II. SISTEMA MUSCULAR
UNA propiedad muy general de la materia viviente es la habilidad
para alterar su tama�o o medida por contracci�n o expansi�n de una zona determinada
del organismo. En el cuerpo humano existen grupos de c�lulas especializadas
en contraerse o relajarse sin que tenga que cambiar su posici�n ni su forma;
ciertos grupos celulares se contraen y se relajan bombeando l�quidos, como es
el caso del coraz�n; otros fuerzan la comida a trav�s del tracto digestivo;
etc.; los agregados de estas c�lulas especializadas se llaman tejidos musculares
o simplemente m�sculos. Un grupo de ellos tiene asignado como trabajo
el llevar a cabo la locomoci�n.
Los m�sculos son transductores (es decir, traductores) que convierten la energ�a qu�mica en energ�a el�ctrica, energ�a t�rmica y/o energ�a mec�nica �til. Aparecen en diferentes formas y tama�os, difieren en las fuerzas que pueden ejercer y en la velocidad de su acci�n; adem�s, sus propiedades cambian con la edad de la persona, su medio ambiente y la actividad que desarrolla. Desde el punto de vista anat�mico se pueden clasificar de muchas maneras, dependiendo de su funci�n, innervaci�n, localizaci�n en el cuerpo, etc. Quiz� la clasificaci�n histol�gica es la m�s sencilla y clara, y distingue dos clases de m�sculos: lisos y estriados. Los estriados, vistos al microscopio, parecen alternar bandas oscuras y claras distribuidas en forma regular; las fibras son largas. Los lisos consisten de fibras cortas que no presentan estr�as.
El estudio de los m�sculos desde el punto de vista f�sico abarca muchos campos. Aqu� trataremos el problema de la locomoci�n, que corresponde a los m�sculos estriados, los cuales tienen, en los extremos, sus fibras atadas por tendones que los unen a los huesos, por lo que se conocen como m�sculos del esqueleto.
Hablar de locomoci�n es hablar de movimiento, es decir, de mec�nica. Lo primero que haremos ser� distinguir entre un cuerpo en movimiento y otro inm�vil. Un cuerpo inm�vil no cambia de lugar al tanscurrir el tiempo, mientras que uno en movimiento s� lo hace. Podemos pensar que un cuerpo inm�vil est� en equilibrio, pero �qu� es el equilibrio? Cuando hablamos de equilibrio en f�sica, lo que estamos diciendo es que no hay fuerza neta actuando sobre el cuerpo, lo que implica que puede estar en movimiento y su velocidad ser constante; si la velocidad es cero, el cuerpo estar� inm�vil.
La fuerza neta es cero cuando la suma de las fuerzas que act�an sobre el cuerpo
es cero, lo que se representa como: 
.
F representa a cada una de las fuerzas que actu�n sobre el cuerpo y tiene car�cter
vectorial, es decir, posee magnitud, direcci�n y sentido; en estas tres particularidades
deben sumarse las fuerzas.
Para saber si un cuerpo est� o no en equilibrio, podemos hacer una representaci�n gr�fica de las fuerzas que act�an sobre �l; por ejemplo, consideremos que las fuerzas que est�n actuando sobre el cuerpo est�n dadas por: F1, F2, F3 y F4 como se muestra en la figura 4, donde el tama�o de cada una es proporcional a su longitud, la direcci�n y el sentido est�n representados por la punta de la flecha. Para sumarlas gr�ficamente las dibujamos de manera consecutiva, de modo que se forma un pol�gono; si �ste es cerrado, entonces la suma de las fuerzas es cero y el cuerpo est� en equilibrio; si el pol�gono no es una figura cerrada, habr� una fuerza neta actuando sobre el cuerpo.
Hay un caso que debe ser considerado: si las fuerzas que act�an sobre el cuerpo
tienen la misma magnitud y direcci�n pero sentidos contrarios, la suma vectorial
es cero; sin embargo, el cuerpo estar� en equilibrio s�lo si est�n aplicadas
sobre la misma l�nea, de otra forma se produce un giro en el cuerpo. Si esto
ocurre, decimos que la fuerza (cada una) produce una torca t
en el cuerpo dada por: t = F.r.sen q,
donde F es la magnitud de la fuerza, r la distancia del centro de giro del cuerpo
al punto de aplicaci�n de la fuerza y q es el �ngulo
que forman r y F.
Figura 4. (a) Cuatro vectores de fuerza actuando sobre un objeto, cuya suma por el m�todo gr�fico resulta ser diferente del cero, provocan que el cuerpo no est� en equilibrio. (b) Cuatro vectores actuando sobre un cuerpo, cuya suma es cero, provocan que el cuerpo est� en equilibrio.
Por lo anterior, para garantizar que el cuerpo est� en equilibrio, se deben
cumplir simult�neamente dos condiciones: que la suma de las fuerzas actuando
sobre �l sea cero y que la suma de las torcas sea cero, es decir: 
y 
.
Lo primero garantiza que no hay movimiento de translaci�n, y lo segundo que
no hay giro o rotaci�n.
