If Cortes Fcs

7/31/2019 If Cortes Fcs

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA SALUD

INFORME FINAL

"TEXTO: BIOFISICA APLICADA A

ENFERMERIA"

Dr. Hernn Oscar Cortez Gutirrez

(01-04-09 al 30-03-11; R. R. N 365 -09-R)

CALLAO - PERU

2011


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a) INDICE

Pg.

b) RESUMEN 5

c) INTRODUCCION 6

d) PARTE TEORICA O MARCO TEORICO..... 9e) MATERIALES Y METODOS... 10

f) RESULTADOS 11

Parte 1

Esttica y Dinmica

Captulo I. FISICA ESTADISTICA... 15

1.1 Medias corporales.. 15

1.2 Desviacin estndar....... 16

1.3 Practica: Valores medios 16

1.4 Referenciales.. 19

Captulo II. BIOMECANICA 20

2.1 Propiedades de la fuerza 23

2.2 Equilibrio. 24

2.3 Practica: Primera ley de Newton y momento... 27

2.4 Referenciales 33

Captulo III. DINAMICA..... 34

3.1 Velocidad y aceleracin... 35

3.2 Segunda ley de Newton 37

3.3 Practica: Aplicaciones al clculo de elongaciones. 39


Capitulo IV. ENERGIA 42

4.1 Trabajo y energa cintica.. ... 43

4.2 Energa total del oscilador armnico.... 43

4.3 Prctica: Aplicaciones al clculo de elongaciones a sistemas

biolgicos ....... 45

4.4 Referenciales.. 48

Capitulo V. FLUIDOS .. 49

5.1 Las tres fases de la materia. La presin sangunea. 51

5.2 Empuje. Principio de Arqumedes 51


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3

5.3 Aplicaciones a la enfermera... 51

5.4 Ley de Poiseuille. Exploracin de la presin arterial.. 52

5.5 Practica: Drenar cavidades y aplicaciones con la Ley de Laplace 53

5.6 Referenciales .. 54

Capitulo VI. RESPIRACION 556.1 Teora cintica de los gases.. 56

6.2 Valoracin de la respiracin... 59

6.3 Prctica: Aplicaciones a la enfermera. Auscultacin.. 61


Parte 2

Termodinmica, Biomagnetismo y radiactividad . 65

Capitulo VII. ENERGIA LIBRE, ENTALPIA Y ENTROPIA .. 65

7.1 Formulas Termodinamicas 667.2 Aplicaciones de la termodinmica a reacciones moleculares (DNA). 82

7.3 Teoria de ondas. Ondas a nivel molecular y en el organismo 84

7.4 Resonancia y aplicaciones a nivel de organismo humano y molecular .. 88

7.5 Practica: Diferenciar los tipos de ondas en el organismo humano 92


Capitulo VIII. ONDAS ACUSTICAS 95

8.1 Movimiento os oscilatorio. Frecuencia, periodo, amplitud 96

8.2 Ondas mecnicas longitudinales. Ondas estacionarias y resonancia. 97

8.3 Practica: Percusin en el organismo. 98


Capitulo IX. BIOELECTRICIDAD, BIOMAGNETISMO Y

RADIACTIVIDAD 101

9.1 Bioelectricidad y biomagnetismo. Comportamiento de los seres vivos 102

9.2 Campos magnticos del cuerpo humano .... 110

9.3 Descubrimiento del fenmeno de radiactiva. Interaccin de la Radiacin

con la materia ........................... 110

9.4 Practica: Aplicaciones de biomagnetismo y radiactividad a enfermera 111



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4

g) DISCUSION 114

h) REFERENCIALES.. 115

i) APENDICE .. 117

Apndice 1 de gua de prcticas 01 al 09.... 117

Anexo: Silabo de Biofsica....... 144


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b) RESUMEN

El texto BIOFISICA APLICADA A ENFERMERIA se desarroll en base a

libros, revistas, manuales, folletos, y experiencias propias de laboratorio

computacional con el objetivo de disear un texto educativo de Biofsicaaplicada a enfermera que le permita al estudiante de enfermeria una

formacin bsica. Asimismo relacionar la biofsica con ciencias de la salud.

Tambin identificar los fenmenos biofsicos que se dan en los organismos

humanos asociando modelos biofsicos apropiados.

Como resultado presentamos el texto en 9 captulos, los cuales

complementan el curso terico de Biofsica y sus aplicaciones en Enfermera.

En el Captulo I se efecta un estudio sobre la Fsica Estadstica para estimar

magnitudes fsicas. En el Captulo II se dan a conocer la Biomecnica que usa

la teora de equilibrio con respecto a fuerzas y momento. En el Captulo III se

detallan mtodos para resolver ecuaciones de la dinmica. Se enfatiza el

problema de las elongaciones que son muy usadas en los estudios de

vibraciones a nivel molecular, digamos del ADN.

En el Captulo IV se aplica los conceptos de energa. En los captulosV, y VI,

se detallan mtodos de la dinmica de fluidos para clculos en el sistema

circulatorio y respiratorio. En el Captulo VII se proporcionan mtodos de la

termodinmica y dinmica para el anlisis del comportamiento de los seres

vivos. En el Captulo VIII se considera relevante las aplicaciones de las ondas

de ultrasonido en salud minimizando el efecto de reflexin usado en la

ecografa. En el Captulo IX se enfatiza la conexin entre campos elctricos y

magnticos que fueron la prediccin de Maxwell y confirmados por Hertz. En

los anexos adjuntamos las guas de Laboratorio y el silabo de la asignatura de

Biofsica usado en la Facultad de Ciencias de la Salud de la Universidad

Nacional del Callao.


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c) INTRODUCCIN

Descripcin y anlisis del tema

Actualmente se vienen conociendo nuevos tratamientos mdicos

basados en conceptos bsicos de la Fsica. Los avances

cientficos y tecnolgicos muestran que la biologa puede ser

considerada como parte de la Fsica y el dominio de aplicaciones

de la Biofsica aumenta en ciencias de la salud. La Biofsica es

una ciencia reduccionista porque establece que todos los

fenmenos observados en la naturaleza tienen una explicacin

cientfica.

Este texto de biofsica aplicada a enfermera es parte de la

formacin del profesional de enfermera. Tambin la enfermera

adquiere conocimientos de Anatoma, Fisiologa, Biologa y

Microbiologa para poder conocer las respuestas del cuerpo

humano y de esta manera distinguir de las respuestas humanas.

Por eso el texto de biofsica aplicada a enfermera esta orientado

a presentar problemas biofsicos relacionados al cuerpo humano.

La Biofsica est tambin relacionada directamente con las

reas de investigacin de Enfermera, Salud Pblica yNanotecnologa. Nanotecnologa es una parte de la ciencia que

viene investigando estructuras en la escala de 1 a 100 nm

(nanometro). Nano es el prefijo usado para designar una parte en

un billn. Con los avances de la qumica y fsica ha sido posible

sintetizar nanocompuestos con aplicaciones biomdicas. Tenemos

perspectivas de curas de tuberculosis y cncer (tumores en la

prstata, mama, pulmn, colon, estomago y tero) en el menor

tiempo posible con este tipo de nanoremedios (nanoparticulas). Eldiseo biofsico de nano partculas que transportan remedios debe

cumplir los siguientes requisitos: (i) la composicin de la

nanoparticula debe ser aceptable para ser usado en terapia

humana (biodegradable, biocompatible y no toxico), (ii) la medida

de la nanoparticula debe ser apropiada para la aplicacin


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7

biomedica, (iii) la biodestribucin de la nanoparticula debe alcanzar

el objetivo (tumor, etc) [1]. Tambin en los hospitales se espera

utilizar Gnanoparticulas antibacterianas para el problema de

infecciones hospitalarias. Todo depende de un buen diseo

cumpliendo requisitos de acuerdo a la problematica de SaludPblica.

Por lo tanto Biofsica como ciencia aplicada a la Salud permite

aplicar las tcnicas en las investigaciones del cncer,

enfermedades infecciosas, vacunas, enfermedades metablicas

como indicadas en la referencia bibliogrfica [7]. El estado del

funcionamiento del cuerpo humano determina la salud de cada

persona. Es vital entonces comprender que dicho funcionamiento

depende de la correcta regulacin de factores bioqumicos ybiofsicos. La biofsica se define como la ciencia que estudia la

composicin y los procesos fsicos de los organismos vivos. La

composicin biofsica bsica del cuerpo humano est dada a nivel

molecular por conjuntos de tomos, quienes componen la materia;

y como ejemplos de procesos biofsicos tenemos el flujo de esos

tomos en el organismo; diversas reacciones dependientes de la

electricidad, como el ritmo cardaco y la temperatura corporal.

Biofsica es una asignatura de formacin bsica en los

estudiantes de enfermera. El estudiante de enfermera se enfrenta

a muchas preguntas: (i) Cmo el medio fsico-qumico tiene

efecto sobre las enfermedades? , (ii) Qu conocimientos necesito

tener para mi ejercicio profesional y produccin cientfica?. Como

no existe textos actuales de Fsica para estudiantes de

Enfermera, se pretende disear un Texto: Biofsica aplicada a

enfermera, donde se presenten los conceptos bsicos de

Biofsica de una forma clara y con explicaciones de los aspectos

fsicos y destinado especialmente para los estudiantes de

enfermera.


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8

Planteamiento del problema

Existe un texto de Biofsica aplicada a enfermera que le permita al

estudiante una formacin bsica en Biofsica para el ejercicio

profesional?

OBJETIVOS Y ALCANCES DE LA INVESTIGACIN

Propsito de la investigacin y objetivos especficos

Objetivos Especficos

- Relacionar la biofsica con las ciencias de la salud .

- Identificar los fenmenos biofsicos que se dan en los organismos

humanos y aplicados en enfermera.

- Establecer modelos que simulan modelos biofsicos moleculares

y no moleculares.

- Desarrollar la capacidad para resolver problemas y superar

dificultades prcticas en el entendimiento del funcionamiento

biofsico del organismo humano.

Alcances de la Investigacin

- Investigacin Bsica

- Los beneficiados con los resultados de la investigacin ser el sector

acadmico conformado por docentes, estudiantes de Enfermera de

nivel superior y estudiantes de Pos Graduacin en Salud Pblica.

