UNIDAD 1
SISTEMAS
BIOFÍSICOS MECÁNICOS
1.
FUERZA.
Una fuerza es algo que cuando actúa sobre un cuerpo,
de cierta masa, le provoca un efecto.
Por ejemplo, al levantar pesas, al golpear una pelota con
la cabeza o con el pie, al empujar algún cuerpo sólido, al tirar una locomotora
de los vagones, al realizar un esfuerzo muscular al empujar algo, etcétera
siempre hay un efecto.
El efecto de la aplicación de una fuerza sobre un objeto
puede ser:
• Modificación
del estado de movimiento en
que se encuentra el objeto que la recibe
• Modificación
de su aspecto físico
También pueden ocurrir los dos efectos en forma
simultánea. Como sucede, por ejemplo, cuando alguien patea una lata de bebida:
la lata puede adquirir movimiento y también puede deformarse.
De todos los ejemplos citados podemos concluir que:
• La fuerza es un tipo
de acción que un objeto
ejerce sobre otro objeto (se dice que hay una interacción ). Esto puede apreciarse en los
siguientes ejemplos:
·
Un
objeto empuja a otro: un hombre levanta pesas sobre su cabeza
·
Un
objeto atrae a otro: el Sol atrae a la Tierra
·
Un
objeto repele a otro: un imán repele a otro imán
·
Un
objeto impulsa a otro: un jugador de fútbol impulsa la pelota con un
cabezazo
·
Un
objeto frena a otro: un ancla impide que un barco se aleje.
2. ENERGIA.
En determinadas condiciones, los cuerpos (objetos,
plantas, animales o personas) poseen energía.
Por tanto, los cuerpos poseen energía, y dicha
energía les permitiría ser capaces de producir cambios o efectos en sí mismos o
en otros cuerpos. Tales cambios pueden ser movimiento, calentamiento, o
alteraciones en el estado de dichos cuerpos. La energía interviene en todos los
cambios que ocurren en el Universo, y se precisa para calentar, iluminar,
deformar, mover, y para que la vida sea posible.
Ahora bien, para desencadenar ese cambio, la energía
que acumula un cuerpo debe ser liberada, o transferida a otro cuerpo. Se puede
decir que hay dos formas de transferir la energía entre los cuerpos, o dicho de
otra forma, que la energía produce dos tipos de acciones o cambios sobre los
cuerpos: trabajo y calor.
3.
FORMAS DE ENERGÍA.
Como ya se ha estudiado antes, los cuerpos poseen
energía. Ahora bien, la energía que contienen los cuerpos puede manifestarse de
formas muy diversas. Por ejemplo, la energía que posee una pila no será del
mismo tipo que la energía que posee una hoguera.
Algunas de las formas de la energía más sencillas
son las siguientes:
Energía
Mecánica (Em): Se trata de la energía que poseen los cuerpos debido
a su posición y/o a su movimiento. Tiene dos componentes:
1.-Energía
Cinética (Ec): Es la energía que
posee un cuerpo por el hecho de estar en movimiento. Depende de la masa (m) y
la velocidad (v) a la que se desplace el cuerpo.
2.-Energía
Potencial (Ep): Es la energía de un cuerpo debido a su
posición dentro de un campo de fuerzas determinado y puede ser Gravitatoria (Epg) o Elástica (Epx)
2.1.- Energía
Potencial Gravitatoria (Epg):
Es la energía que posee un cuerpo debido a la posición que ocupa en un campo
gravitatorio.
2.2.- Energía
Potencial Elástica (Epx): Es
la energía que posee un cuerpo elástico (resorte) en virtud de su estado de
tensión.
Energía Nuclear: Es una energía propia
de la materia y que se libera al fisionarse o fusionarse los núcleos de
determinados átomos.
Energía Interna (U): Es la suma de las
energías de todas las partículas que constituyen un cuerpo.
Energía Térmica o
calorífica: Se trata de la energía presente en un cuerpo debido a su temperatura. La
energía térmica se debe al movimiento vibratorio de las partículas que forman
la materia (a mayor temperatura, las partículas que forman el cuerpo se mueven
(o vibran) con mayor velocidad, por lo que tendrán más energía). La energía
térmica se transfiere de un cuerpo que está a mayor temperatura a un cuerpo que
está a menor temperatura, en forma de calor. Existen tres formas de
transferencia del calor entre los cuerpos: conducción, convección y radiación
Energía Química: Es la energía
almacenada en los enlaces químicos que mantienen unidos los átomos y moléculas
de la materia. Dicha energía se libera al reaccionar dos o más productos
químicos para formar otro distinto. Algunos ejemplos: digestión de los
alimentos por parte de los seres vivos, combustión del carbón, petróleo, gas, o
madera, utilización de pilas y baterías en circuitos eléctricos
Energía Radiante o
electromagnetica: Es la que se propaga en forma de ondas
electromagnéticas y radiaciones (luz, ondas de radio, rayos-X, microondas,
infrarrojos, ultravioleta, etc.). La característica principal de esta energía
es que se puede propagar en el vacío, sin necesidad de soporte material alguno.
Un caso particular es la energía luminosa, que es la energía contenida en la
luz solar
Energía Eléctrica: Energía asociada a
la corriente eléctrica (cargas eléctricas en movimiento). Se trata de la forma
de energía más versátil, ya que se puede transformar en otras formas de energía
muy fácilmente. (Gómez, J. D., & Domínguez, J. V. H. (2011).
Elementos de física aplicada y biofísica. Universitat de València., 2014)
4.
ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE LOS TEJIDOS
HUMANOS.
La
resistencia es la tendencia de un material a resistir el flujo de corriente y
es especifica para cada tejido, dependiendo de su composición, temperatura y de
otras propiedades físicas.
Cuanto
mayor es la resistencia (R) de un tejido al paso de la corriente, mayor es el
potencial de transformación de energía eléctrica en energía térmica (P) como se
describe por la ley de Joule
La
resistencia de los tejidos humanos al paso de una corriente es muy variable;
Los nervios, encargados de transmitir señales eléctricas, los músculos, y los
vasos sanguíneos con su alto contenido en electrolitos y agua son buenos
conductores. Los huesos, los tendones y la grasa tienen una gran resistencia y
tienden a calentarse y coagularse antes que transmitir la corriente.
