Origen del Termino “Torque”

La palabra "torque" deriva del latín "torquere," que significa "torcer o girar." El término fue utilizado originalmente por los romanos, quienes describían adornos personales en forma de espiral o retorcidos, así como en forma de rosca o tornillo, con la palabra "torquere," que significa "retorcer" y "girar."

Técnicamente hablando, la palabra inglesa "torque" fue inicialmente empleada en el año 1834 por los anticuarios y otros comerciantes semejantes para describir los collares de metal retorcido que antiguamente usaban los galos, británicos, y alemanes. Como extensión, dos palabras estrechamente relacionadas con la raíz del término “torque” son “distorsión” y “tortura.”

“Distorsión” se refiere al acto de torcer o alterar algo fuera de su estado verdadero, natural, u original; mientras que la palabra “tortura” se refiere a torcer, girar, retorcerse, y causar daño al cuerpo humano mediante dolor infligido – todo ello con fines persuasivos y disuasivos, así como para obtener una determinada información.

A partir del año 1884, la palabra “torque” comenzó a ser utilizada para definir una fuerza de torsión o rotación sobre un eje. El termino fue empleado por vez primera por el ingeniero y físico británico James Thompson (1822–1892), hermano mayor del conocido ingeniero, matemático, y físico William Thomson (1824–1907). 

Concepto de Torque

El concepto básico de torque o torsión se refiere a la aplicación de una fuerza sobre el brazo de una palanca, creando así un movimiento de giro o torsión sobre un eje. En esencia, los análogos rotacionales de fuerza, masa, y aceleración son el torque, el momento de inercia, y la aceleración angular, respectivamente. Cabe aclarar que en el idioma español suelen utilizarse los términos “torque” o “torca” de manera indistinta. 

El símbolo que se utiliza para representar el torque es "T." Tal símbolo representa la letra griega "tau." En la antigüedad, “tau” fue utilizada como el “símbolo de la vida” o “de la resurrección,” mientras que la octava letra del alfabeto griego “theta” se consideraba el “símbolo de la defunción o de la muerte.”

La Segunda Ley de Newton

Según el físico, teólogo, inventor, y matemático inglés Isaac Newton (1643-1727), un objeto que posee masa no modifica su velocidad a menos que sobre el actúe una fuerza externa. Este simple concepto apunta a que una fuerza representa un fenómeno capaz de modificar el movimiento de un cuerpo o bien causar su deformación. Para comprender lo que acabamos de expresar es necesario definir algunos términos físicos y biomecánicos básicos. 

Por “aceleración” entendemos la razón de cambio de la velocidad en el tiempo (o sea, un cambio de razón de otro cambio de razón); por “peso” entendemos una fuerza, como pude ser la fuerza de gravedad, capaz de imprimir una aceleración de 9.81 metros por segundo cada segundo a un objeto; y por “masa” entendemos la inercia que contiene un objeto. 

Por lo tanto, cuanto mayor sea la masa del objeto, más inercia tendrá, y más difícil será lograr su aceleración o desaceleración. Recíprocamente hablando, cuanto mayor sea la fuerza, mayor será la aceleración o desaceleración producida. 

La segunda ley de Newton (F = ma) relaciona fuerza, masa, y aceleración - donde: F (fuerza) = m (masa) x a (aceleración). En unidades métricas, la fuerza (medida en Newtons) es igual a la masa del objeto (medida en kilogramos) multiplicada por la aceleración (medida en metros / segundo cada segundo). 

Aceleración y Velocidad Angular

Volviendo al concepto de torque, sabemos que este se refiere una fuerza que causa rotación, esencialmente de un movimiento de torsión alrededor de un determinado eje. El torque, por lo tanto, representa una medida de la fuerza capaz de lograr que un objeto que posee masa acelere y gire, a mayor o menor velocidad, alrededor de un eje central o axial. 

El torque representa una cantidad vectorial (cantidad física que se especifica mediante unidades o magnitud, y una dirección), que hace que un objeto adquiera una aceleración angular. Recordemos que la “velocidad angular” es una medida de la velocidad de rotación mientras que la “aceleración angular” es una medida del cambio que experimenta la velocidad angular por unidad de tiempo.

Así como en la cinemática lineal una fuerza causa que un objeto adquiera una aceleración lineal, en la cinemática no lineal el torque causa que un objeto adquiera una aceleración angular.

