UNIVERDSIDAD NACIONAL DE LOJA
REA DE LA SALUD HUMANA
FSICA MDICA
Capitulo I
1 Generalidades
1.1. Definicin de biofsica
1.2. Objetivos
1.3. Importancia
1.4. Relacin con otras ciencias
1.5. Contribucin de la biofsica a recientes avances
de la biologa.
BIOFSICA
1.1. DEFINICIN DE BIOFISCA
Ciencia que estudia los fenmenos fsicos que tiene lugar
en los seres vivos.
Estudia la Biologa con los principios y mtodos de la
fsica.
Tiene relacin directa con la biologa es decir con las
ciencias de la vida y la salud; por lo que la biofsica estudia
el estado fsico de la materia viva, las transformaciones
energticas que se producen en el organismo las
condiciones fsicas en las que se ponen en manifiesto los
fenmenos vitales y las acciones de la energa fsica
externa que ejerce sobre el organismo.
1.2. OBJETIVOS
Profundizar en el conocimiento de los
fundamentos fsicos y fsico -qumicos de los
procesos biolgicos.
Dar a conocer los principios bsicos de la fsica
esenciales para comprender las funciones del
organismo humano analizando cada fenmeno
fisiolgico, su comportamiento fsico y leyes
fundamentales que lo rigen.
1.3. Importancia
Se deduce de la intima relacin que existe entre
la fsica y la biologa; la fsica le suministra a la
biologa sus rigurosos mtodos de estudios y el
conocimiento de las leyes que rigen los
fenmenos naturales con los cuales la biologa
interpreta y estudia los fenmenos especficos
de la vida animal y vegetal en base a los
mtodos e instrumentos entregados por fsica
como son: microscopios, cardigrafos,
migrafos, termmetros, manmetros, rayos x,
rayos laser, etc.
1.4. Relacin con otras ciencias
Biomecnica: Tiene por objeto el estudio de
estructuras de carcter mecnico que existen en
los seres vivos, fundamentales del ser humano.
Bioacstica: Estudia la audicin de algunos
animales; se basa en el anlisis de la emisin de
ruidos, su propagacin a travs de distintos
medios y la recepcin por los seres vivos.
Tiene relacin con la Fisiologa, Bioqumica,
Gentica molecular, biologa molecular, etc.
1.5. Contribucin de la biofsica a recientes
avances de la biologa.
Casi todos los problemas biolgicos pueden ser abordados desde la perspectiva biofsica.
La estructura de macromolculas biolgicas. La cristalografa de rayos X y su asociacin con avances en microscopa electrnica y en procesamiento computadorizado de imgenes ha permitido analizar la estructura de macromolculas biolgicas con alta resolucin y desarrollar hiptesis de asociacin estructura-funcin para enzimas, canales inicos, ADN, protenas varias, virus, etc.
Membranas biolgicas, celulares y subcelulares. Constituyen las barreras entre el interior y el exterior de las clulas y limitan compartimientos intracelulares. Las membranas controlan flujos de molculas e iones, eliminacin de deshechos, sntesis de protenas, transmisin de seales, etc. Las propiedades de las membranas han sido estudiadas con una amplia variedad de mtodos fsicos y fisicoqumicos. Desde hace ms de un siglo se han aplicado a estos estudios las leyes fundamentales de la difusin y la smosis.
Bioenergtica. La utilizacin de la energa, radiante solar o qumica, y su transformacin en gradientes inicos que luego son utilizados en procesos que requieren energa, tales como la sntesis de macromolculas y de especies qumicas transportadoras de energa, la transmisin de seales y la acumulacin de informacin.
Neurobiologa. La generacin y transmisin de seales elctricas se conoce mecansticamente por estudios cuantitativos. Se estudian diseos de computadoras basadas en modelos de funcionamiento de redes neuronales.
Fotobiologa. Las interacciones de las radiaciones, visibles o no, con los sistemas biolgicos, y cmo la energa de los fotones es captada por las clulas.
