anteriormente, G. Hochmuth publicó en Leipzing un libro adecuado para la enseñanza de la biomecánica en Alemania “Biomechanik Sportlicher Bewegungen” (1967), el cual sería el primer libro de biomecánica deportiva editado en España, publicado en 1973 por el INEF de Madrid con el título “Biomecánica de los movimientos deportivos”. Durante la mitad de la década de los sesenta comenzaron a impartirse cursos de doctorado en biomecánica, con un desarrollo de conocimientos muy amplio, impartiéndose materias como anatomía, estadística, estática, cinética, técnicas de investigación, hidrostática, hidrodinámica, análisis mecánico de las técnicas deportivas, etc…

Figura 7. Piscinas ergométricas. Izquierda (Wilmore y Costill (2004). Derecha, McArdle et al., 1996 (en Llana y Pérez 2007).

6.2. Ámbitos docentes y de investigación de la biomecánica deportiva en España

La necesidad de incluir la Educación Física en la educación de la población española se remonta al Renacimiento, cuando Juan Luis Vives (1492-1540) sostenía: “Las actividades lúdicas son necesarias para el normal desarrollo corporal; deben practicarse las carreras, los juegos de pelota, etc., en los que siempre brillará la más perfecta armonía”.... Otra figura impulsora de la implantación de la Educación Física como materia de estudio en España fue Gaspar Melchor Jovellanos y Ramírez (1744-1810). Jovellanos fue autor de numerosas obras, en algunas de las cuales advierte a los gobiernos de la necesidad que tiene el pueblo de divertirse a través de actividades físicas como correr, jugar a la pelota, al tejuelo, a los bolos, etc., señalando aspectos fundamentales del acondicionamiento físico e intuyendo las premisas del “método natural”, basando el trabajo físico en actividades propias de la vida.

Los inicios académicos de la Educación Física en España puede decirse que se remontan a principios del siglo pasado cuando, en 1805, el capitán Vöitel (Guardia Suizo acuartelado en Barcelona), crea en Madrid la “Escuela Pestalozziana”. Un año más tarde, esta escuela cambiaría su nombre por el de “Real Instituto Militar Pestalozziano”, con una especial dedicación a la ciencia de la Gimnástica. Sin embargo, el Instituto duró unos pocos años y fue clausurado el 13 de enero de 1808. Entre 1800 y 1870 se fundaron numerosos gimnasios particulares en toda España, cuyo principal logro fue la extensión del hábito de la gimnasia y la divulgación de los beneficios para la salud y el bienestar que de su práctica se obtienen.

Un paso académico importante en la introducción progresiva de los estudios de Educación Física se dio a finales del s. XIX, cuando se crea la “Escuela Central de Profesores y Profesoras de Gimnástica de Madrid” (1887). Su programa de estudios tenía una orientación médico-militar influido por la metodología de las escuelas francesa y sueca, pero su existencia se limitó exclusivamente a cinco años. En 1919, se crea la “Escuela Central de Gimnasia del Ejército” en Toledo, centro dependiente en su primera etapa de la Academia de Infantería que, a partir de 1930 funcionaría como centro autónomo adscrito al Estado Mayor del Ejército. En 1933 se creó en Madrid la “Escuela Nacional de Educación Física” (ENEF) como centro integrado en la Universidad de Madrid, adscrito a la Facultad de Medicina de San Carlos y a la Sección de Pedagogía de la Facultad de Filosofía y Letras. También en Barcelona se creó en 1936 la “Academia de Educación Física” de la Generalidad de Cataluña, dependiente del Comisariado de Cultura y Deportes. Sus comienzos fueron muy alentadores, aunque al iniciarse la Guerra Civil suspendió su actividad.

En este sentido, la biomecánica ya se introduce desde sus comienzos en el plan de estudio de muchas de estas escuelas o institutos que se fueron creando desde comienzos del siglo. En la Memoria de los cursos “1920-1921-1923” de la primera época de la Escuela Central de Gimnasia del ejército (Fernández, 1993) se proporciona el programa básico de las enseñanzas teórico-prácticas desarrolladas en el Centro, entre las que figura “Conocimientos teóricos de base mecánica”, bajo la dirección del Comandante Federico Gómez de Salazar y Orduña, jefe de estudios y profesor de “Mecánica humana y militar”. La asignatura correspondiente a esta materia fue “Análisis de los movimientos”.

De la segunda época de la Escuela Central de Gimnasia del ejército (1939-1985), Severino Fernández Nares (Fernández, 1993) detalla las asignaturas que se cursaban en diferentes cursos, entre las que pueden destacarse la “Mecánica” (curso 1943-1944), y la “Biomecánica” (curso 1974-1975; 1984-1985). También se impartieron asignaturas relacionadas con la enseñanza de la biomecánica en la Academia Nacional de Mandos e Instructores “José Antonio”. Como ejemplo, en los cursos de los años 1938 y 1939 se desarrollaba la asignatura “Mecánica y análisis del movimiento”; en 1944-1945 se enseñaba “Análisis y mecánica de los ejercicios”, y en 1964-1965, “Mecánica y análisis del movimiento”, con un total de 18 sesiones. La Escuela Nacional de Especialidades “Julio Ruiz de Alda”, creada en 1956 y perteneciente a la Sección Femenina, presentaba en el Plan de estudios con el que se obtenía el título oficial de Profesora de Educación Física la asignatura “Mecánica humana”.

La Ley 77/61 sobre Educación Física, de 23 de diciembre de 1961, crea el Instituto Nacional de Educación Física (INEF) bajo la dependencia de la Delegación Nacional de Educación Física y Deportes, teniendo como finalidad “...la formación y perfeccionamiento del profesorado de Educación Física y de los entrenadores deportivos (..). Será también función del Instituto la investigación científica y la realización de estudios y prácticas orientadas al perfeccionamiento de cuantas materias se relacionen con la Educación Física”. Años más tarde, en 1967 y bajo la dirección de José María Cagigal, abrió sus puertas el 1^er Instituto Nacional de Educación Física (INEF) en la Ciudad Universitaria de Madrid (figura 8), con un plan de estudios orientado en la línea de otros centros Europeos homólogos. Entre las materias de su Plan de estudios ya se contaba con la asignatura “Biomecánica” en los cursos tercero y cuarto. El Dr. Sicilia fue el responsable de impartir esta primera asignatura de biomecánica, la cual, debido a su formación en el área de fisioterapia y anatomía funcional, orienta hacia la denominada en Europa biomecánica interna o cinesiología muscular y funcional. Como texto base empleó el texto de Daniels y Worthingham (1957) “Pruebas funcionales y musculares”.

El VI Congreso Internacional de Entrenadores de Atletismo en el INEF de Madrid (1973) supuso un importante desarrollo para la biomecánica aplicada a las técnicas deportivas, concretamente al atletismo (Gutiérrez, M., 1998), el cual sirvió para exponer que la biomecánica deportiva debería ser una perspectiva científica basada en la física con el objetivo de mejorar el rendimiento deportivo.

Figura 8. Proyecto de la Ciudad Universitaria de Madrid (1928). (Modificado de http://www.inef.upm.es/informacion_general/historia_inef.htm)

Tras el INEF de Madrid (1967), nacen otros centros como el INEF de Granada (1982), el IVEF de Valencia (1987), etc., hasta los últimos centros creados con la denominación de Facultades de Ciencias de la Actividad Física y el Deporte. En todos los INEF y Facultades también se imparte la asignatura troncal “Biomecánica deportiva” (bien con esta denominación u otra muy similar) donde se incluye el término “actividad física”, y además se crean en sus instalaciones laboratorios docentes y de investigación en biomecánica. En el libro coordinado por Pérez y Llana (2007) “Biomecánica aplicada a la actividad física y al deporte”, se recogen las principales líneas de investigación de esta materia en los INEF y Facultades españolas.

En laboratorios de estos INEF y Facultades se utiliza la biomecánica fundamentalmente para la mejora de las técnicas deportivas y la prevención de patologías del aparato locomotor. Algunos de los laboratorios y grupos de investigación con mayor tradición en el área de Educación Física y Deportiva son: a) Grupo de Biomecánica del Movimiento Humano y el Deporte de la Facultad de Ciencias del Deporte de la Universidad de Castilla la Mancha, en Toledo, dirigido por el Dr. Xavier Aguado; b) Grupo de Investigación de Biomecánica de la Facultad de Ciencias de la Actividad Física y del Deporte de la Universidad de Granada, dirigido por el Dr. Marcos Gutiérrez; c) Grupo de Análisis Biomecánico de la Facultad de Ciencias del Deporte de la Universidad Politécnica de Madrid (INEF de Madrid), dirigido por el Dr. Enrique Navarro; d) Unidad de Investigación del Rendimiento Físico y Deportivo de la Facultad de Ciencias de la Actividad Física y el Deporte de la Universidad de Valencia, con el Dr. José Campos, Dr. Gabriel Brizuela, Dr. Salvador Llana y el Dr. Pedro Pérez; e) Área de Trabajo relacionada con las nuevas tecnologías aplicadas al análisis y valoración del rendimiento deportivo, dirigida por el Dr. Juan García, de la Facultad de Ciencias de la Actividad Física y el Deporte (Universidad de león); f) Grupo de Investigación en Comportamiento Motor, de la Facultad de Ciencias de la Actividad Física y el deporte (Universidad Miguel Hernandez, Elche), con la representación del Dr. Francisco J. Vera y el Dr. J. Luis López; g) Grupo de Investigación en Ciencias de la Actividad Física y el Deporte, dirigido por el Dr. José Antonio Pérez de la Facultad de Ciencias de la Actividad Física y el Deporte (Universidad de Alicante); h) Laboratorio de Biomecánica del Movimiento Humano y Ergonomía, dirigido por Dr. Kostas Gianikellis, de la Facultad de Ciencias del Deporte (Universidad de Extremadura); i) Grupo de Investigación de Actividad Física y Deportiva en el Medio Acuático, dirigido por el Dr. Raúl Arellano, de la Facultad de Ciencias de la Actividad Física y el Deporte (Universidad de Granada), y j) Grupo de Investigación del Laboratorio de Análisis del Rendimiento Deportivo, con el Dr. Jesús Cámara, de la Facultad de Ciencias de la Actividad Física y Deportiva (Universidad del País Vasco)

Además de los INEF/Facultades, cabe señalar el desarrollo y la aplicación de la biomecánica deportiva tanto en los Centros de Alto Rendimiento (CAR de Madrid, Granada, Sant Cugat, Centros de Medicina del Deporte (destacando por su contribución a la biomecánica deportiva al Dr. Mikel Izquierdo, en la Unidad Técnica de Investigación en el Centro de Estudios, Investigación y Medicina del Deporte del Gobierno de Navarra), Comité Olímpico Español (COE), Laboratorio de Biomecánica Deportiva del Centro de Alto rendimiento y de Investigación en Ciencias del Deporte (CARICD) del Consejo Superior de Deportes (dirigido durante 1993-2006 por la Dr. Amelia Ferro, actualmente en la Universidad Autónoma de Madrid), así como en los Institutos Tecnológicos, todos ellos con una vertiente más investigadora que docente/formativa.

Entre los Institutos Tecnológicos cabe destacar la creación por parte de Justo Nieto (1978) de un laboratorio de biomecánica en el seno de la Universidad Politécnica de Valencia (Aguado, en Campos, 2001). Este laboratorio dará origen en noviembre de 1989 al Instituto de Biomecánica de Valencia (IBV), que 20 años después sigue siendo dirigido por el Dr. Pedro Vera. Cuenta con una amplia diversificación en sus actuaciones, tanto en el ámbito de la ergonomía, como en el médico y deportivo, y hay que señalar sus contribuciones a la instrumentación en biomecánica deportiva a través de la plataforma de fuerzas, sistemas de pedobarografía, fotogrametría, etc.

Existen además en España, y concretamente en la Comunidad Valenciana, otros Institutos Tecnológicos con una amplia contribución a la biomecánica deportiva en sus investigaciones (figura 9), como el Instituto Tecnológico del Calzado y Conexas (INESCOP, creado en 1971, destacando la contribución del Dr. Gaspar Morey a la biomecánica deportiva del calzado), y el Instituto Tecnológico del Textil (AITEX, creado en 1985).

Figura 9. Institutos tecnológicos que contribuyen a la biomecánica deportiva en España.

BIBLIOGRAFÍA

Aguado, X., Izquierdo, M., González, J.L. (1997) Biomecánica fuera y dentro del laboratorio. León, Universidad de León.

Brizuela, G. (1996) Aportaciones al diseño de calzado para la práctica del baloncesto: Análisis biomecánico de la influencia del calzado sobre el salto vertical y sobre el rendimiento. Aspectos epidemiológicos. (Tesis doctoral). Universidad de Valencia.

Burke, R. (1997) The future of kinesiology at the undergraduate level. Proceedings Kinesiology: a national conference on teaching. Universidad de Illinois, Urbana-Champaing.

Cagigal, J. M. (1996) Obras completas. Cádiz, Comité Olímpico Español.

Campos, J. (2001) Biomecánica y deporte. FDM, Valencia.

Gutiérrez, M. (1998) Biomecánica deportiva: bases para el análisis. Síntensis, Madrid.

Hamill, J.; Knutzen, K. (1995) Biomechanical Basis of Human Movement. Williams & Wilkins, EEUU.

Hay, J.G. (1993) The biomechanics of sports techniques. New Jersey, Prentice Hall

Izquierdo, M. (2008) Biomecánica y bases neuromusculares de la actividad física y el deporte. Editorial Médica Panamericana.

Llana, S., Pérez, P. (2007) Natación y actividades acuáticas. Marfil Editorial.

Oña, A., Martínez, M., Moreno, F., Ruiz, L.M. (1999) Control y aprendizaje motor. Madrid, Síntesis.

Pérez, P., Llana, S. (2007) Biomecánica aplicada a la actividad física y al deporte. Colección aula deportiva técnica. Fundación Deportiva Municipal, Valencia.

Rasch, P., Burke, R. (1986) Kinesiología y anatomía aplicada. Buenos Aires, El Ateneo.

Zatsiorski, V., Fortney, V. (1993) Sport Biomechanics 2000. Journal of Sports Sciences, 11: 279-283.

PARA SABER MÁS

http://www.aneca.es/activin/docs/libroblanco_deporte_def.pdf

http://www.biomch-l.org/index.html

http://www.twu.edu/biom/isbs/index.htm/, portal oficial de la International Society of Biomechanics in Sports.

RESUMEN

Dentro de las ciencias del deporte, la biomecánica aporta conocimientos sobre la metodología de la medición, además de los resultados de las mediciones de características biomecánicas de quien realiza actividad física o practica deporte. Ambas estarán presentes en multitud de test y evaluaciones realizados por los entrenadores, los profesores de Educación Física, los árbitros y jueces, los técnicos que apoyan a los deportistas, los médicos y psicólogos deportivos, los practicantes de actividad física, los atletas y también los investigadores. Todo aquello que se puede medir se llama magnitud, y cuando existe un patrón de medida propio de esa magnitud, se la llama fundamental. Por otro lado, las magnitudes derivadas se obtienen a partir de combinar mediante ecuaciones las magnitudes fundamentales. En biomecánica se usan tres magnitudes fundamentales: espacio, tiempo y masa. A partir de ellas se obtienen una veintena de magnitudes derivadas que se ilustran en el capítulo con diferentes ejemplos.

Este capítulo empieza explicando lo que es una unidad de medida y la necesidad que surgió, después de la experiencia de las primeras medidas, de lograr convenios internacionales sobre su uso. Para medir es imprescindible conocer y usar correctamente las unidades de medida, sus símbolos y sus conversiones. Las diferentes normas internacionales dicen cómo de grandes son las unidades, cómo se convierte de unas a otras, cómo se pueden combinar para formar unidades de magnitudes derivadas y cómo se usan los símbolos de abreviación de las unidades. En la parte final del capítulo se explican diferentes formas de dar a conocer los errores e imprecisiones de las medidas, también ilustrados con algunos ejemplos.

1. MEDIDAS DE BIOMECÁNICA

La biomecánica deportiva aporta a las ciencias del deporte una serie de conocimientos metodológicos sobre cómo se mide. Estos conocimientos proceden de las bases físicas de la biomecánica y de la biología propia del hombre, con todas las características que lo diferencian de otros seres vivos y, también, de las características propias de las actividades físicas y deportes que practica. Por otro lado, las ciencias del deporte, como, por ejemplo, el entrenamiento deportivo, el aprendizaje motor o la psicología deportiva, con cierta frecuencia necesitarán realizar mediciones propiamente biomecánicas. Por ello es importante aprender las bases de la biomecánica deportiva, ya que su conocimiento lo usarán no sólo quienes se vayan a dedicar a este campo, sino también muchos otros profesionales y practicantes de actividad física y deportes. Entre los profesionales que lo usarán estarán los profesores de educación física, los médicos y psicólogos deportivos, los entrenadores, los técnicos de diferentes especialidades que apoyan el deporte, los árbitros y los investigadores de las ciencias del deporte.

Medir consiste en contar cuántas veces está incluido el patrón de medida en algo. A ese algo le llamamos magnitud y al patrón de medida le llamamos unidad de medida. Así, por ejemplo, la distancia (o longitud) es una magnitud y el metro es una unidad de medida. Por otro lado, hay que decir que no todo se puede medir. A lo que sí se puede medir le llamamos magnitud, y las magnitudes implican que existan previamente metodologías que permitan cuantificarlas. Como las metodologías evolucionan, también evoluciona todo aquello que es posible medir y aparecen nuevas magnitudes, en la medida que se va disponiendo de tecnología adecuada para cuantificarlas.

Los profesores de educación física realizan medidas para poder evaluar a sus alumnos. Los entrenadores miden cuando realizan diferentes test a sus deportistas, con los que pueden controlar y hacer un seguimiento del estado de forma y así poder corregir y adecuar el entrenamiento que les diseñan y también poder conocer en qué nivel se encuentran cuando han de afrontar una competición. Los médicos deportivos, psicólogos deportivos, especialistas en aprendizaje y desarrollo motor también realizan medidas biomecánicas, como por ejemplo fuerzas, distancias, ángulos y velocidades.

Los árbitros y jueces miden para poder ejercer su labor. Finalmente, los propios practicantes de actividad física y deportiva (fuera de la competición) miden con frecuencia sus desarrollos, como forma de control de la actividad que realizan. Las medidas más frecuentes son las de distancias, tiempos y velocidades. Los instrumentos más sencillos, que se usan universalmente por todo el conjunto de profesionales y practicantes de actividad física y deportes, son la cinta métrica y el cronómetro. Éstos conviven hoy en día con multitud de nuevas tecnologías, que se han extendido en el mundo del deporte. Por ejemplo los GPS (Global Positioning System), que se usan tanto en actividades de senderismo, en deportes en el medio aéreo y acuático, como también en ciclismo, motociclismo y deportes de cancha abierta. Con el GPS se puede conocer tanto la ubicación espacial del deportista o practicante, como contabilizar sus desplazamientos y velocidades. Existen GPS adaptados a cada una de estas actividades, que además de realizar el posicionamiento calculan el resultado de los desplazamientos, y en el caso de actividades en medio natural, incluyen mapas.

PUNTO CLAVE

Hoy en día se siguen usando instrumentos sencillos de medida como la cinta métrica y el cronómetro, pero éstos conviven con instrumentos modernos y sofisticados como los GPS.

En algunos deportes a veces se valoran aspectos que no pueden ser catalogados como magnitudes ya que no existe un patrón de medida bien definido, ni una metodología precisa para usar en su medición. Tal es el caso de las valoraciones del “riesgo”, la “belleza”, la “pericia”, el “virtuosismo” y otras, que han estado presentes en las puntuaciones de los jueces de deportes como saltos de trampolín, esquí acrobático y gimnasia. Aún hoy en día, los reglamentos de estos deportes incluyen la valoración de aspectos difíciles de objetivar. Por ejemplo, el actual código de puntuación de gimnasia artística femenina habla de “falta de postura del cuerpo” sin especificar exactamente a qué se refiere en términos mecánicos (ángulos de articulaciones, colocación espacial de los segmentos del cuerpo).

Antiguamente, el hombre empezó a medir usando como unidad de medida aquello que le era más familiar. Por ejemplo, su cuerpo entero, o partes de él, como manos, pies y brazos. Pero pronto se dio cuenta de que no todos tenemos estos patrones de medida igual de grandes. Por ello, a quien tenía grandes pies las distancias siempre le salían más cortas que a quien los tuviera pequeños. Dependiendo de que se fuera comprador o vendedor podía interesar tener grandes o pequeñas dimensiones corporales. De hecho existen algunas unidades de medida actuales que conservan el nombre de partes del cuerpo, como es el caso del pie (ft, del inglés foot), aunque hay que subrayar que hoy en día ya está perfectamente delimitado cómo de grande es ese pie usado para medir, por ejemplo, alturas en deportes aéreos.

2. MAGNITUDES FUNDAMENTALES Y SISTEMAS DE UNIDADES

Algunas magnitudes tienen patrón propio de medida, como sucede con el segundo, usado para medir la magnitud que llamamos tiempo. Por ello se pueden medir directamente y se llaman magnitudes fundamentales. De esta forma el tiempo es una magnitud fundamental. Otras, en cambio, se obtienen indirectamente combinando patrones, como sucede con el metro por segundo. A estas magnitudes que no tienen patrón propio y necesitan una ecuación para hacer esa combinación las llamamos magnitudes derivadas. Así, la velocidad es una magnitud derivada. De esta manera un sencillo velocímetro o cuentakilómetros de una bicicleta, para poder calcular la velocidad que muestra en la pantalla, necesita tanto un sistema calibrado que cuente las vueltas que da la rueda (para obtener los metros que se avanzan), como un reloj interno (para contar los segundos). De esta combinación surge una unidad de medida: el metro por segundo (m/s).

En biomecánica sólo usamos tres magnitudes fundamentales en el denominado Sistema Internacional de unidades (SI), que son: la longitud o distancia, la masa y el tiempo. Para medir la longitud, el SI usa como patrón el metro (m), para medir la masa usa como patrón el kilogramo de masa (kg) y, finalmente, para medir el tiempo se usa como patrón el segundo (s).

PUNTO CLAVE

Las magnitudes fundamentales poseen pat-rón propio de medida mientras que las magnitudes derivadas se forman a partir de ecuaciones que muestran cómo se obtienen de las primeras. El tiempo es una magnitud fundamental, mientras que la velocidad es una magnitud derivada.

Hace ya tiempo, debido a que había diferentes patrones para medir unas mismas magnitudes fundamentales, surgió la necesidad de agrupar esos patrones en diferentes compartimentos o cajones. Esto se hizo mediante convenios, que delimitan lo que se llama sistemas de unidades. Los sistemas de unidades aparecen con el fin de evitar que haya un caos de cientos de unidades de medida diferentes en las magnitudes derivadas, debido a la multitud de combinaciones posibles de todas las unidades de medida que hay en las magnitudes fundamentales. Así, un sistema de unidades dice qué patrones de medida de magnitudes fundamentales se pueden combinar entre sí para la medida de magnitudes derivadas. Esto casi siempre se respeta, pero en algunas actividades, tradicionalmente, se siguen usando unidades de medida fruto de combinaciones no recogidas en los principales sistemas de unidades. Por ejemplo, para medir las velocidades, existen los usos tradicionales del kilómetro por hora (velocímetros en Europa), las millas por hora (velocímetros en Estados Unidos) y los nudos (actividades aéreas, navegación y meteorología).

Pero los sistemas de unidades también dicen cómo de grande es cada unidad de medida, para así evitar por ejemplo que existan metros de diferentes tamaños. Antes de que aparecieran los convenios internacionales pasaba lo mismo que ocurre actualmente con la ropa o el calzado; en cada país y zona geográfica se hacen interpretaciones diferentes de las tallas. Incluso una misma talla europea o inglesa es interpretada de diferente forma según el fabricante, e incluso dentro de un mismo fabricante, en diferentes modelos la interpretación cambia. De todo esto resulta un caos, en el que se hace difícil saber cuál es la talla de cada uno. Para evitar esta situación con las unidades de medida, nació en Francia en 1795 el Sistema Métrico Decimal, que en España fue declarado obligatorio en 1849. Más recientemente, el Sistema Internacional de unidades (SI), también llamado MKS (por los símbolos de sus unidades de medida de las magnitudes fundamentales: metro, kilogramo de masa y segundo) o Giorgi. El SI fue adoptado por la undécima Conferencia General de Pesos y Medidas (Conférence Générale des Poids et Mesures) en 1960, y declarado de uso legal en España en 1967. Actualmente es de uso obligatorio, como marca el Real Decreto 1317/1989, de 27 de octubre. Actualmente tan sólo hay en el mundo tres países que no han adoptado el SI como prioritario o único: Birmania, Liberia y Estados Unidos. Otros sistemas de unidades son: el técnico, el cegesimal y el inglés.

PUNTO CLAVE

España suscribió en 1967 el Sistema Internacional de unidades, que es de uso obligatorio en nuestro país desde 1989.

Tabla 1. Magnitudes usadas en biomecánica, junto con sus símbolos de abreviación, y las unidades de medida en el Sistema Internacional y el Sistema Inglés (p: rho; θ: teta; ω: omega; α:alfa).

3. LAS MAGNITUDES DERIVADAS

En biomecánica del deporte se usan una veintena de magnitudes derivadas (tabla 1), que a continuación se comentan, junto a sus unidades de medida y ejemplos de cada una, agrupadas en nueve apartados diferentes.

3.1. Velocidad y aceleración lineales

La velocidad (v) es la relación entre el desplazamiento, que es fruto del cambio de posición realizado (Δx), y el tiempo empleado (t) (v=Δx/Δt). Para medir la velocidad se deberán tomar 2 veces consecutivas la posición del cuerpo (x₁ y x₂) y así se tendrá el desplazamiento o distancia recorrida. Cuando un cuerpo se desplaza a una velocidad que no cambia, la velocidad será constante, y al multiplicar la constante por el tiempo, nos dará el desplazamiento que ha cubierto el cuerpo en ese tiempo. En una gráfica de espacio cubierto (en ordenadas) y transcurso del tiempo (en abcisas), la velocidad se refleja en la inclinación de dicha gráfica. La unidad de medida en el SI es el metro por segundo (m/s). En el Campeonato del Mundo de Atletismo de Berlín, en 2009, Usain Bolt logró un nuevo récord del mundo de los 100 m, corriendo la distancia en 9,58 s. Es decir, corrió con una velocidad media de 10,438 m/s (37,578 kilómetros por hora). Si no se tiene en cuenta el tiempo de reacción (que fue de 0,146 s), esa velocidad media sube hasta 10,6 m/s (38,16 kilómetros por hora). Pero la velocidad no es constante a lo largo de una carrera y los mejores atletas del hectómetro consiguen sus máximas velocidades punta pasados los 60 m de carrera. En el caso de la carrera de Bolt, la máxima velocidad instantánea superó los 12,5 m/s (45 kilómetros por hora). En la figura 1 se muestra la evolución de las velocidades medias de la carrera de Bolt, calculadas cada 20 m.

Figura 1. Tiempos y velocidades medias de Usain Bolt, recogidos cada 20 m, en la final del hectómetro en el Campeonato del Mundo de Atletismo de Berlín en 2009. Los datos proceden del análisis de la carrera emitida por televisión y del estudio biomecánico realizado por la IAAF en dicho campeonato.

PUNTO CLAVE

Durante la carrera de los 100 m la velocidad va cambiando. Los mejores atletas consiguen su pico de velocidad pasados los 60 m. En las gráficas de espacio/tiempo, la velocidad se ve como la inclinación mayor o menor de la curva.

La aceleración (a) es la relación entre el cambio de velocidad y el tiempo en el cual se produce (a = Δv/Δ t). En una gráfica de velocidad (en ordenadas) y transcurso del tiempo (en abcisas) la aceleración se refleja en la inclinación de dicha gráfica. La unidad de medida en el SI es el metro por segundo al cuadrado (m/s²). Por ejemplo, durante la fase de vuelo de un salto vertical, el centro de gravedad va perdiendo primero velocidad hacia arriba, y luego ganando velocidad hacia abajo, con una aceleración constante (tanto durante el ascenso, como durante el descenso) de -9,81 m/s². Al poco de llegar al suelo, el centro de gravedad empieza a frenar su velocidad hacia abajo mediante una aceleración positiva y variable, debida al golpe de diferentes estructuras del pie con el suelo y la transmisión de fuerzas por los diferentes segmentos y articulaciones corporales y a las acciones musculares involucradas. En algunos casos de caídas violentas, esa desaceleración del movimiento hacia abajo del centro de gravedad puede superar los 100 m/s² coincidiendo con el instante del contacto del talón contra el suelo (figura 2).

3.2. Ángulo, velocidad y aceleración angulares

Si entendemos el ángulo (θ) como una forma más de dar una posición, el cambio de ángulo (Δθ) es una distancia cubierta en un movimiento angular. En física, para considerar un movimiento como estrictamente angular se exige que cualquier parte del cuerpo que lo realiza cubra el mismo ángulo a lo largo del tiempo; sin embargo esto implicaría la existencia de muy pocos movimientos angulares en las actividades físicas y el deporte. Por ejemplo, sí lo sería el de una rueda de una bicicleta de spinning que gira respecto a su eje, o el de un gimnasta que girara manteniendo exactamente la misma postura respecto a la barra fija. Pero si no somos totalmente estrictos, los movimientos que realiza un segmento del cuerpo respecto a la articulación que lo moviliza se pueden considerar como angulares, como, por ejemplo, cuando el brazo se aproxima al antebrazo, en lo que se llama flexión del codo. Así, damos incrementos de ángulos para expresar el desplazamiento que ha realizado una articulación. Pero también se usan ángulos para describir la posición de una articulación. Así, se usa normalmente como referencia la posición anatómica: por ejemplo, un ángulo de flexión del codo de 70º de una persona que está trabajando con un ordenador significa que tiene el codo doblado 70º respecto a su posición anatómica. La posición anatómica del codo implica una misma dirección de los segmentos brazo y antebrazo, o, lo que es lo mismo, 180º mecánicos en la articulación del codo. Por ello, 70º de flexión anatómicos equivaldrían a 110º mecánicos, como se muestra en la figura 3 con la rodilla.

Figura 2. Desaceleración violenta del centro de gravedad de la persona al llegar al suelo en la caída de un salto vertical. La desaceleración que muestra la gráfica no ha sido debida a una excesiva altura de caída sino a una mala técnica de amortiguación. Cuando contactan los talones en el suelo, en ocasiones como ésta se puede llegar a superar desaceleraciones de 100 m/s2.

La unidad de medida en el SI de los ángulos es el radián (rad). Un radián es el ángulo plano entre dos radios de un círculo cuyo arco tiene la misma longitud que los radios. En el SI, el radián se considera una unidad derivada, sin dimensión. A partir del radián se define el grado, que sin ser una unidad del SI, ni siquiera submúltiplo decimal, se usa a menudo en combinación con sus unidades. Un grado equivale a π/180 rad, o lo que es lo mismo, 1 rad = 57,3º.

PUNTO CLAVE

El Sistema Internacional de unidades usa el radián (rad) como unidad de medida de los ángulos. Esta unidad equivale a 57,3º.

La velocidad angular (ω) es la relación entre el ángulo cubierto y el tiempo en el que se realiza (ω =Δθ/Δ t). En el SI se expresan en radianes por segundo (rad/s). La figura 4 muestra cómo al realizar extensión con las rodillas, al incrementar la carga que se maneja disminuye la velocidad angular que se logra. Mientras en una patada de fútbol la rodilla puede alcanzar velocidades instantáneas de extensión de 35 rad/s, en la extensión de las extremidades inferiores durante un salto vertical alcanzará velocidades de 14 rad/s, y si progresivamente se va realizando el salto incorporando cada vez más carga, la velocidad de extensión irá disminuyendo hasta llegar a la mínima expresión cuando se haga una extensión de rodillas con la máxima carga posible, en lo que se llama 1RM. Y si añadiéramos, a partir de ahí, un mínimo incremento en la carga manejada en la 1 RM, llegaríamos a la máxima fuerza isométrica que se es capaz de ejercer con ese grado de flexión de rodillas.

Figura 3. Si no se dice lo contrario, la posición denominada “anatómica” se considera como de referencia cuando se quiere dar cualquier posición de una articulación, como por ejemplo la rodilla. Así, en la figura B, la rodilla tendrá 70º de flexión.

La aceleración angular (α) es la variación de la velocidad angular con el incremento de tiempo (α=Δω/Δ t). En el SI se mide en rad/s². Cuando se realiza un movimiento angular rápidamente, se logra un pico de velocidad angular con un determinado ángulo. Hasta llegar a ese ángulo la articulación realiza una aceleración angular, y una vez alcanzado el pico de velocidad, desacelera, antes de llegar al final del recorrido angular. Se sabe que determinados programas de entrenamiento logran cambiar ese período de aceleración de manera que se puede modificar el ángulo en el que se obtiene el pico de velocidad (además del valor de esa velocidad). También se sabe que, en función de que el ejercicio que se realice acabe con un lanzamiento o acabe sin liberar la carga, se logra prolongar el curso de la aceleración angular o recortarlo, respectivamente.

3.3. Inercia y cantidad de movimiento lineales

La inercia es la dificultad para cambiar el estado de reposo o de movimiento que tenga un cuerpo. A esa menor o mayor dificultad la podríamos catalogar como de pereza que tienen los cuerpos a modificar su quietud o su movimiento a velocidad constante. En el movimiento lineal equivale a su cantidad de materia, o lo que es lo mismo, a su masa. Cuanta más masa tenga un cuerpo, más costará cambiar su quietud, si estaba en reposo. También cuanta más masa, más costará cambiar la velocidad de movimiento, si el cuerpo se estaba moviendo a una velocidad constante. La inercia de los movimientos lineales se mide en el SI en kilogramos de masa (kg). Una persona que pese 70 kilogramos de fuerza (70 kilopondios o kp) tendrá exactamente 70 kg de masa en el SI.

Figura 4. Velocidades máximas instantáneas de extensión de rodillas logradas en diferentes ejercicios, con diferente carga.

PUNTO CLAVE

La inercia expresa la mayor o menor dificultad para cambiar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo y se mide en el Sistema Internacional de unidades mediante el kilogramo de masa (kg).

La cantidad de movimiento lineal (M) (también llamada momentum o momento lineal) muestra lo que costaría parar totalmente a un cuerpo que se mueve a una determinada velocidad. O también lo que costaría poner en movimiento, hasta una determinada velocidad, a un cuerpo que está parado. Comparando dos cuerpos que se muevan a la misma velocidad, el que tenga más masa tendrá mayor cantidad de movimiento, y por eso costará más pararlo o modificarle su velocidad (figura 5). También si se comparan dos cuerpos que tengan la misma masa, el que lleve mayor velocidad tendrá mayor cantidad de movimiento, y costaría más llegar a pararlo totalmente o modificarle su velocidad en, por ejemplo, 5 m/s. Así, la cantidad de movimiento es el producto de la inercia lineal (la masa) por los cambios en la velocidad de un cuerpo (M= m.Δv). La cantidad de movimiento se usa para explicar que su módulo se conserva mientras no aparezcan otras fuerzas, como por ejemplo el rozamiento o la resistencia. También se puede transferir la cantidad de movimiento, como sucede cuando choca una bola de billar contra otra a la que le pasa su cantidad de movimiento y sale despedida mientras la primera se queda parada. En otro ejemplo, la cantidad de movimiento que tiene el palo de golf justo antes de golpear la bola se transfiere en parte a la bola, en el instante posterior al golpeo. En ese instante posterior, la cantidad de movimiento que tenía el palo se habrá separado en la que le queda al palo y la de la bola. O lo que es lo mismo, la que ha perdido el palo la ha transferido a la bola, y como ésta tiene muy poca masa, adquiere velocidades relativamente altas. En el SI la cantidad de movimiento se mide en kilogramos multiplicados por metro, por segundo (kg.m/s).

Figura 5. Si hubiera que parar en seco a dos corredores que llevan la misma velocidad (5 m/s), costaría más hacerlo con el de mayor masa (80 kg el corredor A, frente a 60 kg el corredor B) por su mayor cantidad de movimiento (400 kg·m/s el corredor A, frente a 300 kg·m/s el corredor B).

3.4. Inercia y cantidad de movimiento angulares

La inercia angular (I), también llamada momento de inercia, no sólo depende de la masa, como sucede en los movimientos lineales, sino también de cómo está distribuida respecto al eje de giro, con un menor o mayor radio de distancia (I = mr²). Se trata del mismo concepto de dificultad para cambiar su estado de reposo o de velocidad constante, pero en el movimiento angular. Por otro lado, todos los cuerpos cuando giran durante el vuelo (en fase aérea) lo hacen por el centro de gravedad. Así lo hace un martillo, una maza de malabares, una pelota de golf y también el hombre. A diferencia de una pelota, el hombre no es simétrico en la distribución de su masa, y por eso en los giros que puede hacer en sus ejes (longitudinal, transversal y anteroposterior) no tiene agrupada por igual su masa. En función de ese agrupamiento o de la lejanía de la masa respecto al eje de giro que pasa por el centro de gravedad, el cuerpo humano presenta diferentes inercias angulares. El cuerpo del hombre o la mujer tiene menos inercia si gira respecto a un eje vertical o longitudinal. Si gira respecto a un eje transversal tiene más inercia, y aún más si lo hace respecto a un eje anteroposterior. Analizando por separado cualquiera de estos tres ejes podemos cambiar la inercia agrupándonos (para disminuirla) o extendiéndonos (para aumentarla) (figura 6). En el SI la inercia angular se mide en kilogramos multiplicados por metro cuadrado (kg.m²). La cantidad de movimiento angular (L) (también llamada momento angular) se consigue multiplicando la inercia por la velocidad angulares (L = I._ω) y se usa para explicar el aumento de velocidad de giro de los patinadores cuando se agrupan y también los cambios del eje sobre el que giran los gimnastas en algunos saltos, cuando transfieren la cantidad de movimiento angular que tenían en un determinado segmento corporal, como un brazo, o una pierna o la cabeza, a otro eje, al cambiar la posición de ese segmento. En el SI se mide en kg.m² rad/s (figura 7).

Figura 6. Cuando la misma persona, girando por el mismo eje (en la figura es un eje transversal), adopta posiciones más agrupadas, disminuye la inercia angular, y cuando se extiende (alejando la masa del eje de giro), la inercia angular aumenta. En las posiciones A-D se gira en fase aérea (por el centro de gravedad), mientras que en la posición E se gira colgado, respecto a una barra fija. Las inercias angulares en estas posiciones oscilarán desde 6 hasta 83 kg·m2 para la misma persona.

Figura 7. Una persona que pese 60 kp (kilogramos de fuerza) tiene, en el SI, una masa de 60 kg y un peso de 588,6 N (60 kg·9,81 m/s2). A su vez, una persona que pese 80 kp tendrá en el SI 60 kg de masa y un peso de 784,8 N.

3.5. Fuerza, momento de una fuerza e impulso mecánico

La fuerza (F) es el resultado de aplicar una aceleración a una determinada masa (F = m.a). El peso de cualquier cuerpo o persona es el resultado de aplicar la aceleración de la gravedad (9,81 m/s²) sobre su masa. En el SI, las fuerzas se miden en newtons (N). Una persona que pese 60 kg de fuerza (60 kilopondios) tendrá en el SI una masa de 60 kg y un peso de 588,6 N (que es el resultado de 60 kg. 9,81 m/s²) (figura 8).

PUNTO CLAVE

El peso de una persona es una fuerza ejercida al aplicar hacia el centro de la tierra la aceleración de la gravedad sobre su masa. En el Sistema Internacional de unidades se mide en newtons (N).

El momento de una fuerza (M_F) es la tendencia a girar que provocará una fuerza aplicada en una dirección que no pasa por el eje de giro de un cuerpo (M = F d). Esta magnitud se usa, por ejemplo, para conocer el efecto de la fuerza generada en la contracción muscular sobre la articulación que moviliza el músculo. La distancia por la que se multiplica la fuerza, llamada brazo, se mide perpendicularmente a la dirección de la fuerza hasta el eje de giro. En el SI, el momento de una fuerza se mide en newtons multiplicados por metro (N.m). En ergonomía se habla de un principio de economía de esfuerzo para mantener cualquier postura, que consiste en minimizar los momentos de las fuerzas que actúan sobre las articulaciones de nuestro cuerpo. Para ello, los segmentos del cuerpo tendrán que estar lo más alineados que sea posible para que las direcciones de las fuerzas de sus pesos pasen lo más cerca posible de los centros articulares.

El impulso mecánico (I _M) contempla la fuerza a lo largo del tiempo (I_M = F.Δt). Es una forma más real de analizar el efecto que tienen las fuerzas sobre los cuerpos ya que raramente éstas actúan instantáneamente sino que lo hacen variando su módulo a lo largo de un determinado tiempo. Conociendo el impulso mecánico sabremos cuánto varía la cantidad de movimiento de un cuerpo. Esto es lo mismo que conocer cómo variará la velocidad de un cuerpo ya que su masa será constante (F.Δt = m.Δv).

Figura 8. Una persona que pese 60 kp (kilogramos de fuerza) tiene, en el SI, una masa de 60 kg y un peso de 588,6 N (60 kg·9,81 m/s2). A su vez, una persona que pese 80 kp tendrá en el SI 60 kg de masa y un peso de 784,8 N.

3.6. Rigidez, presión y viscosidad

La rigidez (stiffness en inglés) es una magnitud que mide la relación entre una fuerza y el cambio de longitud que provoca al actuar sobre un cuerpo, que se deforma en función de la dirección y sentido de la fuerza, comprimiéndose (ante esfuerzos de compresión) o alargándose (ante esfuerzos de tracción). El llamado stiffness vertical (figura 9) se usa como medida indirecta de la mayor o menor tensión acumulada en la musculatura extensora de las extremidades inferiores durante la carrera o el salto. El stiffness vertical se calcula conociendo las fuerzas de reacción que se reciben del suelo y el desplazamiento (descenso) que registra el centro de gravedad, fruto del grado de flexión de las articulaciones de la extremidad inferior (V _S = F/Δh). En el SI se mide en newtons por metro (N/m), aunque es frecuente dar los resultados en kilonewtons por metro (kN/m).