IMPORTANCIA Y JUSTIFICACIN

a) El texto de Biofsica dar una visin global de las aplicaciones de

la Fsica y que acompaan el desarrollo tecnolgico y nano

tecnolgico y su aplicacin a tratamientos de la enfermera del

presente siglo. El texto fue elaborado sobre la base de libros,


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9

revistas y guas de laboratorio de biofsica y experiencias propias

para explorar nuevas perspectivas de produccin cientfica en

enfermera.

b) El valor de esta investigacin corresponde a un valor terico,

desde el punto de vista de una investigacin Bsica.

d) PARTE TEORICA O MARCO TERICO

ANTECEDENTES

El crecimiento de ritmo exponencial de la ciencia hace cada

vez ms difcil, si no imposible, para todo el mundo ponerse y

mantenerse al dia del avance de conocimientos utilizados por lostratamientos de enfermera. Por ejemplo se vienen usando pequeas

capsulas (nano capsulas) para no daar el cuerpo humano. Tenemos

publicaciones de Christine Vauthier (Vase referencia [1] ) que trabaja

en las propiedades fsico-qumicas de nanoestructuras adecuados

para alcanzar el blanco desea. Hoy en da se viene trabajando ms

con complejos intramoleculares de escala manomtrica por cuanto sucirculacin en el organismo dura ms tiempo y pueden ser

biodegradables.

El propsito de estos estudios es de preparar nanoparticulas que se

puedan introducir en el organismo humano sin ser eliminados y que

puedan ser menos txicos. Cuando el tamao de las nanoparticulas

es superior a 200 nm son atrapados en el organismo humano [2-3].

Para aplicacin de nanoparticulas para transportar remedios tenemos

los trabajos de [4].

Pretendemos elaborar el texto de biofsica aplicada a enfermera

revisando textos que presentan algunos temas de aplicacin a las


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10

ciencias de la vida, aplicaciones a enfermera y teora de las

mediciones como por ejemplo los textos de Wayne [5] y Zar [6] tratan

de problemas bioestadsticas relacionados a la estimativa de

parmetros.

Textos de Biofsica de Alan Cromer, E. Quezada, M. Parisi, A.

Frumento y W. Laskowski [8-12] orientan sus aplicaciones a ciencias

de la salud y representan una base para ofrecer perspectivas de

nuevos tratamientos en enfermera. Por ejemplo aplicar

biomagnetismo para reorientar las ondas patolgicas del cuerpo

humano y representan una aplicacin revolucionaria en Salud Pblicay requieren de profesionales en enfermera con conocimientos

avanzados de esta biofsica emergente.

Tambin tenemos trabajos relacionados ciencias de la salud

como un punto de partida para aumentar el vasto campo de

aplicaciones de biofsica a enfermera [13-16].

e) MATERIALES Y MTODOS

Tenindose entendido que el tema de la investigacin es elaborar un

texto, no se determin el Universo de Estudio, tampoco tcnicas

estadsticas. Por ser el objeto de investigacin un texto acadmico,

el mtodo que se emplear es descriptivo. El texto est basado en

resultados tericos y prcticos de textos de fsica, revistas, pginas

web, videos y conferencias asistidas sobre biofsica.


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f) RESULTADOS

El texto de Biofsica aplicada a enfermera consta de dos partes. la

parte 1: comprender Esttica y Dinmica, y la parte 2

Termodinmica , biomagnetismo y radiactividad.

ndice de captulos

Parte 1

Esttica y Dinmica

Capitulo 1. Fsica Estadstica1.1 Medias corporales.

1.2 Desviacin estndar

1.3 Practica: Valores medios.

Capitulo 2. Biomecnica

2.1 Propiedades de la fuerza

2.2 Equilibrio.

2.3 Practica: Primera ley de Newton y momento

Capitulo 3: Dinmica

3.1 Velocidad y Aceleracin

3.2 Segunda ley de Newton.

3.3 Prctica: Aplicaciones al clculo de elongaciones.

Capitulo 4. Energa

4.1 Trabajo y energa cintica.4.2 Energa total del oscilador armnico.

4.3 Practica: Aplicaciones al clculo de elongaciones a sistemas

biolgicos.


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12

Capitulo 5. Fluidos

5.1 Las tres fases de la materia. La presin sangunea.

5.2 Empuje. Principio de Arqumedes.

5.3 Aplicaciones a la enfermera.

5.4 Ley de Poiseuille. Exploracin de la presin arterial.

5.5 Practica: Drenar cavidades y aplicaciones con la Ley de Laplace.

Capitulo 6. Respiracin

6.1 Teora cintica de los gases.

6.2 Valoracin de la respiracin.

6.3 Practica: Aplicaciones a la enfermera. Auscultacin.

Parte 2 Termodinmica , Biomagnetismo y radiactividad

Capitulo 7. Energa libre, entalpia y entropa

7.1 Formulas termodinmicas

7.2 Aplicaciones de la termodinmica a reacciones moleculares

(DNA) y metablicas.

7.3 Teora de ondas. Ondas a nivel molecular y en el organismo.

7.4 Resonancia y aplicaciones a nivel de organismo humano y

molecular.

7.5 Practica: Diferenciar los tipos de ondas en el organismo.

Capitulo 8 Ondas Acsticas

8.1 Movimiento oscilatorio. Frecuencia, periodo, amplitud

8.2Ondas mecnicas longitudinales. Ondas estacionarias y

resonancia.

8.3 Practica: Percusin en el organismo.


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Capitulo 9. Bioelectricidad, Biomagnetismo y radiactividad.

9.1Bioelectricidad y biomagnetismo. Comportamiento de los seres

vivos.

9.2Campos magnticos del cuerpo humano.

9.3 Descubrimiento del fenmeno de radiactividad. Interaccin de la

radiacin con la materia.

Practica: Aplicaciones de biomagnetismo y radiactividad a

enfermera.


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FISICA ESTADISTICA

Ha contribuido la

Los trabajos relacioenfermedad contes

OBJETIVOS

I. Explicar los co

II. Aplicar estima

III. Aplicar correla

La Fsica estadstica aplica l

manera estimar magnitudes f

medicamentos actan en el

efectividad. Actualmente el us

CAPITULO I

Fsica estadstica a la salud y a enfermer

nado con clasificacin de genes durantea esta pregunta con un SI.

nceptos bsicos de la estimacin estadstica

in estadstica a magnitudes fsicas

cin estadstica entre dos o mas variables.

s mtodos estadsticos a la biofsica y de

sicas. Todos los tratamientos que usan dosi

rganismo humano con un tiempo medi

o de nanocapsulas en tratamientos terapu

14

a.

la

esta

is de

o de

ticos


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15

se encuentra en estudio estadstico dado que se viene mejorando el promedio

de la cantidad de remedio encapsulado. Tambin la medicina nuclear decide

usar la energa nuclear, empleando istopos radioactivos y radiaciones

nucleares que debemos conocer los riesgos de su aplicacin. La eliminacin de

contaminantes de los alimentos por radiacin estadsticamente no ha reportadoefectos colaterales.

Se usa mucho los valores promedios o medias aritmticas. Por ejemplo, la

vida media del radioistopo Yodo I-131 usado para determinar volumen

sanguneo tiene una vida media muy corta de ocho das.

Los mtodos estadsticos correlacionales tambin son aplicados para

estudiar la dependencia entre dos o ms variables.

1.1 MEDIAS CORPORALES

PARAMETROS ESTADSTICOS

Para un conjunto de N medidas (X1, X2, X3,. Xi, . XN) de un Universo de

tamao n se definen los siguientes valores centrales : media muestral y

parmetro media poblacional:

MUESTRA POBLACIN

Media aritmtica parmetro-Media=

N

Xi

X

N

i

1

n

Xin

i

1

En biofsica molecular es importante conocer los valores medios de lospesos de los aminocidos. Asimismo esto ayuda a conocer la composicin

de las protenas por comparacin. Por ejemplo en estudio de remedios para

mordedura de serpiente


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1.2 DESVIACIN ESTNDAR: ESTIMACIN DEL ERROR

Un conjunto de valores de la variable x es estimado usando el valor medio.

Para obtener un valor medio usamos la frmula:

El error estndar es calculado usando la frmula estadstica:

1

)( 2

N

XiXs

El error entre las media muestral y de la poblacin es dado en trminos del

error de la media:

)1()(

2

NNXiX

N

sSm

1.3 PRCTICA: VALORES MEDIOS Y CORRELACION

Las estimaciones se hacen sobre las cantidades fundamentales y

derivadas.

CANTIDAD FUND. UNIDAD ABREVIATURA DIMENSIN

Longitud Metro M L

Masa Kilogramo Kg M

Tiempo Segundo s T

Temperatura Kelvin K

Cantidades derivadas

Obtenemos cantidades derivadas combinando las cantidades

fundamentales

Una estimacin puntual del parmetro representa el valor de la media

muestral. La estimacin por intervalo al 95% de es dado por:


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17

SmX 2

Para dos variables x e y correlacionadas linealmente podemos establecer

una relacin de la forma:

=

donde a y b son constantes.

Generalmente para coeficientes de correlacin que superen en modulo a

0.45 se puede aceptar una relacin lineal.

Cuando la grafica en el papel milimetrado no resulta lnea podemos

sospechar de una relacin potencial, es decir, que las variables estn

afectadas de algn exponente diferente de la unidad, entonces procedemos

a construir la grafica de y en funcin de xn, por donde n es el exponente que

que puede ser positivo o negativo, entero o fraccionario. Si nuestra

sospecha se confirma, es decir si el nuevo grafico resulta lineal, podemos

obtener la relacin explicita entre las variables experimentales. Este

procedimiento es conocido como linealizacin, es una gran ayuda en el

anlisis grafico.

Cuando es difcil prever el valor del exponente de la variable podemosrealizar un proceso de linealizacin mediante la aplicacin del logaritmo a

ambos miembros de la ecuacin, es decir tomamos los logaritmos a los

datos y construimos la grafica. Si el resultado es una lnea recta podemos

asegurar que la relacin entre las variables es potencial, nuestro trabajo

esta por concluir, el valor de la pendiente nos proporcionara el valor del

exponente.

Para estos tipos de grficos, el papel Logartmico con escalas logartmicas

en ambos ejes nos ofrecen una gran ayuda, los datos se graficandirectamente en el papel no hay necesidad de tomar los logaritmo, ya que el

papel lo ha hecho por nosotros. Un grfico de la funcin

y=kxn

en escala logartmica ser dada por:

Log(y)=log(k)+nlog(x)


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18

PROBLEMAS RESUELTOS DE FISICA ESTADISTICA

Problema 1. La velocidad de la sangre en las venas es generalmente

estimada usando su velocidad mxima. La velocidad media en este caso

ser la mitad de la velocidad mxima.

Problema 2. Las siguientes observaciones referentes a ngulos se

efectuaron al medir el espesor de una pelcula de helio liquido. Dentro de

que limites la media tiene una probabilidad del 95 % de estar incluida

(vase referencia (1)).

34 35 45 40 45

38 47 36 38 34

33 36 43 43 37

38 32 38 40 33

38 40 48 39 32

36 40 40 36 34

La media aritmtica es 38.3. La desviacin estndar es de 4.38.Por tanto la media aritmtica de la poblacin debe estar al 95 %.