La
piel es la primera resistencia al paso de la corriente al interior del cuerpo.
Gran parte de la energía es disipada por la piel produciendo quemaduras, pero
evitando lesiones profundas más graves a las esperadas si se aplicara
directamente sobre los tejidos profundos. La piel presenta pues la primera
barrera al paso de corriente, y su resistencia puede variar desde 100 ohmios en
las membranas mucosas, hasta 1000.000 de ohmios /cm2 en unas
palmas callosas. El sudor puede reducir la resistencia de la piel a 2500-3000
ohmios. La inmersión en agua la reduce de 1500 a 1200 ohmios, por lo que
pasaría mayor cantidad de corriente eléctrica a través del cuerpo presentándose
en estos casos parada cardiaca sin que se aprecien quemaduras en la superficie
de la piel, como es el caso de electrocución en la bañera.
Al
bajar la resistencia de la piel, una corriente de bajo voltaje puede
convertirse en una amenaza para la vida.
5.
LEYES DE NEWTON.
Primera ley de Newton o ley de la inercia:
En
esta primera ley, Newton expone que “Todo cuerpo tiende a mantener su estado de
reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar
su estado por fuerzas ejercidas sobre él”.
Segunda ley de Newton o ley de aceleración o ley de
fuerza:
La
segunda ley del movimiento de Newton dice que “Cuando se aplica una fuerza a un
objeto, éste se acelera. Dicha a aceleración es en dirección a la fuerza y es
proporcional a su intensidad y es inversamente proporcional a la masa que se
mueve”.
Tercera Ley de Newton o Ley de acción y reacción:
Enunciada
algunas veces como que "para cada acción existe una reacción igual y
opuesta".
En
términos más explícitos: La tercera ley expone que por cada fuerza que actúa
sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza de igual intensidad y dirección pero
de sentido contrario sobre el cuerpo que la produjo.
6.
RESISTENCIA Y ESTRUCTURA DE LOS MÚSCULOS Y
HUESOS
ESTRUCTURA.
Periostio: membrana que rodea la superficie del hueso no
cubierta por cartílago. Está compuesta por dos capas:
La capa exterior fibrosa
formada por un tejido conjuntivo denso e irregular que contiene los vasos
sanguíneos, vasos linfáticos y nervios que pasan al hueso.
La capa osteogénica
contiene células óseas de varios tipos, fibras elásticas y vasos sanguíneos.
El periostio es esencial
en el crecimiento óseo, en su reparación y en su nutrición. También constituye
el punto de inserción de ligamentos y tendones
Cavidad medular: es un espacio cilíndrico situado en la parte
central en la diáfisis que en los adultos contiene la médula ósea amarilla
Endostio: la cavidad medular está tapizada por el endostio,
una membrana que contiene las células osteoprogenitoras
Como otros tejidos
conjuntivos, el hueso o tejido óseo está constituído por una matriz en la que
se encuentran células dispersas. La matriz está constituída por 25% de agua,
25% de proteínas y 50% de sales minerales. Además, hay cuatro tipos de células:
Celulas osteoprogenitoras: son células no
especializadas derivadas del mesénquima, el tejido del que derivan todos los
tejidos conjuntivos. Se encuentran células osteoprogenitoras en la capa interna
del periostio, en el endostio y en los canales del hueso que contienen los
vasos sanguíneos. A partir de ellas se general los osteoblastos y los
osteocitos
Osteoblastos: son células que forman el tejido óseo pero
que han perdido la capacidad de dividirse por mitosis. Segregan colágeno y
otros materiales utilizados para la construcción del hueso. Se encuentran en
las superficies óseas y a medida que segregan los materiales de la matriz ósea,
esta los va envolviendo, convirtiéndolos en osteocitos
Osteocitos: son células óseas maduras derivadas de los
osteoblastos que constituyen la mayor parte del tejido óseo. Al igual que los
osteoblastos han perdido la capacidad de dividirse. Los osteocitos no segregan
materiales de la matriz ósea y su función es la mantener las actividades
celulares del tejido óseo como el intercambio de nutrientes y productos de
desecho.
Osteoclastos: son células derivadas de monocitos
circulantes que se asientan sobre la superficie del hueso y proceden a la
destrucción de la matriz ósea (resorción ósea)
Las sales minerales más
abundantes son la hydroxiapatita (fosfato tricálcico) y carbonato cálcico. En
menores cantidades hay hidróxido de magnesio y cloruro y sulfato magnésicos.
Estas sales minerales se depositan por cristalización en el entramado formado
por las fibras de colágeno, durante el proceso de calcificación o
mineralización.
El hueso no es totalmente
sólido sino que tiene pequeños espacios entre sus componentes, formando
pequeños canales por donde circulan los vasos sanguíneos encargados del
intercambio de nutrientes. En función del tamaño de estos espacios, el hueso se
clasifica en compacto o esponjoso. (Salud , 2014)
Hueso Compacto (hueso cortical)
Constituye la mayor parte
de la diáfisis de los huesos largos así como de la parte externa de todos los
huesos del cuerpo. El hueso compacto constituye una protección y un soporte.
Tiene una estructura de láminas o anillos concéntricos alrededor de canales
centrales llamados canales de Havers que se extienden longitudinalmente. Los
canales de Havers están conectados con otros canales llamados canales de
Volkmann que perforan el periostio. Ambos canales son utilizados por los vasos
sanguíneos, linfáticos y nervios para extenderse por el hueso. Entre las
láminas concéntricas de matriz mineralizada hay pequeños orificios o lagunas
donde se encuentran los osteocitos. Para que estas células puedan intercambiar
nutrientes con el líquido intersticial, cada laguna dispone de una serie de
canalículos por donde se extienden prolongaciones de los osteocitos. Los
canalículos están conectados entre sí y, eventualmente a los canales de Havers.
7.
CONTRACCIÓN MUSCULAR.
Se refiere al proceso fisiológico
durante el que el músculo, por deslizamiento de las estructuras que lo
componen; se acorta o se relaja. Su funcionamiento está estrechamente
relacionado con la estructura de la fibra muscular y la transmisión del
potencial eléctrico a través de las vías nerviosas. El modelo que describe la
contracción muscular se conoce como mecanismo de deslizamiento de filamentos.
