Um experimento sobre fisiologia muscular como ferramenta de ensino interdisciplinar de biofísica para alunos em ciências da saúde

## UM EXPERIMENTO SOBRE FISIOLOGIA MUSCULAR COMO FERRAMENTA DE ENSINO INTERDISCIPLINAR DE BIOFÍSICA PARA ALUNOS EM CIÊNCIAS DA SAÚDE

Alisson Mazzorani Vieira , Paola Jardim Cauduro , Everton Lüdke 1 2 3

- 1 Universidade Federal de Santa Maria/Departamento de Física/alissonmazzorani@live.com
- 2 Universidade Federal de Santa Maria /Departamento de Física/paola.pjc@gmail.com
- 3 Universidade Federal de Santa Maria /Departamento de Física/eludke@smail.ufsm.br

## Resumo

Baseado na disponibilidade de microcontroladores e das ferramentas de desenvolvimento de recursos experimentais de baixo custo para laboratórios de física básica e biofísica, propomos, neste trabalho, ferramentas básicas para avaliação e estudo quantitativo de propriedades fisiológicas e cinesiológicas de alguns musculares importantes do corpo humano. Apresentamos detalhes da construção de um equipamento para coleta de dados sobre força e velocidade para os músculos tríceps e bíceps, sendo que o aparelho pode ser fixado ao chão para possibilitar o estudo dos músculos sartório, reto femoral e vastos lateral, medial e intermédio que agem sobre a flexão do joelho. Os parâmetros obtidos visam obter a lei de Hill para contração muscular quantitativamente, que é uma relação matemática importante em estudos de biofísica muscular e do exercício. Aplicações diversas do experimento também são descritas.

Palavras-chave : Avaliação, ensino de Biofísica, metodologia de Gagné.

## O laboratório didático de biofísica

Em nossa visão, é importante o desenvolvimento de novas tecnologias que possibilitem aos alunos de cursos de ciências da saúde como enfermagem e fisioterapia, estabelecer e explorar experimentalmente os diversos conceitos estudados em disciplinas de primeiro ano de seus cursos universitários. Em particular, na disciplina de Biofísicas não se dispõem comercialmente de recursos e experimentos suficientes para que os alunos adquiram e explorem os conceitos estudados de uma forma a satisfazer as diretrizes curriculares. Na prática, sabemos que é difícil encontrar artigos publicados sobre ensino experimental em biofísica pelas carências na formação de professores em universidades onde a interdisciplinaridade como entre a física e a biologia é difícil de ser implementada (PIERSON; NEVES, 2001).

Em particular, buscamos experimentos de biofísica de baixo custo e fácil manutenção (AXT; MOREIRA, 1991) que possibilitem aos professores administrar melhor a progressão das aprendizagens, envolver os alunos em suas aprendizagem pelo meio de discussões em equipe e que possam administrar sua própria formação continuada pela utilização competente de novas tecnologias e a formação de grupos interdisciplinares para a resolução de problemas. Lévy (2008) destaca que, no ensino moderno,

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20 a 25 de janeiro de 2013

'...o pensamento se dá em uma rede na qual neurônios, módulos cognitivos, humanos, instituições de ensino, línguas, sistemas de escrita, livros e computadores se interconectam, transformam e traduzem as representações.'

De uma forma geral, também percebemos a necessidade de implementar experimentos de baixo custo para que os estudantes possam entender o processo de metodologia experimental de aquisição de dados por computador, ainda nos primeiros semestres das suas atividades curriculares regulares. A melhoria da precisão dos resultados obtidos, otimização e agilização dos grupos de estudantes na obtenção rápida dos dados e interpretação dos resultados pela análise estatística ou ajuste de funções permitem usar o tempo de laboratório no sentido de criar um ambiente adequado para construção do conhecimento (PRAIA; CACHAPUZ; GILPÉREZ, 2002) onde os alunos constroem seu próprio conhecimento a partir da dinâmica experimental que representa a realidade profissional que deverão enfrentar e conhecer (MORAES, 2003).

Portanto, o objetivo desse trabalho é descrever um experimento para um estudo qualitativo e quantitativo de propriedades biofísicas da contração muscular, na forma da determinação experimental da lei de Hill, integrando conceitos de anatomia, fisiologia e cinesiologia para alunos de ciências da saúde.