La presión (P) es la fuerza que se ejerce por unidad de superficie (P = F / S). Esta magnitud se usa para medir las fuerzas por unidad de superficie, mediante las denominadas plantillas instrumentadas, que recaen en diferentes zonas del pie cuando se hacen actividades como caminar, correr, pedalear o esquiar. También se usa en forma de alfombras de presiones colocadas sobre la superficie de un asiento para medir las presiones en las nalgas cuando se está sentado. En forma de guantes, que registran presiones en diferentes lugares de las manos y dedos, se usan para estudiar el agarre de remos, manillares y barras. En el SI las presiones se miden en pascales (Pa).

La viscosidad es lo contrario de la fluidez. La viscosidad nace del roce entre las partículas de los fluidos. Si no hubiera roces entre éstas, ni entre las partículas y los perfiles, no aparecería la fuerza de resistencia al avance. En ese caso tampoco habría capa límite, y si moviéramos la mano en el agua, no arrastraríamos con ella nada de agua a su alrededor. La viscosidad absoluta es una medida dinámica del tiempo que se tarda en fluir. La unidad de medida en el SI es el pascal multiplicado por segundo (Pa/s) que en Francia se le ha llamado poiseuille (PI), sin estar recogida esta última unidad en el SI. La viscosidad cinemática es una característica propia de cada fluido, sin tener en cuenta las fuerzas que genera su movimiento. En el SI se mide en stokes (St), que equivalen a metros al cuadrado por segundo (m²/s).

Figura 9. El stiffness vertical es la relación entre la fuerza y el descenso del centro de gravedad. Se suele calcular en saltos (como en esta figura) y en carrera. En el SI se mide en N/m, aunque de forma práctica se suelen dar los valores en kN/m.

3.7. Trabajo y potencia

El trabajo (W) o energía mide el resultado de una fuerza (más exactamente el módulo de su componente en la dirección del desplazamiento que va a generar) multiplicada por la distancia que recorre su punto de aplicación sobre un cuerpo (W = F · d). En el SI se mide en julios (J). Si en la batida de un salto vertical recogemos, con una plataforma de fuerzas, las fuerzas de reacción, podremos hallar los desplazamientos del centro de gravedad en altura. Y con ellos representar una gráfica en la que veamos la fuerza en el eje vertical y los desplazamientos en altura en el eje de abcisas. En esta gráfica las áreas corresponderán a los trabajos, tanto concéntrico como excéntrico, realizados durante la batida (figura 10).

La potencia mecánica (P) mide el trabajo realizado por unidad de tiempo (P = W/Δt) o lo que es lo mismo, el producto de la fuerza por la velocidad. Las medidas de potencia máxima en diferentes ejercicios son frecuentes en los atletas para conocer su fuerza explosiva; es decir, una fuerza que se aplica durante poco tiempo y manejando cargas relativamente bajas, que muchas veces serán las del propio peso corporal. En el SI se mide en vatios (W). Se pueden hacer medidas de potencia en diferentes test, como por ejemplo de salto, pedaleo, subir escalones o remo. En la batida de un test de salto único se obtienen los mayores valores de potencia medidos en el hombre. Algunos atletas de pruebas explosivas llegan a sobrepasar un pico de potencia de 9.000 W en un salto con contramovimiento.

3.8. Área, volumen, densidad, peso específico y flujo

El área es la superficie (S) y se usa, por ejemplo, en biomecánica deportiva, para conocer la mayor o menor zona de contacto entre el pie y el suelo en un apoyo plantar, en la llamada área de apoyo de la huella plantar. También se usa para conocer la mayor o menor superficie de un ciclista o de un nadador que choca contra el fluido (aire en el primer caso y agua en el segundo) en lo que se llama área frontal de choque. En el SI, las áreas se miden en metros cuadrados (m²). En los ejemplos anteriores, cuanto mayor sea el área de choque, tanta más resistencia frontal al avance tendrá el deportista. Por ejemplo, sobre una bicicleta de montaña y con el tronco erguido se puede tener un área frontal de choque en torno a 0,5 m², mientras que para la misma persona sobre una bicicleta de carreras, usando componentes aerodinámicos (casco y manillar) el área frontal de choque puede bajar hasta 0,35 m².

Figura 10. La gráfica (trazo negro) muestra la evolución del desplazamiento del centro de gravedad durante la batida de un salto vertical con contramovimiento (CMJ) en relación con la fuerza de reacción recibida del suelo. Las áreas que limita la gráfica son trabajo desarrollado, una parte debido al peso corporal (WBW) y otra por las fuerzas de reacción recibidas (WGRF).

El volumen (V) es el espacio, en tres dimensiones, que ocupa un cuerpo. En el SI se mide en m³. Mediante equipos usados en medicina para el diagnóstico por imágenes, como la resonancia magnética, se pueden recoger diferentes áreas de cortes a diferente nivel en un vientre muscular, y posteriormente, a partir de ellos, hallar, con la ayuda de programas informáticos, el volumen muscular de dicho vientre.

La densidad (ρ) es la relación entre la masa y el volumen de un cuerpo (ρ = m/V). Se usa, por ejemplo, para calcular la flotabilidad de una persona. En el SI se mide en kg/m³. Como el agua pura tiene una densidad de 1.000 kg/m³, si un cuerpo tiene una densidad igual, flotará sumergido, y si la tiene menor, flotará con una parte de él emergida. Si se multiplica la densidad por la aceleración de la gravedad, se obtiene una magnitud derivada llamada peso específico, que en el SI se mide en N/m³. Al hacer cálculos de flotabilidad, un peso específico de 0,87 N/m³ implica que el 87% del volumen del cuerpo quedará sumergido y el 13% emergido.

El flujo (Q) es el volumen de un fluido que circula por unidad de tiempo (Q = S.v), por ejemplo el volumen de sangre que circula por la aorta o por los capilares en cada unidad de tiempo. A medida que nos alejamos del corazón, los conductos por donde circula la sangre, empezando por la aorta, se van dividiendo cada vez más. Así, si vamos sumando la sección de todos ellos, ésta va aumentando a medida que nos alejamos del corazón y este aumento provoca que la velocidad de circulación vaya disminuyendo y con ella el flujo. En el SI el flujo se mide en m³/s.

3.9. Frecuencia

La frecuencia cuenta el número de veces que se hace algo por la unidad de tiempo. Por ejemplo, el número de pasos por cada segundo que se dan cuando se camina, el número de fotogramas en cada segundo que se están recogiendo en una grabación de vídeo o el número de veces que se miden en cada segundo las presiones plantares. La unidad de medida que se usa en el SI son los hercios (Hz).

4. ¿CÓMO USAR LOS SÍMBOLOS DE LAS UNIDADES DE MEDIDA?

Hay una serie de normas, consensuadas internacionalmente por los países que adoptan el SI, que hemos de tener en cuenta al usar los símbolos de las unidades de medida, que a continuación se detallan.

La abreviación de los símbolos está delimitada en el SI y no se puede cambiar. Por ejemplo, la abreviación de segundo(s) es s (no sg ni sec, ni seg).

Las abreviaciones de las unidades siempre son caracteres sin cursiva, y no van seguidas de punto salvo que se utilicen a final de una frase.

En un texto no pueden combinarse los símbolos y los nombres de las unidades. Hay que adoptar un criterio uniforme.

Cuando se usa más de una letra, éstas van seguidas sin espacio, como por ejemplo al escribir kg.

Los símbolos de abreviación de las unidades se usan a continuación de una magnitud. Si no se da una magnitud, se pueden expresar las unidades con su nombre, que puede variar en diferentes países.

Siempre hay que conservar un espacio entre la magnitud, y el símbolo, como, por ejemplo, al escribir 5 s. Solamente en casos especiales, como el símbolo de los grados o el de porcentajes, se colocan a continuación de la magnitud, sin espacio. Por ejemplo, un ángulo de 90º o un porcentaje del 45%.

Los símbolos no cambian en plural; no se añade una s.

Las magnitudes fundamentales siempre tienen nombre propio y su correspondiente abreviación, como por ejemplo 8 m. Algunas de las magnitudes derivadas también tienen un nombre propio, como por ejemplo 75 W. Pero otras magnitudes derivadas no lo tienen, como por ejemplo la unidad usada para medir el momento de giro o la usada para medir la velocidad. En estos casos se utilizan las unidades fundamentales presentes en la ecuación con la que se obtiene la magnitud derivada, con los símbolos matemáticos de las operaciones que hay que realizar. Así, la abreviación de la unidad de medida del momento de giro en el SI es el N.m, pero no el Nm. En el caso de la velocidad, la unidad de medida es el m/s, que equivale al m.s^-1. En el caso de la aceleración sería el m/s² ó m.s^-2, pero no el m/s/s, ya que no se permite usar más de una barra de división en horizontal, salvo que se usen paréntesis, para evitar confusiones.

5. MAGNITUDES ESCALARES Y MAGNITUDES VECTORIALES

Para expresar algunas magnitudes basta con dar un número; a éstas se las llama magnitudes escalares. En cambio, para expresar otras magnitudes, necesitamos dar, además del número (que se llamará módulo), un punto de aplicación, una dirección y un sentido. A estas otras se las llama magnitudes vectoriales y se representan gráficamente mediante una línea o cuerpo (que marca la dirección), una flecha o cabeza (que marca el sentido) y en el extremo contrario a la flecha una pequeña línea perpendicular a la dirección o cola (que marca el punto de aplicación). Algunas magnitudes son ya de por sí escalares, como por ejemplo la densidad, pero otras pueden darse como escalares o vectoriales. Estas últimas pueden reflejarse como el módulo de tal magnitud y entonces sabremos que se considera como escalar (expresando la abreviación de la magnitud en cursiva), y en otros casos se usa un nombre propio diferente, según nos refiramos a escalar o a vectorial. Tal es el caso de la distancia (escalar) y el recorrido (vectorial), o también de la rapidez (speed en inglés, escalar) y la velocidad (velocity en inglés, vectorial), o también de la producción o cantidad de fuerza (strength en inglés, escalar) y de la fuerza (force en inglés, vectorial).

Las magnitudes vectoriales que más se usan en biomecánica son las fuerzas. Éstas se estudian tanto internamente, como por ejemplo las generadas en el sistema musculoesquelético, como externamente, como por ejemplo las que recibimos del suelo (fuerzas de reacción) cuando lo pisamos mientras corremos. Cuando se hacen cálculos con las magnitudes vectoriales no basta con dar un resultado numérico (del módulo resultante) sino que también hay que dar un resultado gráfico; es decir, hay que calcular el vector resultante (figura 11).

6. MAGNITUDES PROPIAS

Hay multitud de magnitudes propias de las ciencias del deporte. Los profesores de educación física y los entrenadores definen muchas de ellas, con las que después realizan test o diseñan ejercicios y programas de entrenamiento. Entre estas magnitudes estarían, por ejemplo, las flexiones colgados de una barra o los abdominales. Una vez nombrada la magnitud, hay que delimitar la unidad de medida, que en los ejemplos anteriores serían, respectivamente, una flexión en la barra y un abdominal, respectivamente. Para ello se tendrá que describir la posición de partida y la posición final de cada unidad, así como otros aspectos del ejercicio como la posibilidad de rebotes o ejecuciones continuas o la necesidad de esperar un tiempo antes de emprender el siguiente. También se tendrá que describir cualquier aspecto sobre la colocación de los miembros superiores e inferiores que influya en la realización del ejercicio.

6.1. Ciclos y frecuencia de ciclos

Las actividades cíclicas son aquellas que tienen una estructura básica de movimientos, que no es más que un determinado encadenamiento de movimientos, que se va repitiendo rítmicamente a lo largo del tiempo, siempre de la misma forma. Por ejemplo, la marcha, la carrera, el ciclismo, el esquí de fondo, el patinaje y la natación son actividades cíclicas. En éstas se cuenta el número de ciclos enteros realizados, así como de partes de un ciclo. La zancada, la vuelta de pedal o la brazada son nombres que atañen a estas estructuras de movimiento encadenadas, que se repiten rítmicamente a lo largo de la marcha, la carrera o el ciclismo. Los ciclos a su vez se dividen en partes o fases, como por ejemplo, las fases aéreas, los apoyos o las fases acuáticas. En estas actividades se cuenta la frecuencia de ciclos, simplemente dividiendo el número de ciclos realizados entre el tiempo que se ha tardado en realizarlos. Si se ha medido la velocidad media del desplazamiento, en un tramo suficientemente largo para que sea representativo, se puede despejar la amplitud media de cada paso, zancada o brazada (amplitud media = velocidad media/frecuencia de ciclos). Por ejemplo, los podómetros y acelerómetros usan el contador de pasos para, una vez introducida la amplitud media del paso, darnos la velocidad de carrera, y a partir de ahí saber el tiempo que se lleva corriendo, darnos la distancia cubierta.

Figura 11. La figura muestra el vector de fuerza resultante (FR) de las fuerzas de reacción del suelo, durante la fase de impulsión de la carrera, entre la fuerza vertical (FV) y la anteroposterior (FA-P).

PUNTO CLAVE

El paso, la zancada, la vuelta de pedal y la brazada son unidades de medida de actividades o deportes cíclicos.

En biomecánica se considera un paso a lo que sucede desde el primer instante de contacto del pie en el suelo hasta que el siguiente pie se encuentre justo a punto de tocar el suelo. Esto es así tanto cuando se camina como cuando se corre. Por otro lado, al conjunto de dos pasos consecutivos se le llama zancada (figura 12). Hay que tener en cuenta estas consideraciones porque los entrenadores usan frecuentemente el término zancada para referirse a lo que en biomecánica se considera un paso.

7. MAGNITUDES ADIMENSIONALES QUE PROVIENEN DE LA FÍSICA

Las llamadas magnitudes adimensionales no tienen patrón de medida, y cuando se expresan sus valores, se da sólo un número. Suelen ser coeficientes, que provienen de divisiones entre magnitudes con la misma unidad de medida. Para referirnos a los coeficientes solemos usar letras griegas, como por ejemplo el coeficiente de rozamiento (μ), y otras veces se usa la primera letra de la palabra coeficiente junto a un subíndice, como en el caso de coeficiente de sustentación (CL) en el que la L proviene del inglés (lift) o el coeficiente aerodinámico de forma o penetrabilidad, que en Europa se conoce como CX y en Estados Unidos como CD, en el que la D proviene del inglés drag, que significa resistencia.

Figura 12. Tanto durante la marcha como durante la carrera (que muestra esta figura), los biomecánicos consideran un paso a lo que sucede desde el inicio de un apoyo hasta el instante previo del siguiente apoyo, mientras que la zancada o ciclo es el conjunto de dos pasos consecutivos.

8. NORMALIZACIÓN DE UNIDADES EN BIOMECÁNICA

En biomecánica usamos muchas veces magnitudes que llamamos normalizadas. La razón es muy parecida a la que lleva a la física a usar magnitudes adimensionales o coeficientes. Por ejemplo, el CX evalúa la mejor o peor penetrabilidad de un perfil sin tener en cuenta su tamaño, sólo a partir de su forma. Esto nos permite estudiar cuáles son las mejores formas, de manera separada al tamaño de los perfiles.

Algo parecido buscamos cuando damos la altura de un salto como un porcentaje de la estatura de un atleta. Y es que una persona que tenga más estatura tendrá segmentos corporales más largos (muslos, piernas y pies, entre ellos) y, en principio, mayor facilidad para saltar más alto. También sucede cuando damos la potencia mecánica dividida por la masa, o cuando expresamos una fuerza en veces el peso corporal. Normalizar nos permite estudiar de forma aislada ciertas características de las personas y con ello poder estudiar conjuntamente los registros de personas que tengan pesos, masas, estaturas u otras dimensiones corporales diferentes. A continuación se ponen ejemplos de algunas unidades normalizadas de uso frecuente en biomecánica.

8.1. Dividir con la masa de la persona

La potencia mecánica se suele normalizar con los kilogramos de masa de la persona. Así, alguien que logre un pico de potencia de 5.000 W en un test de salto, si su masa es de 80 kg, podremos expresar el resultado normalizado como 62,5 W/kg.

8.2. Veces el peso corporal

La fuerza que realiza o que recibe una persona se suele normalizar respecto al peso corporal; de ahí se extrae el coeficiente llamado veces el peso corporal. Internacionalmente se usa la abreviación BW (body weight). Una persona de 700 N de peso que reciba en el pico de frenado de la fuerza vertical durante la carrera 1.400 N estará recibiendo, si lo expresamos de forma normalizada, 2 BW.

8.3. Veces la gravedad

Las aceleraciones y desaceleraciones se miden con el patrón de la aceleración de la gravedad. Así, por ejemplo, 2 g significa una aceleración de 2 veces la de la gravedad, o lo que es lo mismo 19,62 m._s^-2_.

8.4. Veces el ensayo de mejor resultado

A menudo se busca, primero, el valor máximo que es capaz de obtener una determinada persona, y después, el valor de cualquier ensayo posterior se expresa en porcentajes respecto al valor máximo obtenido. Así, cuando se registra electromiografía (EMG) es habitual empezar pidiendo una contracción isométrica máxima, por ejemplo, en la extensión de la rodilla, y se registra la activación electromiográfica con los electrodos de superficie colocados en el vasto lateral de cuádriceps. A continuación, se realiza un salto vertical, o un cambio de sentido en carrera o un chute de un balón de fútbol (o cualquier otro movimiento o técnica deportiva) y se expresa la activación del mismo vientre muscular, pero en vez de usar microvoltios, se da en porcentajes respecto al resultado del test inicial.

8.5. Veces la estatura

Las distancias se pueden normalizar respecto a la estatura de la persona y se expresan en ese caso en porcentajes de la estatura, por ejemplo, las distancias de un salto vertical, de un salto horizontal o de un paso. Así podemos ver que Usain Bolt no sólo es capaz de dar pasos muy largos, pues mide 1,96 m, sino que además sigue dándolos muy largos también en relación con su estatura. En la final del hectómetro del Campeonato del Mundo de Berlín de 2009, en los últimos 20 m dio pasos con una amplitud media de 2,837 m, lo que representa 1,433 veces su estatura. Incluso el valor normalizado sigue siendo extraordinariamente elevado, pues hasta ahora los mejores velocistas marcaban valores promedio, de toda la carrera, de 1,20-1,23 veces la estatura. Bolt marcó en la final de los 100 m de Berlín´09 un promedio de amplitud de paso de 1,229 veces su estatura.

8.6. Porcentaje de la duración de un evento

Los tiempos se suelen normalizar respecto a la duración de un evento. Así, por ejemplo, se suelen dar en porcentajes de la duración, de un apoyo, de un golpeo, de un lanzamiento, de un paso, de la acción de sentarse en una silla, de la acción de levantarse de un sillón o de la acción de dar un escobazo al barrer. Esto nos permite poder estudiar patrones. Por ejemplo, a un atleta se le hace pasar corriendo, a la misma velocidad y con el mismo calzado, 10 veces, para estudiar su paso derecho-izquierdo. Como ese paso no durará lo mismo las 10 veces que lo hemos recogido, tenemos que estirar la duración de todos los registros hasta la misma anchura (que como mínimo será la del paso que más dura, para no perder detalles en ninguno de los 10 registros). Una vez hecho esto, en cada instante de la duración del paso podemos sacar el promedio y la desviación típica de todos los registros que teníamos. Y así, cuando hagamos una gráfica expresando el tiempo en abcisas, lo haremos en porcentajes de la duración del paso. Lo mismo se puede hacer respecto a la duración del apoyo en el suelo durante la carrera con las fuerzas de reacción (figura 13).

8.7. Arch Index

El Arh Index (AI) es un coeficiente de lo cava o plana que es la huella plantar y es, como pasaba con otros coeficientes, independiente del tamaño de la huella. Para obtenerlo se divide la longitud de la huella plantar en tres partes iguales, se calculan sus áreas respectivas y se divide el área del mediopié entre el área total de la huella. Un pie normal tendrá un AI entre 0,21 y 0,26; un pie cavo tendrá menos de 0,21, y un pie plano tendrá un AI superior a 0,26 (figura 14). El AI no tiene que ver con el tamaño del pie, sino con la forma de su huella (plano, normal o cavo).

Figura 13. La línea de trazo continuo de la gráfica muestra el patrón de las fuerzas verticales de reacción recibidas durante un apoyo de carrera en veces el peso corporal (BW). El trazo discontinuo muestra la variabilidad encontrada en el patrón. A una misma persona se le tomaron 10 ensayos apoyando correctamente, corriendo siempre a la misma velocidad y con el mismo calzado (MBT) y modelo. En el eje de abscisas, en vez de expresar el tiempo en s se ha normalizado en porcentajes de la duración del apoyo.

Figura 14. El Arch Index es un coeficiente que se halla dividiendo el área del mediopié entre el área total de la huella plantar (B). El pie normal presenta valores entre 0,21 y 0,26. Por encima de 0,26 se considera plana la huella y por debajo de 0,21 se considera cava. Para delimitar las áreas se parte marcando el punto más anterior y más posterior de la huella y son unidos con una línea, cuya distancia se divide en 3 partes iguales (A).

9. VARIABLES Y PARÁMETROS

Cuando las magnitudes que usamos se contemplan dentro de una toma de datos organizada, como pueda ser un estudio o un proceso de evaluación, pasan a llamarse variables del estudio. Las llamadas variables independientes (o explicativas) son aquellas que son manipuladas por el profesor, entrenador o investigador, con el objeto de estudiar cómo intervienen en la variación de las llamadas variables dependientes (o explicadas). Así las variables dependientes serán aquellas que cambian en función de las que el investigador ha manipulado. Si un investigador usara, por ejemplo, dos modelos diferentes de aprendizaje de un viraje de esquí, y los aplicara a dos grupos de alumnos (de las mismas características de edad, sexo, nivel de aprendizaje previo, ..) para ver con cuál de ellos aprenden mejor o más rápido el viraje, el modelo de enseñanza de la técnica empleado sería la variable independiente, mientras que las variables dependientes serán aquellas con las que evalúe la eficacia del aprendizaje, como por ejemplo ángulos de diferentes articulaciones, trayectorias del viraje, velocidades y otras.

Los parámetros son nuevas magnitudes que creamos para un determinado estudio mediante ecuaciones con las variables usadas. Es decir, se trataría de variables compuestas de otras, que usamos para un determinado estudio.

10. LOS ERRORES

Los errores están presentes en cualquier actividad humana y por supuesto, también, cuando medimos. No hay mediciones perfectas, aunque sí las hay de mejor y peor calidad. El origen de los errores se sitúa tanto en las personas que miden como en las metodologías de medida. Por ello no deberíamos fiarnos nunca cuando medimos ni de los instrumentos que usamos (por muy caros y sofisticados que sean), ni de los protocolos, ni de nuestra propia pericia y experiencia. Si tenemos presente esto, podremos minimizar los errores y acercarnos más al valor real de la medida. Para ello hay diferentes estrategias que nos ayudarán a conseguir medidas de calidad.

El valor real de una medición no se conoce a priori, y la única forma que tenemos de acercarnos a él será mejorando, por un lado, las metodologías y protocolos, y por otro, la formación de quienes van a realizar las mediciones.

En la actividad física y deportiva medimos habitualmente cualidades de personas. Éstas están sujetas a una cierta variabilidad, a diferencia de si midiéramos determinadas propiedades físicas, que sabemos que son constantes. Por ello, cuando queremos tomar la medida de la máxima fuerza que se puede producir, o el patrón de marcha, o la mayor flexibilidad de una articulación, o el patrón de la pisada cuando se corre a determinada velocidad, o la velocidad punta de carrera, hemos de tener en cuenta, además, que existirá una cierta variabilidad entre una repetición y la siguiente, del mismo test. Esta variabilidad, propia de los seres vivos, deberemos ser capaces de interpretarla correctamente y aislarla de los posibles errores de la medición. Además, los protocolos y forma de obtener los resultados cambiarán en función de que el objetivo de la medición sea medir algo único y excepcional (el máximo desempeño), como por ejemplo la máxima potencia mecánica pedaleando en 4 s, o que sea medir algo representativo y repetitivo (un patrón de identidad de cada persona), como, por ejemplo, la forma de pedalear, de patinar, de correr o de caminar, a una determinada velocidad.

PUNTO CLAVE

Toda medición está sujeta a contener errores. Nunca debemos ser confiados y hay que calcular la calidad de la medición cuantificando los diferentes tipos de errores que pueda contener.

Con el objetivo de mejorar la calidad de las mediciones, se elabora toda una teoría sobre los errores de las mediciones. Con ello se acota, delimita y da nombre a diferentes tipos de errores, al tiempo que mediante diferentes ecuaciones se dice cómo se pueden calcular y, finalmente, se dan consejos para poderlos disminuir. Dado el propósito divulgativo y de explicaciones básicas que se marca este libro, nos centraremos sobre todo en describir los diferentes tipos de errores y en algunos consejos sobre cómo poder disminuirlos, y no desarrollaremos la forma precisa de calcular cada error.

11. TIPOS DE ERRORES

Hay diferentes clasificaciones que intentan contemplar los diferentes tipos de error. Algunos de los tipos de error son complementarios entre sí, y otros, en cambio, tienen una parte que comparten con otros tipos. En este apartado vamos a describir algunas de las clasificaciones más usadas y explicaremos los conceptos de errores que surgen de ellas.

Los errores hacen que nos alejemos de la medida real y esto nos plantea un primer problema: ¿cuál es el resultado de la medida real?, del que hemos dicho que no se conoce a priori. Una forma razonable de acercarse a la medida real sería dotarse de un buen instrumental y comprobar periódicamente su calibración. Por otro lado deberíamos aprender bien a medir y practicar suficientemente. Finalmente, deberíamos repetir, con las mismas condiciones, varias veces el test o experimento. Descartaríamos el resultado de las medidas fallidas y con el resto de medidas sacaríamos el promedio. Un buen candidato a ese valor real de la medida sería el promedio que hubiéramos obtenido. A partir de ahí ya podríamos hablar, por ejemplo, de error absoluto y error relativo. El error absoluto es lo que se aleja una determinada medida del valor real de lo que hemos medido y se expresa en las mismas unidades en las que se ha medido. Por su lado, el error relativo mide la misma diferencia con el valor real, pero la expresa como un porcentaje. De aquí se desprende que no es lo mismo equivocarse de 1 m al medir la distancia de una maratón (una maratón debería tener una distancia de 42.195 m) que al medir 100 m; pues aunque el error absoluto sería el mismo, el error relativo sería del 1% en el segundo caso y un 0,00236% en la maratón. Equivocarse de un 1% al medir una maratón significaría hacerlo en 421,95 m. Así, para no dar pie a equívocos, será mejor expresar, siempre que podamos, los errores en porcentajes, o si no darlos en unidades junto al valor de la medida.

Algunos tipos de errores tienen una variabilidad que no muestran otros, que se mantienen a la misma distancia y en el mismo sentido (siempre por encima o siempre por debajo) respecto a la medida real. Por ejemplo, si usamos para medir la distancia de un terreno de juego, una cinta métrica vieja, que con el uso (los tirones y altas temperaturas a la que estuvo expuesta) se alargó permanentemente, la distancia siempre saldrá más pequeña de lo que mide el terreno de juego y el error será bastante parecido en medidas consecutivas. A este tipo de error se le denomina sistemático. Por otro lado, el error accidental, a diferencia del sistemático, varía en diferente grado y unas veces estará por encima de la medida real, mientras que otras se situará por debajo. El error sistemático depende de las metodologías de medida y el accidental de las personas que miden. Por ello, en tanto que verifiquemos periódicamente la calibración de nuestros aparatos de medida y comprobemos la corrección de los protocolos que usamos, lograremos disminuir el error sistemático. Por otro lado, en tanto que mejoremos la formación y experiencia de quienes realizan las medidas, estaremos incidiendo en disminuir el error accidental.

Una característica que se asocia al instrumento y metodología de medición es la sensibilidad. Se trata de la capacidad que tiene nuestro instrumento de medida para diferenciar dos medidas de diferente tamaño, o, lo que es lo mismo, el mínimo incremento en la medida que es capaz de detectar. La sensibilidad se suele expresar junto con el nombre y modelo del instrumento usado en la medición. Así, por ejemplo, si medimos distancias habrá cintas métricas con diferentes sensibilidades (10; 1; 0,1; 0,01; 0,001 m), igual que hay básculas con diferentes sensibilidades (1; 10; 50; 100 g) y lo mismo con cronómetros que tienen diferentes capacidades de detectar incrementos de tiempo (60; 1; 0,1; 0,01; 0,001 s). Conviene que el instrumento que vayamos a usar tenga una sensibilidad acorde con el tamaño de la medida. Por ejemplo, un cronómetro con una sensibilidad de 1 s puede ser adecuado para medir el tiempo en una maratón, pero no lo sería para medir el de los 100 m y menos para medir el tiempo de reacción en una salida de una carrera de velocidad. Por otro lado, el tema de la sensibilidad trae parejo la coherencia con los decimales que se dan. Si el resultado de medir el ancho de una cancha de baloncesto es 20,1 m, nadie dudará de que la sensibilidad del instrumento era de 0,1 m, pues si hubiera sido de 0,01 en todo caso el resultado lo hubiéramos expresado como 20,10 m. Pero en cambio se comenten a menudo errores con las magnitudes derivadas, como por ejemplo sería el área del terreno de juego, en las cuales, fruto de los cálculos para obtenerlas, se acaban dando decimales más allá de los que son significativos. Se entienden como significativos aquellos fruto de la medida obtenida; sabemos que se trata de una cifra concreta y no de la siguiente o la anterior. En física, las cifras significativas de una medida se expresan tal cual, mientras que las que no lo son, pero se necesitan dar para conocer el tamaño de una medida (muy grande o muy pequeña), se colocan como exponentes de una potencia a la que se elevan las cifras significativas. Así, por ejemplo, si decimos que la masa de la tierra es de 5,9736 × 10²⁴ kg, la última cifra significativa es el 6. En biomecánica y en ciencias del deporte no tenemos los problemas de la física para dar resultados de mediciones muy grandes o muy pequeñas, y por eso no es frecuente que usemos la forma de elevar a potencias, pero lo que sí hemos de asegurarnos siempre es de no dar en los resultados de magnitudes derivadas más decimales que aquellos que son dignos de confianza (significativos). Esto significa tener cuidado al hacer las operaciones con las que hallamos las magnitudes derivadas, pues de lo contrario podemos arrastrar e incrementar errores que se originan en los cálculos con los decimales.

En biomecánica se usan, por un lado, instrumentos que recogen puntualmente una medida, pero también se usan otros que lo hacen de forma continua en el tiempo, mediante lecturas sucesivas de la magnitud que se mide. En los segundos, es importante escoger bien la distancia temporal entre los sucesivos registros, o, lo que es lo mismo, la frecuencia de muestreo. Dicha frecuencia puede ser vista como la sensibilidad temporal del instrumento de medida. Es importante escogerla bien; si nos quedamos cortos (poca frecuencia de muestreo), se nos escaparán instantes representativos de lo que estemos analizando, mientras que si escogemos demasiada frecuencia estaremos manejando más volumen de información y más espacio de almacenamiento del que necesitamos. Por ejemplo, con una plataforma de fuerzas, para hacer test estáticos en los que se registra el recorrido del centro de presiones, tendremos bastante con 40-50 Hz (50 Hz representa una medida cada 0,02 s). En cambio, también con una plataforma de fuerzas, para analizar las fuerzas de reacción en la marcha necesitaremos 200 Hz (una medida cada 0,005 s), para la batida de un salto 500 Hz (una medida cada 0,002 s) y para analizar la carrera en función de la velocidad usaremos entre 500 y 1.000 Hz (una medida cada 0,002-0,001 s).

Una característica que se asocia al resultado de una medición es la precisión. Se trata de la confianza que mostramos con el resultado obtenido. Algo así como lo seguros que estamos de ese resultado o si creemos que puede oscilar mucho. La precisión se suele dar a continuación de la medida, precedida del símbolo de más menos, como por ejemplo 40,3 ± 0,2 m. En dicho caso mostramos que hay bastantes probabilidades de que la medida se encuentre entre 40,1 y 40,5 m. Para dar la precisión se suelen realizar varias medidas repetidas, de las cuales el promedio será la medida que ofrecemos. La precisión será la desviación típica o un coeficiente de variación (CV) de dichas medidas (CV= (desviación típica.100/media).

PUNTO CLAVE

La sensibilidad nos dice cuál es el incremento mínimo que somos capaces de captar en la medida mientras que la precisión nos dice hasta qué punto estamos seguros de la medida que hemos tomado. Mientras la sensibilidad se asocia al instrumento o metodología de medida, la precisión depende también de la persona que realiza la medida.

La validez muestra hasta qué punto una medida se acerca a la real, dependiendo del instrumento y metodología usados. La validez debe conocerse y por tanto habrá que calcularla siempre que desarrollemos o nos pongamos a usar un nuevo instrumento o metodología de medición. En estos casos el nuevo instrumento y metodología se comparan con el anteriormente usado, u otro de validez contrastada, o se puede medir con el nuevo instrumento en un ensayo preparado en el que podamos conocer a priori el resultado. Por ejemplo, si desarrollamos una nueva plataforma de contactos para conocer la altura de vuelo en test de salto, la podemos colocar de manera que el mismo salto lo estemos recogiendo con una plataforma de fuerzas, o con otras plataformas de contacto que sepamos que funcionan bien, o también podríamos estar grabando el salto con una cámara de vídeo de alta velocidad. En cualquiera de estos ejemplos el objetivo sería validar la medida del salto obtenida con la nueva plataforma de contactos.

La reproducibilidad muestra hasta qué punto, al repetir sucesivamente una medida, volveremos a obtener el mismo resultado. La reproducibilidad se puede calcular en el mismo día, realizando varias tomas consecutivas, en lo que se denomina intradía, o en días, incluso semanas diferentes, en lo que se conoce como reproducibilidad interdía. Hay varios aspectos a tener en cuenta respecto a la reproducibilidad, como, por ejemplo, que siempre será mayor si se comparan registros obtenidos en el mismo día que si se hace con los de días diferentes, y en este segundo caso será mayor si las condiciones en las que se realiza la medición, incluida la hora del día y la actividad física previa realizada por la persona, son similares. Por otro lado, como se ha comentado, a diferencia de procesos físicos o ciertas propiedades de la materia, de los que conocemos su constancia, cuando medimos características de las personas que realizan actividad física o deportiva, aun teniendo unos protocolos de medida muy bien estandarizados, cabe esperar siempre una cierta variabilidad. Esto condiciona que en mediciones en biomecánica y en educación física, cuando medimos reproducibilidad, estamos registrando sobre todo la variabilidad de la persona a la que medimos, y en mucha menor medida la consistencia del método usado en la medición. Una excepción a esto sería, por ejemplo, cuando los biomecánicos digitalizamos secuencias de vídeo para hacer cálculos de cinemática (trayectorias, ángulos, velocidades y aceleraciones). En dichos análisis, cuando se trata de situaciones reales de competición, no es posible colocar marcadores a los atletas y no es posible hacer análisis automáticos. Por ello será imprescindible digitalizar manualmente, marcando con el ratón articulaciones, puntos del cuerpo e implementos deportivos en las secuencias de vídeo. En estos casos el método de medida tiene una cierta variabilidad, que hay que medir y que mejorará con la formación adecuada, la experiencia y el conocimiento de la técnica deportiva que se está analizando por parte de la persona que digitaliza los fotogramas de vídeo.

La objetividad muestra hasta qué punto la metodología de la medición da un resultado independiente del investigador que la maneja. Cuanta mayor coincidencia haya entre sucesivas mediciones de lo mismo realizadas por diferentes investigadores, tanto más objetiva será la metodología usada. Por ejemplo, la medición de las presiones plantares usando plantillas instrumentadas es muy objetiva, ya que el resultado no tiene por qué variar en función de quién realice la medida. En cambio, si tenemos que hacer un estudio cinemático, con digitalización manual y comparamos resultados entre digitalizadores poco expertos, la objetividad será mala. Lo que se extrae de la objetividad es que en los casos en los que el resultado depende de la persona que realiza la medida conviene que ésta se haya formado bien y que participen el mínimo número de personas posible en la toma de datos y análisis de éstos (si fuera posible mejor una sola persona), con el fin de disminuir al máximo esta variabilidad.

La validez se puede expresar en forma de un porcentaje de lo que la medida se aleja respecto a la de otra metodología, que se sabe que mide bien. La reproducibilidad y la objetividad se suelen dar como coeficientes de variación, después de haber realizado diferentes medidas repetidas, realizadas por la misma persona (reproducibilidad) o personas diferentes (objetividad). También se usan correlaciones para expresar la reproducibilidad y la objetividad, como las llamadas intraclase (ICC).

La validez, reproducibilidad y objetividad han sido representadas a menudo, para facilitar su comprensión como una diana y los sucesivos disparos que se hacen sobre ella (figura 15). El centro de la diana representa el valor de la medida real, y por lo tanto la distancia a la que se quede cualquier disparo será la medida de la validez. Por otro lado, si se realizan sucesivos disparos (mediciones) por parte del mismo investigador, cuanto más justos se agrupen tanto más reproducible será la medición, aunque podría ser reproducible pero poco válida en el caso de situarse todos lejos del centro de la diana. Si los sucesivos disparos pertenecen a diferentes investigadores que miden, se estará representando la objetividad de la medición.

PUNTO CLAVE

La validez, la reproducibilidad y la objetividad son tres formas complementarias de expresar la calidad de una medición.

12. INSTRUMENTAL DE MEDIDA

La biomecánica y sus medidas arrastran a menudo fama de ser complicadas y de que se necesitan metodologías y aparatos sofisticados y caros para medir de forma adecuada. No obstante, esta idea muchas veces es infundada y no se trata más que de prejuicios que nacen del desconocimiento. Además de existir diferentes metodologías de análisis cualitativo y semicuantitativo, dentro del terreno de lo estrictamente cuantitativo cada vez disponemos de más metodologías baratas y sencillas con las que podemos llegar a medir con suficiente precisión (bastante más de la que se pueda necesitar).

Figura 15. La figura A muestra la validez de un test al impactar el dardo (medida) en el centro de la diana. El centro de la diana representa el resultado real tomado correctamente con una metodología contrastada. La figura B muestra un test poco válido y poco fiable, pues cada uno de los disparos (medidas) está lejos del centro y también del resto de disparos. La figura C muestra un test poco válido pero muy fiable, y finalmente la figura D muestra un test muy válido y muy fiable.

Dentro de la cinemática, en el análisis del movimiento, para corregir defectos, evitar lesiones o mejorar la eficacia, han salido al mercado recientemente sencillas, pequeñas y relativamente baratas cámaras de fotos domésticas. Gracias al desarrollo tecnológico, cualquier entrenador dispone de variadas herramientas con las que acercarse a los análisis cinemáticos, y estas cámaras representan un primer paso. Con ellas es posible obtener fotografías cronocíclicas, con varios instantes de la ejecución de cualquier técnica deportiva o movimiento, recogidos en la misma foto (figura 16). Por otro lado, se pueden realizar fotografías seriadas, o ráfagas de fotos, con frecuencias de muestreo de más de 30 fotos de alta resolución por segundo, para poder escoger después el instante preciso, por ejemplo del impacto entre la bota y el balón en un chut. Por otro lado, permiten grabar secuencias de vídeo incluso por encima de 1.000 Hz para poder después analizar pequeños detalles que se escapan a las grabaciones con las frecuencias de muestreo de las cámaras de vídeo habituales. Dichas cámaras son de uso fácil, no requieren de condiciones excepcionales de iluminación y tienen varias funciones que permiten asegurar el poder recoger el instante deseado.

Una vez realizadas estas fotos se pueden incluso analizar, sin llegar a medir nada, simplemente mediante la aplicación de principios biomecánicos y de ciertos conocimientos de la biomecánica, para poder extraer resultados que permitan mejorar la eficacia y prevenir lesiones. Pero también se podrá, ya dentro del terreno de lo cuantitativo, medir el tiempo, marcar puntos y ver los recorridos de éstos, medir ángulos, velocidades lineales y angulares, e incluso el centro de gravedad y su recorrido. Para ello nos será de mucha utilidad descargar de Internet programas de licencia pública como Kinovea [25/10/2011], que además de útiles son fáciles de manejar.

PARA SABER MÁS

El tema de las unidades de medida, cómo usarlas, cómo medir y cuantificar los errores de los procesos de medida no tiene grandes secretos, y para conocerlas es recomendable recurrir a un buen libro de física, con ejemplos aplicados a la biología y al deporte. Para profundizar en el tema en estos libros, bastará con leer los capítulos introductorios del apartado de mecánica. En la bibliografía de este capítulo se han seleccionado alguno de los clásicos, como el de Tipler (2000), en los que se explica con todo detalle las unidades de medida usadas en mecánica, a veces con algunos ejemplos aplicados al deporte. Si se quiere explicaciones ilustradas con muchos ejemplos de la biología y de la actividad física, se puede recurrir a libros como el de Cromer (2207) “Física para las ciencias de la vida”. Por otro lado hay buenas páginas web, como las de Franco, también en la bibliografía de este capítulo, del curso interactivo de física en Internet. En la bibliografía se ha incluido un artículo aplicado a la vida cotidiana, de Mulero, en el que explica que no siempre se cumplen las recomendaciones en la vida cotidiana, como podemos comprobar en un supermercado. Podríamos añadir que tampoco se cumplen estas normas muchas veces en algunos reglamentos deportivos y prácticas de actividades físicas.

Figura 16. Nuevas cámaras domésticas de fotografía permiten obtener de forma sencilla fotos cronocíclicas (como la de la figura) o fotografías seriadas (ráfagas de fotos), con las que hacer análisis del movimiento para poder corregir errores, mejorar la técnica o prevenir lesiones.

Por otro lado es recomendable tener a mano algún conversor de unidades. Se dan en la bibliografía dos páginas web que permiten la conversión de unidades: del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio y el “Convertword”.