Estructura de la sarcómera
La
superposición de los filamentos gruesos y delgados conforma diversas zonas y
bandas, dando origen a las estrías que se observan en la fibra muscular. La
porción más oscura de la sarcómera es la banda A, conformada por filamentos
gruesos. La banda I es un área menos densa y de color más claro que contiene
solo filamentos finos. Un disco Z pasa por el medio de cada banda I. Existe una
angosta zona H que pasa por el centro de cada banda A y que contiene solo
filamentos gruesos. En medio de cada zona H existe una línea M cuyo nombre se
debe a que se encuentra en la parte central de la sarcómera.
Proteínas de los filamentos
Las
miofribrillas se encuentran formadas por tres tipos de proteínas que pueden ser
clasificadas de la siguiente manera:
Contráctiles,
que generan la fuerza necesaria durante las contracciones: miosina y actina.
Reguladoras,
que activan y desactivan el proceso de contracción: troponina y tropomiosina.
Estructurales,
que alínean los filamentos y los conectan con el sarcolema: titina, miomesina,
nebulina y distrofina.
Mecanismo de deslizamiento de filamentos
La
contracción muscular ocurre porque las cabezas de la miosina se insertan en los
filamentos delgados de ambos extremos de la sarcómera y caminan sobre ellos,
tirando progresivamente de los filamentos delgados hacia la línea M. Como
resultado de ello los filamentos delgados se deslizan hacia dentro hasta
juntarse en el centro de la sarcómera. Al ocurrir este deslizamiento los discos
Z se acercan y la sarcómera se acorta. Sin embargo la longitud de los
filamentos delgados individuales permanece sin cambio. El acortamiento de la
sarcómera produce el acortamiento de la fibra muscular y en última instancia,
el del músculo en su totalidad.
Acoplamiento excitación-contracción
El
impulso nervioso generado en la neurona se transmite a lo largo del axón hasta
llegar al bulbo terminal de este, donde abre compuertas de voltaje que permiten
la entrada de calcio. El impulso presiona las vesículas de acetilcolina que
existen en el interior del bulbo contra la membrana presináptica y,
conjuntamente con el calcio que había entrado, provocan la expulsión por
exocitosis del contenido de las vesículas a la hendidura sináptica. La
acetilcolina liberada se une a sus receptores en la membrana postsináptica; los
que son compuertas de ligando que se abren y permiten el paso de iones sodio
que anteriormente se encontraban en la hendidura sináptica.
Ciclo de contracción
La
secuencia de fenómenos que da lugar al deslizamiento de los filamentos o sea el
ciclo de contracción consta de cuatro etapas:
Hidrólisis
de ATP: La cabeza de miosina contiene una bolsa de unión con el ATP y una
ATPasa (enzima que hidroliza el ATP en ADP y un grupo fosfato). Esta hidrólisis
le confiere energía a la cabeza de la miosina. Formación de puentes cruzados:
La cabeza de la miosina provista de energía se enlaza a los sitios de unión en
la actina, posteriormente libera el grupo fosfato.
Fase
de deslizamiento: Se abre la bolsa de la cabeza de la miosina y deja escapar el
ADP durante este proceso la cabeza gira lo que genera fuerza hacia el centro de
la sarcómera, con la que se desliza el filamento delgado sobre el grueso hacia
la línea M.
Desacoplamiento:
Al concluir la fase anterior, la cabeza de la miosina permanece unida a la
actina hasta que se una a ella otra molécula de ATP, provocando que esta se
separe y el proceso comience otra vez.
Aspectos fisiológicos
Contracciones isotónicas e isométricas
Las
contracciones pueden ser clasificadas en isotónicas e isométricas. Se dice que
son isotónicas ("misma tensión") cuando la tensión del músculo
permanece casi constante mientras este se contrae. Estas contracciones se usan
para los movimientos corporales y para mover objetos, y pueden ser de dos
tipos: concéntricas y excéntricas. Cuando es concéntrica el músculo se acorta y
tira de otra estructura para producir movimiento y reducir el ángulo en una
articulación, como cuando se toma un libro del escritorio; mientras que en las
excéntricas aumenta la longitud del músculo, como cuando se coloca el libro
sobre la mesa. Durante las contracciones isométricas ("misma
longitud") se genera energía considerable sin el acortamiento de músculo,
como cuando sostenemos inmóvil un libro con el brazo extendido.
Fatiga muscular
Puede
ser definida como la incapacidad de los músculos para contraerse con fuerza
después de una actividad prolongada y existen dos tipos fundamentales de fatiga
muscular: la fatiga de transmisión que ocurre cuando se agota el
neurotransmisor tras estimulaciones mantenidas del músculo a través del nervio,
y de contracción que ocurre cuando se agotan las reservas de energía en la fibra
muscular.
Alteraciones de la contracción muscular
Atrofia muscular:
Disminución del tamaño de las fibras musculares como consecuencia de la pérdida
progresiva de miofibrillas, ocurre cuando no se ejercitan los músculos o cuando
se daña o corta la fibra nerviosa que inerva el músculo.
Hipertrofia muscular: consiste en el aumento del diámetro de las fibras
musculares por la producción de más miofibrillas, mitocondrias y retículo
sarcoplasmático.
Rigor mortis : Después
de la muerte aumenta la permeabilidad de la membrana por lo que los iones
calcio salen del retículo sarcoplasmático y permiten que las cabezas de miosina
se unan a la actina. Sin embargo se ha detenido la síntesis de ATP se ha
interrumpido por lo que los puentes cruzados no pueden destruirse y como
consecuencia los músculos se tornan rígidos. Este proceso se inicia tres o
cuatro horas después del fallecimiento del individuo y se extiende durante casi
veinticuatro horas.
Miastenia grave:
enfermedad autoinmunitaria que provoca daño crónico y progresivo a la unión
neuromuscular. El sistema inmunitario produce anticuerpos que destruyen los
receptores de la acetilcolina, causando una disminución de la transmisión del
impulso y una consecuente disminución de la contracción muscular.
8.
CARACTERÍSTICAS, ESTRUCTURA Y FUNCIONES DE LAS
ARTICULACIONES.
Las articulaciones son el
punto de contacto entre 2 o más huesos, entre un hueso y un cartílago o entre
un tejido óseo y los dientes. Su función es la de facilitar los movimientos
mecánicos del cuerpo.
