aplicación de la física al cuerpo humano mediante un modelo
TRANSCRIPT
Revista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología
— Volumen 6, Número 3, Diciembre 2015. Página 1
Aplicación de la física al cuerpo humano mediante un modelo
geométrico
Mascareño Sonia Laura1,2; Navarro Silvia Inés1; Juarez Gustavo Adolfo1 1Facultad de Ciencias Exactas y Naturales - Universidad Nacional de Catamarca– Avda. Belgrano N° 300
2Colegio del Carmen y San José – Junín 719 [email protected]
RESUMEN La Física forma parte del conocimiento sobre el mundo y para que éste resulte significativo a los alumnos debe ser contextualizado a su propia experiencia, a partir de la curiosidad y las ideas previas permitiéndole lograr el entendimiento de los conceptos y principios fundamentales que aportan la mecánica y la biología cuando se define la ubicación del centro de gravedad de los cuerpos. Identificando para el cuerpo humano desde el punto de vista biofísico, que no es simétrico ni homogéneo, pues su centro de masa no se encuentra en su centro geométrico, éste varía dependiendo de varios factores. En consecuencia, la metodología utilizada para dicha determinación fue la experimentación, mediante la integración de contenidos conceptuales, procedimentales y actitudinales que permiten determinar los valores experimentales mediante la formulación matemática y las relaciones métricas aportadas por los estudios hechos por Vitrubio e inmortalizados por Leonardo da Vinci.
Palabras Claves: Fuerza, Centro de Masa, Biomecánica, Experimento, Modelo Geométrico.
Aplicación de la física al cuerpo humano mediante un modelo geométrico
Mascareño Sonia Laura; Navarro Silvia Inés; Juarez Gustavo Adolfo
Revista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología
— Volumen 6, Número 3, Diciembre 2015. Página 2
Application of the physics to the human body by means of
geometric model
ABSTRACT
The form physical of the knowledge about the world and it is meaningful to students must be contextualized to their own experience, from curiosity and preconceptions helping get the understanding of the concepts and principles that provide mechanical and biology when the location of the center of gravity of bodies is defined. Identifying the human body from the point of physical and anatomical view, which is not symmetrical nor homogeneous, because its center of mass is not in its geometric center, this varies depending on several factors. Therefore, the methodology used for such determination was experimentation by integrating conceptual, procedural and attitudinal contents, which determine the experimental values by the mathematical formulation and metric relationships provided by the studies made by Leonardo da Vinci.
Key Words: force, center of mass, biomechanics, experiment, geometric model.
INTRODUCCIÓN
La Física como ciencia experimental es indispensable en la formación de los
alumnos, y para que éste resulte significativo debe ser contextualizado a su propia
experiencia. El punto de partida, ha de ser entonces la curiosidad, las ideas previas
para lograr el entendimiento de los conceptos y los principios fundamentales de
las ciencias. (Bachelard, 1972)
En consecuencia, el trabajo de laboratorio permite explorar, manipular,
proponer hipótesis, obtener resultados de los cuales pueden surgir aciertos como
errores, y desarrollar procesos basados en la observación, recolección y análisis
de datos para explicar las observaciones. Esto permite la posibilidad de realizar
Aplicación de la física al cuerpo humano mediante un modelo geométrico
Mascareño Sonia Laura; Navarro Silvia Inés; Juarez Gustavo Adolfo
Revista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología
— Volumen 6, Número 3, Diciembre 2015. Página 3
modelos matemáticos que llevan a entender la importancia de la observación
directa y la diferenciación entre las deducciones que se obtienen a partir de la
teoría que a su vez fundamentan estas prácticas. De esta manera, es fundamental
trabajar en la adquisición de criterios y mecanismos, para que los alumnos puedan
seleccionar la más adecuada entre las fuentes de información disponible y,
diferenciar los datos relevantes de los que no lo son, en función del problema a
resolver. Además es necesario, que los alumnos sean conscientes en la selección
de un procedimiento para procesar la información, para ello se necesita considerar
el tipo de datos con los que se cuentan, como así también del uso que se hará de
ellos. (Salinas, 1995)
OBJETIVOS
Hallar los mecanismos necesarios para implementar actividades experimentales mediante el uso de material de bajo costo.
