ONIVALDO CASSIANO JUNIOR
E S TE I R A E R G O M É T R I C A P AR A T R E I N AM E N T O
C O M VI B R AÇ Ã O D I N ÂM ICA ( T V D )
Mogi das Cruzes, SP
2010
ONIVALDO CASSIANO JUNIOR
E S TE I R A E R G O M É T R I C A P AR A T R E I N AM E N T O
C O M VI B R AÇ Ã O D I N ÂM ICA ( T V D )
Dissertação apresentada à Universidade de Mogi das Cruzes, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Biomédica.
Área de concentração: Instrumentação Biomédica
Orientador: Prof. Dr. Flávio Cezar Amate
Mogi das Cruzes, SP
2010
FINANCIAMENTO
FICHA CATALOGRÁFICA
Universidade de Mogi das Cruzes - Biblioteca Central
Cassiano Junior, Onivaldo
Ergométrica para treinamento com vibração dinâmica (TVD) / Onivaldo Cassiano Junior. – 2010.
66 f.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Biomédica) - Universidade de Mogi das Cruzes, 2010
Área de concentração: Instrumentação Biomédica Orientador: Profº Drº Flavio Cezar Amate
1. Treino vibratório 2. Ativação neuro muscular 3.
Esteira ergométrica I. Amate, Flavio Cezar
CDD 610.28
Aos meus pais, Marli Lopes Cassiano e Onivaldo Cassiano (in memória), que sempre me apoiaram financeiramente e emocionalmente se não fosse o apoio deles, eu não teria começado e nem terminado este sonho que se tornou realidade.
Aos meus irmãos Fernando Henrique Cassiano e Enio Roberto Cassiano, a Josiane Cristina do Amaral que muito me ajudou, a Vanessa Cavalcanti Henriques pela sua compreensão e meus amigos Diogo, Diego, Tailan, Alexandre, Yuke, Caio, Terige, Helio, Alessandro, Felipe, Jaqueline, Meire e Rico.
Aos professores Fumagalli, Jean, Luiz Carlos e, principalmente, ao meu orientador Prof. Flávio com quem muito aprendi nestes dois anos.
Desde a segunda metade dos anos 80 tem-se desenvolvido um fica de treinamento baseado na utilização dos estímulos vibratórios visando melhor desempenho da musculatura humana. Neste tipo de treinamento ocorre uma modificação do reflexo tônico determinado por uma contração muscular reflexa por meio de uma plataforma vibratória, onde indivíduo permanece em uma posição estática sobre placas de vibração com frequências que variam de 15 a 44 Hz, deslocamentos de 3 a 10 mm e aceleração de 3,5 a 15 g. Neste trabalho foi desenvolvido um protótipo de uma esteira ergométrica para treinamento com vibração dinâmica (TVD). A aplicação de um treinamento vibratório beneficia as funções do organismo relacionadas ao sistema muscular, endócrino, cardiovascular e ósseo contribuindo para qualidade de vida na melhor idade. O equipamento desenvolvido utiliza uma esteira ergométrica motorizada adaptada com uma plataforma vibratória composta por um motovibrador que produz movimentos sinusoidais perpendicular a base onde o indivíduo realiza a caminhada. A avaliação do protótipo foi realizada através de um modelo matemático do equipamento e comparado com os dados adquiridos pelos instrumentos de medidas, acelerômetro e relógio comparador, divididos da seguinte forma: força g, frequência, mensuração da amplitude, estabilidade estrutural e resistência do protótipo. A execução dos testes de estabilidade e resistência mostrou que o protótipo teve uma baixa variação da força g no desvio padrão e a amplitude máxima foi de 3 mm, o que é aceitável e contempla os limites das pesquisas realizadas e pré estabelecidos pela norma que regula trabalhos com vibração para seres humanos. De acordo com os resultados obtidos não houve variações significativas da frequência e amplitude durante os testes executados. A composição dos métodos de exercícios, vibração de corpo inteiro e uma atividade aeróbica como a caminhada pôde ser executada de forma fácil e segura.
Palavras chave: Treino Vibratório, Ativação Neuromuscular e Esteira
ABSTRACT
Since the second half of the 80 has developed a training is based on the use of vibratory stimuli by better performance of the human musculature. In this type of training is a modification of the tonic reflex determined by a reflex muscle contraction through a vibrating platform, where the individual remains in a static position on vibrating plates with frequencies ranging from 15 to 44 Hz, displacement from 30 to 10 mm and acceleration from 3.5 to 15 g. We have developed a prototype of a treadmill for training with dynamic vibration (DTV). The application of a vibrating training benefits the body's functions related to the muscular system, endocrine, cardiovascular and bone contribute to better quality of life in age. The developed device uses a motorized treadmill fitted with a vibrating platform consists of a vibration motor that produces sinusoidal movements perpendicular to the base where the individual performs the walk. The evaluation of the prototype was performed using a mathematical model of the equipment and compared with data acquired by measurement instruments, dial gauge and accelerometer, divided as follows: g force, often measuring the range, structural stability and resistance of the prototype. The tests of stability and strength showed that the prototype had a low g force variation on the standard deviation and the maximum amplitude was 3 mm, which is acceptable and considers the limits of research conducted and pre-established norm that regulates the work with vibration in humans. According to the results no significant variations in the frequency and amplitude during test runs. The composition of the methods of exercise, whole body vibration and an aerobic activity such as walking could be performed easily and safely.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 01: Modelo de Plataforma Vibratória com praticante de exercícios
físicos. ... 21
Figura 02. Diagrama esquemático ilustrado da regulação da rigidez durante a estimulação da vibração. ... 22
Figura 03. Reflexo de estiramento. 1. Sinal aferente (sensorial) de fibra muscular intrafusal. 2. Sinal eferente (motor) direcionada para as fibras musculares extrafusal. 3. Sinal de motor (eferente) dirigida ao antagonista inibitória. 4. Sinal eferente (motor) até as fibras musculares intrafusal para manter a forma alongada a parte central do fuso ... 23
Figura 04. Diagrama de corpo livre ... 26
Figura 05: Esquematização da estrutura da mola. ... 27
Figura 06. Modelo simplificado de transdutor de aceleração com apresentação dos feixes ... 35
Figura 07: Detalhes do módulo de comunicação. ... 37
Figura 08: Ilustrativo das dimensões do Motovibrador. ... 37
Figura 09: Esteira Athletic Advanced ... 40
Figura 10: Base da estrutura da esteira (A). Parte lateral da estrutura com fixação dos coxins (B)... 41
Figura 11: Base de caminhada de madeira... 42
Figura 12: Travessas (calhas) fixadas nas laterais da estrutura da esteira para ostentação da base. ... 42
Figura 13: Molas (A) colocadas nas travessas laterais com apoio de borracha (B)... 43
Figura 14: Suporte do motovibrador, fixado na base de madeira (vista inferior). ... 44
Figura 15: Coxim de amortecimento (A) das vibrações e fixação das travessas. ... 44
Figura 16: Travessa lateral (A), Coxim de amortecimento (B) e Estrutura da esteira (C) unidos. ... 45
Figura 17: Amortecedores de vibração VIBRA – STOP STANDARD (A), Haste de regulagem de altura (B). ... 45
Figura 18: Modelo do sinal adquirido pelo osciloscópio durante dos testes... 46
Figura 19: Participante caminhando com vibração da plataforma... 47
Figura 20: Participante realizando o teste de vibração... 48
Figura 21: Acelerômetro MMA7260Q Freescale fixado em baixo da plataforma. ... 49
Figura 22: Imagem do osciloscópio digital Tektronix TDS 210... 49
Figura 23: Relógio comparador colocado na base de madeira. ... 50
Figura 24: Inversor de Frequência CFW-08 WEG (CLP). ... 50
Figura 25: Sinal adquirido durante o teste (caminhada juntamente vibração) a 20 Hz. ... 52
Figura 26: Sinal adquirido durante o teste (caminhada juntamente vibração) a 25 Hz. ... 53
Figura 27: sinal adquirido durante o teste (caminhada juntamente vibração) a 30 Hz. ... 53
Figura 28: sinal adquirido durante o teste (caminhada juntamente vibração) a 35 Hz. ... 54
Tabela 1: Resultados de F0 conforme variação de Amplitude, Frequência e
Aceleração... 39
Tabela 2: Teste dos participantes (Frequência e Aceleração g) ... 55
Tabela 3: Amplitude da plataforma vibratória (só equipamento). ... 56
RESUMO...1 ABSTRACT ...2 LISTA DE ILUSTRAÇÕES ... 2 1 INTRODUÇÃO...11 1.2 OBJETIVO...14 2 CONCEITOS TEÓRICOS ...15
2.1 TERMINAÇÕES NERVOSAS SENSITIVA (RECEPTORES) ...15
2.2 MOVIMENTOS VIBRATÓRIOS...20
2.3 BASES TEÓRICAS DOS MOVIMENTOS VIBRACIONAIS...24
2.4 VIBRAÇÃO POR RESSONÂNCIA ...27
3 CONTEXTUALIZAÇÃO ...29
4 MATERIAIS E MÉTODOS...34
4.1 INTRODUÇÃO ...34
4.2 FERRAMENTAS UTILIZADAS ...34
4.3 DESCRIÇÕES DAS FERRAMENTAS UTILIZADAS...34
4.4 CÁLCULOS DO EQUIPAMENTO ...38 4.5 DESENVOLVIMENTO DO EQUIPAMENTO ...40 4.6 AVALIAÇÃO...46 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES...52 6 CONCLUSÕES ...59 REFERÊNCIAS ...60
1 INTRODUÇÃO
A caminhada é uma modalidade de atividade física de intensidade baixa a moderada que mais agrada as pessoas, e por ser de fácil realização é uma das atividades físicas mais praticadas no mundo.
