1-.¿Cuál de las siguientes afirmaciones describe mejor las contribuciones de Giovanni Borelli y Y.C. Fung a la biomecánica?
B) Giovanni Borelli fue uno de los primeros en aplicar principios de la mecánica clásica al cuerpo humano para estudiar el movimiento, mientras que Y.C. Fung implementó modelos matemáticos complejos para estudiar los tejidos biológicos, destacando la naturaleza multidisciplinaria de la biomecánica moderna. La B es correcta porque Borelli es considerado uno de los primeros en aplicar principios mecánicos al cuerpo humano, especialmente al sistema musculoesquelético y la locomoción. En la clase aparece que Borelli aplicó ingeniería estructural para estudiar el sistema musculoesquelético y el movimiento animal, y es considerado el “padre de la biomecánica”.Además, Y.C. Fung se relaciona con la biomecánica moderna, especialmente con modelos matemáticos aplicados a tejidos biológicos. Por eso la alternativa B une bien a ambos: Borelli = mecánica clásica y movimiento, Fung = tejidos biológicos y modelos modernos.
2. ¿Por qué se consideran los huesos como estructuras altamente eficientes desde el punto de vista biomecánico? D) Porque su estructura es porosa y distribuida estratégicamente para resistir cargas con el menor peso posible. La D es correcta porque el hueso es eficiente no por ser completamente macizo, sino porque combina zonas compactas y zonas porosas/trabeculares. Esa organización permite resistir cargas mecánicas usando poco material, o sea, logra alta resistencia con bajo peso. En la clase se describe al hueso como un material compuesto, heterogéneo y poroso, con bajo peso, alta rigidez, resistencia y tenacidad a la fractura.
3. ¿Por qué la estructura ósea es de interés para la ingeniería aeroespacial? C) Porque su arquitectura ligera y resistente es un modelo ideal para el diseño de estructuras livianas como alas o fuselajes. La C es correcta porque la ingeniería aeroespacial busca estructuras que sean livianas pero resistentes, igual que el hueso. El hueso es interesante porque no es simplemente una masa sólida: tiene una arquitectura interna organizada, porosa y estratégica que permite soportar cargas con poco peso. Esto sirve como inspiración para diseñar estructuras como alas, fuselajes o materiales tipo sándwich.
4. En el contexto de la biomecánica aplicada a la determinación de las fuerzas musculares en un sistema de equilibrio estático, ¿qué ocurre cuando hay un número mayor de incógnitas (fuerzas musculares) que ecuaciones de equilibrio disponibles, y cuál es la técnica matemática más adecuada para resolver el sistema? B) El sistema es indeterminado, lo que implica que se necesita un enfoque de optimización para distribuir las fuerzas musculares de manera eficiente y minimizar el esfuerzo total. La B es correcta porque cuando hay más fuerzas musculares desconocidas que ecuaciones de equilibrio, el sistema queda estáticamente indeterminado. Eso significa que las ecuaciones clásicas de equilibrio no alcanzan para encontrar una única solución. En la clase del codo se menciona que asumir solo el bíceps simplifica el problema para hacerlo estáticamente determinado; pero cuando se consideran bíceps, braquial y braquiorradial, aparece un sistema de varios músculos, y se requieren criterios adicionales como área de sección, EMG u optimización. La idea de la optimización es elegir una distribución “más eficiente” de fuerzas musculares, por ejemplo minimizando fuerza total, esfuerzo, estrés muscular o trabajo. “sobredeterminado” sería cuando hay más ecuaciones que incógnitas
5. ¿Cómo se relacionan los siguientes tres conceptos aplicados al tejido óseo: osteocitos, microgrietas y actividad física? Explique su interacción y cómo influyen en el proceso de remodelado óseo. B) La actividad física provoca la formación de microgrietas en el hueso, que son rápidamente reparadas por los osteocitos, lo que aumenta la densidad ósea. Los osteocitos responden a las microgrietas incrementando la actividad de los osteoblastos, que inducen la mineralización ósea. La B es la mejor respuesta porque relaciona actividad física, microdaño y remodelado óseo. La actividad física genera cargas mecánicas sobre el hueso; esas cargas pueden producir microgrietas o microdaño. Los osteocitos actúan como células sensoras del tejido óseo: detectan estímulos mecánicos y daño, y coordinan la respuesta de remodelado. Luego se activa la reparación, donde participan osteoclastos y osteoblastos; los osteoblastos forman matriz nueva y favorecen la mineralización. Esto se relaciona con la adaptación del hueso al estrés mecánico, como se ve en la ley de Wolff y la adaptación del hueso trabecular. Ojo importante: la alternativa dice que las microgrietas son “reparadas por los osteocitos”, pero eso está simplificado. Lo más correcto sería decir que los osteocitos detectan y coordinan la reparación, mientras que la remodelación efectiva depende de osteoclastos y osteoblastos. Osteocitos no responden solo a hormonas; también responden a estímulos mecánicos. Resorción ósea = destrucción controlada del hueso viejo por osteoclastos. Formación ósea = construcción de hueso nuevo por osteoblastos. Remodelado óseo = resorción + formación.