Partes de una
articulación
§ Cápsula
y membrana sinovial. Es
una estructura cartilaginosa que envuelve la membrana sinovial. Esta membrana posee un líquido
pegajoso y sin pigmentación que protege y lubrica a la articulación. A este
líquido se lo conoce comomembrana sinovial.
§ Ligamentos; son tejidos de tipo conectivo,
elásticos, y firmes, y cuya función es rodear la articulación, protegerla y
limitar sus movimientos.
§ Tendones. Al igual que los ligamentos, son un
tipo de tejido conectivo. Se ubican a los lados de la articulación y se
unen a los músculos con el fin de controlar los movimientos.
§ Bursas. Son esferas llenas de líquido que
tienen como función amortiguar la fricción en una articulación. Se encuentran
en los huesos y en los ligamentos.
§ Menisco. Se halla en la rodilla y en algunas otras
articulaciones. Posee forma de medialuna.
Las articulaciones reciben del torrente sanguíneo la irrigación mediante
las arterias articulares. Dentro de las articulaciones se hallan nervios articulares que derivan de los nervios cutáneos. Estos tienen como función
principal la de informar sobre la posición del cuerpo o sus sensaciones.
Por este motivo, tanto las cápsulas fibrosas como los ligamentos, poseen una
gran cantidad de fibras muy sensibles al dolor.
Para poder estudiar las articulaciones, se dividen según su
funcionalidad o su movilidad:
ü Articulaciones
móviles (diartrosis). Son
las articulaciones más numerosas y con mayor movilidad en el organismo. También
se las conoce como sinoviales. Según su tipo de movimiento se dividen en:
§ Troclear. Son similares a una bisagra y permiten
realizar movimientos de flexión y extensión. Por ejemplo, la articulación del
codo y los dedos.
§ Artrodias. Deslizantes o planas, permiten
movimientos de desplazamientos. Su superficie es aplanada.
§ Pivote. Sólo permiten una rotación lateral y
medial. Por ejemplo, articulaciones del cuello.
§ Esféricas. Tienen libertad de movimiento y su
forma es redondeada. Por ejemplo las articulaciones de la cadera.
§ Encaje
recíproco o “silla de montar”. Deben su nombre a que su estructura se asemeja a una silla para
montar. Por ejemplo, la articulación carpo-metacarpiana del pulgar.
§ Elipsoidales. Se presentan uniendo 2 huesos
irregularmente, es decir, cuando uno de los huesos es cóncavo y otro convexo.
ü Articulaciones
con movilidad limitada (anfiartrosis). Son cartilaginosas y poseen cierta de movilidad. Se
dividen en:
§ Anfiartrosis verdaderas.
§ Diartroanfiartrosis.
ü Articulaciones
sin movilidad (sinartrosis). Son de tipo fibrosas y carecen de movilidad. Se clasifican en:
§ Sincondrosis.
§ Sinostosis.
§ Sinfibrosis.
Análisis Cinemático de la Marcha Humana en el Plano Sagital
Se pretende que el prototipo de prótesis de pierna
humana sea capaz de recrear todos los
movimientos generados en la marcha humana normal. Para esto es necesario
conocer a fondo qué es lo que pasa con cada uno de los segmentos de la pierna
al caminar.
En su libro Biomecánica
de la marcha humana normal y patológica, el Dr. Pedro Vera Luna presenta un
análisis cinemático muy completo de la marcha humana normal. “El análisis
cinemático describe los movimientos del cuerpo en conjunto y los movimientos
relativos de las partes del cuerpo durante las diferentes fases de la marcha.”.
FIGURA
3.3- Plano sagital del
cuerpo humano. [4]
El
análisis está dividido en tres intervalos, en los cuales se describe como
actúan el tobillo, rodilla y cadera en el plano sagital (figura 3.3) para cada
una de las fases.
9.
FLUIDOS: LIQUIDO Y GASEOSO
Se denomina fluido a un tipo de medio continuo formado por alguna sustancia entre
cuyas moléculas sólo hay una fuerza de atracción débil. La propiedad
definitoria es que los fluidos pueden cambiar de forma sin que aparezcan en su
seno fuerzas restitutivas tendentes a recuperar la forma "original"
(lo cual constituye la principal diferencia con un sólido deformable, donde sí hay fuerzas restitutivas).
Un fluido es un conjunto de partículas
que se mantienen unidas entre si por fuerzas cohesivas débiles y las paredes de
un recipiente; el término engloba a los líquidos y
los gases. En el cambio de forma de un fluido la posición que toman sus
moléculas varía, ante una fuerza aplicada sobre ellos, pues justamente fluyen.
Los líquidos toman la forma del recipiente que los aloja, manteniendo su propio
volumen, mientras que los gases carecen tanto de volumen como de forma propias.
Las moléculas no cohesionadas se deslizan en los líquidos, y se mueven con
libertad en los gases. Los fluidos están conformados por los líquidos y los
gases, siendo los segundos mucho menos viscosos (casi fluidos ideales).
·
Movimiento
no acotado de las moléculas.
Son infinitamente deformables, los desplazamientos que un punto material o molécula puede alcanzar en el seno del fluido no están
determinados (esto contrasta con los sólidos deformables, donde los
desplazamientos están mucho más limitados). Esto se debe a que sus moléculas no
tienen una posición de equilibrio, como sucede en los sólidos donde la mayoría
de moléculas ejecutan pequeños movimientos alrededor de sus posiciones de
equilibrio.
·
Compresibilidad. Todos los fluidos son compresibles en cierto grado. No obstante, los líquidos
son altamente incompresibles a diferencia de los gases que son altamente
compresibles. Sin embargo, la compresibilidad no diferencia a los fluidos de
los sólidos, ya que la compresibilidad de los sólidos es similar a la de los
líquidos.
·
Viscosidad, aunque la viscosidad en los gases es mucho
menor que en los líquidos. La viscosidad hace que la velocidad de deformación
puede aumentar las tensiones en el seno del medio continuo. Esta propiedad
acerca a los fluidos viscosos a los sólidos viscoelásticos.
·
Distancia
Molecular Grande: Esta es
una de las características de los fluidos en la cual sus moléculas se
encuentran separadas a una gran distancia en comparación con los sólidos y esto
le permite cambiar muy fácilmente su velocidad debido a fuerzas externas y
facilita su compresión.