Una aplicaci�n de lo anterior, en medicina, es la inmovilizaci�n de huesos
rotos, o en sistemas de tracci�n como el de Russell, que se aplica en caso de
fractura de f�mur.
Figura 5. Fuerzas producidas en el antebrazo al sostener un peso P.
Otra aplicaci�n de las condiciones de equilibrio se da en c�lculo de la fuerza
ejercida por los m�sculos, como el b�ceps mostrado en la figura 5, donde se
conoce el peso del antebrazo A=1.5 kgf y el peso que sostiene W=5 kgf. Aplicando
la condici�n de equilibrio: 
y considerando que el centro de giro ser�a la articulaci�n del codo, se tiene:
que es la fuerza ejercida por el b�ceps. Es frecuente que los m�sculos ejerzan fuerzas mucho mayores que las cargas que sostienen.
Otro concepto importante, si queremos describir el movimiento del cuerpo, es el de centro de gravedad. �ste coincide con el centro geom�trico si el cuerpo es perfectamente sim�trico y su masa est� uniformemente distribuida; en estos casos es f�cil calcularlo. De otra forma, lo m�s f�cil es localizarlo experimentalmente, para lo cual basta suspender el cuerpo de tantos puntos como dimensiones tenga, y trazar una l�nea vertical cada vez; en el punto donde se intersectan estas l�neas se encuentra el centro de gravedad.
El concepto de centro de gravedad es �til en terapia f�sica ya que un cuerpo apoyado sobre su centro de gravedad se encuentra en equilibrio y no cambia su posici�n a menos que act�e una fuerza sobre �l. Una persona que est� de pie tiene su centro de gravedad en la regi�n p�lvica, pero si se dobla hacia delante la localizaci�n del centro de gravedad variar�, haciendo que la persona gire.
Cuando una persona carga un cuerpo pesado, tiende a moverse en el sentido opuesto al que se encuentra el objeto, para equilibrar el centro de gravedad de los dos juntos: as� evita caer.
Cuando varias fuerzas act�an sobre el cuerpo, una forma de simplificar el problema de su movimiento es considerar que todas se aplican en un solo punto, el centro de masa del cuerpo, que puede estar localizado dentro o fuera de �ste. El centro de masa es un punto donde te�ricamente se concentra toda la masa del cuerpo y est� localizado en un punto espacial que nos permite describir el movimiento del cuerpo; por ejemplo, una llanta de coche que rodamos sobre una l�nea recta: su centro de masa estar�a ubicado en el centro, a pesar de no haber masa ah�; dicho punto se mueve en l�nea recta permiti�ndonos describir el movimiento de la llanta del modo m�s simple posible.
En f�sica consideramos tres casos de equilibrio: estable, inestable e indiferente. El estable es aqu�l que tiene un cuerpo que al moverse tiende siempre a regresar a su posici�n original, como ser�a el caso del p�ndulo de un reloj: siempre tiende a volver a la posici�n vertical. El inestable corresponde a aquellos cuerpos que al moverse fuera de su posici�n de equilibrio no regresan a ella; un ejemplo ser�a el de un plato sobre un l�piz (malabarismo). El equilibrio indiferente es el de aquellos cuerpos que se mueven de su posici�n de equilibrio y regresan a la condici�n de equilibrio en cualquier otra posici�n, por ejemplo, un hombre que camina, cada vez que se detiene est� en equilibrio. El equilibrio es importante para todos los seres vivos, est� relacionado con la estabilidad y, en el caso del ser humano, el problema se complica m�s de lo que puede suponerse porque no se refiere �nicamente a la estabilidad f�sica sino tambi�n a la estabilidad emocional, acarreando graves consecuencias que generalmente abarcan todo el medio ambiente de la persona, con las consecuencias que esto acarrea.
Cuando un m�sculo es estimulado, se contrae. Si el m�sculo se mantiene con longitud constante desarrolla una fuerza, mientras que si mueve un peso se contrae y hace trabajo. Las dos situaciones m�s simples para estudiar son a) longitud constante (isom�trica) y b) fuerza constante (isot�nica).
Si el m�sculo es estimulado por medio de corrientes el�ctricas, impulsos mec�nicos, calor, fr�o, etc., ocurre una serie de contracciones, separadas por relajamientos entre cada est�mulo. Si los est�mulos se repiten antes de que ocurra la relajaci�n, la contracci�n se mantiene estacionaria; esto se conoce como t�tano. Eventualmente todos los m�sculos sufren de fatiga y su contracci�n falla cuando haya un est�mulo presente.
Es necesario decir que s�lo las contracciones isot�nicas realizan trabajo. Los m�sculos estriados en general pueden desarrollar grandes fuerzas para una carga dada, como lo vimos anteriormente, en particular los m�sculos esquel�ticos desarrollan fuerzas mayores que las cargas que soportan; sin embargo, las cargas pueden moverse mucho m�s de lo que se contrae el m�sculo.
