MESTRADO EM DESIGN E DESENVOLVIMENTO DO PRODUTO 2ª EDIÇÃO ANO: 2012/2013
BIOMECÂNCA ANÁLISE COMPUTACIONAL DO IMPACTO DE UM SOCO NA MANDÍBULA HUMANA
ALUNOS ABÍLIO J. MEIRA - 4429 ARTUR BRANCO - 7950 EMANUEL VINHAS - 8176
MESTRADO EM DESIGN E DESENVOLVIMENTO DO PRODUTO - 2ª EDIÇÃO
GRUPO I - BIOMECÂNICA MEIRA A. J., BRANCO A., VINHAS E.
keywords Biomecânica, Boxe, Lesões, Mandíbula, Murro, Análise Computacional.
RESUMO O boxe como qualquer outro desporto de combate exige bastante da condição física de quem o pratica. Não chega uma boa resistência muscular ou pulmonar mas também a nível de ossos e articulações. Trata-se de um desporto com alguma agressividade devido à exposição do corpo dos seus usuários a impactos de carga elevada de impacto, é um desporto considerado de algum risco principalmente de lesões para quem recebe os golpes, não ignorando que quem aplica os golpes também corre o risco de adquirir lesões. Estudos comprovam que golpes como “Side Punch” e “Uppercut” podem ser destrutivos para o usuário que o recebe. Com base nesses estudos foi desenvolvida uma análise da aplicação destes dois golpes numa mandíbula humana e averiguar qual e onde é causado o dano.
INTRODUÇÃO
METODOLOGIA
O Boxe é uma actividade desportiva em que o impacto e o trauma são o objecto de alguns artigos e investigações científicas. Existe actualmente uma controvérsia relacionada com todo o tipo de contusões cerebrais fazendo do Boxe uma actividade de risco tanto a nível dos profissionais, assim como dos escalões de formação (Matthew R. Potter, 1990-2008). O tipo de lesões no Boxe são de diversas origens sendo as que estão em estudo neste artigo as resultantes do impacto na mandíbula dos atletas. A pesquisa de dados relacionados com a força do impacto do murro dos atletas será necessária, para depois se proceder à análise computacional utilizando o software de análise de elementos finitos ABAQUS (G. Chen, 2010). Na utilização do software vão ser simuladas cargas de um murro lateral (sidepunch) e de um murro ascendente (uppercut) de forma a avaliar a distribuição de cargas no osso da mandíbula humana. A análise da eficácia desses diferentes tipos de murros será depois feita por comparação entre ambos em que as variáveis serão a força aplicada, o local da aplicação da força e a área de aplicação da força (Todd W. Fenton, 2003).
CRIAÇÃO DO PROBLEMA Este estudo utiliza dados do “National Electronic Injury Surveillance System” (NEISS) em que dados de lesões são recolhidos em 100 hospitais do território americano respeitando regras de amostragem específicas e adaptadas a este estudo (Matthew R. Potter, 1990-2008). O estudo acima referido é a recolha de dados mais importante acerca do tipo de lesões sustidas por praticantes de Boxe (Tab.1) fazendo com que haja uma distribuição e análise das lesões por parte do corpo e a sua causa (em treino com o saco de areia ou em combate). Estes dados serviram para melhor especificar as lesões e melhorar o foco do artigo para a segunda maior região do corpo sujeita a lesões em termos percentuais (Fig.1). A análise computacional recorrendo à utilização de elementos finitos foi executada utilizando o software ABAQUS. Para a utilização do ABAQUS foi necessário adquirir o modelo tridimensional da mandíbula humana assim como as suas propriedades mecânicas (CES edupack, 2005). Depois 2
