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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo E2 - Sistema Elástico (Tendones y Columna Vertebral)
El modelo conceptual busca comprender los mecanismos que dan origen a un comportamiento, y describirlos de la forma más simple posible. Para eso, el comportamiento se segmenta en temas (grupos): cada uno identifica los objetos o variables que participan —tanto en su funcionamiento normal como en sus posibles anomalías o desviaciones— y describe, mediante verbos, la forma en que esos objetos interactúan entre sí. El resultado es lo que llamamos una red semántica: la estructura con la que representamos y comunicamos el modelo conceptual, antes de introducir ecuación alguna.
ID:3304
Estructura de los Grupos
Descripción
El primer paso consiste en analizar la descripción general del modelo e identificar los distintos aspectos que intervienen en el fenómeno y que deben ser representados. Cada uno de estos aspectos se organiza como un grupo, entendido como una unidad conceptual coherente que describe una parte específica del funcionamiento del modelo.
Cada grupo reúne los objetos o conceptos relevantes para ese aspecto y las relaciones o verbos que describen cómo interactúan, se modifican o dependen unos de otros. De esta manera, cada grupo constituye una parte de la red semántica del modelo, mientras que el conjunto de los grupos permite representar de forma estructurada su funcionamiento global.
La división en grupos facilita además separar mecanismos, condiciones, procesos y resultados que cumplen funciones diferentes dentro del modelo, manteniendo al mismo tiempo las relaciones que existen entre ellos. Los grupos no son, por tanto, componentes aislados: pueden compartir conceptos y establecer relaciones entre sí, formando conjuntamente una única representación semántica del fenómeno.
La imagen anterior ofrece una visión general de los distintos aspectos en que se ha estructurado el modelo. A continuación se presentan los grupos identificados, indicando para cada uno su título y una breve descripción del aspecto del modelo que representa.
Grupo 1: Grupo 1: Estructuras elásticas locomotoras
¿Qué estructuras almacenan y restituyen energía elástica durante la locomoción?
Grupo 2: Grupo 2: Carga, almacenamiento y propulsión
¿Cómo se transforma la carga mecánica en energía elástica y luego en propulsión?
Grupo 3: Grupo 3: Viscoelasticidad y rigidez tendinosa
¿Cómo determina la respuesta fuerza–elongación la rigidez y el almacenamiento de energía?
Grupo 4: Grupo 4: Histéresis y recuperación energética
¿Qué limita la restitución de la energía almacenada?
Grupo 5: Grupo 5: Sistema resorte–masa y frecuencia natural
¿Cómo determinan rigidez y masa la frecuencia natural del sistema?
Grupo 6: Grupo 6: Resonancia locomotora y costo metabólico
¿Cómo relaciona la frecuencia natural la cadencia con la eficiencia energética?
Grupo 7: Grupo 7: Especialización y desempeño locomotor
¿Cómo producen alta rigidez y baja histéresis grandes ahorros metabólicos?
ID:1125
Grupo 1: Grupo 1: Estructuras elásticas locomotoras
Descripción
¿Qué estructuras almacenan y restituyen energía elástica durante la locomoción?
Pregunta clave: ¿Qué estructuras almacenan y restituyen energía elástica durante la locomoción?
Entre los tendones de los miembros se cuentan el tendón de Aquiles en cuadrúpedos y en humanos, el tendón del flexor digital profundo en équidos, y los tendones proximales en los canguros: todos ellos almacenan energía potencial elástica durante la fase de carga del paso y la restituyen durante la fase de propulsión siguiente, lo que reduce el costo metabólico de la locomoción. Los tendones de los miembros y la columna vertebral actúan, en los mamíferos, como acumuladores y restituidores de energía elástica. Además de estos tendones, en los felinos la columna vertebral cumple el mismo papel de acumulador y restituidor de energía elástica: actúa como un resorte que se flexiona y se extiende con cada zancada, ampliando la longitud de la zancada más allá de lo que permitirían solo las extremidades, y almacenando energía elástica adicional durante el galope, energía que la columna devuelve al animal en la fase siguiente del ciclo. Esta combinación de alta rigidez y baja pérdida por histéresis es lo que les permite lograr, en cada zancada, ahorros de costo metabólico superiores a la mitad de la energía que necesitarían sin la contribución de sus tendones y su columna vertebral como acumuladores y restituidores de energía elástica. El comportamiento mecánico de estos tendones es viscoelástico y no lineal: la curva que relaciona la fuerza que soporta el tendón con cuánto se alarga muestra primero un tramo inicial de baja rigidez, en el que las fibras de colágeno todavía sin tensar se van poniendo tensas, y solo después, una vez tensas, entra en un tramo lineal de mayor rigidez.
