MEDIÇÃO DA FORÇA DE REAÇÃO DO SOLO EM BOVINOS JOVENS NAS
CONDIÇÕES ESTÁTICA E DINÂMICA UTILIZANDO A PLATAFORMA DE
FORÇA
L.B. Rodrigues1, E.B. de Las Casas2, R.R. Faleiros3 & H.J. Menzel4
1
Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia (UESB), Departamento de Tecnologia Rural e Animal. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais.
2
Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Departamento de Engenharia de Estruturas.
3
Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Departamento de Clínica e Cirurgia Veterinária.
4Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Departamento de Esportes.
Resumo: Este trabalho teve como objetivo a utilização da plataforma de força na determinação da componente vertical da força de reação do solo (FRS) atuante nos membros de bovinos jovens da raça Girolanda nas condições estática e dinâmica. Dois experimentos foram realizados, sendo uma para cada situação proposta. Para a medição da força na condição estática foram utilizados cinco bezerros hígidos, machos da raça Girolanda, com idades entre 15 e 60 dias e 809,48N de peso corporal médio. No experimento de medição da força na condição dinâmica foi utilizado um bezerro hígido, macho da raça Girolanda, com idade de 120 dias e 1332,8 N de peso corporal Os resultados mostram a viabilidade da utilização da plataforma de força para determinação das forças de reação do solo em animais de grande porte. Os valores das forças de reação do solo na condição estática mostram que os membros anteriores suportam maior parcela do peso corporal que os membros posteriores, estando de acordo com a afirmação da literatura e apresentando ainda uma distribuição percentual próxima ao estabelecido para outras espécies. No caso das FRS na condição dinâmica os resultados mostram que a configuração das curvas registradas se assemelha às encontradas em literaturas de referência para marcha normal de humanos e que a FRS máxima encontrada corresponde, em média, a mais de 50% do peso do animal. Observa-se que na condição dinâmica, as FRS exercidas sobre os membros posteriores podem se alcançar valores duas vezes superiores aos observados na condição estática.
Palavras-chave: Forças de Reação do Solo, Bovinos, Plataforma de Força.
Abstract: In this work a force plate was used to measure static and dynamic vertical ground reaction forces generated by the contact of Girolanda breed calves limbs with the ground. Two tests were carried out, one to measure forces with the animals in static standing position and the other to measure forces during gait. For static forces, five sane calves aged between 15 and 60 days with an average body weight of 809.5 N were studied, while for the determination of dynamic loads one sane Girolada calf aged 120 days and weighting 1332.8 N was used. The results showed the viability of using force plates to measure ground reaction forces for large animals. The forces in the static condition led to the conclusion that reaction forces are larger on anterior limbs and that the larger portion of the body weight is placed on the thoracic region of the animals. These findings are supported by results reported in the literature for other species and the weight distribution agrees with previously established values. The curves forces on gait versus time are similar to data from natural human gait and the maximum force value corresponds to more than 50% of total body weight. It should be noted that dynamic forces reached more than twice the values of static forces.
Brazilian Journal of Biomechanics, Year 9, n.18, Month July
INTRODUCÃO
Ao executar suas funções de sustentação e movimentação do corpo, os ossos dos membros torácicos (anteriores) e pélvicos (posteriores) dos animais quadrúpedes sofrem a ação de um complexo conjunto de forças. Em uma condição estática, esses ossos resistem à ação da gravidade, suportando o peso do corpo como também a força muscular necessária para manter a postura. Em uma situação dinâmica, o corpo do animal é alternadamente sustentado por dois ou três membros que suportam todo o peso do corpo (BADOUX, 1986).