6. ¿Cuáles de las siguientes afirmaciones sobre las articulaciones sinoviales y el diseño de prótesis articulares son correctas? Seleccione las opciones correctas, puede ser más de una.A) Las articulaciones sinoviales permiten una amplia gama de movimientos debido a su estructura, que incluye cápsula articular, cartílago hialino, membrana sinovial y líquido sinovial.B) El envejecimiento puede llevar al desgaste del cartílago articular y a una disminución en la producción de líquido sinovial, lo que provoca rigidez, dolor y pérdida de movilidad.C) El diseño de prótesis articulares busca replicar los grados de libertad, GDL, de las articulaciones naturales. En pacientes activos, se prefieren prótesis anatómicas que permiten una mayor movilidad, mientras que en pacientes con inestabilidad severa se utilizan prótesis constreñidas.La A es correcta porque las articulaciones sinoviales tienen cavidad articular, líquido sinovial, membrana sinovial, cápsula articular y cartílago articular. Esa estructura permite movimiento amplio y con baja fricción.La B es correcta porque el envejecimiento puede afectar el cartílago y la lubricación articular. Si el cartílago se desgasta o hay menos líquido sinovial, aumenta la fricción, disminuye la amortiguación y aparecen rigidez, dolor y pérdida de movilidad.La C es correcta porque una prótesis articular intenta imitar la función mecánica de la articulación natural, incluyendo sus grados de libertad. Pero no todas las prótesis buscan lo mismo: en pacientes activos conviene mayor movilidad y funcionalidad; en pacientes con mucha inestabilidad se usan prótesis más constreñidas, o sea, más limitadas, para dar estabilidad.D no es correcta porque las articulaciones sinoviales no son inmóviles. Al contrario, son las articulaciones con mayor movilidad, como rodilla, cadera, hombro y codo. Además, sí pueden afectarse por envejecimiento, artrosis, desgaste y lesiones.E no es correcta porque una prótesis no siempre debe tener la mínima cantidad de grados de libertad. Debe tener los grados de libertad adecuados según la articulación y el paciente. Si se limita demasiado, puede perder funcionalidad; si se deja demasiado libre en un paciente inestable, puede fallar por falta de control.
