Martes, 08 Marzo 2011 21: 20

Biomecánica

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Objetivos y principios

La biomecánica es una disciplina que aborda el estudio del cuerpo como si fuera únicamente un sistema mecánico: todas las partes del cuerpo se asemejan a estructuras mecánicas y se estudian como tales. Las siguientes analogías pueden, por ejemplo, establecerse:

  • huesos: palancas, miembros estructurales
  • carne: volúmenes y masas
  • articulaciones: superficies de apoyo y articulaciones
  • revestimientos de juntas: lubricantes
  • músculos: motores, resortes
  • nervios: mecanismos de control de retroalimentación
  • órganos: fuentes de alimentación
  • tendones: cuerdas
  • tejido: resortes
  • cavidades corporales: globos.

 

El objetivo principal de la biomecánica es estudiar la forma en que el cuerpo produce fuerza y ​​genera movimiento. La disciplina se basa principalmente en la anatomía, las matemáticas y la física; las disciplinas afines son la antropometría (el estudio de las medidas del cuerpo humano), la fisiología del trabajo y la kinesiología (el estudio de los principios de la mecánica y la anatomía en relación con el movimiento humano).

Al considerar la salud ocupacional del trabajador, la biomecánica ayuda a comprender por qué algunas tareas causan lesiones y enfermedades. Algunos tipos relevantes de efectos adversos para la salud son la tensión muscular, los problemas articulares, los problemas de espalda y la fatiga.

Las distensiones y esguinces de espalda y los problemas más serios que involucran los discos intervertebrales son ejemplos comunes de lesiones en el lugar de trabajo que se pueden evitar. Estos ocurren a menudo debido a una sobrecarga particular repentina, pero también pueden reflejar el ejercicio de fuerzas excesivas por parte del cuerpo durante muchos años: los problemas pueden ocurrir repentinamente o pueden tardar en desarrollarse. Un ejemplo de un problema que se desarrolla con el tiempo es el “dedo de la costurera”. Una descripción reciente describe las manos de una mujer que, después de 28 años de trabajo en una fábrica de ropa, además de coser en su tiempo libre, desarrolló una piel endurecida y engrosada y una incapacidad para flexionar los dedos (Poole 1993). (Específicamente, sufría de una deformidad por flexión del dedo índice derecho, nódulos de Heberden prominentes en el dedo índice y pulgar de la mano derecha, y una callosidad prominente en el dedo medio derecho debido a la constante fricción de las tijeras). Las radiografías de sus manos mostraron cambios degenerativos severos en las articulaciones más externas de sus dedos índice y medio derechos, con pérdida de espacio articular, esclerosis articular (endurecimiento del tejido), osteofitos (crecimientos óseos en la articulación) y quistes óseos.

La inspección en el lugar de trabajo mostró que estos problemas se debían a la hiperextensión repetida (flexión hacia arriba) de la articulación más externa del dedo. La sobrecarga mecánica y la restricción del flujo sanguíneo (visible como un blanqueamiento del dedo) serían máximas en estas articulaciones. Estos problemas se desarrollaron en respuesta al esfuerzo muscular repetido en un sitio diferente al músculo.

La biomecánica ayuda a sugerir formas de diseñar tareas para evitar este tipo de lesiones o mejorar tareas mal diseñadas. Los remedios para estos problemas particulares son rediseñar las tijeras y alterar las tareas de costura para eliminar la necesidad de las acciones realizadas.

Dos principios importantes de la biomecánica son:

    1. Los músculos vienen en pares.. Los músculos solo pueden contraerse, por lo que para cualquier articulación debe haber un músculo (o grupo de músculos) para moverla en una dirección y un músculo (o grupo de músculos) correspondiente para moverla en la dirección opuesta. La figura 1 ilustra el punto de la articulación del codo.
    2. Los músculos se contraen más eficientemente cuando el par de músculos está en equilibrio relajado.. El músculo actúa de manera más eficiente cuando está en el rango medio de la articulación que flexiona. Esto es así por dos razones: primero, si el músculo intenta contraerse cuando está acortado, tirará contra el músculo opuesto alargado. Debido a que este último se estira, aplicará una contrafuerza elástica que el músculo que se contrae debe vencer. La figura 2 muestra la forma en que la fuerza muscular varía con la longitud del músculo.

