UNIDAD II
TERMODINÁMICA DE LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS.
SISTEMAS BIOFÍSICOS MECÁNICOS.
La termometría se encarga de la medición de
la temperatura de cuerpos o sistemas. Para este fin, se utiliza el termómetro,
que es un instrumento que se basa en el cambio de alguna propiedad de la
materia debido al efecto del calor; así se tiene el termómetro de mercurio y de
alcohol, que se basan en la dilatación, los termopares que deben su
funcionamiento al cambio de la conductividad eléctrica, los ópticos que detectan
la variación de la intensidad del rayo emitido cuando se refleja en un cuerpo
caliente.
Existen varias escalas termométricas para medir
temperaturas, relativas y absolutas.
A partir de la sensación fisiológica, es
posible hacerse una idea aproximada de la temperatura a la que se encuentra un
objeto.
Pero esa apreciación directa está limitada por
diferentes factores; así el intervalo de temperaturas a lo largo del cual esto
es posible es pequeño; además, para una misma temperatura la sensación correspondiente
puede variar según se haya estado previamente en contacto con otros cuerpos más
calientes o más fríos y, por si fuera poco, no es posible expresar con
precisión en forma de cantidad los resultados de este tipo de apreciaciones
subjetivas. Por ello para medir temperaturas se recurre a los termómetros.
En todo cuerpo material la variación de la
temperatura va acompañada de la correspondiente variación de otras propiedades
medibles, de modo que a cada valor de aquella le corresponde un solo valor de
ésta. Tal es el caso de la longitud de una varilla metálica, de la resistencia
eléctrica de un metal, de la presión de un gas, del volumen de un líquido, etc.
Estas magnitudes cuya variación está ligada a la de la temperatura se denominan
propiedades termométricas, porque pueden ser empleadas en la construcción de
termómetros.
(Gonzales, 2018)
Para definir una escala de temperaturas es
necesario elegir una propiedad termométrica que reúna las siguientes
condiciones:
La expresión matemática de la relación entre la
propiedad y la temperatura debe ser conocida.
La propiedad termométrica debe ser lo bastante
sensible a las variaciones de temperatura como para poder detectar, con una
precisión aceptable, pequeños cambios térmicos.
El rango de temperatura accesible debe ser
suficientemente grande.
Una vez que la propiedad termométrica ha sido
elegida, la elaboración de una escala termométrica o de temperaturas lleva
consigo, al menos, dos operaciones; por una parte, la determinación de los
puntos fijos o temperaturas de referencia que permanecen constantes en la
naturaleza y, por otra, la división del intervalo de temperaturas
correspondiente a tales puntos fijos en unidades o grados.
Lo que se necesita para construir un
termómetro, son puntos fijos, es decir procesos en los cuales la temperatura
permanece constante. Ejemplos de procesos de este tipo son el proceso de
ebullición y el proceso de fusión.
“Durante toda su vida, los seres humanos
mantienen la temperatura corporal dentro de unos límites de variación muy
estrechos y protegidos a toda costa. Los límites máximos de tolerancia para las
células vivas corresponden a unos 0ºC (formación de cristales de hielo) y unos
45ºC (coagulación térmica de proteínas intracelulares); sin embargo, los seres
humanos pueden soportar temperaturas internas inferiores a 35ºC o superiores a
41ºC, aunque sólo durante períodos muy cortos de tiempo. Para mantener la temperatura
interna dentro de esos límites, el ser humano ha desarrollado unas respuestas
fisiológicas muy eficaces, y en algunos casos especializadas, al estrés térmico
agudo.
La finalidad de esas respuestas es
facilitar la conservación, producción o eliminación del calor corporal,
requieren la coordinación firmemente controlada de varios sistemas corporales.”
“El sistema de control del organismo es similar
al control termostático de una vivienda con funciones tanto de calefacción como
de refrigeración. Cuando la temperatura corporal sobrepasa una cierta
temperatura teórica “de referencia”, se activan las respuestas de los efectores
asociadas a la termólisis (sudoración, aumento del flujo sanguíneo periférico).
Cuando la temperatura corporal desciende por debajo del valor de referencia, se
inician las respuestas de termogénesis (reducción del flujo sanguíneo
periférico, escalofríos).
Los científicos han estado interesados en las
oscilaciones en reacciones bioquímicas como en los ritmos circadianos. Se han
estado usando técnicas como la espectroscoscopía, polarografía, manometría y
cromatografía para la investigación de reacciones oscilantes y también es
utilizada la calorimetría para el estudio del flujo de energía a través de los
sistemas. Los organismos degradan glucosa con el fin de obtener ATP (energía)
en un proceso anaeróbico por ejemplo en la fermentación alcohólica. Guante este
tipo de metabolismo ocurren reacciones oscilantes en metabolitos como en el
NAD+/NADH y esto se puede observar a partir de técnicas de calorimetría.
Desde hace un tiempo, investigaciones acerca de
los microorganismos han tenido un papel importante en la calorimetría clásica y
en la moderna, y ha estimulado diseños de instrumentos sofisticados para
ofrecer un crecimiento apropiado o existencia para los microorganismos. Se
conoce que los microorganismos consisten de tres etapas para su desarrollo; el
primero que es la fase lag, es en la que los organismos se adaptan a su medio
conteniendo actividad enzimático muy alta y se preparan para la duplicación.
(Fisica, s.f)
La segunda fase es la exponencial donde se
observa que los organismos se empiezan a dividir por el consumo de su medio que
les permite obtener las sustancias y la energía necesaria para su reproducción.
(Fisica, s.f)
La tercera fase es la estacionaria que se
alcanza cuando se consumen los elementos nutritivos y las condiciones empiezan
a ser desfavorables gradualmente para ellos. Se dice que esta fase es
artificial fuera de un ciclo de vida normal. Todo este proceso nos indica como
la energía va fluyendo y transformándose en distintas etapas de vida de los
microorganismos.
Como se mencionó, la calorimetría está presente
en los procesos metabólicos de los animales como en reacciones aeróbicas y
anaeróbicas y en procesos de fermentación la calorimetría directa es
la que mide la producción de calor, mientras que la calorimetría indirecta
determina el costo energético de una actividad específica estimando el consumo
de oxígeno.
Hay diferente complejidad en posniveles en
sistemas biológicos, incluso hay una plena variedad de reacciones oscilantes
biológicamente orientados a la calorimetría concentrados en las oscilaciones
glicolíticas. La calorimetría ya sea directa o indirecta, está presente en las
reacciones de los organismos y es una gran influencia para que las reacciones
se lleven a cabo de manera adecuada.
La energía es una propiedad asociada a los objetos y
sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la
naturaleza. La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al
elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo. La energía está
presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o
en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica.