BIBLIOGRAFA
Recursos electrnicos
G. L. Alonso, Biofsica. La ciencia y su enseanza universitaria,
Revista de la Facultad de Odontologa (UBA) Ao 2005 Vol. 20 N 49
http://www.odon.uba.ar/revista/2005vol20num49/docs/FOUBA-2-
2005-ALONSO.pdf
Universidad del Quindo Aplicaciones a la Biologa
http://biofisica.wikispaces.com/Aplicaciones+a+la+Biolog%C3%ADa
Capitulo II
2. Termodinmica
2.1. Definicin
2.2. Primer Principio
2.2.1 Principio de Equivalencia
2.2.2. Significado del primer principio
2.2.3. Energa Interna
2.2.4 Resolucin de problemas
2.3. Aplicaciones del primer principio
2.3.1. Trabajo de expansin y trabajo til
2.3.1.1. Trabajo de expansin
2.3.1.2.Trabajo til
2.3.1.3 Entalpia
2.3.1.4 Entalpia, Trabajo til y calor
2.4. Segundo Principio de la termodinmica
2,4,1 Entropa
2.4.2 Energa libre
Termodinmica
2.1 Definicin.
Rama de la fsica que estudia las relaciones entre el calor
y las dems formas de energa.
La termodinmica parte de dos proposiciones
fundamentales llamadas: Primer principio y segundo principio
2.2 Primer Principio Cuando en un sistema material solo ocurren transformaciones mecnicas tiene valides el principio e conservacin de energa.
Un principio semejante es valido cuando se producen adems transformaciones trmicas.
2.2.1 Principio de Equivalencia A mediados del siglo pasado Joule comprob que al desaparecer cierta cantidad de energa mecnica contenida en un par de pesas suspendidas (energa potencial gravitatoria) aparece una cantidad proporcional de calor la cual se podra medir en un calormetro.
Meller llego a resultados anlogos al estudiar el calentamiento que sufre un gas cuando se lo comprime.
Ambos experimentos permitieron establecer que por cada joule de energa mecnica que aparece se produce 0,24 cal.
Cualquiera que sea el dispositivo experimental se ha comprobado esta equivalencia para transformar calor en energa mecnica.
Por lo tanto
1J = 0,24 cal
Termodinmica
2.2.2. Significado del primer principio Supongamos un sistema material al que hacemos pasar de un estado a A otro B y luego lo llevamos nuevamente al primer estado por un camino diferente
Por ejemplo podra tratarse de un gas que partiendo del volumen VA, la presin PA y la temperatura TA se expande con variacin de presin, volumen y temperatura (PB, VB, TB) realizando una transformacin como esta en que el sistema vuelve al estado inicial se llama Cclica.
Para la transformacin BMA las cantidades sern QM y WM respectivamente, cualquiera que sean los ciclos de recorrido entre dos estados siempre se comprueba que:
QL+QM= WL +WM
Es decir la cantidad total de calor absorbida por un sistema en una transformacin cclica (estado inicial igual al estado final) es igual al trabajo realizado por el mismo.
Esta proposicin constituye el principio de la termodinmica.
Termodinmica
La ecuacin puede escribirse de la siguiente manera
QL + QM (WL+WM) = 0
Y en forma mas general:
Q+W = 0
En la que la Q significa la suma de todas las cantidades de calor
absorbidas (o desprendidas) y W representa la suma de todo el trabajo
realizado por el sistema (o sobre l).
Significado del primer principio
2.2.3. Energa Interna
Supongamos que el sistema puede pasar del estado A al B por diferentes caminos: ALB, AMB, ANB, y regresa en todos los casos al estado inicial por la transformacin BUA
Por lo tanto:
QL + QU -(WL +WU) = O
QM + QU - (WM + WU = 0
QN + QU - (WN + WU) = 0
Esto significa que la diferencia entre el calor absorbido y el trabajo realizado al pasar de un estado a otro es independiente del camino seguido por la transformacin y queda determinado por los estados inicial y final
Esta diferencia se llama variacin de energa interna del sistema y se representa por:
E = Q W
Como la energa interna esta determinada nicamente por los estados inicial y final es una funcin de estado.