Pero lo que evoluciona, y lo hace rápido, es la tecnología (que no es poco), lo que nos permite poder medir cada vez más características biomecánicas y de forma menos aparatosa. Por ello es importante estar al día en las nuevas tecnologías que aparecen en el mercado y en la medida de nuestras posibilidades, con los medios que tengamos, practicar midiendo; no hay que tener miedo y hay que lanzarse a hacerlo, ya que ésta es la mejor forma de conocer cada vez más sobre las medidas que se realizan en la actividad física y el deporte.

BIBLIOGRAFÍA

Aguado, X. (1993) Eficacia y técnica deportivas. Análisis del movimiento humano. INDE, Barcelona.

BOE nº 289 de 3 de diciembre de 1997. Real Decreto 1737/1997, de 20 de noviembre, por el que se modifica el Real Decreto 1317/1989, de 27 de octubre, por el que se establecen las Unidades Legales de Medida.

Bureau International des poids et mesures. (2006) The International System of Units (SI). 8 th Edition. Organisation Intergouvernementale de la Convention du Mètre.

Convertword. Conversor de unidades. http://www.convertworld.com/es/ [30/10/2011].

Cromer, A.H. (2007) Física para las ciencias de la vida. Reimpresión de la segunda edición del libro. Reverté Ediciones, Barcelona.

Franco, A. Sistema Internacional de Unidades. En: Física con ordenador. Curso interactivo de física en Internet. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/unidades/unidades/unidades.htm [30/10/2011].

Kinovea. Kinovea Motion Tuner. http://www.kinovea.org/en/ [25/10/2011].

Ministerio de Industria, Turismo y Comercio. Centro Español de Metrología. Utilidades: Tablas de conversión de Unidades. http://www.cem.es/cem/es_ES/utilidades/convunidades.jsp?op=convunidades [30/10/2011].

Mulero, A., Suero, M.A., Vielba, A., Cuadros, F. (2000) El Sistema Internacional de Unidades ... en el supermercado.Revista Española de Física, 16, 5: 41-45.

Tipler, Paul A. (2005) Física para la ciencia y la tecnología. Volumen I: mecánica, oscilaciones y ondas, termodinámica. 5ª edición. Reverté, Barcelona.

Wikipedia: Sistema Internacional de Unidades. http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_Internacional_de_Unidades [30/10/2011]

PARTE II

4	CINEMÁTICA Dr. Aguado, X. (Universidad de Castilla-La Mancha)

RESUMEN

La cinemática describe el movimiento en sus trayectorias, velocidades y aceleraciones, tanto si son lineales, angulares o combinadas. A veces sólo se analiza una sola dimensión del movimiento, como por ejemplo los cambios en altura del centro de gravedad cuando se realiza un test de salto. Pero otras se analizan los movimientos en un plano, como por ejemplo cuando se estudian los metros y velocidades recorridas sobre una cancha. Finalmente, se estudian también los recorridos en el espacio (en tres dimensiones), por ejemplo cuando se estudian minuciosamente los desplazamientos del centro de gravedad durante la carrera. El capítulo, lejos de repasar las fórmulas de la cinemática, establecidas desde la época de Galileo y que se encuentran explicadas en cualquier libro de física, se centra en describir las características de diferentes tipos de desplazamientos y aplicaciones a la actividad física y el deporte. Desarrolla sobre todo ejemplos básicos como el movimiento del centro de gravedad en los saltos verticales, al ser éste un movimiento usado en muchos juegos, deportes y también en test de fuerza explosiva. Por otro lado, se intenta introducir al lector en sistemas sencillos de usar, que permiten analizar diferentes características del movimiento, como es el vídeo y las plataformas de contactos. En el capítulo se explican también las características de movimientos con nombre propio, como son los de caída libre, los parabólicos y los pendulares.

1. CINEMÁTICA

La cinemática describe el movimiento basándose en sus trayectorias, ángulos, velocidades y aceleraciones. No se preocupa de las causas que provocan el movimiento (fuerzas), sino que se dedica simplemente a decir cómo es (describirlo).

Los diferentes tipos de movimientos que se dan en la actividad física y el deporte se pueden clasificar siguiendo criterios mecánicos, como el tipo de trayectorias que realizan, los cambios, en caso de que se produzcan, en sus velocidades y las dimensiones en las que se producen. Estas clasificaciones afectarán tanto los movimientos realizados por las personas que realizan ejercicio o deporte, como los que describen los implementos y vehículos deportivos. Los implementos pueden ser balones y bolas que son chutados, lanzados y golpeados, o también raquetas, bates o palos, esquís, patines. Los vehículos usados pueden ser, por ejemplo, planeadores, monociclos, bicicletas y motos.

PUNTO CLAVE

La cinemática describe los desplazamientos de los deportistas, del material deportivo y de los vehículos usados en el deporte.

Para describir los desplazamientos de los cuerpos en movimiento (que ya se les llamaba móviles antes de que existieran estos teléfonos) surge la necesidad de simplificar y escoger uno o varios puntos del cuerpo. Para ello se pueden seleccionar puntos representativos de su anatomía, como, por ejemplo, los centros articulares de cualquier articulación, como la rodilla y el tobillo, los centros geométricos o los centros de masas de cualquier segmento, como el muslo y la pierna, o un punto distal de un segmento, como el extremo de la mano y la parte superior de la cabeza, o también otros puntos, como el ombligo y el extremo de la nariz. Lo mismo si se trata de la anatomía de un vehículo. Por ejemplo, en una bicicleta, se puede escoger el centro del manillar, o del sillín o el eje de los pedales. En el caso de tener que escoger un solo punto del cuerpo se suele recurrir a su centro de masas, tanto en el cuerpo humano como si se trata de implementos deportivos. En el caso de balones y pelotas se suele usar el centro del balón para describir los movimientos que éstos realizan.

PUNTO CLAVE

Cuando se quiere simplificar, se recurre a un solo punto representativo del móvil. Se trata del centro de masas y a él se asocian los recorridos, velocidades y aceleraciones de los cuerpos.

Existen movimientos con características peculiares que los identifican, que reciben nombres propios y que serán vistos en la segunda parte del capítulo. Tal es el caso de los movimientos de caída libre, los parabólicos y finalmente los movimientos pendulares.

2. TIPOS DE MOVIMIENTO

A continuación se van a detallar diferentes tipos de movimiento atendiendo a las trayectorias que se describen, a los tipos de cambio en la velocidad y aceleración del desplazamiento y a la dimensión en que se den o representen.

3. TRAYECTORIAS

Hay diferentes tipos de trayectorias que pueden describir los cuerpos. Por un lado, las que se consideran puras (lineales y angulares), y por otro lado, trayectorias combinadas de las anteriores, que son la mayoría de las que se realizan en actividades físicas y en los deportes.

3.1. Lineales

Para que a un movimiento se le pueda catalogar estrictamente como de traslación lineal (que describe trayectorias lineales) requiere que se den unas características muy concretas. En estas trayectorias, si escogiéramos varios puntos de un cuerpo y siguiéramos sus desplazamientos, recorrerían todos ellos líneas rectas y paralelas a las de los otros puntos. Esto implica también que cualquiera de esos puntos recorrerá la misma distancia a lo largo del tiempo que se considere. Por ello estos movimientos requerirán del mantenimiento postural y de que el cuerpo no gire durante el desplazamiento. Son pocos los movimientos puramente lineales que se dan en el deporte. Por ejemplo, una persona que mantenga la misma postura, sin mover ningún segmento corporal, al tiempo que se desplaza por una pendiente constante y sin baches, en bicicleta (sin dar a los pedales) o con esquís, o mantiene la postura, después de ser empujada, sobre unos patines en un suelo perfectamente plano, son ejemplos de movimientos de traslación lineal (figura 1).

3.2. Angulares

Con los movimientos angulares sucede lo mismo que con los lineales respecto a cumplir unas características muy estrictas. En este caso, para que se pueda catalogar a un movimiento de angular se requiere que cualquier punto que se considere de dicho cuerpo recorra el mismo ángulo en el intervalo de tiempo considerado. Como, por ejemplo, lo haría un gimnasta que gira respecto a la barra fija sin variar nada la posición de ningún segmento corporal (figura 2). O también cualquier punto de la biela o del disco de una bicicleta estática mientras gira. De forma totalmente estricta, ni siquiera podrían catalogarse como movimientos angulares los de una articulación de nuestro cuerpo. Es debido a que los centros articulares de cualquier articulación, como la de un codo o de una rodilla, se van desplazando a medida que estos realizan un movimiento articular. No obstante, de forma práctica, a los movimientos articulares, como por ejemplo los de flexión, extensión, abducción, aducción y rotaciones, se les considera como angulares.

3.3. Combinadas

La mayoría de los movimientos que se producen en el deporte y actividad física no son puramente lineales ni angulares, sino que sus trayectorias son combinaciones de ambos. Es decir, se dan traslaciones lineales a la vez que se producen movimientos angulares. Un ejemplo sencillo sería el desplazamiento de un punto marcado sobre la llanta o la cubierta de una rueda de una bicicleta o de un monociclo. La combinación surge del avance junto al giro de las ruedas de estos vehículos (figura 3).

Figura 1. El movimiento lineal requiere que cualquier punto del cuerpo que se considere recorra trayectorias paralelas a los otros puntos y las mismas distancias en los mismos tiempos. En la figura se ve el transcurso temporal entre t1 y t2 de un patinador que mantiene exactamente la misma postura mientras se desliza en un suelo de pendiente constante (horizontal en este caso) y sin baches. Se han considerado, como ejemplos, los desplazamientos de los puntos: cabeza, codo, cadera, rodilla y pie.

Figura 2. El movimiento angular requiere que cualquier punto del cuerpo que se considere recorra trayectorias angulares paralelas a los otros puntos y los mismos ángulos en los mismos tiempos. En la figura se ve el transcurso temporal entre t1 y t 2 de un gimnasta que, en una zona de su giro en la barra fija, mantiene exactamente la misma postura. Se han considerado, como ejemplos, los desplazamientos de los puntos: cabeza, cadera, rodilla y pie.

PUNTO CLAVE

Aunque la mayoría de trayectorias que estudiamos en la actividad física y el deporte son combinadas es necesario conocer también las lineales y angulares de cuyas combinaciones surgen las primeras.

4. VELOCIDADES Y ACELERACIONES

Tanto las velocidades, como las aceleraciones, pueden ser constantes o variables en el transcurso del tiempo. A continuación se van a describir los diferentes tipos de movimiento que surgen de esta clasificación, junto con algunos ejemplos.

4.1. Velocidad constante

No son frecuentes los movimientos con velocidad constante en actividades físicas y deportivas. Un ciclista puede mantener aproximadamente constante su velocidad con la ayuda de un velocímetro, o un paracaidista mantiene constante su velocidad, una vez ha acelerado, mientras mantenga la misma postura de caída libre, que le proporciona la misma resistencia al avance y compensa así la aceleración que sufre su masa por la acción de la gravedad. En movimientos angulares, usando un dinamómetro isocinético, podemos mantener constante durante gran parte del recorrido la velocidad de una articulación, como por ejemplo la del codo realizando una extensión desde 90° hasta la posición anatómica. Esa velocidad constante en el isocinético se selecciona antes de empezar el ejercicio y la máquina deja ganar velocidad hasta alcanzarla. A partir de ahí, incrementa la resistencia si la velocidad tiende a aumentar y disminuye la resistencia si tiende a disminuir; por ello se llaman también máquinas de resistencia acomodada. Finalmente, cuando estemos llegando al final del recorrido, el isocinético irá reduciendo la velocidad hasta parar en el final del rango de movimiento que hayamos seleccionado.

Figura 3. La mayoría de los movimientos que se dan en actividades físicas y deportes son combinados de movimientos lineales y angulares. Si un monociclo avanza en un suelo de pendiente constante y sin baches, manteniendo la verticalidad, cualquier punto del sillín y de su barra vertical, así como el eje de los pedales, describirán movimientos lineales. En cambio, cualquier punto que se considere de la cubierta (como en la figura), llanta o radios de la rueda describirán movimientos combinados.

4.2. Velocidad variable

Incluso cuando corremos manteniendo una velocidad media constante, en realidad la velocidad oscila si la analizamos en intervalos pequeños de tiempo. Así, durante la fase de apoyo del pie en el suelo podemos ver cómo existe una primera subfase de frenado en la que se pierde velocidad de avance y posteriormente aparece una fase llamada de impulsión, en la que se gana velocidad. Posteriormente, durante el vuelo, la velocidad de avance disminuye ligeramente, por la resistencia del aire (figura 4). Las subfases de frenado e impulsión durante el apoyo en el suelo siempre aparecen, tanto en la carrera como en la marcha, ya que no se puede caminar o correr, de una forma natural, contactando el pie con el suelo por detrás de la vertical del centro de gravedad del cuerpo. Si se produjera esta forma de desplazamiento, nos llevaría irreductiblemente, en pocos pasos, a caer de cabeza al suelo.

Durante la batida de un salto vertical con contramovimiento, la velocidad del centro de gravedad además de oscilar presentará un pico de máxima velocidad negativa y otro de máxima positiva. Al inicio de la batida se adquiere velocidad de descenso (negativa) y se llega a un pico. Posteriormente disminuye la velocidad negativa hasta llegar a velocidad 0 en el punto más bajo del contramovimiento. A continuación la velocidad de ascenso será positiva y crecerá hasta llegar a un pico de velocidad poco antes del despegue (figura 5).

Figura 4. Cuando corremos, aun manteniendo una velocidad media horizontal constante, si analizamos la velocidad en intervalos de tiempo pequeños, veremos que varía. Durante la fase de apoyo hay una subfase de frenado durante la que se pierde velocidad y otra de impulsión durante la que se gana velocidad. Por otro lado, durante el vuelo se mantendrá casi constante la velocidad horizontal, con mínimas pérdidas debidas a la resistencia del aire.

Figura 5. Durante la batida de un salto vertical con contramovimiento, la velocidad vertical registra oscilaciones. Tiene un pico máximo de velocidad negativa durante el descenso. Al final del descenso tiene valor 0 y poco antes del despegue del suelo adquiere un pico de velocidad positiva. Junto a la velocidad se ha representado también el recorrido del centro de gravedad durante la batida.

En una gráfica de recorrido/tiempo se pueden obtener las velocidades medias y las instantáneas. Para obtener las velocidades medias bastará con unir en la gráfica las posiciones espaciales en los instantes inicial (t₀) y final (t₁) del período temporal considerado (figura 6). La mayor o menor inclinación de la línea que se obtenga mostrará la mayor o menor velocidad en dicho incremento temporal. De hecho, la velocidad equivaldrá matemáticamente a la tangente del ángulo de esa línea. Si la línea fuera plana, la velocidad media en ese período sería 0, y si la línea saliera inclinada hacia abajo, la velocidad sería negativa, y cuanto más inclinada hacia abajo, más negativa. Para obtener la velocidad instantánea en cualquier punto de la gráfica de recorrido/tiempo bastará con trazar una línea que intente cortar la gráfica únicamente por ese punto (línea tangente) (figura 6). La mayor o menor inclinación de esa línea será el reflejo de la mayor o menor velocidad instantánea en ese instante temporal que se analiza. Para calcular sobre gráficas las aceleraciones medias e instantáneas se procederá de la misma forma que se ha explicado para la velocidad, pero sobre gráficas de velocidad/tiempo (figura 6).

Salvo los ejercicios realizados con una máquina isocinética, los movimientos angulares que hacemos, con cualquier articulación, en la vida cotidiana y cuando practicamos actividad física o deportes, son realizados con velocidades angulares variables. Así por ejemplo, los movimientos de extensión de las rodillas, cuando hacemos un salto vertical o cuando chutamos un balón, son realizados con velocidades angulares variables. En estos dos ejemplos se pueden llegar a alcanzar velocidades punta de 800°/s en el salto vertical y 2.000°/s en un chute de un balón. Y algo parecido sucederá, por ejemplo, en un lanzamiento. En el caso de un pitch de béisbol se han llegado a medir velocidades punta superiores a 7.000°/s en el movimiento angular de la rotación interna de hombro durante el lanzamiento. En todos estos movimientos, tras una trayectoria en la que se gana velocidad angular, se llega a un instante de velocidad punta, tras el cual empieza el frenado en la velocidad.

Figura 6. Sobre gráficas espacio/tiempo se pueden calcular velocidades medias (uniendo dos puntos de la gráfica) e instantáneas (sobre un punto) trazando una línea tangente. Y sobre gráficas de velocidad/tiempo se pueden calcular aceleraciones medias e instantáneas. Las dos gráficas de la figura pertenecen a la misma batida de un salto vertical con contramovimiento. Se han dibujado en los mismos instantes temporales (1, 2, 3, 4, 5 y 6) líneas tangentes a las gráficas. En la gráfica de altura que recorre el centro de gravedad a lo largo del tiempo (figura A), la inclinación de estas líneas (la tangente del ángulo) nos da la velocidad instantánea en esos puntos. En la gráfica de velocidad vertical del centro de gravedad a lo largo del tiempo (figura B), la inclinación de estas líneas (la tangente del ángulo) nos da la aceleración instantánea en esos puntos.

4.3. Aceleración y desaceleración constantes

Es fácil obtener movimientos de aceleración constante si dejamos actuar a la gravedad como motor de ganancia o pérdida de velocidad durante una fase aérea. Así, si dejamos caer una pelota desde cierta altura, irá ganando velocidad desde que la soltamos hasta llegar al suelo. Lo hará con una aceleración constante, de 9,81 m/s², que es la aceleración de la gravedad. A este tipo de movimientos se les denomina de aceleración constante.

PUNTO CLAVE

Los mejores ejemplos de movimientos con aceleración y con desaceleración constante provienen de la acción de la gravedad en el eje vertical sobre los cuerpos que han sido chutados, lanzados o dejados caer. También se produce en el cuerpo humano mientras está en el aire en un salto vertical.

La mejor forma de ver cuándo empieza a caer la pelota que soltamos desde determinada altura, para poder hacer cálculos, es haciéndola rodar previamente por una mesa. La altura de caída es la que hay, en vertical, entre la mesa y el suelo. Si grabamos la caída con una cámara de vídeo y hemos hecho rodar la pelota por la mesa a una cierta velocidad, conseguiremos ver bien cuál es el primer fotograma de la caída. En él la pelota se habrá separado de la mesa. No hay que preocuparse de la velocidad horizontal que adquiera la pelota ya que ésta no modifica en nada el tiempo que tardará en llegar al suelo desde que empiece a caer, como explicaremos con más detalle al hablar de los movimientos de caída libre. Lo único que cambia, por tener velocidad de avance horizontal durante la caída, es que la pelota tocará el suelo a cierta distancia de separación horizontal de la mesa. Grabarí-amos la caída en vídeo, en visión lateral para identificar bien el primer fotograma de la caída. La cámara deberíamos colocarla fija sobre un trípode o una superficie cercana al suelo para poder identificar bien los últimos fotogramas de la caída. Si la mesa tuviera 1 m de altura, una vez identificado el primer fotograma de la caída, en el que se la ve separada ya de la mesa, a partir de ahí veremos 21 fotogramas más del vuelo. Así, en total tendremos 22 fotogramas de vuelo y en el fotograma 23 tocará el suelo (figura 7). Esto será así siempre que los fotogramas sean campos o frames. Si trabajáramos con imágenes, se produciría justo a la mitad; en la imagen 11 tendríamos la última posición de vuelo de la pelota y en la 12 se la vería ya en el suelo.

El vídeo es buen contador de tiempo, ya que los campos (mitad de las líneas del fotograma, que se obtienen “desentrelazando” las imágenes) y las imágenes (fotogramas enteros) se generan a intervalos constantes de tiempo. El tiempo transcurre, por un lado, dentro de cada campo, ya que hay un tiempo de obturación durante el cual el obturador está abierto y se está recogiendo la información del campo, y por otro lado, el tiempo transcurre entre los campos sucesivos. Para contar el tiempo se pueden simplificar las cosas y asumir que todo el transcurso temporal se produce entre los campos (“saltos” de un campo a otro). Así, primero deberemos contar el número de saltos de campo entre los dos eventos seleccionados, cuyo tiempo transcurrido queremos conocer. Posteriormente, este número se multiplica por el tiempo que pasa en cada uno de esos “saltos”. Ese tiempo será de 0,02 s en el sistema europeo PAL y de 0,0167 s en el sistema americano NTSC, siempre que previamente se haya desentrelazado las imágenes, para conseguir líneas impares y pares por separado (campos). Si se usaran imágenes enteras, los tiempos transcurridos entre dos imágenes serían de 0,04 s en el sistema PAL y de 0,0333 s en el NTSC. El desentrelazado se puede hacer con muchos programas de visionado y edición de vídeo. El sistema de vídeo con el que hemos grabado la secuencia lo sabremos por la cámara que usemos y también porque el editor con el que lo vayamos a reproducir nos lo dirá. Y para saber si el editor de vídeo que estamos usando nos está avanzando de campo en campo o lo hace de imagen en imagen, lo mejor es insertar un código de tiempos y ver cuánto tiempo pasa entre 2 fotogramas o cuántos avances (saltos) hay que dar para que contabilice 1 s. También podríamos usar, como método alternativo, la caída de la pelota desde una altura conocida, que hemos descrito, para saber si estamos trabajando con campos o con imágenes.

Hoy en día existen programas informáticos que se pueden descargar sin coste con los que se pueden desentrelazar los fotogramas, añadir contadores de fotogramas, contadores de tiempo, marcar eventos, calcular ángulos, velocidades, aceleraciones, trayectorias, seleccionar fotogramas representativos y otras acciones propias de los estudios cinemáticos. Estos programas simplifican mucho el trabajo de los análisis cinemáticos sencillos. El programa con licencia general pública (GPU tipo 2) Kinovea [25/10/2011] probablemente sea el más conocido y usado por numerosos estudiosos de la biomecánica, entrenadores y deportistas en todo el mundo.

Figura 7. Cualquier cámara de vídeo es un buen contador de tiempo, con muchas aplicaciones en análisis de la actividad física y los deportes. Si grabamos la caída de una pelota que dejamos rodar previamente por una mesa, cuando analicemos la secuencia podremos observar bien el fotograma en el que se separa de la mesa y empieza a caer por la acción de la gravedad. A medida que cae, la pelota recorrerá cada vez más espacio entre dos fotogramas consecutivos. Es un movimiento constantemente acelerado. Si la altura de caída entre el plano de la mesa y el suelo fuera de 1m, obtendremos 22 fotogramas del vuelo de la pelota, siempre que el visionado lo hagamos campo a campo y hayamos grabado con el sistema europeo de vídeo PAL. Este tipo de pequeños experimentos es necesario antes de lanzarse a medir tiempos de fases de un movimiento o de una técnica deportiva.

Para contar tiempo hay que buscar los fotogramas en los que se producen los eventos entre los que queremos saber cuánto tiempo pasa. En el caso de la pelota que dejamos caer, queremos saber el tiempo que está en vuelo. Pero si escogiéramos como inicio el primer fotograma en la secuencia de vídeo en que la pelota no toca ya la mesa y escogiéramos como final de vuelo el último fotograma en el que vemos la pelota en el aire antes de tocar el suelo, estaríamos recortando un poco de tiempo de vuelo al inicio y otro poco al final. Es debido a que antes del primer fotograma la pelota ya llevaría un momento en el aire, y después del último fotograma seleccionado, la pelota aún tendría unos instantes de vuelo antes de llegar al suelo. Por ello, cuando queremos contar tiempo con fotogramas de vídeo, se escogen con criterios complementarios los eventos de inicio y final de lo que pretendamos contar en el tiempo. En el caso de la pelota, podría ser desde el primer fotograma de vuelo (que ya no toca la mesa) hasta el primero que toca ya el suelo, o desde el último de contacto con la mesa hasta el último de vuelo (antes de tocar el suelo). El tiempo de descenso lo sabemos, ya que depende de la aceleración constante de la gravedad (). Como la pelota caía desde 1 m, tardará 0,451 s en llegar al suelo. Si escogemos el primer fotograma de vuelo como el inicio, el fotograma 23 corresponderá al primero de tocar el suelo y entre ellos habrán pasado 22 “saltos” de fotograma. En el sistema PAL, con 22 saltos de campo habrán pasado 0,44 s. Es decir, dejaríamos de contar o sub estimaríamos ese tiempo en simplemente 0,011 s.

Si tiráramos una pelota verticalmente hacia arriba, irá perdiendo velocidad hasta llegar a velocidad 0 en el lugar más alto de su trayectoria. A este tipo de movimiento se le denomina de desaceleración constante. Igual que en el caso anterior, será la aceleración de la gravedad, en sentido hacia el centro de la tierra (9,81 m/s²), la responsable de esta pérdida progresiva de velocidad. Ambos movimientos, el de la pelota que asciende (constantemente desacelerado) y el de la que cae (constantemente acelerado), son considerados más adelante dentro de los que llamamos movimientos de caída libre. La misma aceleración constante y de signo negativo (hacia abajo, hacia el centro de la tierra) es la que hace perder velocidad de ascenso y luego ganar velocidad de descenso a la pelota. Lo mismo sucede con el centro de gravedad de una persona en la fase aérea de un salto vertical (figura 8).

4.4. Aceleraciones y desaceleraciones variables

Cuando la ganancia de velocidad es debida a la puesta en movimiento de una persona que inicia un movimiento, como por ejemplo una carrera, ya sea a pie o con cualquier vehículo de propulsión humana, como una bicicleta, las progresivas ganancias de velocidad no serán constantes, sino variables, y las llamamos variablemente aceleradas. Así por ejemplo, cuando estamos acelerando en los primeros metros de una carrera de 100 m, es un ejemplo de movimiento de aceleración variable. Y de forma parecida sucede con las pérdidas de velocidad al final de cualquier carrera. A estos últimos movimientos les llamaremos variablemente desacelerados.

Figura 8. Durante la fase de vuelo de un salto vertical, la acción constante de la gravedad (-9,81 m/s2) es la responsable de la pérdida de velocidad del centro de gravedad durante la subfase de ascenso y de la ganancia progresiva de velocidad durante la subfase de descenso del vuelo.

PUNTO CLAVE

La mayoría de acciones en las que el hombre acelera o frena algo (un balón, su cuerpo, una raqueta...) son representativas de movimientos variable-mente acelerados o variablemente desacelerados.

5. DIMENSIONES

Hay movimientos que sólo se dan, o que únicamente se estudian, en un eje o dimensión. Otros lo hacen en dos y finalmente otros en tres dimensiones. A continuación se expondrán ejemplos de cada uno de ellos.

5.1. Una dimensión

A menudo sólo interesa recoger o analizar un eje del movimiento, por ejemplo, el desplazamiento en altura, como hacen los altímetros (miden la altura) y variómetros (miden los regímenes de ascenso o descenso) usados por los planeadores, alas delta, paracaidistas y también por los excursionistas en senderismo. Algo parecido sucede en un test de salto vertical, en el que simplemente interesa saber la altura máxima alcanzada, no lo que el sujeto se haya movido hacia un lado o hacia delante, siempre que se hayan respetado los protocolos del test. De igual forma, en un salto horizontal a pies juntos nos basta con saber la distancia (hacia delante) que ha logrado la persona en el salto, ignorando, la mayoría de veces, lo que se levantó del suelo durante el vuelo.

5.2. Dos dimensiones

Si estudiamos los desplazamientos en deportes de equipo, normalmente se analizan las dos dimensiones de la cancha (largo y ancho) despreciando el estudio de las alturas (saltos). Así se pueden estudiar, además de las distancias, las velocidades, los ritmos de los desplazamientos, las distintas sucesiones de velocidades y pausas empleadas, las ocupaciones de los espacios, las relaciones con otros jugadores del mismo equipo o de los adversarios y las relaciones con el balón.

5.3. Tres dimensiones

Cuando se estudia un movimiento en el espacio, en tres dimensiones, se contemplan los tres ejes posibles de los movimientos: hacia delante y atrás, de lado y en altura. Así, por ejemplo, se puede observar durante la marcha o la carrera cómo el centro de gravedad avanza al tiempo que asciende y baja, y por otro lado se desplaza hacia un lado y el contrario. Del conjunto de estos movimientos, el centro de gravedad describe en el espacio un movimiento helicoidal (en forma de hélice).

PUNTO CLAVE

La mayoría de movimientos que podamos estudiar se dan en tres dimensiones, aunque a veces sólo los estudiamos en una o dos dimensiones. Si estudiamos el movimiento con vídeo, para analizar una o dos dimensiones conviene colocar la cámara en dirección perpendicular al eje o al plano del movimiento. Para estudiar las tres dimensiones de un movimiento se necesitan un mínimo de dos cámaras de vídeo.

6. MOVIMIENTOS CON NOMBRE PROPIO

Hay tres tipos de movimiento con nombre propio, que a continuación se van a explicar. Se trata de los de caída libre, parabólico y pendular. Los dos primeros tipos (caída libre y parabólico) necesitan que el cuerpo se encuentre en fase aérea, sin sujeción a otro cuerpo y sin contacto con el suelo. Las características que se describirán de estos movimientos se aplicarán a sus centros de gravedad y, salvo que se diga lo contrario, no se consideran los factores aerodinámicos, como por ejemplo, la resistencia del aire. Por otro lado, hay que decir que cualquiera de estos tipos de movimientos puede ser realizado por una persona (su centro de gravedad), además de balones, pelotas y otros implementos deportivos que pueden ser lanzados.

7. MOVIMIENTOS DE “CAÍDA LIBRE”

Los movimientos de caída libre son aquellos que se dan, o que se estudian, sólo en el eje vertical. Ya sea sólo ascendiendo, sólo descendiendo, o también ascendiendo primero y luego descendiendo. De esa manera, cuando dejamos caer una bola desde la altura a la que la sujetamos, será sólo un movimiento de descenso, pero también podemos estudiar el ascenso de una pelota de tenis que lanzamos al aire para sacar, o el ascenso y posterior descenso de un aro de rítmica que lanzamos al aire y luego recogemos tras caer. En estos movimientos se cumplirán unas características que se van a describir, independientemente de que pueda haber al mismo tiempo una componente de avance horizontal. Estas características aparecen por la permanente (en el tiempo) y constante (en su valor) acción de la gravedad.

PUNTO CLAVE

En los movimientos de “caída libre” estudiamos lo que sucede en el eje vertical cuando no existe contacto con el suelo. Aunque usemos el nombre “caída”, no sólo contemplamos los movimientos de descenso sino también los de ascenso.

1 - Todos los cuerpos tardan lo mismo en caer

Esto es algo que se conoce bien, desde hace mucho, en la física. Pero muchas personas son reacias a admitirlo hasta que no se les explica con diferentes ejemplos. Hay que recordar, primero, que estos principios se explican para cumplirse en una hipotética atmósfera sin aire (sin resistencia ni otras fuerzas aerodinámicas), pero con la gravedad de la tierra. Por ello, lo que dice el principio es que si dos cuerpos se dejan caer, partiendo con la misma velocidad inicial (que puede ser 0 u otra), desde la misma altura, llegarán al suelo después de cubrir el mismo tiempo de vuelo. Es decir, si dejáramos caer en el vacío (vacío de aire) una hoja de papel y una bola de acero de lanzamiento de peso masculino (de 7,26 kp de peso) ambas llegarían al suelo a la vez (figura 9).

El principio dice que el tiempo en caer, y por tanto la velocidad que se logrará en la caída, no depende del peso de los cuerpos, si no interviniera la resistencia del aire. Por tanto, en el vacío, lo que nos sorprendería es la velocidad con la que caerían al suelo las hojas de papel, o las plumas, o las hojas de los árboles, ya que lo harían a plomo. Esto es así porque la acción de la gravedad actúa igual con todos los cuerpos, independientemente de su peso. Pero en la atmósfera real, la bola de acero adquirirá mayor velocidad y llegará antes al suelo. La explicación es por el mayor freno que provoca la resistencia del aire sobre la hoja de papel. Ese freno no depende del peso, pues cuando cae en caída libre un paracaidista de 70 kp lo hará a una velocidad parecida a si cayeran unidos, formando una figura, 10 paracaidistas de 70 kp. Es decir, caería a la misma velocidad un cuerpo de 70 que otro de 700 kp. Pero todo el mundo sabe que una botella de plástico llena de agua cae más rápido que una botella vacía de agua, sobre todo desde considerables alturas de caída. Claro que si los 10 paracaidistas se juntan en un único cuerpo, pero en vez de formar una figura habitual se colocaran en vertical uno encima de otro, caerían a más velocidad que un único paracaidista. Es decir, en la atmósfera real, con resistencia del aire, cuenta la relación entre superficie de choque contra el aire y peso del cuerpo (además de otras variables aerodinámicas). Por ello, en el último ejemplo se obtenía el área de choque de un paracaidista, pero con el peso de 10, y por eso caían más rápido. En cambio, tanto cuando caía un solo paracaidista, como cuando lo hacen 10 cogidos en una figura habitual, se obtienen relaciones de 70 kp por cada superficie de paracaidista.

PUNTO CLAVE

En el vacío (sin aire pero con gravedad) una pluma de un pájaro y un peso de lanzamiento de peso tardarían lo mismo en caer desde la misma altura y, por lo tanto, alcanzarían la misma velocidad.

Figura 9. En el vacío (de aire), la acción de la gravedad provocará que una hoja de papel caiga a plomo hasta el suelo. Por ello tardará lo mismo en caer, desde la misma altura, que, por ejemplo, una bola de acero de lanzamiento de peso masculino (pesa de 7,26 kp).

7.2. Se tarda lo mismo en subir que en bajar

Se tarda lo mismo en subir y en bajar, siempre que se parta de la misma altura, a la que después se llega. Por ejemplo, si lanzamos un balón al aire, desde la altura de los hombros y cuando caiga lo volvemos a coger a la misma altura, el balón tardará lo mismo en recorrer la fase de ascenso (hasta llegar a su punto más alto de la trayectoria) que la fase de descenso. Esto es así porque en ambas fases interviene por igual el mismo responsable de las variaciones de velocidad del balón, que no es más que la aceleración de la gravedad: durante el ascenso frenando su velocidad hasta alcanzar velocidad 0 en el punto más alto de su trayectoria, y durante el descenso incrementando su velocidad. Dado que cogeremos el balón a la misma altura que lo habíamos lanzado, el trayecto vertical de ascenso será de la misma distancia que el de descenso, y al ser constante la aceleración de la gravedad tardará lo mismo en recorrer el camino de vuelta hasta la altura a la que fue lanzado.

No obstante, el centro de gravedad del cuerpo humano en los saltos verticales suele recorrer algo más de distancia en el descenso que en el ascenso. Esto es así porque la posición del cuerpo al inicio del vuelo no coincide con la que tiene al final del vuelo. Es debido a que al final de la batida se aprovecha la práctica totalidad del rango de extensión de las articulaciones de la extremidad inferior, por la acción explosiva de la musculatura. Por otro lado, el tronco se encontrará en posición vertical. Pero resulta que durante la fase de la caída del vuelo la musculatura no se encuentra tan activada y, además, por la precaución de prevenir un impacto brusco, evitamos una postura que conlleve la extensión máxima de las extremidades inferiores. Así por ejemplo, en un salto con contramovimiento, en el instante de perder contacto con el suelo el centro de gravedad se encuentra entre 8 y 20 cm, dependiendo de las dimensiones del pie de la persona, más arriba de la posición que tenía al inicio de la batida (posición de pie). Pero al tocar el suelo al caer el centro de gravedad suele estar situado entre 2 y 5 cm más abajo de la posición en la que inició el vuelo (figura 10). Así, es habitual que en algunos saltos verticales que se realizan como test de fuerza, el centro de gravedad recorra más camino en el descenso que en el ascenso, y por tanto tarda un poco más en la fase de descenso que en la de ascenso del vuelo.

Siempre que el centro de gravedad caiga hasta la misma altura de la que partió, tanto el tiempo de ascenso como el de descenso representan la mitad del tiempo total de vuelo. Y si esa igualdad de alturas se cumple, bastaría conocer el tiempo total de vuelo (t_v) para saber la altura del salto (h = g·t_v²/8). Dado que la aceleración de la gravedad y también el número 8, que aparecen en la fórmula, son constantes, la fórmula se puede simplificar como h = 1,226·t_v². Pero cuando se aplica a los saltos verticales, en los que no se cumple exactamente el principio de que se tarda lo mismo en subir que en bajar, se puede estar sobrestimando la altura del salto por esta razón hasta 2 cm. Esto afecta cualquier sistema que use el tiempo total de vuelo para medir la altura del salto, tanto si es un salto sin contramovimiento, como si lo es con contramovimiento. En los saltos con ayuda de extremidades superiores y saltos llevando cargas encima, la sobrestimación de la altura puede incluso aumentar. Para que esta altura no se vea aún más incrementada, es importante resaltar en el protocolo del salto que hay que intentar caer en la misma o al menos parecida posición que se tiene al final de la batida. También se puede pedir a la persona que realiza el test que no se pare tras la caída, sino que realice un brinco (saltito) reactivo, sin perder tiempo, y así conseguir una posición de caída más parecida a la que tenía al final de la batida.

Figura 10. Una persona adulta que realice una salto vertical sin ayuda de las extremidades superiores despegará del suelo (figura B) con su centro de gravedad situado entre 8 y 20 cm más arriba de la posición previa al inicio de la batida (figura A). Esta variabilidad obedece, sobre todo, a las diferentes longitudes de los pies, que se traducen en diferentes ganancias de altura durante la extensión de los tobillos. En cambio al caer, en el instante final del vuelo (figura C), el centro de gravedad se situará entre 2 y 5 cm más abajo que la posición que tenía al despegar. Se cae más abajo porque, aunque se intente mantener la misma postura, el cuerpo tiende a adquirir una posición de mayor flexión al final del vuelo.

PUNTO CLAVE

Las plataformas de contacto que miden el tiempo de vuelo en los saltos verticales sobreestiman la altura del salto porque no se cumple el principio de que el centro de gravedad tarde lo mismo en ascender que en descender. Es debido a que la mayor flexión del cuerpo al llegar al suelo provoca un mayor tiempo de descenso.

7.3. La velocidad inicial y la final son iguales

La velocidad inicial, cuando soltamos el balón del ejemplo anterior, será la misma (el mismo módulo) que la que tendrá al volver a llegar a la altura de los hombros, al final de la caída. Claro que al inicio del vuelo esa velocidad será de ascenso (sentido hacia arriba) y al final del vuelo será de descenso (sentido hacia abajo). Esto sucede porque, dado que se tarda lo mismo en subir que en bajar, como se ha explicado en el punto anterior, la gravedad actúa durante el mismo tiempo en la subida (frenando la velocidad) que en la bajada (ganando velocidad), y por ello se llega a tener la misma velocidad al final del descenso (mismo módulo, aunque con sentido contrario) (figura 11). Si recogiéramos el balón un poco más abajo, tendría más velocidad al llegar que al iniciar el vuelo, y si lo recogiéramos más arriba, tendría menos velocidad.

Figura 11. Si lanzamos hacia arriba un balón, desde la misma altura a la que después de caer lo recogemos, las velocidades verticales al inicio y al final del vuelo serán iguales, aunque los vectores tengan sentido contrario.

7.4. Con la misma velocidad inicial se llega a la misma altura

Si se lanzan dos balones hacia arriba con la misma velocidad vertical de ascenso, y ambos parten desde la misma altura, sus centros de gravedad llegarán hasta la misma altura. Esto también se puede aplicar a los centros de gravedad de dos jugadores de baloncesto que saltan por el balón al inicio de un encuentro. Pero que el centro de gravedad llegue hasta la misma altura no garantiza que la parte superior del cuerpo (sea la cabeza, sea un puño o sea un dedo) también lo hagan. De hecho, si se busca que la parte superior del cuerpo llegue lo más alto posible en el salto, durante el vuelo de ascenso tendremos que adoptar una postura muy concreta. Esta postura consiste en levantar todo lo posible un segmento con poca masa, que podamos colocar muy arriba, mientras el resto del cuerpo lo dejamos tan abajo como podamos. Así por ejemplo, si nos colocáramos en posición anatómica, la parte superior (cabeza) no llegaría tan alto como si levantáramos las extremidades superiores (figura 12). Si levantamos una sola extremidad superior, llegaremos más arriba que si levantamos ambas a la vez. E incluso si levantando una sola extremidad, dejamos extendido el dedo corazón y el resto flexionados, llegaremos un poco más arriba que si todos los dedos los dejamos extendidos.

PUNTO CLAVE

Un jugador de baloncesto llegará más alto si desciende uno de los brazos y levanta el otro tanto como pueda. De esta forma el centro de gravedad ascenderá hasta la misma altura, pero la parte superior de su cuerpo (mano) llegará más alto.

Figura 12. Dependiendo de la posición que se adopte en el lugar más alto del vuelo, la parte superior de nuestro cuerpo puede llegar a diferentes alturas. No ocurre lo mismo en el centro de gravedad del cuerpo, que llegará siempre a la misma altura con iguales velocidades verticales de salida.

7.5. Se puede estudiar independientemente el movimiento en el eje vertical

Un cuerpo que parta con una determinada altura y velocidad vertical, sin ningún movimiento en el eje horizontal, registrará iguales desplazamientos en vertical y velocidades verticales que otro cuerpo que partiendo de la misma altura y velocidad vertical se mueva también, por rápido que lo haga, en el eje horizontal (figura 13). En el ejemplo ya descrito de la bola que dejamos caer desde la altura de la superficie de una mesa tras rodar por ella, da igual que la bola tuviera velocidad horizontal nula o que tuviera una elevada velocidad horizontal; en ambos casos, el tiempo en llegar al suelo será el mismo. La explicación de por qué una bala o un disco volador pueden prolongar más su tiempo de caída, en una atmósfera con aire, si son disparados o lanzados que si simplemente los soltamos y dejamos caer, se explica por variables aerodinámicas. Pero incluso en estos casos, si contempláramos una atmósfera sin aire, llegarían al mismo tiempo al suelo si el disco volador o la bala son lanzados, disparados o simplemente dejados caer en vertical desde la misma altura. Así, un cuerpo que se mueve en el eje vertical cambiará su velocidad simplemente por la acción de la gravedad, y ésta no se ve afectada porque tenga o no, al mismo tiempo, una determinada velocidad de avance.