(Definiciones, s.f)
Supongamos
una partícula de masa m bajo la acción de una fuerza resultante F que la
desplaza a lo largo de una trayectoria, se define la energía cinética de la partícula
como un escalar con las mismas unidades que el trabajo. (Universidad de
Granada, 2018)
Teorema del trabajo y la energía: El trabajo
total W realizado sobre un objeto para desplazarlo de una posición A a otra B
es igual al cambio de la energía cinética del objeto. Es un teorema general que
se cumple para todo tipo de fuerzas. (Si W>0 la velocidad aumenta y si
W<0 la velocidad disminuye). (Universidad de Granada, 2018)
El
trabajo realizado por ciertas fuerzas (conservativas) puede obtenerse a partir
de la variación de otra forma de energía (potencial) que depende de la posición
del objeto o de la configuración del sistema.(Universidad de Granada, 2019)
Supongamos la fuerza de la gravedad y
calculemos el W realizado sólo por esta fuerza (mg) al mover un objeto a lo
largo de dos caminos diferentes que unan el punto inicial A y el final B,
veremos que el trabajo es el mismo. Se puede probar que, aunque elijamos otro
camino, W sólo depende de la diferencia de altura h entre A y B. θ A C B mg h d
mgsen θ Cap. 3/7 Una fuerza es conservativa si el trabajo realizado por la
misma entre dos puntos A y B es independiente del camino (la trayectoria
seguida). Por tanto, el trabajo realizado sólo depende de las posiciones
inicial y final. (Universidad de Granada, 2019)
o
o
Refiere a una actividad propia del ser humano.
También otros seres actúan dirigiendo sus energías coordinadamente y con una finalidad
determinada. Sin embargo, el trabajo propiamente dicho, entendido como proceso
entre la naturaleza y el hombre, es exclusivamente humano. En este proceso el
hombre se enfrenta como un poder natural, en palabras de Karl Marx, con la
materia de la naturaleza.
(EcuRed, s.f)
El trabajo realizado por una fuerza constante F
que produce un desplazamiento r en una dirección que forma un ángulo θ con la
línea de acción de la fuerza se define como producto escalar. (Universidad
de Granada, 2016)
· El
trabajo es nulo si r=0 y/o la fuerza es perpendicular al desplazamiento. Ej.:
el realizado por el peso sobre un cuerpo en una superficie
horizontal. (Universidad de Granada, 2016)
· El
trabajo es positivo si la fuerza es favorable al movimiento (cosθ
>0). (Universidad de Granada, 2016)
· El
trabajo es negativo si la fuerza se opone al movimiento (cosθ). Ej.: el
realizado por una fuerza de rozamiento. (Universidad de Granada, 2017)
Es el proceso de transferencia de energía entre
diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a
distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor
temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia
hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una
bebida fría dejada en una habitación se entibia).
La energía puede ser transferida por diferentes
mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la
convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran
presentes en mayor o menor grado.
(Definición, s.f)
En este sentido, el calor puede generarse a
partir de una reacción química (como la combustión), una reacción
nuclear (como aquellas que se desarrollan dentro del Sol) o una disipación (ya sea
mecánica, fricción, o electromagnética, microondas).
Es importante tener en cuenta que los cuerpos
no tienen calor, sino energía interna. Cuando una parte de esta energía se
transfiere de un sistema o cuerpo hacia otro que se halla a
distinta temperatura, se habla de calor. El traspaso de calor se producirá
hasta que los dos sistemas se sitúen a idéntica temperatura y se alcance el denominado equilibrio
térmico.
Durante el verano la temperatura es mucho mayor
que en el invierno, por eso se suele decir que en esta época “tenemos calor”,
sin embargo, desde el punto de vista termodinámico esta idea no es
correcta. (Portal Educativo, 2017)
Lo anterior se debe, a que el calor (q) es la
energía que se transfiere de un sistema a otro como consecuencia de una
diferencia de temperatura, hasta que se alcanza el equilibrio térmico, es
decir, cuando ambos sistemas alcanzan la misma temperatura. La temperatura, por
otro lado, es la medida de la energía cinética de las moléculas de un sistema.
Cuando un sistema recibe calor, aumenta la velocidad con que se mueven dichas
moléculas. A mayor energía cinética mayor será la temperatura, y
viceversa. (Portal Educativo, 2017)
La medición del flujo de calor se llama
calorimetría y el aparato que mide el flujo de calor, se denomina calorímetro.
Un ejemplo de un calorímetro es un termo o un recipiente rodeado de material
aislante. (Portal Educativo, 2017)
La temperatura es una magnitud referida a
las nociones comunes de caliente, tibio, frío que puede ser medida,
específicamente, con un termómetro. En física, se define como una magnitud
escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico,
definida por el principio cero de la termodinámica.
(EcuRed, 2018)
Más específicamente, está relacionada
directamente con la parte de la energía interna conocida como "energía
cinética", que es la energía asociada a los movimientos de las partículas
del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de
vibraciones. A medida que sea mayor la energía cinética de un sistema, se
observa que éste se encuentra más "caliente"; es decir, que su
temperatura es mayor.
Fuente: (TOOLS,
s.f)
El científico sueco Andes Celsius (1701-1744)
construyó por primera vez la escala termométrica que lleva su nombre. Eligió
como puntos fijos el de fusión del hielo y el de ebullición del agua, tras
advertir que las temperaturas a las que se verificaban tales cambios de estado
eran constantes a la presión atmosférica.
Asignó al primero el valor 0 y al segundo el
valor 100, con lo cual fijó el valor del grado Celsius (°C) como la centésima
parte del intervalo de temperatura comprendido entre esos dos puntos fijos.
Para esta escala, estos valores se escriben como 100 °C y 0 °C y se leen 100
grados Celsius y 0 grados Celsius, respectivamente.
En los países anglosajones se pueden encontrar
aún termómetros graduados en grado Fahrenheit (°F), propuesta por Gabriel
Fahrenheit en 1724. La escala Fahrenheit difiere de la Celsius tanto en los
valores asignados a los puntos fijos, como en el tamaño de los grados. En la
escala Fahrenheit los puntos fijos son los de ebullición y fusión de una
disolución de cloruro amónico en agua. Así al primer punto fijo se le atribuye
el valor 32 y al segundo el valor 212. Para pasar de una a otra escala es
preciso emplear la ecuación:
t(°F) = (9/5) * t(°C) + 32 o t(°C) = (5/9) *
[t(°F) - 32]
donde t(°F) representa la temperatura expresada
en grados Fahrenheit y t(°C) la expresada en grados Celsius.
Su utilización se circunscribe a los países
anglosajones y a Japón, aunque existe una marcada tendencia a la unificación de
sistemas en la escala Celsius.
(EcuRed, s.f)
Se comparan las escalas Celsius y Kelvin
mostrando los puntos de referencia anteriores a 1954 y los posteriores para
mostrar cómo ambas convenciones coinciden. De color negro aparecen el punto
triple del agua (0,01 °C, 273,16 K) y el cero absoluto (-273,15 °C, 0 K). De
color gris los puntos de congelamiento (0,00 °C, 273,15 K) y ebullición del
agua (100 °C, 373,15 K).
Si bien en la vida diaria las escalas Celsius y
Fahrenheit son las más importantes, en ámbito científico se usa otra, llamada
"absoluta" o Kelvin, en honor a sir Lord Kelvin.
En la escala absoluta, al 0 °C le hace
corresponder 273,15 K, mientras que los 100 °C se corresponden con 373,15 K. Se
ve inmediatamente que 0 K está a una temperatura que un termómetro centígrado
señalará como -273,15 °C. Dicha temperatura se denomina "cero
absoluto".