·
Fuerzas
de Van der Waals: Esta
fuerza fue descubierta por el físico holandés Johannes Van der Waals, el físico
encontró la importancia de considerar el volumen de las moléculas y las fuerzas
intermoleculares y en la distribución de cargas positivas y negativas en las
moléculas estableciendo la relación entre presión, volumen, y temperatura de
los fluidos.
·
Ausencia
de memoria de forma, es
decir, toman la forma del recipiente que lo contenga, sin que existan fuerzas
de recuperación elástica como en los sólidos. Debido a su separación molecular
los fluidos no poseen una forma definida por tanto no se puede calcular su
volumen o densidad a simple vista, para esto se introduce el fluido en un
recipiente en el cual toma su forma y así podemos calcular su volumen y
densidad, esto facilita su estudio. Esta última propiedad es la que diferencia
más claramente a fluidos (líquidos y gases) de sólidos
deformables.
Para el estudio de los fluidos es
indispensable referirnos a la mecánica de fluidos que es la ciencia que estudia
los movimientos de los fluidos y una rama de la mecánica de medios continuos.
Líquidos
Ya
hemos visto qué tienen en común los estados fluidos de la materia: la carencia
de forma propia. En todos ellos, las partículas que forman el medio no se encuentran
en posiciones fijas, como sucedería en un sólido, sino que pueden deslizarse y
moverse unas respecto a otras. En términos de nuestras canicas y barras, aquí
no hay barras, sino canicas que no tienen posiciones fijas.
Ahora
bien, ¿en qué se diferencian los tres estados fluidos? Tener clara esta
diferencia hará mucho más fácil atacar problemas teóricos más adelante; por
eso, aunque sea algo razonablemente sencillo, quiero dejarlo bien asentado
antes de seguir con el bloque. No hace falta que diga que un fluido real no se
adecúa perfectamente a las características de ninguno de los tres estados
ideales que son, precisamente, “moldes teóricos” de comportamiento.
Gases
Un
gas supone un paso más hacia el caos: ahora ni siquiera la distancia entre
partículas es constante. En términos de nuestras canicas es algo así como tener
las bolas moviéndose a gran velocidad, al azar, rebotando en las paredes de una
habitación. Por lo tanto, un gas es un fluido compresible: es posible forzar
las partículas a acercarse unas a otras o alejarse unas de otras.
La
primera consecuencia de esto es que la densidad de un gas puede variar con gran
facilidad, a diferencia de sólidos y líquidos. Un ejemplo muy fácil es un
globo: si aprietas las paredes, el gas dentro se comprime. Por eso es más
difícil hablar de la densidad de un gas en general – siempre hace falta
especificar a qué presión y a qué temperatura. Para ahorrar palabras, es común
hablar de la densidad de un gas en condiciones normales, con lo que nos
referimos a la presión atmosférica normal y una temperatura de 0 °C.
10.
MECÁNICA DE LOS FLUIDOS
Es la parte de la física que se ocupa de la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, la ingeniería química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía.
La
mecánica de fluidos puede subdividirse en dos campos principales: la estática
de fluidos, o hidrostática, que se ocupa de los fluidos en reposo, y la
dinámica de fluidos, que trata de los fluidos en movimiento. El término de
hidrodinámica se aplica al flujo de líquidos o al flujo de los gases a baja
velocidad, en el que puede considerarse que el gas es esencialmente
incompresible. La aerodinámica, o dinámica de gases, se ocupa del
comportamiento de los gases cuando los cambios de velocidad y presión son lo
suficientemente grandes para que sea necesario incluir los efectos de la
compresibilidad.
Entre
las aplicaciones de la mecánica de fluidos están la propulsión a chorro, las
turbinas, los compresores y las bombas. La hidráulica estudia la utilización en
ingeniería de la presión del agua o del aceite.
Propiedades de los fluidos
Los fluidos tienen una dinámica compleja. Son un medio continuo que se encuentra en todo lo que nos rodea, por lo que el conocimiento de su comportamiento en reposo y en movimiento es extraordinariamente importante en todos los ámbitos que nos afectan. Es fundamental caracterizar bien la naturaleza de cada fluido para comenzar un estudio del mismo, bien sea éste un análisis experimental o computacional. En el presente objeto de aprendizaje se introducen las propiedades principales de los fluidos que definen esta caracterización, las magnitudes y unidades que las representan; así como la clasificación de los mismos atendiendo a estas propiedades definitivas.
Viscosidad.
La viscosidad es una propiedad distintiva de los fluidos. Esta ligada
a la resistencia que opone un fluido a deformarse
continuamente cuando se le somete a un esfuerzo de corte. Esta propiedad es
utilizada para distinguir el comportamiento entre fluidos y sólidos. Además los
fluidos pueden ser en general clasificados de acuerdo a la relación que exista
entre el esfuerzo de corte aplicado y la velocidad de deformación.
Compresibilidad.
La compresibilidad representa la
relación entre los cambios de volumen y los cambios de presión a que esta
sometido un fluido. Las variaciones de volumen pueden relacionarse directamente
con variaciones de la masa específica si la cantidad de masa permanece
constante. En general se sabe que en los fluidos la masa especifica depende
tanto de la presión como de la temperatura de acuerdo a al ecuación de estado.
Presión de vapor.
Los fluidos en fase liquida o gaseosa
dependiendo de las condiciones en que se encuentren. Las sustancias puras
pueden pasar por las cuatro fases, desde sólido a plasma, según las condiciones
de presión y temperatura a que estén sometidas. Se acostumbra designar líquidos
a aquellos materias que bajo las condicione normales de presión y temperatura
en que se encuentran en la naturaleza están en esa fase.
Tensión superficial.
Se ha observado que entre la interfase
de dos fluidos que no se mezclan se comportan como si fuera una membrana tensa.