Energa Interna
En general, si un sistema absorbe/pierde una cantidad del calor Q y el sistema
realiza un trabajo W (o se realiza un trabajo sobre el sistema ), el principio de
conservacin de la energa permite concluir que su energa interna sufrir una
variacin
E = Q W
Donde:
Cuando cierta cantidad de calor Q es absorbido ( Q Positivo)
Cuando cierta cantidad de calor Q es cedido ( Q Negativo)
Cuando un trabajo W es realizado por es sistema (W Positivo)
Cuando un trabajo W es realizado sobre el sistema (W Negativo)
2.2.4. Resolucin de Problemas Suponga que un sistema pasa de un estado a otro intercambiando energa con su vecindad. Calcule la variacin de energa interna del sistema en los siguientes casos:
a) El sistema absorbe 100 cal y realiza un trabajo de 200 J.
E = Q W
E = 416,67 J 200 J
E = 217 J
Este resultado indica que la energa interna a aumentado 217 J.
b) El sistema absorbe 100 cal y sobre el se realiza un trabajo de 200 J.
E = Q W
E = 416,67 - (-200J)
E = 617 J
Por lo tanto la energa interna sufri un incremento de 617 J ya que el calor proporcionado al sistema como el trabajo realizado sobre el representa cantidades transmitidas al sistema.
c) El sistema libera 100 cal y sobre el se realiza un trabajo de 200 J
E = Q W
E = -417,67 J - (-200J)
E = -217 J
Es decir la energa interna del sistema disminuye en 217 J, esto es debido a que el sistema perdi 417 J en forma de calor y solo recibi 200 J como trabajo efectuado sobre l.
Energa Interna
2.3 Aplicaciones del primer principio
2.3.1 Trabajo de expansin y trabajo til
2.3.1.1Trabajo de expansin
W exp = F * x
W exp = P* S * x
W exp = P * V
Si en lugar de expandirse el gas
disminuye de volumen, el incremento
V de esta ecuacin es negativo y
como consecuencia tambin lo es el
trabajo de expansin.
2.3.1.2Trabajo til
Se llama trabajo util a todo trabajo
realizado por el sistema que no sea
de expansin.
Por lo tanto
W til = W W exp
2.3.1.3 Entalpia La entalpia representa una magnitud termodinmica cuya variacin
expresa la medida de la cantidad de energa que un sistema
intercambia con su entorno.
La entalpia supone la cantidad de energa que se pone en movimiento
o en accin cuando se genera presin ctte sobre un determinado
elemento u objeto material.
H = E + P* V
H = E + (P * V)
A presin Ctte:
H = E + P* V
Remplazando E = Q W
H = Q- W + P* V
2.3.1.4 Entalpia, Trabajo til y calor
W til = W W exp
W exp = P * V
Entonces:
W til = W P * V
Por lo tanto:
W= W til +P * V
De donde:
H = Q- W + P* V
H = Q- (Wtil + P* V) + P* V
H = Q- W til
Si el sistema no realiza un trabajo til
W til = 0
Entonces:
H = Q
Es decir si en una transformacin a presin constante el sistema no realiza
trabajo til la variacin de entalpia es igual al calor absorbido por el sistema.
2.4. Segundo Principio de la termodinmica El calor absorbido de un cuerpo caliente no se puede transformar en
trabajo, mediante un proceso cclico sin ceder una cantidad menor de
calor a un cuerpo frio.
Es decir:
Si por algn procedimiento cclico logramos extraer de un cuerpo la
cantidad de calor Q1 esto no se puede transformar ntegramente en
Trabajo
Es necesario ceder primero una parte Q2 a otro cuerpo mas frio y es la
diferencia
Q = Q1 Q2
La que se transforma en Trabajo.
2.4.1 Entropa La Entropa es la medida del estado del desorden o agitacin de las
molculas de un cuerpo.