Torque y Palancas Oseas

El torque se aplica a la mayoría de los movimientos que realiza el cuerpo humano. Y lo hace porque representa la magnitud de la torsión que se genera alrededor de un eje de rotación. De esta forma, el torque representa el producto de la fuerza muscular transmitida a lo largo de una distancia perpendicular, especialmente sobre las palancas óseas que configuran el sistema óseo.

Los distintos tipos y subtipos de fibras musculares esqueleticas humanas de contracción rápida y lenta son capaces de generar diferentes magnitudes de fuerza, aceleración, y velocidad lineal. Recordemos que la contracción muscular siempre “tira” o “tracciona” de algo, pero no “empuja.” 

Así también, tales fibras son capaces de generar diferentes magnitudes de torque sobre los ejes de las articulaciones corporales. Cuanto mayor sea la contracción muscular, mayor será la fuerza producida sobre la articulación, y mayor será el torque y la aceleración angular producida.

El Torque no es Barato

En base a lo anterior, podemos afirmar que el proceso para generar torque jamás se logra sin pagar un alto costo, y por lo tanto no es barato. Decimos esto porque el torque requiere la aplicación de una determinada magnitud de fuerza de contracción muscular sobre las palancas corporales formadas por las estructuras óseas. Todo ello, a su vez, para generar la cantidad necesaria de torque requerida por una técnica y/o actividad corporal determinada. 

Profundizando aún más en el concepto biomecánico de torque, vemos que el movimiento articular solo es posible cuando las palancas óseas implicadas se encuentran en desequilibrio. Esto significa que el torque solo se produce cuando tales estructuras óseas se mueven entre sí en base a las articulaciones que las sujetan y que, a su vez, sirven de ejes para los movimientos rotativos. 

Por todo ello, y a modo de síntesis, el torque representa la expresión angular de la fuerza de contracción muscular lineal, siendo esta capaz de producir un torque rotativo sobre las articulaciones y demás estructuras anatómicas. 

Fuerza, Giro, y Rotacion

La aceleración angular, también conocida como aceleración rotativa o de rotación, representa la razón de cambio de la velocidad angular en el tiempo. Por lo tanto, el torque puede hacer que un objeto estacionario comience a girar, o que un objeto que se encuentre girando aumente o disminuya su velocidad de giro, o bien que se modifique la dirección y el sentido del giro.   

Sin embargo, consideramos de suma importancia aclarar que, en sí mismo, el torque no representa una fuerza propiamente dicha. No la representa porque una fuerza siempre tiende a acelerar o desacelerar un objeto que contiene masa. Debido a tal, el torque solo es capaz de crear rotación sobre un determinado eje, así como un movimiento de torsión cuando a un brazo de palanca se le aplica una fuerza. 

A medida que la magnitud de la fuerza aplicada al brazo de palanca aumenta o disminuye, también aumentará o disminuirá el torque generado. De ahí derivamos el concepto de que jamás resulta fácil o barato generar elevadas magnitudes de torque según las exigencias biomecánicas de la técnica en cuestión.

Hablamos del torque en términos de ser caro y no ser barato porque cuanto mayor sea el torque producido, mayor será la aceleración angular y/o rotativa producida, y mayor será la energía y tensión de contracción muscular esquelética requerida para lograrlo. 

En el deporte de alta competición, la relación entre el torque y la aceleración angular resulta ser exactamente paralela a la relación entre la fuerza y la aceleración lineal, tal cual lo afirma la segunda ley de Newton (F = ma).

Torque y Fuerza Excéntrica

El torque desempeña una función central aplicable a todas las modalidades deportivas. Esto sucede porque cuanto mayor sea la fuerza muscular generada, mayor será el torque axial generado, mayor será la aceleración angular producida, y mayor será la calidad y cantidad de la técnica utilizada. 

Si la línea de fuerza pasa a través del centro de gravedad de un objeto, el objeto no girará. En tal caso la fuerza solo producirá un movimiento lineal. Ahora bien: ¿en qué condiciones la aplicación de una fuerza determinada es capaz de provocar un movimiento lineal en lugar de una rotación?; y ¿cómo se puede dirigir o enfocar una fuerza para enfatizar la rotación a expensas del movimiento lineal, y viceversa? 

Largos años de experiencia e investigación en este terreno nos dice que para lograr que un objeto gire (entre en rotación), es necesario aplicar una fuerza descentrada o excéntrica. Esto quiere decir que para hacer girar una rueda o lanzar un balón se debe aplicar una fuerza sobre borde del objeto y, cuanto más lejos del centro se aplique la fuerza, más efectiva será. 

