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¿Cómo cambia la estructura de los tendones a medida que se vuelven más fuertes?


Entiendo la estructura básica de los tendones, pero me pregunto cómo se fortalece un tendón con el ejercicio. ¿Las fibras de colágeno se vuelven más alineadas / numerosas / densas / etc.? ¿Se espera que el tendón se vuelva más grueso a medida que se fortalece? ¿Cambia de alguna manera el contenido celular de los tendones (por ejemplo, más tenocitos o tenocitos de mayor calidad)? ¿Qué otros factores influyen en el fortalecimiento de los tendones?


Anatomía de la rodilla

Jonathan Cluett, MD, está certificado por la junta en cirugía ortopédica. Se desempeñó como médico asistente del equipo de Chivas USA (Major League Soccer) y de las selecciones nacionales de fútbol masculino y femenino de Estados Unidos.

Miho J. Tanaka, MD, es un cirujano ortopédico certificado por la junta que se especializa en el tratamiento de lesiones de medicina deportiva.

La articulación de la rodilla forma parte de la extremidad inferior. Es la unión del muslo y la pierna y es una articulación de bisagra. Una articulación de bisagra se dobla hacia adelante y hacia atrás en un plano (a diferencia de la articulación de rótula de la cadera).

La articulación de la rodilla se lesiona con frecuencia, por lo que comprender su anatomía puede ayudarlo a comprender las condiciones que causan problemas, para que se mantenga seguro y preparado.


Capítulo 32 Biología

Médula ósea =
• Dentro de muchos huesos hay cavidades que contienen un tejido blando
• La médula amarilla se compone principalmente de células que almacenan grasa.
• La médula roja contiene células madre que producen la mayoría de los tipos de células sanguíneas.

Hueso compacto =
• Ubicada debajo del periostio (capa resistente de tejido conectivo que rodea el hueso) hay una capa gruesa de hueso compacto
• Contiene redes de tubos a través de los cuales viajan los vasos sanguíneos y los nervios.

Hueso esponjoso =
• Un tejido menos denso
• Se encuentra en los extremos de huesos largos, como el fémur, y en el medio de huesos cortos y planos, como los que se encuentran en el cráneo.
• Las diminutas estructuras del hueso esponjoso están dispuestas de tal manera que pueden soportar mucha fuerza.
• La médula ósea roja se encuentra en los espacios del hueso esponjoso.
○ La médula roja es importante para la producción de glóbulos rojos.
• La médula ósea amarilla almacena grasa


¿De qué están hechos los tejidos conectivos?

Al igual que los músculos, los tejidos conectivos contienen una gran cantidad de agua. Por ejemplo, los tendones contienen aproximadamente entre un 55 y un 70% de agua. Sin embargo, después de eliminar el agua, todos los tejidos conectivos están compuestos en gran parte por colágeno.

El contenido de colágeno de los diversos tejidos conectivos varía solo ligeramente, y la mayoría de las estructuras están hechas principalmente de colágeno de los tipos I, III y V, aunque existen muchos otros tipos. Estos diferentes tipos de colágeno tienen diferentes propósitos. Por ejemplo, el colágeno tipo I se forma en fibrillas y es en gran parte responsable de las propiedades mecánicas de los ligamentos y tendones. El colágeno tipo III participa en la reparación y el desarrollo del colágeno. El colágeno tipo V regula la formación de fibrillas de colágeno. Los cambios en las proporciones de los distintos tipos de colágeno afectarán las propiedades mecánicas de un tejido, debido a las diferentes funciones que desempeña cada tipo de colágeno.

Además del colágeno, los tejidos conectivos contienen una proporción minoritaria de materiales no colágenos, que desempeñan funciones distintas. La elastina se encuentra adyacente a las fibrillas de colágeno y, como su nombre lo indica, contribuye al comportamiento elástico de un tejido. La fibrilina proporciona una estructura para las fibras de elastina. Los proteoglicanos pequeños ricos en leucina ayudan a regular las fibrillas de colágeno. Los proteoglicanos grandes resisten cargas compresivas. Los cambios en el contenido de estos materiales no colágenos lógicamente influirían en las propiedades mecánicas de un tejido, pero esto no se ha investigado ampliamente.