## Descrição técnica do experimento

O equipamento consiste em uma parte mecânica composta de roldanas de baixo atrito que foram confeccionadas em um torno mecânico, pelas quais correm uma corda de algodão ou Nylon de 2 mm de espessura e que suspendem um peso de calibração de 5 Kg para estudos dos músculos bíceps e tríceps dos braços direito e esquerdo de um aluno escolhido pelo grupo. A figura 1 abaixo mostra a construção da parte mecânica, fixada a uma carteira escolar de 40x60 cm por meio de parafusos:

Figura 1 - Esquema de construção do medidor de força e velocidade muscular.

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Na figura 1, podemos ver as três polias numeradas de 1 a 3 e a corda flexível passando pelas polias 1 e 2. Com uma manopla tubular de madeira na extremidade da esquerda e o peso de 5,0 kg na extremidade direita. Segurando a manopla com o dorso da mão para cima, o aluno pode flexionar o antebraço realizando trabalho mecânico para baixo, empregando o músculo tríceps e medindo a tensão no fio e a velocidade de movimentação do peso durante a realização do exercício. Passando a corda pela polia 3, o aluno segura a manopla com o dorso da mão para baixo realizando flexões do músculo bíceps. Para teste dos músculos de locomoção dos membros inferiores, o peso de calibração deve ser substituído por um de 10 Kg, a manopla por uma tornozeleira de couro com presa à corda e o equipamento colocado no chão.

- O equipamento possibilita obter a tensão T máxima no fio em Newtons durante a realização do exercício e medir a velocidade máxima do fio V durante a tração do peso no display acoplado ao computador de controle do instrumento. A velocidade máxima é fornecida pelo computador, calibrada em metros por segundo devido ao software residente que corrige as funções de transferência do encoder óptico e do sensor de tração do fio.
- O encoder óptico acoplado à polia 2 está mostrado na figura 2, cujas ranhuras pintadas sobre o disco de acrílico preso ao mesmo eixo da polia e alinhado paralelamente a ela (no desenho está perpendicular apenas para ilustração). Para o sensor de tensão no fio, reaproveitamos um 'strain sensor' de uma balança digital de baixo custo, que apresenta uma leitura linear da função de transferência de voltagem na faixa de 0 e 25 mV versus tensão mecânica no intervalo entre 0 e 25 kgf.

Figura 2 - Esquema de construção do medidor de força e velocidade muscular.

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No projeto usamos rolamentos de patins de 2,2 cm de diâmetro externo e polias de máquinas de costura de 4,5 cm de diâmetro externo.

Embora microcontroladores da linha Arduino tenham sido recentemente utilizados no controle de experimentos de física ( CAVALCANTE; TAVOLARO; MOLISANI, 2012 ), resolvemos empregar o microcontrolador da microchip PIC18F4550 pela versatilidade superior. A figura 3 mostra a topologia básica do

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circuito do computador de controle, onde as portas AN0 e AN1 são usadas como conversores analógico-digitais para o encoder de velocidade e tensão do fio.

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O programa residente gravado no microcontrolador monitora a frequência de pulsos geradas pelo encoder de velocidade mostrado na figura 2 e o nível de tensão produzida pelo encoder de tensão mecânica sobre o fio, que está posicionado entre a corda e o peso de calibração, registrando a média das velocidades e tensões máximas no cabo com a evolução dos exercícios e mostrando os valores no mostrador digital LCD que são anotados pelos alunos, para diferentes velocidades de execução do mesmo exercício pelo 'aluno-paciente'. Os LEDs coloridos monitoram se a aquisição dos dados é confiável (acende LED verde) ou não confiável (acende LED vermelho). LED amarelo indica que o exercício deve ser melhorado.

## Descrição das atividades experimentais

Os participantes desta pesquisa foram alunos do curso de Fisioterapia da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) durante o ano de 2012.

Os alunos foram selecionados em grupos de quatro pessoas, sendo que três efetuam as medidas e um deles faz o papel de um 'paciente' cuja movimentação muscular deve ser estudada.

Os pontos de inserção dos tendões de flexão (músculos bíceps) e extensão (tríceps) do antebraço podem ser estimados em relação ao epicôndilo lateral e medial (úmero) e acrômio (segmento clavicular), usando um livro de anatomia topográfica como MOORE e DALEY (2001) e uma fita métrica. O problema 24 do

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capítulo 13 do livro HALLIDAY, RESNICK e WALKER (1996) descreve um equipamento similar e a geometria para aplicação dos conceitos de conservação do momento linear e angular para obtenção da tensão no fio e sua relação com a tensão muscular Tm e velocidade máxima no ponto de inserção do músculo no antebraço Vm , resolvendo o problema das alavancas com a física conhecida do primeiro semestre de curso para modelagem da máquina. Um programa em linguagem C é escrito com o compilador DevC++, de distribuição gratuita na internet, para obtenção de Fm e Vm nos tendões do músculo bíceps ou tríceps a partir da tabela que contem V e T medidas pelo computador de controle, disponibilizados pelos alunos para 10 medidas. Um arquivo em formato texto é gerado pelo programa que modela a máquina e as dimensões ergométricas, que pode ser plotado com o programa 'freeware' gnuplot para visualização da hipérbole que caracteriza o comportamento muscular segundo a lei de Hill (Fm-a)(Vm-b)=const .

