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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLODEPARTAMENTO ACADÉMICO DE FÍSICA
Prof. Dr. Elvar Quezada Castillo
BIOFÍSICA MUSCULAR
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ESTRUCTURA MICROSCÓPICA DEL MÚSCULO ESQUELÉTICO
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MIOFILAMENTOS DEL MÚSCULO ESQUELÉTICO
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DISPOSICIÓN DE LOS MIOFILAMENTOS EN DIFERENTES CORTES TRANSVERSALES
I. Filamentos finos
II. Filamentos gruesos
III. Filamentos gruesos y finos
I II III
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DISPOSICIÓN DE PUENTES
• Disposición de los puentes entre los miofilamentos.
• El filamento grueso central emite puentes hacia los 6 filamentos finos que lo rodean.
• Estas prolongaciones están distribuidas en espiral.
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CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR
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CURVAS FUERZA /VELOCIDAD Y CALOR LIBERADO POR EL MÚSCULO
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MÚSCULO EN ACTIVIDAD
Registro Gráfico de la contracción
Contracción simple
Contracción tetánica
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CURVA DEL MÚSCULO EN REPOSO Y EN ACTIVIDAD
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TRABAJO MUSCULAR
• Se define como el producto de la tensión del músculo por el cambio de longitud durante la contracción:
W = T ΔL
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TRABAJO EN UNA CONTRACCIÓN ISOMÉTRICA
• Contracción isométrica es aquella en la cual cambia la tensión del músculo pero su longitud permanece constante
W = 0
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TRABAJO EN UNA CONTRACCIÓN ISOTÓNICA
• Contracción isotónica es aquella en la cual cambia la longitud del músculo pero su tensión permanece constante.
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TRABAJO EN UNA CONTRACCIÓN AUXOTÓNICA
• Contracción auxotónica es aquella en la cual cambia tanto la longitud como la tensión del músculo.
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TRABAJO EN UNA CONTRACCIÓN A SOBRE CARGA
• Contracción a sobre carga es una contracción isométrica seguida de una contracción isotónica.
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TRABAJO MÁXIMO DEL MÚSCULO ESTRIADO
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TRABAJO MÁXIMO DEL MÚSCULO ESTRIADO
• El cambio de longitud del músculo es
• El trabajo muscular es
• El trabajo máximo se obtiene derivando W con respecto a T e igualando a cero el resultado.
mm LTW 41
max
mmm
m
m
TT
LLTL
L 1
)1(m
m TT
LTLTW
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COMPRESIÓN NORMAL EJERCIDA POR UN ESFINTER
Músculos circulares:• Esfínteres (ano, uretra, iris)• Orbiculares (labios y párpados)• Están constituidos por fibras circulares y radiales
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COMPRESIÓN NORMAL EJERCIDA POR UN ESFINTER
• Trabajo de fibras circulares
• Trabajo de fibras radiales
Igualando los primeros miembros tenemos
)r-r(r 2P)r-ds)(r P(W 00
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POTENCIA DE UNA CONTRACCIÓN MUSCULAR
• La energía de una contracción muscular es
ΔE = a ΔL + T ΔL (a = 0,035 J/cm3)
• La potencia total
P = (a + T) vO sea, la potencia total es directamente proporcional a
la velocidad de la contracción
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POTENCIA DE UNA CONTRACCIÓN MUSCULAR
• La potencia total
P = (a + T) v
O sea, la potencia total es directamente proporcional a la velocidad de la contracción
• Experimentalmente A. V. Hill (1949), comprobó que la potencial muscular es función lineal de la tensión
P = b (Tmax – T)
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POTENCIA DE UNA CONTRACCIÓN MUSCULAR
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POTENCIA DE UNA CONTRACCIÓN MUSCULAR
• Igualando las expresiones anteriores
v (a + T) = b (Tmax – T) de donde (T + a) (v + b) = constante
que es la ecuación fundamental de la contracción muscular
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LA CARRERAMODELO DE J.B. KELLER:
La cantidad de trabajo realizado por las piernas es W = Fd = ½ mv2
Hipótesis: 1. El corredor ejerce una fuerza F que varía con el tiempo pero no
supera una fuerza máxima Fmax. 2. La fuerza disipativa que se opone al movimiento es FD = cv. 3. El corredor dispone de una reserva de energía Eo, que una vez
agotada la velocidad viene limitada por el ritmo σ con que los procesos metabólicos proporcionan energía.
4. El problema consiste en determinar la fuerza F que el corredor debe ejercer para correr una determinada carrera tan rápido como sea posible.