Por tanto, pueden producirse cambios materiales en tendones, ligamentos y otras estructuras tanto en relación con el contenido en cada nivel como en relación con la organización de las estructuras dentro de cada nivel, y tales cambios pueden afectar las propiedades mecánicas de los tejidos. En el nivel más pequeño, las moléculas de tropocolágeno forman fibrillas de colágeno, y estas fibrillas están químicamente reticuladas por enlaces enzimáticos y no enzimáticos. Se ha sugerido que los aumentos en la densidad de las fibrillas de colágeno o en el número de estos enlaces podrían aumentar la rigidez del tendón. A medida que ascendemos en la jerarquía, las fibrillas de colágeno se agrupan en fibras y las fibras se agrupan en fascículos. Tanto las fibras como los fascículos muestran un patrón de rizado (onda longitudinal) variable, que también puede afectar las propiedades mecánicas de los tejidos.


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El límite de la fuerza humana no está en los músculos, los músculos ya pueden ejercer una fuerza más que suficiente para arrancarlos del hueso en el que se encuentran. El músculo, especialmente el músculo humano, solo ejerce una pequeña parte de lo que es capaz. La fuerza de los huesos y los tendones son más importantes, pero el tamaño y el apalancamiento son aún más importantes. Un músculo de contracción más rápida significa una mayor carga instantánea, lo que significa que necesita más tendón y una unión más fuerte al hueso para compensar. Tenga en cuenta que también se cansarán muy rápidamente. No puedes fortalecer a un ser humano sin cambiar drásticamente la apariencia de la persona.

el cuerpo más grande que tienen los hombres es una ventaja mayor que la masa muscular pura.

Podrías cambiar el reclutamiento muscular, eso puede hacerlos más fuertes, aunque todavía tiene problemas de tendones y huesos, pero te costará control motor fino y una menor pérdida de resistencia, en lugar de solo la enorme pérdida de resistencia que incurrirán los cambios de fibra de contracción.

También vale la pena señalar que los hombres tienen una mayor fuerza en la parte superior del cuerpo, pero las mujeres a menudo tienen una mayor fuerza en la parte inferior del cuerpo, para la misma masa corporal. En promedio ambos o menos, pero eso se debe más a la diferencia de masa corporal entre sexos.

Es posible jugar con el desarrollo y los músculos de las personas para fortalecer los músculos con menos masa. Pero entonces el mismo tratamiento podría usarse para los hombres. No existe ninguna peculiaridad de la biología femenina que te permita aumentar drásticamente los músculos que los hombres no tienen. Un regimiento de testosterona desde el nacimiento podría dar a las mujeres la misma fuerza, pero no cumpliría los criterios de "apariencia mínimamente modificada".

Sí, hay varias formas de hacerlo. Aquí tienes 3:

Como se mencionó en su pregunta, dependiendo de su definición de fuerza, es posible que las mujeres ya sean más fuertes. Entonces, su gobierno podría simplemente promover una nueva definición cultural de fuerza. Por ejemplo, si la fuerza se define por los deportes, más del 95% de las reglas de los deportes populares dan a los hombres una ventaja, podría crear algunos deportes nuevos y obligar a la gente a practicarlos.

Si su gobierno quiere fortalecer a las mujeres utilizando su definición actual de fuerza, puede fomentar el desarrollo de tecnología que beneficie a las mujeres. Por ejemplo, este artículo presenta cómo las mujeres en el ejército de los EE. UU. Se desempeñaron igual que los hombres si tuvieran dietas y equipos diseñados para mujeres en lugar de para hombres. Su gobierno podría proporcionar financiación pública para dicha investigación.

Finalmente, si su gobierno quisiera usar biotecnología avanzada, podría usar tecnología que beneficie preferentemente a personas con cuerpos más pequeños o más livianos, lo que sería la mayor diferencia biológica entre hombres y mujeres. En la naturaleza, los organismos pequeños suelen ser más rápidos / más fuertes en relación con su tamaño debido a la alometría. Entonces, tal vez alguna tecnología avanzada le permita "overclockear" su cuerpo hasta el límite de su disipación térmica. En este punto, también podría decir que la tecnología tiene serios problemas de seguridad para los hombres. En ese caso, también puede discutir cómo funcionó en pacientes transgénero.

No. Incluso si reemplazara los músculos de las mujeres con más fibras musculares de contracción rápida, los hombres aún tendrían una ventaja física significativa sobre las mujeres, en forma de una resistencia física significativamente mayor. Los hombres de referencia ya tienen una ventaja de resistencia sobre las mujeres de referencia, y el tratamiento propuesto disminuiría aún más la resistencia de las mujeres.

Sí (¿por qué es esta una pregunta tan difícil de entender para la gente?).