El error al 95% es dado por:

59.130

)38.4(22 Sm

De esta manera el parmetro oscilara entre 36.7 y 39.9.

PROBLEMAS PROPUESTOS

1. Estimar el valor medio de la velocidad de la sangre cuando pasa por un

capilar con una velocidad en el centro del capilar (velocidad mxima) de

0.66 mm/s.

2. Resolver el ejemplo 3 usando un nmero de datos de (a) 20 y (b) 25.


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19

3. La eliminacin de la bromosulfoftaleina del plasma en funcin del

tiempo es dado por las coordenadas: (6, 35), (8,22), (10,10), (12,7),

(16,2).

Construir la funcin exponencial correspondiente. Determinar la recta

que pasa por (t, log y) para dichos puntos.

PRACTICA Nro. 1 En forma individual se desarrolla la practica Nro.1 ( Vase

apndice 1).

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

1. BAIRD, DAVID. Experimentacin, Mxico: Ed. Prentice-Hall, 1991


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CAPITULO II

BIOMECANICA

Las aves tienen unos msculos pectorales que representan la

sexta parte de su peso y pueden realizar una fuerza a 10 mil veces

su masa, por lo que el hombre nunca podra tener este mismo

rendimiento

Giovanni Alfonso Borelli

OBJETIVOSI. Definir la fuerza como una cantidad vectorial

II. Determinar la fuerza muscular y fuerza de contacto en el cuerpo

III. Establecer las condiciones de equilibrio


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21

El aparato locomotor es uno de los principales responsables del movimiento

humano. Bsicamente, est conformado por dos tipos de elementos: activos y

pasivos.

Biomecnica es la ciencia que se dedica al estudio de

las leyes y principios mecnicos aplicados al funcionamiento del aparatolocomotor. El aparato locomotor funciona a partir de un sistema de palancas.

Los fsicos y matemticos:

Aristteles (384-322 ac) sobre las partes de los animales Annimo: Nei Jing (medicina china) (472-221 ac) Galileo (1564-1642) Borelli (1608-1679) : Fuerza de impulso de los animales (Fig. 3) Boyle (1627-1691)

Hook (1635-1693): Sistema de resortes ( Fig.1) (Newton (1642-1727)) Bernoulli (1700-1782) Euler (1707-1783) Young (1773-1826) Pioseuille (1797-1869) : Mecnica circulatoria (Fig.2) Von Helmholtz (1821-1892) Fick (1829-1901)

trabajaron en mecnica aplicada a las ciencias de la salud usando el mtodo

experimental con la cual certificaban sus teoras. Experimentaron con animales

hacindoles disecciones y analizndolos interna y externamente.


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22

Figura 1: Sistema de resortes del cuerpo humano.

Figura 2: Sistema mecanico del funcionamiento pulmonar


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23

Figura 3: Fuerza que se ejerce sobre el saltamontes para que se impulse

2.1 PROPIEDADES DE LA FUERZA

La fuerza es una influencia que al actuar sobre un objeto hace que este

cambie su estado de movimiento.

Propiedad 1: Una fuerza siempre es aplicada por un objeto material a otro.

Propiedad 2: Una fuerza se caracteriza por s modulo y por la direccin en que

acta, las cuerdas flexibles transmiten siempre la fuerza a lo largo de sulongitud.

Propiedad 3: (Tercera ley de Newton del movimiento) Cuando un objeto A

ejerce una fuerza F sobre un objeto B, el objeto B ejerce simultneamente una

fuerza R sobre el objeto A. La fuerza R es de igual modulo pero de direccin

opuesta a F puede decirse, entonces que las fuerzas siempre actan por

pareja.

Propiedad 4: Si dos (0 ms) fuerzas actan simultneamente sobre el mismo

objeto, su efecto es el mismo que el de una fuerza nica igual a la sumavectorial de las fuerza individuales.

S = F1 + F2

Primera Ley de Newton del movimiento (caso particular) para que un objeto

permanezca en reposo, o sea, est en equilibrio, es necesario que la suma


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24

vectorial de toda las fuerzas que actan sobre el sea cero. Esto es solo una

condicin necesaria.

2.2 EQUILIBRIO

Bsicamente debemos establecer la condicin de equilibrio de la palanca.Los tres tipos o gneros de palanca encontrados en el cuerpo humano son

dados en la Figura 4. Los msculos actan por medio de los huesos

formando diversas palancas. Tenemos los siguientes gneros de palanca:

Palanca inter-apoyante, palanca inter-resistente y palanca inter-potente.

Fig. 4 Equilibrio de la palanca de acuerdo al gnero: primer genero I,

segundo genero II y tercer genero III.

Para complementar el problema del equilibrio de cuerpos se ha

considerado el concepto de Momentos: momentos: M1 = F1. d1, M2 = F2.

d2 (sentido horario = negativo, sentido anti horario = positivo) (Vase figura

5)


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25

F2

F1

d2 0

d1

Fig. 5 Momentos de una fuerza con respecto al referencial 0

PROBLEMAS RESUELTOS DE EQUILIBRIO

Problema 1. Para sostener la cabeza consideramos las fuerzan como indica la

Figura 6. Encuentre la fuerza F y M de la Figura 6.

Fig. 6. Palanca inter-Apoyante o de primer genero

Solucin:

Tomando momentos en la articulacin occpito atloidea (punto B), tenemos:

MB = o

(3 cm) (W) (5cm) (M) = 0

De donde:


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26

M= 3 W = 3(40N) = 24N5 5

Se puede observar que el sistema est en equilibrio, por tanto:

F = M + W = 24N + 40N =64 N

Problema 2. Para masticar los alimentos tenemos la palanca de la Figura 7.

Determinar la fuerza M ejercida por los maseteros que cierran la mandbula

alrededor del fulcro y W es la fuerza administrada por los dientes frontales.

Fig. 7. Palanca inter-potente o de tercer genero para la accin de masticar.

Solucin: Mc = 0

L1 M ( L1 + L2 ) W = 0

Como L2 = 3 L1 y W = 100N, tenemos

L1 M - 4 L1 W = 0

De donde :

M= 400 N

Problema 3. Para el giro de la cabeza alrededor de la articulacin atlanto-

occipital Figura 5. Los msculos esplenios conectados tras la articulacin

sostienen la cabeza. Qu clase de palanca representan?


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Fig. 8. Palanca int

Solucin: La articulacin se

mismo tiempo ejerce una fu

vrtebra cervical de esta for

gnero

2.3 PRCTICA: PRIMERA LE

Aplicaremos la primera L

(caso particular) para que

equilibrio, es necesario q

actan sobre l sea cero.

PROBLEMAS DE APLIC

Problema 1: determinar l

que actan en la cadera d

sobre un solo pie (Fig. 6)

muscular y el eje x.

r-Apoyante para el giro de la cabeza

ncuentra en el medio como punto de apoy

erza hacia arriba por la accin de la pri

ma se comporta como una palanca de p

Y DE NEWTON Y MOMENTO

ey de Newton del movimiento que indica

un objeto permanezca en reposo, o sea, es

ue la suma vectorial de todas las fuerzas

sto es solo una condicin necesaria.

CION

fuerza muscular Fm y la fuerza de contac

e un hombre de 90 kp (1kp= 9.8N) que se a

considere un ngulo teta = 60 entre la f

27

y al

era

rimer

que

en

que

to Fc

poya

erza


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Fig. 9. La fuerza muscular y

Solucin:Como cada pierna pesa 14 k

llamado HALT pesan en conj

est a una distancia x hacia

gravedad del todo el cuerpo, c

Para calcular la fuerza Fm ej

tomaremos momentos en el p

M0 = 0

Figura 10. Diagrama d

fuerza de contacto que actan sobre la cade

p, La cabeza, brazos, tronco y pierna izqui

nto Fg =76 kp. E centro de gravedad de

la izquierda de la lnea vertical del centr

ando el hombre se apoya sobre el pie dere

rcida por los msculos abductores de la ca

nto 0 (figura 9).

fuerzas para calcular la fuerza muscular.

28

ra.

ierda

ALT

o de

cho.

dera,


29/148

Figura 11. Diagra

La distancia perpendicular d

distancia es el cateto opuesto

d= (

El peso total del hombre se h

los 76 kp sobre el HALT. L

alrededor de cg de estas dos f

(7,

x = (

Remplazamos los valores de x

Fm = (10 + 1,4) (76kp) =131,67

6,58

Las fuerzas Fm y Fg forman en

de contacto Fc en la cabeza d

Luego, el mdulo de Fc es:

Fc=

Fc =

a de fuerzas para hallar el valor de x.

desde 0 a Fm se halla observando que

el triangulo rectngulo de hipotenusa 7,6 c

,6) (sen 60) = 6,58 cm

a distribuido en 14 kp sobre la pierna dere

ego, para determinar x tomaremos mom

erzas (figura 11).

Mcg = 0

cm) (14kp) x Fg = 0

De donde

7,6 cm) (14kp) = 1,4cm

Fg

y d, el valor de Fm es:

kp

tre s un ngulo = 30 (ver figura 12) y la f

l fmur es la equilibrante del sistema.

= 201,11 Kp

29

esta

:

ha y

ntos

erza


30/148

Figura 12. Diagrama de fue

Para determinar la direccin y

que la fuerza de contacto halos senos tenemos:

De donde

Sen = sen 30 = 0,3273

Y = 19 6`. Luego = 90, -

Problema 2. Un hombre ejerc

tensin M de los dos maset

=7,5 cm, BC= 6,5 cm y =48.

Fig. 13.

Solucin:

a) Aplicamos momentos e

zas usado para calcular la fuerza de contact

sentido de Fc es necesario determinar el

ce con la horizontal (figura 12). Usando la l

=

= 70 54`

e una Fuerza F para romper una nuez. Ha

ros. Las dimensiones de la mandbula son

a mandbula y su funcin.

C, tenemos:

30

o.

gulo

y de

lle la

: AB


31/148

31

Tenemos:

=+ cos

cos

=7,5 + 6,5 cos48

6,5 cos48 ( 100 ) = 272,44

La fuerza en cada masetero es M/2 =136,22 N, puesto que es la

fuerza de los dos maseteros.

b) Aplicamos momentos en B, tenemos :

= 0

( ) ( ) = 0

( cos ) ( ) = 0

De donde:

=cos

= 172,46

Luego, la fuerza de comprensin en cada cndilo es:

F/2 = 88,23 N

Problema 3. El diseo para los cudriceps es mostrado en la Figura 14.