Elaborar propuestas de enseñanza a través de la experimentación en la temática de biomecánica.
Establecer relaciones matemáticas que permitan la construcción del modelo geométrico que representan las situaciones experimentales y su aplicación didáctica.
MARCO TEÓRICO
Introducción a la biomecánica
El campo de estudio de la Biomecánica está constituido por las
particularidades del estado mecánico-biológico y espacio-tiempo del hombre, donde
se cumplen las leyes físicas y biológicas, en el sentido de la existencia de una relación
estrecha entre las posiciones del cuerpo y los resultados de sus acciones motoras
vistas como sistema de movimientos activos, así, a través de un análisis sistemático
sobre la base de sus características cualitativas y cuantitativas, se puede representar
mediante modelado físico y matemático el movimiento de los seres humanos.
(Palastanga y col., 2008)
Aplicación de la física al cuerpo humano mediante un modelo geométrico
Mascareño Sonia Laura; Navarro Silvia Inés; Juarez Gustavo Adolfo
Revista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología
— Volumen 6, Número 3, Diciembre 2015. Página 4
Cabe destacar que a, Giovanni Alfonse Borelli (1608-1679), napolitano de
origen español discípulo de Galileo y contemporáneo de Isaac Newton, se le conoce
como el padre de la Biomecánica Moderna, por su tratado, “De Motu Animalium"
publicado en 1681, en donde intentó demostrar que los animales eran máquinas.
Analizó aspectos de la acción muscular, tales como la cantidad de fuerza producida
por varios músculos, las pérdidas de fuerza producidas por acciones mecánicas
desfavorables como son las fuerzas de resistencia del aire y del agua. Los trabajos de
Borelli están impregnados de la relación estrecha que guardan los aspectos biofísicos
de la acción muscular y empleó instalaciones para determinar el centro de gravedad
del cuerpo humano. En consecuencia, si estudiamos el movimiento en sí (cinemática
y dinámica), nuestro cuerpo es considerado un conjunto de estructuras rígidas
articuladas que responden a las demandas de las fuerzas actuantes, cambiando de
posición en los diferentes planos del espacio; y si analizamos nuestro diseño
(estático) respondemos ante las fuerzas con cambios en la forma por reorganización
en el orden molecular. (Le Veau, 1991)
Podemos formar así, modelos abstractos del cuerpo humano que reflejan
algunas propiedades determinadas, según la postura física en que nos encontremos:
en reposo o movimiento. La física considera a tu cuerpo, en este momento, en
reposo, ya que estás sentado leyendo; aunque en tu cuerpo hay siempre un
movimiento mínimo (contracciones musculares, circulación sanguínea, etc.). Así
pues, el centro del planeta Tierra atrae en forma permanente a los cuerpos que en él
habitan por ley de gravitación universal. Para el análisis del cuerpo humano debemos
considerarlo como un todo y no como la suma de las partes; para ello debemos tener
en cuenta el concepto de sistema: es el conjunto estructurado en base a elementos o
procesos llamados componentes que interactúan al servicio de una función. (Viladot
Voegeli y col., 2001)
Mecánica del aparato locomotor
El cuerpo humano necesita del movimiento para su desarrollo en la vida donde
se llevan a cabo diversas actividades, que pueden ser voluntarias (desplazarse,
alimentarse, adaptación a circunstancias cambiantes, reproducirse, etc.) e
Aplicación de la física al cuerpo humano mediante un modelo geométrico
Mascareño Sonia Laura; Navarro Silvia Inés; Juarez Gustavo Adolfo
Revista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología
— Volumen 6, Número 3, Diciembre 2015. Página 5
involuntarias (contracción cardiaca, propulsión de la sangre, movimientos
respiratorios, procesos digestivos, etc.), todos estos mecanismos se fundamentan en
los distintos sistemas orgánicos, y en el caso de cada uno de los movimientos del
cuerpo intervienen los huesos, las articulaciones y los músculos; los cuales conforman
un conjunto de estructuras que concretan acciones de moverse y desplazarse.
(Izquierdo, 2000)
El sistema ósteo-artro-muscular, comprende un conjunto de subsistemas
donde su función principal es proporcionar la capacidad de movimiento necesario para
la locomoción, el mantenimiento de la postura, la respiración y también proporciona
soporte físico para los órganos internos. (Pocock y col. 2005).