O conhecimento das forças exercidas por animais quadrúpedes domésticos de grande porte (ex. bovinos e equinos) nas condições estática e dinâmica é de grande importância. As claudicações (manqueiras) estão entre as principais causas de perdas econômicas nas criações de bovinos e equinos. Dentre os diversos fatores que contribuem para as claudicações destacam-se a falta de seleção genética específica para conformação do aparelho locomotor; superalimentação de animais jovens, resultando em excesso de peso e doenças do desenvolvimento; e formas inadequadas de estabulamento (confinamento e tipo de piso), treinamento e trabalho (SOMERS et al., 2003; BOOTH et al., 2004; ESPEJO et al., 2006). O desenvolvimento de estudos caracterizando e quantificando as forças de reação do solo nas diversas raças, suas faixas etárias e tipos de conformação seria de grande valia na avaliação, tratamento e, principalmente, prevenção de afecções músculo-esqueléticas nesses animais.
Estudos realizados por nosso grupo têm utilizado bovinos jovens para o desenvolvimento de novas formas de tratamento de fraturas em ossos longos (DE MARVAL, 2006). Verifica-se assim um especial interesse na determinação de tais forças visando o tratamento de fraturas ósseas, uma vez que o método de fixação utilizado deve resistir à ação das forças, garantindo a estabilização dos fragmentos ósseos e permitindo ao animal a rápida, se não imediata, deambulação e sustentação do peso sobre os membros (RODRIGUES et al., 2009).
A plataforma de força é um equipamento utilizado para medir as forças de reação do solo sobre o aparelho locomotor durante a marcha nos três eixos (vertical, anterior-posterior e medial-lateral) e possui grande aplicação na avaliação das forças em humanos (LIEDTKE et al., 2007). Também tem sido utilizada desde a década de 70
na avaliação da marcha de eqüinos
(SCHAMHARDT e MERKENS, 1987), em cães (LEE et al., 1999; VAN KLAVEREN et al., 2005) e até de aves (CORR et al., 2003; CORR et al.,
2007). Comparada aos eqüinos, só recentemente se tem registro do uso da plataforma de força para medição das forças de reação do solo em bovinos leiteiros (VAN DER TOL et al., 2003; VAN DER TOL et al., 2004). Quando ocorre o contato com a plataforma o sinal, após ser amplificado, fornece informações sobre a direção e magnitude da força de reação do solo (KAMEN, 2001). A reação é uma força de direção vertical normal, correspondente a uma parcela do peso do animal.
No sentido de caracterizar e quantificar as forças verticais exercidas nos quatro membros de bovinos jovens na condição estática, este estudo teve como objetivo a medição das forças de reação do solo em bezerros jovens na condição estática utilizando a plataforma de força em laboratório. Adicionalmente, a componente vertical da força de reação do solo foi avaliada em membros posteriores de um bovino na condição dinâmica.
MATERIAIS E MÉTODOS
O estudo foi realizado no Laboratório de Biomecânica da Escola de Educação Física, Fisioterapia e Terapia Ocupacional da Universidade Federal de Minas Gerais, que possui uma plataforma de força (modelo: OR6-7; fabricante: AMTI; EUA) embutida e nivelada ao solo e programas para aquisição de sinais e análise de dados (SIMI Motion 6.0).
O experimento, como parte das atividades de um projeto de pesquisa envolvendo a utilização de animais, foi submetido previamente à apreciação do Comitê de Ética em Experimentação Animal (CETEA) da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), registrado sob o Protocolo 145/04, sendo considerado aprovado. O estudo, portanto foi realizado em conformidade com a regulamentação sobre o assunto adotada no país.
O piso do laboratório foi revestido com placas de borracha de 3mm de espessura para oferecer aderência suficiente aos animais. Nesse estudo registrou-se somente a componente vertical da força de reação do solo.
Medição da força de reação do solo na
condição estática
Foram utilizados cinco bezerros hígidos, machos da raça Girolanda, com idades entre 15 e 60 dias. Os animais, identificados por um número de marcação fixado em uma das orelhas, foram inicialmente pesados na balança do Hospital Veterinário da UFMG, cujos pesos estão indicados na Tabela 1.
TABELA 1. Pesos dos animais utilizados no experimento.