PUNTO CLAVE

Un cuerpo que se desplaza en el aire, aunque lo haga muy rápido, no frena la velocidad de descenso respecto a la que tienen los cuerpos en caída libre. La única posibilidad de que esto sucediera sería que aparecieran fuerzas aerodinámicas de sustentación como le sucede a un disco volador.

Figura 13. El movimiento en horizontal no afecta el movimiento en vertical de caída libre. Por ello se puede estudiar el movimiento vertical independientemente del horizontal. El balón tarda lo mismo en caer, desde la misma altura, tenga o no velocidad horizontal de avance. Además cubrirá los mismos espacios en los mismos tiempos y sus velocidades verticales serán las mismas, en cada instante temporal que se considere.

8. MOVIMIENTOS “PARABÓLICOS”

Los cuerpos (sean del tipo que sean) que describen trayectorias parabólicas durante su vuelo son llamados en física proyectiles. Las parábolas son trayectorias que realizan los centros de gravedad de los cuerpos durante el vuelo, en las que además de la constante acción de la gravedad en el eje vertical, y cumplir por ello las características de los movimientos de caída libre, avanzan con una deter-minada velocidad horizontal. Como sucedía en los movimientos de caída libre, las características que se describen de los movimientos parabólicos, si no se dice lo contrario, se consideran para aplicar en una hipotética atmósfera sin aire. En función del peso que tengan en las situaciones reales los factores aerodinámicos, estas características pueden alejarse más o menos de las que se describen inicialmente. A continuación se describen las características que cumplen los movimientos parabólicos, que se aplicarán a los centros de gravedad de los cuerpos.

PUNTO CLAVE

En física se denominan proyectiles a los cuerpos que describen trayectorias parabólicas.

8.1. Conociendo el vector de velocidad inicial y la altura de salida se conoce toda la trayectoria

La velocidad de salida (v₀) es la que tiene el centro de gravedad del cuerpo en el instante de iniciar el vuelo. Iniciar el vuelo significa, en una pelota de tenis, el instante en que abandona la raqueta; en una pelota de fútbol, el momento en que las manos o los pies de quien la lanza o chuta dejan de estar en contacto con ella, y en un saltador de altura significa el primer instante en que su pie de batida abandona el suelo. Si la velocidad de salida se considera como un vector (V₀), ya tiene implícita una dirección, y por tanto ya se contempla en ella lo que se denomina ángulo de salida (α₀). Este ángulo se forma entre V₀ y la horizontal, que es lo mismo que decir entre el trayecto inicial que recorre en el vuelo el centro de gravedad y la horizontal. El ángulo de salida dependerá de las velocidades horizontal y vertical de salida. Así por ejemplo, con una misma velocidad horizontal de salida, si se aumenta la vertical, el ángulo de salida aumentará (figura 14).

La altura de salida (h₀) es en realidad la diferencia de alturas entre los instantes de salida y llegada del centro de gravedad del cuerpo que realiza la parábola. Esta altura se considera positiva siempre que se llegue a menor altura de la que tiene el cuerpo al inicio del vuelo, como por ejemplo, en un salto horizontal a pies juntos desde parado, en un salto de longitud, o también en el lanzamiento de peso. En cambio, se considera negativa cuando el lugar de llegada se sitúa a mayor altura que el de salida, como, por ejemplo, la parábola que describe el balón de baloncesto después del lanzamiento hasta llegar al aro o el balón de rugby desde que es chutado hasta pasar entre los palos en la transformación. Finalmente, si un cuerpo parte de la misma altura a la que llega después de realizar la parábola se considerará la altura de salida 0, como por ejemplo un balón de fútbol que se chuta desde el suelo y no es interceptado por nadie antes de que vuelva al suelo (figura 15). Conociendo los valores de las variables descritas (v₀, α ₀y h₀) se conocerá toda la trayectoria que recorrerá el centro de gravedad del cuerpo durante el vuelo. Es importante resaltar que cuando la parábola la describe una persona (su centro de gravedad) en fase de vuelo, por mucho que mueva los diferentes segmentos corporales durante el vuelo, no tiene posibilidad de cambiar la trayectoria, que está condicionada por estas tres variables. Simplemente, lo que la persona puede hacer durante el vuelo es agruparse antes de la caída para lograr aumentar h₀ al disminuir la altura de llegada del centro de gravedad, y de esta manera poder prolongar un poco más el vuelo.

Las personas cuando realizan un movimiento parabólico pueden lograr el efecto de que alguna parte de su cuerpo, como por ejemplo la cabeza, permanezca a la misma altura durante una parte del vuelo. Este efecto ha sido descrito a veces en algunos deportistas como gimnastas o jugadores de baloncesto y se ha comentado en algún artículo periodístico que tal o cual deportista desafiaba las leyes de Newton. Pero nada más lejos de la realidad; para conseguir este efecto bastará con elevar las extremidades (superiores o inferiores) mientras el centro de gravedad de nuestro cuerpo asciende, y descenderlas después en la fase de descenso del centro de gravedad (figura 16).

Figura 14. El ángulo de salida (a0) es el ángulo entre el vector de velocidad de salida (V0) y la horizontal. Como V0 es la resultante entre los vectores de velocidad vertical de salida (VV0) y el de velocidad horizontal de salida (VH0), cuando aumente VV0 aumentará a0 (figura B), y cuando aumente VH0, disminuirá a0 (figura C).

Figura 15. La altura de salida (h0) es la diferencia de alturas del centro de gravedad entre el lugar de salida y el de llegada. Si se parte desde más abajo de la altura de llegada h0, será negativa, como por ejemplo, un lanzamiento a canasta (figura A). Si se parte a la misma altura que se llega h0, será 0, como, por ejemplo, un chute (figura C). Finalmente, si se parte más arriba de la altura de llegada h0, tendrá un valor positivo, como, por ejemplo, en lanzamiento de peso (figura B).

8.2. Los ángulos de salida y llegada son iguales

El ángulo de llegada (β) es el que se forma en el último momento del vuelo, entre la trayectoria del centro de gravedad y la horizontal, o, lo que es lo mismo, entre el vector de velocidad final y la horizontal. El ángulo de salida será igual al ángulo de llegada (α₀ = β) siempre que no se tenga en cuenta la resistencia del aire (o cuando ésta sea despreciable) y siempre que el cuerpo llegue a la misma altura de la que partió (h₀ = 0) (figura 17). Si se llega más abajo de donde se partió, aumentará, y si se llega más arriba, disminuirá, respecto de α₀.

Cuanto más importante sea la resistencia del aire, tanto mayor será. El caso extremo se produce cuando la resistencia del aire llega a frenar totalmente la velocidad horizontal de avance del cuerpo, como sucede a veces con los volantes de bádminton y con las indiacas (figura 18). En estos casos, β será 90°, y si quisiéramos que estos cuerpos llegaran en horizontal lo más lejos posible, deberían ser lanzados o golpeados con ángulos de salida bastante inferiores a 45°.

En los movimientos parabólicos, si no se dice lo contrario, al presuponer el caso ideal de que no existe resistencia del aire, se da por hecho que la velocidad horizontal se mantendrá constante a lo largo del vuelo. Las trayectorias realizadas en estos movimientos (parábolas) son fruto de esta característica, junto a la del cambio de velocidad vertical por la acción de la aceleración de la gravedad (figura 19).

Figura 16. Durante la parábola que describe el centro de gravedad de una persona en el vuelo se puede conseguir que algunas partes del cuerpo permanezcan a la misma altura durante cierto tiempo.

Figura 17. El ángulo de llegada (β) es igual que el de salida (α0) si no influye la resistencia del aire y se llega a la misma altura de la que se parte (h₀= 0).

Figura 18. Cuando la resistencia del aire interviene de forma importante, como por ejemplo en el vuelo de los volantes de badminton y las indiacas, la velocidad horizontal se frenará mucho durante el vuelo. Si se pierde toda la velocidad horizontal de vuelo, el ángulo de llegada (β) será de 90°.

Figura 19. En las parábolas ideales, sin tener en cuenta la resistencia del aire, se conserva constante la velocidad horizontal (vh) durante todo el vuelo y la única que varía es la vertical (vv).

8.3. La mayor distancia cubierta en horizontal se logra con 45°

Si la resistencia del aire no es importante, o no se tiene en cuenta, y además h₀ = 0, la mayor distancia cubierta en horizontal durante el vuelo se logrará con α₀ = 45°. Con otros ángulos (superiores e inferiores a 45°) se conseguirán distancias menores, que además serán iguales entre ángulos complementarios. Así, con α₀ de 40° y de 50° se conseguirá la misma distancia (que será menor que con 45°), y lo mismo pasará con 30° y 60°, o con 20° y 70°.

Cuando queramos lograr la máxima distancia en horizontal, con h₀ negativo, α₀ deberá ser mayor de 45°. Y a la inversa, si queremos lograr la máxima distancia con h₀ positivo, deberemos lograr ángulos de salida menores de 45°, como por ejemplo sucede en el lanzamiento de peso. En este caso (h₀ positivo) el ángulo óptimo de salida para que el peso llegue lo más lejos posible variará en función del valor de h₀ y de v₀. Así, siendo siempre menor de 45°, el ángulo óptimo aumentará cuanto mayor sea la velocidad de salida y disminuirá cuanto mayor sea la altura desde la que se libera (figura 20).

PUNTO CLAVE

Para lograr llegar lo más lejos posible en horizontal si se parte de la misma altura a la que se llega (h₀ = 0), deberemos usar un α₀ de 45°. Si llegáramos más bajo, deberemos usar ángulos menores de 45°, mientras que si llegamos más alto deberemos usar ángulos mayores de 45°.

8.4. Se puede analizar el movimiento en el eje vertical independientemente del avance en el eje horizontal

Es parecido a lo que decíamos en los movimientos de caída libre respecto a que el posible movimiento de avance en horizontal no influía en el movimiento vertical, y por ello ambos movimientos podían ser estudiados independientemente. Los movimientos parabólicos se pueden estudiar analizando por separado el movimiento en vertical y el horizontal. En este caso se cumplirán todas las diferentes características que se han mencionado de los movimientos de caída libre. De esta manera sucederá que si apuntamos con una piedra o un tirachinas, en dirección de impacto, a un globo colgado a cierta distancia de nosotros, y en el instante del inicio del vuelo de la piedra o china se suelta el globo, siempre habrá colisión (figura 21). Solo podría darse el caso de no colisionar en el supuesto de que el objeto que lanzamos, o el globo que soltamos, encontraran el suelo antes del impacto. Pero aun así, si el suelo estuviera más abajo colisionarían. La colisión entre la china y el globo es debida a la dirección de impacto del lanzamiento y a que, a partir de ahí, ambos inician la fase de vuelo en el mismo instante. Y por tanto, la acción de la gravedad se mantendrá durante el mismo tiempo afectando los cambios en la velocidad vertical de ambos. En la página de applets de física que hay en la bibliografía de este capítulo se puede observar la simulación de este efecto (Jones y Childers, 2010) en el apartado de movimiento de proyectil (cañón). En él, aparecen 2 cañones, uno de los cuales siempre está en el suelo y el otro a una altura que se puede cambiar. Ambos cañones, que se pueden mover en el eje horizontal, siempre están en dirección de impacto, y además, al dar al botón de inicio lanzan sus bolas al mismo tiempo. Se puede también cambiar la velocidad de salida de cada cañón. Así bastará poner velocidad de salida 0 del cañón superior para observar el fenómeno tal como se ha descrito en el caso del globo y la china.

8.5. Los ángulos óptimos de salida en física no son los mismos que en biomecánica

Los saltadores de longitud baten con ángulos muy bajos (en torno a 22°), y según la diferencia de alturas entre la posición del centro de gravedad al iniciar el vuelo y al final del salto (h₀), el ángulo óptimo para llegar lo más lejos posible debería estar en torno a 43°. ¿A qué es debido esta diferencia entre el ángulo de salida que emplean los saltadores y el óptimo desde un punto de vista físico? El ángulo de salida depende del valor de las velocidades vertical y horizontal del centro de gravedad en el instante en el que el saltador despega del suelo. De esta manera, si la velocidad vertical se mantuviera y aumentara la horizontal, el ángulo de salida disminuiría, y a la inversa, si se mantuviera la horizontal y aumentara la vertical, el ángulo aumentaría (figura 14). Puesto que el saltador tiene prácticamente toda la carrera de aproximación para ganar velocidad horizontal (menos los dos últimos apoyos) y simplemente al final de esta carrera es cuando puede ganar velocidad vertical, resulta que la primera será bastante mayor que la segunda y por ello el ángulo de despegue será muy bajo. Dicho de otra forma, sería fácil al batir llegar con menor velocidad horizontal (frenándola), con lo que obtendríamos un ángulo de salida cercano a 43°, pero de esta forma se conseguiría menor distancia en el salto y no compensaría haber batido con el ángulo óptimo. En un salto de longitud de 8,90 m, Mike Powell batió con un ángulo de salida de 24° y el español Yago Lamela también ha realizado saltos batiendo con 24°. Se considera que estos ángulos más elevados los consiguen saltadores con buena técnica, que les permite despegar del suelo con elevadas velocidades verticales en relación con las horizontales. En cambio, muchos de los buenos velocistas, que llegan a competir con buenos resultados en las pruebas de salto de longitud, suelen batir con elevadas velocidades horizontales y limitadas velocidades verticales, lo que les lleva a presentar pequeños ángulos de salida. Así, Carl Lewis, por ejemplo, batía frecuentemente con 18°, como se explica en el artículo “La velocidad sin control no basta para ganar” de la bibliografía de este capítulo (Aguado, 2003).

Figura 20. Los ángulos óptimos se salida (a0 opt) para llegar los más lejos posible serán inferiores a 45° cuando la altura de salida sea positiva. En estos casos, siendo los a0 opt siempre inferiores a 45°, aumentarán si aumenta la velocidad de salida (v0) y disminuirán si aumenta la altura de salida (h0). Esto sucede, por ejemplo, en lanzamiento de peso. Lanzando con una v0 de 13,136 m/s y una h0 de 2,09 m, el a0 opt será de 41,95° y se cubrirá una distancia de vuelo de 19,568 m.

Figura 21. Si se lanza un cuerpo en dirección de impacto hacia otro que se suelta en el mismo instante que el primero inicia el vuelo, ambos cuerpos impactarán salvo que encuentren el suelo antes.

PUNTO CLAVE

Los saltadores de longitud no pueden fiarse de los ángulos óptimos de la física para llegar lo más lejos posible. Si quisieran usar estos ángulos perderían mucha velocidad horizontal y saltarían menos.

En biomecánica deportiva se considera que cuando lo más importante de un lanzamiento o salto sea llegar lo más lejos posible, la variable más importante es la velocidad de salida. Se puede, por ejemplo, simular en un lanzamiento de peso ya realizado qué pasaría modificando en un mismo porcentaje cada una de las variables de salida, para ver cuál de ellas tiene más repercusión en la distancia lograda. Así, en el lanzamiento de peso de Manuel Martínez con el que ganó el Campeonato de España de Atletismo de 1996 (con 19,220 m de distancia de vuelo) (Aguado et al., 1997), tuvo una altura de liberación de 2,09 m, que si se hubiera incrementado un 5% le hubiera hecho alcanzar 19,330 m de vuelo. Incrementando en el mismo porcentaje el ángulo de salida (que fue de 35,9°) hubiera alcanzado 19,304 m. Incluso si Manolo Martínez hubiera lanzado con el ángulo óptimo de liberación (41,95°), hubiera conseguido 19,568 m, que es una distancia menor a la que hubiera obtenido de incrementar un 5% la velocidad de salida (que fue de 13,21 m/s), ya que en este último caso hubiera logrado 20,961 m (tabla 1). Por ello, en biomecánica, cuando la distancia lograda es lo que cuenta, se dice que cualquier mejora en la técnica que conlleve una pérdida de velocidad de salida no será en realidad una mejora, ya que redundará (por mucho que se incremente la altura o se acerque el ángulo al óptimo) en una disminución de la distancia cubierta.

Tabla 1. Simulación de la variación de la distancia de vuelo del lanzamiento ganador de Manuel Martínez del Campeonato de España de Atletismo de Málaga de 1996, al incrementar un 5% la altura de salida (h 0), el ángulo de salida (α0) y la velocidad de salida (v0). También se simula lo que se hubiera incrementado la distancia de vuelo de haber lanzado con el ángulo óptimo (αopt).

James Hay (1993), en el libro Biomechanics of Sports Techniques, que aparece en la bibliografía, presenta varios ejemplos de cómo las variables de salida de lanzamientos, saltos y golpeos en diferentes deportes permiten identificar las ejecuciones realizadas por deportistas experimentados frente a las de nivel medio y de los principiantes. Esto es así porque se conocen cuáles son los valores ideales que se debería lograr y también se sabe cuáles son los valores que presentan los que se inician en el deporte y la forma de irlos mejorando mediante el perfeccionamiento de la técnica del lanzamiento, salto o golpeo.

9. MOVIMIENTOS PENDULARES

Los movimientos pendulares son aquellos en los que un cuerpo está unido mediante un cable a un punto fijo, situado a cierta distancia horizontal de él. El cuerpo se deja caer y se moverá con trayectoria angular, hacia un lado y hacia el otro del punto fijo de anclaje, por la acción de la gravedad. Los movimientos pendulares ideales se consideran en una hipotética atmósfera sin aire y además se parte del supuesto de la no existencia de rozamiento en el punto de anclaje del cable. En física, a los cuerpos que describen movimientos pendulares se les llama péndulos. Así, en los casos ideales, una vez dejado caer o soltado el péndulo, ganará velocidad hasta llegar al punto más bajo del recorrido. Posteriormente perderá progresivamente velocidad hasta llegar a la misma altura a la que fue soltado, pero en el lado contrario. Y ese movimiento lo seguiría haciendo indefinidamente, mientras no lo paremos. En las situaciones reales no existe el movimiento continuo debido a la resistencia del aire y al rozamiento en el punto de anclaje. Por ello, el péndulo irá perdiendo amplitud hasta finalmente parar. Las figuras decorativas de péndulos que no paran nunca una vez puestos en movimiento se explican siempre por un mecanismo que requiere de una pila para funcionar.

Hay pocas aplicaciones de los movimientos pendulares a las actividades físicas y deportes. En los casos de saltos de puenting, existe un cuerpo (la persona que salta) que está unida mediante una cuerda, que pasa por debajo del puente, a un punto fijo en el otro extremo del puente. Pero la cuerda, aunque se tensa antes de iniciar el salto, envuelve por debajo el puente y un cierto grosor de vigas y estructuras del puente que provocarán varias fases en la caída. Siempre hay una primera fase de caída libre y posteriormente una o dos fases de movimiento pendular con diferentes radios (figura 22).

10. INSTRUMENTAL DE MEDIDA

En este apartado se van a comentar dos métodos diferentes para medir la altura de saltos verticales y variadas mediciones de tiempo en diferentes actividades físicas y deportivas. Ambos parten de conocer el tiempo total de vuelo y a partir de él obtener la altura que cubriría en vertical el centro de gravedad, desde el instante de despegue del suelo hasta el punto más alto del vuelo. La fórmula usada (h = 1,226·t_v²) es la que ya se ha comentado en este capítulo dentro del apartado de características de los movimientos de caída libre. El interés de este tipo de medidas radica en que el salto es uno de los movimientos más presentes en muchos deportes y actividades físicas. Además, es frecuentemente usado para la medición de la fuerza explosiva de extensión de las extremidades inferiores, tanto por no requerir de un aprendizaje complejo (basta con una sencilla sesión de familiarización), como por la rapidez en realizar los test y también por poderse hacer con instrumentación relativamente sencilla.

10.1. Plataformas de contactos

Si se une una placa, o alfombra, o pulsador, que diferencien el contacto del no contacto, a un cronómetro, se pueden calcular muchas variables temporales de interés en la actividad física y los deportes. Por ejemplo, en la marcha, se pueden contar las duraciones de los apoyos, de los no apoyos y las fases de doble apoyo. En la carrera se pueden contar los tiempos de las fases de vuelo y los apoyos. Cuando este pulsador no es una pequeña zona de contacto sino una superficie suficientemente amplia, hablamos de plataformas de contacto (en inglés Timing Mat o Jump Mat). Tanto los pulsadores como las plataformas de contacto pueden ser autofabricados mediante elementos de construcción baratos y sencillos.

Figura 22. En el salto de puenting se produce una primera fase de caída libre y posteriormente, cuando la cuerda empieza a tirar, se produce un movimiento pendular, que puede variar el radio hasta el eje de giro más de una vez. El dibujo es de Xavier

En la bibliografía del capítulo se incluye la página web de Chronojump (De Blas, 2011), que es un sistema de hardware abierto y software libre, para medir, gestionar y realizar estadísticas de test de corta duración. El sistema, creado por Xavier De Blas, profesor de biomecánica de la Universitat Ramón Llull, permite realizar diferentes tipos de test y medidas de la actividad física, como, por ejemplo, las comentadas de los saltos y carrera, pero también otros, como medidas de tiempo de reacción o pulsos, tanto con las manos, como con los pies. Tiene una parte de software libre, con código fuente visible y modificable. Está traducido de momento a 20 idiomas y se distribuye gratuitamente desde la página web que aparece en la bibliografía. Permite no sólo la valoración de las medidas tomadas, funcionando en tiempo real, por ejemplo mientras se hace un test de saltos continuos (repeat jump). También realiza estadísticas, comparando entre test o entre sesiones, y permite comparar con resultados recopilados por entrenadores y profesores de educación física, mediante un servidor que recoge y muestra datos procedentes de diferentes usuarios. Por otro lado, tiene la parte de hardware abierto, consistente en el pequeño y barato dispositivo que consigue conectar la plataforma de contactos al puerto USB del ordenador (Chronopic). Finalmente, para poder realizar las mediciones se necesitará el dispositivo de medida, una plataforma de contactos, que se puede autofabricar siguiendo también instrucciones de la página web, aunque también podría acoplarse a plataformas ya existentes en el mercado o encargarse su fabricación a una casa comercial. Por otro lado, el sistema Chrono jump también podría conectarse a un pulsador colocado en el suelo, o en diferentes lugares dentro del calzado, o sobre una mesa para la realización de tareas manuales. A medio plazo este sistema permitirá también el análisis automático de secuencias de vídeo de saltos, con reconocimiento de puntos anatómicos para la medición de ángulos de la extremidad inferior.

PUNTO CLAVE

Construir una plataforma de contactos es sencillo y se puede usar conectada a un ordenador y software libre para medir la altura de los saltos verticales en la realización de test de fuerza explosiva.

10.2. Cámaras de vídeo

Para estudiar el movimiento se pueden colocar sensores al móvil o lograr que éste deje huella o un rastro en algún formato. Si se colocan sensores, es difícil lograr una total libertad de movimientos, y además tampoco es posible hacerlo en numerosas situaciones reales de competición, por entrar en conflicto con los reglamentos deportivos. Los rastros del movimiento más sencillos de obtener serían precisamente las huellas de los apoyos o de los neumáticos que se dejan en el suelo, mediante manchas de tinta, de humedad, de polvo, o incluso colocando previamente un pasillo de papel de aluminio (del usado en cocina) para que queden marcadas las huellas. Pero todos estos procedimientos en sí mismos no permiten obtener más que la orientación de las huellas, su recorrido, la amplitud de los pasos, y si se combinan con un cronómetro, también podremos obtener la frecuencia de pasos y la velocidad media del desplazamiento.

Desde la invención de la fotografía, posteriormente el cine, el vídeo analógico y actualmente el vídeo digital, disponemos de soportes excelentes enlos que el movimiento deja rastro. Se pueden ver las posiciones sucesivas que adoptan los cuerpos instante a instante y sus desplazamientos. También las velocidades y las aceleraciones. Todo esto se puede conseguir simplemente grabando, sin necesidad de colocar nada encima del móvil, pues lo que se analizará no será directamente la persona o el implemento deportivo, sino un soporte, hoy en día digital, con todas las ventajas que ello suponer. Una vez grabada la secuencia de vídeo, podremos escoger fotogramas seleccionados en los que marcar puntos, con los que hacer las medidas de cinemática. Los puntos los marcaremos ya sea con el ratón del ordenador, o incluso con una hoja de acetato transparente, colocada encima del monitor o pared en la que se proyecta la imagen. Por ejemplo, el ángulo de salida de un movimiento parabólico (figura 22) y también el ángulo de una determinada articulación serán muy fáciles de medir con esta técnica, incluso sin recurrir a ningún software, simplemente midiendo con un transportador sobre una hoja de acetato. Otra opción es usar un programa gratuito de licencia general pública como Kinovea [25/10/2011] que nos facilitará mucho el análisis con sus variadas herramientas.

Como se ha comentado, mediante el vídeo se pueden medir tiempos. Para ello habrá que seleccionar los eventos entre los que se quiere medir el tiempo. Estos eventos pueden estar relacionados con el medio en que se realiza la actividad, como por ejemplo inicio y final del contacto con el suelo, o de la fase de la brazada en la que la mano se mueve dentro del agua. También en relación con el material deportivo, como, por ejemplo, desde el primer instante de vuelo al soltar un balón de la mano. También con relaciones articulares, como por ejemplo, entre los instantes de mínima y máxima flexión o pronación. También instantes representativos del movimiento, como por ejemplo desde el de la máxima altura de vuelo. Finalmente, se pueden usar marcas y señalizaciones del terreno deportivo o añadidas sobre el suelo, como por ejemplo la línea de salida y otras referencias dibujadas sobre el tartán, en una carrera de 100 m, con las que se pueden medir tiempos en recorrer diferentes tramos de la carrera.

La ventaja de usar una cámara de vídeo doméstica, por ejemplo, para evaluar la capacidad de salto de todo un grupo de alumnos de una clase o un grupo de atletas de entrenamiento es que se requiere muy poco tiempo para la toma de los datos. Bastará con enfocar el plano por donde, uno a uno, irán pasando todos los que realizarán el test. Las personas participantes se pararán en la zona marcada, realizarán el salto siguiendo los protocolos que se hayan establecido previamente y seguirán caminando después hacia delante. En otro día diferente, ya sin perder tiempo de práctica física o de entrenamiento se hará el análisis. Puede ser en una sala de informática del instituto, colegio, club o en la misma casa, cada alumno o atleta. Cada uno analizará sus test y podrá, además, rellenar una planilla en la que se recoja la valoración cualitativa de la técnica de salto empleada. Para conocer la altura del salto bastará con calcular el tiempo total de vuelo, como se ha explicado previamente, e introducirlo en la fórmula (h = 1.226·t_v²). Igual que se ha explicado con el ejemplo de la pelota que se dejaba caer desde la mesa, se deberá escoger un criterio complementario en el primero y último campos o imágenes seleccionados. Así, se contará el tiempo transcurrido desde el primer fotograma de vuelo hasta el primero de tocar el suelo o entre el último de contacto con el suelo, en la batida, hasta el último de vuelo, antes de caer al suelo.

Figura 23. Fotografía cronocíclica del lanzamiento de una pelota sobre la que se ha medido el ángulo de salida (a0).

PUNTO CLAVE

El vídeo digital es un buen sistema para hacer análisis cinemáticos, y podemos ayudarnos de software gratuito para realizar estudios.

PARA SABER MÁS

En la bibliografía se han incluido tres libros genéricos de biomecánica deportiva (Knudson, 2007; Hay, 1993, y Aguado, 1993) y tres artículos divulgativos (Aguado, 2006, 2003 y 1997) de movimientos parabólicos en el baloncesto, salto de longitud y lanzamiento de peso. Por otro lado, se han seleccionado varias páginas web. Una de ellas versa sobre la construcción de una plataforma de contactos y de acceso al software libre para medir alturas de salto y tiempos en diferentes actividades (De Blas, 2011). En otra de ellas (TopendSports, 2011) se dan explicaciones de diferentes test de salto y se muestran varios instrumentos para medir alturas de saltos verticales, ya sea con plataformas de contactos, como con sistemas de varillas móviles (tipo Vertec) y otros. Se muestra también una página con un programa interactivo de cálculo y gráficos de cinemática (López Elvira, 2011). Finalmente, la página web ya comentada, de Jones y Childers (2011), de applets con demostraciones y explicaciones de diferentes conceptos de física, tratados de forma entretenida, que sin descargarlos, se ejecutan desde la propia pá-gina en tiempo real. Mediante gráficos interactivos, en los que se permite modificar las condiciones de partida, se pueden entender de forma práctica los conceptos de física, siempre con la ayuda del texto que viene acompañando estos programas. En esta página se encuentran applets tanto de movimientos parabólicos, como de cinemática lineal y angular. Por otro lado se recomienda hacerse con otros programas de cinemática que se pueden conseguir gratuitamente por Internet. Por ejemplo, si se introduce en cualquier buscador el término “Simulador de tiro parabólico” se puede encontrar fácilmente varios programas que calculan trayectorias, ángulos óptimos, distancias recorridas, tiempos de vuelo y otras variables de los movimientos parabólicos.

BIBLIOGRAFÍA

Aguado, X. (1993) Eficacia y técnica deportivas. Análisis del movimiento humano. INDE, Barcelona.

Aguado, X., Izquierdo, M., González, J.L., López, J.L., Burón, C. (1997) Análisis biomecánico del lanzamiento de peso: técnica lineal frente a la técnica de rotación. Revista de Entrenamiento Deportivo XI(1): 27-32.

Aguado, X. (2003) La velocidad sin control no basta para ganar. Sección de deportes. El País, edición impresa, 29 de agosto, página 50.

Aguado, X. (2006) ¿Quién desafía a Newton? Sección de deportes. El País, edición impresa, 31 de agosto, página 66.

De Blas X. ChronoJump. Página inicial: http://chronojump.org/index_es.html ¿Como construir una plataforma de contactos?: http://chronojump.org/construction_contact_platform_es.html [25/10/2011].

Hay J. (1993) Biomechanics of Sports Techniques. Prentice Hall, New Jersey.

Kinovea. Kinovea Motion Tuner. http://www.kinovea.org/en/ [25/10/2011].

Knudson D. (2007) Fundamentals of Biomechanics. Springer, New York.

Jones E., Childers R. Contemporary College Physics on the web. On Line Library. http://www.mhhe.com/physsci/physical/jones/onlibr.mhtml [25/10/2011].

López Elvira J.L. Programas de cinemática. En: Tema 6. Tipos de movimientos. http://www.uclm.es/profesorado/xaguado/ASIGNATURAS/BMD/4-Apuntes/Apuntes2.htm [25/10/2011].

TopendSports. Vertical Jump. En: Fitness Testing. http://www.topendsports.com/testing/tests/vertjump.htm [25/10/2011].

5	EQUILIBRIO Y ESTABILIDAD DEL CUERPO HUMANO Dr. García-López, J. y Dr. Rodríguez-Marroyo, J.A. Departamento de Educación Física y Deportiva. Facultad de Ciencias de la Actividad Física y del Deporte. Universidad de León

RESUMEN

El equilibrio del cuerpo humano es especialmente inestable porque el centro de gravedad se encuentra por encima de la base de sustentación en la mayoría de las actividades de locomoción (bipedestación, marcha, etc.). Existe un gran interés socioeconómico en conocer los factores que afectan la estabilidad del equilibrio, cómo evaluarlos y cómo mejorarlos, especialmente en poblaciones adultas y con discapacidad. Desde un punto de vista biomecánico, estos factores pueden analizarse a través de la estática, existiendo instrumental específico (p. ej., estabilómetros) y registros (p. ej., estabilometrías) que nos permiten realizar una valoración objetiva de la estabilidad del equilibrio. En el presente capítulo se revisan los principales protocolos y consideraciones metodológicas a tener en cuenta para valorar la estabilidad del equilibrio en bipedestación: posición que debe adoptar el sujeto; test que pueden utilizarse para valorar la contribución de los sistemas somatosensorial, vestibular y visual; duración de los test; etc. Igualmente se analizan los factores que científicamente se ha demostrado que pueden influir en la estabilidad del equilibrio, tales como el deporte practicado, la edad, el sexo, el nivel de actividad física y la fatiga. Finalmente se establece una asociación entre la baja estabilidad del equilibrio y el riesgo de lesión en deportistas de diferentes disciplinas, recopilando varios estudios que proponen rutinas de entrenamiento propioceptivo que han sido efectivas para mejorar la estabilidad y disminuir el riesgo de lesión.

1. INTRODUCCIÓN

En el ámbito de la actividad física y del deporte, el equilibrio es la “capacidad del hombre de mantener su propio cuerpo u otro cuerpo (u objetos) en una posición controlada y estable, por medio de movimientos compensatorios”, distinguiéndose entre el equilibrio estático, dinámico y la capacidad de mantener en equilibrio un cuerpo extraño u objeto (Diccionario de las Ciencias del Deporte, 1992). Desde un punto de vista mecánico (figura 1), la clasificación de Barham (1979) establece que el equilibrio puede ser analizado desde la estática, que es la parte de la dinámica que estudia las fuerzas que lo provocan (p. ej., parámetros de inercia, fuerzas y centro de gravedad, etc.), mientras que el análisis de las fuerzas responsables de que se produzca el movimiento sería función de la cinética (p. ej., fuerzas propulsivas y resistivas durante diferentes actividades), y el estudio del propio movimiento sería parte de la cinemática (p. ej., distancia, ángulo, velocidad, aceleración, etc.). Uniendo ambas definiciones, el principal objetivo de este capítulo es el análisis del equilibrio estático o estática del cuerpo humano, aunque algunos ejemplos de equilibrio dinámico relacionados con los factores mecánicos que lo determinan también serán comentados. De las definiciones anteriores se desprende que existen dos conceptos relacionados con el equilibrio, uno de ellos de carácter absoluto, y el otro, de carácter relativo, que a veces son tratados como sinónimos, pero que tienen diferentes significados (Gutiérrez, 1999). El equilibrio absoluto del cuerpo humano hace referencia a que el sumatorio de fuerzas externas y de momentos de fuerza aplicados sobre él es “cero”, por lo cual, el cuerpo se encuentra o no se encuentra en equilibrio (figura 2A). El equilibrio relativo o “estabilidad del equilibrio” del cuerpo humano va un paso más allá, y para una misma situación de equilibrio intenta establecer si se tiene más o menos estabilidad (figura 2B), dependiendo de la magnitud de la fuerza externa necesaria para provocar un desequilibrio.

Figura 1. Clasificación de la mecánica (Barham, 1979).

Figura 2A. Representación del concepto de equilibrio absoluto, donde un ciclista se encuentra en equilibrio y el otro no (A). Representación del concepto de equilibrio relativo en el que un grupo de alumnos realiza un equilibrio de poca estabilidad, donde cualquier pequeña fuerza puede provocar un desequilibrio (B).

La mayoría de los textos de biomecánica clasifican el equilibrio absoluto en función de la relación establecida entre el centro de gravedad del cuerpo humano (CG o punto donde se aplican las fuerzas de la gravedad) y su base de sustentación (BDS, véase su posterior definición) y/o centro de flotación (centro geométrico del cuerpo humano donde se aplican las fuerzas del aire y del agua). Así se habla de equilibrio inestable cuando una pequeña fuerza perturbadora puede generar la situación de desequilibrio, y esto ocurre cuando el CG se encuentra encima de la BDS o del centro de flotación (López Elvira, 2008). Son buenos ejemplos de equilibrio inestable la posición bípeda en los humanos y la mayoría de las actividades de locomoción de éstos (marcha, carrera, desplazamiento en bicicleta, etc.), ya que el CG se encuentra encima de la BDS. También son buenos ejemplos otra serie de situaciones físico-deportivas donde el CG se encuentra encima del centro de flotación, como la práctica de surf o la inmersión del cuerpo humano en el agua cabeza abajo (figura 3A).

Por el contrario, el equilibrio hiperestable es aquel en el que una fuerza de gran magnitud no provoca el desequilibrio del cuerpo u objeto, o si lo hace, al cabo de un tiempo, éste recupera su posición inicial de equilibrio. En este tipo de equilibrio el CG se encuentra debajo de la BDS y/o del centro de flotación. Son buenos ejemplos de equilibrio hiperestable el balanceo de un gimnasta en barra fija (figura 3B), la inmersión del cuerpo humano en el agua cabeza arriba, la realización de actividades como paracaidismo o parapente, etc.

Por último, el equilibrio indiferente es aquel en el que las fuerzas externas aplicadas no tienen ningún efecto sobre el equilibrio, ya que el CG siempre se encuentra a la misma distancia de la BDS y/o centro de flotación. Las fuerzas aplicadas sobre objetos esféricos como los balones o pelotas, en el agua y en el aire, son un buen ejemplo de equilibrio indiferente (figura 3C), ya que al cabo de un tiempo, y por muy grande que sea la fuerza aplicada, estos objetos vuelven a tener una posición de equilibrio similar a la que tenían antes de aplicarse la fuerza.

Figura 3. Diferentes tipos de equilibrio en función de la relación entre el centro de gravedad (CG), el centro de flotación (CF) y la base de sustentación (BDS): equilibrio inestable (A), equilibrio hiperestable (B) y equilibrio indiferente (C).

Según lo que se ha comentado, el cuerpo humano en posición bípeda, caminando o corriendo, desplazándose en bicicleta… tiene un equilibrio inestable, que debe ser continuamente reestablecido por su sistema neuromuscular, que es el que en determinadas situaciones establece que se tenga mayor o menor estabilidad (concepto de equilibrio relativo), en función de la conveniencia de las mismas. Por ejemplo, conseguir poca estabilidad del equilibrio apoyándose sobre las puntas de los pies y reduciendo la BDS es beneficioso para un jugador de tenis que resta el servicio del oponente o para un jugador de voleibol que defiende un remate del contrario, ya que generando poca fuerza con sus piernas serán capaces de desplazarse rápidamente hacia diferentes puntos del campo de juego. Sin embargo, conseguir una buena estabilidad del equilibrio en posición bípeda o durante la marcha humana será un elemento crucial para los humanos en su vida cotidiana, ya que la fuerza necesaria para provocar una caída será mayor. Así, en el ámbito de la salud preocupa especialmente valorar y mejorar la estabilidad del equilibrio en estas dos situaciones, ya que en personas de edad avanzada una caída puede tener graves consecuencias (p. ej., fuertes contusiones, fracturas óseas, etc.) que condicionarán su funcionalidad y calidad de vida futura, así como la de las personas que están a su alrededor. Los Gobiernos han percibido que el coste socioeconómico de las caídas en personas de edad avanzada es muy alto (tiempo dedicado por sus familiares al cuidado de las mismas durante y después de la caída, coste económico de la intervención sanitaria…), y por ello están especialmente interesados en conocer los mecanismos que pueden prevenirlas, como la práctica de actividad física, que ha demostrado ser un factor muy importante para la mejora de la estabilidad del equilibrio.

PUNTO CLAVE

El cuerpo humano en posición bípeda tiene un equilibrio inestable que debe ser continuamente restablecido por su sistema neuromuscular. Una buena estabilidad del equilibrio es un elemento crucial para los humanos en su vida cotidiana. La principal aportación de la biomecánica al equilibrio es que ofrece la posibilidad de valorar la estabilidad del mismo.

2. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ESTABILIDAD DEL EQUILIBRIO

Son muchos los factores que influyen en la estabilidad del equilibrio en los humanos. En un intento de agruparlos por áreas de conocimiento, nosotros proponemos una clasificación en la que se distinguen los factores psicológicos y ambientales, aquéllos relacionados con la condición física, los fisiológicos y los mecánicos (figura 4). Estos últimos serán los que principalmente se desarrollarán en el presente apartado. Sin embargo, más que entender los diferentes factores como compartimentos estancos, debemos ser conscientes de que se encuentran interrelacionados entre sí, y que, por ejemplo, ante una situación inesperada como recibir un empujón, el cuerpo humano conseguirá una mejor estabilidad si se llevan a cabo una serie de procesos relacionados con la calidad de su sistema neuro-muscular (factor fisiológico) que le permitan una rápida adaptación para aumentar la BDS (factor mecánico). Otro ejemplo que ilustra bien la interacción entre estos factores es que, en posición de bipedestación, una misma persona con los mismos factores mecánicos (BDS, etc.) tendrá peor estabilidad del equilibrio en la azotea de un décimo piso que a pie de calle, debido posiblemente a factores psicológicos como el estrés y el miedo que, a su vez, afectan factores fisiológicos como las aferencias vestibulares, visuales y somatosensoriales. Un último ejemplo íntimamente relacionado con la práctica de actividad física y deporte sería aquel en el que una persona, después de participar en un programa de entrenamiento mediante ejercicios físicos, mejora su estabilidad del equilibrio porque aumenta la calidad de su sistema neuromuscular (factor fisiológico) a la vez que consigue un mejor estado emocional (factor psicológico). Como se verá más adelante, la principal aportación de la biomecánica al equilibrio es que ofrece la posibilidad de valorar la estabilidad del mismo. Para ello habrá que buscar situaciones suficientemente estandarizadas en las que se puedan evaluar de la forma más analítica posible los diferentes factores que pueden influir en él (psicológicos, de condición física, etc.).

Figura 4. Factores que influyen en la estabilidad del equilibrio.

PUNTO CLAVE

La estabilidad del equilibrio depende de una combinación de factores psicológicos y ambientales, de condición física, fisiológicos y mecánicos. Las dimensiones de la base de sustentación y la altura y proyección del centro de gravedad respecto a la misma, entre otros, constituyen los factores mecánicos que afectan la estabilidad del equilibrio.

2.1. Factores mecánicos de la estabilidad del equilibrio

En los humanos, los principales factores mecánicos que determinan la estabilidad del equilibrio son la base de sustentación (BDS), la altura del CG respecto a la BDS y la proyección del CG en la BDS (Gutiérrez, 1999). También existen otra serie de factores mecánicos que pueden ayudar a mejorar la estabilidad del equilibrio, y que se comentarán al final de este apartado.