Los subsistemas: esquelético, muscular y articular, pueden ser estudiados por
la mecánica, al ser considerados componentes anatómicos del aparato locomotor
como elementos mecánicos de una máquina adaptada al movimiento, de tal manera
que se puede realizar la comparación de cada elemento anatómico a un componente
mecánico responsable de una tarea precisa en el desarrollo del movimiento. Según
sea la función y la forma que le corresponde a cada elemento anatómico es posible
deducir el equivalente mecánico; dicha función y forma se relacionan estrechamente
ya que a partir de una puede descubrirse por inducción la otra, evidenciándose la
factibilidad de estudio de la estructura y la función de los principales elementos del
aparato locomotor desde la Física. (Fucci y col., 2003)
Los elementos anatómicos que constituyen el aparato locomotor que trabajan
coordinadamente como estructura, protección y soporte del cuerpo humano están
constituidos por: huesos, articulaciones, músculos, tendones y ligamentos; que son
equivalentes a los elementos mecánicos: palanca, juntas, motores, cables, refuerzo y
cierre. O mejor aún, estos son creados a semejanzas de aquellos. Por lo tanto, para
describir el movimiento del cuerpo humano consideraremos el sistema de
coordenadas tridimensionales, en cuyas áreas divide al cuerpo en cortes o secciones
que siguen un determinado eje o línea de orientación llamado planos que son
ortogonales entre si, ellos son: plano frontal o coronal (XY), plano sagital (YZ), plano
transverso u horizontal (XZ). En consecuencia, para determinar la ubicación del centro
de gravedad (CG) o centro de masa (CM) de un cuerpo hay una diferencia de
Aplicación de la física al cuerpo humano mediante un modelo geométrico
Mascareño Sonia Laura; Navarro Silvia Inés; Juarez Gustavo Adolfo
Revista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología
— Volumen 6, Número 3, Diciembre 2015. Página 6
concepto entre ambos, pero para fines prácticos suelen ubicarse en el mismo punto.
Si el objeto es esférico y homogéneo la masa está distribuida simétricamente,
entonces el CG se encuentra en el centro geométrico del objeto. Si la distribución de
la masa es asimétrica (extremidades del cuerpo humano), el CM se encontrará más
cerca del extremo más grande y pesado. El CM del cuerpo humano con las
extremidades extendidas, como en la posición erecta, se encuentra en el adulto,
aproximadamente por delante de la segunda y tercera vértebra sacra y en la infancia
uno más arriba. Este punto puede variar su posición de una persona a otra
dependiendo de la constitución, edad y sexo. También variará en una persona cuando
la disposición de los segmentos cambia, como ser al caminar, correr o sentarse. Como
este punto representa el CM total, se desplazará al agregar o sustraer peso de alguna
parte del cuerpo, como sucede al colocar un aparato ambulatorio. (Le Veau, 1991)
Los factores biomecánicos definen el equilibrio, que es la capacidad
sensoriomotor que tiene el organismo para conservar el CM, su base de apoyo que
se logra por medio de la interacción de los músculos con las articulaciones, por lo que
el cuerpo puede asumir y sostener una determinada posición respecto a la ley de
gravedad. Por tanto, un cuerpo está en equilibrio cuando, como lo manifiestan las
leyes de Newton están en equilibrio estático o dinámico, y la suma de todas las
fuerzas y momentos que actúan sobre él es igual a cero; siendo dichos equilibrios
estables, inestables o neutros.