Determinar la potencia P ejercida. Suponer que W1= 1,5Kgf, W2 = 3,5Kgf; el

ngulo ABC = 135 y el ngulo DEB = 30.

Solucin:

2 12 0 4 0 c o s 4 5 1 8 , 3 8 2

1 0 3 0

w wP K g f

s e n


32/148

32

Fig. 14. La tensin P para mantener el diseo.

Problema 4. Determinar la fuerza total perpendicular a la pierna que se opone

a su extensin.

Solucin: Fp=Mg cos ( - ) + sen donde tan = (1 cos ) / (2 + sen ).

Fig. 15. Fuerza total de oposicin.

Problema 5. En el andar de una persona Fig.16 determinar la fuerza muscular

y fuerza de contacto para el caso en que la persona lleva una maleta de 20Kgen la mano opuesta a la pierna en que se apoya. En la Fig. 16 se ha

representado la pierna en la que se apoya y las fuerzas que sobre ella se

ejercen. Si la persona lleva una maleta de 20 Kg. En la mano opuesta a la

pierna en que se apoya, calcular las fuerzas Fm y Fc. Peso de la persona 700 N


33/148

33

Fig. 16. Fuerzas que actan en el andar de una persona.

Calcular primero el cg. Del conjunto de persona y maleta; este punto debe estar

en la vertical del pie, con lo que las medidas horizontales cambian respecto a

las indicadas en la Fig. 16. Superior que la maleta est en el borde de la

cadera).


apndice 2).

1. TIPPENS, PAUL. Fsica Bsica. Mexico: Edit. Mc Graw Hill,1985.

2. SERWAY, RAYMOND. Fundamentos de Fsica. Mxico: Edit. Cengage,

2010


34/148

34

CAPITULO III

DINAMICA

Al superponer un modelo simplificado sobre el pie real se observa como

al iniciar el movimiento, el eje vertical rota hasta alcanzar un ngulo

mximo (este ngulo depende de la velocidad y otros factores). En ese

momento el eje horizontal inicia su rotacin, inclinndose hacia adelante

mientras el punto de rotacin comn se eleva impulsando todo el pie y la

pierna hacia arriba y hacia delante.

OBJETIVOS

I. Definir y obtener formulas para la rapidez promedio y la aceleracin promedio

II. Establecer la segunda ley de Newton

III. Aplicar la dinmica al movimiento del cuerpo humano

La dinmica es la parte de la mecnica que estudia el movimiento de los

cuerpos o partculas y las causas que los producen. Por ejemplo la marcha es

el medio de locomocin del ser humano.


35/148

35

La dinmica del movimiento del cuerpo humano involucra unidades importantes

constituido por las masas de los segmentos que giran entorno de los ejes

articulares.

Tenemos por ejemplo que el eje en el hombro se encuentra dentro de la

cabeza humeral, por lo que la cabeza humeral se mueve hacia abajo alelevarse el brazo y el eje en la cadera se encuentra dentro de la cabeza

femoral (los ejes de rotacin, no estn localizados en las uniones de los

huesos). Los ejes del codo como las de la rodilla son proximales a las

superficies articulares respectivas y, en las articulaciones radiocarpiana y

tibiotarsiana, los ejes son distalesa la articulacin.

3.1 VELOCIDAD Y ACELERACIN

Los trminos rapidez y velocidad son intercambiables: rapidez es unacantidad escalar, solo tiene magnitud, mientras que la velocidad es un

vector, pues tiene magnitud y direccin.

tandis cia totalrapidez promedio

tiempo total

int

desplazamientovelocidad promedio

ervalo de tiempo

varintiacion de la velocidadaceleracion

ervalo de tiempo


36/148

36

Ejemplo 1:

Utilizar la siguiente tabla que indica la posicin del automvil en diferentes

tiempos.

POSICIN T (s) X (m)A

B

C

D

E

F

0

10

20

30

40

50

30

52

38

0

-37

-53

La velocidad promedio en intervalo de tiempo desde el punto A hasta el punto

B es:

52 302.2 /

10 0

x m mm s

t s s

Ejemplo 2:

Formula que relaciona la velocidad final y la inicial para lanzamiento de

cuerpos:

2 2

02

fgzV V

Ejemplo 3:

Determinar la velocidad vertical con que debe despegar un atleta de salto alto

para sobrepasar una barra de 2.3 mts. Usando la frmula:

2v gh

Obtenemos:V = 5.24 m/s


37/148

37

PROBLEMAS RESUELTOS DE DINAMICA

Problema 1.

Un cuerpo es lanzado verticalmente hacia arriba con una velocidad inicial de

4.90 m/s. determinar la altura mxima alcanzada y el tiempo empleado.

Solucin:

Zmax = V2/2g = (4.9 m/s)2 = 1.225m

2x9.8 m/s2

T = V = 4.9 m/s = 0.5s

g 9.8 m/s2

Problema 2. Un jugador de beisbol se mueve en una trayectoria en lnea recta

con la finalidad de atrapar una pelota en vuelo golpeada hacia los jardines.

Encuentre la aceleracin. La velocidad es de acuerdo a la siguiente tabla:

POSICIN T (s) v (m/ s)

A

B

C

D

E

F

1

2

3

3.5

4

4.5

2

4

4

3

2

1.5

Solucin: La aceleracin debe ser calculada usando pendientes.

3.2 SEGUNDA LEY DE NEWTON

Si sobre un cuerpo acta una fuerza que lo acelera , el valor de esta

aceleracin es directamente proporcional a la fuerza e inversamente

proporcional a la masa.


38/148

Es d

Podemos comprobar esta

masa de uno sea el dobl

cada cubo, se verificara q

PROBLEMAS APLICACIN

FUERZA Y LA ACELERACIO

PROBLEMA 1 Un caso pr

caminar.

F

Fig. 1 Fuerza del resorte p

Aceleracin segn la a = F/m

Clculo estadstico pa

ku (con compresin)

representa la elongaci

cir: a= o

ley colocando dos cubos de un metal don

e del otro. Si aplicamos la misma fuerza

e la aceleracin

E LA SEGUNDA LEY DE NEWTON O LE

N

ctico representa la medida de la altura del p

ara modelar la dinmica del paso al caminar

egunda Ley de Newton

a el valor medio de la Fuerza y aceleracin

y F = 0 (sin compresin) u = 0. La varia

n

38

e la

obre

DE

ie al

: F =

le u


39/148

(a)

Fig. 2 fuerza para dos situacio

F = ku + 02

a = ku

2m

3.3 PRCTICA: APLICACIO

PROBLEMAS DE APLICA

Problema 1. Usando la for

u=(1/2) at =(ku/4m) t

Frmula para el tiempo de

Problema 2. Calculo de la

atVelz

(b)

es (a) sin compresin u = 0 (b) con compre

ES AL CALCULO DE ELONGACIONES

CION

ula de la elongacin:

elongacin:

velocidad del paso:

um

kong

39

in.


40/148

40

PROBLEMAS PARA RESOLVER

1. Explicar la disminucin de la velocidad en los ancianos.

2. . Explicar la disminucin de la longitud de los pasos.

3. Indicar los elementos que participan en los movimientos.

4. Cuando se levanta a un paciente sentado, nos agachamos para cogerle

y luego nos estiramos, pero manteniendo los pies fijos en el suelo. Ese

movimiento de pivote sobre los pies como punto fijo, supone una

rotacin de la cabeza femoral en el acetbulo y aumenta el desgaste del

cartlago articular. Analizar el estiramiento.


41/148

41

5. Al levantar al paciente, el movimiento de levantarle ejerce una

resistencia en nuestro brazo, especialmente a nivel del hmero, que

exige la co-contraccin de la musculatura escapulohumeral y humeral

para impedir que el hmero se luxe y se salga de la cavidad glenoidea

de la escpula. Analizar el estiramiento.


apndice 3).

3.4 REFERENCIALES


2. SERWAY, RAYMOND. Fundamentos de Fsica. Mxico: Edit. Cengage, 2010


42/148

42

CAPITULO IV

ENERGIA

El grafeno fue producido y aislado para reemplazar al silicio en la

produccin de energas renovables como en la construccin de paneles

solares

Konstantin Novoselev-Andrei Geim

OBJETIVOS

I. Definir y obtener formulas para el trabajo la energa potencial gravitacional, la

energa cintica, la potencia, el impulso y el momentum

II. Establecer la ley de la conservacin de la energa

III. Aplicar las formulas a problemas de salud

Energa es la capacidad que tienen los cuerpos para realizar trabajo.

Actualmente se sabe que los campos de energa son la base de nuestra

actividad biolgica. Es una estructura electromagntica y lumnica que

mantiene sincronizadas todas las funciones del cuerpo y cuando esa estructura

bioenergtica se desequilibra comienzan a aparecer determinados sntomasfsicos, psquicos, emocionales y espirituales que habitualmente llamamos

enfermedades. Nuestros cambios emocionales modifican nuestro ADN y

consecuentemente pueden ser positivo o negativo el balance energtico de

nuestro cuerpo.

El salto de una persona depende del trabajo realizado por los msculos. Este

trabajo se convierte en energa mecnica y que se supone que no hay

disipacin de energa

Frmulas matemticas: La fuerza es dada en Newton y matemticamente por F = m.a, donde m

es la masa y a la aceleracin.

El trabajo mecnico W es dado por W = F.d, donde d es la distancia

recorrida;

La potencia es dado en Watts y por la frmula matemtica; P = W/t


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43

4.1 TRABAJO Y ENERGA CINTICA

Un ejemplo tpico de uso de energa cintica es la carrera como ejercicio

fsico. En cada zancada, los msculos consumen energa para acelerar las

piernas y levantar el centro de gravedad del cuerpo. Esta energa se disipacuando las piernas se detienen y baja el centro de gravedad del cuerpo. En

este problema interviene una gran variedad de fuerzas disipativas. La potencia

consumida es F. v donde F es la fuerza y V la velocidad.

PROBLEMAS DE APLICACION

Problema 1. La marca mundial de los 5000 m es de 796.6 segundos

correspondiente a una velocidad media de 6.28 m/s. su potencia disipada es P

= D puede ser considerado proporcional a la velocidad, es decir D = c. v con c

= 89.7 Ns/m. en nuestro caso Potencia = c. v2 = (89.7 N s/m) (6.28 m/s)2 =3538 W.

La energa suministrada por el cuerpo humano es de 3330W, de modo

que el corredor est consumiendo la energa almacenada. La diferencia entre

la energa consumida y la energa producida es de 208 W.

Consideremos un corredor que demora 797 segundos en cubrir 5000 m

sabemos que la energa consumida puede ser dada por la frmula matemtica

W = P .t luego la energa consumida corresponde a E= (208 W) (797

s)=166000 J que representa aproximadamente a la energa total almacenada

de 193000 J.