Se puede notar que las escalas Celsius y Kelvin
poseen la misma sensibilidad. Por otra parte, esta última escala considera como
punto de referencia el punto triple del agua que, bajo cierta presión, equivale
a 0.01 °C.
La escala de temperaturas adoptada por el
Sistema Internacional de Unidades es la llamada escala absoluta o Kelvin. En
ella el tamaño de los grados es el mismo que en la Celsius, pero el cero de la
escala se fija en el - 273,15 °C.
Este punto llamado cero absoluto de
temperaturas es tal que a dicha temperatura desaparece la agitación molecular,
por lo que, según el significado que la teoría cinética atribuye a la magnitud
temperatura, no tiene sentido hablar de valores inferiores a él. El cero
absoluto constituye un límite inferior natural de temperaturas, lo que hace que
en la escala Kelvin no existan temperaturas bajo cero (negativas). La relación
con la escala Celsius viene dada por la ecuación:
T(K) = t(°C) + 273,15 o t(°C) = T(K) - 273,15
T(K) = (5/9) * [t(°F) + 459,67] o t(°F) = (9/5)
* T(K) - 459,67
siendo T(K) la temperatura expresada en kelvin.
(EcuRed, s.f)
La conducción es la manera de transferir
calor desde una masa de temperatura más elevada a otra de temperatura inferior
por contacto directo. El coeficiente de conducción de un material mide la
capacidad del mismo para conducir el calor a través de la masa del mismo. Los
materiales aislantes tienen un coeficiente de conducción pequeño por lo que su
capacidad para conducir el calor es reducida, de ahí su utilidad.
(Carlos, 2017)
La energía térmica fluye
a través de los sólidos por un proceso de conducción. Si un objeto del tipo de
una barra de metal es calentado por un extremo, y no hay pérdida de calor por
los lados, se produce un gradiente de temperatura a lo largo de la barra, que
va desde el extremo caliente al frío. El declive exacto de la
temperatura (o gradiente térmico) depende de la conductividad térmica
de la sustancia en cuestión, propiedad constante en cada sustancia específica e
independiente del declive de temperatura y de longitud. La mayoría de los
metales conducen bien el calor y tienen, por lo mismo, mucha conductividad
térmica.
Esa conductividad 1000 veces mayor
que la de otros sólidos (como la madera y la tela) y líquidos, y unas 10 000
mayor que la de los gases. Esto significa en la práctica que si hay una
diferencia de temperatura dada entre dos puntos distantes 1 m en una barra de
metal, los puntos entre los que se produce la misma diferencia térmica
distarían sólo 1 mm en un líquido y 0,1 mm en un gas. Por lo general, a
mayor conductividad térmica, menor es el gradiente térmico
necesario para que una cantidad fija de calor fluya desde el punto de
temperatura más alta hasta el de temperatura más baja.
La transmisión de calor por convección es un intercambio de calor
entre el aire y una masa material que se encuentran a diferentes temperaturas.
El transporte del calor se produce por movimientos naturales debidos a la
diferencia de temperaturas, el aire caliente tiende a subir y el aire frío
baja, o bien mediante mecanismos de convección forzada.
(Carlos, 2018)
La radiación es un mecanismo de transmisión
de calor en el que el intercambio se produce mediante la absorción y
emisión de energía por ondas electromagnéticas, por lo que no existe la necesidad
de que exista un medio material para el transporte de la energía. El sol aporta
energía exclusivamente por radiación.
· Existen
ondas que necesitan un medio material para viajar, como las ondas sonoras; y
las que se pueden propagar por el vacío, como las ondas electromagnéticas. Por
tanto, cualquier tipo de luz se trata de una radiación por ser una onda
electromagnética.
· Las
partículas pueden viajar tanto en medios materiales como en el vacío, y
normalmente no reciben ningún nombre en especial salvo dos tipos de radiaciones
de partículas: la radiación alfa y la radiación beta.
· La
alfa son núcleos de helio, es decir dos protones y dos neutrones, mientras que
la beta son electrones o positrones (antipartícula del electrón).
Para simplificar el lenguaje se suelen
considerar como equivalentes a radiación los términos onda y partícula. De esta
forma es equivalente decir onda electromagnética que radiación
electromagnética, o partícula alfa que radiación alfa.
(Carlos, 2019)
Entalpia y Entropía
En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es una
magnitud física que, mediante cálculo, permite determinar la parte de la
energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado
de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso
de un proceso que se dé de forma natural. La entropía describe lo irreversible
de los sistemas termodinámicos.
La palabra entropía procede del griega y
significa evolución o transformación. Fue Rudolf Clausius quien le dio nombre y
la desarrolló durante la década de 1850;1 2 y Ludwig Boltzmann, quien encontró
en 1877 la manera de expresar matemáticamente este concepto, desde el punto de
vista de la probabilidad. (Quimica Explicada, 2019)
Entalpía
Es una magnitud termodinámica, simbolizada con
la letra H mayúscula, cuya variación expresa una medida de la cantidad de
energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad
de energía que un sistema intercambia con su entorno.
En la historia de la termodinámica se han
utilizado distintos términos para denotar lo que hoy conocemos como entalpía. Originalmente se pensó que esta
palabra fue creada por Émile Clapeyron y Rudolf Clausius. En palabras más
concretas, es una función de estado de la termodinámica donde la variación
permite expresar la cantidad de calor puesto en juego durante una
transformación isobárica, es decir, a presión constante en un sistema
termodinámico, teniendo en cuenta que todo objeto conocido se puede entender
como un sistema termodinámico. Se trata de una transformación en el curso de la
cual se puede recibir o aportar energía (por ejemplo la utilizada para un
trabajo mecánico). En este sentido la entalpía es numéricamente igual al calor
intercambiado con el ambiente exterior al sistema en cuestión.
Presión:
presión atmosférica a 1,01325 bar, es decir presión atmosférica normal sobre el
nivel del mar a 0 ° C.
Densidad:
Relación de la masa de agua (kg) ocupada en un volumen de 1 m3.
Entalpía específica:
calor sensible, es la cantidad de calor contenido en 1 kg de agua según la
temperatura seleccionada.
Calor específico:
Cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de 1 ° Celsius por
unidad de masa de 1 kg de agua.
Capacidad de calor en volumen: Cantidad de
calor necesaria para aumentar la temperatura de 1 ° Celsius en una unidad de
volumen de 1 m3 de agua.
Viscosidad dinámica: La
viscosidad de un fluido caracteriza la resistencia al movimiento del fluido.
(Quimica Explicada, 2018)
En todas las reacciones
químicas se
manifiestan cambios de energía y la termoquímica estudia los cambios
energéticos y las relaciones de masa que ocurren éstas. Esta energía puede ser
absorbida o liberada en forma de energía térmica, luz, electricidad y mecánica.
Cuando una reacción libera energía en forma de calor o energía térmica al
entorno se dice que la reacción es exotérmica y cuando la energía es
suministrada del entorno para que se efectúe la reacción es endotérmica.
En una reacción exotérmica la energía
contenida en los reactivos es mayor que la requerida en la formación de los
productos, por esta razón la energía no utilizada se libera.