Com a prática da caminhada, sabe-se que ocorrem melhoras em várias funções do organismo, tais como: circulação, sistema cardiorrespiratório, sistema endócrino, sistema musculoesquelético e etc. Segundo Conroy e Earle (1994), o efeito do exercício sobre o tecido ósseo é localizado e depende da intensidade, tipo, frequência e duração da atividade física, sendo mais benéficas às atividades que suportem peso, como a caminhada ou corrida.
Conforme Runge et al. (2000), a medicina geriátrica centra-se na independência funcional e na melhora da qualidade de vida dos idosos. Tratando as doenças e a prevenção ou minimização do declínio funcional causado por doenças ou pela idade. Para a geriatria a mobilidade é funcional e o funcionamento muscular é fundamental para a mobilidade.
A osteoporose é considerada mundialmente, um problema de saúde pública que invalida ou incapacita grande número de pessoas, principalmente mulheres nas últimas décadas da vida, sendo uma enfermidade multifatorial que, à parte do papel dos estrógenos, os fatores de risco mais importantes são ambientais (falta de atividade física e inadequada ingestão de cálcio) e, portanto, facilmente modificáveis (MATSUDO e MATSUDO, 1991).
Segundo Zerbini (1998), a osteoporose é uma doença ósseo-sistêmica, caracterizada pela diminuição da massa óssea e deterioração da micro arquitetura do tecido ósseo com o conseqüente aumento da fragilidade do osso e suscetibilidade de fraturas.
Numerosos estudos indicam que a atividade física de alto impacto, ou que exija alta produção de força, pode ter um efeito benéfico na DMO, devido à deformação desse tecido, ocorrida durante a atividade (CADORE et al., 2005).
Conforme os resultados do Berlin Aging Study (1996), os déficits de mobilidade, andar e equilíbrio foram considerados como determinantes mais importantes da dependência funcional e a função muscular dos membros
inferiores foi considerada, a componente individual mais importante para a competência locomotora.
Segundo Cadore et al. (2005), deve se centrar na potência muscular o produto força x velocidade e na velocidade da produção de força. Então sempre que um membro esta para se mover este gera potência, produto da força com a velocidade.
A força gerada pelos músculos está fortemente ligada ao desenvolvimento de massa óssea e de força óssea, tal como o paradigma de Utah (RUNGE et al., 2000). Portanto, a força muscular, está ligada tanto à força óssea como às quedas. Sendo que a função muscular tem sido considerada como um dos principais fatores de risco para quedas e faturas de quadril nos idosos.
A incidência de fratura da anca aumenta exponencialmente com a idade. Na literatura científica podemos constatar que mais de 90% das fraturas da anca resultam de uma queda. Não é possível entender as denominadas fraturas da anca “osteoporóticas” debatendo apenas os fatores relacionados com os ossos sem prestar atenção nas quedas.
Desde a segunda metade dos anos 80, tem-se desenvolvendo uma forma de treinamento baseado na utilização dos estímulos vibratórios, utilizadas pela primeira vez em treinamentos russos. Neste tipo de treinamento ocorre uma modificação do reflexo tônico vibratório que determina uma contração muscular reflexa originado de um estímulo local do músculo e seu tendão mediante vibração (NAZAROV e SPIVAK, 1985).
O treinamento vibratório de corpo inteiro (VCI) é um dos tipos de exercício que está sendo testado atualmente em desportos, geriatria e reabilitação. Ele é transmitido para o corpo através de estímulos mecânicos
onde estimulam por sua vez os receptores sensoriais, mais provavelmente os fusos musculares. Isto conduz a uma ativação dos motoneurónios alfa e inicia contrações musculares comparáveis ao “reflexo tônico vibratório”.
Os aspectos biomecânicos da terapia e treino vibracionais são frequentemente utilizados no mundo da medicina no tratamento e prevenção de diferentes tipos de doenças e lesões. Nessas terapias é utilizado um tipo de plataforma e o usuário permanece total ou parcial sobre ela. O emprego deste método vem obtendo sucesso no tratamento da osteoporose, artrose,
esclerose múltipla, reumatismo e lesões por esforço repetitivo. Tem também grandes potencialidades para a reabilitação, assim como para requalificação das capacidades físicas dos menos jovens.
Pesquisas científicas sobre os efeitos locais da tecnologia vibratória assim como os da Vibração Integral do Corpo (Whole Body Vibration) estão sendo realizadas por todo o mundo recorrendo a plataformas vibratórias. Uma quantidade crescente destes estudos e as suas conclusões têm sido publicados em importantes jornais médicos dedicados à investigação clínica científica.
Portanto, fica evidenciado a importância do estímulo vibratório para aceleração do corpo, podendo assim melhorar a força funcional (estabilidade, resistência e condição física), produzir a contração muscular, e consequentemente, estimular o aumento da osteogênese e sua densidade óssea.
Desta forma, um treinamento com vibração dinâmica (TVD) composto por uma esteira ergométrica que contemple a execução de caminhada, pode beneficiar as funções do organismo relacionadas aos sistemas muscular, endócrino, cardiovascular e ósseo do indivíduo.
1.2 OBJETIVO
Desenvolver um protótipo de esteira ergométrica vibratória para auxiliar no treino de caminhada.
2 CONCEITOS TEÓRICOS
2.1 TERMINAÇÕES NERVOSAS SENSITIVA (RECEPTORES)
Consciente ou inconscientemente sabemos onde se encontram nossos músculos quando se movimentam, devido a sinais de receptores encontrados nos próprios músculos, na pele e nas articulações. Sendo, essas percepções sensoriais são conhecidas como capacidade proprioceptiva (FONSECA, FERREIRA e HUSSEIN, 2007).
No âmbito do sistema sensoriomotor, a propriocepção é um termo usado erroneamente, pois, tem sido usado de forma incorreta como sinônimo dos termos: cinestesia, sentido de posição articular, somatossensação, equilíbrio e estabilidade articular reflexa (RIEMANN e LEPHART 2002). Para esses pesquisadores, o termo somatossensórial é mais global e incluem todos os mecanorreceptores, termosceptores e informações dolorosas da periferia os nociceptores. A informação consciente somatossensorial leva à sensação de dor, temperatura e às sensações conscientes das submodalidades de propriocepção.
A informação do meio externo é utilizada para: as sensações e as percepções; a manutenção da vigília; controle dos movimentos; regulação da função dos órgãos internos. Estas informações são utilizadas para manutenção por muitas vezes da produção de movimentos reflexos e fundamental para manutenção dos parâmetros fisiológicos do organismo (CINGOLANI e HOUSSAY, 2004).