4.2 ENERGA TOTAL DEL OSCILADOS ARMNICO

En analoga al problema del corredor tenemos que en caso de un resorte

la fuerza del resorte es descrita por la Ley de Hooke. La energa total del

resorte es dado por E = K A2 /2 donde A es la amplitud del resorte y K la

constante del resorte.

Conservacin de la energa

La energa de los sistemas dependientes de su posicin se llama energa

potencial. Esta energa se expresa en forma de trabajo, la energa potencial

implica que debe haber un potencial para producir trabajo. Por ejemplo,

suponga que el hincapilotes se utiliza para levantar un cuerpo de peso W


44/148

44

hasta una altura h sobre la estaca de la Tierra. Cuando el cuerpo se suelte,

realizar trabajo al golpear la estaca.

Esta energa potencial perdida reaparece en la forma de energa cintica de

movimiento. En la posicin final, la energa cintica es igual a la energa total y

la energa potencial es cero. El punto importante es que la suma de la energapotencial Ep y la energa cintica Ek es la misma en cualquier punto durante la

cada; la suma de de estas dos energas se denominan energa mecnica.

PROBLEMAS RESUELTOS

Problema 1. Una bola de 40kg. Se desplaza hacia un lado hasta una altura de

1.6m sobre su posicin ms baja. Despreciando la friccin, cul ser su

velocidad cuando pasa por su punto ms bajo.Solucin:

*energa potencial

Ep = mgh

*energa cintica

m g h = 1 m v2 v = 2 g h

2 v =5.6 m/s

Ec = 1 m v2

Ep = Ec


45/148

45

DATOS:

= 30H = 35 cm

L = 20 cm

4.3 PRCTICA: APLICACIONES AL CLCULO DE ELONGACIONES A

SISTEMAS BIOLGICOS

PROBLEMAS RESUELTOS

Problema 1. Dos estudiantes que pesan lo mismo parten simultneamente del

mismo punto en la planta baja, para ir al mismo saln en el tercer piso

siguiendo rutas distintas. Si llegan en tiempos distintos, Cul estudiante habr

gastado ms potencia ?

Solucin :

Efectan la misma cantidad de trabajo (igual masa, igual altura).El que llega

primero habr gastado ms potencia a causa del intervalo de tiempo ms corto.

Problema 2. En las colisiones haga una prediccin del espacio recorrido por

las segunda bola.

ap mghE

2

2mv

Ec

2

2

1gtH

g

Ht

2

tvx


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46

Solucin:

Paso 1 determinamos la altura

Paso 2 Calculemos la ENERGIA POTENCIAL Y ENERGIA CINETICA

Ep = m.g.h

Ep = m.g.L(I-Cos)

Ek = 1mv2

2

Paso 3 Determinar la velocidad con que golpea la 1

ra

bola a la 2

da

bola.Usando la ley de conservacin de energa, tenemos.

Ep = Ek

Entonces: m.g.h = 1m v2

2

V = 2gh

Paso 4. Determinar el espacio recorrido por la segunda bola.H=1gt2

2

h

Cos = CL

C = L Cos

h = L-C

h = L- LCos

h = L (1 - Cos)

g

Ht

2

tvx


47/148

47

Nota: En realidad se compara la energa mecnicas de ambas bolas y se

tiene:


1. Del extremo de un resorte se fija un cuerpo de 0.5 kg que le produce una

deformacin de 10cm Calcular:

a) El T de oscilacin del sistema di se separa el cuerpo 5 cm de su

posicin de equilibrio (0.628s)

b) La F de vibracin (1.59 Hz)

c) La A de la oscilacin (0.1 m)

2. Calcular la masa de un cuerpo que suspendido de un resorte de K = 5 N/m,oscila con un T de 2s (507g)

3. Calcular la masa que debe suspenderse del extremo del resorte del

problema1 para que el T de oscilacin sea 1s Qu distancia debe separarse

el cuerpo de su posicin de equilibrio? (1.27Kg)

4. a) Con qu T oscilara una esferilla de manera que pende de un hilo de

modo que la distancia entre el punto de suspensin y el centro de la esfera es

de 40cm?

b) Cul ser el T si en lugar de la esferilla de madera se pone una de fierro del

mismo dimetro? (1.26s)

5. Calcular la L de un pndulo para que su T sea 1s (25.4 cm)

6. Calcular el T con que oscila en la luna el pndulo del problema 5, si la

aceleracin de la gravedad en la luna es la sexta parte de la terrestre (2.45s)

7. En un lugar en el mar se ha visto que una cresta de ola tarda 10 s en

recorrer la distancia entre dos boyas separadas 200 m y que cada 4 s pasan

dos crestas consecutivas. Calcular:

a) La F con que se propagan las olas (0.25)

b) El T de las ondas (4s)

8. Calcular la L que emite un diapasn que vibra 80 veces por segundo (4.25)

9. El motor de un avin emite un sonido con F de 800 Hz.

a) Calcular la L de este sonido (42.5 cm)

BBAA pcpcEEE


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48

b) Si el avin viaja hacia el observador con velocidad de 646 km/h Cul es la

L que le llega? (20 cm)

c) Cul es la L que le llegar al observador cuando el avin se aleje de este?

(65 cm)

10. Calcular el T de oscilacin de un pndulo de 2.5 m de longitud.11. Una onda sinusoidal transversal es producida en un extremos de una

cuerda horizontal larga mediante una barra que mueve al extremo para arriba y

para abajo una distancia de 15.24 cm. El movimiento es continuo y se repite

regularmente dos veces cada segundo. Si la cuerda tiene una u de 2.39 g/cm y

conserva una tensin de 9N. Calcular:

a) La A (7.62 cm)

b) La velocidad (6.14 m/s)

12. Calcular la V de una onda transversal en una cuerda de 0.5 m de largo ycuya masa es 0.02 kg si la tensin en la cuerda es de 0.04 N.

13. Un hilo de longitud L = 3m y masa 0.3 kg. Tiene un extremo unido a un

vibrador y el otro extremo pasa por una polea y sostiene un bloqueo de masa M

= 9 kg Cul es la velocidad de la ondas transversales? Qu tiempo invierte el

pulso para recorrer todo el hilo?

14. Se observa que las olas se acercan a una v de 18 m/s. Hay una distancia

de 20m entre cresta y cresta Cul es la frecuencia de las olas? (0.9 Hz)

PRACTICA Nro. 4 En forma individual se desarrolla la practica Nro.4 (Vase

apndice 4).

4.4 REFERENCIALES


2. SERWAY, RAYMOND. Fundamentos de Fsica. Mxico: Edit. Cengage, 2010.


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49

CAPITULO V

FLUIDOS

Inyeccin de plasma como tcnica teraputica de problemas genticos

ya que destruyen el ADN "

OBJETIVOS

I. Calcular el peso especifico y la masa especifica o densidad absoluta deun slido o un fluido contenido de forma regular cuando se proporcione

su peso y su masa.

II. Definir y aplicar los conceptos de presin de fluido y fuerza de empuje

para resolver problemas de fsica aplicados aplicados a enfermera

Inicialmente veamos situaciones aparecen los fluidos gaseosos y lquidos.

Ejemplo 1. (Presencia de gases en la interface membrana alveolo capilar).Explicar el transporte de oxgeno y anhdrido carbnico por la arteria pulmonar.

En este caso se considera el proceso de difusin a nivel de membranas alveolo

capilares.


50/148

50

Ejemplo 2. Los pulmones en sus dos etapas inhalacin y exhalacin estas dos

etapas existen en la respiracin. Es un procedimiento que suministra oxgeno a

la sangre y expulsa el dixido de carbono.

Cules son las leyes de la Fsica para la inhalacin? Segn la ley del gas

ideal se tiene: presin proporcional a la inversa del volumen: p 1/V

Al bajar el diafragma y aumentar el volumen de la caja torcica, se reduce la

presin y el aire se inhala.

Cules son las leyes de la Fsica para la exhalacin? Cuando el diafragma se

mueve hacia arriba, el proceso se invierte y el aire es exhalado. Todo esto

basado en la Ley de Laplace y la tensin superficial.

La tensin superficial es un hecho que ocurre en la frontera o superficie de loslquidos. Tenemos dos situaciones: a) interior del lquido b) superficie del

lquido.

a) Fuerza neta nula b) Sobre las molculas hay una fuerza neta

As que cuando se inflan los alveolos hay una mayor tensin superficial. Una

vez que estn inflados, la exhalacin se completa cuando el diafragma se relaja

y la tensin en las paredes de los alveolos acta forzando el aire a salir.

Ejemplo 3 (Problema del colesterol) Podemos verificar que cuando las arterias

contienen en sus paredes grasa causan una disminucin del radio. Enconsecuencia el flujo sanguneo se dar con mayor velocidad alterando el

normal funcionamiento del cuerpo humano.


51/148

51

5.1 LAS TRES FASES DE LA MATERIA. LA PRESIN SANGUNEA.

Los estados lquido, gaseoso y slido de la materia son importantes en

el anlisis biofsico del cuerpo humano. El estado plasma es muy importante

por el uso en la eliminacin del ADN. La presin sangunea relacionado alfuncionamiento del motor (corazn) humano ser relevante en el anlisis de la

transfusin de la sangre al igual que la presin venosa considerada con el valor

de 15 mm Hg aproximadamente.

5.2 EMPUJE. PRINCIPIO DE ARQUIMEDES

Cuando un cuerpo es sumergido en agua esta experimenta una fuerza

denominada empuje debido al desplazamiento del volumen de agua segn el

principio de Arqumedes. La frmula del empuje es dado por m(f)g, donde m(f)es la masa del fluido desplazado. Si el peso es menor que el empuje sube, si el

empuje es igual al peso entonces el cuerpo flucta. El cuerpo llegar al fondo si

su peso es mayor que el empuje.

5.3 APLICACIN A LA ENFERMERA

Las aplicaciones relevantes son datos en la transfusin intravenosa.

PROBLEMAS DE APLICACIN

Problema 1. Una infusin intravenosa (IV) es un tipo de ayuda de la gravedad

muy del caso de sondas espaciales que viajan con energa gratuita por el

efecto catapulta gravitacional (vase (3)). Considere un paciente que recibe

una IV por flujo gravitacional en un hospital, si la presin manomtrica

sangunea en la vena es de 20.0 mm Hg o 2.66x103 Pa, a qu altura deber

colocarse la botella para que la IV funcione adecuadamente?

Solucin:

A una altura h la presin hidrosttica ser de:

=

Para tener entrada a la vena debemos tener :


52/148

52

Luego / =2.66x103 Pa/ (1.05x103 Kg/m3) (9.80 m/ s2 )= 0.259 m.