ID:2396
Grupo 2: Grupo 2: Carga, almacenamiento y propulsión
Descripción
¿Cómo se transforma la carga mecánica en energía elástica y luego en propulsión?
Pregunta clave: ¿Cómo se transforma la carga mecánica en energía elástica y luego en propulsión?
Entre los tendones de los miembros se cuentan el tendón de Aquiles en cuadrúpedos y en humanos, el tendón del flexor digital profundo en équidos, y los tendones proximales en los canguros: todos ellos almacenan energía potencial elástica durante la fase de carga del paso y la restituyen durante la fase de propulsión siguiente, lo que reduce el costo metabólico de la locomoción. Además de estos tendones, en los felinos la columna vertebral cumple el mismo papel de acumulador y restituidor de energía elástica: actúa como un resorte que se flexiona y se extiende con cada zancada, ampliando la longitud de la zancada más allá de lo que permitirían solo las extremidades, y almacenando energía elástica adicional durante el galope, energía que la columna devuelve al animal en la fase siguiente del ciclo. No toda la energía elástica que el tendón almacena durante la carga se devuelve íntegra durante la propulsión: en cada ciclo se pierde, en forma de calor, una fracción de esa energía, un fenómeno conocido como histéresis. Los tendones de los miembros y la columna vertebral actúan, en los mamíferos, como acumuladores y restituidores de energía elástica. Esta rigidez del tendón, una vez alcanzado ese tramo lineal, es el parámetro mecánico central que determina cuánta energía elástica puede almacenar y devolver el tendón en cada ciclo de carga.
ID:2397
Grupo 3: Grupo 3: Viscoelasticidad y rigidez tendinosa
Descripción
¿Cómo determina la respuesta fuerza–elongación la rigidez y el almacenamiento de energía?
Pregunta clave: ¿Cómo determina la respuesta fuerza–elongación la rigidez y el almacenamiento de energía?
El comportamiento mecánico de estos tendones es viscoelástico y no lineal: la curva que relaciona la fuerza que soporta el tendón con cuánto se alarga muestra primero un tramo inicial de baja rigidez, en el que las fibras de colágeno todavía sin tensar se van poniendo tensas, y solo después, una vez tensas, entra en un tramo lineal de mayor rigidez. Esta rigidez del tendón, una vez alcanzado ese tramo lineal, es el parámetro mecánico central que determina cuánta energía elástica puede almacenar y devolver el tendón en cada ciclo de carga. Los mamíferos con tendones especializados en el almacenamiento de energía elástica —canguros, gacelas, guepardos— tienen, para su tamaño corporal, una rigidez tendinosa y una eficiencia de recuperación de energía particularmente altas. La rigidez del tendón, junto con la masa del cuerpo que ese tendón sostiene, define una frecuencia natural propia del sistema resorte-masa que forman juntos: cuanto más rígido es el tendón y menor la masa que debe mover, mayor es esa frecuencia natural. Esta combinación de alta rigidez y baja pérdida por histéresis es lo que les permite lograr, en cada zancada, ahorros de costo metabólico superiores a la mitad de la energía que necesitarían sin la contribución de sus tendones y su columna vertebral como acumuladores y restituidores de energía elástica.
ID:2398
Grupo 4: Grupo 4: Histéresis y recuperación energética
Descripción
¿Qué limita la restitución de la energía almacenada?
Pregunta clave: ¿Qué limita la restitución de la energía almacenada?