El CM del cuerpo humano, es el punto de aplicación de las fuerzas de gravedad
de los distintos segmentos corporales y cuya base de apoyo es el área del cuerpo que
está en contacto con el suelo. En el caso de una persona que está de pie (erecta), la
base de apoyo está formada por el área que hay bajo los pies y el área que hay entre
estos. (Le Veau, 1991; Grünfeld, 1996)
Basándonos en las proporciones del cuerpo humano del Hombre de Vitruvio,
dibujo realizado por Leonardo da Vinci (1492) en la que en uno de sus diarios
acompañan notas anatómicas. Siendo este estudio, realizado a partir de los textos
del arquitecto romano Vitruvio titulados -Vitruvii De Architectura-, y del que el dibujo
toma su nombre. Leonardo declaró haber alcanzado la cuadratura del círculo, y es
Aplicación de la física al cuerpo humano mediante un modelo geométrico
Mascareño Sonia Laura; Navarro Silvia Inés; Juarez Gustavo Adolfo
Revista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología
— Volumen 6, Número 3, Diciembre 2015. Página 7
muy común pensar que la solución dada por él, de este enigma geométrico, se
encuentra en el dibujo del Hombre de Vitruvio. (Biblioteca Leonardo da Vinci, 2000)
Generalmente el concepto de CG se presenta en forma teórica en las clases de Física
y se explica a través de diversas relaciones matemáticas para determinar el centro
de gravedad de sistemas o cuerpos con formas geométricas sencillas. Pero, en una
clase de Física aplicada a la Biomecánica el aprendizaje será significativo al relacionar
el concepto de centro de gravedad con el cuerpo humano, en cuyo caso mucho de
los cálculos teóricos resultan complejos para un curso básico del nivel secundario.
Describimos aquí unas sencillas experiencias de laboratorio para determinar el centro
de gravedad del cuerpo humano y relacionar este concepto con la práctica de la
biomecánica.
METODOLOGÍA
Propuesta de aula
a. Material de trabajo: Para la puesta en práctica de las experiencias se
elaboraron guías de laboratorio, así como material de bajo costo que
permite ensayar arreglos experimentales para los fines de las guías.
El arreglo experimental constaba de dos balanzas (tipo personal) de
apreciación kg1 , cronómetro de apreciación s01,0 , cinta métrica
metálica de apreciación m001,0 , superficie plana y calculadora.
b. Población: La población que sirvió como referente para el estudio,
fue el grupo seleccionado y conformado por 44 alumnos de 5º Año
(distribuidos en dos secciones cada una de 22 alumnos) del Colegio
del Carmen y San José, San Fernando del Valle de Catamarca,
cursando el espacio curricular Física en el área de Ciencias Naturales
según la curricula escolar durante el periodo 2013 - 2014.
c. Modalidad del trabajo de laboratorio: En las clases que
conformaron las actividades teóricas – prácticas. Por un lado, las
clases teóricas referentes a Biomecánica, donde se plantearon las
Aplicación de la física al cuerpo humano mediante un modelo geométrico
Mascareño Sonia Laura; Navarro Silvia Inés; Juarez Gustavo Adolfo
Revista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología
— Volumen 6, Número 3, Diciembre 2015. Página 8
relaciones físico – biológico que permitió analizar cada concepto en
forma aplicada para justificar las distintas posiciones posturales que
presenta el ser humano, y que el alumno pudo observarlo a través
de las experiencias realizadas. Por el otro lado, las clases prácticas
correspondientes a las tareas de laboratorios experimentales,
donde se desarrollaron los temas que corresponden a los
contenidos mínimos de Estática, en el que se desarrollan temas
referentes a los conceptos de: Vectores, Sistemas de fuerzas,
Condiciones de equilibrio de cuerpos sólidos, Estabilidad y
Equilibrio.
Teórico: centro de masa
Se desarrollan los conceptos previos sobre: fuerza; equilibrio; centro de masa;
peso y masa Para luego, presentar la guía de laboratorio explicando en qué consisten
cada uno de los procedimientos. Posteriormente se realiza un control permanente
del trabajo experimental del alumno individual y grupal, con la observación y el
estudio dirigido.
Actividad experimental 1: ¿dónde está ubicado tu cm?
Materiales: superficie plana, cinta métrica, hoja, lápiz y calculadora.
Procedimiento: Al iniciar la experiencia se solicita a los alumnos que indiquen
datos personales: peso corporal, talla corporal y sexo (femenino o masculino), dichos
datos personales son llamados: parámetros antropométricos. Se les solicita que se
apoyen en la pared en posición erecta con los brazos a ambos lados y con los pies
sobre una superficie plana, Figura 1; a continuación, le pide a un compañero/a que
realice la medición de la altura utilizando la cinta métrica desde la cavidad craneana
hasta la planta de los pies, y registra el dato: Altura: … (cm) . Luego, debe colocar
el dedo índice en su ombligo y pide a un compañero/a que mida la distancia desde los
pies hasta el ombligo, Figura 2, y anota el dato: Ubicación del ombligo: … (cm) .