       

      Figura 1. Los músculos esqueléticos ocurren en pares para iniciar o revertir un movimiento

       ERG090F1

      Figura 2. La tensión muscular varía con la longitud del músculo

      ERG090F2

      En segundo lugar, si el músculo trata de contraerse en un rango distinto al medio del movimiento de la articulación, operará con una desventaja mecánica. La Figura 3 ilustra el cambio en la ventaja mecánica del codo en tres posiciones diferentes.

      Figura 3. Posiciones óptimas para el movimiento articular

      ERG090F3

      Un criterio importante para el diseño del trabajo se deriva de estos principios: el trabajo debe organizarse de modo que ocurra con los músculos opuestos de cada articulación en equilibrio relajado. Para la mayoría de las articulaciones, esto significa que la articulación debe estar aproximadamente en su rango medio de movimiento.

      Esta regla también significa que la tensión muscular será mínima mientras se realiza una tarea. Un ejemplo de la infracción de la regla es el síndrome de uso excesivo (RSI, o lesión por esfuerzo repetitivo) que afecta los músculos de la parte superior del antebrazo en los operadores de teclados que habitualmente operan con la muñeca flexionada hacia arriba. A menudo, este hábito se impone al operador por el diseño del teclado y la estación de trabajo.

      Aplicaciones

      Los siguientes son algunos ejemplos que ilustran la aplicación de la biomecánica.

      El diámetro óptimo de los mangos de las herramientas

      El diámetro de un mango afecta la fuerza que los músculos de la mano pueden aplicar a una herramienta. Las investigaciones han demostrado que el diámetro óptimo del mango depende del uso que se le dé a la herramienta. Para ejercer empuje a lo largo de la línea del mango, el mejor diámetro es el que permite que los dedos y el pulgar asuman un agarre ligeramente superpuesto. Esto es de unos 40 mm. Para ejercer el par, un diámetro de unos 50-65 mm es óptimo. (Desafortunadamente, para ambos propósitos, la mayoría de los identificadores son más pequeños que estos valores).

      El uso de alicates

      Como caso especial de un mango, la capacidad de ejercer fuerza con pinzas depende de la separación del mango, como se muestra en la figura 4.

      Figura 4. Fuerza de agarre de las mordazas de los alicates ejercida por usuarios masculinos y femeninos en función de la separación del mango

       ERG090F4

      Postura sentada

      La electromiografía es una técnica que se puede utilizar para medir la tensión muscular. En un estudio de la tensión en el erector de la columna músculos (de la espalda) de sujetos sentados, se encontró que inclinarse hacia atrás (con el respaldo inclinado) reducía la tensión en estos músculos. El efecto puede explicarse porque el respaldo soporta más el peso de la parte superior del cuerpo.

      Los estudios de rayos X de sujetos en una variedad de posturas mostraron que la posición de equilibrio relajado de los músculos que abren y cierran la articulación de la cadera corresponde a un ángulo de cadera de aproximadamente 135º. Se acerca a la posición (128º) que adopta naturalmente esta articulación en condiciones de ingravidez (en el espacio). En la postura sentada, con un ángulo de 90º en la cadera, los músculos isquiotibiales que recorren las articulaciones de la rodilla y la cadera tienden a tirar del sacro (la parte de la columna vertebral que se conecta con la pelvis) a una posición vertical. El efecto es eliminar la lordosis natural (curvatura) de la columna lumbar; las sillas deben tener respaldos apropiados para corregir este esfuerzo.

      Destornillador

      ¿Por qué los tornillos se insertan en el sentido de las agujas del reloj? La práctica probablemente surgió en el reconocimiento inconsciente de que los músculos que giran el brazo derecho en el sentido de las agujas del reloj (la mayoría de las personas son diestras) son más grandes (y por lo tanto más potentes) que los músculos que lo giran en el sentido contrario a las agujas del reloj.

      Tenga en cuenta que las personas zurdas estarán en desventaja al insertar tornillos a mano. Alrededor del 9% de la población es zurda y, por lo tanto, requerirá herramientas especiales en algunas situaciones: tijeras y abrelatas son dos ejemplos.

