UNIDAD 1
SISTEMAS BIOFÍSICOS MECÁNICOS, BIOFÍSICA DE LOS FLUIDOS
Magnitudes y medidas
La Física es una ciencia fundamentalmente dedicada a la comprensión de los fenómenos naturales que ocurren en nuestro universo. Es una ciencia basada en observaciones experimentales y mediciones cuantitativas. Su objetivo es desarrollar teorías físicas basadas en leyes fundamentales que permitan explicar el comportamiento del mayor número posible de fenómenos con la menor cantidad de leyes y predecir los resultados de los experimentos.
Las leyes de la Física se expresan en términos de magnitudes básicas que requieren una definición clara. En mecánica existen tres magnitudes fundamentales que son longitud (L), masa (M) y tiempo (T). Son fundamentales porque no son deducibles de ninguna otra magnitud y están definidas en términos de comparaciones con un patrón establecido.
Los valores de las magnitudes físicas se expresan en unidades de medidas. En 1960, un comité internacional estableció reglas para determinar el conjunto de patrones para las magnitudes fundamentales: es el Sistema Internacional (SI) de unidades.
Las unidades medidas más utilizadas en la medicina.
Magnitud: Es toda propiedad de los cuerpos que se puede medir. Por ejemplo: temperatura, velocidad, masa, peso, etc.
Medir: Es comparar la magnitud con otra similar, llamada unidad, para averiguar cuántas veces la contiene.
Unidad: Es una cantidad que se adopta como patrón para comparar con ella cantidades de la misma especie. Ejemplo: Cuando decimos que un objeto mide dos metros, estamos indicando que es dos veces mayor que la unidad tomada como patrón, en este caso el metro
Fuerza y Energía
Energía y fuerza son conceptos muy relacionados, aunque son distintos entre sí.
Básicamente, la energía está presente en todos los cuerpos (si el cuerpo está en reposo posee energía potencial y si está en movimiento la energía potencial se ha trasformado en energía cinética).
La fuerza es una acción que solo se puede expresar cuando hay interacción entre dos cuerpos. Fuerza aplicada de un cuerpo al otro transforma la energía potencial en cinética
Energía es la capacidad para realizar un trabajo o para transferir calor; la energía a su vez se presenta como energía calórica, energía mecánica, energía química, energía eléctrica y energía radiante; estos tipos de energía pueden ser además potenciales o cinéticos. La energía potencial es la que posee una sustancia debido a su posición espacial o composición química y la energía cinética es la que posee una sustancia debido a su movimiento.
Fuerza es la interacción entre dos cuerpos, que produce cambios ya sea en la forma o en el estado (reposo o movimiento) de ellos.”
Las leyes que rigen el comportamiento de las fuerzas las enunció Newton y hoy se conocen como Las tres leyes de Newton y conforman los Principios de la Dinámica
Elasticidad y Resistencia de los tejidos Humanos.
Alrededor de 85% de la masa muscular esquelética del ser humano está compuesto por fibras musculares propiamente dichas.
El 15% restante está formado en gran parte por tejido conectivo compuesto en cantidades variables por fibras colágenas, reticulares y elásticas
Fibras colágenas. Son las más abundantes. Están formadas por la proteína colágeno.Brindan rigidez y resistencia al tejido. El colágeno es la proteína más abundante del organismo humano, representando el 30% del total. Se encuentran en la gran mayoría de los tejidos conectivos, sobre todo en el hueso, el cartílago, los tendones y los ligamentos. Son flexibles y resistentes.
Fibras elásticas. Son más pequeñas que las de colágeno, se ramifican y vuelven a reunirse libremente unas con otras. Están constituidas por la proteína (colágeno) y elastina.Al igual que las fibras de colágeno, proporcionan resistencia, pero además pueden estirarse ampliamente, sin romperse. Las fibras elásticas son muy abundantes en la piel, los vasos sanguíneos y los pulmones, se estiran sin romperse hasta el 150% de su longitud.
Fibras colágenas. Son las más abundantes. Están formadas por la proteína colágeno.Brindan rigidez y resistencia al tejido. El colágeno es la proteína más abundante del organismo humano, representando el 30% del total. Se encuentran en la gran mayoría de los tejidos conectivos, sobre todo en el hueso, el cartílago, los tendones y los ligamentos. Son flexibles y resistentes.
