analisis del curl de biceps en la hipertrofia muscular
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MIM-2003-I-03
ANALISIS DEL CURL DE BICEPS EN LA HIPERTROFIA MUSCULAR
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Andrés Fernando Barón S.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
SANTAFÉ DE BOGOTÁ D.C.
MIM-2003-I-03
ANALISIS DEL CURL DE BICEPS EN LA HIPERTROFIA MUSCULAR
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Andrés Fernando Barón S.
Proyecto de grado Ingeniería Mecánica.
Asesor:
Dr. Ing. CARLOS FRANCISCO RODRIGUEZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
SANTAFÉ DE BOGOTÁ D.C.
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MIM-2003-I-03
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RESUMEN
El presente proyecto pretende analizar, seleccionar e implementar una técnica
de levantamiento especifica donde se propicie en mayor medida el
rompimiento de fibras musculares, desencadenando un mayor crecimiento de
los músculos involucrados en la misma.
El desarrollo de la investigación parte de una caracterización analítica de las
fuerzas involucradas en el sistema, pruebas de electromiografía, comparación
dinámica con experimental y un análisis de las fuerzas que ejecuta el bíceps
al realizar el movimiento.
Para las pruebas experimentales se utilizaron electrodos activos superficiales
que nos permiten determinar los patrones reales de activación muscular
mediante la medida de la señal eléctrica generada por los grupos musculares
ante ese proceso de activación. De esta manera se pueden establecer planes
de tratamiento y monitorizar el progreso del mismo.
Los resultados obtenidos muestran que existen posiciones angulares al
realizar la ejecución del ejercicio en los cuales se genera mayor regeneración
de fibras musculares y por ende mayor crecimiento del musculo. El desarrollo
de esta técnica no solo potencializa el conocimiento en ciencia deportiva, si
no que a su vez evitara lesiones y enfermedades de mayor grado como la
tendinitis, por un desconocimiento en la técnica a la hora de realizar estos
ejercicios.
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TABLA DE CONTENIDO
I. INTRODUCCION 6
II. OBJETIVOS 8
2.1 GENERAL 8
2.2. ESPECIFICOS 8
III. MODELO DINAMICO 9
3.1. PLANTEAMIENTO PROPUESTO 9
3.2. RESULTADOS DE SIMULACION 10
3.3 ANALISIS PERFILES CINEMATICOS 12
IV. DESCRIPCION DEL SISTEMA EXPERIMENTAL 14
4.1 SISTEMA DE FILTRADO DE SEÑAL 15
4.2. SEÑALES ELECTROMIOGRAFICAS 16
4.3. ANALISIS SEÑALES OBTENIDAS 19
V. HIPERTROFIA DESDE LA PRACTICA 21
VI. CONCLUSIONES 22
BIBLIOGRAFIA 24
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MIM-2003-I-03 MIM-2003-I-03 TABLA CONTENIDO DE FIGURAS
Figura 1. Diagrama de Cuerpo Libre 9
Figura 2. Grafica Aceleración de Levas 10
Figura 3. Perfil de posición 10
Figura 4. Perfil de Velocidad 11
Figura 5. Perfil de Aceleración 11
Figura 6. Posición ubicación electrodos 13
Figura 7. Diagrama del proceso de transformación de la señal 14
Figura 8. Diagrama del filtro diseñado para la señal 15
Figura 9. Carga 5 kg ejercida a una apertura de 30 grados 16
Figura 10. Electromiografía carga de 5kg y a 30 Grados 16
Figura 11. Carga 5 kg ejercida a una apertura de 45 grados 17
Figura 12. Electromiografía carga de 5kg y a 45 Grados 17
Figura 13. Carga 5 kg ejercida a una apertura de 60 grados 18
Figura 14. Electromiografía carga de 5kg y a 60 Grados 18
Figura 15. Carga 5 kg ejercida a una apertura de 80 grados 19
Figura 16. Electromiografía carga de 5kg y a 80 Grados 19
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INTRODUCCIÓN
El sistema nervioso está recibiendo información continuamente de todos los
músculos y articulaciones del cuerpo, independientemente de si se ejecuta un
movimiento o no. El objetivo principal de esto es tener la mayor cantidad de
información posible sobre la respuesta a un estímulo externo (mantener una
posición, moverse correctamente, correr, saltar, etc.). Al ejecutar ciertas
repeticiones en ciertas posiciones y con un peso controlado, las fibras
musculares se rompen a la espera de una regeneración, proceso el cual recibe el
nombre de hipertrofia. Se sabe que al ejecutar una serie se va a presentar una
pérdida de velocidad aproximada del 20 porciento [1] , es decir, al empezar
a ejecutar repeticiones a 1 m/s luego de bajar 5 veces, se espera que baje a
0,83 m/s , esto se correlaciona con una mayor acumulación de amonio , el
cual es un marcador de fatiga metabólica , por este motivo una mayor fatiga
muscular conlleva a un peor rendimiento [2]. Al ejecturar el analisis teorico
se enfoco en realizar un numero de repeticiones sin perder el 15-20% de
velocidad respecto a la primera , mediante intervalos más cortos y con
mayor descanso entre las mediciones , lo cual permitirá una mejor
recopilación de datos y poder analizar la activación muscular de una
manera más precisa, a su vez esto permite analizar como esta afecta de
forma directa la hipertrofia muscular del brazo. Para aclarar el concepto , la
hipertrofia muscular consiste en un engrosamiento temporal del perimetro de
las fibras musculares , este proceso se genera debido a un incremento del
numero de filamentos de miosina y actina producido por sisntesis de proteinas
en el organismo [3].