Si un cuerpo absorbe el calor Q mantenindose a la temperatura T se dice
que experimenta un aumento de entropa.
S = Q / T
De modo que la variacin de entropa de un cuerpo se mide por la relacin
entre el calor absorbido (o desprendido) y la temperatura a la cual se
absorbe (o se desprende).
Desorden Molecular Entropa del cuerpo
Por lo tanto una sustancia en estado solido tiene una estructura con
molculas relativamente ordenadas por lo tanto existir Entropa
Segundo Principio de la termodinmica
2.4.2 Energa libre La variacin de energa libra queda definida
por:
F = H - (T*S)
Como:
Entalpia
Temperatura
Entropa
Son funciones de estado entonces la energa libre definida por ellas tambin lo es; por
lo tanto la variacin de energa libre de una transformacin solo depende de los
estados inicial y final.
Entonces si: F = H - (T*S)
Y remplazamos: H = E + (PV)
Tenemos: F = E + (PV) - (T*S)
A presin y temperatura ctte esta ecuacin se puede escribir como:
F = E + P *V T*S
Segundo Principio de la termodinmica
BIBLIOGRAFA
Frumento,A. Biofsica. 3edicin. 1995. Mosby-Doyma
Libros.
Mximo, A. & Alvarenga, B. (1998). Fsica general:
con experimentos sencillos, 4a.ed. Mxico: Oxford
University Press.
SEARS, ZEMANSKY, YOUNG, FREEDMAN. Fisica
Universitaria, Vol. I y II, Pearson, 1999
Capitulo III 3. Biofsica Muscular
3.1. Propiedades Mecnicas del Musculo esqueltico
3.1.1 Msculo Aislado en Reposo
3.1.1.1 Elasticidad a la traccin
3.1.2 Diagrama tpico esfuerzo- Deformacin para un metal dctil sometido a tensin
3.1.3 Diagrama Longitud tensin el musculo en reposo
3.1.2 Msculo en actividad
3.1.2.1 Sacudida Simple y Ttanos
3.1.3. Tipos de Contraccin
3.1.3.1 Contraccin Isomtrica
3.1.3.2 Contraccin Isotnica
3.1.3.3. Contraccin Auxotnica
3.1.3.4. Contraccin a Postcarga
3.2. Energtica
3.2.1. Trabajo muscular dinmico
3.2.1. Trabajo muscular esttico
3.2.2. Relacin entre tensin y velocidad de acortamiento
3. Biofsica Muscular
El sistema locomotor de un vertebrado constituye una estructura que
desde el punto de vista mecnico est compuesta por unidades
contrctiles (los msculos) que ejercen fuerzas de traccin mediante
cuerdas (los tendones) sobre un sistema de palancas articuladas
(los huesos y las articulaciones)
3.1. Propiedades Mecnicas del Msculo esqueltico
3.1.1 Msculo Aislado en Reposo Una de las caracterstica de un musculo en reposo es su comportamiento elstico
3.1.1.1 Elasticidad a la traccin
Si se aplica una fuerza de traccin al extremo de un hilo cuyo extremo esta fijo, aquel sufre un aumento de longitud L. Dentro de ciertos limites este alargamiento obedece la Ley de Hooke, cuya expresin es:
L =Lo*F / Y* A
Io= es la longitud del cuerpo cuando no esta sometido a traccin. A el rea de su superficie de seccin e Y una constante llamada Modulo de elasticidad o de Young, el cual a una determinada temperatura depende del material.
Donde:
= F / A
= Tensin
Por lo tanto:
L = (Lo / Y) *
Despejando el modulo de Young se tiene:
Y = (Lo / L ) * expresado en N / m2
La longitud total IF = Lo + L
IF = Lo + (Lo / Y) *
= ( (Y/Lo)* IF ) (Y)
3.1.2 Diagrama tpico esfuerzo- Deformacin para un metal dctil sometido a tensin
En la primer parte de la curva e
esfuerzo
Y la deformacin son proporcionales
hasta alcanzar el punto (a) que es el
Limite de proporcionalidad.