Los chimpancés son un buen ejemplo. Tienen una fuerza mucho más alta por libra que los humanos. Sin embargo, sacrifican cosas por ello. Estos músculos están más destinados a la quema anaeróbica, lo que significa que se cansan más rápido. Estos músculos también son menos precisos, lo que significa que la persona tiene menos control motor fino en comparación con los humanos "normales".

El hecho de tener chimpancés con esta capacidad también anula todos los problemas mencionados. Tales como "pero los músculos ya pueden arrancarse del hueso". Entonces, ¿por qué los hombres tendrían más masa muscular si ya puedes desgarrarte los huesos? Y aparentemente hay soluciones o, de lo contrario, los chimpancés (y gran parte del reino animal) no estarían usando esta configuración con grupos de músculos anaeróbicos en gran parte de alta resistencia sobre lo que usan los humanos. Entonces, hay tendones y configuraciones en las que puede usar esa fuerza (nuevamente, de lo contrario, los hombres con más masa muscular no necesitarían más masa muscular). Hay tipos de huesos y configuraciones que le permiten soportar el esfuerzo. En serio, estamos hablando de hacer que las mujeres sean tan fuertes como los hombres, ya que los hombres pueden manejar su fuerza sin romperse a sí mismos, ¡también podrían hacerlo las mujeres si cambiaras su sistema musculoesquelético en consecuencia!

Para cualquiera que no entienda la pregunta: la pregunta se reduce a "puedo hacer que las mujeres sean tan fuertes como los hombres sin aumentar su masa muscular". No se trata de hacer algo que pueda hacer exclusivamente a las mujeres más fuertes, pero no a los hombres. El simple hecho de hacer que las mujeres sean tan fuertes sin masa muscular adicional. No tengo idea de por qué la gente dice "¡pero también podrías aplicarlo a los hombres!" O "¡pero te destrozaría!".


¿Por qué algunas aleaciones se vuelven más fuertes a temperatura ambiente?

Una aleación es típicamente un metal al que se le ha agregado un pequeño porcentaje de al menos otro elemento. Algunas aleaciones de aluminio tienen una propiedad aparentemente extraña.

"Sabemos que las aleaciones de aluminio pueden volverse más fuertes si se almacenan a temperatura ambiente, esa no es información nueva", dice Adrian Lervik, físico de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU).

El metalúrgico alemán Alfred Wilm descubrió esta propiedad allá por 1906. ¿Pero por qué sucede? Hasta ahora, el fenómeno no se ha entendido bien, pero ahora Lervik y sus colegas de NTNU y SINTEF, el instituto de investigación independiente más grande de Escandinavia, han abordado esa pregunta.

Lervik completó recientemente su doctorado en el Departamento de Física de NTNU. Su trabajo explica una parte importante de este misterio. Pero primero un poco de antecedentes, porque Lervik también ha investigado algo de la prehistoria.

"A fines del siglo XIX, Wilm trabajó para tratar de aumentar la resistencia del aluminio, un metal ligero que había estado disponible recientemente. Fundió y fundió varias aleaciones diferentes y probó varias velocidades de enfriamiento comunes en la producción de acero con el fin de para lograr la mejor resistencia posible ", dice Lervik.

Un fin de semana, cuando hacía buen tiempo, Wilm decidió tomarse un descanso de sus experimentos y, en cambio, tomarse un fin de semana temprano para navegar a lo largo del río Havel.

"Regresó al laboratorio el lunes y continuó realizando pruebas de tracción de una aleación de aluminio, cobre y magnesio que había comenzado la semana anterior. Descubrió que la resistencia de la aleación había aumentado considerablemente durante el fin de semana.

Esta aleación simplemente se mantuvo a temperatura ambiente durante ese tiempo. El tiempo había hecho el trabajo que ningún otro método de enfriamiento podía hacer.

Hoy en día, este fenómeno se llama envejecimiento natural.

El metalúrgico estadounidense Paul Merica sugirió en 1919 que el fenómeno debe deberse a pequeñas partículas de los diversos elementos que forman una especie de precipitación en la aleación. Pero en ese momento no existían métodos experimentales que pudieran probar esto.

"Sólo hacia finales de la década de 1930 pudo el método de difracción de rayos X demostrar que los elementos de aleación se acumulaban en pequeños cúmulos a nanoescala", dice Lervik.

El aluminio puro se compone de muchos cristales. Un cristal puede verse como un bloque de láminas de cuadrícula, donde un átomo se encuentra en cada cuadrado de la cuadrícula. La fuerza se mide en la resistencia de las láminas al deslizamiento unas sobre otras.