Como parte de la recopilación de variables también se analizará cómo las
fuerzas de levantamiento afectan el musculo del bíceps, cuya función principal
es la estabilidad articular. Mediante análisis de torques y aceleraciones se
espera encontrar dinámicamente como se da la magnitud de velocidad y
aceleración en diferentes posiciones angulares.
Posteriormente se utilizará la técnica de electromiografía con el fin de medir los
picos eléctricos de mayor activación, traduciéndolo físicamente en mayor
1
generación de actina y miosina, por lo tanto, se genera una mayor regeneración
de fibras, aumentando el tamaño del musculo de manera más efectiva.
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II. OBJETIVOS
2.1 GENERAL
Realizar un análisis del efecto de la posición angular del brazo sobre la
activación de músculos agonistas y estudiar las reacciones sobre el bíceps
durante la ejecución de un Curl mientras se mide la activación eléctrica
muscular.
2.2 ESPECÍFICOS
1. Identificar parámetros de experimentación que permitan caracterizar el modelo de
activación hipertrófica en Bíceps según el ángulo de ejecución del levantamiento e
identificar reacciones sobre la articulación del hombro.
2. Implementar el protocolo de experimentación para poder obtener parámetros de
estudio.
3. Realizar un análisis comparativo del comportamiento dinámico a través de modelos
matemáticos de dinámica inversa para determinar las reacciones sobre el bíceps.
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3. MODELO DINAMICO
3.1 Planteamiento propuesto para el modelo
Mediante el análisis de torques dinámicos se realizó el diagrama de cuerpo libre
que mejor representa la situación, esto con el fin de tener el panorama de
aceleraciones y velocidades más claro a la hora de realizar una comparación con la
parte recopilada en el EMG.
Figura 1. Diagrama de cuerpo Libre.
MODELO DINAMICO DEL SISTEMA
Al realizar la sumatoria de torques se encontraron las expresiones respectivas para
Aceleración Tangencial y Centrípeta respectivamente:
Tangencial
La aceleración tangencial es el producto de la aceleración angular y el radio del
círculo, que para este caso fue la longitud del antebrazo involucrada en el
levantamiento. Es decir, la aceleración tangencial para el modelo de
experimentación es un vector que está sobre la tangente del punto de la
circunferencia del brazo y cuyo sentido es igual al de giro.
𝐹𝑏𝐶𝑜𝑠(𝜃) − 𝑔𝐶𝑜𝑠(𝜃)(𝑅𝑏) (𝑚
2+ 𝑀) = 𝐼𝛼 ec.1
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Centrípetas o Radiales
Cuando el brazo realiza el levantamiento, el sistema se puede asumir como un
movimiento circular uniforme donde la dirección del vector velocidad va cambiando
a cada instante. Esta variación la experimenta el vector lineal, debido a una fuerza
llamada centrípeta, dirigida hacia el centro de la circunferencia que da origen a la
aceleración centrípeta
−𝑁 + 𝑚𝑔𝑆𝑒𝑛(𝜃) + 𝑀𝑔𝑆𝑒𝑛(𝜃) − 𝐹𝑏𝑆𝑒𝑛(𝜃) = 𝑚𝜔2𝑟 ec.2
Al tener como incógnitas Fb y N, las aceleraciones y velocidades no se pueden hallar
de forma directa, por lo que el modelo de levas debe ser usado.
3.2 RESULTADOS DE SIMULACION
Debido a que las aceleraciones se presentan como incógnitas en la ec.1 y la ec.2 , se
puede dar un aproximado de dichos valores , conociendo un modelo similar al
comportamiento de dichas magnitudes , en esta ocasión se tomara el modelo de
levas en la cual se seleccionó un patrón similar al del modelo .