El hecho que haya una regin en la que
el esfuerzo y la deformacin son
proporcionales se denomina Ley de
Hooke.
La ley de Hooke que cumple los
cuerpos elsticos manifiesta:
El cambio de forma del cuerpo es directamente proporcional a la fuerza
deformante
En la zona (a) y (b) el esfuerzo y la deformacin no son proporcionales sin embargo si se suprime el esfuerzo entre cualquier punto situado entre O y (b) el material recupera su longitud inicial, por lo tanto en esta zona el material tiene comportamiento elstico, sin embargo el punto (b) se denomina limite de elasticidad.
Si se sigue cargando el material la deformacin aumenta rpidamente y si posteriormente se suprime la carga en cualquier punto mas all de (b) por ejemplo ( c), el material no recupera su longitud inicial, por lo tanto presentara una deformacin permanente.
Finalmente al aumentar la carga mas all de (c) se produce un aumento de la deformacin hasta alcanzar el punto (d) y por lo tanto se produce la fractura
Es decir desde el punto (b) hasta el (d) se denomina deformacin plstica irreversible
Diagrama tpico esfuerzo- Deformacin
para un metal dctil sometido a tensin
3.1.3 Diagrama Longitud tensin el msculo en reposo
En estado de reposo la mayora de los msculos en el organismo ejercen cierta
fuerza de traccin en virtud de su elasticidad.
El musculo no obedece la Ley de Hooke que indica que el esfuerzo y la deformacin
son proporcionales.
Pues los incrementos de tensin necesarios para producir iguales variaciones de
longitud se tornan mayores a medida que la longitud aumenta.
3.1.2 Msculo en actividad
Desde el punto de vista mecnico la actividad del musculo se puede poner
de manifiesto por un acortamiento, por el desarrollo de una fuerza de
traccin o por ambas cosas, este proceso recibe el nombre de
Contraccin muscular, y el pasaje del estado de actividad al de reposo se llama Relajacin
3.1.2.1 Sacudida Simple y Ttanos
Si se asla un musculo con su nervio y
se instala:
S = Electrodos estimuladores
T = Transductores de desplazamiento o
de fuerza (Mide el movimiento de un
cuerpo a lo largo de una trayectoria
rectilnea)
R = Aparato de Registro (osciloscopio
permite graficar seales elctricas en
funcin del tiempo)
G = Pesa
Si por medio de los electrodos S se estimula el nervio mediante una muy breve descarga elctrica, el msculo se contrae bruscamente y enseguida se relaja el proceso recibe el nombre de sacudida simple
Si antes que se produzca la relajacin completa se aplica un segundo estimulo se produce una nueva contraccin, y si aquel se repite a intervalos iguales de baja frecuencia se obtiene lo que denominamos Ttanos Parcial.
Si se aumenta la frecuencia suficientemente, la relajacin no tiene tiempo de iniciarse y la grafica que resulta es una curva en meseta, este tipo de contraccin sostenida recibe el nombre de Contraccin tetnica o simplemente Ttanos
Sacudida Simple y Ttanos
3.1.3. Tipos de Contraccin
El acortamiento como el desarrollo de tensin son resultados de la actividad muscular, estas dos manifestaciones de la contraccin pueden combinarse de diferentes maneras dando lugar a distintos tipos de contraccin que describiremos a continuacin:
3.1.3.1 Contraccin Isomtrica Isos= igual
Metros = medida
Cuando un musculo se contrae y su longitud no varia, sin embargo cambia la tensin.
Ejemplo: Cuando sostenemos un cuerpo por encima de nuestra cabeza
3.1.3.2 Contraccin Isotnica Isos = Igual
Tonos = tensin
El msculo cambia su longitud pero mantiene constante la fuerza que ejerce durante toda la contraccin.
Ejemplo: Se da en toda actividad fsica como: correr nadar, caminar, etc.
