“Su brazo duele” es incorrecto, porque sugiere que estás hablando de un brazo que pertenece a varias personas; o tal vez un brazo que pertenece a una persona de sexo desconocido, suponiendo que estás abajo con el singular “ellos”.
Por otro lado, “les duele el brazo” sugiere que duelen los brazos múltiples que pertenecen a cada persona. Tendría que aclarar diciendo: “Les duelen los brazos izquierdos” o “Les duelen los brazos derechos”. Entonces se vuelve obvio que te refieres a un brazo experimentado por persona.
Cuando tal aclaración no está disponible, te encuentras con la ambigüedad. Por ejemplo, si dijera: “Comieron sus galletas”, ¿se refiere a que cada persona comió una galleta o cada persona comió varias galletas? Si esa diferencia es importante, debe reformular, diciendo quizás: “Cada uno comió una galleta” o “Cada uno de ellos comió galletas”.