O contato inicial com meio externo ou interno nos sistemas sensoriais se faz por meio dos receptores que são estruturas especializadas em transformar um tipo de energia física ou química em energia eletroquímica, através de um processo de transdução (CINGOLANI e HOUSSAY, 2004).
A sensibilidade somática é originada de informações provenientes de uma variedade de receptores distribuídos pelo corpo, e tem quatro modalidades principais: tato discrimitivo (necessário para o reconhecimento do
tamanho, da forma e textura e movimentação de objetos na pele), propriocepção (a sensação de posição estática e dos movimentos dos membros e do corpo), nocicepção (a sinalização de dano tecidual ou irritação química, normalmente percebida como dor e coceira) e sensação térmica (calor e frio) (KANDEL, SCHWARTZ E JESSELL 2003).
Shumway e Woollacott (2003) traduzem a propriocepção como um termo usado para a regulação da postura total (equilíbrio postural) e postura segmentar (estabilidade articular), bem como para o início de muitas sensações periféricas conscientes (sentidos musculares). Portanto, a propriocepção descreve corretamente, a informação aferente originada de áreas periféricas internas do corpo, que contribuem para o controle postural e estabilidade articular.
Considerando a percepção consciente da propriocepção, esta pode ser subdividida em dois tipos: sentido de posição estática, ou seja, a percepção consciente da orientação das diferentes partes do corpo, umas em relação às outras; e o sentido da velocidade do movimento, chamado de cinestesia ou de propriocepção dinâmica (GUYTON, 2002). Os dois termos são muitas vezes tratados como sinônimos e são usados frequentemente para cobrir todos os aspectos dessa percepção, estática ou dinâmica (SMITH, 1989).
A avaliação da propriocepção consciente tem conduzido, de forma incontestavelmente, à maioria das confusões a respeito da interpretação desse tipo de propriocepção em indivíduos suspeitos de terem decréscimo da informação proprioceptiva, originada de fontes articulares, seguida de lesão ortopédica e traumatológica. É preciso ter cautela para diferenciar entre as fontes de propriocepção (musculares, cutâneas ou articulares) e as sensações conscientes de propriocepção (RIEMANN e LEPHART, 2002).
As informações proprioceptivas inconsciente são críticas para os ajustes dos movimentos articulares (LUNDY, 2000). Essas informações servem para que certas áreas do SNC (Sistema Nervoso Central) atuem nos movimentos que estão acontecendo e em seu planejamento, para ajustar o tônus, força muscular e a amplitude dos movimentos (SHUMWAY e WOOLLACOTT, 2003).
Os sinais proprioceptivos são gerados em vários tipos de receptores sensitivos que residem nos músculos, tendões, fácias, articulações (cápsula e
ligamentos) e pele em resposta aos movimentos do corpo e à tensão nessas estruturas (PECCIN e PIRES, 2003).
Esses receptores sensitivos, denominados mecanorreceptores, funcionam como transdutores biológicos, capazes de converter a energia mecânica da deformação física em potenciais de ação nervosos que geram informações proprioceptivas (VOIGHT e COOK, 2003). O aumento da deformação pode ser codificado por um aumento na descarga aferente ou pelo aumento do número de receptores ativados. Esses sinais fornecem informações sensoriais sobre as forças internas e externas que atuam na articulação, nos músculos e tendões (LEPHART, 2002).
Neurologistas diferenciam duas classes diferentes de sensações somáticas: epicritíca e protopática. Sensações epicríticas envolvem aspectos críticos do tato e são medidas por receptores encapsulados. Essas sensações incluem capacidade de detectar o contato sutil da pele e localizar a posição do estímulo, discernir vibração, determinar sua frequência e amplitude, verificar pelo toque detalhes espaciais como textura de superfícies e o espaçamento entre dois pontos tocados simultaneamente (KANDEL, SCHWARTZ e JESSELL, 2003).
Ainda que a descarga dos receptores varie de acordo com a distorção mecânica, os mecanorreceptores também podem basear-se em sua velocidade de descarga. Logo após o início do estímulo, os receptores de adaptação rápida param de enviar descargas, enquanto os receptores de adaptação lenta continuam a emitir descarga enquanto mantém o estímulo. Os mecanorreceptores são capazes de se adaptar, sempre que forem estimulados (LEPHART, 2002).
Os mecanorreceptores das articulações respondem à deformação mecânica da cápsula e dos ligamentos. As terminações de Ruffini, encontradas na cápsula articular, são ativadas em todas as posições articulares, mesmo em repouso, sendo mais sensíveis à movimentação passiva que a ativa. São considerados receptores estáticos e dinâmicos, segundo suas características de baixo limiar e adaptação lenta. Os corpúsculos pacinianos possuem uma grande capsula que é presa à pele de modo flexível, e permite que o receptor seja sensível à vibração ocorrida vários centímetros de distância (VOIGHT e COOK, 2003).
Outra característica dos corpúsculos pacinianos é a resposta ao movimento dinâmico, já que são inativos no repouso, mas ativos assim que iniciado o movimento. Estes são receptores de baixo limiar e adaptação rápida, (VOIGHT e COOK, 2003).
Os receptores do ligamento são semelhantes aos órgãos tendinosos de Golgi, sinalizando tensão. Estes receptores apresentam um moderado limiar mecânico e sua adaptação ocorre de forma lenta quando estimuladas mais frequentemente por estímulos nocivos (PECCIN e PIRES, 2003).
Numa articulação, a disposição dos receptores não é uniforme e pode refletir a localização de pressões durante o movimento. Alguns pesquisadores consideram que a maioria destes receptores são ativados próximo à amplitude completa do movimento, por esse motivo, não produzem um sinal inteligível relacionado à posição da articulação e cinestesia (SHUMWAY e WOOLLACOTT, 2003).
Para Machado (2007), os neurônios sensitivos ou neurônios aferentes, são àqueles situados na superfície e responsáveis por receber os estímulos e conduzir os impulsos ao centro nervoso. Já os neurônios motores eferentes são os neurônios localizados no gânglio e especializados em conduzir o impulso do centro nervoso até o efetuador, ou seja, o músculo.
A conexão de um neurônio sensitivo com o neurônio motor se faz através de uma sinapse localizada no gânglio e o elemento básico de um arco reflexo simples, ou seja, um neurônio aferente com seu receptor, um centro onde ocorre a sinapse e um neurônio eferente que se liga ao efetuador, no caso, os músculos (MACHADO, 2007).
Através das grandes vias aferentes, os impulsos nervosos originados nos receptores periféricos são levados aos centros nervosos supra segmentares. A conexão deste receptor, por meio das diferentes fibras especifica, com uma área específica do córtex, permite o reconhecimento das diferentes formas de sensibilidade (MACHADO, 2007).
Para Douglas (2002) quando se refere a equilíbrio, pode-se apontar uma situação na qual o corpo adota uma determinada posição em relação ao espaço, o qual a cabeça é dirigida para cima e a face para frente com ereção do corpo todo com o intuito de posicionar a cabeça na parte alta. Essa posição em pé é a posição ortostática ou ereta, sendo assim, mesmo um
comportamento cotidiano como a manutenção da posição ereta, ao contrário do que parece, é uma tarefa complexa que envolve um complexo relacionamento entre informação sensorial e atividade motora (BARELA, 2000).
Enoka (2000) afirma que um sistema está em equilíbrio mecânico quando a somatória de forças que atuam sobre ele é igual a zero, entretanto essa não é uma tarefa fácil. Barela (2000) afirma que mesmo quando uma pessoa que procura manter-se em pé o mais estável possível, ocorrem oscilações constantes para a manutenção da posição (bípede), decorrentes da dificuldade em manter os muitos segmentos corporais alinhados entre si sobre uma base de suporte restrita, utilizando um sistema muscular esquelético que produz forças que variam ao longo do tempo, portanto os segmentos corporais controlados pela ação muscular são incapazes de permanecer em orientações constantes.