En el caso de una reacción exotérmica la cantidad de energía
contenida en los reactivos es menor, con respecto a la necesaria para la
formación de los productos, por esta razón es necesario suministrar
constantemente energía del entorno para que la reacción progrese. (Khan
Academy, s.f)
Cuando los cambios químicos ocurren a presión
constante (presión atmosférica), la energía suministrada o liberada en forma de
calor no sólo producirá un cambio en la energía interna del sistema, sino que
también se empleará para realizar trabajo, de esta forma, resulta más
conveniente utilizar la entalpía H, la que toma en cuenta que el destino del
calor, puede ser para realizar trabajo.
∆H0reacción = ∆Hproductos -
∆Hreactivos
La temperatura corporal depende de las
condiciones de temperatura ambiental y de actividad física, ya que de la
energía total liberada durante el metabolismo se emplea aproximadamente una
quinta parte en el trabajo y lo demás se libera en forma de calor; este calor
debe ser disipado para mantener las condiciones de temperatura adecuadas en el
cuerpo humano. Hay dos tipos de temperaturas, la temperatura central (núcleo:
cerebro, grandes vasos, vísceras, músculo profundo, sangre) se mantiene
constante
La temperatura periférica (piel, mucosas,
músculos, extremidades, etc.) es variable. La temperatura normal del cuerpo de
una persona varía dependiendo de su género, su actividad reciente, el consumo
de alimentos y líquidos, la hora del día y, en las mujeres, de la fase del
ciclo menstrual en la que se encuentren.
Proceso mediante el cual un grupo de seres
vivos denominados homeotermos mantienen su temperatura corporal
dentro de unos límites, independientemente de la temperatura ambiental. El
proceso consume energía química procedente de los alimentos ya que
estos organismos tienen mecanismos para producir calor en ambientes fríos o
para ceder calor en ambientes cálidos, conocidos en su conjunto
como termorregulación. Estos mecanismos están situados en
el hipotálamo, la piel, el aparato respiratorio, etc.
(A. Homeostasis , s.f)
La temperatura de los seres vivos no depende
solo de la temperatura ambiente, y hay otros factores actuando. El balance
de calor y radiación expresa los intercambios de energía y calor de un
organismo con el medio.
(Lacomet, s.f)
Por ejemplo, una hoja está sometida a muchos flujos
de intercambio: del sol recibe radiación de onda corta, radiación visible y
radiación de onda larga. Además, tanto la atmósfera como los cuerpos cercanos
emiten radiación infrarroja. La mayor parte de esta radiación acaba
transformándose en calor y como consecuencia la hoja adquiere una determinada
temperatura y también emite radiación infrarroja.
Cuando se establece una diferencia de
temperatura entre la hoja y la atmósfera, estas diferencias tienden a anularse
a causa de otras transferencias de calor:
- Calor sensible: la hoja lo intercambia por contacto directo con las moléculas de aire y las moléculas de su superficie.
- Calor latente: va asociado a los cambios de temperatura del agua: se intercambia por evaporación y condensación.
- Calor sensible: la hoja lo intercambia por contacto directo con las moléculas de aire y las moléculas de su superficie.
- Calor latente: va asociado a los cambios de temperatura del agua: se intercambia por evaporación y condensación.
(Lacomet, s.f)
Se denomina radiación térmica o radiación
calorífica a la emitida por un cuerpo debido a
su temperatura. Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética,
pero su intensidad depende de la temperatura y de la longitud de onda
considerada.
En lo que respecta a la transferencia de calor
la radiación relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de
0,1µm a 100µm, abarcando por tanto parte de la región ultravioleta, la visible
y la infrarroja del espectro electromagnético.
La evaporación es el proceso por el cual las
moléculas en estado líquido (por ejemplo, el agua) se hacen gaseosas espontáneamente
(ej.: vapor de agua). Es lo opuesto a la condensación. Generalmente, la
evaporación puede verse por la desaparición gradual del líquido cuando se
expone a un volumen significativo de gas.
Por término medio, las moléculas no tienen
bastante energía para escaparse del líquido, porque de lo contrario el líquido
se convertiría en vapor rápidamente. Cuando las moléculas chocan, se
transfieren la energía de una a otra en grados variantes según el modo en que
chocan.
Los líquidos que no parecen evaporarse
visiblemente a una temperatura dada en un gas determinado (p.ej., el aceite de
cocina a temperatura ambiente) poseen moléculas que no tienden a transferirse
la energía de una a otra como para darle "la velocidad de escape" (la
energía calórica) necesaria para convertirse en vapor. Sin embargo, estos
líquidos se evaporan, pero el proceso es mucho más lento y considerablemente
menos visible.
La evaporación es una parte esencial del ciclo
del agua. La energía solar provoca la evaporación del agua de los océanos,
lagos, humedad del suelo y otras fuentes de agua. En hidrología, la evaporación
y la transpiración (que implica la evaporación dentro del estoma de la planta)
reciben el nombre conjunto de evapotranspiración.
(Ciclo Hidrologico, s.f)
La sensación de calor en nuestro cuerpo se
manifiesta por la producción de sudor. El sudor es una secreción que se
produce en las glándulas ecrinas distribuidas por todo el cuerpo que desembocan
en los poros de la piel. El sudor se mezcla en la superficie de la piel con el
sebo o grasa procedente de las glándulas sebáceas para dar lugar al manto
hidrolipídico o emulsión epicutánea, responsable del buen funcionamiento y
suavidad de la piel, así como del mantenimiento de una temperatura corporal
constante, evitando una posible deshidratación. Por otro lado, popularmente se
considera que a través del sudor el organismo puede eliminar muchas toxinas,
así como algunas sustancias medicamentosas.
(Nave, Hyper Physics, s.f)
En la composición del sudor encontramos
básicamente agua en un 95% y una serie de sustancias, electrolitos que
constituyen el factor de hidratación natural (FHN) responsable de la
hidratación cutánea. Además, en el sudor también encontramos ácido urocánico,
que es un filtro natural que ayuda a protegernos de la radiación solar.
Los seres vivos presentan un constante flujo de
energía porque son sistemas termodinámicos abiertos, ya que continuamente están
intercambiando materia, energía e información con su medio ambiente, con el que
mantienen un equilibrio dinámico.
Actualmente es común escuchar el
término bioenergética, aplicándolo a los seres vivos como sistemas
termodinámicos.
El cuerpo humano puede ser considerado como un
sistema termodinámico abierto, que debe mantener su temperatura constante de
37ºC, a pesar de encontrarse en un entorno de temperatura generalmente inferior
que se pude tomar como una media de 15ºC.
Por otra parte esta continuamente
intercambiando material y energía con sus alrededores (metabolismo),
consumiendo energía para desarrollar los trabajos internos y externos, y para
fabricar moléculas estables (anabolismo) para lo cual necesita alimentarse
ingiriendo moléculas de gran energía libre (nutrición) que a partir de
determinadas reacciones de combustión dan lugar a productos de menor energía
(catabolismo).
Tiene la peculiaridad de que su entropía es
mínima, por eso es un sistema termodinámico inestable lo que provoca su
evolución permanente, o sea la vida misma. Precisamente la muerte implicaría un
estado de máxima entropía. Para que el organismo vivo pueda mantenerse en dicho
estado es necesario que elimine el exceso de entropía que se produce
continuamente inherente a los procesos vitales: circulación de la sangre,
respiración, etc.