Fibras elásticas. Son más pequeñas que las de colágeno, se ramifican y vuelven a reunirse libremente unas con otras. Están constituidas por la proteína (colágeno) y elastina.Al igual que las fibras de colágeno, proporcionan resistencia, pero además pueden estirarse ampliamente, sin romperse. Las fibras elásticas son muy abundantes en la piel, los vasos sanguíneos y los pulmones, se estiran sin romperse hasta el 150% de su longitud.
Por lo tanto, el tejido conectivo constituye una estructura de elementos simples y, en su mayoría, semejantes a muelles, es decir, los componentes elásticos del musculo.
Resistencia y estructura de los músculos y huesos, la Contracción muscular.
Estructura del hueso: El hueso es un tejido duro que constituye la mayor parte del esqueleto y consta de elementos orgánicos (células y matriz) e inorgánicos (minerales). Sus componentes son: cartílago, disco epifisiario, hueso compacto, endostio, medula ósea, abertura, vasos nutrientes.
Resistencia de los huesos.- Los huesos les confiere una enorme resistencia y les permite soportar sin problema todo el peso del resto del cuerpo. La fortaleza de los huesos se debe principalmente a su estructura interna, construida a partir de miles de unidades tubulares compactadas en torno al perímetro del hueso: los sistemas haversianos.
Estructura de los músculos.- Los músculos son los órganos activos del movimiento, son los elementos esenciales del corazón, controlan el diámetro de los vasos sanguíneos y son los responsables de actos como la respiración, parto, micción, defecación y mantenimiento del equilibrio corporal. Tiene como propiedad la excitabilidad, contractibilidad, elasticidad y tonicidad.
Para que los músculos se muevan y sostengan nuestro cuerpo y sus órganos, se deben realizar dos acciones musculares, la contracción y la relajación.
Contracción muscular.- se produce cuando un impulso (señal) proveniente del sistema nervioso central le ordena a las fibras que componen el músculo que se acorten (disminuyan su tamaño). Existen dos tipos de contracciones musculares que trabajan en conjunto y se complementan para realizar sus distintas actividades.
La relajación.- es el momento en que la contracción da fin. La relajación es el resultado del fin del impulso nervioso en la placa neuromuscular.
La Biomecánica de la marcha
La marcha.- La locomoción humana normal se ha descrito como una serie de movimientos alternantes, rítmicos, de las extremidades y del tronco que determinan un desplazamiento hacia delante del centro de gravedad. La marcha Comienza: Cuando el pie contacta con el suelo y termina con el siguiente contacto del mismo pie en el suelo.
Ciclo de la marcha
Componentes del ciclo de la marcha:
- Fase de Postura (apoyo): cuando la pierna está en contacto con el suelo.
- Fase de Balanceo: cuando la pierna no está en contacto con el suelo.
Los Fluidos. Líquido y Gases. Mecánica de los Fluidos. Ley de STOKES. Estática de los fluidos o Hidrostática. Principios de Pascal y Arquímedes.
Un fluido.-es un conjunto de partículas que se mantienen unidas entre sí por fuerzas cohesivas débiles y las paredes de un recipiente; el término engloba a los líquidos y los gases.
Los fluidos, como todos los materiales, tienen propiedades físicas que permiten caracterizar y cuantificar su comportamiento así como distinguirlos de otros.
Los líquidos pueden fluir, ya que sus partículas, al tener libertad y no ocupar posiciones fijas, pueden desplazarse por los huecos que aparecen entre ellas, permitiendo el movimiento de toda la masa líquida.La forma de los líquidos es variable (adoptan la forma que tiene el recipiente) porque, por encima de la temperatura de fusión, las partículas no pueden mantener las posiciones fijas que tienen en estado sólido y se mueven desordenadamente.
La mecánica de fluidos
Es la rama de la mecánica de medios continuos, rama de la física a su vez, que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos) así como las fuerzas que lo provocan. La característica fundamental que define a los fluidos es su incapacidad para resistir esfuerzos cortantes (lo que provoca que carezcan de forma definida).
La 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 tras resolver un caso particular de las ecuaciones de Navier-Stokes.
La ley de Stokes 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. También es usado para determinar el porcentaje de granulometría muy fina de un suelo mediante el ensayo de sedimentación.
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 la hidrostática, 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
El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que: «Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja». Esta fuerza recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en newtons (en el SI). El principio de Arquímedes se formula así:
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 en la frase: la presión ejercida sobre un fluido poco compresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido
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