Os alunos também podem ajustar as constantes a e b da lei de Hill para a contração muscular na fórmula, empregando diversos programas de ajustes ou escrevendo os seus próprios programas em linguagem C ou FORTRAN.

Diversos parâmetros musculares podem ser estimados a partir de equações conhecidas para a física dos exercícios (GOMES; PARTELI, 2001 e CARR; RASCH, 2001). Empregando um ultrassom de uso clínico, pode-se medir a massa muscular e espessura do bíceps e tríceps e tentar relacionar essas variáveis com as constantes de ajustes da lei de Hill para uma amostra de 5 ou mais alunos, usando a estatística para comprovar a validade das relações identificadas. Em um artigo futuro, vamos explorar essas medidas que definem as condições musculares de bíceps e tríceps e efeitos do hábito da academia de exercícios em adultos jovens e da física aplicada ao desenvolvimento da biomecânica do exercício (OKUNO; FRATIN, 2003).

## Considerações finais

Os resultados obtidos mostraram que o experimento proposto tem se mostrado muito útil para o ensino de métodos de laboratório no estudo de parâmetros da biofísica muscular e na determinação da lei de Hil.

Os alunos que participaram do experimento frequentemente referiram a necessidade da integração entre a física básica e as disciplinas de primeiro e segundo semestre de curso como fisiologia e cinesiologia, manifestando interesse em entender os processos de medida em biofísica.

Acreditamos que o experimento possibilita, como ganho adicional, fomentar discussões entre os alunos sobre as relações da física com o esporte e o entendimento das grandezas musculares envolvidas no exercício pela análise de diferentes grupos de fibras musculares, fomentando práticas educacionais em níveis mais avançados do conhecimento de física e tecnologia aplicados às ciências da saúde, com uma boa introdução a medidas biométricas auxiliadas por computadores.

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## Referências

AXT, R.; MOREIRA, M.A. O ensino Experimental e a Questão do Equipamento de Baixo Custo. Revista Brasileira de Ensino de Física. São Paulo, v.13, p.97-103, 1991.

CARR, G. and RASCH, P. J., Biomecânica do Esporte , Ed. Manole Ltda (2001).

CAVALCANTE, M.A.; TAVOLARO, C.R.C.; MOLISANI, E. Física com Arduino para iniciantes . Revista Brasileira de Ensino de Física. São Paulo, v. 33, p.4503, 2011.

DRIVER, R.; ASOKO, H.; LEACH, J.; CASTILHO, D.H. Construindo conhecimento científico na sala de aula. Química Nova na Escola, São Paulo, n.9, p.31-40, 1999.

GOMES, M.A.F; PARTELI, E.J.R. A física nos esportes . Revista Brasileira de Ensino de Física. São Paulo, v. 23. p.10-18, 2001.

HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos da Física 2 - Gravitação, Ondas e Termodinâmica , 4a edição, São Paulo: LTC. p.18, 1996.

LÉVY, P. As tecnologias da inteligência: o futuro do pensamento na era da informática., 15ª reimpressão , São Paulo: Editora 34, 2008.

MOORE, K.L.; DALLEY, A.F. Anatomia orientada para a clínica , 4ª. Edição, Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2001.

MORAES, R. Construtivismo e ensino de ciências. Porto Alegre: EDPUCRS, 2003.

OKUNO, E., FRATIN, L.; Desvendando a Física do Corpo humano: Biomecânica ; Ed Manole, 2003.

PIERSON, A; NEVES, M. Interdisciplinaridade na formação de professores de ciências:conhecendo obstáculos. Revista Brasileira de Pesquisa em Educação em Ciências, v.1, n. 2, pp. 19-30 (2001).

PRAIA, J.F.; CACHAPUZ, A.F.C.; GIL-PÉREZ, D. Problema, teoria e observação em Ciência: para uma reorientação epistemológica da educação em ciência . Ciência &amp; Educação, Bauru, v.8, n.1, p. 127-145, 2002.

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