INGENIERÍA POR TIPO - MECÁNICA

articulación mecánica es una conexión entre dos sólidos que permite que ambos se muevan porque convergen en el mismo eje o punto de apoyo, esto permite el movimiento de ambos en un mismo tiempo con grados de libertad según el diseño específico de cada tipo de articulación.

Tipos de articulaciones[editar]

Cuando dos sólidos están unidos mediante articulación el conjunto cinemáticamente el número de grados de libertad suprimidos por la articulación es como mínimo igual a la dimensionalidad del espacio. Es decir, en una estructura o mecanismo plano cada articulación suprime dos grados de libertad traslacionales. Mientras en una estructura tridimensional una articulación reduce al menos tres grados de libertad traslacionales y dependiendo del tipo de articulación alguno de los grados de orientación.

Articulación cilíndrica[editar]

Articulación cilíndrica.

Una articulación cilíndrica en tres dimensiones, que puede realizarse mediante un pasador cilíndrico, elimina tres grados de libertad traslacionales y dos grados de libertad de orientación, haciendo que los dos sólidos compartan un eje de giro común. En dos dimensiones no puede distinguirse entre articulaciones cilíndricas y esféricas, ya que en una estructura o mecanismo plano sólo se suprimen grados de libertad traslacionales.

Articulación esférica[editar]

Una articulación esférica o rótula esférica en tres dimensiones, obliga a que un sólido se mueva acopladamente con otro compartiendo un punto de común, pero sin restringir de ninguna manera la posibilidad de orientación de un sólido respecto al otro.

Rótula fija[editar]

Una rótula fija es un tipo de articulación (cilíndrica o esférica) que ancla un sólido al suelo fijo o "bancada", eliminando completamente todos los grados de libertad traslacionales pero sin restringir la orientación respecto al suelo o bancada.

Rótula deslizante[editar]

Una rótula deslizante es una articulación que ancla un sólido al suelo fijo o "bancada", eliminando sólo algunos de los grados de libertad traslacionales del sólido y sin restringir completamente la orientación geométrica de dicho sólido respecto al suelo.

La biomecánica articular estudia los movimientos realizados por las articulaciones y las cargas que soportan. Las articulaciones se clasifican de acuerdo al grado de movimiento en fijas o fibrosas, semimóviles o cartilaginosas y móviles o diartrosis.

En el curso se estudiarán únicamente las móviles, ya que son las implicadas directamente en el movimiento del cuerpo formando las palancas óseas. Todas las articulaciones móviles o diartrosis se caracterizan por estar lubricadas por un fluido sinovial.  

 

Todas las diartrosis, poseen unos elementos comunes en su constitución (figura 2.1.1):

• Cavidad articular: situada entre los segmentos que forman la articulación y que se encuentra recubierta de tejido fibroso, la cápsula articular, que mantiene unidos los segmentos articulares entre sí.
• Cartílago hialino: que recubre y protege las superficies óseas articulares.
• Membrana sinovial: encargada de producir el líquido sinovial que actúa como lubricante articular.
• Ligamentos articulares: controlan el movimiento articular normal, protegiendo a la propia articulación de movimientos lesivos para la misma, evitando sus lesiones. 
• Dispositivos especiales: es el único elemento que no está presente en todas las diartrosis. Su existencia depende de las necesidades mecánicas articulares. Son estructuras dedicadas a mejorar la congruencia y el reparto de fuerzas sobre la articulación: meniscos y rodetes articulares. Suelen estar formados de fibrocartílago y presenta alta resistencia a la tracción y a las fuerzas de compresión.

Figura 2.1.1: Estructura de una articulación sinovial. [Madhero88, 2010]

 

La función mecánica de las articulaciones, además de facilitar una mayor riqueza de movimientos al esqueleto, es la de transformar las fuerzas de cizallamiento, fuerzas en dirección transversal dañinas para el aparato locomotor, en fuerzas de tracción, que son soportadas por los tejidos blandos periarticulares (cápsula, ligamentos y tendones) y en fuerzas de compresión que son absorbidas por el tejido óseo y el cartílago hialino articular. 