1x
2x
Aplicación de la física al cuerpo humano mediante un modelo geométrico
Mascareño Sonia Laura; Navarro Silvia Inés; Juarez Gustavo Adolfo
Revista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología
— Volumen 6, Número 3, Diciembre 2015. Página 9
Figura 1: Medición de altura (x1)
Figura 2: Medición de la altura del ombligo (x2)
Una vez obtenido estos valores se reemplazan en la siguiente ecuación:
2
21 xxX CM
(1)
A partir de los cálculos realizados pueden determinar ¿qué tan cerca está su
CM de su ombligo? Se repiten los pasos antes mencionados, pero en esta instancia
los alumnos colocan los brazos extendidos sobre la cabeza.
Evaluación: se realiza una puesta en común de los resultados obtenidos por
grupo registrándose en una planilla de control.
Teórico: determinación del centro de masa del cuerpo humano.
Se inicia la clase indagando los conceptos previos (fuerza, peso, CM de cuerpo
irregular, momento de una fuerza, condiciones de equilibrio) a través de lluvias de
ideas. Los alumnos forman grupos y leen la guía de laboratorio presentada por el
docente la cual deben desarrollar. Luego se indaga a los alumnos para verificar la
interpretación de los pasos a seguir planteados en la guía de laboratorio; a través de
un breve interrogatorio y mediante el cual se puede aclarar las dudas que puedan
entorpecer el desarrollo correcto de la experimentación. Se realiza un control
permanente del trabajo experimental del alumno individual y grupal, con la
observación y el estudio dirigido.
Actividad experimental 2: determinación del cm del cuerpo humano
Aplicación de la física al cuerpo humano mediante un modelo geométrico
Mascareño Sonia Laura; Navarro Silvia Inés; Juarez Gustavo Adolfo
Revista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología
— Volumen 6, Número 3, Diciembre 2015. Página 10
Materiales: balanza, cinta métrica, hoja, lápiz y calculadora.
Procedimiento: Con la importancia y el interés desarrollado en los alumnos se
realizó una nueva experiencia para la determinación del CM a modo de completar e
integrar los conceptos generales de Biomecánica. Son diversas las técnicas que
existen, cuyo propósito principal es determinar la ubicación del CM, que está
centrada en la investigación cuantitativa basada en las propiedades y sus relaciones
para desarrollar y emplear modelos matemáticos, teorías e hipótesis que competen
al fenómeno natural en estudio. Con esto, se pretende encontrar respuestas a
preguntas tales como cuál, dónde, cómo, que surgen de la inquietud del alumno/a
por aprender.
Para la determinación del CM del cuerpo humano, se aplicó un método en el
que una persona se coloca apoyando sus manos y sus pies sobre las balanzas, las
cuales indican valores que serán registrados, como así también la distancia existente
entre las manos y los pies, mientras permanece apoyada.
En consecuencia, el peso de un cuerpo es la resultante de un gran número de
fuerzas debida a la gravedad que actúa sobre cada una de las partículas del cuerpo.
Esto significa, que es posible reemplazar al vector suma de las fuerzas gravitatorias
de todas las partículas de un cuerpo con una sola fuerza el peso.
Asimismo, la resultante neta de las torques gravitatorias correspondientes
sobre todas las partículas puede ser reemplazada por el torque debido a esa fuerza
única dónde imaginamos que actúa en un punto del cuerpo g llamado centro de
gravedad. Al considerar que la aceleración de la gravedad g , tiene un valor
constante en todos los puntos del cuerpo, se puede aplicar: a) Peso: que está definido
como gM , b) el CM coincide con el CG.
Por las dos condiciones de equilibrio, se considera que la suma de todas las
fuerzas y momentos que actúan sobre el cuerpo es igual a cero. Teniendo en cuenta
los signos de los momentos ejercidos por las fuerzas actuantes según convención
arbitraria. (Giancoli, 1991; Serway, 1993).
