FIGURA 4.2. Las tres clases de sistemas de palanca. Clase 1: fulcro en el centro; clase 2: carga o resistencia en el centro, y clase 3: potencia en el centro.
Las palancas se clasifican habitualmente en virtud de la disposición de las dos fuerzas que actúan sobre ellas (potencia y resistencia) y del punto de rotación o fulcro (3). La figura 4.2 ilustra las tres clases de palancas. Las articulaciones rotacionales del cuerpo humano quedan todas ellas incluidas dentro de alguna de estas tres clases de palanca. Una exposición completa de sus efectos se presenta más adelante en este capítulo, aunque antes analizaremos el concepto de fuerza, tal como se considera en la aplicación de un sistema de palanca o como se crea mediante la contracción de un músculo.
Leyes mecánicas del movimiento
En el estudio de caso 4.1, una mujer produce una fuerza de contracción utilizando los flexores del codo, flexionando de manera forzada el codo contra la carga de una pesa (v. fig. 4.1). El conocimiento de los efectos mecánicos de estos movimientos depende de la información que se tenga sobre la noción de fuerza. La primera definición de fuerza y la primera expresión matemática del concepto fueron elaboradas por Isaac Newton (1643-1727) y presentadas en su histórica obra Philosophiae naturalis principia mathematica, genéricamente conocida como Principios (6). La traducción del latín del título Principios matemáticos de la filosofía natural suele ser la utilizada en el ámbito de la física actual. En este texto, Newton aunó los trabajos de otros científicos, como Galileo Galilei (1564-1642), y aportó las leyes matemáticas que permiten el cálculo de los principios físicos que rigen el movimiento causado por las fuerzas. En la tabla 4.1 se resumen estas leyes, tanto para el movimiento recto (lineal) como para el rotacional (angular). Los diversos términos mecánicos se explican a lo largo de este capítulo. A continuación se incluye una breve exposición de la naturaleza de cada una de estas leyes y de su importancia para la actividad física.
Ley de la inercia (1.a ley): explica la naturaleza física de una fuerza. La inercia se define como la resistencia que un objeto presenta al cambiar de estado de movimiento (velocidad). Para superar la inercia del objeto, es necesario aplicar una fuerza. La inercia lineal (en línea recta) de un objeto es proporcional a su masa.
Fuerza
Unidades del Sistema Internacional: newtons (N) = 1 kg · 1 m/s2
Unidades anglosajonas: libras (lb)
Conversión: 1 lb ≈ 4,45 N
Ley de la aceleración (2.a ley): esta ley proporciona la ecuación matemática para calcular la dimensión de la magnitud de una fuerza. Una fuerza es proporcional al producto de la masa de un objeto multiplicada por su aceleración (F = ma). La fuerza se mide en newtons: 1 kg · 1 m/s2.
F = m · a (Ec. 4.1)
Ley de la reacción (3.a ley): explica que una fuerza no puede actuar por sí sola sobre un objeto. Cualquier fuerza que actúa sobre un objeto siempre va acompañada de otra fuerza (de reacción), igual en magnitud (dimensión) y contraria en dirección.
| TABLA 4.1 LEYES DEL MOVIMIENTO DE NEWTON | ||
| Ley | Movimiento lineal | Movimiento angular |
| 1. Ley de la inercia | Un objeto en reposo permanece en reposo y un objeto en movimiento se mantiene en movimiento a la misma velocidad y en la misma dirección, a no ser que intervenga sobre él una fuerza externa. | Un objeto mantiene una velocidad angular constante a no ser que intervenga sobre él un momento de fuerza (torque) externo. |
| 2. Ley de la aceleración | La aceleración lineal de un objeto es producida por una fuerza directamente proporcional a dicha fuerza e inversamente proporcional a la masa del objeto.Ecuación: F = m · a | La aceleración angular de un objeto es producida por un momento de fuerza (torque) directamente proporcional a dicho momento e inversamente proporcional al momento de inercia del objeto.Ecuación: M = I · α |
| 3. Ley de la reacción | Para cada fuerza existe una fuerza de reacción igual en magnitud y contraria en dirección. | Para cada momento de fuerza (torque) existe un momento de fuerza de reacción igual en magnitud y contrario en dirección. |
CANTIDADES VECTORIALES
La ecuación 4.1 define la fuerza como el producto de la masa de un cuerpo por su aceleración:
F = m · a
Matemáticamente, esta ecuación constituye un medio para calcular el valor numérico de una fuerza. Sin embargo, a menudo es tan importante comprender la significación física de una fuerza como calcular su magnitud. Por ejemplo, en la figura 4.3, la fuerza de contracción muscular del bíceps braquial de los músculos flexores del codo generada para completar una flexión con pesa, presentada en el estudio de caso 4.1, se descompone en distintas partes dirigidas en paralelo y en perpendicular al antebrazo. Esta división de la fuerza de contracción muscular pone de manifiesto una importante característica de la fuerza: el hecho de que se trata de una magnitud vectorial (4).
Una cantidad vectorial es aquella que, para quedar definida, necesita tanto una magnitud (dimensión, tamaño) como una dirección. Ello la diferencia de las cantidades escalares, que son aquellas que quedan plenamente definidas solo por su magnitud. Como ejemplos de cantidades escalares pueden citarse el número de alumnos de una clase, la velocidad a la que se desplaza un automóvil o el volumen de agua contenido en una jarra. Cada una de estas cantidades escalares queda perfectamente representada solamente por un número (p. ej., los 25 alumnos de una clase).
Las cantidades vectoriales cuentan igualmente con una magnitud o dimensión, pero requieren, además, una dirección. Por ejemplo, si se considera un hombre que intenta levantar una barra en una máquina Smith angulada partiendo de una posición de sentadilla, representado en la figura 4.4, la dirección deseada de la barra presenta un ángulo en relación con la vertical. No obstante, a medida que el hombre se levanta hasta alcanzar la bipedestación, es probable que la fuerza que produce se dirija verticalmente. Una parte (o componente) de esta fuerza se dirigirá a lo largo de la guía de deslizamiento de la barra en la máquina Smith. Otro componente de la fuerza se orientará en sentido perpendicular a esta línea de deslizamiento, no contribuyendo a la elevación de la barra. La dirección de cada vector representado en la figura 4.4 es esencial para comprender el efecto físico del ejercicio de sentadillas en la máquina Smith. El proceso en el que la fuerza generada por la realización individual de una sentadilla en la máquina se descompone en vectores componentes se conoce como resolución vectorial. Los vectores suelen consignarse en letra negrita (p. ej., F) para diferenciarlos de las cantidades escalares.
Los vectores suelen consignarse en negrita (p. ej., F) para diferenciarlos de las cantidades escalares.
FIGURA 4.3. Ilustración de la fuerza de contracción del músculo (F) generada por el bíceps braquial al realizar una flexión con barra de pesas. Las fuerzas dirigidas en sentido perpendicular (F⊥) y paralelo (F||) al antebrazo se comentan en el texto.