      Un estudio de personas que usaban destornilladores en una tarea de ensamblaje reveló una relación más sutil entre un movimiento particular y un problema de salud particular. Se encontró que cuanto mayor era el ángulo del codo (más recto el brazo), más personas tenían inflamación en el codo. La razón de este efecto es que el músculo que rota el antebrazo (el bíceps) también tira de la cabeza del radio (hueso del brazo inferior) hacia el capítulo (cabeza redondeada) del húmero (hueso del brazo superior). El aumento de la fuerza en el ángulo más alto del codo provocó una mayor fuerza de fricción en el codo, con el consiguiente calentamiento de la articulación, lo que provocó la inflamación. En el ángulo más alto, el músculo también tuvo que tirar con mayor fuerza para efectuar la acción de atornillado, por lo que se aplicó una fuerza mayor de la que se habría requerido con el codo a unos 90º. La solución fue acercar la tarea a los operadores para reducir el ángulo del codo a unos 90º.

      Los casos anteriores demuestran que se requiere una comprensión adecuada de la anatomía para la aplicación de la biomecánica en el lugar de trabajo. Los diseñadores de tareas pueden necesitar consultar a expertos en anatomía funcional para anticipar los tipos de problemas discutidos. (El ergonomista de bolsillo (Brown y Mitchell 1986), basado en investigaciones electromiográficas, sugiere muchas formas de reducir la incomodidad física en el trabajo).

      Manejo manual de materiales

      El término manejo manual incluye levantar, bajar, empujar, tirar, transportar, mover, sujetar y sujetar, y abarca una gran parte de las actividades de la vida laboral.

      La biomecánica tiene una relevancia directa obvia para el trabajo de manipulación manual, ya que los músculos deben moverse para realizar tareas. La pregunta es: ¿cuánto trabajo físico se puede esperar razonablemente que haga la gente? La respuesta depende de las circunstancias; en realidad hay tres preguntas que deben hacerse. Cada uno tiene una respuesta que se basa en criterios investigados científicamente:

        1. ¿Cuánto se puede manejar sin dañar el cuerpo (en forma, por ejemplo, de tensión muscular, lesión de disco o problemas en las articulaciones)? Esto se llama el criterio biomecánico.
        2. ¿Cuánto se puede manejar sin sobrecargar los pulmones (respirar con dificultad hasta el punto de jadear)? Esto se llama el criterio fisiológico.
        3. ¿Cuánto se siente capaz la gente de manejar cómodamente? Esto se llama el criterio psicofísico.

             

            Hay una necesidad de estos tres criterios diferentes porque hay tres reacciones muy diferentes que pueden ocurrir a las tareas de levantamiento: si el trabajo dura todo el día, la preocupación será cómo la persona se siente sobre la tarea—el criterio psicofísico; si la fuerza a aplicar es grande, la preocupación sería que los músculos y las articulaciones se no sobrecargado hasta el punto de daño—el criterio biomecánico; y si el tasa de trabajo es demasiado grande, entonces bien puede exceder el criterio fisiológico, o la capacidad aeróbica de la persona.

            Muchos factores determinan el alcance de la carga colocada sobre el cuerpo por una tarea de manipulación manual. Todos ellos sugieren oportunidades para el control.

            Postura y Movimientos

            Si la tarea requiere que una persona gire o se incline hacia adelante con una carga, el riesgo de lesiones es mayor. La estación de trabajo a menudo se puede rediseñar para evitar estas acciones. Se producen más lesiones de espalda cuando el levantamiento comienza al nivel del suelo en comparación con el nivel de la mitad del muslo, y esto sugiere medidas de control simples. (Esto también se aplica a levantamientos altos).

            La carga.

            La carga en sí puede influir en el manejo debido a su peso y ubicación. Otros factores, como su forma, su estabilidad, su tamaño y su capacidad de deslizamiento pueden afectar la facilidad de una tarea de manejo.

            Organización y entorno.

            La forma en que se organiza el trabajo, tanto físicamente como en el tiempo (temporalmente), también influye en el manejo. Es mejor repartir la carga de descargar un camión en un muelle de entrega entre varias personas durante una hora en lugar de pedirle a un trabajador que dedique todo el día a la tarea. El entorno influye en el manejo: la poca luz, los pisos desordenados o irregulares y la limpieza deficiente pueden hacer que una persona tropiece.

            Factores personales.