En una aleación, un pequeño porcentaje de los cuadrados están ocupados por otros elementos, lo que dificulta un poco el deslizamiento de las láminas entre sí y aumenta la resistencia.

Como explica Lervik, "Un agregado es como una pequeña gota de pintura en el bloque de la rejilla. Los elementos de aleación se acumulan y ocupan unas pocas docenas de cuadrados vecinos que se extienden sobre varias láminas. Junto con el aluminio, forman un patrón. Estas gotas tienen una estructura atómica diferente a la del aluminio y dificultan el deslizamiento de las láminas en el bloque de rejilla ".

Los agregados de elementos de aleación se conocen como "agrupaciones". En lenguaje técnico, se denominan zonas Guinier-Preston (GP) en honor a los dos científicos que las describieron por primera vez. En la década de 1960, fue posible ver las zonas GP a través de un microscopio electrónico por primera vez. tiempo, pero se necesita hasta ahora para verlos en el nivel de un solo átomo.

"En los últimos años, numerosos científicos han explorado la composición de los agregados, pero se ha trabajado poco para comprender su estructura nuclear. En cambio, muchos estudios se han centrado en optimizar las aleaciones experimentando con el endurecimiento por envejecimiento a diferentes temperaturas y durante diferentes períodos de tiempo, "dice Lervik.

El endurecimiento por envejecimiento y la creación de mezclas de metales fuertes son claramente muy importantes en un contexto industrial. Pero muy pocos investigadores y personas en la industria se han preocupado mucho por en qué consisten realmente los clústeres. Simplemente eran demasiado pequeños para probarlos.

Lervik y sus colegas pensaban de manera diferente.

"Con nuestros métodos experimentales modernos, logramos tomar fotografías a nivel atómico de los cúmulos con el microscopio electrónico de transmisión en Trondheim por primera vez en 2018", dice Lervik.

"Él y su equipo estudiaron aleaciones de aluminio, zinc y magnesio. Estas son cada vez más importantes en las industrias automotriz y aeroespacial".

El equipo de investigación también determinó la composición química de los grupos utilizando el instrumento para tomografía de sonda atómica que se instaló recientemente en NTNU. El programa de infraestructura del Consejo de Investigación de Noruega hizo posible este descubrimiento. Esta inversión ya ha contribuido a nuevos conocimientos fundamentales sobre los metales.

Los investigadores estudiaron las aleaciones de aluminio, zinc y magnesio, conocidas como aleaciones Al serie 7xxx. Estas aleaciones de metales ligeros son cada vez más importantes en las industrias automotriz y aeroespacial.

"Encontramos cúmulos con un radio de 1,9 nanómetros enterrados en el aluminio. Aunque son numerosos, son difíciles de observar con un microscopio. Solo logramos identificar la estructura atómica en condiciones experimentales especiales", dice Lervik.

Ésta es parte de la razón por la que nadie ha hecho esto antes. Realizar los experimentos es complicado y requiere equipos experimentales modernos y avanzados.

"Experimentamos lo complicado que fue esto varias veces. Aunque logramos tomar una fotografía de los cúmulos y pudimos extraer algo de información sobre su composición, pasaron varios años antes de que comprendiéramos lo suficiente como para poder describir la estructura nuclear", dice Lervik.

Entonces, ¿qué hace que este trabajo sea tan especial? En el pasado, la gente ha asumido que los agregados consisten en elementos de aleación, aluminio y quizás vacantes (cuadrados vacíos) que están dispuestos de manera más o menos aleatoria.

"Descubrimos que podemos describir todos los grupos que hemos observado basándonos en una figura espacial geométrica única llamada 'octaedro de cubo truncado'", dice Lervik.

Aquí mismo, cualquier persona sin experiencia en física o química puede querer hojear las siguientes secciones o saltar directamente al título central "Importante para comprender el tratamiento térmico".

Para comprender la ilustración anterior, primero debemos aceptar que un cristal de aluminio (bloque cuadrado) se puede visualizar como una pila de cubos, cada uno con átomos en las 8 esquinas y 6 lados.

Esta estructura es una red cúbica atómica centrada en los lados. La figura geométrica es como un cubo, con una capa exterior formada por los cubos circundantes. Lo describimos como tres capas alrededor del cubo central: una para los lados, otra para las esquinas y la capa más externa. Estas capas constan de 6 átomos de zinc, 8 de magnesio y 24 de zinc, respectivamente.