Cuando un m�sculo est� trabajando produce cierta cantidad de calor debida a la conversi�n de energ�a qu�mica en trabajo mec�nico. Experimentalmente esto se mide a trav�s del aumento en la temperatura del cuerpo. Por lo anterior, una persona que tiene una gran energ�a puede desarrollar una gran cantidad de trabajo; para tener una gran energ�a se debe comer bien, ya que la energ�a qu�mica almacenada en los alimentos puede ser completamente transferida al organismo.
La energ�a de un cuerpo es la capacidad que tiene para desarrollar un trabajo. Desde el punto de vista de la f�sica, existen varias formas de energ�a: mec�nica, qu�mica, el�ctrica, magn�tica, etc.; sin embargo, pueden transformarse de una a otra en un sistema como el del organismo humano, por ejemplo. En un sistema aislado (aqu�l que no tiene interacci�n con sus alrededores), la energ�a se transforma sin que exista ninguna p�rdida o ganancia en la cantidad total inicial; es por ello que se dice que la energ�a se conserva. �ste es, quiz�, el principio m�s importante de la f�sica.
Cuando se aplica una fuerza F a un cuerpo de modo que lo desplace una distancia
S, se dice que la fuerza ha desarrollado un trabajo dado por: 
donde q es el �ngulo que hace la fuerza F con la
l�nea de desplazamiento del cuerpo. Si el cuerpo se mueve en la misma l�nea
en la que se aplica la fuerza, se tiene que el trabajo total realizado es: 
medido en N.m (Newtons por metro) o J (Joules).
Si a un cuerpo, inicialmente en reposo, se le aplica una fuerza constante, es decir una aceleraci�n constante, ya que la fuerza est� dada por el producto de la masa del cuerpo por la aceleraci�n que se le imprime: F = m.a; al transcurrir un tiempo t habr� recorrido una distancia
dada por 
de modo que el trabajo estar� dado por:
ya que la velocidad se encuentra como v = a.t. A esta cantidad se le conoce como energ�a cin�tica del cuerpo, la cual claramente es igual al trabajo desarrollado por �l.
La cantidad de trabajo desarrollado por los m�sculos y las piernas
de un corredor est� dado por: 
donde F es la fuerza muscular, S la distancia recorrida en cada zancada del
corredor y m la masa de la pierna. De medidas hechas se sabe que la fuerza es
proporcional al cuadrado de la longitud de la pierna, L�, la distancia es proporcional
a L y la masa es proporcional a L� de modo que:
este es un resultado interesante ya que nos dice que la velocidad que puede desarrollar un corredor es independiente de su tama�o.
Al caer de una altura h, un cuerpo est� sujeto a la acci�n de la gravedad y
adquiere una velocidad que depende de la constante gravitacional 
,
al sustituirla en la ecuaci�n para la energ�a cin�tica se tiene:
que es la energ�a que ten�a almacenada el cuerpo a la altura h, antes de iniciar su ca�da, y se la conoce como energ�a potencial del cuerpo.
Muchos de los m�sculos y huesos del cuerpo act�an como palancas, las cuales se clasifican en tres clases. Las palancas de la primera clase son aquellas en las que el punto de apoyo se encuentra entre el punto de aplicaci�n de la fuerza (en este caso de la fuerza muscular) y el punto de aplicaci�n del peso que se quiere mover; esta clase de palancas son las que menos se presentan en la realidad. Las de segunda clase son aquellas en las que el peso se encuentra entre el punto de apoyo y la fuerza muscular; mientras que en las de tercera clase, que son las m�s frecuentes, el punto de aplicaci�n de la fuerza muscular se encuentra entre los puntos de aplicaci�n del peso y del apoyo (esto se ilustra en la Figura 6).
Es frecuente que despu�s de cargar un objeto pesado, se sufra de dolor en la
parte baja de la espalda, en la regi�n lumbar, lo que se debe a la mala posici�n
que se adopta para levantar el peso. Se han hecho medidas de la presi�n en los
discos que separan las v�rtebras usando un transductor calibrado conectado a
una aguja hueca que se inserta en el centro gelatinoso de un disco intervertebral
para un adulto que carga un peso adoptando diferentes posiciones: la posici�n
erecta que adopta la persona sin carga extra provoca una presi�n en el disco
lumbar de aproximadamente 5 atm�sferas; si la carga es de aproximadamente 20
kg, distribuida en igual forma en cada mano a los lados del cuerpo, la presi�n
alcanza las 7 atm�sferas una vez que la persona est� erecta. Al momento de levantar
la carga, si la persona dobla las rodillas, la presi�n alcanzar� 12 atm�sferas,
mientras que si no las dobla puede llegar hasta 35 atm�sferas (1 atm es la presi�n
ejercida por la atm�sfera terrestre al nivel del mar), por lo que es conveniente
doblar las rodillas cada vez que se cargue un peso.
Figura 6. Las tres clases de palancas que se producen en el cuerpo humano.
W es una fuerza que puede ser el peso, M es la fuerza muscular y F la fuerza
de reacci�n.