            Las habilidades de manejo personal, la edad de la persona y la ropa usada también pueden influir en los requisitos de manejo. Se requiere educación para el entrenamiento y el levantamiento tanto para proporcionar la información necesaria como para dar tiempo al desarrollo de las habilidades físicas de manipulación. Las personas más jóvenes corren más riesgo; en cambio, las personas mayores tienen menos fuerza y ​​menor capacidad fisiológica. La ropa apretada puede aumentar la fuerza muscular requerida en una tarea a medida que las personas se esfuerzan contra la tela apretada; ejemplos clásicos son el uniforme de bata de enfermera y los overoles ajustados cuando las personas trabajan por encima de sus cabezas.

            Límites de peso recomendados

            Los puntos mencionados anteriormente indican que es imposible establecer un peso que sea "seguro" en todas las circunstancias. (Los límites de peso han tendido a variar de un país a otro de manera arbitraria. A los estibadores indios, por ejemplo, se les “permitió” una vez levantar 110 kg, mientras que a sus contrapartes en la ex República Democrática Popular de Alemania se les “limitó” a 32 kg. .) Los límites de peso también han tendido a ser demasiado grandes. Ahora se piensa que los 55 kg sugeridos en muchos países son demasiado grandes sobre la base de evidencia científica reciente. El Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) de los Estados Unidos adoptó 23 kg como límite de carga en 1991 (Waters et al. 1993).

            Cada tarea de elevación debe evaluarse según sus propios méritos. Un enfoque útil para determinar un límite de peso para una tarea de levantamiento es la ecuación desarrollada por NIOSH:

            RWL = LC x HM x VM x DM x AM x CM x FM

            Dónde

            RWL = límite de peso recomendado para la tarea en cuestión

            HM = la distancia horizontal desde el centro de gravedad de la carga hasta el punto medio entre los tobillos (mínimo 15 cm, máximo 80 cm)

            VM = la distancia vertical entre el centro de gravedad de la carga y el suelo al inicio de la elevación (máximo 175 cm)

            DM = el recorrido vertical del ascensor (mínimo 25 cm, máximo 200 cm)

            AM = factor de asimetría: el ángulo del que se desvía la tarea directamente frente al cuerpo

            CM = multiplicador de acoplamiento: la capacidad de agarrar bien el elemento que se va a levantar, que se encuentra en una tabla de referencia

            FM = multiplicadores de frecuencia: la frecuencia del levantamiento.

            Todas las variables de longitud en la ecuación se expresan en unidades de centímetros. Cabe señalar que 23 kg es el peso máximo que NIOSH recomienda para levantar. Esto se redujo de 40 kg después de que la observación de muchas personas que realizan muchas tareas de levantamiento revelara que la distancia promedio desde el cuerpo al comienzo del levantamiento es de 25 cm, no los 15 cm asumidos en una versión anterior de la ecuación (NIOSH 1981 ).

            Índice de elevación.

            Al comparar el peso a levantar en la tarea y el RWL, se obtiene un índice de levantamiento (LI) se puede obtener según la relación:

            LI=(peso a manipular)/RWL.

            Por lo tanto, un uso particularmente valioso de la ecuación de NIOSH es la ubicación de las tareas de levantamiento en orden de gravedad, utilizando el índice de levantamiento para establecer las prioridades de acción. (Sin embargo, la ecuación tiene una serie de limitaciones que deben entenderse para su aplicación más eficaz. Véase Waters et al. 1993).

            Estimación de la compresión espinal impuesta por la tarea

            Se dispone de software informático para estimar la compresión espinal producida por una tarea de manipulación manual. Los programas de predicción de fuerza estática 2D y 3D de la Universidad de Michigan ("Backsoft") estiman la compresión espinal. Las entradas requeridas para el programa son:

            • la postura en la que se realiza la actividad de manipulación
            • la fuerza ejercida
            • la dirección del ejercicio de la fuerza
            • el número de manos que ejercen la fuerza
            • el percentil de la población en estudio.

             

            Los programas 2D y 3D se diferencian en que el software 3D permite cálculos aplicados a posturas en tres dimensiones. El resultado del programa brinda datos de compresión espinal y enumera el porcentaje de la población seleccionada que sería capaz de realizar la tarea particular sin exceder los límites sugeridos para seis articulaciones: tobillo, rodilla, cadera, primer disco sacro lumbar, hombro y codo. Este método también tiene una serie de limitaciones que deben comprenderse completamente para obtener el máximo valor del programa.

             

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