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de reunidos os dados acerca do modelo a estudar foi necessário encontrar dados relativos à aplicação da força e do seu valor numérico. Após a obtenção dos dados (Todd W. Fenton, 2003) foi decidido utilizar valores extremos de força (máximos e mínimos) para cada um dos tipos de murro (Tab.2). Durante a utilização do ABAQUS e verificando que os dados de entrada estariam em PSI (libras por polegada quadrada) ficou decidido que a análise seria feita com uma carga de pressão e não de força concentrada (Fig.2). Depois da entrada dos dados da tabela 2 e da definição da localização e área de impacto dos dois diferentes tipos de murro, iniciou-se o processo de análise computacional. ANÁLISE COMPUTACIONAL Inicialmente foi necessário definir as propriedades mecânicas do material da mandíbula (CES edupack, 2005). Posteriormente procedeu-se à criação da malha da mandíbula que estava dependente da con-
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dição de limite máximo de 1000 nós sendo que a malha atribuída, neste caso, foi de 960 nós. Após o processo de criação da malha da peça foram definidas as condições de fronteira (boundaries) localizadas na parte superior da mandíbula (Fig.3). O passo seguinte foi introduzir os dados para a colocação da carga de pressão dos diferentes tipos de soco (uppercut e sidepunch) conforme estão presentes na tabela 2. As forças de pressão são colocadas conforme o local de aplicação da carga na mandíbula (Fig.4) com um processo de selecção de elementos da malha. Depois da realização destas tarefas: atribuição de propriedades materiais; condições de fronteira; e definição das cargas e correspondentes locais e áreas de aplicação. Utilizou-se a capacidade de análise de recorrendo a elementos finitos do ABAQUS para obter resultados da aplicação das forças dos dois diferentes tipos de soco em análise e o comportamento da mandíbula humana.
Fig. 1 - PERCENTAGEM DAS LESÕES CORPORAIS DE UM LUTADOR DE BOXE.
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Tabela 1 - Tabela de valores anuais Max (PSI) 750 750
sidepunch uppercut
Min (PSI) 300 300
Tabela 2 - Tabela de referências de forças de impacto em PSI
RESULTADOS De acordo com todo este propósito, e tendo como base a informação adquirida nos artigos encontrados e analisados, foram efectuados dois tipos de testes diferentes, onde os resultados se alteram consoante o tipo de teste. Inicialmente o teste a realizar seria de um “Side Punch”, um tipo de soco que atinge a mandíbula entre a sua zona frontal e a sua zona lateral, o golpe que em grande parte das vezes atribui o K.O. a quem o recebe. Com o desenrolar das investigações achou-se por bem executar também um teste de um outro movimento em que o seu dano também é de um dano relativo, tem como nome “Uppercut”, é de um dano relativo em que o seu dano produz estragos bastante consideráveis Contudo embora o objectivo deste trabalho seja testar o impacto do soco na mandíbula humana, é de igual forma relevante mencionar que ambos os golpes são bastante destrutivos uma vez que atingem a zona
Z
X