 

Cartílago articular

 

El cartílago hialino está compuesto de 60% de agua y 40% células y matriz extracelular (MEC). Las células se denominan condrocitos, y la MEC está formada por una sustancia amorfa y unos componentes fibrilares que se localizan en ella (figura 2.1.2). Los condrocitos confieren plasticidad y viscolelasticidad al cartílago. La MEC permite soportar las fuerzas de compresión que llegan a la articulación. 

 

Figura 2.1.2: Estructura del cartílago articular [Mfigueiredo, 2009]

 

- Propiedades mecánicas del cartílago

• Material poroso lleno de fluido en su interior que se comporta como una esponja, dejando salir el agua libre desde el interior hacia el exterior durante la compresión.
• Diseñado para soportar cargas de compresión.
• Resistencia a tracción 5% y módulo de elasticidad 0.1% respecto al tejido óseo.
• Material anisotrópico: debido a la disposición de los haces de fibras de colágeno.
• Comportamiento viscoelástico: su deformación depende de la velocidad de aplicación de la carga; a gran velocidad, el tejido presenta gran rigidez y viceversa. Sin embargo, bajo cargas instantáneas exhibe un comportamiento casi por completo elástico, con una recuperación casi instantánea de la deformación generada una vez que cesa la fuerza deformante. 
• Deformación dependiente del tiempo de aplicación de carga: en las primeras fases de sobrecarga del cartílago, la mayor parte del agua es expulsada al exterior (gran deformación). Una vez que el cartílago ha sido exprimido y toda el agua libre está en el exterior, se observa un aumento de la dureza del material debido a la estructura de gel del cartílago encargado, en este momento, de soportar la carga manifestándose por un freno a la deformación del cartílago. Este comportamiento cumple un papel fundamental en el mecanismo de lubricación y nutrición del cartílago articular.

 

- Pérdida de las propiedades mecánicas

 

Las propiedades del cartílago van modificándose según avanza la edad de forma que aunque no existen grandes modificaciones en cuanto a la resistencia a la compresión, si disminuyen otras propiedades del tejido hialino como la resistencia a la tracción y resistencia a la fatiga, ambas propiedades relacionadas con la menor producción de fibras de colágeno (figura 2.1.3). Estos cambios son debidos al envejecimiento de los condrocitos. El agua disminuye de forma importante a lo largo de los años, así como los proteoglicanos. Las fibras de colágeno también se modifican con el paso de los años aumentando su anchura y disminuyendo su flexibilidad. El cartílago se hace más rígido por la disminución del agua en el interior del tejido, lo que lleva a limitar la habilidad del cartílago de deformarse repetidamente cuando es sometido a cargas, dando lugar a que se produzcan pequeñas lesiones en el cartílago que progresan en el tiempo [Mansour JM, 2003].

 

  Figura 2.1.3: Disminución de la resistencia a la tracción y a la fatiga del cartílago con la edad. [Uribe, 2015]

 

Ahora, se definirán algunos términos anatómico que permitirán comprender y describir los movimientos articulares.

 

Planos y ejes anatómicos

Cuando se estudia la biomecánica de una articulación, se debe tener en cuenta: clasificación (tipo y género), movimientos que realiza, plano y eje de cada movimiento, posición de referencia, recorrido en grados, músculos que intervienen, todos los movimientos se realizan en un plano y alrededor de un eje. Los movimientos articulares principales pueden darse en tres planos: sagital, coronal (o frontal) y transversal (también llamado horizontal o axial) (Figuras 2.1.4 y 2.1.5).