Bankoff (1992) cita que existe uma relação entre equilíbrio e as posições posturais, onde a manutenção do equilíbrio corporal postural se modifica numa fração de milésimos de segundo. Em relação ao equilíbrio e manutenção do equilíbrio corporal postural, pequenas diferenças são significativas em função da oscilação, durante a marcha, a locomoção e também nas posturas estáticas. Outros fatores importantes para a manutenção do equilíbrio corporal são as informações proprioceptivas. Para Ganong (1998) a orientação do corpo no espaço também depende de impulsos de proprioceptores nas cápsulas das articulações. Tais proprioceptores enviam dados sobre a posição relativa das várias partes do corpo e impulsos de exteroceptores cutâneos, especialmente os de tato e pressão. Isto é, os ajustamentos de equilíbrio adequado devem ser feitos sempre que o corpo se angula no tórax, no abdome, ou em qualquer outro local. Todas essas informações são algebricamente somadas no cerebelo e na substância reticular e núcleos vestibulares do tronco cerebral, determinando ajustes adequados nos músculos posturais (GUYTON, 2002).
Guyton (2002) descreve também que as sensações exteroceptivas são importantes na manutenção do equilíbrio, por exemplo, as sensações de pressão nas plantas dos pés podem expressar: se o seu peso está distribuído de maneira igual entre os dois pés e se seu peso está mais para frente ou para trás em seus pés. Outro exemplo citado por Guyton é a manutenção do equilíbrio quando uma pessoa está correndo, a pressão do ar contra a parte
anterior do seu corpo mostra que a força se opõe ao corpo em uma direção diferente da que é causada pela força gravitacional, como resultado, a pessoa inclina-se para frente para se opor a ela.
Bankoff (1992) cita que existe uma relação reflexa de sensibilidade com a velocidade do olho durante os movimentos de condução das passadas na locomoção humana, e que estão diretamente ligadas também com a manutenção da postura corporal, onde informações provenientes de captores sensitivos externos, como os situados no pé são importantes para a manutenção do sistema tônico-postural.
A informação proprioceptiva mais importante, necessária à manutenção do equilíbrio, é a proveniente dos receptores articulares do pescoço, pois quando a cabeça é inclinada em determinada direção pela torção do pescoço, estes receptores fazem com que o sistema vestibular dê ao indivíduo uma sensação de desequilíbrio, isto se deve ao fato de eles transmitirem sinais exatamente opostos aos sinais transmitidos pelo sistema vestibular, no entanto quando todo o corpo se desvia em uma determinada direção, os impulsos provenientes do sistema vestibular não são opostos aos que se originam nos proprioceptores do pescoço, permitindo que nessa situação a pessoa tenha uma percepção de alteração de equilíbrio do corpo inteiro (GUYTON, 2002).
2.2 MOVIMENTOS VIBRATÓRIOS
A vibração é um estímulo mecânico caracterizado por um movimento de oscilação, onde os parâmetros biomecânicos que determinam sua intensidade são a amplitude, a frequência e a magnitude das oscilações. A amplitude do movimento oscilatório determina o deslocamento de pico a pico (em mm) a frequência é representada pela taxa de repetição dos ciclos da oscilação (medida em Hz), e a aceleração indica a magnitude da vibração (força g) (CARDINALE e BOSCO, 2003).
O treinamento vibratório de corpo inteiro (VCI) é um tipo de exercício que foi concebido com o objetivo de estimular os músculos através dos reflexos espinais (RITTWEGER, MUTSCHELKNAUSS e FELSENBERG, 2003).
Os principais efeitos do treinamento vibratório no corpo inteiro tem sido estudado em pessoas que se exercitam sobre placas de vibração (Figura 01) que produzem movimentos sinusoidais (CARDINALE et al., 2003). As frequências utilizadas para o exercício variam de 15 a 44 Hz, os deslocamentos de 3 a 10 mm e os valores da aceleração de 3,5 a 15 g (onde g é a força do campo gravitacional ou 9,81 m/s). Assim, proporciona uma vibração com perturbação do campo gravitacional durante o tempo de curso da intervenção.
A influência da carga gravitacional sobre o desempenho muscular é de suma importância. Em condições normais, os músculos condicionados a ação diária da gravidade são capazes de manter suas capacidades de desempenho. Quando a carga gravitacional é reduzida (micro gravidade), uma diminuição acentuada na massa muscular e na capacidade de geração de força é observada (DUCHATEAU e ENOKA, 2002). Em contrapartida, um aumento da gravidade (hipergravidade) aumentará na transversal área e capacidade de geração de força muscular.
Figura 01: Modelo de Plataforma Vibratória com praticante de exercícios físicos. Fonte: (Power Plate International Limited 2010)
Os movimentos sinusoidais oscilatórios nos músculos ou tendões causam pequenas e rápidas mudanças no comprimento da unidade músculo-tendínea (BOSCO, CARDINALE e TSARPELA, 1999a). Estas rápidas mudanças no comprimento são detectadas pelos proprioceptores, principalmente os fusos neuromusculares. O fuso neuromuscular é responsável pela detecção do nível inconsciente do alongamento muscular, assim quando recebem a informação da vibração acabam modulando a rigidez muscular através da atividade muscular reflexa e tentam amortecer as ondas vibratórias (Figura 02). Tendo como resultado um reflexo conhecido como reflexo miotático, que produz uma contração das estruturas (NISHIHIRA et al., 2002), e, esta se traduz em um aumento do potencial evocado pelos motoneurônios dos músculos submetidos à vibração (KOSSEV et al., 2001).
Figura 02. Diagrama esquemático ilustrado da regulação da rigidez durante a estimulação da vibração.
Tudo isso pressupõe, como já foi observado, que a ativação de circuitos espinhais ao reflexo miotático (RITTWEGER, MUTSCHELKNAUSS e FELSENBERG, 2003), resulta uma maior sincronização das unidades através de seus neurônios motores α. Além disso, os neurônios motores γ também são estimulados (CARDINALE e BOSCO, 2003) mantendo a forma alongada dos fusos musculares, tornando-os mais sensíveis. Isso melhora a eficiência do sistema neuromuscular uma vez que o estímulo tenha desaparecido.
Já os antagonistas também são encorajados e afetados por uma diminuição no seu potencial motor. Isso poderia fazer o processo de co-contração menor, facilitando as forças de frenagem em movimentos explosivos (CARDINALE e BOSCO, 2003).
Figura 03. Reflexo de estiramento. 1. Sinal aferente (sensorial) de fibra muscular intrafusal. 2. Sinal eferente (motor) direcionada para as fibras musculares extrafusal. 3. Sinal de motor (eferente) dirigida ao antagonista inibitória. 4. Sinal eferente (motor) até as fibras musculares
intrafusal para manter a forma alongada a parte central do fuso Fonte: (GARCÍA-ARTERO et al., 2006).
Habitualmente a consequência da aplicação de um estímulo vibratório produz um estado de maior eficiência neuromuscular (BOSCO et al., 2000), que permite aumentar os rendimento dos movimentos voluntários.
Isto indica que o efeito da estimulação vibratória parece limitar-se às estruturas medulares que coordenam o nível de reflexo dos movimentos (figura 03) aumentando o potencial motor (KOSSEV et al., 2001), juntamente com o aumento da frequência de sinal eletromiográfico após a exposição prolongada a vibração (RITTWEGER, MUTSCHELKNAUSS e FELSENBERG, 2003).
1 4 2 3 Ia у α α
+
-Esta exposição sugere um estado notável de excitabilidade do córtex motor e provoca um recrutamento predominante das fibras musculares tipo II (ROMAIGUERE, VEDEL e PAGNI, 1993).
O ponto chave desta ativação indica um processo de adaptação dos músculos, ao estímulo vibratório. Esta ativação muscular os confere uma maior rigidez que permite absorver mais energia vibratória, o que ajudaria atenuar os possíveis efeitos adversos (WAKELING, NIGG e ROZITIS, 2002).