Figura 2. Grafica aceleración de levas
En la figura 2 se puede observar como varia la aceleración angular a lo largo del
tiempo beta, de esa misma figura se extraen las ecuaciones que se presentan a
continuación, las cuales son necesarias para reemplazar en el modelo dinámico y
encontrar las incógnitas.
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Dónde:
tabla 1. Variables implementadas en el análisis dinámico del sistema
𝜃 = 𝜃𝑚𝑎𝑥 (𝑡
𝑡𝑚𝑎𝑥−
1
2𝜋𝑠𝑒𝑛
2𝜋𝑡
𝑡𝑚𝑎𝑥) ec.3
=𝜃𝑚𝑎𝑥
𝑡𝑚𝑎𝑥(1 +
𝐶𝑜𝑠2𝜋𝑡
𝑡𝑚𝑎𝑥) ec.4
= 2𝜋𝜃𝑚𝑎𝑥
𝑡𝑚𝑎𝑥2
𝑆𝑒𝑛
2𝜋𝜃
𝑡𝑚𝑎𝑥 ec.5
Figura 3. Perfil de Posición
Figura 4. Perfil de velocidad
Thetha max Angulo maximo de apertura del biceps en el levantamiento
tmax Duracion de la medicion
t Tiempo
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Figura 5. Perfil de Aceleración
Al reemplazar los valores de tiempo y Angulo máximo en las ecuaciones 3,4 y 5 se
encuentran los valores de la aceleración para cada momento del tiempo de las
mediciones, permitiéndonos encontrar que fuerza realiza el bíceps en cada
momento del levantamient0 .
3.3 ANALISIS PERFILES CINEMATICOS EN EL TIEMPO
Al analizar las gráficas del modelo teórico , el cual describe el movimiento se
encontró una velocidad de levantamiento máxima de 1 m/s bajo una aceleración
de 1.8 𝑟𝑎𝑑 𝑠2⁄ , los cuales son cercanos a los valores medidos experimentalmente
.En la figura 4 se puede observar que la velocidad después del segundo 3 tiene una
magnitud negativa hasta llegar al reposo , esto se debe principalmente a que el
brazo genera una resistencia cuando el brazo esta en caída , la cual está generando
una acción de freno para alcanzar el reposo . Evidentemente mediante la Figura 5
. se puede corroborar que el participante de la prueba genera una aceleración
positiva para impulsar la pesa y alcanzar el Angulo solicitado , mientras que
después de alcanzar el máximo (𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥. 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑢𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 3 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠) empieza a
desacelerar hasta el reposo con cierta acción de frenado para hacer más controlado
el movimiento .
Posteriormente como se indicó en la sección 3.3 mediante las ecuaciones 3 , 4 , 5
se puede calcular un estimado teórico de la fuerza que está ejecutando el bíceps en
cada levantamiento , al reemplazar estos valores , se sabe que la máxima fuerza
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teórica alcanzada por dicho musculo cuando ejecuta un set de levantamiento de 10
kg es de 91.14 N es decir 9.3 kg de fuerza para un Angulo de 60 grados de apertura.
Al analizar esto, se evidencia que no toda la fuerza del levantamiento es traspasada
al bíceps si no que al ejecutar este ejercicio, otros músculos como los del antebrazo
y las uniones del codo reciben parte del esfuerzo generado por el peso. Si se
quisiera analizar en qué porcentaje se distribuyen dichas cargas, un modelo más
específico debe ser tenido en cuenta.
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4.DESCRIPCION DEL MODELO EXPERIMENTAL
Los electrodos de superficiales son posicionados de forma directa sobre la superficie
de la piel , estos conllevan la función de registrar poblaciones de datos de cómo se
desarrolla la actividad bioeléctrica. Dentro de una variedad de Electrodos, los
superficiales activos son los más adecuados para el registro de la actividad eléctrica
de un grupo muscular [4].
Figura 6. Posición ubicación electrodos activos durante la toma de datos.[4]
La señal ofrecida por el sistema de adquisición de datos a partir de los electrodos
produce una cantidad cercana a 230 µV durante una contracción del musculo (varia
según el musculo analizado). Estas señales presentan un rango de medición
pequeño, por lo que la adquisición de datos se puede ver afectada por el ruido de
línea, esto produce ligeras oscilaciones en el registro de datos, para disminuir dicho
el problema, el amplificador de la señal debe tener una tolerancia de sensibilidad
elevada con el fin de amplificar estas ligeras señales eléctricas ofrecidas por el
musculo.