Fig. 3 - Uppercut
cervical. SIDE PUNCH Dentro deste teste foram efectuadas duas análises do movimento, uma com o valor mínimo de potência do soco em si, e outra com a referência do valor máximo. Conforme é possível visualizar no teste do “Side Punch” e como foi referido anteriormente, a força aplicada no soco com o valor de 300 PSI (valor mínimo) provocou oscilações e alguns danos na parte superior da mandíbula fazendo com que esta se deslocasse, essa deformação visualiza-se facil-
Z
Y
Y
Y X
Z X
Fig. 2 - Side Punch
Fig. 4 - Aplicação do Side Punch 4
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S, Mises (Avg: 75%) +1.348e+02 +1.235e+02 +1.123e+02 +1.011e+02 +8.984e+01 +7.861e+01 +6.738e+01 +5.615e+01 +4.492e+01 +3.369e+01 +2.246e+01 +1.123e+01 +0.000e+00
S, Mises (Avg: 75%) +7.208e+01 +6.607e+01 +6.007e+01 +5.406e+01 +4.805e+01 +4.205e+01 +3.604e+01 +3.003e+01 +2.403e+01 +1.802e+01 +1.201e+01 +6.007e+00 +0.000e+00
ODB: sidepunchlight.odb
Abaqus/Standard 6.11−1
Sat Feb 09 19:02:17 GMT−00:00 2013
Step: side punch Increment 1: Step Time = 1.000 Primary Var: S, Mises Deformed Var: U Deformation Scale Factor: +1.000e+00
ODB: sidepunchlight.odb
Abaqus/Standard 6.11−1
Sat Feb 09 19:09:11 GMT−00:00 2013
Step: side punch Increment 1: Step Time = 1.000 Primary Var: S, Mises Deformed Var: U Deformation Scale Factor: +1.000e+00
Fig. 5 - Resultado 1 (300 PSI)
Fig. 8 - Resultado 2 (750 PSI)
UPPERCUT
S, Max. Principal S, Mid. Principal S, Min. Principal +7.323e+01 +5.980e+01 +4.637e+01 +3.294e+01 +1.951e+01 +6.079e+00 −7.352e+00 −2.078e+01 −3.421e+01 −4.764e+01 −6.108e+01 −7.451e+01 −8.794e+01
Da mesma forma de que foi processado o “Side Punch” foi também processado o “Uppercut” foram feitos dois testes também, um a 300 PSI de valor mínimo e outro a 750 PSI. ODB: sidepunchlight.odb
Abaqus/Standard 6.11−1
Sat Feb 09 19:02:17 GMT−00:00 2013
Step: side punch Increment 1: Step Time = 1.000 Symbol Var: S Deformed Var: U Deformation Scale Factor: +1.000e+00
Fig. 6 - Resultado 2 (300 PSI)
Já os resultados do valor máximo foram bem mais elucidativos quanto ao impacto do soco na referida zona. Nos resultados do teste de 300 PSI revela através da cores que uma zona específica da mandíbula absorveu o parte do impacto, o que provocou um deslocamento na sua parte superior. No caso do teste de 750 PSI os resultados revelam que não só a zona de impacto frontolateral que demonstra uma deformação mais relevante mas principalmente a zona de absorção de impacto na parte superior, esta representada por manchas mais indicadoras de uma movimentação mais brusca da estrutura da mandíbula, Figs. 7 e 8. S, Mises (Avg: 75%) +1.348e+02 +1.235e+02 +1.123e+02 +1.011e+02 +8.984e+01 +7.861e+01 +6.738e+01 +5.615e+01 +4.492e+01 +3.369e+01 +2.246e+01 +1.123e+01 +0.000e+00
ODB: sidepunchlight.odb
Abaqus/Standard 6.11−1
Z Y
X
Fig. 9 - Aplicação Uppercut
Como o esperado, os resultados diferem do “Side Punch”, pois, como o referido no inicio deste tópico as forças aplicadas são de direções diferentes e aplicadas também em sítios diferentes. No “Uppercut” a distribuição da força é efectuada na parte lateral da mandíbula e não na parte superior como o visualizado no teste “Side Punch”. Possível verificar na Figs.10 e 11.