5.4 LEY DE POISEUILLE. Exploracin de la presin arterial.

La Ley de Poiseuille indica que el flujo sanguneo es inversamente proporcional

a la resistencia al flujo sanguneo. En el caso de la transfusin de sangredebemos considerar la diferencia de presin y determinar la altura necesaria

para colocar el lquido (sangre) a ser infundido. Considerando el flujo Q en un

tubo cilndrico de longitud L y radio r tenemos la Ley de Poiseuille :

=

=

8

PROBLEMA DE APLICACIN

Problema 1. En un hospital se desea realizar una transfusin de sangre, que

se administrara a travs de una vena del brazo por IV gravitacional. Se requiere

suministrar 500 cc de sangre entera durante un periodo de 10 min a travs de

una aguja calibre 18, de 50 mm de longitud y dimetro interior de 1.0 mm. A

que altura sobre el brazo deber colgarse la bolsa de sangre?. Suponga que la

presin venosa es de 15 mm Hg.

Solucin:

Tenemos los datos:

V=500 cc

t=10 min=600 s

L=50 mm

Radio=0.50 mm

Presion salida= 15 mm Hg

Viscosidad= 1.7 x10-3 Pl

La tasa de flujo es :

=5.0 10

6.00 10= 8.33 10 /


53/148

53

Insertamos este valor en la ecuacin de Poiseuille y despejamos la diferencia

de presin:

=8

=8( 1.7 10 ) ( 5.0 10 ) ( 8.33 10 / )

( 5.0 10 )

= 2.9 10

Dado que

=

= = 2.9 10 2.0 10 =4.9 10

= =.

. / ) ( . / )= 0.48

Luego debemos colocar la bolsa de sangre a unos 48 cm arriba de la aguja en

el brazo.

5.5 PRCTICA: Aplicaciones con la Ley de Laplace

La ley de Laplace es una condicin de equilibrio existente en una esfera de

radio r considerando la presin en exceso y la tensin ejercida por el

material:

=


Problema 1. El primer aliento del bebe. Todos sabemos que es ms difcilinflar un globo por primera vez, que inflarlo en ocasiones posteriores. Esto

se debe a que la presin aplicada no crea mucha tensin en el globo para

iniciar el proceso de estiramiento. Aqu debemos usar la famosa Ley de

Laplace que indica la necesidad de tener un mayor incremento en la

tensin para expandir un pequeo globo, que expandir un globo de mayor

tamao. La tensin superficial alveolar al final de la espiracin es de 5x10-3

Nm-1 y el radio del alveolo es de 50x 10-6 m. En los nios que sufren la

enfermedad de la membrana hialina, la tensin superficial al final de la

espiracin vale 25x10-3 Nm-1 y el radio del alveolo es de 25x 10-6 m.

Evaluar el valor de la presin necesaria para inflar los alveolos en cada

caso.


54/148

54

Solucin:

En un recin nacido:

=2

=2 5 1 0

50 10

= 2 1 0

En un recin nacido enfermo:

=2

=2 2 5 1 0

2 5 1 0= 2 10

Por tanto, el nio enfermo deber realizar un esfuerzo superior para respirar,

dado que tendr que conseguir una presin (Vase exceso de presin en

(4)) diez veces mayor.


apndice 5).

5.6 REFERENCIALES

1. TIPPENS, PAUL. Fsica Bsica. Mexico: Edit. Mc Graw Hill,1985.2. SERWAY, RAYMOND. Fundamentos de Fsica. Mxico: Edit. Cengage,

2010

3. WILSON, JERRY. Fsica. Mxico: Edit. Pearson, 2007.

4. JOU, DAVID. Fsica para ciencias de la vida. Mxico: Edit. Mc Graw

Hill,2009.


55/148


56/148

56

que en caso de personas con problemas respiratorio ser mayor y por tanto

existir problemas en la ventilacin.

6.1 TEORA CINTICA DE LOS GASES

La teora cintica de los gases es una teora fsica que explica elcomportamiento y propiedades macroscpicas de los gases a partir de una

descripcin estadstica de los procesos moleculares microscpicos. La teora

cintica se desarroll con base en los estudios de fsicos como Ludwig

Boltzmann y James Clerk Maxwell a finales del siglo XIX.

El nmero de molculas es grande y la separacin media entre ellas es grande

comparada con sus dimensiones. Por lo tanto ocupan un volumen despreciable

en comparacin con el volumen del envase y se consideran masas puntuales.

Las molculas obedecen las leyes de Newton, pero individualmente se mueven

en forma aleatoria, con diferentes velocidades cada una, pero con una

velocidad promedio que no cambia con el tiempo.

Las molculas realizan choques elsticos entre s, por lo tanto se conserva

tanto el momento lineal como la energa cintica de las molculas.

Las fuerzas entre molculas son despreciables, excepto durante el choque. Se

considera que las fuerzas elctricas o nucleares entre las molculas son de

corto alcance, por lo tanto solo se consideran las fuerzas impulsivas que

surgen durante el choque.

El gas es considerado puro, es decir todas las molculas son idnticas.

El gas se encuentra en equilibrio trmico con las paredes del envase.

Estos postulados describen el comportamiento de un gas ideal. Los gases

reales se aproximan a este comportamiento ideal en condiciones de baja

densidad y temperatura.

Presin

En el marco de la teora cintica la presin de un gas es explicada como el

resultado macroscpico de las fuerzas implicadas por las colisiones de las

molculas del gas con las paredes del contenedor. La presin puede definirse

por lo tanto haciendo referencia a las propiedades microscpicas del gas.


57/148

57

En general se cree que hay ms presin si las partculas se encuentran en

estado slido, si se encuentran en estado lquido es mnima la distancia entre

una y otra y por ltimo si se encuentra en estado gaseoso se encuentran muy

distantes.

En efecto, para un gas ideal con N molculas, cada una de masa m y

movindose con una velocidad aleatoria promedio vrms contenido en un

volumen cbico V las partculas del gas impactan con las paredes del

recipiente de una manera que puede calcularse de manera estadstica

intercambiando momento lineal con las paredes en cada choque y efectuando

una fuerza neta por unidad de rea que es la presin ejercida por el gas sobre

la superficie slida.

La presin puede calcularse como

Este resultado es interesante y significativo no slo por ofrecer una forma de

calcular la presin de un gas sino porque relaciona una variable macroscpica

observable, la presin, con la energa cintica promedio por molcula, 1/2

mvrms, que es una magnitud microscpica no observable directamente.

Ntese que el producto de la presin por el volumen del recipiente es dos

tercios de la energa cintica total de las molculas de gas contenidas.

Temperatura

La ecuacin superior nos dice que la presin de un gas depende directamente

de la energa cintica molecular. La ley de los gases ideales nos permite

asegurar que la presin es proporcional a la temperatura absoluta. Estos dos

enunciados permiten realizar una de las afirmaciones ms importantes de la

teora cintica: La energa molecular promedio es proporcional a la

temperatura. La constante de proporcionales es 3/2 la constante de Boltzmann,

que a su vez es el cociente entre la constante de los gases R entre el nmero


58/148

de Avogadro. Este resultad

equiparticin de la energa.

La energa cintica por Kelvin

Por mol 12,47 JPor molcula 20,7 yJ = 129 e

En condiciones estndar de pr

energa cintica total del gas e

Por mol 3406 J

Por molcula 5,65 zJ = 35,2 m

Ejemplos:Dihidrgeno (peso molecular =

Dinitrgeno (peso molecular =

Dioxgeno (peso molecular = 3

Velocidad promedio de las mol

De las frmulas para la

caractersticas como

en donde Kb es la constant

Sustituyendo los valores, se o

donde v se mide en m/s, T en

Para una temperatura estnd

son:

Dihidrogeno1846 m/s

Dinitrgeno 493 m/s

Dioxigeno 461 m/s.

Las velocidades ms probable

permite deducir el principio o teorem

s:

V

esin y temperatura (273,15 K) se obtiene q

s:

eV

2): 1703 kJ/kg

28): 122 kJ/kg

2): 106 kJ/kg

culas

nerga cintica y la temperatura se ti

de Boltzmann y T la temperatura en Kel

tiene que

elvins y m_m en uma.

r la velocidad promedio de las molculas d

s son un 81,6% de estos valores.

58

de

ue la

enen

lvins.

gas


59/148

59

6.2 VALORACIN DE LA RESPIRACIN

Por respiracin generalmente se entiende al proceso fisiolgico

indispensable para la vida de organismos aerbicos. Segn los distintos

hbitats, los distintos seres vivos aerbicos han desarrollado diferentes

sistemas de intercambio de gases: cutneo, traqueal, branquial, pulmonar.Consiste en un intercambio gaseoso osmtico (o por difusin) con su medio

ambiente en el que se capta oxgeno, necesario para la respiracin celular,

y se desecha dixido de carbono, como subproducto del metabolismo

energtico y vapor de agua. La Figura 1 refleja el intercambio de gases

para el caso de la membrana alveolo capilar.

Fig.1 Difusin del oxigeno y del anhdrido carbonico para el caso de la

membrana alveolo capilar.

La difusin es el flujo neto de tomos o molculas de las zonas de mayor

concentracin a las de menor concentracin. La distancia cuadrtica media,

( _ ) , se relaciona con el tiempo mediante la frmula estadstica:

( _ ) = 2 D t

Donde D se denomina constante de difusin. O valor de D depende del tomo

o molcula que se difunde o del disolvente o medio, como se muestra en la

tabla:


60/148

60


Problema 1. Los alvolos pulmonares son pequeos saquitos de aire de unos

10-4 m. de radio. La membrana de estos saquitos que separa el espacio

ocupado por el aire de los capilares sanguneos tiene unos 0.25 x 10-4 m. de

grosor. Los capilares tienen un radio de unos 5 x 10 -6 m. (a) Suponiendo que el

aire se difunde a travs de las membranas y de la sangre como lo hace en el

agua, qu tiempo se necesita para que el O2 se difunda desde el centro de un

alvolo hasta el centro de un capilar? (b) Compararlo con el tiempo en que la

sangre recorre un alvolo (una dcima de segundo)

Los tiempos de difusin en el alvolo, membrana y capilar son:

i) En el alvolo:

ii) En la membrana:

iii) En el capilar:

MOLCULA DISOLVENTE D (m2s-1)

Oxgeno (O2) Aire 1.8 x 10-

Oxgeno (O2) Agua 1.0 x 10-

Hidrgeno (H2) Aire 6.4 x 10-

Hemoglobina Agua 6.9 x 10-

ssm

m

D

rt

a

aa

4

25

24

2

1077.2)/108.1(2

)10(

2

ssm

m

D

xt

m

mm 3125.0

)/101(2

)1025.0(

229

242

ssm

m

D

xt

c

cc 0125.0

)/101(2

)105(

229

262


61/148

61

El tiempo promedio es dada por la suma del recorrido por los radios y la

interface segn la Figura 2 tenemos:

t = ta + tm + tc = 2.77 x 10-4s + 0.3125s + 0.0125s = 0.3253s

Fig.2 Difusin del oxigeno para el caso de la membrana alveolo capilar.

b) Si ts= 0.10 s es el tiempo que la sangre tarda en recorrer un alvolo,tenemos:

osea:

t = 3.253 ts

6.3 PRCTICA: APLICACIONES A LA ENFERMERA. AUSCULTACIN

La auscultacin es el procedimiento clnico de la exploracin fsica que

consiste en escuchar de manera directa o por medio de instrumentos

como el estetoscopio, el rea torcica o del abdomen, en busca de los

sonidos normales o patolgicos producidos por el cuerpo humano. Los


62/148

62

ruidos ms comunes encontrados a nivel patolgico en el proceso antes

mencionado son: roncus, crepitus o crepitantes, sibilancias y estertores.