El centro del cuerpo (cubo) puede contener un átomo adicional, un 'intersticial', que en esta ilustración se puede describir como ubicado entre los espacios (cuadrados) de aluminio.

Esta única figura explica además todas las unidades de clúster más grandes por su capacidad para conectarse y expandirse en tres direcciones definidas. La imagen también explica las observaciones previamente informadas por otros. Estas unidades de racimo son las que contribuyen a aumentar la fuerza durante el envejecimiento.

Importante para comprender el tratamiento térmico

"¿Por qué es genial? Es genial porque el envejecimiento natural no suele ser el último paso en el procesamiento de una aleación antes de que esté lista para ser utilizada", dice Lervik.

Estas aleaciones también pasan por un tratamiento térmico final a temperaturas más altas (130-200 ° C) para formar precipitados más grandes con estructuras cristalinas definidas. Unen los planos atómicos (láminas) aún más estrechamente y lo fortalecen considerablemente.

"Creemos que comprender la estructura atómica de los cúmulos formados por el envejecimiento natural es esencial para comprender mejor el proceso de formación de los precipitados que determinan gran parte de las propiedades del material. ¿Se forman los precipitados en los cúmulos o los cúmulos se transforman en precipitados durante tratamiento térmico? ¿Cómo se puede optimizar y utilizar? Nuestro trabajo futuro tratará de responder a estas preguntas ", dice Lervik.

Referencias: A. Lervik, E. Thronsen, J. Friis, C. D. Marioara, S. Wenner, A. Bendo, K. Matsuda, R. Holmestad, S. J. Andersen. Estructura atómica de grupos de solutos en aleaciones de Al - Zn - Mg. Acta Materialia, Volumen 205, 15 de febrero de 2021, 116574. https: / / doi. org / 10. 1016 / j. actamat. 2020. 116574

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Tipos de hueso

Hueso, o tejido óseo, es un tejido conectivo que constituye el endoesqueleto. Contiene células especializadas y una matriz de sales minerales y fibras de colágeno.

Las sales minerales incluyen principalmente hidroxiapatita, un mineral formado a partir de fosfato de calcio. Calcificación es el proceso de deposición de sales minerales sobre la matriz de fibra de colágeno que cristaliza y endurece el tejido. El proceso de calcificación solo ocurre en presencia de fibras de colágeno.

Los huesos del esqueleto humano se clasifican por su forma: huesos largos, huesos cortos, huesos planos, huesos suturales, huesos sesamoideos y huesos irregulares (Figura 1).

Figura 1. Se muestran diferentes tipos de huesos: planos, irregulares, largos, cortos y sesamoideos.

Figura 2. El hueso largo está cubierto por cartílago articular en cada extremo y contiene médula ósea (que se muestra en amarillo en esta ilustración) en la cavidad medular.

Huesos largos son más largos que anchos y tienen un eje y dos extremos. los diáfisis, o eje central, contiene médula ósea en una cavidad medular. Los extremos redondeados, el epífisis, están cubiertos de cartílago articular y están llenos de médula ósea roja, que produce glóbulos (Figura 2). La mayoría de los huesos de las extremidades son huesos largos, por ejemplo, el fémur, la tibia, el cúbito y el radio. Las excepciones a esto incluyen la rótula y los huesos de la muñeca y el tobillo.

Huesos cortos, o huesos cuboidales, son huesos que tienen el mismo ancho y largo, lo que les da una forma de cubo. Por ejemplo, los huesos de la muñeca (carpo) y el tobillo (tarso) son huesos cortos (Figura 1).

Huesos planos son huesos delgados y relativamente anchos que se encuentran donde se requiere una amplia protección de los órganos o donde se requieren amplias superficies de inserción muscular. Ejemplos de huesos planos son el esternón (hueso del pecho), las costillas, la escápula (omóplatos) y el techo del cráneo (Figura 1).

Huesos irregulares son huesos con formas complejas. Estos huesos pueden tener superficies cortas, planas, con muescas o estrías. Ejemplos de huesos irregulares son las vértebras, los huesos de la cadera y varios huesos del cráneo.

Huesos sesamoideos son huesos pequeños y planos y tienen una forma similar a la de una semilla de sésamo. Las rótulas son huesos sesamoideos. Los huesos sesamoideos se desarrollan dentro de los tendones y se pueden encontrar cerca de las articulaciones de las rodillas, las manos y los pies.

Huesos suturales son huesos pequeños, planos y de forma irregular. Pueden encontrarse entre los huesos planos del cráneo. Varían en número, forma, tamaño y posición.