Una posible solución a esta dificultad es la implementación de amplificadores
diferenciales, estos anulan un gran porcentaje del ruido acumulado en la adquisición
de la señal. En especial este tipo de amplificador esta diseñado para aplicaciones de
rango medico. A su vez permite variar el factor de amplificación con la modificación
de un juego de resistencias. [5]. Para la etapa de amplificación se utilizó un
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amplificador diferencial el cual es un amplificador de instrumentación de bajas cuya
función principal es que pueda ofrecer una excelente precisión a la hora de eliminar
el ruido de las señales eléctricas. Al posicionar las resistencias se puede tener un
beneficio en la señal de 1 a 10.0.
Figura 7. Diagrama del proceso de transformación de la señal [6]
4.1 FILTRADO DE LA SEÑAL
Para evitar toma de datos erróneas se requiere un filtro de la señal cercano a un
rango de banda de 20 Hz a 250 Hz, la opción fue un diseño de filtro pasa bajas y un
filtro derivador. Se presentó la necesidad de hallar la frecuencia de corte mediante
la ecuación:
𝑤ℎ = 1
𝑅𝑓𝐶
Se asignó un valor de 1 µF al capacitor con una frecuencia de corte respectiva de
250 Hz, lo cual ofrece una resistencia de 3.3 kΩ
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Figura 8. Diagrama del filtro implementado en la señal [6].
Para calcular la frecuencia de corte del sistema se utilizó la siguiente formula:
𝐹𝑐 = 1
2𝜋𝑅𝐶
Para el experimento se obtuvieron valores de R y C correspondientes a una frecuencia de corte de 22.3 Hz son 8.1 Hz y 1.4 µ.
4.2 SEÑALES ELECTROMIOGRAFICAS
Se realizaron 10 mediciones por cada rango de apertura angular, los cuales
fueron 30,45,60 y 80 grados, esto con el fin de identificar patrones de señales
eléctricas e identificar cual Angulo se activa más la señal muscular.
Figura 9. Carga 10 kg ejercida a una apertura de 30 grados
17
Figura 10. Señal electromiografía correspondiente a una carga de 5 kg
a una apertura de 30 grados.
Figura 11. Carga 5 kg ejercida a una apertura de 45 grados
Figura 12. Señal electromiografía correspondiente a una carga de
5 kg a una apertura de 45 grados.
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Figura 13. Carga de 10 kg a una apertura de 60 grados.
Figura 14. Señal electromiografía correspondiente a una carga de 10 kg a una apertura de 60 grados
Figura 15. Carga de 10 kg a una apertura de 80 grados.
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Figura 16. Señal electromiografía correspondiente a una carga
de 10 kg a una apertura de 80 grados.
4.3 ANALISIS SEÑALES ELECTROMIOGRAFICAS
Al analizar las gráficas para cada posición angular se puede observar que la
mayor activación muscular corresponde a la de la apertura de 60 grados, con un
una activación muscular cercana a los 2100 mV superando en un aproximado de
15-20% a la segunda posición con mayor activación muscular correspondiente
a la de 80 grados de apertura. Para corroborar que efectivamente no había
errores en las mediciones y que la apertura de 60 era la de mayor activación,
un segundo banco de pruebas fue arreglado pero esta vez solamente para las
aperturas de 60 y 80 grados.
Figura 17. Señal electromiografía correspondiente a una carga de 10 kg a una apertura de 80 grados.
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Figura 18. Señal electromiografía correspondiente a una carga de 10 kg a una apertura de 60 grados.
Al analizar la Figura 17 y figura 18 se puede observar que el pico de activación
de la apertura de 60 es cercano a los 2000 mV , mientras que para la apertura
angular de 80 grados , ronda los 1400 mV ,esta mayor activación muscular se
debe a que en las contracciones de levantamiento , la tensión muscular genera
una prolongación de los elementos fibrososos del bíceps , especialmente el
contenido de colágeno en la matriz extracelular y en Titin la cual es la proteína
encargada de regenerar las fibras después de que estas se han roto por la actividad
física [8]. Esta proteína es importante en la contracción del músculo estriado y sus
tejidos asociados. Además, limita el margen de movimiento del sarcómero cuando
éste se tensiona, proporcionando al músculo cierta rigidez. [9].
Estas mayores activaciones en la apertura de 60 grados van ligadas a los aumentos
en la tensión activa que genera el musculo al realizar el ejercicio, esta va
desarrollada por los elementos contráctiles del musculo que mejoran la respuesta
hipertrófica. Tanto la amplitud como la duración del acoplamiento de excitación,
está determinada por la frecuencia de impulso de la unidad motora, la cual
transcribe la producción de proteínas como fosfatasa y calmudeina en paralelo, los
cuales son medios que permiten transcribir la excitación muscular.