Para esta situación se obtiene:
Aplicación de la física al cuerpo humano mediante un modelo geométrico
Mascareño Sonia Laura; Navarro Silvia Inés; Juarez Gustavo Adolfo
Revista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología
— Volumen 6, Número 3, Diciembre 2015. Página 11
01
n
i
iM
02211 FFFF MMM (2)
Siendo: 1M momento de 1F ; 21 FFM momento de la suma 1F y 2F ; 2M
momento de 2F .
XFM (3)
El punto de apoyo o de torsión se ubica en el sitio donde se apoyan los pies. Por
definición de momento de una fuerza, se obtiene:
0222111 XFXFFXF CM
21
2211
FF
XFXFX CM
(4)
Dónde: fuerza registrada en la balanza1; fuerza registrada en la balanza
2; distancia de la al punto de apoyo; distancia de la al punto de apoyo;
distancia entre al punto de apoyo (pies) y el centro de masa de la persona, Figura
3.
Figura 3: Esquema de las fuerzas aplicadas en la posición horizontal ventral. [Fuente: Cramer A.H. (1996) Física para las ciencias de la vida. Ed. Reverté, pp.62]
Figura 4: Alumna colocada en posición horizontal ventral
Los procedimientos a seguir para llevar a cabo la experiencia constan de los
siguientes pasos:
1) Selección de un integrante del grupo de trabajo y se mide su talla con la cinta métrica y su peso con una balanza.
1F 2F
1X 1F 2X 2F
X
Aplicación de la física al cuerpo humano mediante un modelo geométrico
Mascareño Sonia Laura; Navarro Silvia Inés; Juarez Gustavo Adolfo
Revista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología
— Volumen 6, Número 3, Diciembre 2015. Página 12
2) Medir la altura a la que se encuentra el ombligo del integrante seleccionado.
3) Ubicar las balanzas en forma alineada y separadas de manera que el integrante seleccionado apoye sus manos y pies, Figura 4.
4) Anotar los valores que marca cada balanza.
5) Medir la distancia de separación entre las manos y los pies:
6) Calcular el CM a partir de la ec. (5).
7) Completar la tabla con los valores obtenidos, y determinar el error cometido.
8) Repetir los pasos anteriores con los compañeros de grupo.
Evaluación: se realiza una puesta en común de los resultados obtenidos por
grupo registrándose en una planilla de control.
Teórico: el modelo geométrico del cuerpo humano
Se desarrollan los conceptos previos de: leyes de escala, cuerpo humano y
apreciación del instrumento de medición.
Se inicia la clase con preguntas motivadora: ¿Será posible representar de
alguna manera el cuerpo de cada uno de los alumnos? ¿Cómo?; ¿Dónde se ubica el CM
de los varones con respecto al de las mujeres?; ¿Por qué, el CM varía en cada uno de
los alumnos? Los alumnos forman grupos, analizan y proponen respuestas a las
preguntas presentadas. Luego se les presenta la guía de laboratorio, la leen y
desarrollan los pasos presentados en la misma. Se realiza un control permanente del
trabajo experimental del alumno individual y grupal, con la observación y el estudio
dirigido.
Actividad experimental 3: el modelo geométrico del cuerpo humano
Materiales: cinta métrica, hoja, lápiz y calculadora.
Procedimiento: Para plantear el modelo geométrico se tuvieron en cuenta
aproximaciones geométricas, que consistieron en la determinación de las medidas de
dimensiones antropométricas: peso corporal, talla y las longitudes de los segmentos
)( 2x
Aplicación de la física al cuerpo humano mediante un modelo geométrico
Mascareño Sonia Laura; Navarro Silvia Inés; Juarez Gustavo Adolfo
Revista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología
— Volumen 6, Número 3, Diciembre 2015. Página 13
de los alumnos que participaron además de datos como sexo y edad; utilizándose
para ello, diversos tipos de medidas, tanto simples (cinta métrica) como complejas
(extraídas de fotografías), para estimar la ubicación del CM respecto al error
generado en la apreciación de las medidas anatómicas.
Cabe aclarar, que las muestras experimentales registradas corresponden
mayoritariamente a las alumnas mujeres que a la de alumnos varones (cuyo registro
áulico es escaso). De esta manera, consideramos que la masa ósea es la que mayor
porcentaje aporta a la forma segmentaria, y que ésta se encuentra repartida
mayoritariamente en el CM del segmento, es decir, que el vector definido por los
puntos proximal y distal deben coincidir con el eje longitudinal medial del segmento.