La tensión superficial es la fuerza que se requiere para mantener en equilibrio una longitud unitaria de esta
película. El valor de ella dependerá de los fluidos en
contacto y de la temperatura. Los efectos de la superficial solo apreciables en
fenómenos de pequeñas dimensiones, como es el caso de tubos capilares,
burbujas, gotas y situaciones similares. (Jiménez,
P. A. L. (2012). Propiedades de los fluidos., s.f.)
11. ESTÁTICA DE LOS FLUIDOS O HIDROSTÁTICA.
La estática de fluidos estudia el equilibrio de gases y líquidos. A partir de los conceptos
de densidad y de presión se obtiene la ecuación fundamental de
lahidrostática, de la cual el principio de Pascal y el de Arquímedes pueden considerarse consecuencias. El
hecho de que los gases, a diferencia de los líquidos, puedan comprimirse hace
que el estudio de ambos tipos de fluidos tengan algunas características
diferentes. En la atmósfera se dan los fenómenos de presión y de empuje que
pueden ser estudiados de acuerdo con los principios de la estática de gases.
Se entiende por fluido un estado de la materia en el que la forma de los cuerpos no
es constante, sino que se adapta a la del recipiente que los contiene. La
materia fluida puede ser trasvasada de un recipiente a otro, es decir, tiene la
capacidad de fluir. Los líquidos y los gases corresponden a dos tipos
diferentes de fluidos. Los primeros tienen un volumen constante que no puede mortificarse
apreciablemente por compresión. Se dice por ello que son fluidos
incompresibles. Los segundos no tienen un volumen propio, sino que ocupan el
del recipiente que los contiene; son fluidos compresibles porque, a diferencia
de los líquidos, sí pueden ser comprimidos.
El estudio de los fluidos en
equilibrio constituye el objeto de la estática de fluidos, una parte de la física que comprende la hidrostática o
estudio de los líquidos en equilibrio, y la aerostática o estudio de los gases
en equilibrio y en particular del aire.
HIDROSTÁTICA.
La hidrostática es la rama
de la mecánica de fluidos que estudia los fluidos en estado de reposo; es decir, sin que existan fuerzas
que alteren su movimiento o posición.
Reciben
el nombre de fluidos aquellos cuerpos que tienen la propiedad de adaptarse a la
forma del recipiente que los contiene. A esta propiedad se le da el nombre de fluidez .
Son
fluidos tanto los líquidos como los gases, y su forma puede cambiar fácilmente
por escurrimiento debido a la acción de fuerzas pequeñas.
Presión hidrostática.
Es el estudio de los líquidos en equilibrio y
las presiones que ellos ejercen
Un líquido es un fluido. Un líquido tiene masa. Por lo
tanto, tiene peso. Este peso dependerá de la
densidad del líquido. Los líquidos, al tener peso,
también ejercen una presión. A esta presión se le llama presión
hidrostática.
¿Cómo actúa la presión
hidrostática?
•
La presión actúa sobre todas las caras de un objeto
sumergido o sobre las caras de las paredes del recipiente que la contiene.
•
Esta fuerza actúa en forma perpendicular sobre cada
una de las caras.
La presión ejercida por un líquido no depende de la
forma, ni del volumen, ni de la forma del fondo del recipiente que lo contiene.
La presión hidrostática depende de:
•
La densidad del líquido.
•
La aceleración de gravedad.
•
La profundidad.
Es decir, la presión en un punto dado dependerá de la
profundidad en que se encuentre, de la densidad del líquido y de la aceleración
de gravedad del lugar en donde nos encontramos.
La
presión hidrostática, es la que se manifiesta en el interior de toda masa
líquida, provocada por el peso de la columna de líquido que debe soportar un
cuerpo sumergido.
Propiedades de la presión
hidrostática
Son
dos propiedades que la definen a la Presión Hidrostática:
1.- Relativa a su dirección:
En una masa líquida en equilibrio, la presión hidrostática en cualquiera de los
puntos debe ser normal (perpendicular) al elemento plano sobre el que actúa. Si
no fuese así, existiría una componente tangencial que rompería el equilibrio.
2.- Relativa a su
intensidad: En un punto de una masa líquida existe la
misma presión hidrostática en todas las direcciones, es decir, la presión es
independiente de la inclinación de la superficie sobre la que actúa.
Las Fuerzas que actúan en
la Presión Hidrostática son:
Fuerzas
másicas: es decir, las fuerzas exteriores que actúan sobre la masa del elemento
líquido. Se deben a la gravedad, dependen del peso del elemento considerado y
por lo tanto son proporcionales al volumen.
El
Empuje: debido a las presiones ejercidas por el resto del líquido.
Diferencia de presión entre
dos puntos.
Aplicando
el resultado obtenido antes, podemos enunciar que: “La diferencia de presión
entre dos puntos de una masa líquida es igual al peso específico del líquido
multiplicado por la diferencia entre las profundidades de dichos puntos”.
Presión hidrostática a nivel capilar:
También conocida como PHc,: La presión hidrostática
se debe al bombeo del corazón, que empuja la sangre a través de los vasos, y
por eso ésta intenta escapar a través de los capilares. la presión hidrostática
capilar disminuye a medida que la sangre transcurre por el capilar y se pierde
energía debido al rozamiento. Los valores promedio de la presión hidrostática
capilar son de 32 mm Hg en el extremo capilar y 15 mm Hg en su extremo venoso.
La presión hidrostática del líquido intersticial es muy baja por lo que se
puede considera nula. Esto significa que el movimiento de agua debido a la
presión hidrostática siempre se dirige hacia afuera del capilar, como lo
reflejan las flechas verticales de color azul, y el gradiente de presión disminuye
desde el extremo arterial hacia el venoso.
Dinámica
capilar pulmonar
Las
fuerzas que determinan el movimiento de líquido en el capilar pulmonar, son
diferentes a la de los capilares periféricos. La mayor diferencia radica, en
que la presión hidrostática del capilar
pulmonar que trata de hacer salir líquido es de apenas 7mmHg, en cambio la
presión coloidosmótica de las proteínas plasmáticas en la
sangre capilar es de 28mmHg, de modo que la presión osmótica supera siempre a
la presión hidrostática de la sangre.
Aunque intervienen otras presiones más
complejas de entender, se considera que el valor neto diferencial es a favor de
la reabsorción de líquido del espacio intersticial al capilar pulmonar.
Son
4 fuerzas que intervienen en el capilar periférico:
1.
Presión hidrostática de la sangre: actúa de adentro hacia afuera, tratando de forzar
la salida de líquido hacia el espacio pericapilar o intersticial. Su valor no
es constante en toda la longitud del capilar, pues, en su extremo proximal o
arterial es de alrededor de 30 mmHg, en cambio en el extremo distal o venoso,
se calcula en 10 mmHg. La salida del líquido durante la longitud del capilar es
la que produce la caída de la presión hidrostática.