2.3 BASES TEÓRICAS DOS MOVIMENTOS VIBRACIONAIS
O estudo da vibração diz respeito aos movimentos oscilatórios de corpos e às forças que lhes são associadas. Todos os corpos dotados de massa e elasticidade são capazes de vibração. Deste modo a maior parte das máquinas e estruturas estão sujeita a certo grau de vibração e o seu projeto requer geralmente o exame do seu comportamento oscilatório (THOMSON, 1978).
Os sistemas oscilatórios podem ser de um modo geral, caracterizados como lineares ou não lineares. Para os primeiros, prevalece o princípio de superposição e estão bem desenvolvidos os métodos para análise dos sistemas não-lineares. Entretanto, é proveitoso algum conhecimento destes sistemas, uma vez que eles representam o estado final para qual tendem todos os sistemas, com o aumento da amplitude de oscilação (THOMSON, 1978).
Existem duas classes gerais de vibração, a livre e a forçada. A vibração livre acontece quando um sistema oscila sob a ação de que lhe são inerentes e na ausência da ação de qualquer força externa. No caso de vibração livre o sistema poderá vibrar com uma ou mais das suas frequências naturais, que são peculiares ao sistema dinâmico estabelecido pela distribuição de sua massa e rigidez (THOMSON, 1978).
Denomina-se vibração forçada quando ela ocorre sob a excitação de forças externas. Quando a excitação é oscilatória, o sistema é obrigado a vibrar
na frequência da excitação. Se esta frequência coincide com uma das frequências naturais do sistema, forma-se um estado de ressonância, daí podendo resultar amplas e perigosas oscilações (DEN HARTOG, 1972).
Chama-se grau de liberdade de um sistema, o número de coordenadas independentes requerido para a descrição do seu movimento. Nestas condições, uma partícula livre em movimento no espaço tem três graus de liberdade, enquanto um corpo rígido terá seis graus de liberdade, isto é, três componentes de posição e três ângulos que definem a sua orientação (THOMSON, 1978).
Uma vibração é, em seu sentido geral, um movimento periódico, isto é, um movimento que se repete em todos os particulares após certo intervalo de tempo, chamado de período da vibração, usualmente designado pelo símbolo T. Um diagrama do deslocamento x em relação ao tempo t pode ser uma curva consideravelmente complicada (DEN HARTOG, 1972).
O movimento oscilatório pode repetir-se regularmente, como no volante de um relógio, ou apresentar irregularidade considerável, como em terremotos. Quando o movimento se repete a intervalos iguais de tempo ele é denominado movimento periódico. O tempo de repetição é denominado período da oscilação, e sua recíproca f = 1/ é denominada de frequência. Se o movimento é designado pela função do tempo x ( ), qualquer movimento deve satisfazer a relação x ( ) = x(t + ) (ALVES FILHO, 2005).
Análise de vibração é uma técnica usada para acompanhamento do comportamento dinâmico dos mais diversos tipos de equipamentos. Os recursos de verificação no domínio do tempo e no domínio da frequência são capazes de possibilitar ao operador uma interpretação precisa do comportamento do equipamento que esteja sendo analisado (ZIENKIEWICZ, TAYLOR, 2000).
A análise vibracional é considerada, sem nenhuma dúvida, uma das principais ferramentas da manutenção preditiva, pois possibilita em conjunto com a análise estatística, predizer o comportamento do equipamento que esteja sendo analisado, e desta forma ter condições de avaliar o
m c k F0 sen ωt c k u
comportamento de cada parte e consequentemente do equipamento inteiro (ZIENKIEWICZ, TAYLOR, 2000).
A excitação harmônica muitas vezes encontrada em sistemas mecânicos e geralmente produzida pelo desequilíbrio de máquinas rotativas. Embora a excitação harmônica pura seja menos frequente que a periódica ou de tipos, é essencial a descrição do comportamento de um sistema a ela submetido, a fim de se compreender como o mesmo responderá a tipos mais comuns de excitação. A excitação harmônica pode ser encontrada sob a forma de uma força ou deslocamento de um ponto do sistema (THOMSON, 1978).
A vibração harmônica forçada com um grau de liberdade, com
amortecimento viscoso produz uma força hamônica F0 sen ωt, conforme
indicado no diagrama do corpo-livre (Figura 04) e sua equação diferencial de movimento pode ser deduzida conforme (1).
Onde é a frequência de rotação do motor.
Figura 04. Diagrama de corpo livre
Onde c é o fator de amortecimento, m massa, k coeficiente elástico da mola, u
resposta em amplitude de uma força, frequência aplicada de excitação é F0.
Deduzindo a equação 1 temos:
U= F0
√( (k-m.ω2)2 + (c.ω)2 )
Pelo princípio fundamental da dinâmica: a somatória das forças é igual ao produto massa X aceleração, conforme equação 2.
m
(1)
∑ F0 = (Massa) x (Aceleração)
A constante elástica da mola (Figura 05) é encontrada pela seguinte equação 3:
K= Gd4
64nR3
Onde n é o número de espiras, R diâmetro externo da mola, G módulo de rigidez e d diâmetro do fio que constitui a mola (THOMSON, 1978).
Figura 05: Esquematização da estrutura da mola.
2.4 VIBRAÇÃO POR RESSONÂNCIA
Cada elemento ou parte de uma máquina, tem uma “Frequência Natural” ou uma frequência na qual ele “gosta” de vibrar. Quando a frequência de excitação do agente externo aproxima-se da frequência natural do sistema objeto de análise, grandes amplificações dinâmicas são observadas (THOMSON, 1978).
A frequência natural de cada objeto é determinada por sua massa e rigidez. Aumentar a massa (ou peso) de um objeto reduz ou abaixa a sua frequência natural. Aumentar a rigidez do objeto, como por exemplo aumentar a tração de uma corda do violão, aumenta ou sobe sua frequência natural (THOMSON, 1978).
(3)
O fato de que cada objeto tem pelo menos uma frequência natural não implica em um problema. Mas, um problema de vibração excessiva pode acontecer como resultado da coincidência de uma frequência natural da máquina com uma frequência inerente de funcionamento dela. Quando isso acontece, o problema é denominado de “Ressonância” (ALVES FILHO, 2005).
Do ponto de vista da vibração, a ressonância atua como um amplificador mecânico. Mesmo forças pequenas ou normais tais como o desbalanceamento residual, ou o desalinhamento, as forças hidráulicas, aerodinâmicas, ainda as forças magnéticas em motores, que normalmente resultam em pequenas ou insignificantes vibrações, podem vir a ter amplitudes de vibração extremamente altas se uma delas excitar uma condição de ressonância (ALVES FILHO, 2005).
A vibração por ressonância é dada pela equação 4:
ωn = √ k
m
A frequência natural do sistema de um grau de liberdade depende da sua rigidez representada pela constante elástica k da mola, e sua inércia representada pela massa m. Para estabelecer relação de frequências da estrutura, pode-se usar a equação (5) é definida por:
r = ω
ωn
Onde, ω é frequência de excitação e ωn é frequência natural, sendo que
em um equipamento vibratório esta relação não deve ser igual a 1 (r=1), pois neste caso acontece a ressonância que leva a grandes amplitudes de vibração (U → ∞). A relação ideal é que r seja menor que 1 (r < 1), pois se for muito menor que 1 (r<<1) a amplitude U seria praticamente imperceptível e não ultrapassaria a força elástica (k) da mola. Mas se r > 1, a amplitude U seria alta, mas aceitável, devido uma excitação alta. Entretanto, se r for muito maior
(4)
que 1, (r>>1) então a frequência de excitação seria muito alta e a amplitude U muito baixa.
3 CONTEXTUALIZAÇÃO
A resposta adaptativa do corpo humano a treinamentos tem sido amplamente investigada ao longo dos últimos anos. Pesquisadores em diferentes partes do mundo apontam que a adaptação a um estímulo durante um treino está relacionada com a modificação provocada pela repetição de exercícios diários, os quais são específicos dos movimentos executados (EDINGTON e EDGERTON, 1976).
Estas adaptações estão relacionadas com o fato do músculo-esquelético humano ser composto por um tecido especializado que modifica a sua capacidade funcional global em resposta ao exercício regular com pesos elevados (McDONAGH e DAVIES,1985).