De esta manera resulta sencillo comprender que si se aplica una fuerza de modo que esta actúe exclusivamente a través del centro axial del objeto, el objeto no girará y, por lo tanto, se producirá exclusivamente un movimiento lineal.

Centro de Gravedad o CG

¿Qué queremos decir exactamente con el centro axial del objeto? El centro de cualquier objeto, independientemente de su tamaño o forma, es un punto específico conocido como el “centro de gravedad.” Existe una definición matemática muy precisa respecto a la ubicación del centro de gravedad en cualquier objeto. No obstante, tal concepto es sumamente abstracto en términos matemáticos y, por lo tanto, supera el alcance de este artículo.

En esencia, el centro de gravedad representa el punto de equilibrio de cualquier objeto que contenga masa y peso. En este sentido, podemos considerar al centro de gravedad como el punto alrededor del cual la masa y el peso del objeto se distribuyen uniformemente. El centro de gravedad también se conoce como "centro de masa" o por las letras "CG."

El CG de un objeto a menudo no coincide con su centro geométrico. De hecho, el CG ni siquiera tiene porque ubicarse en el interior del objeto. Por ejemplo, el CG de un donut se encuentra situado en el espacio, o sea en el agujero ubicado en el centro del donut. Esta definición del CG como punto de equilibrio de un objeto nos proporciona un procedimiento sencillo para localizar su posición.

Para poder estudiar cómo el cuerpo humano genera y responde a las distintas fuerzas, nos resulta de gran utilidad poder localizar su CG. La ubicación del CG suele ser dinámica y, por lo tanto, cambiará varios milímetros o centímetros según en cada movimiento que realicemos. Cualquier movimiento es capaz de modificar la distribución espacial de la masa corporal y, por tanto, también la ubicación del CG.

Movimiento Lineal y Rotativo

Habiendo definido el CG, estamos en condiciones de estudiar las condiciones bajo las cuales una fuerza producirá un movimiento lineal o rotacional. La respuesta, muy sencilla, por cierto, es la siguiente: 1.- si la línea de acción de la fuerza aplicada pasa a través del centro de gravedad, se producirá un movimiento lineal; y 2.- si la fuerza no actúa a través del CG, se puede producir un movimiento lineal y/o un movimiento de rotación alrededor del propio CG.

Torque, Fuerza, y Brazo de Palanca

Para imprimir a un determinado objeto un movimiento de giro o rotación, la fuerza debe ser aplicada de forma excéntrica y lejos de su CG. Por lo tanto, el efecto de una fuerza excéntrica (descentrada o alejada del CG) consiste en lograr que un objeto gire o, si el objeto ya está girando, crear un cambio en su velocidad de giro o rotación. En el lenguaje de la biomecánica, una fuerza excéntrica es capaz de producir una aceleración angular, o sea un cambio en la velocidad angular del objeto.

La aceleración angular y el movimiento de rotación son fundamentales para gran parte del rendimiento deportivo. Decimos esto porque el efecto de una fuerza excéntrica no depende sólo de su magnitud, ya que cuanto más excéntrica o descentrada sea la aplicación de tal fuerza, mayor será su efecto de rotación, y viceversa. En este caso en particular, por “centro” nos referimos al punto de pivote o eje de rotación del objeto en cuestión.

Torque en Puertas y Judo

Un objeto que posee una total libertad de movimiento gira automáticamente alrededor de su CG cuando sobre el actúa una fuerza excéntrica. No obstante, si algún punto del objeto se encuentra fijado en un determinado lugar, el objeto deberá girar alrededor de ese punto fijo. 

Por ejemplo, cuando aplicamos una fuerza a una puerta, ésta se ve obligada a girar alrededor de sus bisagras, en lugar de alrededor del CG. Esto es exactamente lo que sucede cuando, gracias a la acción de las piernas apoyadas sobre el suelo, logramos rotar las caderas (en cuyo interior anatómico se encuentra el CG) en determinadas técnicas del karate.

En consecuencia, el efecto de una fuerza excéntrica dependerá de la distancia desde el punto donde se aplica tal fuerza hasta el punto de pivote o eje de rotación. En base a esto, podemos definir el brazo de momento de la fuerza como la distancia perpendicular desde la línea de acción de la fuerza hasta el punto de pivote o eje de rotación. Por todo ello, la efectividad de una fuerza aplicada de forma excéntrica es igual a la magnitud de tal fuerza multiplicada por la longitud del brazo de momento. 

