Biomecánica Osea

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¿CÓMO FUNCIONA UN HUESO?

El cuerpo humano es una obra de ingeniería

Al igual que cualquier elemento de construcción, los huesos de nuestro esqueleto trabajan, fundamentalmente resistiendo las fuerzas de compresión y la tracción, así como la flexión.

Las fuerzas de compresión aplastan y acortan un objeto.

La tracción o tensión se manifiesta en forma de alargamiento.

Las fuerzas de cizalladura son fuerzas oblicuas que los parten en dos.

Las fuerzas de flexión, que producen la curvatura del objeto.

¿Qué ocurre cuando se intenta flexionar un hueso?

La flexión es una combinación de tracción y compresión cuya dirección es perpendicular a la fuerza aplicada. La flexión tiene lugar comúnmente en los huesos del esqueleto axial, provocando movimiento de tracción (alargamiento) en la cara convexa del hueso, y a la vez de compresión (acortamiento) en la cara cóncava.

¿Cuál es la mejor estructura para resistir una flexión?

Si comparamos un hueso con una viga, los huesos tienen la mínima cantidad de masa que les permite resistir la fuerza ejercida sin romperse. Fue Galileo quien demostró que, si se construye un tubo hueco y un tubo sólido con el mismo peso y del mismo material, el tubo hueco que es similar a un hueso largo, es más fuerte y presenta más resistencia y ligereza.

Así un hueso largo del esqueleto tiene una sección redonda, o casi redonda, con un hueco central para eliminar peso y debido a la combinación de fibras de colágeno y sales presenta flexibilidad (puede doblarse en cierto grado, sin romperse) y una notable resistencia (puede soportar la fuerza mecánica ejercida)

Para comprobar la composición del hueso se hacen dos pruebas:

* Se somete el hueso a la acción de una solución de ácidos (clorhídrico, nítrico y otros), sus sales de cal se disuelven (descalcificación) y la substancia orgánica queda, conservando la forma del hueso, pero éste se hace blando y elástico.

* En cambio, si sometemos el hueso a la calcinación, la substancia orgánica se quema y la Inorgánica se queda, conservando también la forma del hueso y su solidez, pero en este caso el hueso es muy frágil.

Por consiguiente, es la combinación de las substancias orgánicas e inorgánicas en el hueso vivo es lo que confiere su extraordinaria dureza y elasticidad.

Para comprobar la resistencia del hueso comparamos huesos y otros materiales conocidos por su resistencia con valores de las tensiones críticas de compresión y tracción, así como sus módulos de Young.

El módulo de Young es un parámetro que mide la elasticidad de un material en la dirección en la que se aplica una fuerza.

El hueso por su resistencia mecánica es inferior tan sólo al acero, y resulta mucho más resistente que el granito y el hormigón.

¿Cómo se explica esta resistencia mecánica tan alta del material óseo?

El hueso es más fuerte que la madera, el hormigón o el acero, y supera en algunos aspectos a muchos materiales de diseño artificiales. La mayoría de los materiales duros son muy frágiles, por ejemplo el vidrio. Cuando cae y se rompe se forman grietas que al expandirse resquebrajan el objeto.

La combinación de colágeno con sales de calcio es similar al parabrisas de un coche que presenta una mezcla de fibras de vidrio y de resina, en un parabrisas el vidrio no se rompe porque la resina que embebe las fibras impidiese el surgimiento y la propagación de las grietas. En el hueso de forma similar la alta resistencia mecánica del hueso reside en la naturaleza mixta de su matriz. Si comparamos con el hormigón armado reforzado con acero: el colágeno es el acero y las sales de calcio, el hormigón.

Las sales de Ca constituyen una parte importante del hueso, 22% de la cantidad total de átomos del hueso. Dado que el Ca es uno de los bioelementos más pesado del cuerpo humano, su presencia confiere dureza a los huesos y permite que sean visibles durante la exploración con rayos X. 

Por otro lado, el colágeno es un material con alta elasticidad, como se pone de manifiesto en bajo valor del módulo de Young si comparamos con los materiales homogéneos que poseen la misma dureza.

La proporción de estas sustancias cambia con la edad. En los niños pequeños, que tienen relativamente más colágeno, los huesos se distinguen por su gran elasticidad y por eso se fracturan raramente. Por el contrario, en la vejez, cuando la correlación entre las substancias orgánicas e inorgánicas varía a favor de estas últimas, los huesos se hacen menos elásticos y más frágiles, a causa de lo cual las fracturas se observan con mayor frecuencia.

Pero no es sólo la composición, también la disposición de los elementos del hueso le permite soportar las tensiones y esfuerzos del cuerpo. Si nos fijamos en el interior del hueso, en el tejido óseo esponjoso, las trabéculas se disponen en la dirección en la que el hueso soporta mayores tensiones, y le confieren su asombrosa combinación de resistencia y ligereza.

La Torre Eiffel construida para exposición mundial de París en 1889 es un edificio emblemático que imita los materiales naturales, en concreto su diseño está tomado de la cabeza del fémur

En la diáfisis de un hueso largo se encuentra tejido óseo compacto, esta zona es elástica y poco plástica. En estos huesos, la resistencia será mayor cuando la fuerza se aplica de forma vertical al sentido de la carga. Cuando la fuerza se aplica de forma oblicua la fase plástica se acorta y el hueso se fractura con más rapidez. En cambio, en los huesos cortos o planos y en la epífisis de los huesos largos hay sobre todo tejido óseo esponjoso, la resistencia es mayor cuando la fuerza se aplica a lo largo del eje vertical de las trabéculas vertebrales y también cuando es paralela a los sistemas trabeculares. Estos huesos son menos elásticos y más plásticos, por lo que pueden presentar deformaciones mayores.

En los huesos integrados por tejido esponjoso, las fracturas se producen cuando existen variaciones del 7% de su longitud, en los integrados por tejido compacto, las fracturas se producen con variaciones del 2%. 


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          ©Keylly Marcela Chávez Inca