Cuando se afronta una resistencia pequeña como la de 30 grados de apertura, solo
se contraen un número determinado de fibras musculares, que son siempre las
mismas por lo tanto estas fibras musculares no tendrán la misma excitación,
obstruyendo la respectiva generación, por otra parte, a medida que aumenta la
abertura, se van sumando fibras a esta contracción y siempre en el mismo orden.
21
5. HIPERTROFIA DESDE LA PRACTICA
Para la hipertrofia de los musculos , el tiempo asignado a la tensión es de vital
importancia, esto se debe principalmente a que se debe saber ejecutar una mezcla
entre intensidad moderada y mantener cierto rango de tiempo bajo tension , para
ocasionar la mayor liberacion de titin y miosina , ocasionando el debido
crecimiento. Se considera según la practica que un repeticion debe llevar entre 2 y
4 segundos en el ascenso del peso y entre 3 y 5 segundos en la relajación del
musculo , en la cual se alcance el angulo propuesto anteriormente basandonos en
la experimentación , el cual corresponde a 60 grados. Al cumplir este rango de
entrenamiento , el ejecutor estara activando mayores conexiones nerviosas entre
las fibras , causando el crecimiento de estas.
Para que se pueda efectuar una apropiada regeneracion de fibras musculares, estas
deben estar expuestas a un aumento de ejecución de potencia y un retraso en la
fatiga de los muculos involucrados en el ejercicio , asi el fallo muscular tardara mas
tiempo , propiciando que mas fibras se rompan y posteriormente se reparen
acompañadas de un significativo crecimiento.[9].
Otro factor importante a tener en cuenta en la práctica es que, al levantar el peso
de manera lenta, se potencia de forma significativa la contracción que tienen los
musculos involucrados en el levantamiento, esto implica un incremento en el flujo
de sangre que pasa atraves de estos canales fibrosos, llevando mayor cantidad de
proteinas y componentes escenciales para el aumento de grosor de estos,
acarreando un aumento de masa muscular magra.
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6. CONCLUSIONES
En el momento de realizar ejercicios de hipertrofia muscular de forma correcta ,
inciden factores como la posición articular, dirección de la fuerza e intensidad de
contracción , estos son los tres principales factores para conseguir unos óptimos
resultados .La posición articular es importante debido al hecho de que se intenta
aproximar y focalizar lo máximo posible unas fibras específicas de un músculo
específico. La dirección aplicada de la fuerza resulta de suma importancia porque
se busca que estas fibras musculares específicas sean las principales en ser
activadas y localizadas durante la contracción isométrica.
Se puede concluir que la posición articular que más fibras activa es la de 60
grados, esto permite generar un nuevo conocimiento en las técnicas de
ejercitación de la zona superior del cuerpo.
Se puede afirmar que los modelos teóricos y experimentales concuerdan de
manera similar a los ofrecidos por el conocimiento práctico ya que ambos
sugieren realizar los ejercicios a velocidades controladas y a un ángulo medio
cercano a los 60 grados de amplitud. En el modelo experimental se cuido con
gran rigurosidad las mediciones de los ángulos, con el fin de tener una
observación exacta en cada segundo del levantamiento, cabe aclarar que este
modelo puede ser refinado en una siguiente etapa utilizando un medidor
fotográfico de ángulos, comúnmente usados en cámaras de alta velocidad.
Un factor importante para resaltar en la experimentacion fue que, al ejecutar las
mediciones de peso con una velocidad menor, se ve un aumento significativo en la
contracción muscular y de igual manera en la amplitud de la señal captada por el
montaje, se puede afirmar este crecimiento luego de analizar varias tomas sobre el
mismo escenario, garantizando que no fuera una desviación de la señal. Esto puede
ser traducido en un incremento en el flujo de sangre que pasa a través de estos
canales fibrosos, llevando mayor cantidad de proteínas y componentes esenciales
para el aumento de grosor de estos, acarreando un aumento de masa muscular
magra. Al ejecutar los levantamientos a una velocidad mayor, la señal de las
activaciones musculares se veía disminuida en cerca de un 30 %,
independientemente del peso manejado, por lo que se puede concluir del modelo
experimental, que una ejecución a una velocidad controlada a un ángulo cercano a
los 60 grados (figura 18) , generara mayor producción de proteínas y regeneración
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muscular , necesarias para la hipertrofia muscular.
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7. REFERENCIAS
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