A ciência do treinamento estuda vários tipos de treino em nosso meio, e entre eles pode-se citar o treino de resistência e o VCI (vibração do corpo inteiro). A eficácia do treino de resistência tem sido demonstrada devido à possibilidade de melhorar o desempenho neuromuscular, a força e perfil hormonal (RUBIN et al., 2002). Os mesmos autores revelam, que o tempo necessário para a ocorrência destas adaptações é relativamente longo comparado às possibilidades oferecidas pelos treinamentos com o uso da vibração.
O uso do treinamento baseado em estímulos vibratórios, em primeiro lugar foi utilizado por treinadores russo (NAZAROV e SPIVAK, 1985), tratando-se de uma modificação do reflexo tônico vibratório, uma contração muscular reflexa originada pela estimulação do músculo ou do tendão mediante a vibração (HAGBARTH e EKLUND, 1965).
No entanto, segundo WOLFF (1986), as vibrações devem de ser vistas não como uma ferramenta de substituição do exercício de resistência, mas como um meio adicional válido para ser implementado numa rotina de treino
juntamente com todas as outras metodologias tradicionais utilizadas atualmente.
Contudo, particularmente em indivíduos mais idosos, exercícios vigorosos de musculação podem aumentar o risco de lesões (KALLINEN e MARKKU, 1995). Além disso, existem provas de que o efeito osteogénico da musculação pode diminuir com a idade (RUBIN et al., 2002).
Para Hagbarth e Eklund (1965) a vibração mecânica a uma frequência entre 10-200Hz aplicada aos tendões e músculos pode causar uma reação reflexiva, essa característica foi denominada “reflexo tônico vibratório”.
Outros pesquisadores sugeriram que o estímulo do reflexo com a vibração do corpo inteiro (VCI), com frequências de 1 a 30 Hz (SCIDCL, 1988), entretanto, existem controvérsias se este reflexo realmente pode ser atingido por baixa frequência.
No estudo de Delecluse, Roelants e Verschueren (2003), as voluntárias do grupo de vibração mostraram uma melhora na recuperação do equilíbrio após uma abdução balística ou anteflexão dos braços e sofreram um aumento na força muscular (isométrica e isocinética) e no decréscimo da massa gorda, juntamente ao ganho na densidade mineral óssea (DMO).
E conforme Verschueren et al. (2004) não foram observados quaisquer efeitos secundários relacionados com a vibração, e sim que mulheres saudáveis pós menopausa, em um programa de vibração de corpo inteiro com a duração de 24 semanas foram capazes de modificar a força muscular, equilíbrio, e densidade óssea do quadril, os quais são bem reconhecidos como fatores de risco de uma fratura do mesmo.
Diversos estudos mostraram os benefícios da vibração na potência muscular Bosco et al. (1999a), em sua pesquisa revelaram que já na primeira sessão de vibração houve um aumento temporário significativo na força muscular dos flexores do braço, considerando os 10 dias de treino subsequentes com vibrações verticais em uma frequência de 26 Hz, a explosão muscular também produziu um aumento significativo.
Outro estudo (TORVINEN et al., 2002b) mostrou que uma única sessão de VCI (vibração de corpo inteiro), resultou em uma melhora da força isométrica dos extensores do joelho e desempenho do salto vertical de 3,2% e
2,5%, respectivamente. Estes efeitos foram registrados 2 minutos após a intervenção, mas desapareceu nos 60 minutos seguintes.
Runge et al. (2000), mostraram que após dois meses de treino VCI a musculatura do quadríceps melhorou 18% o desempenho em idosos. Torvinen
et al. (2002a), mostraram que após quatro meses de treino VCI houve um
aumentou 8,5% na impulsão em testes de salto vertical.
Delecluse et al. (2003) mostraram que após três meses de treino VCI, a força isométrica e isotônica do extensor do joelho melhorou em 16,6% e 9,0% respectivamente.
Rittweger et al. (2003) mostraram que o recrutamento limiar das unidades motoras durante a vibração são inferiores em relação as contrações voluntárias, o que pode resultar em uma ativação mais rápida do limiar de contração rápida das unidades motoras e, consequentemente, a formação de um maior estímulo do treinamento.
Estes resultados estimulam um crescente interesse no potencial do treinamento com VCI para melhorar a capacidade de explosão, pois a excitabilidade do motoneurônio ideal e o recrutamento das fibras de contração rápida são dois fatores determinantes no desempenho da explosão (DELECLUSE, 2003).
Outro estudo realizado por Milner-Brown et al. (1975), foi observado um melhor desempenho da relação força-velocidade atribuído à melhoria do comportamento neuromuscular provocado pelo aumento da atividade do neurônio motor superior. Deste modo, é provável que a VCI tenha causado uma melhora importante do tráfico neuronal que regula o comportamento neuromuscular (BOSCO et al., 1998). Tem-se mostrado que a capacidade de impulsão vertical aumenta na sequência do tratamento de vibração.
No estudo de Paradisis e Zacharogiannis (2007), realizou-se um treinamento de VCI em um período de 6 semanas através das contrações musculares provocadas. De acordo com este estudo, mostrou importantes mudanças positivas nas características cinemáticas de corrida de velocidade (comprimento do passo, a taxa de passo e velocidade de corrida) e mudanças nas características de força explosiva (número de salto, altura total de saltos realizados em um período de 30 segundos).
Rubin et al. (2002), demonstraram através de um modelo animal que acelerações mecânicas de alta frequência e de baixa amplitude podem ter um forte efeito osteogênico. Os autores também observaram um aumento importante da qualidade e quantidade de osso trabecular nas ovelhas quando expostas a estímulos de alta-frequência mecânica de baixo nível de amplitude.
Estudos controlados de cargas indicaram que magnitudes de deformação altas e taxas elevadas de deformação são as mais osteogênicas (FROST, 1990), a tensão nos ossos aumentam linearmente com o aumento das forças de reação do solo (BASSEY, LITTLEWOOD e TAYLOR, 1997). A carga aplicada ao esqueleto durante a intervenção vibratória pode assim ser considerada como de tensão alta de impacto semelhante ao de atividades como o basquetebol, voleibol e corrida de velocidade (GROOTHAUSEN, et al., 1997).
Num estudo bem concebido e bastante recente em jovens mulheres adultas, Torvinen et al. (2003), não encontraram qualquer efeito do treino vibração de corpo inteiro (VCI) na massa, estrutura e força estimada do osso. Os autores defenderam que uma razão para esta não-resposta podia ser uma
boa condição física das jovens participantes, devido os tecidos
musculoesqueléticos destas jovens adultas não terem uma necessidade fisiológica particular para se adaptarem à carga vibratória.
Tanaka et al. (2003), mostraram que o estímulo vibratório adicionado a uma tensão de baixa frequência e alta amplitude melhora a resposta osteogénica da tensão em quase 4 vezes. Em seus experimentos, aplicaram um estímulo vibratório tanto de larga amplitude como de alta-frequência. A ressonância estocástica pode, portanto, ter contribuído para o aumento observado na DMO.
Conforme (SEROUSSI, WILDER e POPE, 1989), a vibração pode estimular reflexos que provocam alongamento dos músculos do tronco, sendo também um meio de ativar e fortalecer estes músculos. Os autores mostram que a vibração vertical de 3 a 10 Hz de uma plataforma provoca atividade elétrica do músculo eretor da espinha, indicando um aumento do torque muscular causado pela vibração.
Os resultados apresentados no estudo Rittweger et al. (2002), sugerem que tanto os exercícios de extensão lombar como os de vibração de corpo
inteiro podem aliviar a dor e melhorar as limitações pacientes com DCFC (dor crônica no fundo das costas).
Bosco publicou um estudo (2000b), que aponta respostas agudas das concentrações de hormônio no plasma e desempenho neuromusculares após o tratamento de vibração de corpo inteiro (VCI). Observou-se um aumento nas concentrações de testosterona e hormônio de crescimento (7 e 460%, respectivamente) e uma diminuição da concentração cortisol (32%).
4 MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 INTRODUÇÃO
Foi desenvolvido neste trabalho um equipamento com motor vibratório adaptado a uma esteira ergométrica para treinamento de caminhada com vibração do corpo inteiro.