7-.Martín es un futbolista profesional de 27 años que ha comenzado a experimentar signos tempranos de degeneración en el cartílago articular de su rodilla derecha, producto de años de entrenamiento de alto impacto. El equipo médico deportivo considera varias estrategias para apoyar su regeneración y mantener su funcionalidad sin comprometer su carrera. Como parte del equipo de rehabilitación, a usted, como bioingeniero/a con formación en biomecánica, se le pide analizar el siguiente escenario:¿Qué tipo de intervención biomecánica sería más adecuada para promover la regeneración del cartílago articular en Martín, considerando tanto la funcionalidad como las exigencias de su actividad deportiva? Justifique su respuesta relacionando aspectos como carga mecánica, estimulación celular y tecnología aplicada. La intervención biomecánica más adecuada para Martín sería una rehabilitación con carga mecánica controlada y progresiva, evitando inicialmente las cargas de alto impacto del fútbol, pero sin inmovilizar completamente la rodilla.Esto se debe a que el cartílago articular pertenece a una articulación sinovial, donde el líquido sinovial lubrica, disminuye la fricción y permite el movimiento. Además, como el cartílago no tiene vasos sanguíneos, necesita la compresión y descompresión repetitiva para intercambiar líquido, nutrientes y desechos. Por eso, el movimiento controlado ayuda a mantener la función de los condrocitos y del cartílago.Sin embargo, si la carga es excesiva, como ocurre en entrenamientos de alto impacto, puede aumentar el desgaste del cartílago y empeorar la degeneración articular. Por eso se recomiendan ejercicios de bajo impacto, como bicicleta, natación, fortalecimiento muscular y control neuromuscular.También se podrían usar tecnologías como análisis de movimiento, sensores o plataformas de fuerza para medir cómo carga la rodilla y ajustar la rehabilitación. Después de implementar el plan, se debe evaluar dolor, movilidad, estabilidad y tolerancia a la carga, aumentando progresivamente la exigencia hasta volver al fútbol.En conclusión: no conviene reposo absoluto ni volver directo al entrenamiento intenso. Lo ideal es una carga controlada, progresiva y monitoreada para proteger el cartílago, favorecer su nutrición y mantener la funcionalidad deportiva.
8-.Laura es una atleta de alto rendimiento que se dedica al entrenamiento de salto de altura. En los últimos meses, ha incrementado significativamente la intensidad de su entrenamiento, realizando saltos repetitivos y cargas de alta intensidad durante sus prácticas. A raíz de esto, ha experimentado una pequeña mejora en su rendimiento, pero también ha comenzado a sentir molestias leves en sus rodillas y tobillos. El equipo médico le realiza una serie de pruebas biomecánicas y observa que, en las zonas de mayor impacto, como las rodillas y los tobillos, el hueso ha respondido a la sobrecarga de manera significativa. El análisis muestra un aumento en la densidad ósea de esas áreas específicas, pero también algunos signos iniciales de microfracturas y pequeños puntos de resorción en las zonas con mayor estrés. I) ¿Cómo interpretas los resultados desde la perspectiva de la teoría del Mechanostat, modeling/remodeling, desarrollada por Harold Frost? Desde la teoría del Mechanostat, el hueso se adapta según la carga mecánica que recibe. Si la carga aumenta dentro de un rango adecuado, el hueso responde aumentando su masa o densidad ósea para soportar mejor el estrés. En el caso de Laura, el aumento de densidad ósea en rodillas y tobillos indica una respuesta adaptativa positiva frente al entrenamiento de salto. Es decir, el hueso está intentando reforzarse en las zonas donde recibe mayor impacto. Eso corresponde al proceso de modeling, porque hay formación o redistribución de tejido óseo para responder a una nueva demanda mecánica. Pero al mismo tiempo, la presencia de microfracturas y puntos de resorción indica que la carga puede estar superando la capacidad de adaptación del hueso. Ahí aparece el remodeling, donde el tejido dañado se reabsorbe y luego se reemplaza por tejido nuevo. El problema es que, si el daño aparece más rápido de lo que el hueso puede repararlo, el proceso deja de ser beneficioso y aumenta el riesgo de lesión. II) ¿Qué consecuencias podrían tener estos cambios en la estructura ósea si el entrenamiento sigue con la misma intensidad durante un largo período de tiempo? Si Laura mantiene la misma intensidad sin descanso ni control de carga, al principio puede seguir aumentando la densidad ósea en las zonas más exigidas. Sin embargo, si la sobrecarga es repetitiva y excesiva, las microfracturas pueden acumularse. Esto podría provocar: mayor dolor en rodillas y tobillos; aumento de puntos de resorción; pérdida de equilibrio entre formación y reparación ósea; debilitamiento local del hueso; riesgo de fracturas por estrés; disminución del rendimiento deportivo; necesidad de detener el entrenamiento por lesión. O sea, el hueso puede adaptarse a la carga, pero tiene un límite. Si el estímulo mecánico es adecuado, fortalece el hueso; si es excesivo y mantenido en el tiempo, puede producir daño acumulativo.III) En base a esta teoría, ¿cómo debería Laura modificar su entrenamiento para evitar riesgos de daño óseo a largo plazo sin comprometer su rendimiento? Laura debería modificar su entrenamiento usando una progresión controlada de cargas, evitando mantener todos los días saltos repetitivos de alta intensidad. No debe eliminar completamente la carga, porque el hueso necesita estímulo mecánico para mantenerse fuerte; pero la carga debe estar dentro de un rango que favorezca la adaptación y no el daño. Lo más adecuado sería alternar días de alta carga con días de menor impacto, incluir descanso, trabajo de fuerza muscular, ejercicios técnicos, control de aterrizaje y entrenamiento cruzado de bajo impacto. También se deberían monitorear sus síntomas y usar herramientas biomecánicas para evaluar cómo aterriza, cómo distribuye la carga y qué zonas reciben mayor estrés. Desde el Mechanostat, el objetivo es mantener la carga en una “zona útil”: suficiente para estimular formación ósea y mejorar el rendimiento, pero no tan alta como para acumular microfracturas. Si aparecen dolor, aumento de molestias o signos de daño, se debe disminuir temporalmente la intensidad y permitir que el remodeling repare el tejido.
