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5 proyectos de ciencia en biomecánica con un smartphone

Actualizado: 4 may 2023

¿Sabes que la biomecánica permite a los deportistas potenciar su rendimiento aplicando las leyes de la mecánica a los seres vivos?


En este artículo te proponemos 5 experimentos para realizar en clase o en casa con su teléfono inteligente para comprender qué es la biomecánica y utilizar la tecnología digital para la educación científica basada en la investigación.


Tabla de contenidos


¿Qué es la biomecánica?


La biomecánica es una rama de la ciencia que estudia los movimientos y fuerzas que actúan sobre los organismos vivos, utilizando principios de la física, la mecánica y la biología.


Se utiliza la biomecánica en el campo de la salud, por ejemplo para ayudar a personas mayores a mejorar su autonomía, o personas con discapacidades físicas. También se usa en el deporte para mejorar el rendimiento de los deportistas.


Para llevar a cabo sus estudios, el investigador en biomecánica utiliza sobre todo su intuición y su estudio de los temas. Como escribió Leonardo da Vinci, el primer biomecánico:

“El buen pintor debe pintar principalmente dos cosas, la persona y su estado de ánimo. La primera es fácil, la segunda difícil, porque debe representarse a través de los gestos y movimientos de los miembros.


El biomecánico moderno también utiliza todos los instrumentos científicos disponibles para analizar los movimientos de cada parte del cuerpo. Por ejemplo, los acelerómetros, los giroscopios se pueden conectar a ciertas partes del cuerpo para detectar sus movimientos.


El científico también utilizará una serie de instrumentos que le permiten analizar tEl funcionamiento de músculos y tendones y su capacidad para crear movimiento y transformar energía. por ejemplo, el electromiograma (EMG) permite medir los esfuerzos musculares, lamecanomiograma (MMG) permite medir la actividad vibratoria del músculo durante una contracción. Estos instrumentos permiten obtener el esfuerzo global del músculo durante una contracción.


Finalmente,una de las grandes innovaciones en biomecánica ha sido el uso de cámaras de alta velocidad que, gracias al análisis cinemático, permiten medir los desplazamientos de cada parte del cuerpo durante un movimiento. Podemos utilizar la cronofotografía, que consiste en tomar imágenes sucesivas a gran velocidad, o el vídeo.


Para descubrir más sobre la biomecánica, visite el sitio web de la sociedad de biomecánica.


¿Por qué debería usar un teléfono inteligente en biomecánica?


Todos pueden realizar análisis biomecánicos con un teléfono inteligente. Estos poderosos instrumentos científicos le dan acceso a tres tipos de datos:

1. Datos de los sensores del teléfono inteligente

2. Videos tomados con la cámara

3. Sensores Bluetooth externos


Los teléfonos inteligentes integran muchos sensores como acelerómetros, giroscopios, magnetómetros, que permiten conocer con precisión la posición de un cuerpo o de una parte de un cuerpo. La frecuencia de adquisición de datos de estos sensores es superior a 150 datos por segundo, por lo que es suficiente para realizar análisis detallados.


También podemos usarla cámara del teléfono inteligente para grabar videos de movimiento y luego realizar un análisis cuadro por cuadro. FizziQ de módulo de cinemática le permite hacer este tipo de análisis directamente con la computadora portátil. La mayoría de los teléfonos también pueden disparar en cámara lenta, a veces hasta 240 fotogramas por segundo, lo que permite al estudiante obtener mediciones aún más precisas.


Finalmente también podemos conectar sensores externos, menos engorrosos por parte del atleta que deseamos estudiar. En el entorno escolar o universitario, puede utilizar fácilmente microcontroladores como Arduino, Micro:Bit o M5 Stack. Estos dispositivos registrarán datos que pueden transmitirse a un dispositivo de adquisición.



¿Cómo calcula mi smartphone el número de pasos diarios y la distancia?


¿Alguna vez te has preguntado cómo mide tu smartphone las distancias que has caminado?