5. Los parámetros de este modelo Fmax, c, Eo y σ se escogen comparando los tiempos calculados con las marcas mundiales.
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CONSTANTES DEL MODELO DE J.B. KELLER PARA LA CARRERA DE UN ATLETA DE 80 Kg
Fuerza máxima Fmax = 976 N
Coeficiente de fuerza disipativa c = 89,7 N-s/m
Energía metabólica almacenada Eo = 193 000 J
Rítmo de conversión de energía metabólica
σ = 3330 W
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CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA: SALTO
mgho + ½ mvo2 = mgh + ½ mv2
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CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA: SALTO
mgho + ½ mvo2 = mgh + ½ mv2
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CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA: SALTO
mgho + ½ mvo2 = mgh + ½ mv2
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BALANCEO GIGANTE
mgho + 1/2mvo2 = mg h + ½ mv2
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IMPULSO Y CANTIDAD DE MOVIMIENTO
Impulso = cambio de cantidad de movimiento
FΔt = mv - mvo
m1v1+m2v2=m1u1+m2u2
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BALISTO CARDIÓGRAFO
• Instrumento diseñado para evaluar la acción mecánica de bombeo del corazón y se basa en las leyes del movimiento de Newton.
ss
s vmm
mv
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SALTO DE TRAMPOLÍN
Rotación y traslación
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ELASTICIDAD DE TEJIDOS BIOLÓGICOS
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ELASTICIDAD
Ley de Hooke
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CLASES DE ELASTICIDAD
1. Elasticidad por tracción
2. Elasticidad por compresión
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CURVA ESFUERZO/DEFORMACIÓN
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CLASES DE ELASTICIDAD
3. Elasticidad por flexión
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CLASES DE ELASTICIDAD
4. Cizallamiento 5. Torsión
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ELASTÓMEROS
• Son materiales como la goma o caucho que pueden estirase hasta el doble de su longitud inicial o más sin llegar al límite de rotura, volviéndose a su forma inicial al dejar de actuar la fuerza que lo deformó.
• Se componen de moléculas de largas cadenas, como por ejemplo, la molécula lineal de polietileno CH3-(CH2)n-CH3 donde n puede valer entre 100 y 1000
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ELASTÓMEROS
Esfuerzo/deformaciónCadena reticular de
elastómero
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SÓLIDOS BIO-VISCOELÁSTICOS
• Los sólidos son materiales que dan forma a los organismos vivientes. Algunos biosólidos son más elásticos que otros.
• Entre los materiales más elásticos del reino animal tenemos:
- Colágeno (proteína fibrosa e insoluble) - Elastina (semejante al colágeno y constituyente principal
de fibras elásticas). - Resilina (proteína elástica encontrada en los artrópodos) - Aductina (proteína encontrada en las charnelas de las
conchas marinas)
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SÓLIDOS BIO-VISCOELÁSTICOS
Curva esfuerzo/deformación de elastina
La aductina se encuentra en las Conchas marinas
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ELASTICIDAD DEL COLÁGENO
• Elemento básico de tejidos duros y blandos.• Principal constituyente de vasos sanguíneos, piel,
tendones, córnea, esclerótica, huesos, aponeurosis, duramadre, útero, etc.
Esfuerzo/deformación(tendón)
Histéresis Relajación
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ELASTICIDAD DE LOS VASOS SANGUÍNEOS
EXPERIMENTO DE MAREY
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ELASTICIDAD DE LOS VASOS SANGUÍNEOS
LEY DE LAPLACErT
P
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ELASTICIDAD DE LOS VASOS SANGUÍNEOS
• La presión P4 se llama
presión crítica de cierre.
• Por debajo de P4 el vaso se ocluye.
• A la presión P1 el vaso estalla.
• A las presiones P2 y P3
el sistema regula la presión sanguínea.
P1
P2
P3
P4
P5
r
Q
T
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ELASTICIDAD DE LOS MÚSCULOS
• Para longitudes comprendidas entre 0,7 y 1,25 de Lo la curva es una exponencial
F = A exp (L/cLo)• A partir de 1,25 de Lo la gráfica se desvía hacia arriba
debido a la participación del tejido conectivo.
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MODELO VISCOELÁSTICO DEL MÚSCULO
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ELASTICIDAD DE LA MEMBRANA PERIODONTAL (MPD)
• El modelo clásico de Synge supone:• Que la MPD es homogénea, isotrópica
e incomprensible y que la rigidez de los dientes y el alvéolo es infinita.
• Los puntos de máxima y mínima presión estarían ubicados sobre un círculo cuyo centro coincide con el centro de rotación del diente.
• Los puntos de máxima y mínima presión dependen de la traslación o rotación del diente.
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ELASTICIDAD DE LA VEJIGA
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ELASTICIDAD PULMONAR
ΔP
ΔVC
Compliancia:
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ELASTICIDAD DE LOS HUESOS
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CURVA ESFUERZO/DEFORMACIÓN DE LOS HUESOS
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ELASTICIDAD DE LA MANDÍBULA
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SECCIÓN ANULAR DE LA MANDÍBULA
• En dirección radial: 10,8 Mpa.• En dirección circunferencial: 13,3 Mpa.• En dirección axial: 19,4 Mpa.
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HUESO ALVEOLAR
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