A continuación, cada alumno realizó un esquema alámbrico o segmentario a escala
respectando sus medidas antropométricas, donde ubicaría el CM, en un punto
localizado a lo largo del eje formado por la unión de los centros geométricos de los
rectángulos (éstos centros geométricos podrían ser los centros de rotación articular,
pero no se corresponderían con puntos epidérmicos superficiales), tal como se
muestran en las Figuras 5 y 6.
En base a la ec. (4), a continuación se procede a identificar las coordenadas de
dichos puntos localizados a lo largo de los ejes, la cual se multiplica cada una de estas
coordenadas por el peso relativo del segmento correspondiente, y se obtienen por
sumatoria las coordenadas del CM corporal, quedando la ecuación definida como en
(5), donde iX es el vector posición y iw el módulo del peso de cada segmento
corporal respecto al peso corporal total:
n
i
i
n
i
ii
CM
w
wX
X
1
1 (5)
Aplicación de la física al cuerpo humano mediante un modelo geométrico
Mascareño Sonia Laura; Navarro Silvia Inés; Juarez Gustavo Adolfo
Revista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología
— Volumen 6, Número 3, Diciembre 2015. Página 14
Figura 5: Medidas corporales Figura 6: Modelo geométrico a escala realizadas por los alumnos
Evaluación: se realiza una puesta en común de los resultados obtenidos por
cada grupo que corresponde al modelo geométrico creado, el cual permite
posteriormente verificar mediante la simulación los resultados experimentales
obtenidos.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
De acuerdo a la ec. (5) se obtiene el valor del peso relativo de cada segmento
corporal con respecto al peso corporal total (considerados aproximadamente iguales
21 ww ). De los datos experimentales correspondiendo a las alumnas mujeres, las
simulaciones que se obtienen son:
Posición erecta normal con los brazos hacia abajo: de acuerdo a los resultados obtenidos en las Figuras 1 y 2, la ubicación del CM se halla con un error de (1,30 ± 0,07m), la cual depende de la posición de equilibrio respecto a la base de sustentación delimitada por los pies, el peso y la talla, es decir, que el organismo es un sistema multisegmentario que logra controlar el equilibrio de diferentes maneras en las que intervienen multitud de articulaciones, Figura 7.
Posición erecta normal con los brazos extendidos sobre la cabeza: se obtuvo la ubicación del centro de masa con un error (1,43 ± 0,16 m) dependiendo de las condiciones de equilibrio establecido respecto a la base de sustentación, al peso y talla respectivamente.
Aplicación de la física al cuerpo humano mediante un modelo geométrico
Mascareño Sonia Laura; Navarro Silvia Inés; Juarez Gustavo Adolfo
Revista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología
— Volumen 6, Número 3, Diciembre 2015. Página 15
Figura 7: Simulación de la ubicación del CM. Posición erecta con brazos hacia abajo
Posición horizontal ventral: de acuerdo a la ec. (5), el modelo geométrico propuesto permitió verificar la ubicación del CM teniendo en cuenta que los momentos que actúan sobre las articulaciones se deben a fuerzas producidas por los músculos con diferentes puntos de inserción. Sin embargo, se supondrá que el momento neto (resultante) de todos los músculos que actúan sobre una articulación intervienen de forma puntual sobre ella, la simulación representa el efecto neto de la actividad muscular sobre la articulación, tal se mostró en la Figura 4.
Por lo tanto, de los resultados obtenidos la ubicación del CM se halla a (0,90 ± 0,07
m), depende de la fuerza muscular generada por el sujeto y de la rigidez de la
superficie de apoyo, que a su vez, puede producir cambios en la ubicación del CM,
dependiendo de los movimientos anteroposteriores y laterales de la cadera, que
influyen en la estabilidad de la postura y de su relación con el resto del organismo, el
cual configura una región donde el sujeto es capaz de mantener el equilibrio sin
caerse, Figura 8.