Hueso Compacto

El hueso compacto es el más denso y fuerte de los dos tipos de tejido óseo (Figura 6.3.6). Constituye la corteza exterior de todos los huesos y está en contacto inmediato con el periostio. En los huesos largos, a medida que se mueve desde el hueso compacto cortical externo a la cavidad medular interna, el hueso pasa a ser esponjoso.

Figura 6.3.6 y # 8211 Diagrama de hueso compacto: (a) Esta vista en sección transversal de hueso compacto muestra varios osteones, la unidad estructural básica del hueso compacto. (b) En esta micrografía del osteón, puede ver las laminillas concéntricas alrededor de los canales centrales. LM × 40. (Micrografía proporcionada por los Regentes de la Facultad de Medicina de la Universidad de Michigan © 2012)

Figura 6.3.7 Osteon

Si observa el hueso compacto bajo el microscopio, observará una disposición muy organizada de círculos concéntricos que parecen troncos de árboles. Cada grupo de círculos concéntricos (cada & # 8220tree & # 8221) constituye la unidad estructural microscópica de hueso compacto llamado osteon (esto también se llama sistema de Havers). Cada anillo del osteón está hecho de colágeno y matriz calcificada y se llama lámina (plural = laminillas). Las fibras de colágeno de las lamallas adyacentes corren en ángulos perpendiculares entre sí, lo que permite que los osteones resistan fuerzas de torsión en múltiples direcciones (ver figura 6.34a). Corriendo por el centro de cada osteón está el canal central, o canal de Havers, que contiene vasos sanguíneos, nervios y vasos linfáticos. Estos vasos y nervios se ramifican en ángulo recto a través de un canal de perforación, también conocidos como canales de Volkmann, para extenderse al periostio y al endostio. El endostio también recubre cada canal central, lo que permite extraer, remodelar y reconstruir osteonas con el tiempo.

Los osteocitos quedan atrapados dentro de su lacuane, que se encuentra en los bordes de las laminillas adyacentes. Como se describió anteriormente, los canalículos se conectan con los canalículos de otras lagunas y, finalmente, con el canal central. Este sistema permite transportar los nutrientes a los osteocitos y eliminar los desechos a pesar de la matriz calcificada impermeable.


¿Qué se necesitaría para construir una torre tan alta como el espacio exterior?

El deseo humano de crear estructuras cada vez más grandes e impresionantes es insaciable. Las pirámides del Antiguo Egipto, la Gran Muralla China y el Burj Khalifa en Dubai, ahora el edificio más alto del mundo con más de 828 metros (2722 pies), son una consecuencia de llevar la ingeniería al límite. Pero los enormes edificios no son solo monumentos a la ambición humana: también pueden ser la clave del progreso de la humanidad en la era de los viajes espaciales.

Ahora están circulando propuestas para una torre independiente o un & # 8220space ascensor & # 8221 que podría alcanzar la órbita geosincrónica alrededor de la tierra. Tal torre sería una alternativa al transporte basado en cohetes y reduciría drásticamente la cantidad de energía que se necesita para llegar al espacio. Más allá de eso, podemos imaginar megaestructuras espaciales de muchos kilómetros de tamaño, alimentadas por energía solar, que quizás abarquen planetas enteros o incluso estrellas.

En los últimos años, los ingenieros han podido construir a gran escala gracias a la resistencia y fiabilidad de sustancias como las nuevas aleaciones de acero. Pero a medida que entramos en el ámbito de las megaestructuras, las de 1.000 km o más de dimensión, mantener la seguridad y la integridad estructural se ha convertido en un desafío diabólico. Esto se debe a que cuanto más grande se vuelve algo, más estrés experimenta debido a su peso y tamaño (& # 8220stress & # 8221 es una medida de tensión mecánica, como cuando separas algo de cualquiera de los extremos o lo aprietas. & # 8220Fuerza & # 8221 es la tensión máxima que puede soportar una estructura antes de romperse).

Resulta que el diseño biológico, equipado con alrededor de 3.800 millones de años de experiencia, podría ayudar a resolver este rompecabezas. Antes de la era de la ciencia de los materiales, los ingenieros tenía buscar en la naturaleza trucos creativos que los ayuden a superar las restricciones de sus materiales. Las civilizaciones clásicas, por ejemplo, mejoraron sus máquinas de guerra con tendones retorcidos hechos de pieles de animales, que podían extenderse y retroceder para lanzar proyectiles al enemigo. Pero luego llegaron sustancias como el acero y el hormigón, que se volvieron sucesivamente más resistentes y más ligeras.