(Galeon, s.f)
La regulación de los animales está dada por la
temperatura del ambiente y la eficacia del hipotálamo por lograr mantener la
temperatura interna constante en el animal, así mismo el animal debe tener
reservas de grasas para quemarlas cuando sea necesario y así el lograr producir
calor y mantener la temperatura adecuada:
(Biofisica, 2018)
La temperatura con que la sangre llega al
hipotálamo será el principal determinante de la respuesta corporal a los
cambios climáticos. El hipotálamo tiene un doble sistema de regulación de la
temperatura. Así, la porción anterior o rostral, compuesta por centros
parasimpáticos, es la encargada de disipar el calor, mientras que en la
posterior con centros simpáticos, conserva y mantiene la temperatura corporal.
Cuando se origina un daño en la región posterior en animales de
experimentación, la respuesta que se obtiene es: hipotermia prolongada e
incapacidad para reaccionar al frío. Parece ser, también, que la poiquilotermia
relativa es el resultado de lesiones en la porción posterior del hipotálamo.
Lesiones localizadas en la región anterior o rostral incapacitan al animal de
experimentación para perder calor.
(Biofisica, 2017)
La termorregulación o regulación de la
temperatura es la capacidad que tiene un organismo biológico para modificar su
temperatura dentro de ciertos límites, incluso cuando la temperatura
circundante es muy diferente. El término se utiliza para describir los procesos
que mantienen el equilibrio entre ganancia y pérdida de calor. Si se añade o
quita una determinada cantidad de calor a un objeto, su temperatura aumenta o
disminuye, respectivamente, en una cantidad que depende de su capacidad
calorífica específica con un ambiente.
En el estado estacionario, la tasa a la cual se
produce calor (termogénesis) se equilibra por la tasa a la que el calor se
disipa al ambiente (termólisis). En caso de desequilibrio entre termogénesis y
termólisis se produce un cambio en la tasa de almacenamiento de calor corporal
y consecuentemente un cambio en el contenido de calor del cuerpo y en la
temperatura corporal.
Los organismos termorreguladores u homeotermos
mantienen la temperatura corporal esencialmente constante en un amplio rango de
condiciones ambientales. Por otra parte, los termoconformistas o poiquilotermos
son organismos cuya temperatura corporal varía con las condiciones ambientales.
(Portal Educativo, s.f)
Según la forma de obtención del calor, los
organismos se clasifican en endotermos y ectotermos. Los organismos endotermos
controlan la temperatura corporal mediante la producción interna de calor, y
mantienen habitualmente dicha temperatura por encima de la temperatura
ambiental. Los organismos ectotermos dependen, para regular su temperatura
corporal, fundamentalmente de una fuente de calor externa.
(Portal Educativo, s.f)
Mecánica: se produce en la boca
mediante la trituración del alimento con los dientes, y en el estómago como
consecuencia de las contracciones del músculo liso que tapiza las paredes de dicho
órgano.
Química: se produce en la boca a partir de las
enzimas presentes en la saliva, en el estómago por la presencia de jugos
gástricos, y en el intestino delgado por la presencia de jugos intestinales y
pancreáticos. Estas sustancias químicas ayudan a que las grandes moléculas por
ejemplo carbohidratos, lípidos, y proteínas de los alimentos que comemos se
dividan en otras más pequeñas, por hidrólisis.
· Enzimas
Catalizan las reacciones de hidrólisis.
· Jugos
digestivos
Jugo gástrico:
Líquido segregado por el estómago que provoca
la desintegración de los alimentos para que se sigan digiriendo.
Formado por agua, ácido clorhídrico, y enzimas.
Jugo pancreático:
Líquido segregado por el páncreas que actúa a
nivel del intestino delgado. Formado por agua, sales minerales, bicarbonato de
sodio, y enzimas.
Jugo intestinal:
Sustancia producida por la mucosa del
intestino delgado, con su acción termina el proceso de degradación, para pasar
a la absorción de nutrients. (LA SALUD , s.f)
Fuente: (Neet
Escuela, s.f)
Se produce en el intestino delgado. Los
nutrientes obtenidos de los alimentos ingresan a las células epiteliales que tapizan
la luz del intestino delgado por transporte activo o difusión.
Los nutrientes se transportan por la sangre a
todos los tejidos y llegan a las células para cumplir
determinados fines.
Entre los múltiples desafíos que la bioquímica
hubo de afrontar en el siglo XX, se encuentra el de proporcionar una imagen de
la célula, organizada como un sistema químico funcional. En la década de los
sesenta, el intento fue brillantemente coronado y el bioquímico se planteó la
necesidad de conocer, no sólo la química interna de las células, sino también
el lenguaje para su intercomunicación.
La investigación fue dando respuestas parciales
que han permitido entender los mecanismos mediante los cuales el flujo de
moléculas a través de encrucijadas metabólicas fundamentales, la
compartimentación celular y la interconexión entre órganos y tejidos con diferentes
perfiles metabólicos permiten coordinar una complicada red de reacciones para
satisfacer las necesidades de ATP, poder reductor y precursores biosintéticos
del organismo completo y asegurar su perfecto funcionamiento.
El metabolismo debe estar estrictamente
regulado y coordinado para atender a las necesidades de la célula en diferentes
situaciones.
Para el ser humano, así como para otros muchos
organismos, los alimentos representan la fuente que puede cubrir las
necesidades energéticas inmediatas, a la vez que transformarse en una reserva
de nutrientes y energía que las células de los diferentes tejidos puedan
utilizar en periodos de ayuno o restricción de aporte exógeno de nutrientes.
El metabolismo, definido como el conjunto de
reacciones que proporciona un aporte continuo de sustratos para el
mantenimiento de la vida, incluye procesos catabólicos y anabólicos. En las
rutas catabólicas se libera energía, parte de la cual se transforma en
trifosfato de adenosina (ATP) y se recoge en nucleótidos reducidos (NADH, NADPH
y FADH2). Las reacciones anabólicas necesitan un aporte energético
que usualmente lo proporciona la hidrólisis del ATP, molécula que es
transportadora universal de energía metabólica y que también es el poder
reductor necesario, suministrado por los nucleótidos reducidos.
Tanto las rutas catabólicas como las anabólicas
se suceden en tres niveles. En el nivel 1, se produce la interconversión entre
las macromoléculas complejas (proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos y
lípidos) y las moléculas sencillas, monoméricas (aminoácidos, nucleótidos,
azúcares, ácidos grasos y glicerol). En el nivel 2 tiene lugar la
interconversión de los monómeros y compuestos orgánicos más sencillos (piruvato
y acetilCoA). Finalmente, en el nivel 3, se lleva a cabo la degradación de
estos intermediarios metabólicos a compuestos inorgánicos (CO2, H2O
y NH3) o la utilización de estos precursores para la síntesis de las
diferentes biomoléculas.
(Obradors, s.f)
Fuente: (Separate
Biofisica, 2015)
Vitaminas: Las vitaminas son indispensables
para promover reacciones vitales metabólicas, de mantenimiento y de defensa.
Intervienen en el proceso de crecimiento y recuperación.
(Álvarez, 2017)
Proteínas: Las proteínas tienen como función
principal formar las estructuras de los seres vivos, los huesos, los músculos,
la piel, el pelo, las uñas.