Mujeres
0
0,5
1
1,5
0,2
9
0,3
1
0,3
2
0,3
2
0,3
3
0,3
4
0,3
5
0,4
0
0,6
2
0,7
3
Xc
g (
m)
Distancia Xcg al Ombligo (m)
Posición erecta
Mujeres
Varones
Aplicación de la física al cuerpo humano mediante un modelo geométrico
Mascareño Sonia Laura; Navarro Silvia Inés; Juarez Gustavo Adolfo
Revista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología
— Volumen 6, Número 3, Diciembre 2015. Página 16
Figura 8: Simulación de la ubicación del CM respecto al tiempo. Posición horizontal ventral
El énfasis que se puso en ésta actividad experimental en la que se tuvo en
cuenta la composición del hombre de Vitruvio tal y como fue ilustrada por Leonardo
da Vinci basada en las dimensiones del cuerpo humano, siendo posible establecer la
relación estrecha que guardan los aspectos físicos y biológicos de la acción muscular
que sirven para determinar el CM del cuerpo humano, tal lo consideró Giovanni
Borelli, y también considerar la composición en la racionalización de la geometría.
CONCLUSIÓN
En este trabajo, se destaca la importancia de transformar los contenidos que
la enseñanza tradicional transmite como conocimientos cerrados y acabados, en
actividades estimulantes a través de los cuales los alumnos pueden reconstruir los
conocimientos científicos, adquiriendo destrezas experimentales y tomando
contacto directo con el problema metodológico y práctico del proceso de medición,
para así cambiar sus visiones del mundo desde un punto de vista interdisciplinario.
Esto se evidencia, a través de las conexiones entre física, biología, matemática y
geometría, que fortalecen su relación para construir el modelo geométrico obtenido
a partir de los resultados experimentales. Además, desde el punto de vista didáctico,
permite el desarrollo integrado de actividades intelectuales, habilidades y destrezas
que adquiere el alumno en todo el proceso enseñanza - aprendizaje.
Aplicación de la física al cuerpo humano mediante un modelo geométrico
Mascareño Sonia Laura; Navarro Silvia Inés; Juarez Gustavo Adolfo
Revista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología
— Volumen 6, Número 3, Diciembre 2015. Página 17
REFERENCIAS
Bachelard G. (1972) Formación del espíritu científico. Bs As.: Ed. Siglo XXI.
Biblioteca Leonardo da Vinci (2000) Leonardo, anatomía y vuelo. Madrid: Editorial Tikal.
Susaeta Ediciones.
Cramer A.H. (1996) Física para las ciencias de la vida. Ed. Reverté, pp.62
Extremiana Aldana J. I. La Divina Proporción. España. Universidad de la
Rioja.http://www.8va.cl/OpenSite.aspx?Sc_Id=912312614 -
http://www.portalplanetasedna.com.ar/divina_proporcion.htm . (visitada junio
2013)
Fucci, S.; Benigni, M y Fornasar, V. (2003) Biomecánica del aparato locomotor aplicada
al acondicionamiento muscular. Ed. El Sevier (4° ed.).
Ganong, Williams F. (1992) Fisiología Médica (13ra Edición). El Manual Moderno S.A. de
CV.
Giancoli, Douglas C. (1991) FISICA. Principios con Aplicaciones. (3ra edición). Prentice -
Hall Hispanoamericana S.A.
Grünfeld, Verónica (1996) Mecánica del Cuerpo Humano. Instituto Balseiro. Bariloche.
Izquierdo, M (2000) Biomecánica y bases neuromuscula res de la actividad física y el
deporte. Madrid: Editorial Medica Panamericana.
Kelso, J. A. S., & Schöner, G. (1988). Self-organization of coordinative movement
patterns. Human Movement Science, 7, 27-46.
Muñoz J.C., Cassibba R., Castro H., Holtz W., Muñoz P.D., Vinagre A. (2009) Errors
involved to determine the center of gravity of the human body through the stick
figure (2D). Anales AFA. Vol. 21 (251- 258).
Palastanga N., Field D., Soames R. (2008) Anatomía y movimiento hum ano. Estructura y
funcionamiento. España: Editorial Paidotribo. Barceló.
Pocock G. y Richards C. (2005) Fisiología Humana: la base de la medicina España: Editorial
Masson (2° edición)
Serway, R. A. (1993) Física. Tomo II (3ra edición).McGraw -Hill
Viladot Voegeli A. y col. (2001) Lecciones básicas de Biomecánica para el aparato
locomotor. España: Editorial Springer.