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