2.
Presión coloide osmótica de las proteínas plasmáticas. Se calcula que las proteínas
plasmáticas ejercen una presión osmótica de 4 mmHg por cada gramo. Si la
concentración normal es de 7 g x 100 ml de plasma, el total será de 28 mmHg,
esta fuerza trata de retener líquido dentro del capilar oponiéndose a la
presión hidrostática de la sangre.
3.
Presión de contacto del líquido intersticial. Se calcula en 6 mmHg, es la fuerza que ejerce
el líquido intersticial sobre la superficie exterior de la pared del capilar.
Se opone a la presión hidrostática.
4.
Presión osmótica de las proteínas del líquido intersticial. Contiene una pequeña cantidad de
proteínas, especialmente albuminas que se ha calculado en 1.5 g x 100 ml, lo
que da lugar a una presión de 6 mmHg. Esta fuerza trata de retener líquido en
el intersticio y se opone a la presión osmótica de la sangre capilar.
12.
PRINCIPIO DE PASCAL
El
principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y
matemático francés Blaise Pascal (1623-1662) que se resume:
Es
decir, que si se aplica presión a un líquido no comprimible en un recipiente
cerrado, ésta se transmite con igual intensidad en todas direcciones y
sentidos.
¿Qué es el principio?
Se puede
poner como ejemplo un recipiente de aluminio, hierro, plástico, etc., que se le
realizan unos agujeros y luego se llena con algún liquido, que mas tarde es
presionada por un embolo, lo que traerá como consecuencia el escape del agua
por los diferentes agujeros a la misma presión.
¿Cómo se puede aplicar el principio de
pascal?
Se cree
que el principio de pascal es una consecuencia de la ecuación fundamental de la
hidrostática y de la complejidad de los
líquidos. Y se puede representar en la siguiente ecuación.
P=Po + D.G.H
P, presión total a la profundidad
de la altura H
Po, presión sobre la superficie libre del
fluido.
D, densidad.
G, gravedad
El
principio de pascal se ve más reflejado en la prensa hidráulica ya que permite
levantar pesos por medio de la amplificación de la intensidad de la fuerza. De
esta forma este método es muy aplicado
en la industria moderna.
¿En
qué consiste la aplicación de la prensa hidráulica como principio de pascal?
La prensa
hidráulica es un dispositivo que puede servir para explicar mucho mejor el
significado y sus diferentes funciones del principio de pascal.
La prensa
hidráulica consiste en dos cilindros de diferente sección comunicados entre sí,
y el interior del recipiente está lleno de un líquido. Dos émbolos (los encargados de hacer la presión)
de diferentes secciones de cada cilindro
se ajustan respectivamente, pero estos materiales deben estar en
contacto con el liquido. Cuando uno de los émbolos realice una fuerza, la
presión se dispersara por todo el líquido. Teniendo en cuenta lo anterior, por
el principio de pascal esta presión será igual a la presión que se le hace al
liquido sobre el embolo de mayor capacidad.
13.
PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES
El
principio de Arquímedes afirma que un cuerpo total o parcialmente sumergido en
un fluido en reposo, será empujado con una fuerza vertical ascendente igual al
peso del volumen de fluido desplazado por dicho cuerpo. Esta fuerza recibe el
nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en newtons (en el
SI).
Los cuerpos sólidos sumergidos en un
líquido experimentan un empuje hacia arriba. Este fenómeno, que es el
fundamento de la flotación de los barcos, era conocido desde la más remota
antigüedad, pero fue el griego Arquímedes (287-212 a. de C.) quien indicó cuál
es la magnitud de dicho empuje. De acuerdo con el principio que lleva su
nombre, todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido experimenta un
empuje vertical y hacia arriba igual al peso del volumen de líquido desalojado.
Aun cuando para llegar a esta
conclusión Arquímedes se apoyó en la medida y experimentación, su famoso
principio puede ser obtenido como una consecuencia de la ecuación fundamental
de la hidrostática. Considérese un cuerpo en forma de paralelepípedo, las
longitudes de cuyas aristas valen a, b y c metros, siendo c la correspondiente
a la arista vertical. Dado que las fuerzas laterales se compensan mutuamente,
sólo se considerarán las fuerzas sobre las caras horizontales.
La fuerza F1 sobre la cara
superior estará dirigida hacia abajo y de acuerdo con la ecuación fundamental
de la hidrostática su magnitud se podrá escribir como: siendo S1 la superficie
de la cara superior y h1 su altura respecto de la superficie libre del líquido.
La fuerza F2 sobre la cara
inferior estará dirigida hacia arriba y, como en el caso anterior, su magnitud
vendrá dada por
La resultante de ambas representará la
fuerza de empuje hidrostático E.
Equilibrio de los cuerpos sumergidos
De acuerdo con el principio de
Arquímedes, para que un cuerpo sumergido en un líquido esté en equilibrio, la
fuerza de empuje E y el peso P han de ser iguales en magnitudes
y, además, han de aplicarse en el mismo punto. En tal caso la fuerza resultante
R es cero y también lo es el momento M, con lo cual se dan las
dos condiciones de equilibrio. La condición E = P equivale de
hecho a que las densidades del cuerpo y del líquido sean iguales. En tal caso
el equilibrio del cuerpo sumergido es indiferente.
Si el cuerpo no es homogéneo, el centro
de gravedad no coincide con el centro geométrico, que es el punto en donde
puede considerarse aplicada la fuerza de empuje. Ello significa que las fuerzas
E y P forman un par que hará girar el cuerpo hasta que ambas
estén alineadas.
Equilibrio de los cuerpos flotantes
Si un cuerpo sumergido sale a flote es
porque el empuje predomina sobre el peso (E>P). En el
equilibrio ambas fuerzas aplicadas sobre puntos diferentes estarán alineadas;
tal es el caso de las embarcaciones en aguas tranquilas, por ejemplo. Si por
efecto de una fuerza lateral, como la producida por un golpe de mar, el eje
vertical del navío se inclinara hacia un lado, aparecerá un par de fuerzas que
harán oscilar el barco de un lado a otro. Cuanto mayor sea el momento M
del par, mayor será la estabilidad del navío, es decir, la capacidad para
recuperar la verticalidad. Ello se consigue diseñando convenientemente el casco
y repartiendo la carga de modo que rebaje la posición del centro de gravedad,
con lo que se consigue aumentar el brazo del par.