2.1.1. Base de sustentación (BDS)

Es el polígono delimitado por las aristas que unen los puntos de apoyo en la superficie. Normalmente estos puntos de apoyo están en el suelo (figura 5), aunque también pueden encontrarse en el agua, o en superficies como las barras de gimnasia (figura 3) o las presas de escalada. En igualdad del resto de condiciones, una mayor BDS permite que los humanos tengamos una mejor estabilidad del equilibrio. Así, por ejemplo, cuando las personas mayores utilizan bastones o andadores para caminar, realmente lo que están consiguiendo es aumentar la BDS (figura 5A). Si no necesitan estos implementos, su marcha se distingue de la observada en personas jóvenes porque los pies se abren y separan más respecto a la dirección de avance, aumentando así la BDS (figura 5B) en un intento de mejorar la estabilidad de su equilibrio. Igualmente, para el aprendizaje de ejercicios gimnásticos como el equilibrio invertido con 2 apoyos (las dos manos), un posible ejercicio de iniciación puede ser realizar el equilibrio invertido con 3 apoyos (triángulo formado por los codos y la cabeza), aumentando así la BDS y simplificando la ejecución del mismo (figura 5A). Una cuestión similar ocurre durante la iniciación a la conducción de la bicicleta, cuando colocamos dos ruedas traseras adicionales para aumentar la BDS, o cuando giramos la rueda delantera con el mismo objetivo (figura 6A). En varias actividades físico-deportivas de precisión, como el tiro con arco, el tiro con carabina en el biatlón (los deportistas se tumban en el suelo para disparar), batear una pelota de béisbol (figura 5A), etc., se aumenta la BDS, ganando mucha estabilidad para ejecutar correctamente la tarea. En deportes acuáticos como el surf y windsurf es posible aumentar la BDS en el agua utilizando, por ejemplo, tablas de iniciación a estas actividades, ya que son de mayor tamaño que las tablas para expertos. En deportes de invierno como el esquí o el snowboard ocurre algo similar a lo que se ha comentado, tanto con el tamaño de los esquís como con el tamaño de las tablas, respectivamente. En ciclismo (figura 6B), una mayor distancia entre los ejes de las ruedas delantera y trasera, así como una mayor distancia entre los ejes de pedaleo y de la rueda trasera, mejora la estabilidad del equilibrio. Por último, en otra serie de actividades como las salidas de velocidad en atletismo o las posiciones básicas que utilizan los quarterback de fútbol americano antes de iniciar una acción (figura 5A), podemos observar que se aumenta exageradamente la BDS con la intención de que, al eliminar alguno de los puntos de apoyo, el centro de gravedad ya se encuentre fuera de la misma, generando un desequilibrio que ayude al inicio del movimiento. Esta estrategia tiene que ver con la proyección del CG en la BDS que abordamos en posteriores apartados.

Figura 5. Representación de la base de sustentación en diferentes actividades físico-deportivas (A). Base de sustentación durante la marcha humana en una persona mayor y otra joven (B).

Figura 6. Representación de la BDS de una bicicleta en diferentes situaciones (A). Variables que influyen en la estabilidad de una bicicleta (B): altura del CG ciclista-bicicleta (h), distancia entre los ejes de las ruedas (a), distancia entre el eje de pedaleo y el eje de la rueda trasera (b), altura del centro de gravedad (h).

2.1.2. Altura del centro de gravedad (CG) respecto a la base de sustentación (BDS)

Una menor altura del CG para la misma BDS aumenta la estabilidad del equilibrio, porque la fuerza necesaria para generar el desequilibrio también aumenta, o, lo que es lo mismo, una mayor fuerza genera el mismo momento de fuerza (fuerza × distancia) desequilibrante en el CG (figura 7A). La estrategia de disminuir la altura del CG para aumentar la estabilidad del equilibrio es muy habitual e intuitiva en diferentes actividades físico-deportivas, y la mayoría de las veces se combina con un aumento de la base de sustentación. En la iniciación a actividades como el esquí alpino, el windsurf, etc., un mecanismo reflejo de los practicantes es “sentarse” o disminuir la altura de su CG, en un intento de ganar estabilidad. Posteriormente, conforme se adquiere un dominio de la técnica, la posición es más erguida y menos estable, lo que a su vez permite mayor capacidad y variedad de respuesta a las diferentes situaciones que pueden acontecer (p. ej., montículos de nieve, olas, etc.). En algunos deportes de lucha como el judo, la lucha leonesa, el sumo, etc., los jueces sancionan con “pasividad” a aquellos luchadores que adoptan durante mucho tiempo una posición demasiado baja de su CG, ya que es una posición extremadamente defensiva que no permite al oponente atacar e intentar puntuar, volviéndose el combate muy monótono. Aunque los ejemplos anteriores demuestran que una misma persona que disminuye la altura de su CG obtiene mejor estabilidad del equilibrio, ningún trabajo experimental ha demostrado que las personas de mayor talla tengan menor estabilidad que las de menor talla. Posiblemente son los propios factores mecánicos (p. ej., mayor tamaño del pie y mayor separación de los pies en posición de bipedestación en personas de mayor talla) y otros factores (ej. control neuromuscular, etc.) los que enmascaran este hecho, que parecería evidente desde un punto de vista mecánico si se analizaran dos objetos inertes con la misma BDS y diferentes alturas de su CG.

Figura 7. Fuerza necesaria para desequilibrar al cuerpo humano (momento de fuerza) en función de la altura (h) del CG (?) respecto a la BDS (A). Situaciones donde la proyección del CG cae fuera de la BDS y arista de caída (B).

2.1.3. Proyección del centro de gravedad en la base de sustentación

En este punto es importante destacar que, para que un objeto se encuentre en equilibrio sin tener en cuenta más fuerzas externas que la gravedad, la proyección de su CG debe estar dentro del polígono determinado por la BDS (figura 7B). A veces, en las actividades físico-deportivas (p. ej., surf) puede observarse que esta condición no se cumple (figura 7B), lo que es debido a la existencia de más fuerzas que la gravedad, algunas de las cuales comentaremos en el siguiente apartado. Sin tener en cuenta estas circunstancias excepcionales, un humano que tenga similares BDS y altura del CG que otro puede tener peor estabilidad, en función de la proyección vertical del CG en la BDS, y de la dirección de la fuerza que potencialmente puede provocar el desequilibrio. En principio, en posición de bipedestación, donde no existen más fuerzas desequilibrantes que la gravedad, la posición más estable es aquella en la que el CG se encuentra proyectado en el centro de la BDS. Sin embargo, cuando sobre el cuerpo humano se aplican más fuerzas que la gravedad (p. ej., una fuerza externa como el empujón de un contrario), instintivamente las personas proyectamos el CG cerca de las aristas de la BDS (figura 7B), para conseguir que el CG pueda tener más recorrido antes de salir de la BDS. A la arista más cercana a la proyección del CG se le llama “arista de caída”. Ejemplo de lo anterior sería la proyección del CG en la BDS que se observa durante las actividades de lucha (figura 8A). En otra serie de situaciones que se han explicado anteriormente se utiliza la misma estrategia (acercar la proyección del CG a la “arista de caída”) con un objetivo diferente, que pretende que una pequeña fuerza (p. ej., posición defensiva en voleibol) o una variación en las dimensiones de la BDS (p. ej., salidas de velocidad) puedan provocar el desequilibrio (figura 5A). Además de la “arista de caída” como concepto importante en la estabilidad del equilibrio, algunos autores han definido el concepto “ángulo de caída”, que no será desarrollado en el presente apartado, por depender indirectamente de la altura del CG y la proyección de éste en la BDS.

En un intento de desafiar las leyes de la mecánica y la estabilidad del cuerpo humano en situación de bipedestación, el recientemente fallecido Michael Jackson desarrolló una patente (“Method and means for creating anti-gravity illusion”, United States Patent n° 5.255.452, 26-10-1993) que consistía en unos zapatos que le permitían a él y a sus bailarines inclinarse 45° hacia delante sin caerse durante la representación del tema musical “Smooth Criminal” (figura 8B). Este mecanismo consistía en fijar el talón de los zapatos a unos anclajes que había en el suelo mientras el público se distraía con la actuación de un bailarín que entraba en escena. De esta forma, se creaba una ilusión “imposible” muy atractiva para el espectador.

Figura 8. Posición de la proyección del centro de gravedad (CG) en la base de sustentación (BDS) en actividades de lucha (A). Inclinación e ilusión creada por Michael Jackson durante la coreografía de la canción “Smooth Criminal” (B).

2.1.4. Otros factores mecánicos

Además de los tres factores que se han explicado anteriormente (BDS, altura del CG y su proyección en la BDS), existen otra serie de factores mecánicos que pueden explicar una serie de situaciones donde bien la proyección del CG no está en la BDS y sí existe equilibrio (figura 7B), o bien la estabilidad del equilibrio es mejor por otras causas. El primero de estos factores es la existencia de otras fuerzas externas distintas a la gravedad, como la fuerza centrípeta que aparece durante las competiciones de ciclismo en pista (figura 9), permitiendo que exista situación de equilibrio al hacer que la fuerza resultante caiga dentro del polígono delimitado por la BDS. Esta situación es similar a la que ocurre al surfear una ola (figura 7B). El segundo factor es el aprovechamiento de la inercia y la cantidad de movimiento lineal y angular, y tiene que ver tanto con la 1ª Ley de Newton, a partir de la cual sabemos que mover o modificar la trayectoria de un objeto es más difícil cuanta más inercia tiene, como con la cantidad de movimiento, que es producto de la inercia por la velocidad del objeto. Específicamente, cuando se aprovecha la cantidad de movimiento angular para ganar estabilidad del equilibrio se hace referencia a un fenómeno conocido como “efecto giroscópico”. Son ejemplos de este segundo factor: a) La utilización de grandes barras sujetadas en sus brazos por los equilibristas y/o funambulistas, haciendo más fácil el hecho de caminar por cuerdas y/o superficies que reducen al máximo la BDS, porque las inercias lineal y angular del sistema son mayores (figura 10A). b) La conducción de una bicicleta en línea recta, sabiendo que la estabilidad es mayor a medida que la velocidad de conducción aumenta, porque tanto la velocidad angular de las ruedas como la velocidad lineal del CG del ciclista más la bicicleta hacen aumentar las inercias angular y lineal del sistema, respectivamente (figura 10B). Esto puede observarse al reducir mucho la velocidad de la bicicleta (< 5 km · h^-1), donde mantener el equilibrio es más difícil si no se realizan cambios bruscos en la posición del manillar para aumentar la BDS (figura 6A); y también puede observarse durante la conducción de la bicicleta sin manos, ya que sólo puede realizarse cuando la velocidad oscila entre 16-20 km · h^-1.c) Hacer que un objeto (p. ej., balón de baloncesto, peonza, plato de cocina, etc.) permanezcan en equilibrio apoyándose en una BDS minúscula (p. ej., dedo índice de la mano, etc.) es posible gracias al “efecto giroscópico” (figura 10C), y permanecerán en esta situación mientras tengan suficiente cantidad de movimiento angular. Este efecto es el mismo, pero con un objetivo diferente, al observado al girar las ruedas de una bicicleta, en el que muchas veces los ciclistas no utilizan ruedas delanteras lenticulares en sus bicicletas porque tienen mayor masa y más inercia angular que otro tipo de ruedas (p. ej., 4 bastones, radios convencionales, etc.), lo que dificulta su conducción.

Figura 9. Fuerzas encargadas de mantener el equilibrio durante la conducción en curvas y/o peraltes: ac = aceleración centrífuga; g= aceleración de la gravedad; P0,1 .... = aceleración centrípeta debida a la descomposición del peso del sistema ciclista-bicicleta; Fr = fuerza resultante de ac y g; r1,2.... = radios de giro de la curva.

Figura 10. Ejemplos de aprovechamiento del efecto giroscópico. Funambulista utilizando una barra de equilibrio (A). Aprovechamiento de la inercia angular (Iω) y lineal (I v) al conducir una bicicleta (B). Equilibrio de una peonza cuyo CG cae fuera de la BDS (C).

El tercer y último factor es el cambio de posición de la BDS, y agrupa otras actividades de la locomoción humana y animal en las cuales técnicamente no se está en equilibrio, sino que hay fases de desequilibrio. Así, por ejemplo, cuando los humanos caminamos, la proyección del CG sale momentáneamente de la BDS en la fase de apoyo simple, y es al colocar el siguiente pie en el suelo cuando establecemos una BDS más amplia dentro de la cual queda proyectado el CG (figura 11A). Algo similar ocurre durante la marcha de los animales cuadrúpedos (figura 11B), donde el CG sale momentáneamente de la BDS al levantar una de sus patas delanteras, haciéndoles avanzar en dirección oblicua hacia delante, para inmediatamente apoyar esa misma pata delantera y levantar la pata trasera contralateral. Una vez apoyada ésta en el suelo, se levanta la otra pata delantera, iniciándose otra vez el ciclo de desequilibrio. En definitiva, este mecanismo se parece bastante al observado en los atletas de velocidad durante la salida de tacos, quitando momentáne-amente el apoyo de sus brazos y provocando una caída hacia delante para, a continuación, apoyar el pie más adelantado variando la ubicación de la BDS. Esta habilidad que se acaba de describir es fundamental para conseguir el reequilibrio de la marcha humana después de un tropezón, colocando el pie que tropieza en el lugar hacia donde se dirige la proyección del CG, evitando así la caída. Otras actividades donde puede observarse un continuo cambio de la BDS para mantener el equilibrio son: estar de pie o caminar utilizando zancos, llevar a cabo una acción defensiva de uno contra uno en un deporte, etc. El equilibrio durante acciones más complejas como correr o saltar depende, en parte, del cambio continuo de la BDS, aunque también, en gran medida, de la generación de fuerzas externas, como las fuerzas de reacción con el suelo o los movimientos de acciónreacción de los brazos y el tronco.

Figura 11. Variación de la BDS y proyección del CG en la misma durante la marcha humana (A) y la marcha de un cuadrúpedo (B). El círculo representa la pata que no está apoyada en el suelo.

3. INSTRUMENTAL DE MEDIDA

La valoración del equilibrio del cuerpo humano y de su estabilidad se ha realizado habitualmente mediante actividades simples (bipedestación y marcha, principalmente), que son más fáciles de estandarizar y reproducir que las actividades complejas (saltar, bailar, etc.). Ejemplo de lo anterior es que en algunas baterías de valoración de la condición física y la motricidad se incluyen test de equilibrio estático como el “equilibrio Flamingo” (batería Eurofit (figura 12A) o el “test de Oseretsky” (Bruininks-Oseretsky Test of Motor Proficiency, figura 12B), donde se contabiliza el número de veces que se pierde el equilibrio respecto a la posición estática de bipedestación, para asignar una puntuación a esta cualidad. También encontramos otra serie de test de equilibrio dinámico como el “Test de Ozeretski” (batería de Ozeretski-Guilmain, figura 12C), donde deben recorrerse 2 m en línea recta apoyando alternativamente el talón de un pie contra la punta del otro sin salirse de la línea (esta habilidad se supone que debería tenerla un niño a los 6 años), o el test de “excursión en estrella” (Star Excursion Balance Test, figura 12D), donde 8 líneas de 120 cm son colocadas en forma de estrella con angulaciones de 45° entre ellas, y partiendo el ejecutante desde el centro del círculo, debe alcanzar la mayor distancia posible en cada una de las direcciones, obteniendo una puntuación en función del sumatorio de las mismas normalizado por su longitud de la pierna. Sin embargo, los tres primeros test mencionados hacen referencia a la evaluación del “concepto absoluto de equilibrio”, valorando si el ejecutante se cae o no al realizar el test, pero no siendo capaces de diferenciar entre sujetos que no se caen, o sea, entre diferentes grados de estabilidad. Además, algunos de ellos son altamente dependientes de otras cualidades físicas como la fuerza o la flexibilidad (equilibrio Flamingo y excursión en estrella) y son difíciles de realizar porque conllevan un riesgo añadido para determinadas poblaciones especiales como los ancianos, las personas discapacitadas, etc. (Oseretsky, Flamingo y excursión en estrella). Por los motivos comentados, nuestra propuesta es evaluar la estabilidad del equilibrio del cuerpo humano mediante una técnica llamada “estabilometría”, basada en el análisis de los movimientos del centro de presiones (CP) que se registran en una plataforma de fuerzas, y utilizando movimientos sencillos que pue den ser realizados por cualquier tipo de población. En el caso de sujetos practicantes de diferentes modalidades deportivas, estos movimientos pueden ser mucho más complejos, como se verá en los siguientes apartados.

Figura 12. Test de equilibrio estático (A y B) y dinámico (C y D) utilizados en diferentes baterías de valoración de la condición física y la motricidad.

PUNTO CLAVE

La valoración de la estabilidad del equilibrio del cuerpo humano se ha realizado habitualmente mediante actividades de bipedestación y marcha. Los test más simples y que requieren de menos material son aquellos que valoran el concepto de “equilibrio absoluto”, mientras que para valorar el “equilibrio relativo” es necesario realizar una estabilometría. Con ella, se registra el mo vimiento del centro de presiones en la base de sustentación. El centro de presiones es un concepto diferente al de centro de gravedad, aunque se trata de una respuesta a los movimientos del mismo.

3.1. Valoración de la estabilidad del equilibrio mediante una estabilometría

La estabilometría es una técnica que analiza el movimiento del CP en la BDS, de manera que cuanto menor es el movimiento del CP para realizar una misma tarea estandarizada (estar de pie, caminar, realizar un equilibrio invertido, etc.), mayor es la estabilidad del equilibrio en esa tarea. El CP es el punto donde el sumatorio de las fuerzas verticales aplicadas al suelo es cero, de manera que para medirlo es necesario registrar la fuerza de reacción vertical en una plataforma de fuerzas (figura 13 A). La representación gráfica de los movimientos antero-posteriores y medio-laterales del CP en la BDS a lo largo del tiempo se conoce como “estabilograma” (figura 13B), y tal y como hemos comentado, cuanto mayor sea su dispersión, peor es la estabilidad del equilibrio en la tarea (Gutiérrez, 1999). Sin embargo, el CP es un concepto nuevo que no se corresponde con la proyección vertical del CG en la BDS (factor mecánico que hemos explicado anteriormente), pero que es mucho más fácil de monitorizar continuamente que el CG, ya que éste requiere de complejos sistemas 3D de análisis del movimiento, por lo que debemos justificar la relación entre ambos términos. Esta relación ha sido muy bien explicada por Winter (1995), quien representa gráficamente cómo el punto de aplicación de la fuerza de reacción vertical (CP) cambia continuamente su posición para contrarrestar los momentos generados por el peso del cuerpo (CG), de manera que el CP es una buena respuesta a los movimientos del CG (figura 13C). Didácticamente podríamos decir que el CG del cuerpo humano en bipedestación, por su condición de equilibrio inestable, es como un niño juguetón que continuamente quiere escaparse de un lugar (en este caso, la BDS). Es el CP quien debe impedir esta acción, atajándolo o colocándose delante de aquél y empujándolo, de manera que después vuelve a iniciarse el proceso de nuevo movimiento del CG y, posteriormente, del CP. Esto ocurre tanto en las direcciones antero-posterior como medio-lateral, dando lugar a que la distancia que recorre el CP en la BDS siempre sea mayor que la que recorre el CG, porque sus movimientos son más amplios y tienen más frecuencia, que es lo mismo que ocurriría cuando alguien persigue por un espacio abierto al mencionado niño juguetón.

Figura 13. Realización de una estabilometría en una plataforma de fuerzas (A). Estabilograma o registro gráfico de los resultados de una estabilometría (B). Fuerza de reacción vertical (Fr) y movimiento del centro de presiones (CP) como respuesta al movimiento del CG (C).

Es necesario destacar que el cuerpo humano en posición bípeda o de apoyo monopodal regula fundamentalmente la estabilidad de su equilibrio mediante la intervención de los músculos de la cadera y el tobillo, en tanto que la rodilla suele permanecer cuasi-bloqueada. Winter (1995) distingue tres estrategias para reequilibrar la estabilidad del equilibrio en las posiciones mencionadas: de tobillo, de cadera y combinada. En ambas posiciones, los movimientos antero-posteriores del CP son mayores que los movimientos medio-laterales, y se controlan fundamentalmente por la acción del tobillo (flexores plantares y dorsales) y la cadera (flexores y extensores). Sin embargo, el control del movimiento medio-lateral del CP es distinto entre ambas posiciones, y mientras en posición bípeda está controlado fundamentalmente por los músculos abductores-aductores de la cadera, durante el apoyo monopodal son los músculos inversores-ever-sores del tobillo los encargados de esta tarea. Estos hallazgos tienen implicaciones muy importantes de cara a la rehabilitación de lesiones en ambas articulaciones, donde las tareas de apoyo bipodal/monopodal pueden ser propuestas en función del objetivo planteado.

3.2. Metodología general para llevar a cabo una estabilometría

El sujeto a evaluar se coloca encima de una plataforma de fuerzas en una posición predeterminada (normalmente en apoyo bipodal o monopodal, aunque también pueden utilizarse otras posiciones). Es necesario que una plataforma de fuerzas tenga 3 sensores o más de fuerza vertical con el objetivo de determinar geométricamente la localización del CP a partir del peso registrado en cada uno de ellos y de la distancia entre ellos (figura 14A). Los sensores de fuerza deben ser extensiométricos (p. ej., plataforma Dinascan-IBV o AMTI), ya que registran mejor las fuerzas estáticas y tienen mayor precisión en la localización del CP que los piezoeléctricos (plataforma Kistler). La plataforma puede tener forma triangular, rectangular o circular, siempre y cuando cumpla los requisitos anteriores. Sólo algunos modelos específicos permiten balancear la plataforma a diferentes amplitudes y frecuencias mientras se realiza la prueba de estabilometría, aunque lo más habitual en un laboratorio de biomecánica es disponer de una plataforma de fuerzas estática que se utiliza genéricamente para ensayos de fuerzas de reacción en el suelo y para ensayos de estabilometría.

Los test con apoyo bipodal y monopodal deben realizarse con el sujeto descalzo, a fin de evitar la posible influencia del calzado en la estabilidad del equilibrio. La posición del sujeto debe ser estrictamente estandarizada, especialmente en lo referente a la separación de los dos pies (apoyo bipodal) y la colocación de la pierna libre (apoyo monopodal). En apoyo bipodal, lo más normal es estandarizar la separación de ambos pies, utilizando la misma para todo el grupo de estudio, para lo que es necesario un dibujo de los pies encima de la plataforma (figura 14B), aunque también existe la opción de relativizarla en función de las dimensiones corporales del sujeto evaluado (p. ej., anchura de los hombros). En apoyo monopodal, la rodilla derecha puede flexionarse 90°, con el muslo en el eje longitudinal del cuerpo y la pierna colocada horizontal al suelo (figura 14C), o también puede flexionarse 90° mientras la cadera también se flexiona 90° y el muslo queda horizontal respecto al suelo (figura 14D). Igualmente existen dos posibilidades a la hora de colocar los brazos, bien pegados al cuerpo en posición anatómica con/sin pronación de las manos (figura 14D), o bien apoyados en las caderas (figura 14C). Cuando no exista privación o distorsión del sentido de la vista, enfrente del sujeto debe colocarse una referencia visual, a la altura de los ojos, y a una distancia de 0,5-2,0 m, en la cual deberá fijarse durante la realización de toda la prueba. Esto es debido a que algunos estudios han demostrado que, sin referencia visual o con una excesiva distancia a la misma (p. ej., 4 m), se deteriora la estabilidad del equilibrio (Vuillerme et al., 2006). La duración del test puede oscilar entre 20 y 30 s, y el movimiento del CP suele registrarse con una frecuencia de 20-50 Hz. Es importante realizar una sesión previa de familiarización del sujeto con los test que va a realizar, y específicamente en los test de apoyo monopodal el orden de las pruebas con la pierna derecha e izquierda debe ser aleatorio para evitar el posible “efecto aprendizaje”.

Figura 14. Obtención del CP mediante el registro de las fuerzas de reacción (Fz) en una plataforma de fuerzas (A). Estandarización de la colocación de los pies en los test de apoyo bipodal (B). Diferentes posibilidades de estandarización de los test de apoyo monopodal: pierna libre y brazos (C y D).

Los resultados de la estabilometría se expresan utilizando diferentes indicadores. En general, nos encontraremos unos resultados donde un mayor valor indica una peor estabilidad en los estudios que han utilizado el desplazamiento total del CP en un tiempo determinado, su movimiento antero-posterior o medio-lateral, el área barrida por el CP (producto de las dos variables anteriores), la varianza en la posición del CP o su velocidad de desplazamiento (ambas pueden expresarse también en función de los ejes de desplazamiento). Por el contrario, otros estudios que agrupan varios protocolos de estabilometría ofrecen resultados en un rango del 0-100%, indicando el 100% un valor óptimo de estabilidad del equilibrio.

PUNTO CLAVE

La estabilometría suele realizarse en apoyo monopodal o bipodal, en una posición estrictamente estandarizada y con una referencia visual a 0,5-2,0 m del sujeto. La familiarización del mismo con el protocolo es importante. Se registra el movimiento del centro de presiones durante 20-30 s a una frecuencia de 20-50 Hz, utilizando una serie de indicadores de la calidad de la estabilidad del equilibrio, que tienen que ver con el menor movimiento del centro de presiones: desplazamiento total, antero-posterior, medio-lateral, área barrida, velocidad, etc.

3.3. Protocolos de estabilometría más utilizados

Los protocolos de estabilometría que podamos utilizar van a depender, en parte, de disponer o no de una plataforma de fuerzas que permita balancear al sujeto. Como esto no es habitual, la mayor parte de los protocolos suelen realizarse sobre una plataforma que se mantiene estática. En ella, los protocolos de apoyo monopodal y bipodal son los más habituales, aunque estos últimos suelen ser más utilizados en población adulta, que no es capaz de mantenerse los 20-30 s en apoyo monopodal, necesitando incluso utilizar elementos de seguridad como barras donde apoyarse y/o arneses (figuras 15A y 16A). Una primera modalidad de test son aquellos que se realizan con los ojos abiertos y cerrados, para evaluar así la importancia de la contribución del sentido de la vista a la estabilidad del equilibrio mediante lo que se conoce como cociente de Romberg (figura 15B). Un cociente de 1,05 significa que el sentido de la vista influye un 5% en la estabilidad del equilibrio. Una segunda modalidad pretende alterar las condiciones de la superficie de la plataforma, lo cual sobre una plataforma estática sólo puede realizarse utilizando superficies de goma-espuma (figura 16A), para así cuantificar la contribución del sistema somatosensorial, formado principalmente por receptores sensoriales mecánicos repartidos por todo el cuerpo. Una tercera modalidad de test analiza la influencia de introducir una información visual errónea (distorsión de la imagen en un espejo, movimiento de las paredes de un habitáculo o utilización de realidad virtual 3D) en la estabilidad del equilibrio (figura 16B). Otro tipo de protocolos de estabilometría con biofeedback consisten en cambiar la ubicación del CP hasta unas dianas que se van encendiendo en la pantalla (figura 16C), intentando permanecer en ellas el mayor tiempo posible, y obteniendo algunos registros estadísticos sobre la estabilidad del equilibrio (p. ej., tiempo encima de la diana, tiempo entre diana y diana, etc.). Sin embargo, es posible que estos protocolos sean más apropiados para el entrenamiento del equilibrio que para la valoración de su estabilidad, dada la influencia de la familiarización de los sujetos con el protocolo y al hecho de que el movimiento se produce de forma voluntaria, y no como respuesta refleja o automática a situaciones de inestabilidad externas. Para más información sobre los protocolos anteriormente mencionados, consultar la referencia IBV (2003).

Figura 15. Estabilometría estática con apoyo biopodal en un estabilómetro (Biodex) con barras de seguridad (A). Recorrido del CP (mm) durante la mencionada estabilomería con ojos cerrados y abiertos: cociente de Romberg (B).

Figura 16. Estabilometría estática con apoyo biopodal utilizando un arnés de seguridad y alterando la superficie de la plataforma con goma-espuma (A). Alteración de la visión durante el test utilizando unas gafas de realidad virtual 3D (B). Sistemas de biofeedback para el entrenamiento del equilibrio (C).

Una valoración más integral de la estabilidad del equilibrio se puede realizar utilizando plataformas móviles, las cuales permiten llevar a cabo todos los protocolos anteriores de forma estática y dinámica (figura 17), constituyendo el protocolo más estandarizado entre los especialistas en esta disciplina. En este protocolo, los resultados de todos los test se expresan mediante una puntuación de 0-100%, tal y como se ha comentado en párrafos anteriores. Su principal ventaja es que al moverse la plataforma valora con mayor profundidad los sistemas que intervienen en la estabilidad del equilibrio (visual, somatosensorial y vestibular). Esto hace que sea menos probable que la interacción de estos sistemas enmascare los verdaderos efectos de una variable independiente (p. ej., fatiga, entrenamiento, etc.) en la estabilidad del equilibrio. Por ejemplo, está demostrado que la fatiga muscular deteriora la estabilidad del equilibrio porque afecta el sistema somatosensorial, pero es muy probable que si queremos valorarla mediante un test estático con ojos abiertos se obtengan los mismos resultados antes y después de la misma, debido a una mayor contribución del sentido de la vista. Lo mismo se ha observado al valorar los efectos de la actividad física en la estabilidad de personas mayores (Buatois et al., 2007), no encontrándose diferencias en los protocolos 1 y 2, pero sí en los protocolos 3, 4, 5 y 6 (figura 17).

Figura 17. Batería de test para la valoración integral de la estabilidad del equilibrio utilizando diferentes condiciones visuales y de estabilidad de la plataforma.

PUNTO CLAVE

El protocolo más estandarizado de estabilometría utiliza un apoyo bipodal, realizando un total de 6 test (sobre superficie estable e inestable: ojos abiertos, cerrados y alteración de la visión) que suelen dar una valoración global de la estabilidad del equilibrio, así como de la contribución de los sistemas visual, somatosensorial y vestibular al mismo.

3.4. Otros protocolos de estabilometría

Además de los protocolos de estabilometría que hemos comentado, es posible realizar otros protocolos, estáticos y dinámicos, para medir la estabilidad del equilibrio. Por ejemplo, utilizando el test de Uterberger podemos registrar el desplazamiento del CP en condiciones dinámicas, mientras el ejecutante eleva alternativamente ambos muslos hasta la horizontal, a un ritmo de 50 pasos por minuto, que es controlado mediante un metrónomo (figura 18A). También podemos medir el CP durante actividades estáticas como la posición de bipedestación transportando una mochila (figura 18B). Además, existen otros test adaptados a gestos específicos de deportes, como disparar con una pistola o una carabina, lanzar un dardo (figura 18C), etc. Específicamente durante las actividades gimnásticas, varios estudios han evaluado la influencia del nivel técnico de los gimnastas en la estabilidad durante la realización de un equilibrio invertido (figura 19A) o durante la realización de un equilibrio en barra fija femenina (figura 19B). El fundamento de la medición del CP en todas las actividades anteriores es similar al que ya hemos comentado, constituyendo un factor clave el hecho de estandarizar estrictamente la posición y el tiempo de valoración. Por ejemplo, en el test estático de equilibrio invertido en gimnasia es muy importante estandarizar la posición de partida, y el momento de inicio y final de la medición; durante el test de Uterberger es necesario estandarizar las posiciones de inicio y final de cada movimiento, así como el ritmo de ejecución, y durante los test de lanzar un dardo o disparar una carabina, es muy importante estandarizar tanto la posición de partida como el momento de inicio y fin de la medición del recorrido del CP.

Figura 18. Posiciones de los ejecutantes durante la realización del test de Uterberger (A), el test de equilibrio durante la bipedestación con una mochila en la espalda (B) y el test de lanzamiento de un dardo (C)."

Figura 19. Realización de estabilometrías en diferentes posiciones de equilibrio en gimnasia: equilibrio invertido (A) y equilibrio en barra fija (B).

4. ESTUDIOS SOBRE ESTABILIDAD DEL EQUILIBRIO

En el presente apartado se expondrán, a modo de ejemplo, algunos estudios que han sido realizados utilizando la estabilometría como técnica para valorar la estabilidad del equilibrio. Esta técnica nos ha permitido establecer y analizar una serie de factores que afectan la estabilidad (tabla 1), conociendo mejor los procesos que regulan el equilibrio en el cuerpo humano.

PUNTO CLAVE

La práctica de actividad física y de deporte (así como la maestría en algunos deportes), la edad, el sexo o género y el estado de fatiga afectan la estabilidad del equilibrio. Se ha demostrado que la actividad física, más que otros factores como la edad, potencia la estabilidad del equilibrio, constituyendo una de las herramientas de trabajo más importantes.

Tabla 1. Resumen de los fatores que potencialmente pueden afectar la estabilidad del equilibrio.

FACTOR	INFLUENCIA EN LA ESTABILIDAD DEL EQUILIBRIO
Deporte practicado	SÍ. Gimnasia > Fútbol > Baloncesto > Sedentarios > Natación
Dominancia lateral	NO en población normal ¿en población deportiva?
Edad	SÍ. Disminuye conforme envejecemos
Sexo	SÍ. Mujeres > Hombres. Altura relativa de su CG. ¿otros?
Peso	NO por sí mismo. SÍ vinculado a la actividad física
Maestría deportiva	SÍ en deportes gimnásticos, de precisión y de combate
Actividad física	SÍ en todas las poblaciones (niños, adultos, discapacitados…)
Fatiga	SÍ. Depende del tipo de ejercicio, intensidad y recuperación

4.1. Influencia de la modalidad deportiva practicada y la dominancia lateral

Los propios estudios realizados con el test de excursión en estrella nos informan que la modalidad deportiva influye en el equilibrio de sus practicantes. Así, comparando a jugadores de baloncesto, jugadores de fútbol y gimnastas, algunos estudios han demostrado que el equilibrio es mejor en estos últimos, sin diferencias entre los dos primeros. Sin embargo, este test no valora específicamente la estabilidad del equilibrio, sino el concepto absoluto de equilibrio, por lo que no nos permite cuantificar las diferencias más pequeñas que pudieran existir entre grupos de deportistas, sexo y/o nivel de rendimiento deportivo. Por este motivo recurrimos a la estabilometría como técnica estándar para valorar el equilibrio y su estabilidad, y cuando consultamos estudios realizados con la misma, podemos apreciar que se han establecido diferencias entre deportistas del mismo nivel en función de la modalidad deportiva practicada. Así, a partir de los resultados obtenidos en test de apoyo monopodal, podemos decir que los gimnastas y los practicantes de deportes de precisión (p. ej., tiro con arco) son los deportistas que mayor estabilidad han mostrado, seguidos por los jugadores de fútbol, los jugadores de baloncesto, las personas sedentarias y los nadadores, quienes tienen peor estabilidad que los sedentarios. Las diferencias entre jugadores de fútbol y baloncesto pueden ser explicadas porque los primeros hacen que intervenga más su sistema somatosensorial, especialmente de la pierna no dominante, ya que durante el control y manejo de balón es la que se encarga de controlar la estabilidad del equilibrio. Por su parte, los jugadores de baloncesto tienen más estabilidad que las personas sedentarias porque utilizan con mayor intensidad sus músculos antigravitatorios durante el entrenamiento, y se ven sometidos a más situaciones de inestabilidad. Sin embargo, sorprende que las personas sedentarias tengan mejor estabilidad que los nadadores, aunque esto puede ser explicado porque estos últimos, al desplazarse en el agua, pasan gran parte de su tiempo en posición horizontal sin el efecto de la gravedad.

Los estudios mencionados se llevaron a cabo utilizando test de apoyo monopodal, y se suscitó la pregunta de si existía alguna relación entre el apoyo con la pierna dominante/no dominante y la estabilidad del equilibrio. Los resultados indicaron que no, y que aunque los jugadores de fútbol tenían una tendencia a mejorar su estabilidad cuando apoyaban la pierna dominante, esto no se reflejaba en el resto de grupos analizados, observando incluso en los jugadores de baloncesto que esto acontecía al revés (mejor estabilidad con la pierna no dominante, que es con la que habitualmente se realizan las entradas a canasta). Son necesarios futuros estudios con mayor número de deportistas para dilucidar si la práctica deportiva puede condicionar una mayor estabilidad con cualquiera de las piernas durante el apoyo monopodal. Lo que sí sabemos es que en hombres y mujeres jóvenes físicamente activos que no practican ningún deporte existe simetría en la estabilidad con ambas piernas. Así lo demuestran otra serie de estudios recientes, y también lo hemos po-dido contrastar en la Facultad de Ciencias de la Actividad Física y del Deporte de la Universidad de León, mediante un estudio (datos no publicados) realizado con 84 estudiantes de educación física (20,0±0,25 años; 71,3±1,1 kg y 174,3±0,9 cm) de ambos sexos (tabla 2). En todas las variables analizadas no existieron diferencias estadísticamente significativas entre la estabilidad del equilibrio con apoyo monopodal con la pierna hábil y no hábil.

PUNTO CLAVE

La modalidad deportiva practicada afecta la estabilidad del equilibrio, potenciándola en la mayoría de los deportes, a excepción de la natación. La dominancia lateral no afecta la estabilidad del equilibrio en apoyo monopodal. Futuros trabajos deberían confirmar/rechazar esta hipótesis.

4.2. Influencia de la edad y el sexo

A medida que la población ha ido envejeciendo en las sociedades modernas se ha observado un aumento de las caídas debidas a la pérdida de equilibrio que han motivado un creciente interés por conocer los mecanismos de control de la estabilidad del equilibrio y cómo la edad puede afectarlos. Se sabe que la estabilidad del equilibrio empeora con la edad (Buatois et al., 2007), y que puede estar ligada al aumento de los accidentes previamente mencionados. Esta disminución de la estabilidad del equilibrio es debida al deterioro de los tres sistemas que contribuyen al control postural (somatosensorial, vestibular y visual), ya que existe un marcado descenso en la sensación de vibración, número de receptores vestibulares y agudeza visual. También hay una pérdida de velocidad de conducción nerviosa periférica, una reducción del número de motoneuronas y una reducción de masa muscular. Además, la capacidad de procesamiento central de la información también disminuye con la edad, lo que se refleja en una reducción en la velocidad con la cual la población adulta puede reaccionar y moverse. Como veremos más adelante, la práctica de actividad física en la población adulta y anciana contribuye positivamente a retrasar este deterioro y, en su caso, también puede mejorar los sistemas de control postural. En esta misma línea, otros estudios ya demostraron la capacidad de estudiantes jóvenes (19-23 años) para mejorar la estabilidad del equilibrio sólo mediante un programa de entrenamiento en la agudeza visual, y que las mujeres tenían una mejor estabilidad que los hombres, pero no explicaron por qué. Retomando los resultados del estudio realizado en la Facultad de Ciencias de la Actividad Física y del Deporte de la Universidad de León, en el que participaron 55 hombres y 29 mujeres jóvenes (tabla 2), también observamos que las mujeres presentan mayor estabilidad del equilibrio durante el apoyo monopodal (media de ambas piernas) que los hombres. Esto puede ser debido, en parte, a que la altura del CG obtenido por el método directo de Reynolds y Lovett (Gutiérrez, 1999) fue mayor en los hombres que en las mujeres, tanto en términos absolutos (97,35 y 90,19 cm, respectivamente) como relativos a la talla (54,68 y 53,96%, respectivamente), siendo éste un factor mecánico que afecta negativamente la estabilidad del equilibrio. Sin embargo, futuros trabajos deben aclarar si existen otras características diferenciales entre hombres y mujeres que pudieran complementar la anterior explicación.

Tabla 2. Resultados del test de estabilometría en apoyo monopodal realizado a 84 estudiantes de educación física de ambos sexos. Desplazamiento, velocidad, movimiento antero-posterior (A-P), movimiento medio-lateral (M-L) y área barrida por el centro de presiones. Con un asterisco (*) se destacan las diferencias significativas entre hombres y mujeres.

PUNTO CLAVE

La estabilidad del equilibrio empeora a partir de la edad adulta, debido a un deterioro de los sistemas somatosensorial, vestibular y visual, a la pérdida de velocidad de conducción nerviosa periférica y de función muscular, así como a una menor capacidad de procesamiento de información a nivel central. Las mujeres, como regla general, tienen mejor estabilidad que los hombres, posiblemente debido a factores mecánicos (altura relativa del centro de gravedad respecto a la base de sustentación).

4.3. Influencia del nivel de maestría deportiva

En varios deportes como la gimnasia, las artes marciales, o el tiro con arco, rifle o pistola, es importante el control de la estabilidad del equilibrio, porque de él depende gran parte del rendimiento deportivo (Gianikellis y Maynar, 1998). Así encontramos diferentes estudios que han relacionado el nivel de rendimiento de estos deportistas con los resultados obtenidos durante una estabilometría, o, en su caso, han sido capaces de diferenciarlos y clasificarlos en función de su rendimiento en una estabilometría.

En gimnasia, los deportistas de más nivel han demostrado un mejor control del equilibrio invertido que los de menor nivel, adelantando la localización del CP respecto a la BDS (figura 19A), lo cual consiguen fundamentalmente bloqueando la articulación del hombro y controlando el movimiento del CP con los músculos de los antebrazos. Esto provoca que el desplazamiento del CP en la BDS sea más antero-posterior que medio-lateral cuando se comparan con los gimnastas de menor nivel. En esta misma disciplina se ha observado que un programa de entrenamiento del equilibrio en barra fija femenina es capaz de mejorar la estabilidad, lo cual puede observarse en una menor dispersión del estabilograma (figura 19B). Otros trabajos realizados en gimnastas destacan la importancia de realizar tests específicos para esta modalidad deportiva. Así, si comparamos la estabilidad entre gimnastas y otros deportistas/sedentarios con apoyo bipodal o sin restringir el sentido de la vista, es fácil que no encontremos ninguna diferencia, mientras que si hacemos el test en apoyo monopodal, sin visión y deteriorando las condiciones de la superficie de apoyo, las diferencias serán mucho más palpables (Vuillerme et al., 2006). En gimnastas de nivel muy avanzado, se recomienda incluso realizar la estabilometría en apoyo invertido, con y sin privación del sentido de la vista, en tanto que se ha demostrado un cociente de Romberg similar estando en posición bipodal y en apoyo invertido, lo que indica que la pérdida de estabilidad en ambas posiciones es similar para gimnastas de alto nivel, los cuales están muy habituados a la postura de apoyo invertido.