 

 

Figura 2.1.4: Planos anatómicos. [Connexions, 2013]

 

 

 

Figura 2.1.5: Movimientos articulares. [Ogele, 2013]

 

Existen tres pares de movimientos básicos:

• Flexión-extensión: en el plano sagital, alrededor del eje lateromedial
• Abducción-aducción: se da en plano frontal, alrededor del eje anteroposterior
• Rotación interna-externa: plano axial, alrededor del eje vertical o craneocaudal

Las articulaciones se mueven de forma que los segmentos articulares no tienen ejes fijos de movimiento, sino trayectorias de ejes instantáneos de movimiento. El área donde se acumula mayor número de estos ejes instantáneos de giro, es la zona donde se sitúa el supuesto eje de movimiento. Las articulaciones se pueden clasificar teniendo en cuenta 6 tipos de movimientos: tres rotaciones sobre los tres ejes del espacio y tres traslaciones sobre cada eje. 

Centros de rotación

 

Los segmentos del cuerpo rotan alrededor de un punto que se encuentra al interior de la articulación. Debido a la morfología y a los grados de libertad de cada articulación, el punto de rotación o centro de rotación puede estar fijo en el espacio o cambiar con cada instante de tiempo t. Se habla entonces, de centros instantáneos de rotación (CIR o ICR en inglés). En los movimientos articulares se pueden observar seis tipos de movimientos mecánicos puros: tres rotaciones y tres traslaciones. Estos movimientos se conocen como grado de libertad (gdl) y solos o combinados originan los movimientos articulares.

 

Los posibles movimientos de las superficies articulares se clasifican en (figura 2.1.6):

• Rodamiento: movimiento en el cual el centro derotación (punto en el que la velocidad relativa a los segmentos del cuerpo que se mueven alrededor de él, es "cero") con respecto al plano de referencia, se sitúa siempre entre las dos superficies articulares. El CIR se ubica en el punto de contacto. 
• Deslizamiento: traslación pura de un segmento que se mueve en contra una superficie de un segmento fijo. El punto de contacto del segmento que se mueve no cambia, mientras el punto de contacto del segmento fijo tiene un punto de contacto que cambia constantemente. Si la superficie del segmento fijo es plana, el CIR está localizado en el infinito. De lo contrario, se localiza en el centro de curvatura de la superficie fija. Es el movimiento predominante en las articulaciones de los seres vivos. 
• Rotación: El movimiento giratorio (rotación) es lo opuesto al deslizamiento. En este caso, el segmento que se mueve rota, y el punto de contacto de la superficie fija no cambia. El CIR está ubicado en el centro de curvatura del cuerpo que gira en rotación pura. 

Figura 2.1.6: Tipos de movimiento de una superficie móvil (S₁) respecto a una fija (S₂). Los puntos rojo y amarillo se marcan como referencia sobre la superficie S₁ y el negro y verde en la superficie S₂. El CIR en el rodamiento se encuentra en el punto de contacto de ambas superficies. [Uribe, 2015]

 

Clasificación de las articulaciones

 

Según el tipo de movimiento, las articulaciones clasifican en (figura 2.1.7):

• Pivote: posee 1 gdl, pronación-supinación. Ejemplo: las dos vértebras superiores y el codo (radiocubital).
• Esférica: tiene 3 gdl: abducción-aducción, flexión-extensión, rotaciones. Ejemplo: el hombro y la cadera. 
• Elipsoidal: tiene 2 gdl: abducción-aducción, Flexión-Extensión. Ejemplo: Radio del antebrazo y hueso escafoides de la mano.
• Bisagra: posee 1 gdl: flexión-extensión. Ejemplo: La rodilla, el codo (humeroradial) y el tobillo.
• En silla de montar: presenta 2 gdl: abducción-aducción y flexión-extensión. Ejemplo: las falanges.
• Deslizante o plana: no tiene eje de movimiento. Realiza pequeños deslizamientos limitados por ligamentos. Ejemplo: la clavícula y algunas articulaciones del pie y la muñeca.