Hidratos de carbono: Los hidratos de carbono
proveen de energía y favorecen la acción de las proteínas. Son sustancias
orgánicas que contienen hidrógeno y oxígeno en la misma proporción del agua.
Este grupo de compuestos está formado principalmente por azucares y almidones.
Producen energía inmediata para el cuerpo. (Álvarez, 2017)
Grasas insaturadas: son liquidas a temperatura
ambiente y comúnmente se lesconoce como aceites. Pueden ser, por ejemplo,
aceites de oliva, girasol, maíz. Son las más beneficiosas para el cuerpo humano
por sus efectos sobre los lípidos plásticos y algunas contienen ácidos grasos
que son nutrientes esenciales, ya que el organismo no puede fabricarlo y el
único modo de conseguirlo es mediante ingestión directa. (Álvarez, 2017)
Bibliografía:
Sistemas Biofísicos mecánicos:
fuerza y energía
Vemos en la definición que la fuerza esta
relacionada con el movimiento y el cambio. La fuerza es la causa del cambio,
energía la capacidad de cambiar. Una es potencial, la otra es energía en
acción. La materia cambia por la acción de fuerza, que es una manifestación de
la energía.
Materia y energía pueden transformase
mutuamente.
La energía es una capacidad de la materia. Así
la materia lleva en sí misma la posibilidad de cambio. La materia es la
fuente del cambio, la creadora del espacio-tiempo. La materia es masa y la
masa es energía.
(Una vision del mundo, s.f)
La elasticidad es una propiedad que también se
encuentra en muchos órganos, tejidos y músculos de los organismos, teniendo
esto relación con la capacidad de crecer y volverse elásticos de acuerdo a
diferentes situaciones. Un ejemplo claro de órgano elástico es la del estómago,
que puede aumentar varias veces su tamaño original para luego volver a su
estado de reposo luego de haberse realizado el proceso de alimentación.
Normalmente, en el caso de los órganos y músculos, la elasticidad tiene que ver
con una correcta hidratación ya que la ausencia de agua (como sucede con la
piel) resquebraja y atrofia a los diferentes tejidos.
La resistencia es la tendencia de un material a
resistir el flujo de corriente y es específica para cada tejido, dependiendo de
su composición, temperatura y de otras propiedades físicas.
Los nervios, encargados de transmitir señales
eléctricas, los músculos, y los vasos sanguíneos con su alto contenido en
electrolitos y agua son buenos conductores. Los huesos, los tendones y la grasa
tienen una gran resistencia y tienden a calentarse y coagularse antes que
transmitir la corriente.
Alrededor de 85% de la masa muscular
esquelética del ser humano está compuesta por fibras musculares propiamente
dichas.
El 15% restante está formado en gran parte por
tejido conectivo compuesto en cantidades variables por fibras colágenas,
reticulares y elásticas.
(Definicion ABC, s.f)
Fibras colágenas. Son las más abundantes. Están formadas por la proteína colágeno. Brindan rigidez y resistencia al tejido. El colágeno es la proteína más abundante del organismo humano, representando el 30% del total. Se encuentran en la gran mayoría de los tejidos conectivos, sobre todo en el hueso, el cartílago, los tendones y los ligamentos. Son flexibles y resistentes.
Fibras elásticas. Son
más pequeñas que las de colágeno, se ramifican y vuelven a reunirse libremente
unas con otras. Están constituidas por la proteína (colágeno) y elastina. Al
igual que las fibras de colágeno, proporcionan resistencia, pero además pueden
estirarse ampliamente, sin romperse. Las fibras elásticas son muy abundantes en
la piel, los vasos sanguíneos y los pulmones, se estiran sin romperse
hasta el 150% de su longitud.
(Definicion ABC, s.f)
Las Leyes de Newton , también conocidas como
Leyes del movimiento de Newton , son tres principios a partir de los cuales se
explican la mayor parte de los problemas planteados por la dinámica , en
particular aquellos relativos al movimiento de los cuerpos.
Las Leyes de Newton permiten explicar tanto el
movimiento de los astros como los movimientos de los proyectiles artificiales
creados por el ser humano, así como toda la mecánica de funcionamiento de las
máquinas.
En esta primera ley, Newton expone que “Todo
cuerpo tiende a mantener su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo
a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas ejercidas sobre él”.
Se puede pensar esta ley como la que preserva
el estado actual del movimiento. La primera ley de movimiento de Newton
establece que debe haber una causa —que es una fuerza externa neta— para que
haya un cambio en la velocidad, sea en magnitud o en dirección. Un objeto
deslizándose a lo largo de una mesa o del piso pierde rapidez debido a la
fuerza neta de fricción que actúa sobre él. Pero en una mesa de hockey de aire,
donde el aire mantiene el disco separado de la mesa, el disco continúa
moviéndose aproximadamente a velocidad constante hasta que una fuerza actúa
sobre él, como cuando golpea algún lado de la mesa. (Khan Academy, 2017)
Una fuerza es un empujón o un jalón
ejercido sobre un objeto por otro objeto. Las unidades de la fuerza F se
llaman Newtons o simplemente N. (Khan Academy, 2017)
Una N es una fuerza que se origina
desde fuera de un objeto, en vez de ser una fuerza interna de un objeto. Por
ejemplo, la fuerza de gravedad que la Tierra ejerce sobre la Luna es una fuerza
externa sobre la Luna. Sin embargo, la fuerza de gravedad que el núcleo interno
de la Luna ejerce sobre sí misma es una fuerza interna. Las fuerzas internas
dentro de un objeto no pueden causar cambios en el movimiento total del
objeto. (Khan Academy, 2017)
La fuerza neta, escrita como ΣF,
sobre un objeto, es la fuerza total sobre ese objeto. Si muchas fuerzas actúan
sobre un objeto, entonces la fuerza neta es la suma de todas las fuerzas. Pero
ten cuidado, como la fuerza F es un vector, para encontrar la
fuerza neta ΣF, las fuerzas deben ser sumadas como vectores usando
suma de vectores. (Khan Academy, 20157)
En otras palabras, si a una caja de burritos
congelados se le aplicara una fuerza con una magnitud de 45 Newtons hacia la
derecha y una fuerza con una magnitud de 30 Newtons hacia la izquierda, la
fuerza neta en la dirección horizontal sería:
ΣFhorizontal = 45 N −
30 N
ΣFhorizontal =
15 N
Suponiendo que la derecha sea la dirección
positiva.
