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5 projetos científicos em biomecânica com um smartphone

Atualizado: 16 de mai. de 2023

Você sabia que a biomecânica permite que os atletas aumentem seu desempenho aplicando as leis da mecânica aos seres vivos?


Neste artigo propomos 5 experiências para serem realizadas em sala de aula ou em casa com seu smartphone para entender o que é biomecânica e usar a tecnologia digital para educação científica baseada em questionamentos.


Índice

O que é biomecânica? -Como usar um smartphone em biomecânica? -Como meu smartphone calcula minha contagem diária de passos? -Onde está o centro de gravidade de um mergulhador? -Um acelerômetro pode medir a frequência cardíaca? -Como um saltador com vara pode pular mais alto? -É melhor correr descalço ou com tênis?


O que é biomecânica?


A biomecânica é um ramo da ciência que estuda os movimentos e forças que atuam sobre os organismos vivos, utilizando princípios da física, mecânica e biologia.


A biomecânica é usada na área da saúde, por exemplo, para ajudar os idosos a melhorar a sua autonomia, ou pessoas com deficiência física. Também é usado no esporte para melhorar o desempenho dos atletas.


Para realizar seus estudos, o pesquisador biomecânico utiliza sobretudo sua intuição e seu estudo dos sujeitos. Como Leonardo da Vinci, o primeiro biomecânico, escreveu:

“O bom pintor deve pintar principalmente duas coisas, a pessoa e seu estado de espírito. A primeira é fácil, a segunda difícil, porque deve ser representada através dos gestos e movimentos dos membros.


O biomecânico moderno também usa todos os instrumentos científicos disponíveis para analisar os movimentos de cada parte do corpo. Por exemplo, acelerômetros, giroscópios podem ser anexados a certas partes do corpo para detectar seus movimentos.


O cientista também usará uma série de instrumentos que lhe permitem analisar o

funcionamento dos músculos e tendões e sua capacidade de criar movimento e transformar energia. Por exemplo, oeletromiograma (EMG) permite medir os esforços musculares, o amecanomiograma (MMG) torna possível medir a atividade vibratória do músculo durante uma contração. Esses instrumentos permitem obter o esforço global do músculo durante uma contração.


Finalmente,uma das grandes inovações da biomecânica foi o uso de câmeras de alta velocidade que, graças à análise cinemática, permitem medir os deslocamentos de cada parte do corpo durante um movimento. Podemos usar a cronofotografia, que consiste em tirar imagens sucessivas em alta velocidade, ou o vídeo.


Para saber mais sobre biomecânica, visite o site da sociedade de biomecânica.


Por que devo usar um smartphone em biomecânica?


Todos podem realizar análises biomecânicas com um smartphone. Esses poderosos instrumentos científicos lhe dão acesso a três tipos de dados:

1. Dados dos sensores do smartphone

2. Vídeos feitos com a câmera

3. Sensores Bluetooth externos


Os smartphones integram muitos sensores, como acelerômetros, giroscópios, magnetômetros, que permitem conhecer com precisão a posição de um corpo ou parte de um corpo. A frequência de aquisição de dados desses sensores é superior a 150 dados por segundo, portanto suficiente para fazer análises detalhadas.


Também podemos usara câmera do smartphone para gravar vídeos de movimento e, em seguida, realizar a análise quadro a quadro. FizziQ módulo de cinemática permite que você faça esse tipo de análise diretamente com o laptop. A maioria dos telefones também pode gravar em câmera lenta, às vezes até 240 quadros por segundo, permitindo que o aluno obtenha medições ainda mais precisas.


Finalmente podemos também conecte sensores externos, menos incômodos nas partes do atleta que desejamos estudar. No ambiente escolar ou universitário, você pode facilmente usar microcontroladores como Arduino, Micro:Bit ou M5 Stack. Esses dispositivos gravarão dados que podem ser transmitidos a um dispositivo de aquisição.



Como meu smartphone calcula a contagem de passos diários e a distância?



Você já se perguntou como seu smartphone mede as distâncias que você caminhou?


No FizziQ, selecione o acelerômetro para medir o aceleração absoluta (também chamada de aceleração com g), comece a gravar e coloque o smartphone no bolso. Dê alguns passos e pare de gravar.


Você vê picos que correspondem a cada etapa. De fato, quando você coloca o pé no chão, o smartphone em seu bolso para de se mover repentinamente e a aceleração aumenta repentinamente. Se o software contar o número de picos, ele poderá contar o número de passos.


Como você vai do número de passos para a distância? Seu smartphone solicitou sua altura, na seção de saúde, quando você fez login pela primeira vez.A partir da altura, o software deduz o comprimento típico do passo para o proprietário do smartphone e, em seguida, uma distância com o número de passos.


Este método de medição é realmente muito preciso. É assim que o Egípcios e gregos dos tempos antigos passou a medir distâncias. Os batistas, ou agrimensores, tinham a reputação de ter um passo regular e uma boa memória para não esquecer o número de passos. Verificamos que as medições de distância feitas por eles geralmente tinham menos de 1% de precisão em comparação com os cálculos modernos para distâncias de 500 km e mais!


Ao estudar o gráfico com mais precisão, você também poderá para detectar as diferentes fases do movimento da sua perna. Por exemplo, que movimento corresponde ao platô no meio dos dois picos? É possível detectar uma regularidade de movimento?Poderíamos detectar que estamos limpando apenas estudando o gráfico? Como o smartphone também calcula as escadas que você sobe?


Para realizar esta experiência no FizziQ, vá para nossa atividade: "Construa seu próprio pedômetro"



Onde está o centro de gravidade de um mergulhador?