Casos como la insuficiencia respiratoria estn relacionados con el

engrosamiento de la membrana alveolo capilar. Para llegar del alvolo al

interior del glbulo rojo, el oxgeno debe atravesar estructuras cuyo grosortotal vara entre 0,1 y 0, 4 micrones. Estas estructuras son una capa

monomolecular de sustancia tensoactiva dispuesta sobre la superficie del

lquido alveolar, la capa de lquido que recubre el alvolo, el epitelio

alveolar, la membrana basal, el intersticio pulmonar (que es casi

inexistente en las reas finas de la pared alveolar donde tiene lugar la

difusin) y el endotelio capilar. En condiciones normales, el grosor de la

membrana prcticamente no constituye un obstculo mensurable, pero en

enfermedades que infiltran al intersticio pulmonar se puede generar unobstculo entre aire y sangre que demore significativamente la difusin

del O2.

Otro caso es el enfisema que representa una enfermedad obstructiva

crnica de los pulmones, caracterizada por la distensin excesiva de los

alveolos.


Problema 1. Si una vez seco, el aire espirado contiene 5.6% de CO2, halle la

presin parcial de CO2 disuelto en los pulmones a la presin atmosfrica.

Solucin:

Al secar el aire se elimina la presin del vapor de agua y se reduce la presin

media del aire en los pulmones. Como la presin del vapor de agua es Pa = 47

mmHg, la presin media es P = Patm - Pa .

Aplicando la Ley de Dalton, la presin parcial del CO2 en los alvolos ser:

Reemplazando datos:

)(222 aatmCOCOCO

PPXPXP

mmHgmmHgPCO 928.39)47760(056.02


63/148

63

Problema 2. El aire de los pulmones (aire alveolar) tiene una composicin

diferente del aire atmosfrico. Por ejemplo, la presin parcial del dixido de

carbono en el aire alveolar es 40 mmHg. Cul es el porcentaje de CO 2 en el

aire alveolar?

Solucin:

La presin parcial del CO2 en los alvolos se calcula con la formula:

Despejando y reemplazando datos, tenemos:

Problema 3. El oxgeno constituye solo el 13.6% del aire en los pulmones

(aire alveolar). Cul es la presin parcial de O2 en los pulmones?.

Solucin:

La presin parcial del O2 en los pulmones es:


Problema 1. La membrana alvolo/capilar de los pulmones acta como una

barrera de aproximadamente 5m de ancho. A travs de ella deben difundir los

gases O2. a) Cunto tiempo demora el Oxgeno en atravesar esta barrera?

b) Una persona fumadora aumenta el espesor de esa barrera cuatro veces.

Cunto tiempo tardar ahora el Oxgeno en difundir hacia los pulmones?

)(222 aatmCOCOCO

PPXPXP

2COX

%6.5)47760(

402

2

mmHg

mmHg

PP

PX

aatm

CO

CO

)(22 aatmOO

PPXP

mmHg)47760)(136.0(

mmHg97


64/148

64

Problema 2. La membrana alvolo/capilar de los pulmones acta como una

barrera de aproximadamente 5m de ancho. A travs de ella deben difundir los

gases CO2 .

a) Cunto tiempo demora el CO2 en atravesar esta barrera?

b) Una persona fumadora aumenta el espesor de esa barrera cuatro veces.Cunto tiempo tardar ahora el CO2 en difundir hacia los pulmones?


apndice 6).

6.4 REFERENCIALES


2. SERWAY, RAYMOND. Fundamentos de Fsica. Mxico: Edit. Cengage, 2010


65/148

ENERGIA LIBRE, ENTAL

La energa libre de Gibbs

que da la condicin de equ

qumica. Asimismo para co

conocimiento de los grupos

que su energa se mantenga

OBJETIVOS

I. Escribir formulas p

II. Establecer y brind

leyes termodinmic

APITULO VII

IA Y ENTROPIA

entalpia libre es un potencial termodin

librio y de espontaneidad para una rea

batir la resistencia bacteriana es importa

uncionales existentes en el medicamento

pueda superar el ataque bacteriano.

ra calcular capacidad calorfica.

r ejemplos que ilustren la comprensin d

as

65

ica

cin

te el

para

e las


66/148

66

CONTENIDO

Las personas nos movemos gracias a la energa que nos proporcionan los

alimentos. La energa qumica que nos proporcionan los alimentos que

tomamosdiariamente la transformamos en distintos tipos de trabajo: levantarnos,

asearnos, desplazarnos hasta el instituto, estudiar, hacer deporte.

Transformamos la energa qumica de los alimentos en energa muscular.

Termodinamicamente el cuerpo humano es un sistema abierto. Los

tratamientos de acupuntura consideran la existencia de ms de 2000 puntos de

acupuntura en el cuerpo humano. Usando agujas y calor esta tcnica espera

un alivio del dolor de pacientes con enfermedades.

7.1 FORMULAS TERMODINMICAS

Las formulas termodinmicas consideran todas medidas usadas en calorimetra

teniendo como base el conocimiento del calor especifico de los materiales.

Formulastermodinmicas

Aplicaciones de la termodinmica a reacciones

moleculares (DNA) y metablicas

Teora de ondas

Resonancia y aplicaciones a nivel de

or anismo humano molecular

ENERGIA


67/148

67

FORMULAS TERMODINAMICAS

CALOR

ESPECFICOc =Q/mt

Q=Calor ; m=masa ;

T=temperatura

CAPACIDAD

CALRICAC=m.c=Q/t

Q=Calor ; m=masa ;

T=temperatura

ECUACIN GASES

IDEALES

pV=nRT [R=8,341 J/Kmol=2

cal/Kmol]

p=presin ; V=volumen

; n=n de moles ;

T=temperatura abs.

R=constante gases

ideales

PRESIN GASp=F/S ; usando la teora

cintica: p=1/2 .c2

F=fuerza ; S=superficie

; =densidad ;

c2=cuadrado de la

veloc. molecular

cuadrtica media

ENERGA

CINTICA

MOLECULAR

MEDIA

(para un gas ideal) Ec=3/2kT

[k=1,38x10-23 J/K]

k=cte. de Bolzmann

(cte. de gases ideales

molecular);

T=temperatura abs.

VELOCIDAD

CUADRTICA

MEDIA

(para un gas ideal)

c=(3kT/m)=(3RT/Mm)

k=cte.Bolzmann ;

T=temperatura abs. ;

m=masa molecular ;

R=cte.gases ;

Mm=masa molar

CALOR

ESPECFICO

MOLAR GAS

presin=cte.: Cp=dQ/ndt ;

volumen=cte.: Cv=dQ/ndt ;

Q=Calor ; n=n de

moles ;

t=temperaTURA

CALORIMETRA

DE GASESQ=nCm.t

Q=Calor ; n=n de

moles ; t=temperatura ;


68/148

68

Cm=calor especfico

molar (Cp Cv)

1er.PRICIPIO

TERMODINMICA dQ=dU+dW ; 12

(dQ-dW)=U

Q=calor suministrado ;

U=energa interna ;W=trabajo

ENERGA INTERNA

GAS PERFECTO

usando teora cintica:

U=L/2RT

L=grados de libertad de

molculas gas ;

R=cte.gases ;

T=temperatura abs.

CALORESMOLARES GAS

IDEAL

para gases ideales: Cv= /2R ;

Cp=Cv+R[monoatmicos: L=3 ;

biatmicos: L=5 ; triatmicos;

L=6]

Cv,Cp=calores

especficos molares ;

L=grados libertad

molcula ; R=cte.gases

ENTALPA

proceso a presin constante:

Q=U+pV (pV=trabajo de

expansin ) ; dQ=CpdT

U=var.energ.interna;

p=presin;

V=var.volumen ;

Cp=calor molar p cte.;

T=temperatura

ENTROPA

(2Princ.)

dQ/T dS ; 12 dQ/T S

[transformacin real: signo < ;

transf.reversible: signo =]

S=entropa ; Q=calor ;

T=temperatura absoluta

ENERGA LIBREenerga interna transformable

en trabajo: F=U-TS

U=energa interna total

; T=temperatura abs. ;

S=entropa


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69

TERMODINAMICA

Es la ciencia que estudia los cambios energticos que acompaan los cambios

fsicos y qumicos. Establece relaciones entre diferentes formas de energa:

calor y trabajo. Adems establece leyes que gobiernan la conversin de calor a

otras formas de energa. (Define los criterios de espontaneidad para proceso

fsicos).

Un estudio termodinmico se desarrolla sin necesidad de conocer la estructura

molecular atmica de la materia y solo envuelve propiedades macroscpicas

como presin, temperatura, volumen y las relaciones entre stas.

Conceptos importantes

A. Sistema - aquella parte o porcin del universo bajo estudio.

B. Frontera - separa el sistema de los alrededores o del ambiente.

C. Ambiente o alrededores - el resto del universo.


70/148

Fig.1 Co

D. Sistema aislado - aquel sis

calor entre el sistema y el a

E. Sistema cerrado - hay inte

F. Sistema abierto - hay inter

G. Estado - la condicin de

propiedades macroscpicas n

[moles], estado fsico) i. e. (1

4 atmsferas).

H. Funcin de estado (o va

sistema que dependen nicam

de la historia anterior del siste

dado por

I. Trabajo (w) - Es uno de lo

travs de la frontera. Se defin

de desplazamiento (F x d = ).