La primera ley de Newton dice que si la fuerza
neta sobre un objeto es cero (\Sigma F=0ΣF=0), entonces ese objeto
tendrá cero aceleración. Esto no necesariamente significa que el objeto está en
reposo, sino que la velocidad es constante; en otras palabras, velocidad
constante cero (en reposo) o velocidad constante distinta de cero (moviéndose
con una velocidad constante). (Khan Academy, 2017)
Para la caja de burritos congelados, si la
fuerza hacia la derecha tuviera una magnitud de 45 Newtons y la fuerza hacia la
izquierda tuviera una magnitud de 45 Newtons, la fuerza neta sería cero. La
caja de burritos seguiría moviéndose con velocidad constante, si comenzó con
una velocidad antes de que las fuerzas se aplicaran, o permanecería en reposo,
si ya estaba en reposo antes de que las fuerzas se aplicaran. (Khan
Academy, 2017)
La propiedad de un cuerpo de permanecer en
reposo o permanecer en movimiento con velocidad constante se
llama inercia. La primera ley de Newton a menudo es llamada la ley de la
inercia. Como sabemos por experiencia, algunos objetos tienen mayor inercia que
otros. Obviamente es más difícil cambiar el movimiento de una roca grande que
el de una pelota de básquetbol, por ejemplo. (Khan Academy, 2015)
La inercia de un objeto se mide por su masa. La
masa puede ser determinada al medir qué tan difícil le resulta a un objeto
acelerar. Mientras más masa tenga un objeto, más difícil le será
acelerar. (Khan Academy, 2015)
También, en términos generales, mientras más
"sustancia" —o materia— haya en algo, más masa tendrá, y más difícil
será cambiar su velocidad, es decir, acelerarlo. (Khan Academy, 2015)
Fuente: (Ejemplos,
2018)
La segunda ley del movimiento de Newton dice
que “Cuando se aplica una fuerza a un objeto, éste se acelera. Dicha a
aceleración es en dirección a la fuerza y es proporcional a su intensidad y es
inversamente proporcional a la masa que se mueve”.
Una fuerza es un empujón o un jalón, y la
fuerza neta ΣF es la fuerza total —o suma de las fuerzas—
ejercida sobre un objeto. Sumar vectores es un poco diferente que sumar números
normales. Cuando sumamos vectores debemos tomar en cuenta su dirección. La
fuerza neta es la suma vectorial de todas las fuerzasejercidas
sobre un objeto. (Khan Academy, 2015)
Si el problema que estás analizando tiene
muchas fuerzas en muchas direcciones, a menudo es más fácil analizar cada
dirección de manera independiente. (Khan Academy, 2015)
En otras palabras, para la dirección horizontal
podemos escribir:
ax=ΣFx/m
Esto nos dice que la aceleración ax en
la dirección horizontal es igual a la fuerza neta en la dirección
horizontal, ΣFx, dividida entre la
masa. (Khan Academy, 2015)
Del mismo modo, para la dirección vertical
podemos escribir:
ay=ΣFy/m
Esto nos dice que la aceleración ay,
en la dirección vertical es igual a la fuerza neta en la dirección
vertical, ΣFy, dividida entre la masa. (Khan
Academy, 2015)
Cuando usemos estas ecuaciones debemos tener
cuidado de solo sustituir fuerzas horizontales en la
forma horizontal de la segunda ley de Newton, y de sustituir
fuerzas verticales en la forma vertical de la
segunda ley de Newton. Hacemos esto porque las fuerzas horizontales solo
afectan la aceleración horizontal, y las fuerzas verticales solo afectan la
aceleración vertical. Por ejemplo, considera una gallina de masa mmm sobre
la que se están ejerciendo fuerzas de magnitud F1, F2, F3 y F4. (Khan
Academy, 2015)
Las F1 y F3 afectan
a la aceleración horizontal, ya que actúan a lo largo de la dirección
horizontal. Al aplicar la segunda ley de Newton a la dirección horizontal, y
suponiendo que la dirección hacia la derecha es positiva, obtenemos:
ax=ΣFx/m=F1−F3/m
Del mismo modo, las fuerzas F2 y F4 afectan
a la aceleración vertical, ya que actúan a lo largo de la dirección vertical.
Al aplicar la segunda ley de Newton a la dirección vertical, y suponiendo que
hacia arriba es la dirección positiva. (Khan Academy, 2017)
Cuando las fuerzas se dirigen en diagonales,
todavía podemos analizar las fuerzas en cada dirección de manera independiente.
Pero las fuerzas diagonales contribuirán a la aceleración tanto en la dirección
vertical como en la horizontal. (Khan Academy, 2015)
Por ejemplo, digamos que la fuerza F3 sobre
la gallina ahora se dirige en un ángulo θ como se muestra a
continuación. (Khan Academy, 2015)
La F3 afectará tanto a la
aceleración vertical como a la horizontal, pero solo la componente horizontalF3 afectará
la aceleración horizontal y solo la componente vertical a la aceleración
vertical. Así que vamos a separar la fuerza F3 en sus
componentes horizontal y vertical, como se muestra a continuación. (Khan
Academy, 2015)
Ahora vemos que la fuerza F3 puede
ser considerada como la composición de la fuerza horizontal F3y y
la fuerza vertical F3x. (Khan Academy, 2015)
Al usar trigonometría, podemos encontrar la
magnitud de la componente horizontal F3x = F3ycosθ.
Del mismo modo, podemos encontrar la magnitud de la componente vertical
con F3y = F3xsinθ. (Khan Academy, 2015)
Enunciada algunas veces como que "para
cada acción existe una reacción igual y opuesta".
(Biblioteca de Investigaciones, s.f)
En términos más explícitos: La tercera ley
expone que por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza
de igual intensidad y dirección pero de sentido contrario sobre el cuerpo que
la produjo.
Si un objeto A ejerce una fuerza sobre un
objeto B, entonces el objeto B debe ejercer una fuerza de igual magnitud en
dirección opuesta sobre el objeto A. (Khan Academy, 2015)
Esta ley representa una cierta simetría en la
naturaleza: las fuerzas siempre ocurren en pares, y un cuerpo no puede ejercer
fuerza sobre otro sin experimentar él mismo una fuerza. A veces, coloquialmente
nos referimos a esta ley como una de acción-reacción, donde la fuerza ejercida
es la acción y la fuerza experimentada como consecuencia es la reacción. (Khan
Academy, 2015)
Podemos ver de inmediato a la tercera ley de
Newton en acción al mirar cómo se mueve la gente. Considera una nadadora que se
empuja de la pared de una piscina, como se ilustra a continuación. (Khan
Academy, 2015)
Otros ejemplos de la tercera ley de Newton son
fáciles de encontrar. Conforme una profesora se pasea enfrente de un pizarrón,
ejerce una fuerza hacia atrás sobre el piso. El piso ejerce una fuerza de
reacción sobre la profesora que provoca que acelere hacia adelante. (Khan
Academy, 2015)
Similarmente, un automóvil acelera porque el
piso empuja hacia adelante sobre las llantas delanteras en reacción a que las
llantas delanteras empujan hacia atrás el suelo. Puedes ver una evidencia de
que las llantas empujan hacia atrás cuando giran en un camino de grava y lanzan
piedras hacia atrás. (Khan Academy, 2015)
En otro ejemplo, los cohetes se mueven hacia
adelante al expulsar gas hacia atrás a alta velocidad. Esto significa que el
cohete ejerce una gran fuerza hacia atrás sobre el gas en la cámara de
combustión y el gas entonces ejerce una gran fuerza de reacción hacia adelante
sobre el cohete. A esta fuerza de reacción se le llama empuje. Una idea falsa
frecuente es que los cohetes se propulsan empujando el suelo o el aire atrás de
ellos. De hecho, funcionan mejor en el vacío, donde pueden expulsar los gases
de escape de manera más inmediata. (Khan Academy, 2015)
Del mismo modo, los helicópteros crean
elevación al empujar aire hacia abajo, experimentando una fuerza de reacción
hacia arriba. Los pájaros y los aviones también vuelan ejerciendo una fuerza
sobre el aire en la dirección opuesta a aquella que necesitan. Por ejemplo, las
alas de un pájaro fuerzan aire hacia abajo y hacia atrás, para así tener
elevación y movimiento hacia adelante. (Khan Academy, 2015)
Fuente: https://thales.cica.es/rd/Recursos/rd98/Fisica/02/leyes.html
Estructura de los huesos
El hueso o tejido óseo está constituido por una
matriz en la que se encuentran células dispersas. La matriz está constituida
por 25% de agua, 25% de proteínas y 50% de sales minerales.