Se lançarmos uma bola para o ar e desprezarmos o atrito, ela descreverá uma parábola. Mas e um mergulhador dando uma cambalhota? Seu centro de gravidade realmente descreve uma parábola?


Para estudar esta questão, podemos ir à piscina e filmar um atleta mergulhando. Se não tem piscina perto de casa, pode usar o vídeo do mergulhador da videoteca de cinemática.



Vamos estudar o vídeo no módulo de cinemática do FizziQ. O uso deste módulo é descrito neste tutorial.


Fazemos várias medidas sucessivas. Na primeira vamos apontar apenas a cabeça do atleta. Em um segundo vamos apontar para seus pés. Se desenharmos curvas no caderno de experimentos, veremos que essas curvas são extremamente diferentes. Do ponto de vista físico é muito difícil modelar esses movimentos.


As leis da mecânica afirmam por outro lado que a trajetória descrita pelo centro de gravidade de um corpo em queda livre sem atrito é uma parábola. Se formos capazes de traçar o centro de gravidade para cada imagem, devemos obter uma curva resultante que é uma parábola. Às vezes, está fora do corpo do atleta. Você pode encontrá-lo em cada imagem?



Um acelerômetro pode medir a frequência cardíaca?


Um coração batendo cria uma pressão regular na caixa torácica, masesses pequenos choques são fortes o suficiente para serem detectados pelo acelerômetro de um smartphone? O que pode ser deduzido da análise?



Vamos deitar, então selecione a aceleração linear transversal no aplicativo FizziQ, pressione o botão de gravação e coloque o laptop em nosso coração.


Após 5 segundos, vamos parar de gravar e estudar o gráfico. Para ver as batidas, pode-se recalibrar o gráfico pressionando o botão de escala. Você pode ver claramente as diferentes batidas e você pode medir sua frequência, a frequência cardíaca, com a lupa.


Podemos também estudar a regularidade desse ritmo. É claro que é necessário consultar um médico se o ritmo for irregular!


Surpreendentemente, o acelerômetro também é suficientemente sensível para detectar muitos outros elementos, como por exemplo a onda T que é o segundo pico e que aparece no primeiro terço da duração da batida. Essa pulsação corresponde à "repolarização dos ventrículos", ou seja, os miócitos ventriculares "relaxam" e se recarregam para poderem se despolarizar novamente.


O coração é uma máquina complexa mas é impressionante que mesmo com um aparelho comercial possamos fazer análises sobre nossa saúde e entender melhor o funcionamento de nossos órgãos!




Como um saltador com vara pula mais alto?



Pode-se pensar que o salto com vara é uma simples transformação de energia cinética em energia potencial, mas a realidade é bem diferente: por um movimento de rotação e depois de empurrão, o saltador traz mais de um terço de energia além, o que permite ao atleta ir significativamente mais alto.


Para provar esta afirmação,realizamos uma análise cinemática do vídeo do saltador com vara que está na videoteca.


A análise detalhada do balanço de energia, que pode ser encontrada em nosso artigo dedicado ao salto com vara, mostra que existem três fases de entrada de energia que serão gradualmente transformadas em energia potencial:energia cinética da corrida antes da decolagem devido à corrida, o capotamento em torno de 1,3s em que o atleta usa seu abdômen para girar e o capotamento em torno de 1,8s onde ele se estende verticalmente.


Cada uma dessas ações fornece energia adicional para o atleta ir mais alto. Se negligenciarmos as perdas,podemos estimar a energia elástica no ponto de compressão máxima: é a diferença entre a energia mecânica inicial e a energia mecânica neste ponto, ou seja, aproximadamente 1300 J. Energia potencial necessária para passar do ponto de inflexão ao apogeu sendo cerca de 2000 J,calculamos a energia adicionada pelo atleta durante a fase de voo de pelo menos 700 J, ou seja, o equivalente a um ganho de altura de pelo menos 1,30m!


A complexidade do movimento do salto com vara se deve ao fato de que a performance exige tanto a boa transformação da corrida em energia elástica e seu retorno em energia potencial, como também fornecer energia adicional durante a fase de voo para ganhar ainda mais mais de um metro! Boa coordenação!!



É melhor correr com tênis ou descalço?


Alguns atletas correm descalços mas os ortopedistas não recomendam essa prática, por quê?


Para descobrir, vamos usar o acelerômetro do nosso smartphone, que podemos guardar no bolso. Nós selecionamos o aceleração absoluta, iniciamos a gravação e em uma estrada, ou pista, corremos descalços com passadas regulares por cerca de dez segundos. Depois de adicionar os dados ao caderno de experimentos, começamos novamente com tênis.


Analisar os dados e comparar os dois gráficos de dados mostra várias coisas interessantes, a primeira delas é que correr é um exercício muito desgastante para os joelhos.


De fato,as acelerações máximas são aproximadamente 5 vezes a aceleração da gravidade, isso significa que os joelhos suportam 5 vezes o nosso peso a cada passada, às vezes até 7 vezes. Se você pesa 75 kg, isso pode ser meia tonelada! Não é incrível que nosso corpo resista continuamente a tais esforços?


Se compararmos agora os dois gráficos, vemos que os valores máximos de aceleração ao usar tênis são em média 15% menores do que ao correr descalço. Há, portanto, uma vantagem significativa em usar sapatos que absorvem bem os choques para preservar a saúde de nossas articulações!


Para concluir


A biomecânica, ou a ciência dos movimentos e das forças que atuam nos organismos vivos, é um ramo empolgante da física. Experimentos simples que podem ser oferecidos aos alunos do ensino médio permitem abordar temas do programa ou abrir o campo de reflexão dos alunos por meio da experimentação e do método de investigação científica.


Com a proximidade dos Jogos Olímpicos, eis mais uma ferramenta para despertar o interesse dos alunos pelas ciências!



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