En deportes de precisión como el Tiro Olímpico, que incluye disciplinas como el tiro con pistola, tiro con carabina y tiro al plato (figura 20A), también se ha analizado la relación entre el registro estabilométrico y la precisión del tiro. En concreto, la Tesis Doctoral del profesor Kostas Gianikellis, de la Universidad de Extremadura, trató sobre el desarrollo de una metodología de análisis biomecánico en este deporte, dentro de la cual se incluía el uso de estabilometría. En un trabajo de revisión de este mismo autor (Gianikellis y Maynar, 1998) se establece que los tiradores de menor nivel tienen mayor movimiento del CP durante el tiro, lo cual se traduce en una menor precisión del mismo (figura 20B). Así, se ha encontrado incluso una correlación (r = 0,60) entre la amplitud del registro estabilométrico y la distancia desde el tiro hasta el centro de la diana. Es necesario destacar que estos estudios hacen referencia a las modalidades deportivas de tiro que se realizan desde posición estática, ya que existen otras modalidades en las que realizar una estabilometría es más dificultoso, porque el tiro se lleva a cabo en posiciones muy estables (p. ej., tiro con carabina desde posición de tumbado) y/o dinámicas (p. ej., tiro al plato).

Figura 20. Disciplinas de tiro con pistola y tiro con carabina incluidas en la modalidad deportiva de Tiro Olímpico (A). Registro estabilométrico y precisión del tiro en tiradores de diferente nivel técnico (B).

Los deportes de combate y/o artes marciales (p. ej., Judo, Karate y Tai Chi) también se han mostrado como un buen medio para mejorar la estabilidad del equilibrio en poblaciones jóvenes y ancianas. Relacionado con el nivel de maestría técnica, algunos estudios han utilizado la estabilometría para analizar las posibles diferencias entre estas disciplinas. Así, por ejemplo, al analizar gestos técnicos de piernas en karatekas de alto nivel que simulaban un golpeo durante la realización de un Kata (entendido éste como una secuencia de movimiento preestablecida), las desviaciones del CP fueron menores que en karatekas de bajo nivel, lo cual indicó una mayor estabilidad del equilibrio de los primeros durante la realización de estos gestos técnicos (Perrot et al., 1998). Algo similar se observó al comparar los karatekas que eran especialistas en Kata (la técnica de ejecución es un objetivo en sí mismo) con los que eran especialistas en competición (el objetivo es alcanzar al contrario), encontrando que los primeros tenían menos desviaciones del CP durante la realización del gesto técnico sin adversario. Otra diferencia importante en los mecanismos que regulan la estabilidad del equilibrio de los practicantes de artes marciales es que, por ejemplo, los karatekas dependen más de la información visual que los judokas, en tanto que estos últimos obtienen información adicional (somatosensorial) a través del agarre con el adversario.

PUNTO CLAVE

En deportes de precisión y combate (gimnasia, artes marciales, tiro con arco, rifle o pistola, etc.) el nivel de maestría técnica está relacionado con una mejor estabilidad del equilibrio valorada tanto mediante test estandarizados como específicos del deporte.

4.4. Influencia de la práctica de actividad física

Innumerables trabajos ponen de relieve la importancia de la práctica de actividad física en la mejora de la estabilidad del equilibrio en diferentes grupos de población. La estabilometría es una técnica fundamental para poder detectar estas mejoras, y proponer programas de ejercicio físico diferenciados. En este apartado ilustraremos con cuatro ejemplos cómo la actividad física mejora la estabilidad en niños y adolescentes, adultos jóvenes y mayores, así como en poblaciones especiales.

El trabajo de Golomer et al. (1997) ilustra muy bien cómo la estabilidad del equilibrio de niños y adolescentes que no practican actividad física es peor que la de los que practican baile y/o acrobacia (figura 21). Para ello, el protocolo propuesto fue una estabilometría dinámica sobre una superficie inestable, realizando dos test, uno con ojos abiertos y otro con ojos cerrados. Este trabajo muestra además cómo la estabilidad se deteriora de los 11 a los 18 años, debido al crecimiento y maduración rápidos que se producen durante el período de la pubertad, lo cual conlleva un cambio en factores mecánicos como la altura del CG, pero también en factores ligados a la percepción y el control neuro-muscular del equilibrio. Sin embargo, podemos observar que cuando no se restringe la información visual, la estabilidad del equilibrio no se deteriora en los niños que practican actividad física (bailarines y acóbatas), y sí en los sedentarios. Igualmente, con la privación del sentido de la vista se observa mucho mejor la pérdida de estabilidad entre los 11 y 18 años, en cualquiera de los grupos analizados, lo que pone de manifiesto que la información visual tiene un papel importante en la regulación del equilibrio en edades en que las informaciones somato-sensorial y vestibular están sometidas a grandes cambios. Para finalizar, la dependencia del sentido de la vista de los adolescentes que practicaban actividad física fue menor que la observada en los sedentarios, lo cual pone de relieve que, a pesar de su paso por la pubertad, la actividad física ayudó a mejorar la calidad de los sistemas somatosensorial y vestibular en la regulación del equilibrio.

La actividad física también juega un papel importante en la mejora de la estabilidad del equilibrio en adultos jóvenes. Existen multitud de estudios que utilizan diferentes programas de actividad física que se han mostrado efectivos para mejorar la estabilidad. Nosotros hacemos referencia a datos propios no publicados que fueron obtenidos con estudiantes de educación física de la Facultad de Ciencias de la Actividad Física de la Universidad de León (n = 84 y 20,0±0,25 años), los cuales fueron agrupados en función del número de horas de práctica de actividad física que realizaban a lo largo de la semana. Así, la mitad de los estudiantes realizaban hasta 6,5 h/semana (mediana estadística) y la otra mitad un valor superior (> 6,5 h/semana). Al comparar ambos grupos (figura 22), pudimos observar una mejor estabilidad del equilibrio (desplazamiento medio-lateral y área barrida por el CP) durante un test de apoyo monopodal con ojos abiertos en el grupo que más actividad física practicaba. Nuestra lectura de estos resultados es que, si en jóvenes físicamente activos se han encontrado diferencias en la estabilidad en función del número de horas de práctica, estas diferencias serían todavía mayores si se comparara con un grupo de jóvenes que no practican actividad física, lo cual pone de relieve la importancia de esta variable en el control de la estabilidad del equilibrio.

En adultos mayores, los resultados que se han encontrado son similares a los que se vienen describiendo, y diferentes estudios que han puesto en práctica programas muy distintos de actividad física (p. ej., bailes tradicionales, entrenamiento de fuerza, Tai Chi, Yoga, caminar, etc.) vienen a concluir que existe una mejora en la estabilidad del equilibrio. Resulta muy interesante el estudio retrospectivo de Buatois et al. (2007), quienes quisieron conocer si la estabilidad en personas mayores de 65 años dependía del momento en el que empezaron y/o dejaron de practicar actividad física. Así, estos autores seleccionaron 4 grupos. El grupo 1 practicaban actividad física (AF) desde hacía +40 años. El grupo 2 empezaron a practicar AF tras la jubilación (~11 años). El grupo 3 pararon de hacer AF hacía tiempo (~16 años). El grupo 4 nunca habían practicado AF. Los resultados mostraron que los grupos 1 y 2 presentaron mejor estabilidad que los grupos 3 y 4, sobre todo en situaciones en que se alteraban gravemente las aferencias somatosensoriales y vestibulares (figura 17, test 3, 4, 5 y 6). Esto demostró que el factor “realizar AF en la actualidad” era más importante para la estabilidad del equilibrio que la edad, el sexo o haber realizado actividad física en el pasado. La lectura de estos resultados es que, en contra de lo que pudiera pensarse, nunca es tarde para iniciarse en la práctica de AF.

Figura 21. Resultados de la estabilometría dinámica con ojos abiertos y cerrados en niños (11 años) y adolescentes (18 años) sedentarios, practicantes de baile y acróbatas (adaptado de Golomer et al., 1997.

Figura 22. Resultados de la estabilometría estática con ojos abiertos en jóvenes estudiantes de educación física (n = 84; 20,0±0,25 años), en función del número de horas semanales de práctica de actividad física (datos sin publicar).

En poblaciones especiales con discapacidad física y/o psíquica también se ha demostrado un efecto positivo de la actividad física en la estabilidad del equilibrio, tanto en condiciones estáticas como en tareas funcionales como la marcha. Por eso hemos seleccionado el trabajo de Aydog et al. (2006) para poner de relieve que incluso el deporte reglado es beneficioso en este tipo de poblaciones. El grupo de estudio de estos autores eran personas invidentes que practicaban el deporte de Goal-Ball con una frecuencia de 1-2 veces a la semana (figura 23A), las cuales fueron comparadas con un grupo de personas invidentes que no practicaban actividad física y un grupo de personas sin esta discapacidad que tampoco la practicaban. Todos los grupos tenían similares características de edad (entre 24 y 26 años), peso y talla. El test de estabilometría utilizado fue dinámico, mediante un sistema llamado Biodex que permite balancear la base de sustentación, aunque el nivel de movilidad de la misma fue el mínimo permitido por el sistema, dadas las características de los sujetos del estudio. Las personas sin discapacidad realizaron el test con los ojos abiertos y cerrados, mientras que a los invidentes e invidentes parciales se les puso un antifaz para realizar único test sin visión. Los resultados (figura 23B) se expresaron como índice general de estabilidad, estabilidad medio-lateral (M-L) y estabilidad antero-posterior (A-P). Tal y como era de esperar, existieron claras diferencias entre personas videntes/invidentes en la estabilidad del equilibrio, debido a la posibilidad de los primeros de utilizar la vía de información visual. Sin embargo, estas diferencias se vieron muy reducidas cuando las personas sin discapacidad cerraron los ojos. Además, otro hallazgo importante del trabajo fue constatar científicamente que los practicantes invidentes de Goal-Ball tenían mejor estabilidad que los invidentes sedentarios, estando más cerca de las personas videntes con los ojos cerrados que de los anteriores. Nuestra lectura del estudio es que en las personas con discapacidad visual el deporte y la actividad física pueden potenciar las otras dos vías de control de la estabilidad del equilibrio (somatosensorial y vestibular), compensando parte del déficit de estabilidad que tienen por la restricción de la información visual.

Figura 23. Personas invidentes practicando Goal-Ball (A). Resultados de un test de estabilometría dinámica al ser comparados con invidentes y videntes sedentarios (B) (adaptado de Aydog et al., 2006).

Por último, destacar que algunos estudios han puesto de relieve la relación negativa entre la estabilidad del equilibrio y el peso/masa corporal o el índice de masa corporal, llegando a sugerir incluso que el peso es un importante factor de riesgo de caídas, ya que por sí sólo podría explicar más del 50% de los resultados en estabilidad. Este punto de vista es algo confuso, como también lo es el punto de vista puramente mecánico, que dice que a igualdad en el resto de factores (altura del CG, BDS y proyección del CG en la BDS), la masa estaría relacionada positivamente con la estabilidad del equilibrio, en tanto que el cuerpo tendría más inercia (López Elvira, 2008). Por lo tanto, según nuestra opinión, el hecho de que la masa corporal y el índice de masa corporal puedan relacionarse negativamente con la estabilidad del equilibrio tiene más que ver con la falta de actividad física y sus factores asociados (sobrepeso, aumento del índice de masa corporal, etc.) que con la masa como magnitud física. Entonces, para prevenir las caídas mejorando la estabilidad del equilibrio, un factor clave va a ser la práctica de actividad física, ya que como se ha demostrado mejora por sí misma la estabilidad del equilibrio, a la vez que previene y/o revierte la obesidad y el sobrepeso, que son factores que deterioran la estabilidad.

PUNTO CLAVE

La práctica de actividad física, independientemente de la edad, sexo o discapacidad, es una herramienta que potencia la estabilidad del equilibrio, mejorándola sustancialmente, con importantes implicaciones en la calidad de vida de los practicantes. No hay una relación directa entre peso/sobrepeso y estabilidad, sino que se trata de una relación indirecta entre peso/sobrepeso y actividad física, y de esta última con la estabilidad del equilibrio.

4.5. Influencia de la fatiga

La fatiga, entendida como una disminución en la capacidad de generar fuerza, afecta negativamente la estabilidad del equilibrio. De hecho, gran parte de las lesiones durante la práctica de actividad física y deporte se producen en condiciones de fatiga, cuando la estabilidad del equilibrio está comprometida por una pérdida de la calidad de la información recibida (a través de los sistemas visual, vestibular y somatosensorial) y una pérdida de la capacidad de procesamiento de esa información a nivel central. Lepers et al. (1997) midieron los efectos de correr 25 km en la estabilidad del equilibrio de 9 atletas de resistencia utilizando una batería de test para la valoración integral de la estabilidad (figura 17). Aunque no obtuvieron diferencias antes y después de ese ejercicio en los test estáticos (test 1, 2 y 3), sí que las obtuvieron en los test dinámicos (test 4, 5 y 6). Otros estudios han demostrado que cuando el ejercicio resulta más fatigante, como es el caso de competir en un Ironman (3,8 km de natación, 180 km de ciclismo y 42,2 km de carrera), sí que se observa una pérdida de estabilidad en los protocolos estáticos (test 1 y 2), dependiente de la intensidad de la misma, y que puede perdurar hasta 20 min después de una carrera intensa (Nardone et al., 1997). Parece ser que, en ausencia de fatiga, los practicantes de carreras de resistencia de larga duración (p. ej., Maratón o Ironman) utilizan menos la información visual, posiblemente debido a la gran cantidad de información que perciben por las otras dos vías sensitivas durante un largo período de tiempo. Esto coincide con los resultados obtenidos por Nardone et al. (1997), quienes constataron que el ejercicio de carrera más fatigante producía más alteraciones en el cociente de Romberg, lo que podría obligar a los practicantes de Ironman a hacer uso de otras vías sensitivas diferentes a la vista.

Sin embargo, no todos los ejercicios son igual de fatigantes, ni tienen la misma repercusión en la estabilidad del equilibrio, por lo que son necesarios más estudios que relacionen ambas variables. Se ha demostrado que caminando y corriendo a la misma intensidad, la carrera provoca un mayor deterioro en la estabilidad, debido a que afecta en mayor medida los sistemas visual y vestibular (mayor movimiento vertical de la cabeza). Nardone et al.(1997) demostraron que el ejercicio de bicicleta apenas altera el registro estabilométrico (independientemente de su intensidad), por lo que podemos concluir que, en cuanto al tipo de ejercicio, la carrera deteriora más la estabilidad que la marcha, y posiblemente en ambas modalidades de desplazamiento es importante la intensidad (aunque en la marcha no se ha probado experimentalmente). Aun así, no existen estudios que hayan probado los efectos de la fatiga provocada por otros tipos de ejercicio como la natación o los saltos. También es necesario destacar que los estudios de marcha y carrera han sido llevados a cabo en tapiz rodante, donde el movimiento del CG y de los sistemas vestibular y visual es circular, en tanto que el corredor apenas avanza en el espacio (figura 24A), cuando en la carrera normal sobre terreno firme o pista su movimiento es ondulado (figura 24B). El movimiento circular de los sistemas vestibular y visual previo a la estabilometría es probable que conlleve un peor registro estabilométrico que el movimiento ondulado, lo cual debe ser comprobado en futuros trabajos.

La fatiga de los músculos que controlan la articulación del tobillo es fundamental en la alteración de la estabilidad del equilibrio, ya que, como hemos comentado anteriormente, el cuerpo humano se comporta como un péndulo invertido donde esta articulación juega un papel muy importante. El grupo de investigación de Vuillerme et al. (2006) se ha encargado de valorar los efectos de la fatiga localizada en el tríceps sural (sóleo y gemelos) en la estabilidad del equilibrio, demostrando que después de un protocolo fatigante se deteriora la estabilidad, y que esto es todavía más preocupante si la fatiga se ve acompañada de un requerimiento de atención durante la tarea. Estos autores proponen que para detectar verdaderamente la fatiga se utilice, de no ser posible una estabilometría dinámica, una estabilometría estática con los ojos cerrados, en tanto que han apreciado que la información visual puede suplir la somatosensorial en condiciones de fatiga. Nosotros hemos reproducido este ensayo de estabilometría estática con apoyo monopodal, antes y después de provocar una fatiga aguda del tríceps sural realizando varias repeticiones de flexo-extensión de tobillo con sobrecarga del 30% del peso corporal hasta el agotamiento (figura 25). Así hemos podido comprobar que la fatiga del tríceps sural sólo se detecta en el test estático con ojos cerrados (no en el test con ojos abiertos), y también hemos apreciado, como hicieron Vuillerme et al. (2006), que con la fatiga de estos músculos el CP se desplaza hacia la parte del antepié, en un intento de dar mayor participación en el control de la estabilidad a los flexores de los dedos, que no están fatigados. Sin embargo, la capacidad de estos músculos para controlar la estabilidad es mucho menor que la del tríceps sural, porque son mucho más pequeños y tienen menos fuerza.

Figura 24. Movimiento del centro de gravedad y de los sistemas vestibular y visual durante la carrera en tapiz rodante (A) y sobre terreno firme o pista (B).

Por último, abordaremos los efectos de la deshidratación en el registro estabilométrico, y también del tiempo mínimo de recuperación postejercicio para llevar a cabo una estabilometría con garantías. Se ha demostrado que la fatiga unida a la deshidratación deteriora aún más el registro estabilométrico que la fatiga sola, porque afecta las vías eferentes musculares, y a las vías sensitivas o aferentes como la propiocepción. Así, se ha recalcado la importancia de hidratarse bien durante el ejercicio, no sólo para retrasar los efectos de la aparición de la fatiga, sino también para conseguir un mejor control postural que podría derivar en una menor incidencia de lesiones. Por otra parte, una aplicación muy interesante de la estabilometría la encontramos en la batería de pruebas “Balance Error Scoring System” (BESS) que se aplican en fútbol americano (figura 26). El BESS se utiliza para saber cuándo los practicantes de este deporte pueden volver a competir después de traumatismos cráneoencefálicos moderados que son propios de esta actividad, y también para poder detectar alteraciones neurológicas de traumatismos que han pasado desapercibidos. El protocolo consiste en tener un valor de referencia del test al iniciarse la pretemporada de entrenamiento, y posteriormente utilizar esa referencia para poder evaluar la existencia o no de las mencionadas alteraciones. Sin embargo, un trabajo reciente se preguntó en qué momento después del traumatismo se podría realizar este test (Fox et al., 2008), ya que muchas de las evaluaciones se llevaban a cabo tan sólo 3 minutos después, y así era difícil diferenciar entre los efectos de la fatiga provocada por la actividad que se estaba realizando y el propio traumatismo. Realizando un test de Yo-Yo de ida y vuelta a diferentes intensidades (aeróbica y anaeróbica) establecieron que el tiempo mínimo de recuperación hasta conseguir los niveles basales de BESS era de 13 minutos en los dos test. Sin embargo, esto en parte contradice lo comentado anteriormente por otros trabajos (Nardone et al., 1997), en los que se reconocía que la intensidad del ejercicio alargaba el tiempo de recuperación hasta los 20 minutos, lo que puede deberse a que el presente estudio realizó un ejercicio anaeróbico muy liviano (2 minutos). Por lo tanto, una solución intermedia entre ambos estudios puede ser considerar suficientes 13 minutos de recuperación después de un ejercicio aeróbico y 20 minutos de recuperación después de un ejercicio anaeróbico y/o extenuante.

Figura 25. Localización del CP durante la realización de una estabilometría estática con apoyo monopodal antes de fatigar el tríceps sural, con ojos abiertos (OA) y cerrados (OC), y después de fatigarlo, con ojos abiertos (OA-fatiga) y cerrados (OC-fatiga).

Figura 26. Las 6 posiciones utilizadas en la batería del test “Balance Error Scoring System”. Apoyo bipodal (A), apoyo monopodal (B) y apoyo bipodal en línea (C) en suelo firme. Ídem en superficie de goma-espuma (D, E y F)”.

PUNTO CLAVE

La fatiga es otra variable que influye claramente en la estabilidad del equilibrio. Los ejercicios de carácter antigravitatorio y con efecto directo en la articulación del tobillo serán los que más deterioren la estabilidad. El tipo de ejercicio y la contribución de los diferentes sistemas de control de la estabilidad (somatosensorial, vestibular y visual) también condicionarán el efecto de la fatiga. Algunos deportes como el fútbol americano utilizan test de estabilidad para saber cuándo sus practicantes pueden volver a competir después de traumatismos cráneo-encefálicos moderados que son propios de esta actividad.

5. ESTABILIDAD DEL EQUILIBRIO Y RIESGO DE LESIÓN

La utilización de la estabilometría también nos ha permitido en los últimos años profundizar en el conocimiento de los factores que predisponen a la lesión en los deportistas, y valorar los efectos de las mismas y de diferentes protocolos de prevención aplicados. De hecho, aunque no lo hemos comentado en el apartado metodológico, salvo que sea el objetivo principal del trabajo, en los estudios con estabilometría no deben incluirse sujetos con un historial previo de lesiones en la extremidad inferior, ya que éstas alterarían por sí mismas el registro estabilométrico. En la tabla 3 se muestra una relación de estudios que han analizado la asociación entre la estabilidad del equilibrio y el riesgo de lesiones en la extremidad inferior, y la mayoría de ellos encuentran esta asociación (sólo se incluyen aquellos estudios que utilizaron la técnica de estabilometría, y no otros que utilizaron el equilibrio Flamingo o el tiempo que se permanecía encima de un tablero inestable). Si exceptuamos el primero de estos estudios, que ha sido bastante cuestionado por la categorización de los sujetos con poca y mucha estabilidad, se puede decir que hasta el año 2000 la estabilometría sólo se utilizaba como método de valoración de las lesiones en la extremidad inferior (figura 27A), para evaluar cómo afectaba la estabilidad del equilibrio la utilización de diferentes sistemas de fijación del tobillo (p. ej., tobilleras) y para validar protocolos de rehabilitación (ámbito de la rehabilitación), pero no orientada a la prevención de lesiones actuando mediante ejercicios físicos incluidos como parte del entrenamiento (ámbito de los Licenciados en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte).

Tabla 3. Estudios que relacionan el déficit de estabilidad del equilibrio (estabilometría) y las lesiones en la extremidad inferior (adaptado de Hrysomallis, 2007).

El estudio de McGuine et al. (2000) fue realizado con más de 200 jugadores juveniles de baloncesto, y demostró que aquellos jugadores que tenían un peor registro estabilométrico durante la pretemporada podían llegar a tener incrementado hasta 5 veces el riesgo de lesiones en el tobillo al compararlos con jugadores con un buen registro estabilométrico, y casi 2 veces cuando se comparaban con lo que tenían un registro intermedio (figura 27B), lo cual ponía de relieve la necesidad de incorporar, dentro de las rutinas de entrenamiento, ejercicios que mejoraran el control postural como estrategia para la prevención de lesiones. De la misma forma, el reciente trabajo de Hrysomallis et al. (2007) llevado a cabo con 210 jugadores de elite de fútbol australiano pertenecientes a 6 equipos ha demostrado que los jugadores que obtuvieron mejores registros durante una estabilometría estática (3 repeticiones con cada pierna de 20 s de apoyo monopodal con los ojos abiertos) sufrieron menos de la mitad de lesiones de tobillo a lo largo de la temporada que los jugadores con peor estabilidad (7,7 y 16,9%, respectivamente). En este punto, lo que parece evidente es que el entrenamiento de la estabilidad del equilibrio previene lesiones de la extremidad inferior, y especialmente las lesiones de tobillo. A este respecto, la excelente revisión de Hrysomallis (2007) establece que sólo el entrenamiento de estabilidad ha resultado efectivo para la prevención de lesiones de tobillo en fútbol, voleibol y deporte recreativo, pero en personas que no tenían lesiones previas en esta articulación. Además, en fútbol masculino también existe evidencia de que previene las lesiones de rodilla, pero sorprendentemente parece aumentarlas en fútbol femenino y en voleibol masculino y femenino. Por eso, este autor propone que este tipo de entrenamiento se combine con otras habilidades como el salto, los aterrizajes o ejercicios de agilidad, ya que se ha demostrado que así es efectivo para prevenir lesiones de rodilla y tobillo en deportes como el balonmano, el voleibol y en deporte recreativo. Los programas utilizados por los distintos estudios son diferentes en sí mismos, y esto no permite conocer qué entrenamiento (estabilidad, salto, aterrizaje o agilidad) contribuye más a la prevención de las lesiones mencionadas. Esto pone de manifiesto la necesidad de seguir investigando en esta temática.

Desarrollaremos el contenido de dos estudios que se llevaron a cabo sólo con entrenamiento de estabilidad, aunque volvemos a resaltar la importancia de combinar este tipo de trabajo con otras habilidades. En el primer estudio (McGuine et al., 2006) realizado con 765 jóvenes jugadores/as de fútbol y baloncesto (~ 16 años) se demostró que en el grupo experimental (373 jugadores que realizaron entrenamiento deportivo más entrenamiento de estabilidad) disminuía casi a la mitad (del 10% al 6%) la incidencia de lesiones del tobillo respecto al grupo control (392 jugadores que realizaron sólo entrenamiento deportivo). Es necesario destacar que en estas edades aproximadamente el 15% de los practicantes sufre lesiones de tobillo a lo largo de una temporada, lo que supone más visitas a urgencias, períodos de recuperación largos, mayor probabilidad de esguinces en un futuro y un alto coste económico. El programa duró 5 semanas, y se realizó 5 veces a la semana durante las 4 primeras semanas de pretemporada y 3 veces a la semana durante la primera semana de la temporada, reconociendo los autores que en plena temporada de competición bastaría con 1-2 sesiones para mantener los efectos. Los 4 ejercicios por sesión planteados fueron en progresión y consistían en apoyos monopodales alternativos derecha/izquierda de 30 s. Un ejemplo sería: primera semana, con ojos abiertos: estar sobre una pierna, ídem pero balanceándola, ídem pero flexionándola 30-45°; segunda semana, con ojos cerrados: ídem que la primera semana, etc.), lo que puede suponer un tiempo total de ejecución por sesión inferior a 5 minutos.

En el segundo estudio (Gioftsidou et al., 2006), llevado a cabo con 39 jugadores de fútbol, se quiso dilucidar si era importante realizar este tipo de entrenamiento antes o después de la parte principal de la sesión, para lo que utilizaron tres grupos de estudio (grupo 1, no realizaba entrenamiento de estabilidad; grupo, realizaba entrenamiento de estabilidad al principio de la sesión; grupo 3, realizaba entrenamiento de estabilidad al final de la sesión) que entrenaron durante 12 semanas, a razón de 3 veces/semana, utilizando sesiones de 20 minutos y realizando 5 ejercicios de apoyo monopodal alternativo de 45 s (p. ej., apoyo monopodal en suelo, apoyo monopodal en semiesferas con movilidad en los 3 ejes del espacio y apoyo monopodal en minitrampolín). Los resultados fueron que los jugadores que realizaron el entrenamiento mejoraron su registro estabilométrico, y que no existieron diferencias entre realizarlo antes o después de la parte principal de la sesión.

PUNTO CLAVE

En conclusión, se ha demostrado una asociación inequívoca entre la estabilidad del equilibrio y el riesgo de lesión en la extremidad inferior, fundamentalmente en la articulación del tobillo, y en personas sin lesiones previas en la misma. Esto hace necesario la aplicación de programas de entrenamiento de la estabilidad del equilibrio, combinando 4-5 ejercicios de 30 s de duración en apoyo monopodal alternativo (piernas derecha e izquierda) con/sin la privación del sentido de la vista (p. ej., en diferentes superficies estables e inestables, mientras se realizan gestos técnicos deportivos, etc.), conjuntamente con 4-5 ejercicios de agilidad, habilidades de salto y aterrizaje. Los ejercicios pueden realizarse 3-5 veces a la semana durante el período preparatorio, disminuyendo a 1-3 veces durante el período competitivo. La duración de los mismos estará comprendida entre 10 y 20 minutos, y pueden ubicarse indistintamente al inicio y/o final de la parte principal de la sesión.

Figura 27. Movimiento del CP del tobillo sano y lesionado de una misma persona (A). Número de lesiones de tobillo por cada 1.000 h de práctica (adaptado de McGuine et al., 2000) en función de la estabilidad antes de producirse la lesión (B).

BIBLIOGRAFÍA

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Fox, Z.G., Mihalik, J.P., Blackburn, J.T., Battaglini, C.L., Guskiewicz, K.M. (2008) Return of Postural Control to Baseline After Anaerobic and Aerobic Exercise Protocols. Journal of Athletic Training 43(5) 456– 463.

Gioftsidou, A., Malliou, P., Pafis, G., Beneka, A., Godolias, G., Maganaris, C.N. (2006) The effects of soccer training and timing of balance training on balance ability.European Journal of Applied Physiology 96(6) 659-64.

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McGuine, T.A., Keene, J.S. (2006) The effect of a balance training program on the risk of ankle sprains in high school athletes. American Journal of Sports Medicine 34(7) 1103-11.

Nardone, A., Tarantola, J., Giordano, A., Schieppati, M. Fatigue effects on body balance. Electroencephalogram and Clinical Neurophysiology 105(4) 309-20.

Perrot, C., Moes, R., Deviterne, D., Perrin, P. (1998) Postural adaptations during specific combative sport movements. Science and Sports 13(2) 64-74.

Vuillerme, N., Burdet, C., Isableu, B., Demetz, S. (2006) The magnitude of the effect of calf muscles fatigue on postural control during bipedal quiet standing with vision depends on the eye-visual target distance. Gait and Posture 24(2) 169-72.

PARA SABER MÁS

Dinascan-IBV. http://www.ibv.org/index.php/es/productos/aplicaciones-biomecanicas-

Gianikellis, K., Maynar, M. (1998) Fundamentos biomecánicos de la estabilometría y su aplicación en diferentes modalidades de los deportes de precisión. Biomecánica 6 (10) 37–44.

Gutiérrez, M. (1999) Biomecánica deportiva. Madrid, Síntesis.

IBV (2003). Posturografía ¿algo se mueve? Revista de Biomecánica. Ed. Instituto de Biomecánica de Valencia (monográfico). http://libreria.ibv.org/AdaptingShop/usuario/productos/fichaproducto2.asp?id-Producto=41&acc=ver

López Elvira, J.L. (2008) Control y análisis del equilibrio y la estabilidad en la actividad física y el deporte. En: Izquierdo, M. (Coord.). Biomecánica y bases neuromusculares de la actividad física y el deporte. Madrid, Médica Panamericana, 259-279.

Winter, D.A. (1995) Human balance and posture control during standing and walking. Gait and Posture 3(4) 193-214.

6	DINÁMICA Dr. Morey, G.1 y Dra. Mademli, L.2. 1. INESCOP - Laboratorio de análisis funcional del calzado 2. Department of Physical Education and Sport Science at Serres (Aristotle University of Thessaloniki)

RESUMEN

La dinámica es la parte de la mecánica que estudia las causas del movimiento o del equilibrio estático. Éstas son las fuerzas y los momentos. Cualquier cambio en el estado de movimiento de un cuerpo es debido a una fuerza. Por tanto, sin fuerza no hay cambio de movimiento. La dinámica se fundamenta en las leyes de Newton que describen esta relación entre fuerza y movimiento. En el presente capítulo se intenta explicar los fundamentos de la dinámica y exponer ejemplos prácticos que sirvan de apoyo para la comprensión de los conceptos explicados.

1. CÓMO LEER ESTE CAPÍTULO

En realidad el capítulo está escrito para ser leído de corrido. Sin embargo, en general cada una de las secciones puede entenderse por sí sola. Este capítulo contiene un glosario. En el texto pueden aparecer términos cuyo significado no se conoce con precisión. Se ha intentado incluir todas estas palabras en el glosario. En el apartado de ejemplos prácticos se ha intentado cubrir un amplio abanico de posibilidades. Se ha pretendido con ello que para la mayoría de cuestiones o problemas que puedan surgirle al lector y que no son tratadas en otros capítulos haya al menos un ejemplo que pueda extrapolarse a su interés particular.

2. INTRODUCCIÓN

El capítulo 4 se ha dedicado a la cinemática, es decir, a la descripción del movimiento: posiciones, velocidades y aceleraciones. La dinámica se encarga de estudiar las causas del movimiento o del equilibrio estático. Éstas son las fuerzas y los momentos.

A veces, nos basta con observar fuerzas externas para responder a nuestras preguntas: ¿Con qué fuerza impacta el talón en el suelo? ¿Cuál es la potencia de salto de mi atleta? Para contestar a la pregunta ¿con qué fuerza impacta el pie en el balón?, dado que es difícil instrumentar la bota con un sensor que nos permita medir la fuerza directamente, podemos inferirla a partir de otros parámetros. En este caso, podemos determinar el tiempo de contacto del balón con el pie y su velocidad de salida (y la de llegada si no está parado) utilizando una cámara de alta velocidad. Conociendo la masa del balón, podremos calcular la fuerza media ejercida sobre él durante el tiempo de impacto (ver el apartado Ejemplos prácticos). Sin embargo, la biomecánica va mucho más allá. En el ámbito de la biomecánica deportiva (y en muchos casos también en el ámbito clínico o en ergonomía) a menudo nos interesa saber cuánta fuerza hacen los músculos de nuestros sujetos durante la ejecución de un gesto determinado, o la magnitud del momento de rotación que generan alrededor de una articulación durante el mismo. En el rendimiento deportivo, la potencia en la ejecución de un gesto es muchas veces uno de los parámetros de interés, igual que lo es el trabajo realizado (ver capítulo 7).

Con la mera observación externa, es decir, a partir de la cinemática apoyada en general por los datos dinámicos de una plataforma de fuerzas y con cierta información antropométrica, podemos contestar muchas preguntas como las anteriores con relativa seguridad. Las respuestas serán generalmente estimaciones, porque lo que observamos externamente puede ser el resultado de distintas acciones internas. Así pues, en cualquier movimiento intervienen varios músculos. El cómo éstos comparten las distintas cargas no se puede observar externamente. En general tampoco conocemos con precisión las propiedades inerciales de cada segmento corporal, los orígenes e inserciones de los músculos de cada sujeto, ni las fuerzas pasivas de los ligamentos implicados, etc. A estas limitaciones se suman muchas otras, como por ejemplo la limitación de la precisión de nuestro análisis cinemático a la hora de describir el movimiento de cada articulación. En fin, nuestro aparato locomotor es muy complejo como para describirlo exhaustivamente. Por ello, para estudiarlo utilizamos modelos. Un modelo es siempre una simplificación de la realidad. Los modelos deben adecuarse al objeto del estudio, y en general será válida la máxima de que un modelo deberá ser lo más simple posible y de la complejidad necesaria para estudiar un determinado fenómeno. Si bien es verdad que, conforme avanza nuestro conocimiento y la potencia de cálculo, los modelos y sistemas utilizados son cada vez mejores y permiten estimaciones más precisas, consideramos que el lector debe ser consciente de las limitaciones, sobre todo para poder ser crítico e interpretar con el debido rigor la información que le llega.

A lo largo del capítulo vamos a conocer los fundamentos físicos/mecánicos de la dinámica y cómo se aplican al estudio biomecánico del deporte o la actividad física general. En cuanto a la precisión, no se tratarán aquí temas de cálculo de error. El mensaje a transmitir al respecto es que la precisión del método empleado tiene que ser mayor que la magnitud del efecto que se desea observar.

3. BASES DE LA DINÁMICA: LAS LEYES DE NEWTON

Para entender la dinámica, el primer paso es comprender bien las 3 leyes que Newton formuló en 1687 en su obra “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica”. Su formulación es clara y sencilla. Lo bueno es que además de su sencillez contienen muchísima información. Tanto es así que quien haya entendido bien estas tres leyes habrá entendido los fundamentos de la dinámica.

PUNTO CLAVE

Primera ley de Newton o ley de la inercia: “En ausencia de fuerzas exteriores, todo cuerpo continúa en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que actúe sobre él una fuerza que le obligue a cambiar dicho estado.”

Segunda ley de Newton o ley de fuerza: “La aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza que actúa sobre él, e inversamente proporcional a su masa.”

Tercera ley de Newton o ley de acción y reacción: “Por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el cuerpo que la produce.”

Dicho de otra forma:

“Las fuerzas siempre se presentan en pares de igual magnitud y sentido opuesto.”

3.1. Análisis de las leyes de Newton

Analicemos las tres leyes y veamos cuánta información podemos extraer de ellas para el fin que nos ocupa: la biomecánica deportiva y de la actividad física.

La primera ley identifica la fuerza como causa de cualquier cambio de velocidad que sufra un cuerpo. Es decir, si un cuerpo cambia su velocidad (sea en magnitud o en dirección) es porque hay una fuerza que actúa sobre él, y si un cuerpo mantiene su velocidad rectilínea constante es porque no actúa ninguna fuerza sobre él o porque la suma de las fuerzas que actúan sobre él (la resultante de fuerzas) es cero.

¿Entonces no bastaría con dar un empujoncito al coche para que éste se mantenga en movimiento hasta que uno pise el freno? Ese mismo problema lo tenía también Aristóteles, y desde él hasta Newton todos los demás que se preocuparon por este tema (bueno, en su caso no eran coches y tal vez alguno diera con la solución, pero no dijo nada por miedo a la hoguera). Aristóteles, como buen científico, observaba los fenómenos y vio que todos los cuerpos se paran poco después de empujarlos. Por tanto, dedujo erróneamente que “el reposo es el estado natural de los cuerpos y las fuerzas son necesarias para mantenerlos en movimiento”. Si los cuerpos se paran poco después de empujarlos y el saltador de altura vuelve a caer a la colchoneta en vez de despegar y alejarse de la tierra y la galaxia a velocidad constante es porque de hecho hay fuerzas que actúan sobre estos cuerpos. En la tierra, los cuerpos están siempre sometidos a fuerzas de contacto, fricción o rozamiento, empuje (con el aire, el suelo, el agua, etc.) y a la fuerza de la gravedad (ver apartado “Para saber más”), que es la fuerza con la que la tierra nos atrae hacia su centro. La existencia de estas fuerzas, que hoy nos parece tan clara y evidente, no fue observada por Aristóteles. Hoy sabemos que estas fuerzas existen y que son las culpables de que para mantener el coche en marcha haya que tener el motor en marcha o ir cuesta abajo y dejar que sea la fuerza de la gravedad la que haga el trabajo. Así pues, la primera ley de Newton no falla. Podemos afirmar que “la fuerza es la causa de cualquier cambio de velocidad”.

La segunda ley de Newton se puede formular de varias maneras; aquí hemos escogido la que es probablemente la más común y sencilla. Del capítulo anterior (Equilibro y estabilidad) se extrae que la aceleración equivale a cambio de velocidad en el tiempo.

La segunda ley postula que la fuerza y la aceleración son directamente proporcionales (si una aumenta o disminuye, también lo hace la otra en la misma proporción), y la constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo. Expresada matemáticamente, esta ley es sumamente sencilla:

F = m . a

Donde F = fuerza, m = masa, a = aceleración El equivalente en rotación es:

M = I . α

PUNTO CLAVE

Si la primera ley identifica la fuerza como causa de cualquier cambio de velocidad, la segunda ley cuantifica esta relación entre fuerza y aceleración (que no es más que un cambio de velocidad).

Donde el equivalente a la fuerza es M = momento de rotación, el equivalente a la masa es I = momento de inercia y el equivalente a la aceleración es α= aceleración angular

Analicemos lo que dice la segunda ley. Lo primero es tan simple como que cuanta más masa tenga un cuerpo, más fuerza será necesaria para acelerarlo (o frenarlo). La segunda ley explica, por tanto, por qué uno tiene que pedalear más fuerte para arrancar la bicicleta cuando lleva a alguien de paquete, o por qué tiene que frenar más fuerte para parar la bicicleta con alguien de paquete que sin él, estando en marcha a la misma velocidad en ambos casos. También explica por qué un pelotazo de hockey duele más que un pelotazo de tenis a la misma velocidad (ver apartado “Ejemplos prácticos de la dinámica”).

PUNTO CLAVE

La tercera ley nos dice que no puede existir una fuerza sin una contrafuerza.

Por tanto, si el cuerpo sobre el que quiero ejercer una fuerza no ofrece resistencia, seré incapaz de ejercer la fuerza deseada. Como ejemplo sirvael intento de empujar con mucha fuerza un globo que está en el aire. No conseguiremos ejercer una fuerza significativa hasta que el globo choque con la pared, el suelo u otro objeto, o bien alcance una velocidad tal que la resistencia del aire sea suficientemente grande; esta resistencia varía con el cubo de la velocidad (ver capítulo 8).

4. GLOSARIO: ALGUNAS DEFINICIONES

Tras explicar las leyes de Newton que conforman la base de la dinámica, en este apartado se presentan las definiciones de varios términos típicos de la dinámica. Al final de las definiciones hay una tabla que incluye el nombre, el símbolo y las unidades de cada magnitud en el sistema internacional (SI).

4.1. Dinámica inversa

La dinámica inversa permite calcular las fuerzas y momentos articulares responsables de un movimiento a partir de la observación externa del mismo. Para ello necesitamos estimar la distribución de masas de cada uno de sus segmentos, y en caso de contactar con el entorno, la fuerza ejercida sobre el mismo. El ejemplo más típico en biomecánica es seguramente la dinámica inversa aplicada al análisis de la marcha. A partir de la altura, el peso y algunas otras dimensiones antropométricas del sujeto, se estiman las masas e inercias de cada uno de sus segmentos. La cinemática de la marcha se obtiene a partir de cualquiera de los métodos de captura de movimiento (ver capítulo 4), y las fuerzas de reacción del suelo se obtienen mediante una plataforma de fuerzas. Con toda esta información, gracias a las leyes de la mecánica, podemos calcular qué fuerza ha sido necesaria para producir el cambio de movimiento observado en la cinemática. Por tanto, si empezamos el análisis por el pie (que es el que contacta con el suelo), podremos calcular las fuerzas y momentos alrededor del tobillo, la rodilla e incluso la cadera o más arriba. Hay que tener en cuenta que cuanto más nos alejemos del punto en que iniciamos el análisis, más error acumularemos. Cuando el análisis cinemático y las fuerzas de reacción del suelo no son muy precisos, las fuerzas y momentos calculados para la cadera pueden desviarse considerablemente de la realidad (ver también capítulo 12).

