Lectura 1: Ortodoncia

Artículo original: Innovación en ortodoncia. Sophie Rozencweig, Georges Rozencweig (Traducido por Mónica González).

Muchos de nosotros hemos corregido la posición de los dientes con ortodoncia. Pocos sabemos, sin embargo, que la ortodoncia requiere gran cantidad de ciencia fundamental e innovación.

La ortodoncia es la rama de la odontología que diagnostica y corrige irregularidades de dientes y mandíbulas. Se aplica para mucho más que una sonrisa de Hollywood perfecta; si empleamos las mandíbulas y los dientes para hablar y masticar, la ortodoncia se ocupa del impacto de la anatomía facial en esas funciones y la mejora cosmética.

Para hacer una buena ortodoncia hay que dominar varias áreas de conocimiento: genética, fisiología, microbiología, radiodiagnóstico y, sobre todo  ¡mucha física! Se necesita mantenerse al día con el conocimiento cambiante y las innovaciones tecnológicas.

En ortodoncia hay que entender las propiedades físicas y químicas de cada material para utilizarlas de la mejor manera en cada paciente, pueden elegir alambres de distintos materiales con mucha elasticidad, pero también rigidez. Además, se aplican las leyes de la mecánica para ajustar la posición de los dientes, asegurando que las fuerzas resultantes sólo producen los movimientos necesarios.

La cantidad de fuerza para mover un diente depende de su tamaño y el tipo de movimiento (giro o deslizamiento). Al comienzo del tratamiento, los alambres tienen que ser bastante elásticos para iniciar el movimiento de dientes individuales. Más tarde, tienen que ser más rígidos para asegurar la estabilidad, mientras que un bloque entero de dientes se mueve.

Lectura 2: Suelas antideslizamiento, trabajo y deporte

Artículos originales e imágenes: AAVV, biomecánicamente / Marc Cornet, ¿cómo influye la fuerza de reacción del suelo cuando corremos?

Estadísticamente, las caídas por resbalamiento son los accidentes más comunes en ambientes de trabajo y, en consecuencia, son responsables de un elevado porcentaje de lesiones. Existen varios factores involucrados en el riesgo de sufrir caídas por resbalamiento (presencia de contaminantes como agua, aceites, jabones, etc.), siendo la fricción entre el suelo y la suela del calzado el factor más importante.

En este sentido, los materiales convencionales utilizados en la fabricación de calzado profesional y los diseños de suelas actuales, no son capaces de reducir el riesgo de resbalamientos y de caídas en el trabajo. El avance de la ciencia de los nanomateriales ha abierto las puertas a nuevas soluciones, ya que éstos han demostrado poseer propiedades muy particulares que afectan a la fricción en la suela, pero, para conseguir una mejora sustancial en esas propiedades, hay que estudiar en profundidad los criterios biomecánicos en los que se basan. Una suela antideslizamiento tiene un diseño geométrico característico que se traduce en un entramado de fuerzas en equilibrio, resultantes de investigar exhaustivamente aquellas que intervienen en las diferentes pisadas.

En el deporte, también es muy importante el estudio biométrico de las fuerzas que intervienen. Una persona que está parada, inmóvil en el suelo, ejerce una fuerza de contacto sobre éste (igual al peso de esta persona en cuestión) y, al mismo tiempo, una fuerza de reacción del suelo y opuesta es ejercida por el suelo sobre la persona, tal y como expresa la tercera Ley de Newton.

Al correr, independientemente de cual sea la superficie de apoyo, es imprescindible la técnica que se emplea, ya que ésta puede ayudar a ir más o menos a favor de la fuerza de reacción del suelo. Así, en los distintos momentos de una carrera, apoyar más o menos el talón, la punta o toda la superficie del pie, determina la eficacia del corredor o corredora.

Lectura 3: No hay "arriba" o "abajo" en el espacio

Artículo original: ESA:  La importancia de la ciencia en la EEI

Los seres humanos, como el resto de los seres vivos, nos hemos adaptado a la vida en la Tierra y sus condiciones de gravedad. La gravedad nos ayuda a saber qué está arriba y abajo, y sentir si nos estamos moviendo. Los sensores de nuestro sistema de equilibrio y movimiento (en particular, el oído y la vista) utilizan la gravedad como referencia. En una nave espacial en órbita, la falta de gravedad hace que sea difícil saber qué es arriba o abajo.

La Estación Espacial Internacional es un laboratorio permanente situado a 400 Kilómetros de la tierra donde se ha suprimido la fuerza de la gravedad. Pero, curiosidades aparte, la falta de gravedad puede ser de gran utilidad para investigar en multitud de campos. La Estación es un laboratorio perfecto para estudiar lo relacionado con la permanencia prolongada del ser humano fuera de la Tierra. 

En el caso del cuerpo humano, algunas de sus reacciones a la ausencia de gravedad prolongada ya se conocen. Los astronautas saben que, entre otras cosas, sus huesos perderán densidad.  La carga de los huesos es diferente debido a que el esqueleto ya no tiene que soportar el peso del cuerpo, y los músculos tienen una tarea mucho más fácil para moverse. A un astronauta le basta con estornudar para ser propulsado hacia atrás con una fuerza tan intensa como su propio estornudo.