En FizziQ, seleccione el acelerómetro para medir la aceleración absoluta (también llamada aceleración con g), comience a grabar y ponga su teléfono inteligente en su bolsillo. Camina unos pasos y deja de grabar.


Ves picos que corresponden a cada paso. De hecho, cuando pones el pie en el suelo, el teléfono inteligente en tu bolsillo deja de moverse repentinamente y la aceleración aumenta repentinamente. Si el software cuenta el número de picos, podrá contar el número de pasos.


¿Cómo pasas del número de pasos a la distancia? Su teléfono inteligente lo solicitó para su altura, en la sección de salud, cuando inició sesión por primera vez. A partir de la altura, el software deduce la longitud típica del paso para el propietario del teléfono inteligente y luego una distancia con el número de pasos.


Este método de medición es realmente muy preciso. Así es como él Egipcios y griegos de la antigüedad procedieron a medir distancias. Los bematistas, o topógrafos, tenían fama de tener un paso regular y buena memoria para no olvidar la cantidad de pasos. ¡Hemos verificado que las mediciones de distancia que hicieron a menudo tenían menos del 1% de precisión en comparación con los cálculos modernos para distancias de 500 km y más!


Al estudiar el gráfico con mayor precisión, también podrá detectar las diferentes fases del movimiento de la pierna. Por ejemplo, ¿qué movimiento corresponde a la meseta en medio de los dos picos? ¿Se puede detectar una regularidad de movimiento?¿Podríamos detectar que estamos cojeando solo estudiando el gráfico? ¿Cómo calcula el smartphone también las escaleras que subes?


Para llevar a cabo esta experiencia en FizziQ, ve a nuestra actividad: "Construye tu propio podómetro"



¿Dónde está el centro de gravedad de un buzo?

Si lanzamos una pelota al aire y despreciamos la fricción, describe una parábola.. Pero, ¿qué pasa con un buzo que realiza un salto mortal? ¿Su centro de gravedad realmente describe una parábola?


Para estudiar esta cuestión podemos ir a la piscina y filmar a un atleta zambulléndose. Si no tienes una piscina cerca de tu casa, puedes usar el video del buzo de la videoteca de cinemática.



Estudiemos el video en el módulo de cinemática de FizziQ. El uso de este módulo se describe en este tutorial.


Realizamos varias medidas sucesivas. En la primera apuntaremos únicamente la cabeza del atleta. En un segundo señalaremos sus pies. Si dibujamos curvas en el cuaderno de experimentos, vemos que estas curvas son extremadamente diferentes. Desde el punto de vista físico es muy difícil modelar estos movimientos.


Las leyes de la mecánica afirman por otra parte que la trayectoria descrita por el centro de gravedad de un cuerpo en caída libre sin fricción es una parábola. Si somos capaces de trazar el centro de gravedad de cada imagen, deberíamos obtener una curva resultante que es una parábola. A veces está fuera del cuerpo del atleta. ¿Puedes encontrarlo en cada imagen?



¿Puede un acelerómetro medir la frecuencia cardíaca?


Un corazón que late crea una presión regular sobre la caja torácica, pero¿Son estos pequeños golpes lo suficientemente fuertes como para ser detectados por el acelerómetro de un teléfono inteligente? ¿Qué se puede deducir del análisis?



Vamos a acostarnos, entonces seleccione la aceleración lineal transversal en la aplicación FizziQ, presione el botón de grabación y coloque la computadora portátil en nuestro corazón.


Después de 5 segundos, dejamos de registrar y estudiemos el gráfico. Para ver los latidos, se puede recalibrar el gráfico presionando el botón de escala. Puedes ver claramente los diferentes ritmos.y puedes medir su frecuencia, el ritmo cardíaco, con la lupa.


También podemos estudiar la regularidad de este ritmo. ¡Por supuesto, es necesario consultar a un médico si el ritmo es irregular!