1) ¿Cómo pueden emplearse elementos de biomecánica en estudios medioambientales? Ejemplo en Chile: La biomecánica puede aplicarse en estudios medioambientales analizando cómo estructuras biológicas responden mecánicamente a cambios del ambiente. En Chile, un ejemplo es el estudio de biomateriales marinos y estructuras calcificadas, como conchas, para evaluar cómo fenómenos como la acidificación oceánica afectan sus propiedades mecánicas y su resistencia.
2) Contribuciones de G. Borelli y Y.C. Fung: Borelli aportó aplicando la mecánica clásica al estudio del cuerpo humano, especialmente al sistema musculoesquelético, la locomoción y el salto. Y.C. Fung aportó a la biomecánica moderna estudiando las propiedades mecánicas de tejidos vivos y mostrando que la biomecánica integra ingeniería, medicina y biología.
3) Tres diseños ingenieriles inspirados en biomecánica de la naturaleza: 1. Hueso → estructuras livianas: el hueso combina resistencia y bajo peso, inspirando diseños tipo sándwich o trabeculares en estructuras livianas. 2. Articulaciones sinoviales → prótesis: las articulaciones naturales inspiran prótesis de cadera, rodilla u hombro, buscando movilidad, estabilidad y baja fricción. 3. Conchas/biomateriales marinos → biomateriales: estructuras naturales resistentes inspiran materiales para regeneración ósea o ingeniería de tejidos.
4) Escalas donde se aplica la biomecánica: La biomecánica se aplica a escala celular, por ejemplo en osteocitos o condrocitos; a escala tisular, en hueso, músculo o cartílago; a escala de órgano o articulación, como rodilla o cadera; y a escala de cuerpo completo, como marcha, salto o postura.
7) Brazos de momento musculares pequeños: Desde el punto de vista de eficiencia de fuerza, los músculos con brazos de momento pequeños son poco eficientes porque requieren grandes tensiones musculares. Sin embargo, biomecánicamente permiten mayor ROM, movimientos rápidos y mejor control del movimiento corporal.
9) Tres funciones generales de los músculos esqueléticos: Tres funciones de los músculos esqueléticos son: generar movimiento mediante contracción, mantener la postura corporal y estabilizar articulaciones durante la carga y el movimiento.
10) Materiales tradicionales versus músculos frente a compresión: Los materiales tradicionales pueden trabajar tanto en tracción como en compresión. En cambio, los músculos generan fuerza activa principalmente en tracción, porque al contraerse tiran de los huesos mediante tendones. La compresión muscular suele deberse a cargas externas, contacto o presión interna, no a que el músculo “empuje” activamente.
11) ¿Qué es ROM y qué factores lo determinan?: El ROM es el rango de movimiento de una articulación. Está determinado por la geometría de las superficies articulares, la cápsula, ligamentos, músculos, tendones, estabilidad articular, dolor, edad y presencia de lesiones.
13) Relevancia biomecánica de las articulaciones y clasificación: Las articulaciones son relevantes porque conectan huesos, permiten movimiento, transmiten cargas y aportan estabilidad al cuerpo. Se clasifican estructuralmente en fibrosas, cartilaginosas y sinoviales, y funcionalmente según su grado de movimiento.