O equipamento de VCI foi analisado por meio de teste funcionais, onde se verificou a estabilização dos parâmetros de acordo com as normas impostas pela 2631-5 da International Safety Organization (ISO, 2005).
4.2 FERRAMENTAS UTILIZADAS
Para desenvolver o trabalho foram utilizadas as seguintes ferramentas: 1. Balança digital Western
2. Acelerômetro MMA7260Q Freescale. 3. Inversor de Frequência CFW-08 WEG. 4. Moto Vibrador Mavi.
5. Esteira Ergométrica Atheletic Advanced.
6. Oscilloscope Tektronix TDS 210 captação de sinais. 7. Relógio Comparador Mitutoyo 0.01-10 mm
4.3 DESCRIÇÕES DAS FERRAMENTAS UTILIZADAS
A Balança digital Western foi utilizada para aquisição do peso da estrutura da esteira e dos indivíduos participantes dos testes preliminares para conclusão do protótipo.
O acelerômetro utilizado na pesquisa foi o MMA7260Q Freescale, sensor este que faz captação da frequência de vibração e força g. O dispositivo consiste de duas superfícies micro usinados capacitiva de detecção de células
(Cell-g) e um condicionamento de sinal ASIC. Os elementos sensores são hermeticamente fechados em nível de wafer usando um cap wafer microusinados granel.
O g-pilha é uma estrutura mecânica formada por materiais semicondutores (polisilício), que usa dos processos semicondutores tais como: mascaramento e gravura. Essa estrutura pode ser modelada como um conjunto de feixes ligado a uma massa central móvel, que se move entre feixes fixos. Os feixes moveis podem ser flexionados de sua posição de descanso, submetendo o sistema a um aceleração (Figura 06).
Figura 06. Modelo simplificado de transdutor de aceleração com apresentação dos feixes
Como os feixes são ligados ao movimento da massa central, a distância entre eles, aumenta de um lado na mesma proporção que a distância do feixe fixo do outro lado. Essa mudança entre as distâncias é uma medida de aceleração.
Os feixes do g-pilha formam dois capacitores de back-to-back (Figura 06). Como o centro se move com aceleração do feixe, a distância entre os feixes muda e consequentemente o valor de cada capacitor muda a uma razão de C = Aε / D. Onde A é a área do feixe, ε é a constante dielétrica, e D é a distância entre os feixes. O ASIC utiliza técnicas comutação para medir a capacitância dos capacitores de células-g e extrair os dados de aceleração, ou seja, a diferença entre os dois capacitores.
O ASIC também implementa técnicas para avaliar e filtrar o sinal, fornecendo uma tensão de saída de alto nível proporcional à aceleração.
O recurso de g-Select permite a seleção entre 4 níveis de sensibilidades presentes no dispositivo. Dependendo da lógica de entrada, são combinados os pinos 1 e 2, como tensão positiva e o terra (sinal alto e baixo) o ganho do dispositivo interno será alterado permitindo que este funcione com 1.5 g, 2 g, 4 g ou 6 g sensibilidade. Este recurso é ideal quando um produto tem aplicações que exigem sensibilidades diferentes para melhor desempenho. A sensibilidade pode ser alterada a qualquer momento durante a operação do produto. O g-Select1 e pinos de g-Select2 pode ser deixado desligado para aplicações necessitando apenas de uma sensibilidade 1,5 g como o dispositivo tem um interno suspenso para mantê-lo no que 800 mV (sensibilidade / g).
O inversor de frequência CFW-08 atua como um escravo/servidor numa rede DeviceNet, ou seja, ele recebe requisições (dados de saída) de um mestre, processa os dados destas requisições e a seguir encaminha-os de volta ao mestre (dados de entrada). Este é um processo cíclico que ocorre enquanto a rede estiver ativa.
O inversor CFW-08 segue o perfil de dispositivo de um AC/DC Drive (AC/DC Device Profile). Este perfil define o formato dos dados trocados com o mestre através de mensagens do tipo I/O e representa a interface de operação com o drive.
A indicação dos estados/erros do equipamento na rede DeviceNet é feita através de mensagens no display e de LEDs bicolores MS (Module Status) e NS (Network Status) localizados na IHM do produto (Figura 07).
Figura 07: Detalhes do módulo de comunicação. Fonte: (manual CLP WEG 2006)
O motorvibrador utilizado foi o modelo MAVI M03-4 apresenta 1750RPM (rotações por minuto), 60 (Hz), potência 0,18 (KW), 0,25 (HP), corrente máxima 0,8 (220 V), corrente Máxima 0,5 (380 V), corrente máxima 0,4 (440 V), Impacto 180 (kgf), torque 5 (cm.kgf), peso 16 (kgf), sendo suficiente para a plataforma.
Dimensões do motovibrador: A 183 mm, C 293 mm, L 185 mm,
Dx(D1)Xe 110x150 e F 11 mm, (Figura 08).
Figura 08: Ilustrativo das dimensões do Motovibrador.
Este motor atende as necessidades básicas para vibrar com frequência, amplitude e torque de acordo com o peso do equipamento após a adaptação das estruturas de suporte, bem como o peso médio de uma pessoa em utilização dentro das especificações.
4.4 CÁLCULOS DO EQUIPAMENTO
Para realização do cálculo da estrutura da esteira, foram consideradas medidas pretendidas tais como: frequência de 15 a 44 Hz, os deslocamentos de 3 a 10 mm e os valores da aceleração vão de 3 a 15 g (TORVINEN et al., 2002; CARDINALE, et al., 2003; BOSCO et al., 1999; BOSCO et al., 2003) e definidos pela norma 2631-5 da International Safety Organization (ISO, 2005) de tal forma que não ocorra nenhum acometimento para os indivíduos que forem utilizar o equipamento.
Inicialmente foi necessário calcular a força (N) agente sobre a estrutura, aceleração gravitacional (g), frequência natural (Hz) e relação de frequência do equipamento. Para o cálculo da amplitude (U) foi utilizado uma simplificação da equação (1) que resultou na equação (6):
U= F0
(k-m.ω2)
Esta simplificação foi realizada desconsiderando o fator de amortecimento c do equipamento.
Para realizar o cálculo da equação (6) primeiramente é necessário calcular a constante k da mola (Figura 05) que é dada pela equação (3).
Sabendo que o módulo de (G) da mola de aço equivale a 80/GPa, o diâmetro do fio que a constitui (d) é de 5 mm, o diâmetro externo R é igual a 50 mm, e o número de espiras (n) são 5 voltas, o valor calculado de K é igual a 1250 N/m.
Devido à estrutura de a esteira possuir 8 molas em paralelo, sendo 4 de cada lado e conforme Thomson (1978), para o cálculo de K de molas em paralelo ocorre uma somatória dos resultados dos K de todas molas o valor total de K 10.000 N/m.
Voltando a equação para verificar a F0 também é necessário uma
frequência específica, pois a frequência é regulada e calibrada pelo inversor de frequência (CLP) onde foi considerado 20 Hz iniciais sendo que as frequências a serem calculadas serão de 20,25,30 e 35 Hz conforme o procedimento definido posteriormente.
A massa (m) da estrutura foi adquirida por meio de uma balança digital Western sendo que a massa total foi de 75 Kg, para o cálculo será considerado inicialmente o peso somente da estrutura (P=750N).
Para realização do cálculo da F0, foi utilizada a amplitude de 2,1 mm a
20 Hz, que foi adquirida por meio de um relógio comparador (Figura 23) que mensura o deslocamento da Base de madeira (plataforma vibratória), para tanto, é utilizada a equação (7):
F0 = U( √ (k-m.ω2)2 )
Os resultados desta equação são descritos na Tabela 01 abaixo.
Tabela 1: Resultados de F0 conforme variação de Amplitude, Frequência e Aceleração.
F0 (N) U (mm) Frequência (Hz) Aceleração (g)
2466 2,1 20 1,005
4601 2,5 25 1,878
7433 2,8 30 3,033
10851 3 35 4,428
Para realizar o cálculo da frequência natural foi utilizada a equação (4):
ωn = √ k
m
onde a frequência natural do equipamento 11,54 rad/s.