Sat Feb 09 19:09:11 GMT−00:00 2013
Step: side punch Increment 1: Step Time = 1.000 Primary Var: S, Mises Deformed Var: U Deformation Scale Factor: +1.000e+00
Fig. 7 - Resultado 1 (750 PSI) 5
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S, Mises (Avg: 75%) +1.262e+01 +1.157e+01 +1.052e+01 +9.465e+00 +8.413e+00 +7.362e+00 +6.310e+00 +5.258e+00 +4.207e+00 +3.155e+00 +2.103e+00 +1.052e+00 +0.000e+00
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S, Mises (Avg: 75%) +2.361e+01 +2.164e+01 +1.967e+01 +1.771e+01 +1.574e+01 +1.377e+01 +1.180e+01 +9.837e+00 +7.869e+00 +5.902e+00 +3.935e+00 +1.967e+00 +0.000e+00
ODB: uppercut.odb
Abaqus/Standard 6.11−1
Sat Feb 09 19:31:06 GMT−00:00 2013
Step: uppercut Increment 1: Step Time = 1.000 Primary Var: S, Mises Deformed Var: U Deformation Scale Factor: +1.000e+00
ODB: uppercut.odb
Abaqus/Standard 6.11−1
Sat Feb 09 19:23:51 GMT−00:00 2013
Step: uppercut Increment 1: Step Time = 1.000 Primary Var: S, Mises Deformed Var: U Deformation Scale Factor: +1.000e+00
Fig. 10 - Resultado 1 (300 PSI)
S, Mises (Avg: 75%) +1.262e+01 +1.157e+01 +1.052e+01 +9.465e+00 +8.413e+00 +7.362e+00 +6.310e+00 +5.258e+00 +4.207e+00 +3.155e+00 +2.103e+00 +1.052e+00 +0.000e+00
ODB: uppercut.odb
Abaqus/Standard 6.11−1
Sat Feb 09 19:31:06 GMT−00:00 2013
Step: uppercut Increment 1: Step Time = 1.000 Primary Var: S, Mises Deformed Var: U Deformation Scale Factor: +1.000e+00
Fig. 11 - Resultado 2 (300 PSI)
Teste de aplicação máxima correspondente a 750 PSI, os resultados denota-se uma mancha mais densa referente a um maior impacto e distribuição da força aplicada, os valores relacionados são bastante diferentes como é possível verificar no canto superior esquerdo das Figs, 12 e 13. S, Mises (Avg: 75%) +1.262e+01 +1.157e+01 +1.052e+01 +9.465e+00 +8.413e+00 +7.362e+00 +6.310e+00 +5.258e+00 +4.207e+00 +3.155e+00 +2.103e+00 +1.052e+00 +0.000e+00
Fig. 12 - Resultado 1 (750 PSI)
Contudo os resultados obtidos são satisfatórios, ambos os golpes aplicados em qualquer teste mínimo ou máximo são destrutivos para o usuário que os sofre, embora ambos atinjam ou possam atingir a zona cervical a absorção do impacto executada pela mandíbula danifica diferentes partes da mesma, no caso do “Side Punch” o dano afecta a parte superior da mesma bem como na zona de impacto o que não acontece da mesma forma no “Uppercut”. Embora grande parte dos K.O. provocados pelo soco sejam devido ao “Side Punch”, o “Uppercut” é provoca mais dano. Neste golpe a força exercida no impacto é absorvida pela mandíbula de forma relativamente equivalente, embora a área afectada na totalidade seja mais abrangente.
DISCUSSÃO
ODB: uppercut.odb
Abaqus/Standard 6.11−1
Sat Feb 09 19:31:06 GMT−00:00 2013
Step: uppercut Increment 1: Step Time = 1.000 Primary Var: S, Mises Deformed Var: U Deformation Scale Factor: +1.000e+00
Fig. 12 - Resultado 1 (750 PSI)
Com a obtenção dos resultados foi possível iniciar a fase de discussão dos dados obtidos onde se verifica a ambiguidade dos mesmos apesar da utilização de dados concretos (CES edupack, 2005) para a execução dos testes no ABAQUS. A utilização da análise computacional utilizando elementos finitos é uma mais valia na análise dos diferentes tipos de murros e a propagação do seu impacto, mas sendo o modelo em teste somente o da mandíbula é impossível aferir a sua influência no resto do crânio. Outra das variáveis que influência o resultado é a diferença de propriedades 6
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mecânicas entre os diferentes tipos de ossos (G. Chen, 2010), pois o osso esponjoso (trabecular) tem uma estrutura interior diferente dos osso compacto (cortical) fazendo com que a sua análise computacional para ser o mais correcta possível tenha que ser executada com base em tomografias, de maneira a melhor definir os volumes e propriedades mecânicas dos diferentes tipos de osso.
INVESTIGAÇÃO FUTURA Esta investigação deixa espaço a futuras investidas pois através de dados recolhidos usando tecnologia de captura de movimentos podemos melhorar a exactidão na captação de dados e posteriormente aplicar esses dados a um modelo completo do crânio humano, utilizando sempre para a obtenção de resultados a análise computacional utilizando elementos finitos.
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