No toda la energía elástica que el tendón almacena durante la carga se devuelve íntegra durante la propulsión: en cada ciclo se pierde, en forma de calor, una fracción de esa energía, un fenómeno conocido como histéresis. En un tendón sano, esa pérdida por ciclo es baja, de apenas entre un cuatro y un diez por ciento de la energía almacenada. Esta combinación de alta rigidez y baja pérdida por histéresis es lo que les permite lograr, en cada zancada, ahorros de costo metabólico superiores a la mitad de la energía que necesitarían sin la contribución de sus tendones y su columna vertebral como acumuladores y restituidores de energía elástica. Los mamíferos con tendones especializados en el almacenamiento de energía elástica —canguros, gacelas, guepardos— tienen, para su tamaño corporal, una rigidez tendinosa y una eficiencia de recuperación de energía particularmente altas. Esta rigidez del tendón, una vez alcanzado ese tramo lineal, es el parámetro mecánico central que determina cuánta energía elástica puede almacenar y devolver el tendón en cada ciclo de carga.
ID:2399
Grupo 5: Grupo 5: Sistema resorte–masa y frecuencia natural
Descripción
¿Cómo determinan rigidez y masa la frecuencia natural del sistema?
Pregunta clave: ¿Cómo determinan rigidez y masa la frecuencia natural del sistema?
La rigidez del tendón, junto con la masa del cuerpo que ese tendón sostiene, define una frecuencia natural propia del sistema resorte-masa que forman juntos: cuanto más rígido es el tendón y menor la masa que debe mover, mayor es esa frecuencia natural. El comportamiento mecánico de estos tendones es viscoelástico y no lineal: la curva que relaciona la fuerza que soporta el tendón con cuánto se alarga muestra primero un tramo inicial de baja rigidez, en el que las fibras de colágeno todavía sin tensar se van poniendo tensas, y solo después, una vez tensas, entra en un tramo lineal de mayor rigidez. Esa frecuencia natural determina, a su vez, la cadencia de carrera a la que el animal gasta menos energía, porque correr cerca de esa frecuencia natural es lo que permite que el intercambio de energía elástica entre el tendón y el cuerpo ocurra de la forma más eficiente.
ID:2400
Grupo 6: Grupo 6: Resonancia locomotora y costo metabólico
Descripción
¿Cómo relaciona la frecuencia natural la cadencia con la eficiencia energética?
Pregunta clave: ¿Cómo relaciona la frecuencia natural la cadencia con la eficiencia energética?
Esa frecuencia natural determina, a su vez, la cadencia de carrera a la que el animal gasta menos energía, porque correr cerca de esa frecuencia natural es lo que permite que el intercambio de energía elástica entre el tendón y el cuerpo ocurra de la forma más eficiente. Entre los tendones de los miembros se cuentan el tendón de Aquiles en cuadrúpedos y en humanos, el tendón del flexor digital profundo en équidos, y los tendones proximales en los canguros: todos ellos almacenan energía potencial elástica durante la fase de carga del paso y la restituyen durante la fase de propulsión siguiente, lo que reduce el costo metabólico de la locomoción. Esta combinación de alta rigidez y baja pérdida por histéresis es lo que les permite lograr, en cada zancada, ahorros de costo metabólico superiores a la mitad de la energía que necesitarían sin la contribución de sus tendones y su columna vertebral como acumuladores y restituidores de energía elástica. Los mamíferos con tendones especializados en el almacenamiento de energía elástica —canguros, gacelas, guepardos— tienen, para su tamaño corporal, una rigidez tendinosa y una eficiencia de recuperación de energía particularmente altas.
ID:2401
Grupo 7: Grupo 7: Especialización y desempeño locomotor
Descripción
¿Cómo producen alta rigidez y baja histéresis grandes ahorros metabólicos?
Pregunta clave: ¿Cómo producen alta rigidez y baja histéresis grandes ahorros metabólicos?
Los mamíferos con tendones especializados en el almacenamiento de energía elástica —canguros, gacelas, guepardos— tienen, para su tamaño corporal, una rigidez tendinosa y una eficiencia de recuperación de energía particularmente altas. Esta combinación de alta rigidez y baja pérdida por histéresis es lo que les permite lograr, en cada zancada, ahorros de costo metabólico superiores a la mitad de la energía que necesitarían sin la contribución de sus tendones y su columna vertebral como acumuladores y restituidores de energía elástica. El comportamiento mecánico de estos tendones es viscoelástico y no lineal: la curva que relaciona la fuerza que soporta el tendón con cuánto se alarga muestra primero un tramo inicial de baja rigidez, en el que las fibras de colágeno todavía sin tensar se van poniendo tensas, y solo después, una vez tensas, entra en un tramo lineal de mayor rigidez.
ID:2402