 

Figura 2.1.7: Clasificación mecánica de las articulaciones sinoviales: 1: Plana, 2: Bisagra, 3: Pivote, 4: Elipsoidal, 5: Esférica, 6: En silla de montar.

Posted by admin on 23 octubre, 2014 in Blog

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La  articulación mecánica es un mecanismo por el que diferentes objetos se conectan entre sí, con objeto de compartir la fuerza o el movimiento que generarán. Las conexiones entre ambos objetos se colocan para proporcionar por ejemplo un movimiento ideal rotación pura o de deslizamiento. 

El mecanismo de la articulación mecánica puede ser construido a partir de cadenas abiertas, cadenas cerradas, o una combinación de cadenas abiertas y cerradas. Cada eslabón de una cadena está conectado por una articulación de uno o más enlaces. 

Las articulaciones mecánicas generalmente están diseñados para transformar una fuerza de entrada y darle, mediante el movimiento, una nueva fuerza de salida que es el que se desea conseguir. La proporción de la fuerza de salida a la fuerza de entrada se conoce como la ventaja mecánica de la articulación mecánica, mientras que la relación de la velocidad de entrada a la velocidad de salida, se conoce como la relación de velocidad. 

Tipos de articulación mecánica.

La articulación mecánica es un mecanismo formado por la conexión de dos o más palancas juntas y pueden ser diseñadas para cambiar la dirección de una fuerza en la robótica o hacer dos o más objetos se mueven al mismo tiempo.

Las articulaciones mecánicas son capaces de realizar tareas tales como la descripción de las líneas rectas o curvas y ejecución de movimientos a diferentes velocidades. Las articulaciones mecánicas pueden ser clasificadas de acuerdo a sus funciones principales:

• Generación Función: Para conseguir que las partes conectadas entre sí realicen la función que deseamos
• Generación de trayectoria: Para conseguir que ambas partes conectadas realicen la trayectoria deseada
• Movimiento Generación: para conseguir que las partes conectadas realicen determinado movimiento 

Mediante la articulación mecánica pueden conseguirse diferentes tipos de movimientos: 

• Que los objetos o fuerzas se mueven en direcciones opuestas; esto se puede hacer a través del enlace de entrada como una palanca. Si el pivote fijo es equidistante de los pivotes en movimiento, el movimiento de salida de enlace será igual al movimiento de enlace de entrada, pero va a actuar en la dirección opuesta. Sin embargo, si el pivote fijo no está centrado, el movimiento del enlace de salida no será igual al movimiento del enlace de entrada. Mediante la selección de la posición del pivote fijo, el enlace puede ser diseñado para producir ventajas mecánicas específicas. Esta conexión también se puede girar 360 °.

• Puede hacer que los objetos o fuerzas se muevan en la misma dirección; el enlace de salida se mueve en la misma dirección que el enlace de entrada. Técnicamente clasificado como una articulación de cuatro barras, se puede girar a través de 360 ° sin cambiar su función.

• Puede hacer que los objetos o fuerzas se mueven en la misma dirección, pero a una distancia determinada de diferencia. El movimiento y pivotes fijos en los enlaces de opuestos en el paralelógramo deben ser equidistantes de esta vinculación para que funcione correctamente. Técnicamente clasificado como un mecanismo de cuatro barras, esta vinculación también puede girarse 360 ° sin cambiar su función. Los pantógrafos que obtienen energía para los trenes eléctricos de cables aéreos se basan en este tipo de articulación mecánica. 

• Se puede cambiar la dirección de los objetos o de fuerza por 90 °. Esta vinculación se usó para hacer sonar los timbres antes de que se inventaran los eléctricos. Más recientemente este mecanismo ha sido adaptado para los frenos de bicicleta, al fijar dos palancas acodadas dobladas a 90 ° en direcciones opuestas entre sí para formar las pinzas. Al apretar las dos palancas del manillar vinculados a los extremos de entrada de cada manivela, los extremos de salida se moverán juntos.