4.2. Centro de masas o centro de gravedad

El centro de masas de un cuerpo es un punto específico en el que la masa del cuerpo se comporta como si estuviera concentrada en él. En un cuerpo rígido, la posición del centro de masas es fija y no necesariamente está en contacto con él.

En un cuerpo articulado, como el cuerpo humano, la localización del centro de masas depende de la posición y las masas de los distintos segmentos.

4.3. Fuerza

Puede definirse simplemente como la capacidad para acelerar un cuerpo. También se define como la capacidad de generar trabajo o energía.

La fuerza es un vector con magnitud y dirección que tiende a acelerar un objeto en la dirección de su aplicación. La unidad de fuerza es el Newton (N). Un Newton equivale a la fuerza necesaria para acelerar un cuerpo de 1 kg de masa a 1m·s^-2 en dirección de la línea de actuación de la fuerza (1 N = 1 kg·m·s^-2).

4.4. Impulso

Magnitud vectorial que describe la cantidad de movimiento transferida a un cuerpo. Equivale al producto de la fuerza aplicada y el tiempo durante el cual se aplica. Su unidad es kg·m·s^-1 y equivale a la del momento lineal.

4.5. Masa y peso

La masa es una constante inherente a cada cuerpo. Su unidad es el kilogramo (kg). El peso es el equivalente de multiplicar la masa por la gravedad y es por tanto una fuerza (m·a), y en el sistema internacional debería expresarse en Newtons (ver apartado “Para saber más” Ley de gravitación universal).

4.6. Momento de fuerza o momento de rotación

Frecuentemente también llamado sólo momento. Es el efecto de rotación sobre un punto de una fuerza. Equivale al producto de la fuerza y la distancia mínima (perpendicular) de su línea de acción a ese punto. Su unidad es N·m (figura 1).

4.7. Momento de inercia

Si la masa es la resistencia que un cuerpo opone a ser desplazado, el momento de inercia describe la resistencia que un cuerpo opone a ser rotado sobre un eje dado. Equivale al producto de la suma de sus masas diferenciales y el cuadrado de sus distancias al eje de rotación. Cuanto mayor sea la masa y cuanto más lejos esté la masa del eje, mayor será el momento de inercia. Su unidad es kg·m², (figura 2).

4.8. Momento lineal o cantidad de movimiento

Magnitud vectorial que posee un cuerpo en movimiento que viene cuantificada por el producto de su masa y su velocidad. La magnitud de un choque, por tanto, viene determinada por las masas de los objetos chocantes y sus velocidades relativas. Su unidad es kg·m·s^-1 y equivale a la del impulso.

4.9. Par (de fuerzas)

También llamado momento puro. Su efecto genera rotación sin implicar traslación. Puede definirse también como sistema de fuerzas cuya fuerza resultante es igual a cero, mientras que su momento resultante es distinto de cero.

Figura 1. La magnitud del momento de rotación que la fuerza F causa sobre el punto P es igual al producto de la magnitud de la fuerza F por la distancia d. Ésta es la menor distancia entre la línea de acción (L) de la fuerza F y el punto P. En este caso, M = 10 x 2 = 20 Nm.

Figura 2. La magnitud del momento de rotación que la fuerza F causa sobre el punto P es igual al producto de la magnitud de la fuerza F por la distancia entre la línea de acción de la fuerza F y el punto P. En este caso, el momento flexor plantar será M = 800 N x 0,08 m = 64 Nm.

Figura 3. La patinadora tiene la misma masa en ambas posiciones; sin embargo, al pegar los brazos al cuerpo, acerca parte de su masa al eje de giro, disminuyendo así su momento de inercia con respecto al eje vertical, o lo que es lo mismo, disminuyendo la resistencia que opone su cuerpo a girar sobre ese eje. El resultado es que la patinadora girará más rápido. Así puede controlar su velocidad de giro acercando o alejando masa de su cuerpo del eje de giro.

4.10. Presión

Es la magnitud que describe la cantidad de fuerza aplicada o distribuida sobre un área determinada, es decir, fuerza por unidad de área. Su unidad es el Pascal (Pa). Un Pa es la presión que resulta de aplicar uniformemente y en perpendicular una fuerza de 1 N sobre una superficie de 1 m² (1 Pa = N·m-²).

4.11. Resultante de fuerzas

Es el vector de fuerzas que equivale a la suma de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo.

Tabla 1. Tabla de magnitudes y unidades.

MAGNITUD FÍSICA	SÍMBOLO	UNIDADES (SI)
Fuerza	F	Newton (N)
Impulso / Momento lineal	I / p	kg·m·s-1
Masa	m	Kilogramo (kg)
Peso	G	N
Momento de fuerza	M	N·m
Momento de inercia	I	kg·m2

5. INSTRUMENTAL DE MEDIDA: MÉTODOS DE CAPTURA Y ANÁLISIS

Tal como se dijo al principio del capítulo, nos centraremos en las causas del movimiento, es decir las fuerzas y los momentos. A continuación describimos los métodos de captura de fuerzas y momentos más comúnmente utilizados en la biomecánica.

PUNTO CLAVE

Todos los instrumentos que presentamos a continuación transforman una señal mecánica (fuerza) en una señal eléctrica que podemos medir. Estos “transformadores de señal” son genéricamente denominados transductores.

Existen varios tipos distintos de transductores, según el principio físico que utilizan.

5.1. TIPOS DE TRANSDUCTORES
5.1.1. Transductores piezoeléctricos

Se basan en el principio del mismo nombre. Ciertos cristales, como por ejemplo el cuarzo, o también algunos polímeros sintéticos, al ser comprimidos (al actuar una fuerza sobre ellos) liberan pequeñas cargas eléctricas proporcionales a la deformación y por tanto a la fuerza, que una vez amplificadas pueden ser medidas. Estos cristales son muy rígidos y por tanto las deformaciones son mínimas al igual que la corriente generada. Por eso estos sensores requieren una electrónica de amplificación muy precisa, lo cual los hace relativamente caros.

5.1.2. Galgas extensométricas

Se basan en la capacitancia (principio del condensador eléctrico). En ellos, dos superficies conductoras están separadas generalmente por un polímero elástico aislante con una constante de elasticidad lo más lineal posible. Al ejercer una fuerza un cambio en su resistencia eléctrica. Estos sensores son alimentados a un voltaje constante, y se mide el voltaje de salida que es proporcional a la resistencia ofrecida por el sensor (ley de Ohm) y por tanto a la fuerza ejercida sobre él. También existen otros sensores basados en cambios de resistencia eléctrica, que llamaremos “resistivos”. Éstos en general disminuyen la resistencia al aumentar la fuerza de unión entre dos superficies conductoras.

Esquema adaptado de WIKIPEDIA HTTP://en.wikipedia.org/Wiki/File:StrainGaugeVisualization.png

Figura 4. Esquema de de una galga extensométrica.

5.1.3. Sensores capacitativos

Se basan en el principio de que la deformación producida por la fuerza aplicada sobre ellas produce sobre este sensor, el polímero se comprime; cuando la fuerza cede, el polímero recupera su grosor inicial. De este modo, la distancia entre las superficies conductoras se reduce y aumenta, cambiando la capacitancia de manera proporcional a la fuerza de compresión.

Los sensores descritos son todos unidimensionales. Para poder medir fuerza en varias direcciones, por ejemplo, para tener un sensor de fuerza tridimensional, es necesario montar varios de estos sensores de forma ortogonal entre sí. El problema principal reside en lograr que la fuerza aplicada actúe únicamente sobre el eje central de cada uno de los sensores individuales.

Los parámetros más típicos calculados a partir de los datos de fuerza son máximos y mínimos, el gradiente de fuerza, generalmente utilizado para describir la rapidez con que se alcanza la fuerza máxima, la integral temporal de la fuerza (impulso) y los instantes en que se alcanzan máximos, mínimos y/o ceros. También se calculan o miden momentos de rotación.

PUNTO CLAVE

Las plataformas de fuerza son seguramente el instrumento de medición de fuerzas más común en el estudio de la biomecánica aplicada al movimiento humano, especialmente a la marcha humana.

5.2. PLATAFORMAS DE FUERZA

Típicamente, una plataforma de fuerzas es rectangular y sus dimensiones oscilan entre 40 x 60 y 60 x 90 cm. Generalmente, las plataformas están equipadas con 4 sensores de tres dimensiones cada uno y miden las fuerzas en 3 dimensiones (Fx, Fy, Fz). Generalmente las dos primeras son las horizontales (mediolateral y anteroposterior) y la tercera es la vertical. A partir de estos 12 valores (4 sensores x 3 direcciones), además de obtener el vector de fuerza en 3 dimensiones, se puede calcular el punto de aplicación de la fuerza (punto sobre la plataforma de donde sale el vector), así como los mo mentos de rotación (Mx, My, Mz) alrededor de un punto cualquiera de la plataforma. Típicamente, los sensores son leídos a 500 ó 1.000 Hz, por lo que obtenemos una secuencia de 500 ó 1.000 valores (x 12 sensores) cada segundo. En realidad, los amplificadores suelen hacer ya cálculos internos y devuelven 6 u 8 canales, con lo cual serían 500 ó 1.000 x 6 u 8. A partir de esos valores calculamos lo que nos interesa. Así, por ejemplo, si el tiempo de apoyo de una pisada al caminar dura 600 ms y estamos midiendo a 1.000 Hz, obtendremos una secuencia con 600 valores del vector de fuerza (3 coordenadas) y de su punto de aplicación (2 coordenadas). (figura 5)

A menudo es interesante tener dos plataformas de fuerzas, para de esta manera poder medir dos apoyos consecutivos durante la marcha. De lo contrario habría que realizar dos mediciones, una con cada pie. También es interesante tener dos plataformas de fuerza en tareas de bipedestación, por ejemplo, para evaluar la distribución de fuerzas entre ambos pies durante el swing en el golf o durante un lanzamiento en judo. Las plataformas además se utilizan para estudiar el equilibrio (estabilometría). Para ello se cuantifica de distintas maneras la trayectoria del punto de aplicación de la fuerza. A menor distancia recorrida por el centro de presión, o menor área descrita por su recorrido, mejor será el equilibrio. Estas técnicas permiten una evaluación más precisa que el clásico test de Romberg.

En la figura 6 se explica cómo extraer parámetros de interés para un diagnóstico de salto, a partir de la lectura de una plataforma de fuerzas:

Más ejemplos sobre la utilización de las plataformas de fuerzas pueden hallarse en el capítulo dedicado al análisis de la marcha.

5.3. CÉLULAS DE CARGA

Las células de carga generalmente son sensores de fuerza unidimensionales (miden fuerzas de tracción o compresión en un solo eje). Se utilizan para medir la tensión de una cuerda o una cadena o la compresión y tracción en una barra. Como ejemplos se podría utilizar una célula de carga para medir la tensión alcanzada en el “Bungee” durante un “bungee jumping” o en la cuerda de escalada durante una caída de varios metros, para determinar que las cuerdas sean suficientemente “dinámicas” (elásticas) para que el frenado no sea demasiado “seco” (para que la desaceleración no sea demasiado elevada), o la fuerza de tracción en un arrastre en natación para medir la resistencia al agua ofrecida por distintas posiciones o los distintos tipos de bañadores actuales. También permiten medir la fuerza de compresión de un bastón de esquí, de nordic walking o de una muleta (figura 7).

Figura 5. La mayoría de las plataformas de fuerza constan de 4 sensores de fuerza tridimensionales dispuestos en forma rectangular. A partir de esas 12 fuerzas se calcula la resultante de fuerzas y su punto de aplicación. No es habitual obtener 12 valores de la plataforma. Normalmente, los amplificadores hacen ya cálculos internos y devuelven 6 u 8 canales.

Figura 6. Curvas correspondientes a un ejercicio de multisaltos verticales de un sujeto de 64 kg.

1. Curva de fuerza vertical (Fz) obtenida de la lectura de una plataforma de fuerzas

2. Velocidad del centro de masas, calculada a partir de la curva de fuerza vertical• (impulso debido a Fz

• impulso debido a la gravedad) / masa del atleta

3. Posición del centro de masas obtenida a partir de la curva de velocidad

• integral de la velocidad

4. Potencia, calculada como producto de la fuerza y la velocidad

Por tanto, sólo a partir del registro de la fuerza vertical, podemos extraer fácilmente datos de interés para el diagnóstico de rendimiento, como por ejemplo la potencia de salto y la altura máxima alcanzada.

PUNTO CLAVE

Una simple célula de carga puede servirnos para medir la fuerza real ejercida en casi cualquier máquina de fuerza que funcione con tracción.

5.4. Sensores del momento de rotación

Estos sensores estrictamente no miden la fuerza sino el momento (par o momento puro). Este sensor nos devuelve el momento de rotación alrededor de un eje.

PUNTO CLAVE

Para que el momento medido coincida con el momento de rotación alrededor de una articulación, ambos ejes, el de la articulación y el del sensor, deberán estar alineados. En la práctica, la correcta alineación de ambos ejes es muy importante, pues incluso cuidándola se pueden producir desajustes importantes que, por ejemplo, en el caso de los extensores de la rodilla, pueden superar el 15% del momento real.

Estos sensores son los que utilizan los dinamómetros isocinéticos (Cybex, Biodex, etc) empleados en rehabilitación o para el diagnóstico de fuerza. En algún caso puede interesarnos la fuerza realizada en el punto de aplicación; para ello basta dividir por el brazo de palanca (distancia mínima entre el eje del sensor de momento y el punto de aplicación) (figura 8).

Para estudiar fenómenos de fuerza muscular o biomecánica muscular, los dinamómetros isocinéticos son utilizados preferentemente sobre otros dinamómetros, pues además de ofrecer una lectura de la fuerza o momento ejercida, permiten controlar la velocidad de rotación de la articulación. Esto es importante, ya que la velocidad de contracción es una de las tres principales variables (activación, longitud instantánea del músculo y velocidad de contracción) que influyen directamente en la capacidad de generación de fuerza. Si bien una velocidad de rotación articular constante no implica necesariamente una velocidad de acortamiento constante de las fibras musculares, en muchas ocasiones la aproximación es válida. En todo caso, los dinamómetros isocinéticos ofrecen una posibilidad de control que otro tipo de máquinas de fuerza no permiten.

Figura 7. Célula de carga integrada en una máquina de entrenamiento de fuerza. La célula de carga es fácilmente utilizable en cualquier tarea en la que interese medir la fuerza en un cable (tensión). Ésta es idéntica en toda su longitud, y por tanto podremos colocar la célula de carga en donde más nos convenga.

Figura 8. Momento extensor de la rodilla de un sujeto de 80 kg durante una contracción isométrica máxima. En la gráfica puede observarse cómo la curva medida por el sensor de momento está infravalorando el momento real. Este error se debe a que, durante la contracción, el eje de la rodilla y el del sensor de momento dejan de estar alineados. El error puede diferir considerablemente entre sujetos y depende mucho del ajuste inicial de ambos ejes, la fijación del sujeto y la rigidez de la silla.

6. ALGUNOS EJEMPLOS PRÁCTICOS DE LA DINÁMICA
6.1. ¿Porqué un pelotazo de hockey duele más que un pelotazo de tenis a la misma velocidad?

En realidad es cuestión de energía (y eso se explica en el capítulo 7). A idéntica velocidad tendrá más energía la pelota de mayor masa (Ecin= ½ mv²). Pero tal vez resulte algo más intuitivo pensar que cuanto más fuerte sea el golpe, más duele. Por tanto veamos qué pasaría con la fuerza, partiendo del supuesto de que tanto la pelota de hockey como la de tenis al golpearnos reducen su velocidad a cero en el mismo tiempo. En ese caso tendrán la misma aceleración negativa o deceleración. La pelota de hockey pesa 160 gramos, y la de tenis, 57 gramos. Para que se cumpla la segunda ley de Newton, dado que la aceleración en ambos casos es la misma, la fuerza de impacto deberá ser tantas veces más grande en el caso de la pelota de hockey que en el de la de tenis, como veces mayor es su masa. En este caso, la fuerza será casi 3 veces mayor (160/57 = 2,8) en el caso de la pelota de hockey.

6.2. Una barra para hacer dominadas debe soportar más que el peso del atleta

Al colgarnos de una barra, cuando estamos quietos (sujetos sólo a la fuerza de gravedad con una aceleración de 9,8 m·s^-2) la barra sólo hará una fuerza equivalente a nuestro peso (masa · g) y en sentido contrario al mismo (nuestro peso hacia la tierra, la barra hacia arriba). La resultante de fuerzas será cero. Al iniciar la dominada, estamos acelerando nuestro cuerpo (cambiando su velocidad, que era cero, a un valor positivo). Para acelerar nuestro cuerpo necesitamos fuerza adicional. La barra tendrá que hacer más fuerza puesto que la fuerza que acelera mi centro de gravedad pasa necesariamente por la barra (figura 9).

PUNTO CLAVE

Si me cuelgo de la barra de un salto, la fuerza necesaria para frenar (desacelerar) mi caída podría multiplicar varias veces mi peso corporal.

6.3. En un buen salto de altura el centro de gravedad del atleta pasa por debajo de la barra

De acuerdo con la 1ª ley de Newton y dado que la fuerza de la gravedad es constante y es la única fuerza externa que va actuar sobre el cuerpo hasta que este toque la colchoneta, serán la gravedad y el impulso de la batida los que determinan la trayectoria. Por tanto, la trayectoria del centro de masas queda determinada en el instante en que acaba la batida. Sin embargo, gracias a nuestros músculos podemos generar fuerzas internas para cambiar la configuración de nuestros segmentos (cambiar nuestra postura) y de esta manera cambiar la localización del centro de masas con respecto a nuestro cuerpo. Para franquear el listón sin tirarlo no es necesario que todo nuestro cuerpo esté a la vez por encima del listón, basta con que lo esté aquella parte del cuerpo que se halla encima del listón en cada instante. La figura 10 lo muestra con mucha claridad.

Figura 9. Posición del centro de masas (CM) y fuerza ejercida sobre una barra horizontal durante la ejecución de 3 dominadas en barra. La posición del CM se ha calculado por integración de la fuerza (ver también la figura 5).

Figura 10. Gracias al arqueo del cuerpo del saltador, éste es capaz de franquear el listón aunque su centro de masas no llegue nunca a rebasar esa altura. Eso significa también que el impulso vertical necesario para que el atleta pueda franquear el listón, con una buena técnica, puede ser inferior al impulso requerido para proyectar su centro de masas a esa misma altura. Rebasar alturas de hasta 5 cm más que la altura máxima alcanzada por el centro de masas es relativamente común en el salto de altura.

7. FUNDAMENTOS
7.1. Masa y peso: ley de la gravitación universal

La masa es una propiedad inherente a un cuerpo; es una magnitud escalar que describe la cantidad de materia que éste posee. La unidad de masa es el kilogramo (kg).

El peso es una fuerza y por tanto un vector. El peso depende de la gravedad imperante en el lugar donde se encuentre el cuerpo. En nuestro caso casi siempre estaremos sobre el planeta Tierra, y la gravedad sobre la tierra es relativamente constante (9,82 m.s^-2). El peso resulta de multiplicar la masa de un cuerpo por la gravedad a la que está sometido “en la Tierra”. La unidad de peso, que es una fuerza, es por tanto el newton (N).

Formulado matemáticamente sería:

PUNTO CLAVE

También a Newton debemos la “Ley de la gravitación universal”. Ésta dice: “Dos partículas cualesquiera se atraen con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus respectivas masas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.”

Donde G es la constante de gravitación universal (aproximadamente 6,674 × 10^–11 Nm²/kg²).

La masa de la tierra es de 5,9742 × 10²⁴ kg, y la distancia entre los centros de gravedad de la persona y la tierra es aproximadamente de 6.378 km en el ecuador.

Agrupando las constantes: constante de gravitación universal, masa de la Tierra y distancia entre los centros de gravedad, podemos reordenar la ecuación de la siguiente forma:

Quedando que el peso de un objeto, es decir, la fuerza con que es atraído hacia la Tierra es igual a su masa multiplicado por 9,8:

Por tanto, sobre la Tierra una persona de 70 kilogramos (kg) pesa: 70·9,8 = 686 N.

¿Cuánto pesa esa misma persona en la Luna?

Masa de la Luna: 7,36 × 1.022 kg

Radio de la Luna: 1.737,4 km

PUNTO CLAVE

Mientras permanezcamos en las inmediaciones de la Tierra, el peso será también una constante, pues la gravedad no cambiará. Eso ha favorecido que coloquialmente se confundan peso y masa. En física, el peso expresa la fuerza con la que los objetos y la Tierra (o la Luna, o Marte, o donde estos estén) se atraen mutuamente. Como ejemplo, hemos visto que el peso de una persona es en la Tierra aproximadamente 6 veces superior de lo que sería en la Luna, mientras que su masa es constante.

Figura 11. Masa y peso. La masa es una constante inherente a cada cuerpo, y el peso es la fuerza con la que un cuerpo es atraído hacia la Tierra (o la Luna, o donde esté). Es el resultado del producto entre masa y gravedad (g).

7.2. Cálculos con fuerzas: Resultante de fuerzas, par de fuerzas, etc.

Para analizar un problema (bio)mecánico, en general intentaremos primero simplificar al máximo las fuerzas y momentos que actúan sobre el o los cuerpos implicados. En la mayoría de los casos, sobre un cuerpo actúa más de una fuerza. En este punto consideraremos los cuerpos como sólidos rígidos, es decir indeformables. Aunque estrictamente no sea cierto, en la mayoría de los cálculos utilizados en el análisis biomecánico del movimiento, el cuerpo es modelado como un conjunto de sólidos rígidos articulados entre sí.

Cuando una fuerza actúa sobre un sólido rígido, su punto de aplicación puede estar en cualquier punto que se halle sobre su línea de acción. Para facilitar la comprensión de la acción de las fuerzas, éstas se han clasificado en coplanares y no coplanares.

Fuerzas coplanares, son aquellas que se hallan sobre el mismo plano. Por tanto, siempre que no sean paralelas, sus líneas de acción se cruzarán en algún punto (fuerzas concurrentes). En el caso de las fuerzas coplanares la resultante de fuerzas se puede calcular simplemente como la suma vectorial de esas fuerzas (figura 12). En muchos casos, el análisis biomecánico se limita a un solo plano de movimiento, en estos casos evidentemente las fuerzas siempre serán coplanares y el cálculo de fuerzas y momentos será relativamente sencillo. Sin embargo, todos estos cálculos también pueden realizarse en tres dimensiones. En el caso de fuerzas no coplanares concurrentes, se pueden ir sumando las fuerzas dos a dos y al final siempre quedarán dos fuerzas coplanares, puesto que dos vectores con un punto común siempre forman un plano. Cuando tengamos fuerzas no coplanares y no concurrentes, el cálculo de la resultante de fuerzas es algo más complejo. Para resolverlo, podemos hacer que todas las fuerzas sean concurrentes, sustituyendo cada una de ellas por un sistema equivalente compuesto por un vector paralelo de la misma magnitud que pase por el punto común que escojamos y un par (momento puro) equivalente al momento que la fuerza original habría ocasionado con respecto a ese punto (figura 12).

Figura 12. Vectores coplanares concurrentes. El vector de fuerza se desliza sobre su linea de acción hasta que ambos orígenes coinciden y se suman ambos vectores trazando un paralelogramo (A).

Vectores no coplanares. Se traza un vector B’ paralelo a B y que sea coplanar y concurrente con A. Dado que este vector B’ no genera momento alguno sobre el orígen, hay que añadir además un par equivalente al momento que el vector B produce sobre el origen. A y B’ pueden sumarse (paralelogramo), quedándonos un vector y un par de fuerzas (momento puro) (B).

PARA SABER MÁS

En general para saber más recomendamos el uso de INTERNET y en particular la WIKIPEDIA. En su versión en inglés, en general las explicaciones son más completas:

http://en.wikipedia.org/ (versión en inglés).

http://es.wikipedia.org (versión en castellano).

Otras fuentes de interés pueden ser:

Enoka, R.M. (1988) Neuromechanical basis of kinesiology. Human Kinetics Publishers, Inc. Champaign, Illinois, USA. ISBN: 0-87322-179-6.

Vaughan, C.L., Davis, B.L., O’Connor, J.C. (1992) Dynamics of human gait (2nd Edition). Kiboho Publishers, Cape Town, South Africa. ISBN:0-620-23560-8.

7	TRABAJO, POTENCIA Y ENERGÍA Dr. Rodríguez-Marroyo, J.A. y Dr. García-López, J. Departamento de Educación Física y Deportiva. Facultad de Ciencias de la Actividad Física y del Deporte. Universidad de León

RESUMEN

En el presente capítulo se revisan los conceptos de trabajo, potencia y energía, ofreciendo al lector una visión básica apoyada en ejemplos prácticos que facilitan la comprensión del tema. Cuando los músculos son capaces de ejercer una fuerza que se desplaza cierta distancia, están generando un trabajo. El trabajo realizado se puede considerar como positivo o negativo si la fuerza desarrollada actúa en la misma dirección y sentido o en sentido contrario al desplazamiento. Del mismo modo, cuando se contempla el tiempo que se emplea en hacer el trabajo, se esta haciendo referencia al concepto de potencia, es decir, al ritmo al que nuestros músculos producen el trabajo. Para que nuestra musculatura sea capaz de producir un trabajo, necesita generar determinada energía química que favorezca la contracción muscular. Aproximadamente el 75% de la energía metabólica generada es disipada en forma de calor, disponiendo únicamente del 25% para la realización del trabajo. La relación existente entre la energía química gastada y la energía mecánica producida se puede utilizar para determinar la eficiencia de los movimientos. La energía mecánica generada se manifiesta de dos formas: energía cinética y energía potencial. El primer tipo es la energía que posee el cuerpo debido a su movimiento, mientras que el segundo tipo se relaciona con la posición que ocupa, y se puede almacenar tanto en su forma gravitacional como elástica.

1. INTRODUCCIÓN

Los conceptos que se van a tratar en este tema son objeto de estudio de la dinámica, entendida ésta como el estudio de las fuerzas que provocan el movimiento. Las dos grandes áreas de estudio de la biomecánica son la cinemática y la cinética. Son objeto de estudio de la cinemática los aspectos relacionados con la geometría y las variables dependientes del tiempo de movimiento, sin considerar como ha sido producido (ángulos, desplazamientos, velocidades, aceleraciones). Por otro lado, la cinética incorpora el estudio de las fuerzas que causan el movimiento, y de variables derivadas de éstas como el trabajo, la potencia o la energía (Özkaya y Nordin, 1999). Algunos autores han englobado estas últimas variables dentro del epígrafe de la energética del movimiento, siendo las variables que mayor información aportan a la hora de valorar la eficiencia o la ejecución de los gestos deportivos (Gutierrez y Rojas, 1998). Estas variables dependen de aspectos bioquímicos, fisiológicos, termodinámicos, mecánicos y psicológicos (Nigg et al., 2000), por ello van a poder ser definidas en función de diferentes campos de actuación.

2. TRABAJO

Desde el punto de vista de la mecánica, el trabajo se define como el producto de la fuerza que se ejerce sobre un objeto y la distancia que éste recorre al verse sometido a la acción de esa fuerza. También, como más adelante se podrá observar (ver ecuación 6), puede calcularse teniendo en cuenta la potencia desarrollada y el tiempo durante el que se ejerce. El trabajo es una magnitud escalar, es decir, no tiene dirección, sino que ésta depende de la dirección de la fuerza ejercida. Si la fuerza se aplica en la misma dirección del desplazamiento, el trabajo se representa de manera algebraica como:

W = F ·d (ecuación 1)

Donde W es el trabajo mecánico medido, al igual que la energía, en julios (J), F es la fuerza ejercida medida en Newtons (N) y d es la distancia recorrida medida en metros (m). Es importante recordar que para convertir los kilogramos de fuerza en Newtons, únicamente hay que multiplicar por la magnitud de la aceleración de la gravedad, es decir 9,81 m·s^-2 (tabla 1).

De este modo, si un atleta esta realizando un ejercicio de prensa de banca y desplaza la barra de pesas 0,70 m (figura 1), considerando que ha ejercido una fuerza constante a lo largo de todo el recorrido de 600 N, aplicando la ecuación anterior el trabajo realizado sería de 420 J.

600 N · 0,70 m = 420 J

Si en el ejemplo anterior el atleta trabaja isométricamente, manteniendo la posición durante algún tiempo, a pesar de estar ejerciendo fuerza, desde el punto de vista mecánico no se estaría realizando trabajo ya que no se produciría ningún desplazamiento de la carga; existiría únicamente un trabajo metabólico o interno (Enoka, 1988).

Cuando la dirección de la fuerza aplicada no coincide con la dirección en la cual se desplaza el objeto sobre el que se aplica esa fuerza, para hallar el trabajo realizado es imprescindible contemplar el ángulo (θ) que se forma entre la dirección del desplazamiento y la dirección de la fuerza que se aplica (figura 2). De este modo, la ecuación que determina el trabajo realizado sería:

W = F_x · d = F · cos θ·d (ecuación 2)

Tabla 1. Unidades de medida del trabajo/energía.

	Fuerza	Trabajo/energía
Sistema Internacional	1 kp = 9,81 kg·m·s-2 = 9,81 Newton (N)	1 kg·m2·s-2 = 1 N·m = 1 J
Sistema Cegesimal	1 dina (dyn) = 1 g·cm·s-2 = 10-5 N	1 ergio (erg) = 1 dyn·cm = 10-7 J
Sistema Inglés	1 libra (lb) = 4.448 N	1 lb·pie (ft) = 1.356 J

Figura 1. Representación del desplazamiento y las fuerzas que actúan en un ejercicio de press banca.

De la ecuación anterior se desprende que si la aplicación de la fuerza es perpendicular al desplazamiento (forma un ángulo de 90°), no se estaría realizando trabajo mecánico, ya que el cos 90° es igual 0.

Si en el ejemplo mostrado en la figura 2 sabemos que el sujeto ejerce una fuerza constante de 200 N formando un ángulo de 40° con el objeto a desplazar, y que éste es movido durante 2 m, aplicando la ecuación 2 el trabajo realizado sería de 306,4 J.

200 N · 0,766 · 2 m = 306,4 J

En los supuestos anteriores hemos contemplado que la fuerza ejercida ha sido constante a lo largo de todo el desplazamiento. Sin embargo, esto no tiene por qué suceder. Si consideramos que la fuerza ejercida varía a lo largo de un desplazamiento, entonces el trabajo realizado representaría el área recogida por debajo de la función que representa la variación de la fuerza a lo largo del desplazamiento (figura 3), siendo necesario calcular la integral de dicha función para determinarlo:

Figura 2. Representación de una fuerza (F) que actúa sobre un objeto y cuya dirección no coincide con la dirección del desplazamiento.

A veces es difícil medir la fuerza mientras se realiza un ejercicio; por ello se pueden utilizar diferentes ecuaciones para estimar el trabajo desarrollado. Para la carrera se pueden utilizar las siguientes ecuaciones en función de si se trata de atletas de nivel (ecuación 3a) o de personas físicamente activas (ecuación 3b):

W (J) = 3,8 · masa (kg) · d (m) (ec. 3a)

W (J) = 5,0 · masa (kg) · d (m) (ec. 3b)

De este modo, utilizando la última ecuación, podemos estimar el trabajo realizado por un sujeto con una masa de 70 kg que recorre 10.000 m. Éste sería de 3.500.000 J; habitualmente este dato en la práctica sirve para estimar la energía gastada por las personas en la realización de un ejercicio de larga duración. En el ejemplo anterior, el sujeto habría gastado aproximadamente 837 kcal (1 kcal = 4.184 J).

PUNTO CLAVE

En la marcha humana podemos considerar que el trabajo o energía desarrollado a una velocidad confortable es de 0,7 kcal/kg/km (una persona de 70 kg que camina 10 km gastaría 490 kcal). En la carrera en personas que no sean deportistas de alto nivel podemos considerar que se produce un trabajo o energía de 1,2 kcal/kg/km (1,2 es el cociente entre 5,0 y 4,18) a velocidades entre el 60-90% de la velocidad aeróbica máxima (una persona de 70 kg que corre 10 km gastaría 840 kcal). En las personas que no pueden correr (ancianos, poblaciones especiales…), si deseamos que gasten energía, basta con que les aconsejemos caminar rápido, para que su gasto se aproxime a 1,2 kcal/kg/km de la carrera.

Figura 3. Fuerza (F) ejercida a lo largo de un desplazamiento (desde X1 a X 2). F(x), función que representa la variación de la fuerza a lo largo del desplazamiento. El trabajo (W) realizado se representa como el área sombreada recogida por debajo de F(x).

2.1. Trabajo positivo y negativo

El trabajo mecánico puede ser positivo o negativo (Hay, 1993; Özkaya y Nordin, 1999). Si la fuerza que actúa sobre un objeto se aplica en la misma dirección y sentido que su desplazamiento, el trabajo mecánico realizado será positivo (figura 1A). Por el contrario, si la fuerza actúa en sentido opuesto al desplazamiento del objeto, el trabajo realizado será negativo (figura 1C). Dicho de otra manera, si la dirección de la fuerza aplicada sobre un objeto y su desplazamiento forma un ángulo mayor de 0° y menor de 90° (ángulo agudo), el trabajo es positivo (cos 0°-90° varía entre 1 y 0) (figura 2), y si el ángulo formado es mayor de 90° y menor de 180° (ángulo obtuso), el trabajo es negativo (cos 90°-180° varía entre 0 y -1). Así, todo desplazamiento que se realice en contra de la gravedad, como el representado en la figura 1, va a generar un trabajo negativo producido por la acción de la fuerza de la gravedad sobre el objeto que se desplaza (Hay, 1993), por ello se deberá restar del trabajo positivo realizado. Teniendo en cuenta los datos de la figura 1, la fuerza de la gravedad genera un trabajo negativo de 274,7 J:

40 kg · 9,81 m·s^-2 · 0,70 m = 274,7 J

Con lo cual, el trabajo total generado por el atleta será de 145,3 J (420-274,7 J). Cuando sobre un objeto actúan varias fuerzas, cada una de ellas individualmente produce trabajo. El trabajo mecánico total desarrollado por dichas fuerzas será la suma del trabajo individual realizado por cada una de las fuerzas que actúan sobre el objeto. Otro claro ejemplo de trabajo negativo es el realizado por una fuerza de fricción que se opone al desplazamiento de un objeto (figuras 2 y 4). De esta manera, para calcular el trabajo total realizado para mover el objeto representado en las figuras 2 y 4, al trabajo positivo que hace avanzar el objeto hay que restarle el trabajo negativo provocado por la fuerza de fricción que se opone al avance:

W = - F_r ·d = - µ · F_N ·d (ecuación 4)

Donde F_r es la fuerza rozamiento, d es la distancia recorrida, µ es el coeficiente de fricción y F_N es la fuerza normal (masa del objeto en kg × 9,81 m·s^-2).

Del mismo modo, si contemplamos que sobre un ciclista actuarán tanto fuerzas propulsivas como fuerzas resistivas que le van a hacer avanzar o se van a oponer a su desplazamiento, para que éste pueda circular a una velocidad uniforme, atendiendo a las leyes de Newton (1ª ley de Newton), deberá hacer un trabajo positivo igual a la suma de todos los trabajos negativos. Así, por ejemplo, si el ciclista circula en llano a más de 40 km·h^-1 en una bicicleta de carretera, el 90% del trabajo será para vencer la resistencia de arrastre aerodinámico, el 7-8%, para vencer la resistencia por rozamiento por rodadura (ruedas con el suelo), y el 2-3%, el rozamiento cinético, debido a la deformación de la bicicleta, los rozamientos de todos los ejes (pedales, ruedas, plato) y a la fricción de la cadena. Datos reales (García-López, 2008) indican que circulando en puertos de montaña de 2ª, 1ª o categoría especial, más del 90% del trabajo se emplea para vencer la resistencia de la pendiente, un 5% o menos, para vencer la fuerza de arrastre aerodinámico, y otro 5% aproximadamente, para vencer la resistencia de rodadura y el rozamiento cinético.

Figura 4. Fuerza de rozamiento (Fr) que se opone al desplazamiento y que genera un trabajo negativo frente al trabajo positivo realizado por la fuerza (F) que hace avanzar el objeto.

PUNTO CLAVE

En llano, conduciendo una bicicleta a elevada velocidad, más del 90% del trabajo total desarrollado se emplea en vencer la fuerza de arrastre aerodinámico. En montaña, subiendo con una bicicleta, más del 90% del trabajo total desarrollado se em-plea en vencer la resistencia de la pendiente. Otras resistencias (rodadura y cinética) constituyen menos del 10% del trabajo realizado en las situaciones anteriores.

Existe otra interpretación del trabajo negativo y positivo, en la cual se tiene en cuenta el tipo de trabajo muscular efectuado (Enoka, 1988; Hay, 1993; Gutierrez y Rojas, 1998; Nigg et al., 2000). De esta manera, cuando la musculatura trabaja de manera concéntrica (fase propulsiva) se genera un trabajo positivo. Por el contrario, cuando la musculatura trabaja excéntricamente (fase de frenado) se genera un trabajo negativo. Así, en el ejemplo que se representa en la figura 1, cuando el atleta levanta las pesas esta realizando un trabajo positivo, mientras que cuando las baja el trabajo es negativo.

2.2. Trabajo angular

El trabajo realizado por una fuerza que genera un movimiento angular también puede ser calculado. Únicamente hay que tener en cuenta que para calcular la longitud del arco que genera el objeto al moverse es necesario conocer el radio del giro y el ángulo que se describe al pasar de la posición inicial a la posición final.

W = F · r · θ = torque · θ(ecuación 5)

Donde r es el radio del giro medido en metros, θ es el ángulo recorrido medido en radianes (rad) y torque es el momento de fuerza medido en N·m. Como se reseñó anteriormente, si durante un movimiento angular la fuerza o el torque varía a lo largo del movimiento, es necesario integrar la función que recoge la variación de la fuerza-torque a través del desplazamiento para calcular el trabajo angular desarrollado (figura 5).

Figura 5. Torque desarrollado con la pierna derecha e izquierda a lo largo de una pedalada en un ejercicio submáximo a 200 vatios.

3. POTENCIA MECÁNICA

Es la variable que indica el ritmo al que se produce el trabajo, y se calcula teniendo en cuenta el trabajo desarrollado dividido por el tiempo que se emplea en realizarlo. Teniendo presente la ecuación 1, también se puede calcular la potencia multiplicando la fuerza ejercida por la velocidad.

P = W · t^-1 = F ·v (ecuación 6)

Donde P es la potencia desarrollada en vatios, W es el trabajo realizado en julios,t es el tiempo que se emplea en hacer el trabajo en segundos (s), F es la fuerza ejercida en N y v es la velocidad en m·s^-1. De manera análoga, la potencia en un movimiento angular sería:

P = torque· ω (ecuación 7)

Donde el torque generado se mide en N·m, y es la velocidad angular medida en rad·s^-1.

Aunque dos atletas realicen el mismo trabajo en el ejercicio que se representa en la figura 1 (274.7 J), la potencia desarrollada no será la misma si un atleta tarda en ejecutarlo 0,5 s y otro 1 s. En el primer caso la potencia generada será de 549,4 W y en el segundo caso será de 274,7 W. La velocidad de ejecución de los movimientos adquiere gran importancia en el entrenamiento de pesas. De esta manera, si el número de repeticiones es elevado o la carga de trabajo es excesiva, el deportista moverá las pesas con mayor lentitud, lo cual irá en detrimento de la potencia desarrollada en el movimiento.

De las ecuaciones anteriores se desprende que un mismo valor de potencia puede alcanzarse combinando la fuerza y la velocidad de diferentes maneras; se puede desarrollar la misma potencia generando grandes fuerzas a velocidades más bajas, o por el contrario, generando fuerzas más bajas pero a mayores velocidades. Se ha descrito, en una contracción muscular dinámica máxima, cómo la velocidad de acortamiento muscular decrece con el aumento de la carga a vencer (figura 6), estableciéndose una relación hiperbólica entre ambas variables (Hill, 1938). Otros autores, han encontrado que esta relación decrece linealmente en gestos cíclicos como pedalear (figura 7) (Vandewalle et al., 1985; Gardner et al., 2007) o remar (Sprague et al., 2007). De acuerdo con esta relación fuerza-velocidad, la potencia mecánica varía con la carga a vencer (figura 7). Por ello, son diversos los trabajos que han analizado cuál es la carga de trabajo óptima para alcanzar la mayor potencia, obteniéndose éstas cuando se utilizaban cargas que se encontraban en el 30-35% de la fuerza isométrica máxima (Hill, 1938), y en el 30-60% de una repetición máxima (1RM) en función del género y el tipo de ejercicio realizado (Baker et al., 2001; Thomas et al., 2007).

Figura 6. Relación fuerza-velocidad y fuerza-potencia en un músculo aislado.

Figura 7. Relación fuerza-velocidad y fuerza-potencia en un estudiante de educación física tras la realización de varios esprines con diferentes cargas de frenado.

Tabla 2. Unidades de medida de la potencia.

	Potencia
Sistema Internacional	1 kg · m2 · s-3 = 1 J · s-1 = 1 vatio (W)
Sistema Cegesimal	1 g · cm2 · s-3 = 1 ergio · s-1 = 10-7 W
Sistema Inglés	1 caballo de vapor (hp) = 550 lb · ft·s-1 = 745,69 W

PUNTO CLAVE

Remando, pedaleando o nadando en un ergómetro a una potencia fija (ej. 200 W), un aumento de la cadencia o frecuencia de la remada, pedaleo o nado constituirá una disminución de la fuerza o torque necesario para cada una de estas acciones. Biomecánicamente esto supone una ventaja (p. ej., pedalear en llano, en ciclismo de ruta a 90 rpm en vez de a 70 rpm), porque el coste mecánico total del ejercicio se ve reducido, aunque suponga un mayor gasto metabólico (fisiológico). Esto sería así hasta un punto en que el gasto mecánico volvería a aumentar (p. ej., pedalear en la misma situación anterior a 110 rpm).