Esto condujo a una subdisciplina conocida como & # 8220 ingeniería de confiabilidad & # 8221. Los diseñadores comenzaron a hacer estructuras que eran mucho más resistentes que la carga máxima posible que necesitaban soportar, lo que significaba que la tensión en los materiales se mantenía dentro de un rango donde la probabilidad de rotura fue muy bajo. Sin embargo, una vez que las estructuras se convierten en megaestructuras, los cálculos muestran que este enfoque de aversión al riesgo pone un límite a su tamaño. Las megaestructuras necesariamente llevan los materiales al límite y eliminan el lujo de resistir niveles cómodos de estrés.

Sin embargo, ni los huesos ni los tendones de nuestro cuerpo disfrutan de este lujo. De hecho, a menudo se comprimen y estiran mucho más allá del punto en el que se espera que se rompan sus sustancias subyacentes. Sin embargo, estos componentes del cuerpo humano siguen siendo mucho más "fiables" de lo que sugeriría su fuerza material. Por ejemplo, simplemente correr puede empujar el tendón de Aquiles a más del 75 por ciento de su resistencia máxima a la tracción, mientras que los levantadores de pesas pueden experimentar tensiones de más del 90 por ciento de la fuerza de su columna lumbar, cuando pesan cientos de kilogramos.

¿Cómo maneja la biología estas cargas? La respuesta es que nuestros cuerpos reparan y reciclan constantemente sus materiales. En los tendones, las fibras de colágeno se reemplazan de tal manera que, aunque algunas están dañadas, el tendón en general es seguro. Esta autorreparación constante es eficiente y económica, y puede cambiar en función de la carga. De hecho, todas las estructuras y células de nuestro cuerpo están en constante renovación; se estima que casi el 98 por ciento de los átomos del cuerpo humano se reemplazan cada año.

Recientemente, aplicamos este paradigma de autorreparación para ver si es posible construir un ascensor espacial confiable con los materiales disponibles. Un diseño propuesto común presenta un cable de 91,000 km de largo (llamado atar), que se extiende desde el ecuador y se equilibra mediante un contrapeso en el espacio. La atadura consistiría en haces de fibras paralelas, similares a las fibras de colágeno en los tendones u osteones en los huesos, pero hechas de Kevlar, un material que se encuentra en los chalecos a prueba de balas y de cuchillos.

Usando sensores y software artificialmente inteligente, sería posible modelar matemáticamente toda la correa para predecir cuándo, dónde y cómo se romperían las fibras. Y cuando lo hacían, los veloces escaladores robóticos que patrullaban arriba y abajo de la correa los reemplazarían, ajustando la tasa de mantenimiento y reparación según fuera necesario, imitando la sensibilidad de los procesos biológicos. A pesar de operar con un estrés muy alto en comparación con lo que pueden soportar los materiales, demostramos que esta estructura sería confiable y no exigiría tasas de reemplazo exorbitantes. Además, la resistencia máxima que el material necesitaría poseer para lograr una estructura confiable se redujo en un impresionante 44 por ciento.

Este enfoque bioinspirado de la ingeniería también puede ayudar a las estructuras aquí en la Tierra, como puentes y rascacielos. Al & # 8220 desafiar & # 8221 nuestros materiales y equipar los sistemas con mecanismos autónomos de reparación y reemplazo, podemos superar las limitaciones actuales al tiempo que mejoramos la confiabilidad.

Para tener una idea de los beneficios de operar más cerca del límite de la resistencia a la tracción, mire un puente colgante, que involucra tramos de cable de acero que se hunden en el medio. El principal obstáculo para aumentar la luz del puente es que, a medida que usamos cuerdas más largas, se vuelven más pesadas y se rompen por su propio peso. Si la cuerda se estira a no más del 50 por ciento de su resistencia total, el tramo máximo es de unos 4 km, pero cuando se estira hasta el 90 por ciento de su resistencia, el tramo aumenta drásticamente a más de 7,5 km. Sin embargo, garantizar que el cable sea seguro requerirá que las fibras de acero se reemplacen en un proceso afinado, al igual que en los sistemas biológicos.

Las megaestructuras ya no son ciencia ficción. Nunca disuadidos por el colapso de la Torre de Babel, como se relata en el Antiguo Testamento, los humanos han continuado construyendo más y más alto y más rápido, impulsados ​​por tremendos avances en ciencia y tecnología. Sin embargo, de acuerdo con los estándares de la ingeniería de confiabilidad clásica, todavía estamos muy lejos. En cambio, necesitamos un nuevo paradigma, uno que se enfoque no solo en la fuerza material, sino en las capacidades reconstructivas inherentes de los sistemas. No debemos mirar más allá de la generosidad de la vida biológica que nos rodea y confiar en que hay mucho que aprender del recorrido de la historia evolutiva.