Bezerro B122 B125 B129 B130 B131
Peso (N) 1274 931 686 539 617,4
Em seguida os bezerros (809,48 ± 298,26N de peso corporal) foram conduzidos ao Laboratório de Biomecânica, onde foram tomadas as medidas das forças de reação do solo dos membros anteriores e posteriores. Os bezerros, na condição estática com apoio quadrupedal simétrico, foram posicionados de modo a apoiar na plataforma de força com um membro por vez (Figura 1a e Figura 1b). A medida foi realizada três vezes para cada membro, em um total de doze medições por animal. Em cada medição, obteve-se a curva da FRS em relação ao tempo. A FRS considerada foi a representada no gráfico por uma região onde ocorreu a estabilização do valor da leitura.
(a)
(b)
FIGURA 1. Procedimento de medição da força de reação na condição estática. Inicialmente (a) o animal é posicionado com um dos membros sobre a plataforma. Em seguida (b) o membro é levantado
para posterior realização de nova medição. As medições foram realizadas três vezes para cada um dos membros.
Medição das forças de reação do
solo na condição dinâmica
Para este experimento foi utilizado um bezerro hígido, macho da raça Girolanda, com idade de 120 dias e 1332,8 N de peso corporal (Figura 2). O animal, conduzido por cabresto, locomoveu-se em linha reta, em uma pista de 9m de comprimento por 1m de largura (Figura 3). Foram registradas as ocasiões em que o animal pisou a placa com um dos membros posteriores. Durante o contato com a plataforma foi registrada a variação da componente vertical da força de reação do solo.
A velocidade do animal no experimento ficou entre 1,1 a 1,3 m/s, valor determinado a partir dos dados da amplitude e da frequência da passada do animal.
FIGURA 1. Realização do experimento na condição dinâmica indicando o instante em que o animal pisa a plataforma de força com o membro posterior direito
Brazilian Journal of Biomechanics, Year 9, n.18, Month July FIGURA 2. Representação da pista para realização do
experimento
Foram ainda registradas imagens do animal na condição dinâmica. Os vídeos foram gravados com um sistema de vídeo de alta velocidade (câmera Basler 601f) operando a uma frequência de aquisição de 60Hz.
Análise estatística dos dados
Os dados obtidos por meio do experimento na condição estática foram analisados quanto às diferenças entre os membros anteriores e posteriores e entre os esquerdos e direitos utilizando-se análise o teste t de Student (P<0,05). A média aritmética das três medidas foi considerada como valor individual para cada membro de cada animal.
RESULTADOS
A FIGURA 3 corresponde a uma coleta da FRS na condição estática realizada em um dos membros de um dos bezerros utilizados neste trabalho. A linha vertical que intercepta o gráfico indica o valor da FRS considerado para a condição estática.
FIGURA 3. Curva de registro da coleta de uma componente vertical da força de reação do solo (N) na condição estática para um animal. O eixo vertical indica o valor da FRS e o eixo horizontal o tempo (em segundos). A linha vertical que intercepta o gráfico indica o valor da FRS considerado para a condição estática.
Na TABELA 1 apresenta-se os valores das três medidas das forças de reação do solo registrados para cada um dos membros (anterior direito, anterior esquerdo, posterior direito e posterior esquerdo), para cada animal na condição estática, com suas respectivas médias e desvios padrão. TABELA 1. Forças de reação do solo (N)
registradas na condição estática para os membros anterior direito – AD, anterior esquerdo - AE, posterior esquerdo – PE, posterior direito – PD. Bezerro n° Força (N) AD AE PD PE 122 F1 210,96 367,46 212,84 206,58 F2 160,88 369,34 224,73 194,06 F3 185,92 369,96 222,23 205,32 125 F1 312,37 285,36 234,75 209,71 F2 261,04 274,81 247,89 210,33 F3 312,37 299,22 223,48 210,33 129 F1 172,77 224,73 136,46 134,59
F2 175,28 212,21 148,36 171,52 F3 160,25 187,17 161,5 85,76 130 F1 225,36 137,72 160,88 123,94 F2 262,29 150,24 160,25 112,05 F3 215,97 122,69 136,46 135,84 131 F1 190,93 157,75 147,73 104,54 F2 155,24 170,27 108,29 105,79 F3 206,58 178,41 118,31 91,39 M Mééddiiaa 221133,,8888 223333,,8822 117766,,2288 115533,,4455 D DPP 5511,,9955 8877,,6655 4466,,3322 4488,,9900
No caso das forças de reação do solo na condição dinâmica, foram registrados os dados de onze situações em que o animal pisou na plataforma, sendo nove vezes com o membro posterior direito e duas com o membro posterior esquerdo. Com os dados foram obtidas as curvas da variação da força no período do contato com a plataforma. A FIGURA 4 mostra a curva da variação da FRS no tempo.