Para probar la validez de este concepto, simplemente diríjanse a la puerta más cercana e intenten abrirla empujando sobre un punto cercano a las bisagras (disminuyendo así el brazo de momento). Les aseguramos que resultará muy difícil hacerlo. Ahora bien, intenten empujar en un punto más alejado de las bisagras (aumentando así el brazo de momento). En tal caso podrán comprobar que se precisara considerablemente menos fuerza para abrir la misma puerta.

Al lograr que el brazo de momento sea lo más grande posible, la cantidad de fuerza que se debe aplicar para girar la puerta y abrirla se vuelve menor. No obstante, sucederá exactamente lo contrario si el brazo de momento se reduce. 

Esta es la razón por la que las manillas de las puertas se suelen colocar en el borde exterior de la puerta, y lejos del punto de pivote o eje de rotación proporcionado por las bisagras. En todos estos ejemplos, la longitud del brazo de momento siempre determinara el efecto rotativo o torque creado por la fuerza aplicada.

La técnica de lanzamiento en el judo es otro ejemplo. En un lanzamiento de cadera correctamente ejecutado, el lanzador utiliza su cadera como punto de pivote o eje de rotación, e intenta desplazar el CG de su oponente por encima de este punto de pivote. 

El torque generado por el tirón del lanzador sobre el brazo del oponente (brazo de momento) lo hace girar sobre la cadera del lanzador (punto de pivote) y, una vez despegado del suelo, el oponente se convierte en balístico y no tiene forma alguna de contrarrestar los efectos de tal acción. 

Está claro qué a medida que los pies del oponente se elevan del suelo, todo su cuerpo se torna balístico. En ese mismo momento el CG y todo su cuerpo responderán a la cantidad de torque generado por el judoca lanzador. 

Variedad de los Movimientos

Es interesante ver cómo los músculos producen la enorme variedad de movimientos de los que nuestro cuerpo es capaz. El proceso mediante el cual doblamos los brazos, las piernas, y otras articulaciones siempre se basa en el principio de la palanca. 

Resulta que casi todas las palancas de nuestro cuerpo tienden a rotar, y lo hacen de tal manera que intercambian fuerza por distancia. De esta manera los músculos ejercen fuerzas considerablemente mayores que las fuerzas de resistencia que deben superar.

El precio que pagamos por todos los torques generados a través de la contracción muscular y las palancas del cuerpo es extremadamente alto y por eso decimos, y nuevamente repetimos, que el torque no es barato. 

Torque y las Marchas de una Bicicleta

Una bicicleta de múltiples marchas es capaz de crear determinados torques. Tales torques son proporcionados por la cadena de transmisión que conecta los pedales a la rueda trasera. En esencia, la fuerza ejercida por los pies del ciclista sobre los pedales se transmite a través de la cadena para crear el necesario torque. 

En tales bicicletas, la rueda trasera lleva montadas sobre su eje una serie de ruedas dentadas o piñones de diferentes tamaños que, a su vez, son intercambiables. Cuanto mayor sea el diámetro de la rueda dentada, mayor será el brazo de momento y la fuerza de tracción ejercida por la cadena. 

En otras palabras, la misma fuerza de tracción de la cadena produce diferentes torques, dependiendo del diámetro de los piñones sobre los que circula la cadena a modo de: cuanto mayor sea el diámetro, mayor será el torque generado. Este será precisamente hablando, el engranaje o piñón que proporcionará la mayor ventaja mecánica al tener que escalar un repecho o bien una montaña. 

Sin embargo, podemos afirmar que un sistema de engranajes como este funciona de manera muy similar a una palanca en el sentido de que se intercambia fuerza por distancia. Por lo tanto, en las marchas bajas no es necesario ejercer tanta fuerza para recorrer una distancia corta. 

Pero para lograrlo debemos girar los pedales a un ritmo más rápido en comparación con las marchas más altas. En esencia todo se reduce a: “lo que se gana en fuerza se pierde en distancia y velocidad; y, lo que se pierde en fuerza se gana en distancia y velocidad.” 

Debido a esto, en una marcha baja intercambiamos fuerza por una distancia pequeña o una bien velocidad más baja, y en una marcha alta intercambiamos fuerza por una distancia mayor y una velocidad más alta. En marcha alta no es necesario pedalear tan rápido para mantener una velocidad determinada, pero hay que ejercer más fuerza para girar los pedales ya el brazo de momento es mucho más pequeño que en las marchas bajas.

No, definitivamente el torque no es barato …