Este artículo se publicó originalmente en Aeon y se ha vuelto a publicar bajo Creative Commons.


Los tacones altos remodelan los músculos de las piernas y crean dolor cuando no se usan

Las mujeres que usan tacones altos todos los días podrían estar sufriendo más que un pequeño dolor en el pie. El uso habitual de tacones altos puede provocar cambios en los músculos y tendones de la pantorrilla, según un nuevo estudio.

Tanto es así que estas mujeres realmente sienten incomodidad cuando caminan sin tacones de aguja.

El hábito del tacón alto puede hacer que las fibras del músculo de la pantorrilla se acorten y que el tendón de Aquiles, que conecta el músculo de la pantorrilla con el hueso, se endurezca y se vuelva más grueso. Si bien esta configuración no plantea problemas cuando el talón está apoyado, puede provocar molestias al pararse o caminar con los pies planos porque el músculo y el tendón se estiran más allá de su rango normal de movimiento.

"En cierto modo, el sistema se ha adaptado a esta nueva posición", dijo el investigador del estudio Marco Narici de la Universidad Metropolitana de Manchester en el Reino Unido. "Cuando usan tacones altos, los músculos se sienten más cómodos".

Los resultados se publicarán el 16 de julio en la revista Journal of Experimental Biology.

Medir los músculos

Cuando las personas se ponen tacones altos, se levantan los tobillos y los músculos de las pantorrillas se mantienen en una posición acortada (contraída). Los científicos saben que cuando las personas colocan sus músculos en una posición acortada durante un período de tiempo prolongado, como en un yeso de plástico, el músculo literalmente se vuelve más corto, dijo Narici.

Narici se preguntó si el uso constante de tacones altos también podría provocar un acortamiento muscular.

"Pensé que: las mujeres que usaban tacones altos estaban haciendo un experimento para nosotros sin saberlo, así que todo lo que teníamos que hacer era reclutarlas y probarlas", dijo a WordsSideKick.com.

Además, hay evidencia anecdótica de la década de 1950 de que las secretarias experimentaban incomodidad cuando se quitaban los tacones altos y caminaban descalzas, dijo Narici, que también sugirió que usar tacones altos constantemente provoca cambios.

Los participantes del estudio incluyeron a 11 mujeres (edad promedio de 43 años) que habían usado tacones de aguja (de al menos 2 pulgadas o 5 centímetros de alto) durante cinco días a la semana durante dos años o más. Most of the subjects said they felt discomfort when they were standing barefoot. A control group of nine women who did not regularly wear high heels was also included.

Narici and his colleagues first measured the size of the women's calf muscles using magnetic resonance imaging (MRI). However, they didn&rsquot find any differences in muscle volume between the two groups.

Next, they used ultrasound to measure the length of the calf muscle fibers, finding they were 13-percent shorter in high-heel wearers compared with the control group.

Having shorter fibers should affect how the muscle contracts &mdash shorter fibers should generate less force and make walking less efficient in these women. But the researchers couldn't find any differences between the two groups in terms of how the calf muscle contracts.

An examination of the Achilles tendon showed the tendons of high-heel wearers were thicker, and thus stiffer, than those of non-high heel wearers.

The thicker tendons counterbalance the shorter muscle fibers and allow the muscle to behave normally, Narici said. But the combined effect of the thicker tendon and the shorter fibers is the likely reason behind the soreness felt when high-heel wearers ditch their stilettos..

High heels aren't the only footwear risk. A separate study in 2008 found that constantly wearing flip-flops alters how you walk, changing the gait in subtle ways that can lead to problems and pain in the sole, heel and ankle.

Ditch the heels?

Narici doesn't think the results mean women should give up wearing high heels. But he recommends stretching exercises after a day of wearing high heels to prevent the muscle fibers from shortening.

Currently, Narici and his colleagues are investigating whether thicker Achilles tendons make running less efficient.

Narici conducted his work with Robert Csapo of the University of Vienna, Austria, and Olivier Seynnes and Costis Maganaris of Manchester Metropolitan University.

The study was funded by Manchester Metropolitan University and the University of Vienna.


Ver el vídeo: QUE ES LA ESTRUCTURA y porque la diseñamos (Enero 2022).