3.1.3.3. Contraccin Auxotnica Auxos= Crecer
Tonos = Tensin
Varia la longitud y la fuerza ( Tensin)
Isotnica + Isomtrica Simultneamente
3.1.3.4. Contraccin a Postcarga
Esta compuesta por una parte isomtrica y una
isotnica
El cambio de longitud y fuerza se dan de forma
separada, es decir una despus de la otra
Tipos de Contraccin
3.2. Energtica Cuando un musculo se contrae contra una carga realiza un trabajo.
W = C . D
3.2.1. Trabajo muscular dinmico
En el trabajo dinmico, los msculos esquelticos implicados se contraen y relajan
rtmicamente.
El flujo sanguneo que llega a los msculos aumenta para satisfacer las necesidades metablicas.
Este aumento del flujo sanguneo se logra incrementando el bombeo del corazn (gasto cardaco), reduciendo el flujo que llega a las reas inactivas, como los riones y el hgado, y aumentando el nmero de vasos sanguneos abiertos en la musculatura que est interviniendo en el trabajo. La frecuencia cardiaca, la presin sangunea y el consumo de oxgeno en los msculos, aumentan en relacin directa a la intensidad del trabajo. Tambin aumenta la ventilacin pulmonar, debido a la mayor profundidad de las respiraciones y al aumento de la frecuencia respiratoria. La finalidad de la activacin de todo el sistema cardiorrespiratorio es mejorar la llegada de oxgeno a los msculos implicados. El nivel de consumo de oxgeno, medido durante un trabajo muscular dinmico pesado, indica la intensidad del trabajo. El consumo mximo de oxgeno (VO2max) indica la capacidad mxima de la persona para el trabajo aerbico.
3.2.2. Trabajo muscular Esttico En el trabajo esttico, la contraccin muscular no produce movimientos visibles, por ejemplo, en un miembro. El trabajo esttico aumenta la presin en el interior del msculo lo que, junto con la compresin mecnica, ocluye la circulacin total o parcial de la sangre. El aporte de nutrientes y de oxgeno al msculo y la eliminacin de productos metablicos finales del mismo quedan obstaculizados.
De esta forma, en los trabajos estticos, los msculos se fatigan con ms facilidad que en los trabajos dinmicos. La caracterstica circulatoria ms destacada del trabajo esttico es el aumento de la presin sangunea. La frecuencia cardiaca y el gasto cardaco no varan mucho. Por encima de una determinada intensidad de esfuerzo, la presin de la sangre aumenta en relacin directa con la intensidad y la duracin del esfuerzo.
Trabajo Dinmico frente a trabajo esttico.
Aumento de
ventilacin
pulmonar
(respiraciones
mas
profundas)
Aumento de
la frecuencia
cardiaca y la
presin
sangunea
Aumento
del flujo
sanguneo y
del aporte
de oxigeno
a los
msculos
activos,
disminucin
del flujo a
las reas
inactivas
La ventilacin
pulmonar
permanece
estable
Contraccin y
relajacin del
musculo
esqueltico
La
frecuencia
cardiaca y el
gasto
cardiaco
permanecen
estables
Aumenta la
presin en el
interior del
msculo
El aporte
de
oxigeno y
nutrientes
al
musculo
se ve
obstaculiz
ado y se
produce
fatiga
Trabajo dinmico Trabajo esttico
3.2.2. Relacin entre tensin y velocidad de acortamiento Para cada longitud la velocidad con la que se acorta el musculo depende de la tensin que se ejerce.
Donde:
1) Cuando el musculo no se acorta
Velocidad de acortamiento v = 0
2) La velocidad de acortamiento aumenta al disminuir la tensin
3) La velocidad Mxima V Max. Se alcanza cuando el musculo se acorta sin ejercer tensin.
BIBLIOGRAFA
Libro
Frumento,A. Biofsica. 3edicin. 1995. Mosby-Doyma
Libros.
Recursos electrnicos
Facultad ingeniera industrial, Gasto energtico-
protocolo, edicin 2008.
http://www.escuelaing.edu.co/uploads/laboratorios/5357
_gasto.pdf