Sorprendentemente, el acelerómetro también es lo suficientemente sensible para detectar muchos otros elementos como, por ejemplo, la onda T. que es el segundo pico y que aparece en el primer tercio de la duración del latido. Esta pulsación corresponde a la "repolarización de los ventrículos", es decir, los miocitos ventriculares "se relajan" y se recargan para poder despolarizarse nuevamente.


El corazón es una máquina compleja, pero es impresionante que incluso con un dispositivo comercial, podemos realizar análisis sobre nuestra salud y comprender mejor el funcionamiento de nuestros órganos.




¿Cómo salta más alto un saltador de pértiga?


Se podría pensar que el salto con pértiga es una simple transformación de energía cinética en energía potencial, pero la realidad es muy diferente: por un movimiento de rotación y luego de empuje, el saltador de pértiga aporta más de un tercio de energía además, lo que permite al atleta ir significativamente más alto.


Para probar esta afirmación,realizamos un análisis cinemático en el video del saltador de pértiga que está en la videoteca.


El análisis detallado del balance de energía, que se puede encontrar en nuestro artículo dedicado al salto con pértiga, muestra que hay tres fases de entrada de energía que gradualmente se transformarán en energía potencial: energía cinética de la carrera antes del despegue debido a la carrera, el vuelco de alrededor de 1,3 s en el que el atleta usa sus abdominales para girar y el vuelco de alrededor de 1,8 s donde se extiende verticalmente.


Cada una de estas acciones proporciona energía adicional para que el atleta llegue más alto. Si descuidamos las pérdidas,podemos estimar la energía elástica en el punto de máxima compresión: es la diferencia entre la energía mecánica inicial y la energía mecánica en este punto, es decir, aproximadamente 1300 J. La energía potencial necesaria para pasar del punto de inflexión al apogeo es de aproximadamente 2000 J,calculamos la energía añadida por el atleta durante la fase de vuelo de al menos 700 J, es decir el equivalente a una ganancia de altura de al menos 1,30 m!


La complejidad del movimiento del salto con pértiga se debe a que la ejecución exige tanto la buena transformación de la carrera en energía elástica y su retorno a energía potencial, como también aportar energía adicional durante la fase de vuelo para ganar aún más. que un metro! Buena coordinación!!



¿Es mejor correr con zapatillas o descalzo?


Algunos deportistas corren descalzos pero los ortopedistas no recomiendan esta práctica, ¿por qué?


Para averiguarlo, usemos el acelerómetro de nuestro teléfono inteligente, que podemos deslizar en nuestro bolsillo. Seleccionamos el aceleración absoluta, iniciamos la grabación y en una carretera, o pista, corremos descalzos con zancada regular durante unos diez segundos. Después de agregar los datos al cuaderno de experimentos, comenzamos de nuevo con zapatillas.


Analizar los datos y comparar los dos gráficos de datos muestra varias cosas interesantes, la primera de las cuales es que correr es un ejercicio muy exigente para las rodillas.


En efecto,las aceleraciones máximas son aproximadamente 5 veces la aceleración de la gravedad, esto quiere decir que las rodillas aguantan 5 veces nuestro peso con cada zancada, a veces hasta 7 veces. Si pesas 75 kg, eso puede ser media tonelada! ¿No es increíble que nuestro cuerpo pueda resistir tales esfuerzos continuamente?


Si ahora comparamos las dos gráficas, vemos que los valores máximos de aceleración cuando se calzan zapatillas son de media un 15% más bajos que cuando se corre descalzo. ¡Por lo tanto, hay una ventaja significativa en usar zapatos que absorban bien los golpes para preservar la salud de nuestras articulaciones!


En conclusión


La biomecánica, o la ciencia de los movimientos y las fuerzas que actúan sobre los organismos vivos, es una apasionante rama de la física. Sencillos experimentos que se pueden ofrecer a los alumnos de secundaria permiten abordar temas del programa o abrir el campo de reflexión de los alumnos a través de la experimentación y el método de investigación científica.


Con la proximidad de los Juegos Olímpicos, ¡aquí hay una herramienta más para interesar a los estudiantes en la ciencia!



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