1. Unidades= N x m = J (ne

energa en el sistema internaci

FRONTERA

AMBIENTE

mponentes termodinmicos

tema donde no exista intercambio de masa,

biente a travs de la frontera.

cambio de calor (o energa), pero no de ma

ambio de masa y de calor (o energa).

n sistema que se describe por un conjunt

ecesarias para definirlo completamente (P,

ol de bixido de carbono, V = 2 L, t = 40C

riable de estado) - son las propiedades d

ente del estado inicial y final de un sistema

a). En cambio en esa funcin de estado, X,

X = X2 - X1

mtodos de transferir energa de un siste

e como el producto de la fuerza por la dist

ton por metro = julios que son las unidad

onal [SI]).

70

ni de

a.

o de

T, n

, P =

e un

(y no

est

a a

ncia

s de


71/148

2. Convencin - Si es sistem

negativo. Si el ambiente hace t

J. Calor (q) - es el otro mtod

la frontera.

1. Unidades- J, (anteriorment

2. Convencin - si el calor fl

negativo, pero si fluye del amb

a hace trabajo sobre el ambiente el trabaj

rabajo sobre el sistema, el trabajo es positiv

o de transferir energa de un sistema a trav

era caloras; 4.184 J = 1 calora).

uye del sistema hacia el ambiente el cal

iente al sistema, el calor es positivo.

71

o es

.

s de

r es


72/148

72

K. Energa Interna (E o U) - Corresponde a la energa total que tiene el sistema

como consecuencia de la energa cintica de sus tomos, iones o molculas,

adems de la energa potencial que resulta de la fuerzas de interaccin entre las

partculas, es una funcin de estado).

El valor absoluto o real de la energa interna de cualquier sistema no se conoce ni

se puede medir, lo que se mide es el cambio de energa:

U = Uf - Ui.

Ley Cero

Dos sistemas aislados A y B, que son puestos en contacto trmico acaban

estando en equilibrio trmico.

Si A est en equilibrio trmico con B y B est en equilibrio trmico con C, A y C

estn en equilibrio trmico.

Primera Ley

Ley de Conservacin de Energa - Establece que la energa se puede

convertir de una forma a otra (o ser transferida), pero no se puede crear ni

destruir. La energa del universo es constante.

La energa puede ser transferida en forma de trabajo (W), (mtodo de

transferencia de energa de un sistema mecnico a otro) o en forma de calor

(q) , (debido a cambios en temperatura).

La representacin matemtica es:

= + =

+ =


73/148

73

Tipos de trabajo

1. Trabajo PV, (expansin - compresin): este es el trabajo hecho por un

sistema al expandirse o contraerse contra un presin externa.

= = ( ) =

Este producto tiene unidades de energa ya que 1 L-atm = 101.3 J.

La frmula del Wnos lleva a las siguientes conclusiones:

a. Si V > 0, w < 0, por lo tanto el sistema hace trabajo sobre elambiente.

b. Si V < 0, w > 0, por lo tanto el ambiente hace trabajo sobre el

sistema.

c. A volumen constante V = 0 , w = 0, por lo tanto U = q, (q V).

El calor liberado o absorbido se puede medir en un calormetro.

d. A presin constante P = 0, U = qP - PV

Por lo tanto qP = U + PV.

Esta expresin se convierte en una nueva propiedad termodinmica

que se conoce como entalpa.

2. Nueva propiedad termodinmica:

H = ENTALPA

H = U + PV o H = U + (PV).

Entonces qP = H a presin constante y la entalpa es una funcin de

estado.


74/148

74

Mtodos para calcular qV o qP.

A. = =

Donde C es la capacidad calorfica molar y c es la capacidad calorfica por

unidad de masa.

PROBLEMAS RESUELTOS

Problema 1.

Calcular de cantidad de calor requerido para aumentar la temperatura de

un lingote de acero de una temperatura inicial de 25 para 450 grados

Celsius.

Solucin: usando la formula termodinmica = obtenemos

= 9.6 10 .

B. Volumen constante : = =

C. Presin constante : = =

D. Para gases monoatmicos CV = (3/2)R [Principio de Equiparticin de

Energa] y a mayor complejidad de las molculas mayor el valor de

CV debido a que adems del movimiento traslacional, las molculas

pueden rotar y vibrar.

Relacin entre H y U

Para slidos y lquidos el volumen se mantiene aproximadamente constante en

un cambio de estado y entonces qP = U + PV = U ya que V = 0

Adems qV = U, por lo tanto para slidos y lquidos qP . qV y entonces H =

U.

Para gases H = U + PV y como PV = nRT entonces H = U + (nRT)

Donde n = productos - reactivos.

Clculos de Hmde una reaccin.

A. Mediante medidas calorimtricas calculando qP.


75/148

75

PROBLEMA RESUELTO

Problema 1.

Se mezclan 250.0 mL de HCl 1.00M a 20.38C con 250.0 mL de NaOH 1.00 M

a la misma temperatura. La temperatura de la mezcla sube a 27.80C. Si lacapacidad calorfica CP para el calormetro es de 1976 J/K, calcule Hm (molar).

Solucin:

qP = CP T = 1976 J/K (27.80 - 20.38)K = 14.66 kJ. Como el sistema liber calor

debido a que la temperatura aument, entonces qP = - 14.66 kJ y as es que el

H molar = (qP/n) = -(14.66kJ/0.250 moles).

Entropa

Los procesos espontneos de la naturaleza tienen cierta direccin natural que

es completamente inexplicable a base de la primera ley de termodinmica.

Adems algunos proceso no parecen seguir el criterio de alcanzar un mnimo

de energa potencial. La segunda ley de termodinmica identifica un factor que

explica procesos espontneos. Este factor es una nueva funcin de estado que

provee un criterio general para identificar el estado de equilibrio y la direccin

de la espontaneidad. Se le conoce como ENTROPA.

La ENTROPA: Se define como una medida de desorden molecular de un

sistema, una medida de la probabilidad termodinmica,

= .

Donde:

k = R/No

= 1.38 x 10-23 Julios/K (R es la constante de los gases y No

es elnmero de Avogadro..

w = se define como los diferentes arreglos microscpicos que corresponden a

un estado macroscpico. Nos permite decidir cuanto ms probable es un

estado sobre otro. Aumenta para un cabio que es espontneo y es mayor para

una situacin ms probable que para una menos probable.


76/148

PROBLEMAS RESUELTOS

PROBLEMA 1.

Si la probabilidad termodinmi

, determine la entropa.

Solucin:

Como , entonc

S = 2.303 k log w = 2.303 (1.39

Nota: en un proceso espontnea uno ms desordenado el cu

estadstica que uno ordenado.

PROBLEMA 2.

Si en el proceso de mezclarprobabilidad del estado que se r

ica para un mol de propano a 500 K y 1 at

s,

10-23 Joules/K) x 1025 = 318 J/K.

, el sistema se mueve de un estado ms ordel representa una condicin de mayor probab

dos gases como se muestra en la figurepresenta en la parte inferior es:

76

m es

nadoilidad

a, la


77/148

veces mayor que l

la figura, cunto es el cambio

Solucin:

Resultado: 5.46 J/K

Variables que afectan la entr

A. Temperatura - a mayor

lo tanto el "desorden" yB. Presin - a mayor pre

menos orden; la entrop

C. La cantidad de susta

del nmero de moles.

entropa.

Como la entropa dependesustancia es conveniente trab

una atmsfera de presin, at

entalpa (donde Hm es cero

molar patrn no es cero para

Sf no es igual a la entrop

valores de la entropa molar

valores se usan para calcular

del estado representado en la parte superi

en entropa (DS) correspondiente?

opa.

temperatura, mayor el movimiento molecul

por lo tanto mayor la entropa.in se reduce el volumen y por lo tanto h

a estara aumentando.

cia, n - es una propiedad extensiva y dep

A mayor cantidad de sustancia, mayor se

e la presin, la temperatura y la cantidaajar con la entropa molar patrn, Sm a 2

). Note que, a diferencia de la convenci

ara elementos en su estado patrn), la ent

un elemento y la entropa de formacin p

molar patrn. Existen tablas que recoge

patrn, Sm para diferentes sustancias y

l cambio en entropa DS en una reaccin.

77

r de

r por

abr,

ende

r la

d deC y

n de

ropa

trn,

los

stos


78/148

PROBLEMA 3.

Prediga el signo de DS y deter

Solucin:

Como se forman menos mole

"orden", por lo tanto la entr

Utilizando los datos termodin

PROBLEMA 4.

1. A mayor grado de libertadmayor ser la entropa.

Cul tiene ms entropa?

a) Mayor entropab) Menor entropa

A mayor masa molar, mayor l

SUSTAHNAr

mine su valor para los siguientes casos:

s (n = -1) que los iniciales, implica que hay

pa disminuye y el signo de DS es neg

icos de la literatura comprobamos:

e movimiento de los tomos en la molcula,

entropa:

NCIA S 0m(J/K-mol)126146155

78

ms

tivo.


79/148

79

a. Fase del sistema - la entropa aumenta al ir del estado slido al lquido algaseoso.

b. Complejidad de la molcula - la entropa aumenta a mayor complejidad dela molcula (aunque las masas sean parecidas)

Ar F2 CO2 C3H8Masa (g/mol) 40 38 44 44S (J/mol-K) 155 203 214 270

c. Fortaleza de enlace - a mayor fortaleza de enlace, mayor carga, mayorfuerza de atraccin, la entropa disminuye.

masa (g/mol) S0 (J/mol-K)

Na+ F- 42 52Mg + O - 40 27Al + N - 41 20

Segunda Ley

En un proceso espontneo la entropa del Universo (o entropa total) aumenta.

En equilibrio (o en proceso reversible) la entropa se mantiene constante.

Hay que tomar en consideracin el cambio en entropa total (Stotal) que incluye

dos cambios en entropa, para decidir si una reaccin es o no espontnea:

1. El cambio en entropa del sistema (Ssistema)

2. El cambio en entropa del ambiente (Sambiente).

Cuando una reaccin es espontnea el Stotal = Ssistema + Sambiente aumenta o

es mayor que cero (>0). El S del sistema se calcula usando los valores de la

literatura para Sm0 y el del ambiente se determina por:

= /

Los criterios de espontaneidad son:

Stotal > 0 espontneo

Stotal < 0 no espontneo


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Stotal = 0 equilibrio

Tercera Ley

La entropa de un cristal pertemperatura de cero absoluto (0

Ejemplo:Representacin de sK.

Los dipolos estn orientados

poco, aumenta el 'desorden".

Ejemplo 1:

Determine el cambio en entrop

SustanciaC(s)H(g)O2(g)

CH3OH(l)

Observen y comparen los valor

Aplicando la formula se obtiene(unidades entrpicas)

ectode un elemento o compuesto es ceroK).

lido cristalino de monxido de carbono (C=O)

en una sola direccin. Cuando se calient

a para la reaccin en el estado patrn de:

S0 (cal/mol-K)1.3631.249.030.0

s de entropa d

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