El principio de Arquímedes tiene múltiples
aplicaciones:
◦ Funcionamiento de un globo aerostático o el submarino.
◦ Funcionamiento de los densímetros, que no es más que un tubo de vidrio
con un peso en el fondo y una escala graduada de forma que al introducirlo en
un fluido se hunde hasta una profundidad dada desalojando cierto volumen de
fluido de forma que como en esta situación m = m′ permite midiendo
el volumen desalojado calcular la densidad del fluido.
◦ Uso en medicina en la técnica de hidroterapia para mover por ejemplo
miembros de enfermos impedidos; cuando se sumerge en agua la densidad media del
cuerpo humano es un poco mayor que la del agua de forma que el cuerpo se vuelve
casi ingrávido y permite hacer ejercicios terapéuticos.
◦ También se utiliza para medir los índices de grasa corporal mediante el
método de Behnke.
14.
LA HEMODINÁMICA Y LOS FLUIDOS HUMANOS.
Hemodinámica
La hemodinámica es aquella
parte de la cardiología que se encarga del estudio anatómico y funcional del
corazón mediante la introducción de catéteres finos a través de las arterias y
venas de la ingle o del brazo. Esta técnica conocida como cateterismo cardíaco
permite conocer con exactitud el estado de las arterias del corazón, las
presiones dentro de cada cámara cardiaca, el funcionamiento del músculo
cardiaco (ventrículos), la presencia de anomalías congénitas y el
funcionamiento de las válvulas cardiacas.
¿Cuáles son los mecanismos
que regulan la intensidad del flujo sanguíneo hacia los tejidos? El contestar acertadamente, estas y otras preguntas, es
responsabilidad de la Hemodinámica,
disciplina que estudia los principios físicos que rigen el movimiento de la
sangre, dentro de nuestro organismo. A continuación se podrá observar la
ecuación general de la hemodinámica:
Flujo sanguíneo (Q) = Gradiente de presión entre la red arterial y la venosa (Pa-Pv) / Resistencia al flujo de sangre (R)
Resumida la ecuación general de la hemodinámica sería: Q = Pa-Pv / R
Flujo sanguíneo (Q) = Gradiente de presión entre la red arterial y la venosa (Pa-Pv) / Resistencia al flujo de sangre (R)
Resumida la ecuación general de la hemodinámica sería: Q = Pa-Pv / R
La ecuación nos indica que
el flujo sanguíneo es directamente proporcional a la presión e inversamente
proporcional a la resistencia. La presión es la fuerza propulsora de la sangre,
mientras que la resistencia es la fuerza que "frena" el
paso de la sangre. La presión es responsabilidad del corazón; cuando éste
bombea la sangre, lo hace con una fuerza suficiente que le permite enviar la
sangre hacia adelante. El valor de la presión es máximo, cuando el corazón se
contra en sístole. Si se trata del corazón izquierdo el valor de la presión
máxima es de 120 mm de Hg. Con esta fuerza sale la sangre por la aorta para ser
distribuida a todas las partes de nuestro organismo, llevando oxígeno y
nutrientes a nuestras células.
La presión máxima del
corazón derecho se presenta en sístole y equivale aproximadamente a 30 mm de
Hg. Por otro lado, la presión al final de todo el recorrido de los vasos, es
cercana a cero. Es precisamente este gradiente
de presión(120 mm de Hg - 0 mm de Hg), el responsable de que la sangre
salga del corazón por la aorta con gran fuerza, recorra todo el circuito de la
circulación mayor y regrese al corazón derecho por las grandes venas cavas. El
corazón derecho envía la sangre por la arteria pulmonar, recorre el circuito
pulmonar y regresa al corazón izquierdo por las venas pulmonares. En este circuito
el gradiente de presión es de 300 mm de Hg - 0 mm de Hg.
Entre más largo sea el vaso, mayor será la superficie de contacto entre la sangre y las paredes de éste y en consecuencia mayor la resistencia al paso de la sangre. La relación es directamente proporcional. Por el contrario, si relacionamos la magnitud del flujo sanguíneo con la longitud del vaso, la relación será inversamente proporcional. A mayor longitud del vaso menor será la magnitud del flujo sanguíneo que circula por éste en unidad de tiempo y viceversa.
Relación entre el diámetro del vaso y el flujo sanguíneo
La relación entre la resistencia al flujo y el diámetro del vaso es inversamente proporcional: a mayor diámetro del vaso menor resistencia al flujo de la sangre y viceversa. En consecuencia, la relación entre la magnitud del flujo sanguíneo y el diámetro del vaso será directamente proporcional: a mayor el diámetro del vaso mayor será la magnitud del flujo sanguíneo en la unidad de tiempo. O al contrario: a menor diámetro del vaso menor será el flujo sanguíneo que circula en la unidad de tiempo.
15.
LEY DE STOKES
Se refiere a la fuerza de
fricción experimentada por objetos esféricos moviéndose en el seno de un fluido
viscoso en un régimen laminar de bajos números de Reynolds. Fue derivada en
1851 por George Gabriel Stokes. En general la ley de Stokes es válida en el
movimiento de partículas esféricas pequeñas moviéndose a velocidades bajas.
Fórmula
Para
los objetos muy pequeños domina la fuerza de rozamiento. La ley de Stokes nos
da dicha fuerza para una esfera: Fr= 6πηvr, donde r es el radio de la esfera.
Cuando una disolución precipita, la velocidad de sedimentación está determinada
por la ley de Stokes y vale:
v=(2r2(ρ0−ρ)g)/9η
Aplicaciones
Conociendo
las densidades de la esfera, el líquido y la velocidad de caída se puede
calcular la viscosidad a partir de la fórmula de la ley de Stokes. Para mejorar
la precisión del experimento se utilizan varias bolas. La técnica es usada en
la industria para verificar la viscosidad de los productos, en caso como la
glicerina La ley de Stokes también es importante para la compresión del
movimiento de microorganismos en un fluido, así como los procesos de
sedimentación debido a la gravedad de pequeñas partículas y organismos en
medios acuáticos.
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