Um estado crítico da estrutura seria se a relação de frequências (r) atingisse (r=1) necessitando do cálculo desta relação que é dada pela equação (6): r = ω ωn (7) (4) (5)
Neste caso, o equipamento possui r 5,44.
O cálculo da aceleração (g) é realizado pela equação (3):
∑ F0 = (Massa) x (Aceleração)
os resultados desta equação são descritos na Tabela 01 acima.
4.5 DESENVOLVIMENTO DO EQUIPAMENTO
Para desenvolver a Esteira Ergométrica Vibratória, foi adaptada uma esteira ergométrica de uso profissional (Esteira Athletic Advanced) (Figura 09), com Motor Weg de 1 CV, Placa Weg com voltagem 100/240 V, com a base de caminha de madeira e Lona (correia) de 40 cm de largura com 140 cm de comprimento.
Figura 09: Esteira Athletic Advanced
Inicialmente foi realizada a desmontagem (Figura 09) da esteira para limpeza e verificação de possíveis peças danificadas. Em seguida foi construída uma estrutura para suspender a base de caminhada devido ao espaço necessário para adaptação do motovibrador.
A estrutura de suporte da base de caminhada foi construída utilizando travessas (canaletas) com 8 cm de largura, 98 cm de comprimento e 5 cm de profundidade (Figura 10). Para fixar estas canaletas nas laterais da estrutura da esteira foram parafusados coxins onde as canaletas eram fixas em cima dos mesmos (ver detalhe B na Figura 10).
Figura 10: Base da estrutura da esteira (A). Parte lateral da estrutura com fixação dos coxins (B).
A nova base de caminhada (Figura 11) foi desenvolvida com as mesmas medidas da original (59 cm de largura, 96 cm de comprimento e 2 cm de espessura). Entretanto, para ser adaptada na nova peça em suspensão, foram realizados 3 cortes de 5 cm de comprimento por 5 cm de largura, em ambos os lados, para o encaixe nas travessas laterais (Figura 12).
A
Figura 11: Base de caminhada de madeira.
Figura 12: Travessas (calhas) fixadas nas laterais da estrutura da esteira para ostentação da base.
Para melhor sustentação e equilíbrio da base de madeira foram utilizadas 8 molas (Figura 13) (6 cm de altura, 4 cm de diâmetro interno, 5 cm de diâmetro externo e 5 voltas de espiras), sendo 4 molas de cada lado, separadas por distâncias iguais (2 em cada extremidade e as outras a cada 22,5 cm de distância), para não ocorrer o deslizamento das molas, foram
colocadas borrachas cortadas em quadrados de 5 cm2 com 0,5 de espessura
Figura 13: Molas (A) colocadas nas travessas laterais com apoio de borracha (B).
Para que a base de madeira vibrasse e a lona da esteira não entrasse em contato com o motovibrador, foi desenvolvido um suporte para fixação (Figura 14) do mesmo, sendo instalado logo abaixo da base de madeira (Figura 11), com 80 cm de comprimento, 47,5 cm de largura, 13 cm de altura. Para adaptação do motovibrador no suporte de fixação foi soldada uma chapa de ferro de 49 cm de comprimento por 20 cm de largura 0,5 cm de espessura na posição central das barras laterais (figura 14- A).
B A
Figura 14: Suporte do motovibrador, fixado na base de madeira (vista inferior).
Além disto, foram soldadas mais duas barras perpendiculares as barras laterais para proporcionarem maior rigidez à estrutura (Figura 14-B).
Para que a vibração fosse diminuída a estrutura da esteira ergométrica, foram colocados 10 coxins (Figura 15) de 4 cm de diâmetro e rosca em ambos os lados parafusados nas partes laterais da estrutura da esteira e nas travessas laterais (Figura 12), sendo 5 de cada lado.
Figura 15: Coxim de amortecimento (A) das vibrações e fixação das travessas.
Na figura 16 pode-se ver a estrutura de suporte montada com os coxins de amortecimento e a travessa lateral.
A
A B
Figura 16: Travessa lateral (A), Coxim de amortecimento (B) e Estrutura da esteira (C) unidos.
Com finalidade de eliminar vibrações horizontais desnecessárias, colocamos na esteira vibratória apenas um motovibrador com a inclinação da esteira (aprox. 30 graus).
O deslocamento da esteira, ocasionado pela vibração transferida para sua estrutura metálica, foi controlado através de 4 amortecedores de vibração VIBRA – STOP STANDARD (Figura 17), adaptados em suas extremidades juntamente com uma haste com rosca para a regulagem da altura em aço.
Figura 17: Amortecedores de vibração VIBRA – STOP STANDARD (A), Haste de regulagem de altura (B). A B A B C
4.6 AVALIAÇÃO
A avaliação do protótipo foi realizada através da comparação dos cálculos teóricos com os adquiridos pelos instrumentos de medidas, divididos da seguinte forma: força g, frequência, mensuração da amplitude, estabilidade estrutural e resistência do protótipo.
Os testes de força g foram realizados em dois grupos: somente a vibração da esteira e esteira com vibração. Para todos os grupos foram utilizados cargas diferentes de 4 participantes, os testes também foram realizados somente com o peso da estrutura, isto é, só aparelho se participantes.
Para iniciar a avaliação, inicialmente foi posicionado o participante sobre a estrutura e após a definição do protocolo (só vibração e vibração com caminhada) foram realizadas impressões das aquisições do sinal (Figura 18) através do osciloscópio durante 5 minutos com amostras a cada minuto.
Figura 18: Modelo do sinal adquirido pelo osciloscópio durante dos testes.
No grupo onde os participantes caminhavam com a vibração (Figura 19) as amostras colidas foram retiradas toda vez que o participante entrasse na fase de apoio da marcha com o membro inferior dominante.
Figura 19: Participante caminhando com vibração da plataforma.
Já no grupo de vibração os participantes permaneciam estáticos com apoio dos membros inferiores separados a 10 cm de largura segurando com as mãos na barra de segurança (Figura 20).
Figura 20: Participante realizando o teste de vibração.
A velocidade da esteira durante a marcha foi a mesma para todos os participantes durante a aquisição nos grupos de esteira com vibração, participante caminhando na esteira e somente a esteira em funcionamento.
Para realizar o teste para verificação da força g e frequência de vibração foi instalado um sensor de deslocamento (acelerômetro) na base inferior de caminhada (plataforma) (Figura 21), onde foi configurado para trabalhar em uma sensibilidade 4 g a 300 mV/g.
Figura 21: Acelerômetro MMA7260Q Freescale fixado em baixo da plataforma.
A captação dos sinais do sensor foi realizada com o osciloscópio digital Tektronix TDS 210 (Figura 22) verificando a força g e a frequência de vibração da plataforma, de forma tal que à medida que o acelerômetro se deslocasse no eixo Z gera uma tensão de saída. As frequências utilizadas para a aquisição dos sinais foram feitas a 20, 25, 30 e 35 Hz, onde foi encontrado o período da onda pelo osciloscópio e a frequência de vibração da plataforma que era controlada pelo CLP, juntamente com a força g.
A amplitude de vibração foi encontra colocando um relógio comparador na superfície da base de madeira da plataforma (Figura 23) e os deslocamentos foram medidos em frequências diferentes, tais como: 20, 25, 30 e 35 Hz, onde depois que a plataforma de vibração ligada na frequência desejada e regulada pelo CLP (Figura 24) encostava a base de madeira ao pino do relógio o mesmo apresentava em forma de movimentação do ponteiro a amplitude que a plataforma se deslocava.
Figura 23: Relógio comparador colocado na base de madeira.
Para execução dos testes de estabilidade estrutural e resistência o protótipo permaneceu ligado durante 4 séries de 30 minutos com intervalos de 10 minutos, sem participantes durantes estes testes.
Para verificação da variação da força g, estabilidade e resistência do protótipo foram adquiridas 50 amostras de variação de tensão durante 3 minutos com intervalos de 7 minutos, depois foram retiradas mais 100 amostras durante outros 20 minutos faltantes utilizando a mesma sequência durante as 4 séries de 30 minutos totalizando 600 amostras.