En contraposición, la falta de gravedad es clave en otras áreas, como son los nuevos materiales y la física de fluidos. En microgravedad resulta más fácil hacer crecer materiales muy ligeros y resistentes a la vez, o cristales de proteínas, lo que a su vez permite, una vez en Tierra, hallar su estructura. Y conocer la estructura de estos materiales o proteínas, puede servir para diseñar nuevos tejidos, aumentar la eficacia de los combustibles o crear nuevos fármacos. 

Lectura 4: Palancas en el cuerpo humano

La Biomecánica es una disciplina científica que combina el estudio anatómico con el de las fuerzas físicas que intervienen en los estados de reposo o movimientos corporales de los seres vivos. Tiene usos en diferentes áreas, como estudios y evaluación de discapacidades, ergonomía, rehabilitación, actividad física y deporte, fisioterapia, ortopedia, podología, biometría y muchos estudios médicos. 

Proyecto Biosfera. Palancas del cuerpo humano (Dominio público)

Uno se sus campos es el estudio de los sistemas de palancas en nuestro cuerpo, que se producen por la disposición de los músculos sobre los huesos y las articulaciones. En el ser humano, el hueso es el equivalente a la barra, la articulación es el punto de apoyo y la inserción del músculo es el punto de aplicación de la potencia. Las más importantes son las de las extremidades, pero también las hay en otras partes del cuerpo.

Por ejemplo, el movimiento de cabeza al asentir es una palanca de primer género. Al desplazar la cabeza hacia atrás, el cráneo pivota sobre la vértebra atlas (punto de apoyo). Los músculos trapecio y   esternocleidomastoideo, realizan la fuerza necesaria para mover el peso de la cabeza. Otro ejemplo de palanca de primer género es la pelvis.

Las palancas de segundo género son más raras. Una de ellas es el tobillo, cuando nos elevamos sobre las puntas de los pies, o la masticación que realizan los últimos molares. los gemelos ejercen la fuerza, en el tarso se aplica la resistencia y la punta de los pies es el punto de apoyo.

Las de tercer género son las más comunes, presentes en casi todas las articulaciones, como el codo, por ejemplo. El fulcro o punto de apoyo se halla en la articulación del codo, el esfuerzo se realiza por el músculo bíceps y el peso es algún objeto sostenido en la mano.

Todas esta palancas humanas tienen la función de cualquier máquina, transmitir y amplificar las fuerzas, en este caso, musculares. Caminar, apoyar una pierna sobre otra, abrir una puerta, ponerse de puntillas, masticar...gestos tan cotidianos como éstos y otros más, pueden ser explicados por la física.

Lectura 5: la seda de las arañas, un supermaterial

Origen: Xataka, Sergio Parra, La tela de araña capaz de detener en seco un reactor jumbo / JJ Velasco (Hipertextual): El MIT explica algunos detalles sobre la robustez de las telarañas. 

La tela de las arañas es más resistente, incluso, que la lanzada por Spiderman en las películas. No en vano, un cable no más ancho que un lápiz (unos 6 mm) y 30 km de longitud, hilado con tela de araña, sería capaz de detener de golpe a un avión a reacción como un Boeing 747. La seda de araña es 5 veces más resistente que el acero y 30 veces más elástica que el nailon. La tela arácnida, que se compone de proteínas (espirodrinas) agua, es, a la vez, tan ligera que, una hebra suficientemente larga para rodear el planeta Tierra, pesaría lo mismo que una pastilla de jabón. 

Un grupo de investigadores del MIT han estudiado las propiedades de las proteínas de la tela de las arañas y su estructura, descubriendo que son una auténtica obra de ingeniería. Las arañas fabrican sus telas como si se trataran de fiables constructoras, localizando la tensión y el daño que pueden sufrir sus «edificios». Los investigadores descubrieron, por medio de la mecánica molecular, que una tela de araña está construida como una especie de cable diminuto, cada fibra de seda está compuesta enteramente por nanohebras. 

Estos estudios han descubierto que la estructura de la seda va cambiando a medida que se produce el estiramiento. Sus propiedades mecánicas varían con la aplicación de la fuerza. Se comportan como un muelle normal al principio, son muy flexibles y pueden estirarse mucho, pudiendo incluso volver a su posición original, pero, cuando deja de aplicarse la fuerza, es capaz de endurecerse. Este hecho produce también que, cuando un insecto queda atrapado por una telaraña, el impacto de éste sobre la misma deteriora solo una zona muy localizada (la del impacto) que puede ser reparada por la propia araña sin que el resto de la estructura se resienta. 

Un material duro que es capaz de volverse elástico y, cuando cesa la perturbación vuelve a endurecerse es la clave que hace que este tipo de estructuras sean tan robustas y tolerante a fallos. Las aplicaciones potenciales de un compuesto que imite la seda de las arañas son incontables, desde su empleo como material de sutura quirúrgica reabsorbible, hasta su aprovechamiento como fibras técnicas en la industria de la automoción.

¿Por qué no usamos la asombrosa seda de la araña para fabricar paracaídas, chalecos antibalas y tendones artificiales? Porque las arañas son muy difíciles de criar en cautividad (y además suelen comerse entre ellas), de modo que habrá que esperar a que la ingeniería genética resuelva este problema.