FIGURA 4. Curva de registro da coleta de uma componente vertical da força de reação do solo (N) na condição dinâmica para um animal. O eixo vertical indica o valor da FRS e o eixo horizontal o tempo (em segundos). A linha vertical que intercepta o gráfico indica o valor máximo da FRS que foi considerado para a condição dinâmica
A TABELA 2 apresenta os valores das forças de reação do solo, sendo nove correspondentes ao
membro posterior direito e dois para o membro posterior esquerdo, com as respectivas médias e desvios padrão (DP).
TABELA 2. Forças de reação do solo na condição dinâmica (N) medidas na caminhada de um bezerro jovem em uma pista instrumentada com plataforma de força.
Força (N) Posterior direito (PD) Posterior esquerdo (PE) F1 664,19 611,10 F2 813,80 625,38 F3 688,60 * F4 652,23 * F5 710,03 * F6 701,71 * F7 736,30 * F8 672,33 * F9 651,04 * Média 698,91 618,24 DP 51,50 10,10
*valores não medidos
Na análise estatística dos dados, verificou-se força média (± erro padrão) nos membros anteriores de 223,8 ± 22,8N, um valor 35,7% superior (P=0,045) à força média verificada nos posteriores (164,8 ± 15,1N). Não se verificou diferença significativa entre membros direitos e esquerdos (P=0,963).
DISCUSSÃO
Neste estudo a plataforma de força foi utilizada para medição das forças de reação do solo em bovinos jovens nas situações em que o animal se encontrava parado e caminhando. O experimento foi devidamente planejado de modo a minimizar possíveis problemas que poderiam ocorrer durante sua realização. No momento do experimento o laboratório permaneceu com um número reduzido de pessoas para não causar incômodo aos animais. Apesar de seis animais serem utilizados nesse presente experimento, as medidas da FRS na condição dinâmica foram realizadas em apenas um. Esse fato se deveu à falta de condicionamento dos animais para caminhar sobre a plataforma de força. Apesar de limitados, os dados obtidos foram apresentados no presente trabalho, pois não se encontraram outras referências na literatura sobre medidas desse tipo em bovinos jovens. As curvas para cada uma das medições na condição estática foram obtidas, sendo considerado como valor FRS, a parte do gráfico que apresenta uma estabilização dos valores registrados.
Brazilian Journal of Biomechanics, Year 9, n.18, Month July Os resultados das análises realizadas mostraram que as forças de reação do solo com os animais na condição estática foram maiores nos membros anteriores que nos posteriores. Estes valores permitem afirmar que nos animais avaliados, a maior parcela do peso corporal (57%), está localizada mais próxima da região torácica (membros anteriores), estando assim, de acordo com a afirmação da literatura e apresentando ainda uma distribuição percentual próxima ao estabelecido para outras espécies (BADOUX, 1986).
As curvas da variação da FRS na condição dinâmica em relação ao tempo apresentam forma aproximada de um M, com a indicação clara das fases de contato inicial, de resposta de carga, apoio terminal e desprendimento. Partindo do zero, a curva apresenta um primeiro pico correspondente ao instante do contato inicial do membro com a plataforma. Este valor máximo da FRS é o mais crítico, pois neste instante do impacto do membro com o solo não ocorre a ação dos grupos musculares e o carregamento atuante é sustentado principalmente pela estrutura óssea. Em seguida, a curva apresenta uma redução da FRS, correspondendo ao instante da resposta dos grupos musculares ao carregamento. Um novo pico, inferior ao primeiro representa a fase de apoio terminal do membro para posterior desprendimento do mesmo da plataforma, quando o valor da força retorna para zero. O período total do contato do membro com a plataforma em todas as situações foi de aproximadamente um segundo.