La potencia máxima desarrollada por los deportistas es un parámetro muy estudiado para evaluar su rendimiento, sobre todo en aquellas disciplinas que requieran movimientos de tipo explosivo, como saltos, lanzamientos, aceleraciones, cambios de dirección. Son diversos los factores fisiológicos que contribuyen a la producción de la potencia máxima. Estos factores se pueden agrupar en factores intracelulares y factores neurales (Newton y Kraemer, 2009). Dentro de los primeros, Newton y Kraemer (2009) engloban: a) el área total de la sección transversal del músculo; por ello el entrenamiento de hipertrofia es un componente importante para el desarrollo de la potencia; b) la arquitectura muscular; el entrenamiento de potencia reduce el ángulo de peneación para favorecer una alta velocidad de contracción muscular, sin embargo el incremento del ángulo de peneación favorece la producción de fuerza; c) la disponibilidad de energía; parece que la disponibilidad de ATP (adenosintrifosfato) no es un factor limitante para la producción de la máxima potencia en esfuerzos de corta duración; d) y el tipo de fibra muscular; la velocidad de contracción muscular y la producción de fuerza es mayor en la fibras rápidas frente a las fibras lentas, por ello, la producción de potencia es aproximadamente cuatro veces mayor en las fibras rápidas frente a las fibras lentas.

Dentro de los factores neurales que posiblemente contribuyan a la producción de potencia máxima se han incluido (Newton y Kraemer, 2009): a) la activación de los músculos agonistas; con el entrenamiento de fuerza y potencia se incrementa la habilidad para reclutar un mayor número de unidades motoras; b) la contribución neural para aumentar la fuerza desarrollada; el entrenamiento de potencia con ejercicios rápidos y balísticos incrementa la activación de unidades motoras, lo cual favorece un mayor ritmo de producción de fuerza; c) el silencio premovimiento; durante los movimientos balísticos, partiendo desde una situación previa de relajación muscular, la activación neural del músculo puede verse muy reducida para producir que todas la unidades motoras estén preparadas para contraerse rápida y sincronizadamente; d) el reclutamiento preferencial de unidades motoras; el sistema neural, como resultado del entrenamiento de potencia, puede reclutar preferencialmente las unidades motoras rápidas más potentes inmediatamente; e) la activación selectiva de los músculos agonistas dentro de un grupo muscular; se pueden reclutar preferencialmente los músculos rápidos (con mayor proporción de fibras rápidas) frente a los lentos cuando se realizan movimientos a altas velocidades, probablemente debido al entrenamiento de potencia; f) la coordinación; la potencia puede verse afectada por la interacción de los músculos agonistas, antagonistas y sinergistas activados en los movimientos, siendo importante para mejorar este aspecto el entrenamiento de la habilidades específicas de cada modalidad deportiva (entrenamiento técnico).

4. ENERGÍA MECÁNICA

La energía la podemos definir como la capacidad que tienen los seres vivos para realizar trabajo; de esta manera la realización de cualquier tipo de trabajo requerirá un gasto de energía (Enoka, 1988). La energía es una variable escalar, que al igual que el trabajo se mide en julios (tabla 1). Se han descrito seis formas de energía (McArdle et al., 1990): química, mecánica, térmica, luminosa, eléctrica y nuclear. La energía está sujeta a la ley de la conservación de la energía que dice “la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma de una forma a otra”. De este modo, la energía química almacenada en el músculo se transforma en energía mecánica por la acción del sistema musculoesquelético y finalmente se transforma en energía térmica o calórica. Así, la relación existente entre la energía química gastada y la energía mecánica producida será utilizada para medir la eficiencia de los movimientos, como se verá posteriormente.

De las diferentes formas de energía descritas anteriormente, la energía mecánica es la de mayor interés para la biomecánica. Esta energía puede aparecer de diferentes formas: por su posición y por el movimiento de los objetos, así se habla de energía potencial y energía cinética, respectivamente (Hay, 1993; Enoka, 1988; Gutierrez y Rojas, 1998; Nigg et al., 2000).

4.1. Energía potencial

Es la capacidad que tienen los objetos de realizar un trabajo en función de la posición que ocupan. Si sobre un objeto se aplica una fuerza que provoca un cambio en su posición, cuando se deja de aplicar dicha fuerza el objeto recuperara su posición inicial generando trabajo. Generalmente, en el análisis del movimiento humano algunos autores han diferenciado dos tipos de energía potencial: la gravitacional y la elástica o de deformación (Enoka, 1988; Nigg et al., 2000).

La energía potencial gravitacional se puede definir como el potencial que tienen los objetos de generar trabajo debido a la altura relativa de su centro de gravedad (Özkaya y Nordin, 1999). Ésta se pude calcular de la siguiente manera:

E_p = m · g · h (ecuación 8)

Donde E_p es la energía potencial medida en J, m es la masa del objeto en kg, g es la aceleración de la gravedad en m·s^-2, y h es la altura del objeto en m. Hay que destacar que E_p coincide con el trabajo que genera la gravedad sobre el objeto, en el caso representado en la figura 1 correspondería al trabajo negativo generado:

40 kg · 9,81 m·s^-2 · 0,70 m = 274,7 J

La energía elástica o de deformación es la capacidad que tienen los cuerpos de generar trabajo cuando previamente han sido deformados gracias a la tendencia que tienen de recuperar su forma inicial. La magnitud de este tipo de energía estará en función de las características del objeto que se deforma y del grado de la deformación (Nigg et al., 2000). El estudio de este tipo de energía adquiere relevancia especial en el desarrollo o en la utilización de nuevos materiales deportivos, como por ejemplo los utilizados en los pavimentos deportivos, los arcos, trampolines, raquetas, pértigas, calzado deportivo (Gutierrez y Rojas, 1998). La eficacia de estos materiales estará en función de la capacidad que tengan de: devolver la energía almacenada en el momento adecuado; devolver la energía en la dirección correcta, y devolver la energía con la frecuencia idónea (Nigg et al., 2000).

Un claro ejemplo de energía potencial elástica es la que se genera cuando un arquero tensa su arco para disparar una flecha. A medida que se tensa el arco se va acumulando energía, en función de las características del material del arco. Cuando cesa la deformación del arco, la energía elástica que se ha acumulado produce que la flecha salga disparada, incrementando su velocidad (energía cinética). Lo mismo sucede cuando una persona se da impulso sobre un trampolín. Al aterrizar sobre el trampolín, éste acumula energía elástica debido a la deformación a la que se ve sometido, y cuando recupera su posición devuelve la energía almacenada al sujeto, causándole una ganancia de energía potencial y cinética.

Es necesario hacer una mención especial a la energía elástica que pueden generar lo tejidos biológicos. Este hecho permite al músculo-tendón realizar una mayor cantidad de trabajo y fuerza cuando su contracción concéntrica es precedida de un estiramiento activo (contracción excéntrica), dando lugar al llamado ciclo estiramiento-acortamiento. Durante la contracción excéntrica (fase de estiramiento) se produce un estiramiento del componente elástico del músculo y los tendones que provoca una acumulación de energía potencial elástica que posteriormente, mientras los tejidos recuperan su forma original, es devuelta en la fase concéntrica incrementando la fuerza y el trabajo desarrollado. La energía devuelta en el recobro de la posición es menor al trabajo realizado para producir el estiramiento (hay una cantidad de energía que se disipa en forma de calor y rozamiento), pero es devuelta a un mayor ritmo. La habilidad que tienen los deportistas para beneficiarse de esta energía elástica dependerá (Enoka, 1988): del tiempo que transcurre entre la contracción excéntrica y la concéntrica, de la magnitud del estiramiento y de la velocidad del estiramiento.

El ejemplo del atleta sudafricano Oscar Pistorious pone de manifiesto la importancia que tiene la energía potencial elástica en el deporte, y concretamente en el rendimiento de las pruebas de velocidad en el atletismo. Este atleta compite con unas prótesis en forma de “J” (figura 8), que sustituyen a sus piernas, ya que a la edad de aproximadamente un año le fueron amputadas. Estas prótesis pesan menos que unas piernas, con lo cual le cuesta menos moverlas. Sin embargo, la principal ventaja que tiene Pistorious con respecto al resto de atletas es que es capaz de recuperar más energía elástica, con lo cual gasta menos energía que sus contrincantes. El profesor Meter Bruggemann de la Universidad de Colonia (Alemania) ha estimado que Oscar Pistorious gastaría en torno a un 25% menos de energía para correr a la misma velocidad que sus oponentes. Esto le permitió en la Roma Golden League del año 2007 quedar segundo (46,90 s), compitiendo con atletas no paralímpicos, a los que adelantó en los últimos 100 m de una carrera de 400 m, donde la mayoría de los atletas no pueden mantener el ritmo de producción de trabajo. Igualmente, consiguió clasificarse para los Campeonatos del Mundo de Daegu 2011, donde obtuvo un mejor tiempo de 45.39 s y llegar hasta las semifinales, compitiendo con atletas no amputados. El debate sigue todavía abierto.

PUNTO CLAVE

Las piernas de los humanos pueden aprovechar parte de la energía elástica almacenada durante la fase excéntrica de los movimientos. No obstante hay que reconocer que son dispositivos bastante ineficaces, comparados con otros elementos elásticos como las ballestas, arcos… Algunos cuadrúpedos como los caballos y los galgos tienen mejor economía de carrera que los humanos, porque sus patas delanteras actúan como “ballestas” rígidas y sus patas traseras como propulsoras, mientras que en los humanos una misma pierna se tiene que encargar de frenar e impulsar durante el apoyo, perdiéndose bastante energía en forma de calor.

4.2. Energía cinética

La capacidad que tienen los objetos de generar trabajo por estar en movimiento se conoce como energía cinética. La cantidad de energía cinética (E_c) que un objeto posee viene determinada por su masa (m) y la velocidad a la que se mueve (v):

E_c = ½ · m ·v² (ecuación 9)

Figura 8. Prótesis utilizadas por Oscar Pistorious.

Aplicando la fórmula anterior ¿cuál será la E_c de un esquiador de 80 kg que baja por una pista a una velocidad de 40 km·h^-1?

E_c = ½ · 80 kg · 11.11² m·s^-1 = 4938,27 J

Por ello, simplificando, si el esquiador quiere frenar su energía cinética, no le queda otro remedio que aplicar una fuerza sobre sus esquís a lo largo de una distancia. Si esta distancia es de 50 m, el esquiador habrá aplicado una fuerza media de frenado sobre sus esquís de 98,77 N (despreciando la resistencia del aire). Desde el siglo XIX se aplican test de desaceleración simplificada para calcular las fuerzas que se oponen al movimiento. Entonces, una forma de conocer el coeficiente de rozamiento de los esquís, es calcular la fuerza media de frenado y dividirla por la fuerza normal del esquiador más los esquís.

La energía cinética calculada a través de la ecuación anterior hacer referencia a un movimiento de traslación lineal, por lo que recibe el nombre de energía cinética de traslación. La energía que un cuerpo pose gracias a un movimiento angular o de rotación se denomina energía cinética de rotación:

E_c = ½ · I · ω² (ecuación 10)

Donde I es el momento de inercia calculado en función de la masa del objeto y del radio de giro (I = m ·r²) cuya unidad de medida en el sistema internacional es el kg·m², y ω es la velocidad angular en rad·s^-1.

4.3. Principio de conservación de la energía

Teniendo presente los diferentes tipos de energía mecánica analizados, la energía mecánica total (E_T) de un sistema es la suma de los diferentes tipos de energía:

E_T = E_c + E_p + otras (ecuación 11)

Según la ley de conservación de la energía, la energía mecánica total de un sistema aislado permanece constante, ni se crea ni se destruye, es decir, únicamente se cambia de una forma a otra. Por ello, si tenemos un objeto que se mueve desde una posición A hasta una posición B, la energía mecánica total en cada una de las posiciones es la misma:

E_{c A} + E_{p A} = E_{c B} + E_{p B} (ecuación 12)

Sin embargo, cuando sobre un sistema actúan fuerzas externas (p. ej., fricción, arrastre, disipación, vibración), se produce una transformación de energía. Por ello, si consideramos que ninguna de estas fuerzas influye en un gimnasta que salta sobre una cama elástica, podemos afirmar que a medida que el gimnasta coge altura gana energía potencial y pierde energía cinética, obteniendo la mayor cantidad de energía potencial en el momento que alcanza la máxima altura. A partir de este punto, cuando el gimnasta empieza a perder altura su cuerpo es acelerado por la acción de la gravedad, lo que permite la ganancia de energía cinética, siendo máxima antes del contacto con la cama elástica; por el contrario, a medida que pierde altura, pierde energía potencial. Cuando el deportista contacta con la cama elástica, la energía cinética con la que aterriza se convierte en energía potencial elástica que alcanza su máximo valor en el momento de mayor extensión de la cama elástica; cuando ésta recupera su posición inicial, toda la energía elástica almacenada en la cama es devuelta al gimnasta ayudándole a ganar energía cinética de nuevo (figura 9). Al igual que hay fuerzas que pueden influir en la pérdida de energía del gimnasta, éste puede realizar diferentes maniobras (flexión-extensión de rodillas, impulsión con los brazos) cuando contacta con la cama elástica para aumentar la energía potencial elástica almacenada, lo cual le puede ayudar a obtener una mayor cantidad de energía cinética y potencial, es decir, conseguir una mayor altura de vuelo (realmente si el gimnasta no hiciera fuerza sobre la cama elástica, su altura de salto iría decreciendo paulatinamente, porque la energía potencial elástica no se recupera totalmente, sino que se pierde energía en forma de rozamiento y calor). De acuerdo con la ley de conservación de la energía, en cualquiera de las posiciones por las que pasa el gimnasta (figura 9), la energía mecánica total es la misma. Así, incrementos de energía potencial conllevan pérdidas de energía cinética, o viceversa; hay una continua transformación de unas formas de energía a otras.

Figura 9. Esquema representativo de la transformación que sufren las diferentes formas de energía mecánica en un salto sobre una cama elástica, teniendo en cuenta que ninguna fuerza externa influye sobre el salto.

PUNTO CLAVE

En la marcha humana, la máxima energía potencial (elevación del centro de gravedad) se consigue justo en el momento en que la cadera pasa por la vertical del pie de apoyo, y a partir de ese momento empieza a convertirse en energía cinética. En la carrera, la máxima energía potencial se consigue a mitad de la fase de vuelo entre una zancada y otra, siendo cero aproximadamente cuando la rodilla tiene su máxima flexión durante el apoyo en el suelo. Por los motivos explicados anteriormente (ineficacia en el almacenamiento de energía elástica por parte de nuestras piernas), la conservación de energía es mejor en la marcha que en la carrera, lo cual justifica que el gasto energético para caminar sea un 50-60% (cociente entre 0,7 y 1,2) que para correr la misma distancia.

5. RELACIÓN TRABAJOPOTENCIA-ENERGÍA

Si consideramos que un objeto se mueve desde una determinada posición a otra debido a la acción de una fuerza, desde el punto de vista de la mecánica, se puede establecer la siguiente relación entre el trabajo realizado, la potencia y la energía mecánica generada:

W = ΔE_c + ΔE_p (ecuación 13)

P = (ΔE_c + ΔE_p) · t⁻¹

Donde ΔE_c es el cambio de energía cinética del objeto entre la posición de partida y la posición final (E_{c posición 1} - E _{cposición 2}), y ΔE_p es el cambio de energía potencial entre la posición de partida y la posición final (E_p posición 1 - E_p posición 2).

Teniendo una visión más amplia del principio de conservación de la energía, y no reduciéndolo únicamente a la energía mecánica, podemos decir que la energía total interna generada por un sistema, como puede ser el cuerpo humano, es igual a la suma de todos los diferentes tipos de energía (térmica, mecánica, eléctrica, química y otras). El cambio de la energía total interna del sistema es igual a la suma del trabajo realizado y al calor que se desprende durante la realización del mismo. Matemáticamente podemos expresarlo con la siguiente ecuación:

ΔE_INT = ΔW + ΔC (ecuación 14)

Donde ΔE_INT es el cambio (incremento o pérdida) de la energía interna del sistema, ΔW es el cambio del trabajo generado o producido sobre el sistema y ΔC es el cambio en el calor producido.

De la ecuación anterior se puede deducir que el cambio de energía interna no va a corresponder a un cambio proporcional del trabajo realizado, no toda la energía interna se utilizará para realizar trabajo, ya que parte de la energía se pierde en forma de calor. La cantidad de energía que sustentará el trabajo realizado dependerá de los procesos de conversión. Aproximadamente el cuerpo humano tiene un 25% de eficiencia, lo cual indica que del total de energía química generada únicamente el 25% es usada para realizar trabajo mecánico, mientras que el 75% restante se convierte en calor o es usada en los procesos de recuperación (Enoka, 1988). Por ello, una estrategia encaminada a aumentar el rendimiento de los deportistas sin incrementar los requerimientos de energía consistiría en disminuir las pérdidas de energía y así mejorar el balance trabajo-energía.

PUNTO CLAVE

Para un ciclista que pedalea a una velocidad constante durante 1 h (3.600 s) recorriendo 40 km y desarrollando una potencia media de 300 W, su trabajo-energía mecánica externa (W = P · t) será de 1.080.000 J (W = 300 · 3600). También se pueden conocer las fuerzas que se han opuesto a su desplazamiento utilizando la ecuación del trabajo (W = F · d), siendo éstas iguales a 27 N (F = 1.080.000 · 40.000^-1). Sabiendo que el cuerpo humano tiene una eficiencia del 25%, si el ciclista produjo un trabajo mecánico externo de 1.080 kJ (1.080.000 J), y esto sólo representa el 25% del trabajo interno, entonces podemos estimar que el ciclista habrá gastado una energía interna de 4.320 kJ, es decir aproximadamente 1.000 kcal.

6. TRABAJO INTERNO

El trabajo interno o gasto de energía hace referencia a las demandas energéticas que supone la realización de determinadas actividades, por ejemplo, una persona que está andando por un parque tendrá un menor gasto energético que otra persona que está realizando la misma actividad por terreno montañoso o está corriendo. El concepto de gasto energético contempla el término energía desde una perspectiva fisiológica y no mecánica como se ha hecho anteriormente, aunque son tér-minos íntimamente relacionados, ya que la capacidad de generar un gran trabajo mecánico dependerá de la capacidad que tiene el organismo de generar energía química.

La obtención de energía por parte del cuerpo humano comienza con la ingesta de alimentos; éstos, una vez que son digeridos, asimilados y transportados a las células, pueden sufrir diferentes reacciones químicas. El uso que el organismo hace de los alimentos una vez que están en las células se denomina metabolismo. La actividad metabólica de las células puede ser de dos tipos según las reacciones químicas que se dan: las reacciones químicas que degradan los alimentos en compuestos más pequeños son denominadas con el término catabolismo, y las reacciones químicas que tienen como resultado la formación de compuestos complejos a partir de otros más sencillos son denominadas reacciones anabólicas. En el catabolismo celular siempre hay una liberación de energía química y en forma de calor, mientras que el anabolismo necesita consumir energía para formar moléculas más complejas. La energía química liberada en las reacciones catabólicas es transferida al ATP (adenosintrifosfato). Esta molécula es conocida como la moneda energética del cuerpo humano, ya que su desdoblamiento en adenosindifosfato (ADP) y adenosinmonofosfato (AMP) proporciona la energía necesaria para que todas las células del organismo realicen sus funciones, entre las que se encuentran la contracción muscular y la resíntesis de ATP a partir de otros compuestos (anabolismo).

La cantidad de ATP que se almacena en el músculo es limitada; por ello, una vez que se degrada, necesitamos regenerarlo para poder seguir produciendo energía. Si esto no fuera posible, se vería comprometida la producción de energía y el trabajo desarrollado por el organismo. Esto es lo que sucede cuando un ciclista coge una “pájara”; cuando no puede ingerir alimento y sus reservas energéticas se han agotado, éste no puede seguir manteniendo su rendimiento, ya que no puede producir energía. Cuando se realiza cualquier tipo de actividad física, la degradación de los nutrientes básicos (los hidratos de carbono, las grasas y las proteínas) permite la regeneración de ATP. La utilización de estos nutrientes puede realizarse a través de diferentes vías meta-bólicas: aeróbica y anaeróbica, en función de la cantidad de energía y la rapidez con la que necesite obtenerse. El metabolismo aeróbico se caracteriza por la degradación de los hidratos de carbono (glucólisis aeróbica) y las grasas (betaoxidación de las grasas) en presencia de oxígeno (la degradación de proteínas es prácticamente despreciable), en las mitocondrias de las células. Este sistema posee una gran capacidad de obtención de energía, pero, por el contrario, la velocidad con la que se obtiene es lenta. Por todo ello, adquiere una relevancia especial en el rendimiento de actividades de resistencia. El metabolismo anaeróbico se subdivide a su vez en aláctico y láctico; en función del sustrato energético utilizado, éste es degradado en el citoplasma de la célula en ausencia de oxígeno. El metabolismo anaeróbico aláctico utiliza los fofágenos (ATP y fosfocreatina) como fuente de energía; este hecho posibilita la obtención de energía a una alta velocidad, aunque la cantidad de energía producida es muy limitada. Esta vía metabólica es de gran interés en la realización de esfuerzos de corta duración y muy alta intensidad (p. ej., saltos, arrancadas, lanzamientos, pequeños esprines). Por último, el metabolismo anaeróbico láctico utiliza la degradación incompleta de los hidratos de carbono como fuente de energía (glucólisis aneróbica). Se caracteriza por la capacidad limitada que tiene de producir energía, aproximadamente 19 veces menor que el metabolismo aeróbico, y por la rapidez con la que se obtiene. Otra característica de este metabolismo es la producción de ácido láctico como producto de desecho, induciendo una acidosis metabólica que limita el desempeño muscular.

6.1. Medición del gasto energético

La unidad de medida generalmente utilizada para expresar la energía química y calorífica es la caloría (cal) o kilocaloría (kcal). La caloría se define como la cantidad de energía calorífica necesaria para aumentar un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua. Para poder convertir estas unidades a las utilizadas en el sistema métrico internacional (tabla 1) es importante conocer las siguientes equivalencias:

1 J = 0.239 cal

1 kcal = 1000 cal = 4.184 kJ (kilojulio) = 4184 J

La precisa medición de la energía gastada es importante para determinar el nivel de actividad física que realizan los sujetos, monitorizar el grado de cumplimento con las pautas de realización de actividad física, entender la relación dosis-respuesta entre actividad física y salud, y determinar la efectividad de los programas de intervención diseñados para la mejora de los niveles de condición física. Existen diferentes métodos para valorar la energía gastada; probablemente la utilización de uno u otro dependa de factores tales como el número de individuos a monitorizar, el período de tiempo a medir y la disponibilidad económica (Ainslie et al., 2003). Entre los principales métodos referenciados en la literatura se encuentran:

Calirometría directa. Se basa en la medición de la pérdida de calor por parte del cuerpo. Asume que en todas las reacciones metabólicas se produce y disipa calor; por ello, una mayor tasa de producción de calor se asocia a un aumento del trabajo metabólico. Para determinar la energía gastada por este método es imprescindible contar con una cámara hermética preparada con un dispositivo especial para cuantificar los cambios de calor producidos por el desempeño de una actividad. Este hecho limita mucho su uso ya que no todas las actividades podrán valorarse, y además el coste económico es muy elevado.

Calorimetría indirecta. Utiliza la medición del consumo de oxígeno (O₂) para estimar el gasto energético. Así, se ha estimado que la combustión de una mezcla de hidratos de carbono, grasas y proteínas durante la realización de un ejercicio aeróbico libera aproximadamente 5 kcal por cada litro de O₂ utilizado. Este equivalente energético se puede precisar más si se analiza el dióxido de carbono (CO₂) espirado. La combustión de los diferentes sustratos energéticos conlleva una producción diferente de CO₂. Conociendo el cociente respiratorio de un ejercicio (CO₂·O₂^-1) se puede precisar la mezcla de nutrientes que se catabolizan durante la realización de un ejercicio de tipo aeróbico, y así se puede precisar mucho mejor el equivalente calórico para 1 litro de O₂. El uso de este método requiere de la utilización de analizadores de gases que permitan medir el O₂ y CO₂ en las actividades a valorar.

Agua doblemente marcada. El uso de este método supone la administración a los sujetos de una dosis de agua que contiene una cantidad conocida de isótopos estables no radiactivos, el deuterio (²H) y el oxígeno 18 (¹⁸O). El ¹⁸O se perderá más rápidamente del cuerpo ya que se excretará a través del CO₂ (por la respiración) y del agua (por la orina, sudor, respiración, evaporación); sin embargo, la pérdida del ²H es más lenta ya que se perderá únicamente a través del agua. La diferencia entre el ritmo de pérdida de los dos isótopos reflejará el ritmo al que se produce el CO₂, pudiendo estimar así el gasto energético; una mayor producción de CO₂ reflejará una utilización más elevada de los sustratos energéticos.

Frecuencia cardiaca (FC). Para poder estimar la energía gastada a través de este método es imprescindible conocer la relación lineal que existe entre FC-VO₂ a intensidades submáximas. Sabiendo esta relación y monitorizando la FC en las actividades que se quiere analizar, se puede estimar el VO₂ que implica esa actividad. Una vez conocido este valor, se procede igual que en la calorimetría indirecta, es decir, se multiplica el. VO₂ (l·m^-1) por su equivalente calórico (aproximadamente 5 kcal).

Sensores de movimiento. Estos sistemas registran el movimiento o la aceleración del tronco o las extremidades, según su localización, y en función de éste se estima la energía gastada. Los podómetros registran el número de pasos dados gracias a un péndulo que se balancea con el movimiento. Es un sistema muy económico y práctico, pero su sensibilidad es limitada ya que no cuantifican la longitud de la zancada ni el desplazamiento total del cuerpo. Los acelerómetros detectan el desplazamiento total del cuerpo electrónicamente en un eje (uniaxiales) o en tres ejes (triaxiales). Los acelerómetros se fundamentan en que la aceleración que registran es proporcional a la fuerza muscular y por consiguiente se relaciona con el gasto energético. La desventaja de estos sistemas es que no todas las actividades se reflejan en aceleraciones o desaceleraciones.

Cuestionarios. Son de fácil utilización, bajo coste y se pueden aplicar a agrandes grupos. Los cuestionarios estiman la energía gastada a través de preguntas que tratan de interrogar a los sujetos sobre el tipo de actividad que llevan acabo diariamente o en su tiempo libre, el tiempo que invierten en ella y a que intensidad la realizan. Existen diferentes cuestionarios y habrá que utilizar el que más se adapte al grupo poblacional con el que vamos a trabajar.

PUNTO CLAVE

Los podómetros son instrumentos sencillos que nos permiten estimar el gasto energético de una persona a lo largo de un día de vida cotidiana. Se acepta que, como norma general, deberíamos tener un nivel de actividad física cifrado en más de 10.000 pasos diarios, siendo recomendados 12.000 pasos en mujeres y 14.000 pasos en hombres (de 8 a 10 km de distancia a una velocidad confortable, lo que supondría, en una persona de 70 kg, 392-400 kcal/día).

7. EFICIENCIA DEL MOVIMIENTO

Como ya se ha mencionado anteriormente, para que los músculos generen un trabajo mecánico externo es necesario que produzcan la suficiente cantidad de energía química (trabajo interno o metabólico). Sin embargo, no todo el trabajo interno realizado a nivel muscular se utiliza para generar un trabajo mecánico externo. Parte de la energía producida se utiliza para mantener las funciones del organismo y otra parte se disipa en forma de calor. El concepto de eficiencia hace referencia al aprovechamiento que hace el organismo de la energía generada. La eficiencia del movimiento es una variable de gran importancia en el rendimiento de los deportes de resistencia. Que una persona sea más eficiente que otra supone que la energía requerida para realizar un determinado trabajo externo sea menor. Dicho de otra manera, el ciclista más eficiente será aquel que produce más trabajo mecánico externo para la misma energía interna consumida, por lo que le permitirá, respecto a otros menos eficientes, recorrer más distancia o conseguir una mayor velocidad en una misma distancia, y por lo tanto desarrollar una mayor potencia.

Comúnmente la eficiencia se expresa como un porcentaje de la energía total gastada. Por ejemplo, tener una eficiencia mecánica del 20% significa que del total de energía gastada únicamente ese porcentaje se ha usado para ejecutar el trabajo mecánico externo. Para su análisis es necesario utilizar un analizador de gases para medir el gasto energético y un ergómetro capaz de medir el trabajo mecánico externo; esto normalmente se hace multi-plicando la potencia por el tiempo, como se ha comentado anteriormente. Así, en la literatura se distinguen diferentes tipos de eficiencias (Moseley y Jeukendrup, 2001): eficiencia gruesa (EG), eficiencia neta (EN) y eficiencia delta (ED).

La eficiencia gruesa se define como el cociente entre el trabajo realizado durante una actividad y la energía metabólica total gastada:

EG (%) = (W · E^-1) · 100 (ecuación 15)

Donde W es el trabajo realizado y E es el gasto energético (trabajo interno).

Como se comentó al inicio de este apartado, la energía gastada por el organismo no sólo se destina a ejecutar el trabajo mecánico, sino que una cantidad se necesita para mantener la homeostasis del organismo. Si nosotros únicamente queremos saber cómo los músculos generan trabajo, al gasto energético total calculado hay que restarle el gasto energético no relacionado directamente con la producción de trabajo (el gasto energético basal). Si hacemos esta operación y el resultado obtenido lo relacionamos con el trabajo realizado, estamos calculando la eficiencia neta:

EN (%) = (W · (E -E_R)^-1) · 100 (ecuación 16)

Donde E_R es el gasto energético en reposo.

El concepto de eficiencia neta ha sido bastante discutido, ya que asumir que el gasto de energía en reposo permanece constante mientras se realiza ejercicio es erróneo. Durante el ejercicio la energía necesaria para mantener la homeostasis se incrementa por diversos motivos, como por ejemplo el incremento del gasto cardíaco y la ventilación. Un concepto muy similar al de eficiencia neta es el de eficiencia del trabajo.Ésta se calcula utilizando la ecuación anterior, sustituyendo el gasto metabólico en reposo por el gasto metabólico sin carga (el gasto metabólico del ejercicio realizado sin carga, con 0 W).

La eficiencia delta representa el cambio en la energía gastada en relación con el cambio que se produce en el trabajo realizado. Se ha sugerido que ésta es la forma más válida de calcular la eficiencia ya que elimina la influencia de los procesos metabólicos que no contribuyen al trabajo realizado. La eficiencia delta se calcularía de la siguiente manera:

ED (%) = (ΔW · ΔE^-1) · 100 (ecuación 17)

Donde ΔW es el incremento en el trabajo realizado y ΔE es el incremento en la energía gastada. La eficiencia delta también se ha calculado como la inversa de la pendiente de la relación lineal entre la energía gastada y el trabajo realizado (figura 10).

Además de la eficiencia, el término economía (EC) es a menudo utilizado para determinar la relación que existe entre el consumo de oxígeno (VO₂) y la potencia (P) o velocidad (vel) y/o distancia recorrida por los deportistas. De un modo sencillo se puede calcular la economía como el consumo de oxígeno (indicador de la intensidad del esfuerzo) que supone una determinada velocidad, potencia o distancia. En ciclismo se suele calcular como la cantidad de trabajo mecánico externo por litro de oxígeno consumido (kJ·l^-1), o los litros de oxígeno necesarios para producir 1 W de potencia mecánica externa en 1 min (W·l^-1·min^-1).

EC (kJ·l^-1, W·l^-1·min^-1) = P · O₂^-1 (ecuación 18)

Otra manera de calcular la economía, generalmente utilizada para valorar la carrera o la marcha, es la que tiene en cuenta la cantidad de oxígeno consumido para desplazar una masa de 1 kg una distancia de 1 m. Esta metodología es muy utilizada en estas disciplinas, dada la dificultad de medir la potencia de la marcha y/o la carrera (no hay ergómetros que midan vatios en estas disciplinas), y la facilidad de medir la distancia recorrida.

EC (ml⁻¹ kg⁻¹·m⁻¹) = O₂ · d⁻¹ (ecuación 19)

PUNTO CLAVE

Las eficiencias mecánicas gruesa, neta y delta son buenos indicadores del rendimiento de la máquina humana. Para medirlas es necesario contar con un ergómetro que registre la potencia mecánica externa y un analizador de gases que mida la cantidad de energía interna consumida. Si cualquiera de ambas cosas no es posible, se puede medir la economía, que es la cantidad de energía necesaria para producir potencia (nadando, pedaleando o remando), o para desplazar una masa una distancia determinada (caminando o corriendo).

Figura 10. Cálculo de la eficiencia delta (DE) en un ciclista profesional utilizando la inversa de la pendiente de la relación entre la energía gastada y el trabajo realizado.

8. INSTRUMENTAL DE MEDIDA

Para el análisis cinético de la actividad física o del deporte es imprescindible la utilización de instrumentos de medida que cuantifiquen las fuerzas que causan el movimiento, de manera que tomando como referencia esas fuerzas y conociendo el movimiento, permitan calcular el trabajo, la energía y la potencia, atendiendo a las ecuaciones expuestas anteriormente. Para tal fin, se usan diferentes dispositivos llamados transductores que convierten un determinado tipo de energía de entrada en otra distinta de salida. Así, un transductor electrónico produce un cambio de voltaje proporcional a la magnitud del parámetro que está siendo recogido. Estos dispositivos nos van a permitir monitorizar directa o indirectamente variables de fuerza lineal o angular (torque), así como variables de movimiento (velocidad y aceleración lineal y angular). En la selección de estos dispositivos es necesario tener presente los siguientes factores que pueden condicionar las mediciones realizadas (Harman, 2006): la precisión, es decir la resolución del sistema (el menor cambio en la variable medida que puede ser detectado por el dispositivo); el rango de medición (la capacidad que tienen los transductores deben medir los valores mínimos y máximos que se pueden encontrar); la validez (la desviación que existe entre la cantidad de señal captada por el transductor y la señal real producida); el efecto térmico (la influencia que tienen los cambios de temperatura en la señal producida por el transductor); la frecuencia de respuesta (es el ritmo al cual el transductor es capaz de realizar la medición en el parámetro deseado); el voltaje de activación (la fuente de energía que requieren los transductores para funcionar); y el voltaje de salida (según sea con respecto al voltaje de entrada se necesitará amplificar o reducir la señal).

En el mercado actualmente se pueden encontrar diferentes tipos de transductores específicos que permiten el análisis de variables cinéticas en diferentes gestos específicos. Así, la plataforma de fuerzas (figura 11) es una herramienta muy utilizada en el análisis biomecánico de la marcha, la carrera y el salto. El fundamento de esta herramienta sebasa en la tercera ley de Newton, “principio de acción-reacción”, según la cual a toda fuerza de acción le corresponde otra de reacción que tiene el mismo módulo y dirección pero de sentido contrario. Así, las plataformas de fuerza proporcionan una señal de voltaje proporcional a las fuerzas de reacción que se producen sobre ellas, permitiendo el registro de las fuerzas en los ejes vertical, antero-posterior y medio-lateral. Durante la marcha y la carrera no es sencillo calcular el trabajo ni la potencia debido: al pequeño tamaño de las plataformas, lo cual no permite empezar ni desarrollar el movimiento completamente encima de ellas; y a que en las plataformas de reducidas dimensiones se hace necesario combinar sus datos de fuerza con complejos sistemas de análisis 3D del movimiento. Si se tuviera un pasillo de 100 m instrumentado con plataformas de fuerzas, se podría saber, mediante la integración de los datos de fuerza de reacción en el tiempo, sin necesidad de otros sistemas, la velocidad instantánea del corredor en cada momento, y combinarla con la fuerza registrada para obtener las variables mencionadas. Sin embargo, el uso de esta herramienta en un salto vertical nos permite calcular, a partir de los registros de fuerza en el tiempo, el trabajo y la potencia del salto, además de la velocidad de despegue y la altura de los saltos, ya que todo el movimiento se ejecuta encima de la plataforma.

Figura 11. Plataforma de fuerzas utilizada en el análisis biomecánico.

Las células de carga (figura 12A) son pequeños aparatos que pueden medir la tensión o la fuerza de compresión ejercida sobre ellas. Las células de carga más utilizadas comúnmente son las galgas extensiométricas, que recogen la deformación debida al estiramiento o la compresión por medio de un cambio en su resistencia eléctrica; este cambio produce un voltaje proporcional a la fuerza que es ejercida. Estos instrumentos pueden ser combinados con otros aparatos de medida (p. ej., radares, condenciometros) que permitan determinar la velocidad del objeto, pudiendo así calcular la potencia, la energía o el trabajo. El desarrollo tecnológico actual ha permitido en algunas disciplinas deportivas la creación de herramientas específicas para valorar la potencia desarrollada por los deportistas en situaciones de campo. Así, en el ciclismo existen diferentes potenciómetros como el SRM o PowerTap (figura 13) que permiten medir la potencia desarrollada en los entrenamientos y las competiciones. Estos aparatos, además de registrar la velocidad de pedaleo, están compuestos por galgas extensiométricas que registran la fuerza generada en función de la tensión que se genera entre el plato y la biela y en el eje de la rueda trasera en el sistema SRM (figura 13A) y en el PowerTap (figura 13B), respectivamente.

Los transductores de posición lineal (figura 12B) están formados por una pequeña caja que contiene una bobina en la que se enrolla un delgado cable de acero, cuyo extremo final sale de la caja para poder ser acoplado, por ejemplo, a un sujeto y a unas pesas. Este transductor mide un voltaje proporcional a la distancia, o la cantidad del cable que es desenroscado de la bobina, permitiendo la localización de cualquier objeto que se mueva en línea recta. Los transductores de posición lineal sobre todo son utilizados para valorar la potencia mecánica ejercida en la ejecución de ejercicios de pesas. Estos transductores conocen exactamente la posición en el tiempo, y a partir de ahí son capaces de medir la velocidad. Además de la velocidad y el tiempo son capaces de hallar la aceleración; de esta forma, si se les indica la masa del objeto a mover (p. ej., la masa de una barra de pesas) son capaces de calcular el peso real de la barra de pesas (la fuerza) en cada instante, teniendo en cuenta la aceleración de la gravedad y la aceleración de la barra. Por ello, a partir de la fuerza y la distancia son capaces de hallar la potencia y el trabajo. También existen en el mercado transductores de posición angular que permiten calcular la velocidad angular y posibilitan hallar la potencia ejercida durante el movimiento de un objeto de masa o momento de inercia conocido. Los transductores de velocidad producen un cambio de voltaje proporcional a la velocidad mantenida. La determinación de la potencia mecánica usando este tipo de transductores en vez de los de posición conlleva una mayor rapidez y precisión en la obtención de los resultados (Harman, 2006).

Figura 12. Célula de carga (A) y transductor de posición lineal (B).

Figura 13. Potenciómetros específicos utilizados en ciclismo: SRM (A) y PowerTab (B).

Los dinamómetros isocinéticos permiten el registro del momento de fuerza o torque generado durante los movimientos articulares a velocidades de movimiento que permanecen constantes. Por ello, la resistencia a vencer cambia en función de la fuerza aplicada por los sujetos para mantener la velocidad articular fijada (cuando se aumenta la fuerza aplicada, aumenta la resistencia, y cuando disminuye la fuerza, se disminuye la resistencia a vencer). A pesar de que estas máquinas permiten valorar el trabajo y la potencia muscular, su utilización se reduce principalmente al ámbito de la rehabilitación, ya que las contracciones isocinéticas y el movimiento en una articulación aislada no son representativos de las acciones deportivas.

En cualquier laboratorio de fisiología y/o biomecánica se puede encontrar diferentes ergómetros (figura 14) que permiten medir el esfuerzo físico (trabajo y potencia) realizado por las personas. Actualmente existen diferentes ergómetros desarrollados específicamente para determinadas modalidades deportivas (p. ej., cicloergómetros, remoergómetros, tapices rodantes, piscinas ergométricas, ergómetros de sillas de ruedas, tapices rodantes adaptados al esquí). Fundamentalmente existen dos tipos de ergómetros en función de cómo se genera la resistencia a vencer: de freno mecánico y de freno electromagnético. Los dos tipos permiten medir la fuerza ejercida por los sujetos y calcular el trabajo y la potencia desarrollada teniendo en cuenta las ecuaciones reseñadas en los apartados anteriores. Los ergómetros de freno mecánico se fundamentan en el movimiento de un volante/rueda so-bre el que se ejerce una fricción a través de un peso conocido. Así, sabiendo la fuerza que se ejerce sobre el volante, el número de veces que se hace girar y el tiempo, es posible calcular el trabajo y la potencia. Los ergómetros de freno electromagnético regulan la resistencia a vencer gracias al movimiento de un conductor eléctrico sobre un campo electromagnético. Estos ergómetros permiten mantener una potencia constante independientemente del número de revoluciones. Cuando se aumenta el número de revoluciones, disminuye la resistencia a vencer para que la potencia seleccionada permanezca constante. Por el contrario, cuando el número de revoluciones disminuye, aumenta la resistencia a vencer para ajustar la potencia. Hoy en día existen ergómetros electromagnéticos que permiten mantener un torque constante para poder realizar test supramáximos (mantienen una resistencia de frenado constante, modificando la potencia en función del número de revoluciones). Los tapices rodantes también son ergómetros que podemos encontrar en cualquier laboratorio o en cualquier gimnasio. Sin embargo, éstos no permiten medir directamente ni la potencia ni el trabajo realizado por las personas. Por ello, estas variables se pueden estimar a partir de las siguientes fórmulas, que realmente miden la potencia extra (subiendo) y no la potencia total ejercida por los sujetos:

P = m · g · vv (ecuación 20)

W = m · g · dv (ecuación 21)

Figura 14. Diferentes ergómetros utilizados en la valoración de los deportistas: cicloergómetro (A), tapiz rodante (B) y remoergómetro (C).

Donde la potencia medida en vatios es igual a la masa del sujeto (m) en kg por la aceleración de la gravedad (g) y por la velocidad vertical (vv), y ésta es la velocidad de la cinta en m·s^-1 por el seno de θ(seno del porcentaje de inclinación del tapiz). La distancia vertical (dv) es igual al seno de θ multiplicado por la distancia recorrida (velocidad del tapiz por el tiempo).