14) Articulaciones sinoviales y envejecimiento: Las articulaciones sinoviales tienen cavidad articular, líquido sinovial, membrana sinovial y cartílago articular. Permiten gran movilidad y baja fricción. Con el envejecimiento puede desgastarse el cartílago y disminuir la lubricación, generando rigidez, dolor y pérdida de movilidad.
15) Cuatro problemas de salud que requieren reemplazo total de articulaciones: Cuatro problemas que pueden requerir reemplazo total articular son: osteoartritis avanzada, artritis reumatoide, fracturas articulares severas y necrosis avascular, especialmente en cadera o rodilla.
16) Grados de libertad de una articulación e implante de cadera: Los grados de libertad corresponden a los movimientos independientes de una articulación. Un implante de cadera tipo ball and socket tiene 3 grados de libertad rotacionales: flexión-extensión, abducción-aducción y rotación interna-externa.
17) Optimización en biomecánica para fuerzas musculares: La optimización en biomecánica se usa cuando el sistema muscular es estáticamente indeterminado, es decir, hay más incógnitas que ecuaciones de equilibrio. Permite estimar la distribución de fuerzas musculares minimizando criterios como esfuerzo, estrés o fuerza total.
18) Importancia de la manufactura aditiva en biomecánica: La manufactura aditiva es importante porque permite fabricar implantes, prótesis, modelos anatómicos y scaffolds personalizados. Ejemplos: implantes óseos porosos, prótesis personalizadas y andamios para regeneración de hueso o cartílago.
19) Funciones metabólicas y mecánicas del esqueleto: Las funciones mecánicas del esqueleto son soporte corporal, protección de órganos, inserción muscular y transmisión de fuerzas. Sus funciones metabólicas son la hematopoyesis y el almacenamiento de minerales como calcio y fósforo.
20) Por qué los huesos son estructuras eficientes: Los huesos son eficientes porque combinan bajo peso con alta resistencia y rigidez. Su estructura cortical y trabecular distribuye el material estratégicamente para resistir cargas sin aumentar innecesariamente la masa.
21) Relación del sistema esquelético con otros sistemas/órganos: Se relaciona con el sistema muscular para producir movimiento, con el sistema circulatorio por la médula ósea y la producción de células sanguíneas, y con órganos como cerebro, corazón y pulmones porque los protege.
22) Actividad física, microgrietas y osteocitos: La actividad física produce cargas mecánicas sobre el hueso. Estas cargas pueden estimular adaptación ósea, pero si son excesivas generan microgrietas. Los osteocitos detectan el estímulo mecánico y el daño, coordinando el remodelado mediante resorción y formación ósea.
23) Estrategias biomecánicas para deterioro del cartílago en deportistas: Desde la biomecánica, el deterioro del cartílago en deportistas puede abordarse con carga mecánica controlada, ejercicios de bajo impacto, fortalecimiento y monitoreo biomecánico. La compresión intermitente favorece la nutrición del cartílago, pero la sobrecarga acelera su degeneración.
25) ¿Qué es una cirugía de fusión espinal y por qué se realiza?: La fusión espinal es una cirugía que une dos o más vértebras mediante injertos, tornillos o implantes para eliminar el movimiento entre ellas. Se realiza para estabilizar la columna, disminuir dolor y tratar inestabilidad, deformidad, fracturas o degeneración severa.
26) ¿Qué considerar antes de recomendar fusión espinal?: Antes de recomendar una fusión espinal se debe considerar el balance entre estabilidad y movilidad. Biomecánicamente, la fusión reduce el ROM del segmento operado y puede aumentar las cargas en los niveles adyacentes, por lo que debe indicarse solo si el beneficio en estabilidad y dolor supera la pérdida funcional.
27) ¿Para qué sirve el Dynamic Stereo X-Ray Imaging System? El Dynamic Stereo X-Ray Imaging System sirve para analizar en vivo el movimiento tridimensional de huesos y articulaciones durante actividades dinámicas. En biomecánica permite medir cinemática articular, evaluar implantes, estudiar inestabilidad y comparar el movimiento antes y después de una intervención quirúrgica