Por representar o valor crítico do carregamento, a FRS de reação considerada em cada medição foi a correspondente ao pico máximo. A linha vertical que corta o gráfico na região pico mostra o instante da ocorrência da força vertical máxima, cujo valor é indicado pelo programa computacional.
O valor médio das FRS máximas na condição dinâmica foram 698,91±51,50N para o membro posterior direito e 618,24±10,10N para o membro
posterior esquerdo, correspondendo
respectivamente, a 52% e 46% do peso do animal. Comparando-se esse resultado com os dos animais na condição estática, em que as FRS médias nos membros posteriores direito e esquerdo corresponderam respectivamente a 21,7% e 18,9% respectivamente. Observa-se que, na condição dinâmica, as FRS exercidas sobre os membros posteriores podem se alcançar valores mais que duas vezes acima daqueles observados na condição estática.
As curvas da variação da FRS na condição dinâmica possuem comportamento semelhante às curvas obtidas na marcha normal de humanos encontrados em literaturas de referência (VAUGHAN et al., 1999). As curvas também se
assemelham à encontrada por van der Tol et al. (2003), que mediu as três componentes da força de reação do solo em bovinos leiteiros na condição dinâmica.
Este estudo, pioneiro na utilização de bovinos jovens, mostra a viabilidade da utilização da plataforma de força para determinação das FRS em animais de grande porte nas condições dinâmica em ambiente de laboratório. Neste caso, recomenda-se que os animais a serem utilizados sejam previamente treinados para caminhar utilizando cabresto, principalmente se forem animais muito jovens. Outra opção viável seria a utilização de plataforma de força que possa ser levada ao ambiente natural do animal. Após a devida preparação do aparato de medição, os
animais, também previamente treinados
caminhariam como se estivessem em seu ambiente natural, podendo assim apresentar comportamento menos agressivo por não estarem no ambiente de laboratório. Esta foi a opção utilizada por van der Tol et al. (2003) em seu trabalho.
CONCLUSÃO
De forma semelhante ao observado em bovinos adultos e outras espécies de animais domésticos quadrúpedes, o peso corporal de bovinos jovens se distribui de forma heterogênea entre seus membros, sendo os torácicos (anteriores) responsáveis por sustentar uma parcela superior (57%) aos pélvicos (posteriores).
Em condição dinâmica, os membros posteriores dos bovinos jovens produzem curvas de força vertical de reação do solo semelhante às observadas em humanos. Nessa condição, a força máxima alcança valores mais que duas vezes superiores aos registrados na condição estática.
Como conclusão diretamente aplicável ao projeto de próteses ortopédicas, mostrou-se que, para que um sistema de redução de fraturas de ossos de membro posterior de bovinos jovens permita deambulação imediata de forma eficiente, deve-se considerar, em sua concepção, o fato das forças atuantes no membro fraturado poderem alcançar até 50% do peso do animal.
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Endereço para correspondência
Luciano Brito Rodrigues
Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia, Departamento de Tecnologia Rural e Animal. Pça. Primavera, 40 – Primavera
Itapetinga, Bahia. 45700-000 E-mail: rodriguelb@gmail.com (77) 3261-8601/3261-8611
Agradecimentos
A Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia, por conceder uma bolsa de Doutorado (PPG/UESB) para o primeiro autor, em seus estudos na Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes), por conceder ao primeiro autor uma bolsa de Doutorado, em seu período de estudos no Instituto Superior Técnico em Lisboa, Portugal. À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais – Fapemig, (Processo CVZ-836/06 e EDT-506/07), à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado da Bahia - Fapesb, (termo de outorga APR0068/2007), a Capes (Convênio Capes/Grices, Processo 148/06) e à PRPq-UFMG pelos apoios financeiros concedidos para o desenvolvimento deste trabalho.