Fuente: (Anatomía
y fisiología humanas, 2018)
Con cuatro tipos de células:
células osteoprogenitoras: células no
especializadas derivadas del mesénquima, el tejido del que derivan todos los
tejidos conjuntivos. Se encuentran células osteoprogenitoras en la capa interna
del periostio (tejido que rodea exteriormente al hueso), en el endostio y en
los canales del hueso que contienen los vasos sanguíneos. A partir de ellas se
general los osteoblastos y los osteocito.
Osteoblastos: son células que forman el tejido
óseo pero que han perdido la capacidad de dividirse por mitosis. Segregan
colágeno y otros materiales utilizados para la construcción del hueso. Se
encuentran en las superficies óseas y a medida que segregan los materiales de
la matriz ósea, esta los va envolviendo, convirtiéndolos en osteocitos
Osteocitos: son células óseas maduras derivadas
de los osteoblastos que constituyen la mayor parte del tejido óseo. Al igual
que los osteoblastos han perdido la capacidad de dividirse
Los osteocitos no segregan materiales de la
matriz ósea y su función es la mantener las actividades celulares del tejido
óseo como el intercambio de nutrientes y productos de desecho.
Osteoclastos: son células derivadas de
monocitos circulantes que se asientan sobre la superficie del hueso y proceden
a la destrucción de la matriz ósea (resorción ósea).
Las sales minerales más abundantes son la
hydroxiapatita (fosfato tricálcico) y cálcico. En menores cantidades hay
hidróxido de magnesio y cloruro y sulfato magnésicos. Estas sales minerales se
depositan por cristalización en el entramado formado por las fibras de
colágeno, durante el proceso de calcificación o mineralización. El hueso no es
totalmente sólido sino que tiene pequeños espacios entre sus componentes,
formando pequeños canales por donde circulan los vasos sanguíneos encargados
del intercambio de nutrientes. En función del tamaño de estos espacios, el
hueso se clasifica en compacto o esponjoso.
Constituye la mayor parte de la diáfisis de los
huesos largos así como de la parte externa de todos los huesos del cuerpo. El
hueso compacto constituye una protección y un soporte. Tiene una estructura de
láminas o anillos concéntricos alrededor de canales centrales llamados canales
de Havers que se extienden longitudinalmente. Los canales de Havers están
conectados con otros canales llamados canales de Volkmann que perforan el
periostio. Ambos canales son utilizados por los vasos sanguíneos, linfáticos y
nervios para extenderse por el hueso.
Entre las láminas concéntricas de matriz
mineralizada hay pequeños orificios o lacunae donde se encuentran los
osteocitos. Para que estas células puedan intercambiar nutrientes con el
líquido intersticial, cada lacuna dispone de una serie de canalículos por
donde se extienden prolongaciones de los osteocitos. Los canalículos están
conectados entre sí y, eventualmente a los canales de Havers. El conjunto de un
canal central, las láminas concéntricas que lo rodean y las lacunae,
canalículos y osteocitos en ellas incluidos recibe el nombre de osteón o
sistema de Havers.
Las restantes láminas entre osteones se llaman
láminas intersticiales. Hueso esponjoso. A diferencia del hueso compacto, el
hueso esponjoso no contiene osteones, sino que las láminas intersticiales están
dispuestas de forma irregular formando unos tab iques o placas llamadas
trabéculas. Estos tabiques forman una estructura esponjosa dejando huecos que
están llenos de la médula ósea roja.
Dentro
de las trabéculas están los osteocitos que yacen en sus lacunae con canalículos
que irradian desde las mismas. En este caso, los vasos sanguíneos penetran
directamente en el hueso esponjoso y permiten el intercambio de nutrientes con
los osteocitos. El hueso esponjoso es el principal constituyente de las
epífisis de los huesos largos y del interior de la mayor parte de los huesos.
(Biofisica, s.f)
1. Sostén: los huesos son el
soporte de los tejidos blandos, y el punto de apoyo de la mayoría de los
músculos esqueléticos.
2. Protección: los huesos protegen
a los órganos internos, por ejemplo el cráneo protege al encéfalo, la caja
torácica al corazón y pulmones.
3. Movimientos: en conjunto con los
músculos.
4. Homeostasis de minerales: el
tejido óseo almacena calcio y fósforo para dar resistencia a los huesos, y
también los libera a la sangre para mantener en equilibrio su concentración.
5. Producción de células sanguíneas:
en la médula ósea roja (tejido conectivo especializado) se produce la hemopoyesis
para producir glóbulos rojos, blancos y plaquetas.
6. Almacenamiento de triglicéridos:
la médula ósea roja es reemplazada paulatinamente en los adultos por médula
ósea amarilla, que contiene adipocitos.
Fuente: (Anatomia Humana General, 2014)
Fuente:
http://www.iqb.es/cbasicas/fisio/cap06/cap6_1.htmhttps://glosarios.servidor-alicante.com/educacion-fisica/resistencia-muscular
Las células musculares están altamente
especializadas en una única tarea, la contracción, y es esta especialización en
su estructura y función lo que convierte al músculo en el prototipo para el
estudio del movimiento a nivel molecular y celular.
Existen tres tipos distintos de células
musculares en los vertebrados: músculo esquelético, responsable de todos los
movimientos voluntarios; músculo cardíaco, que bombea la sangre desde el
corazón; y músculo liso, responsable de los movimientos involuntarios de
órganos tales como el estómago, intestino, útero y vasos sanguíneos.
Tanto en el músculo esquelético como en el
músculo cardíaco, los elementos contráctiles del citoesqueleto aparecen en
estructuras altamente organizadas que dan lugar al patrón característico de
estriaciones transversales. La caracterización de estas estructuras en el
músculo esquelético es lo que nos ha permitido comprender la contracción
muscular, y otros movimientos celulares basados en la actina, a nivel
molecular.
Los
músculos esqueléticos son haces de fibras musculares, que son células
individuales grandes (de aproximadamente 50µm de diámetro y varios centímetros
de longitud) formadas por la fusión de muchas células individuales durante el
desarrollo. La mayor parte del citoplasma está constituido por miofibrillas,
que son haces cilíndricos de dos tipos de filamentos: filamentos gruesos de
miosina (aproximadamente de 15nm de diámetro) y filamentos delgados de actina
(alrededor de 7nm de diámetro). Cada miofibrilla se estructura a modo de una
cadena de unidades contráctiles llamadas sarcómeros, que son los responsables
de la apariencia estriada de los músculos cardíaco y esquelético.
(Benítez,
2017)
Una articulación es
la unión entre dos o más huesos, un hueso y cartílago o un hueso y los dientes.
La parte de
la anatomía que se encarga del estudio de las articulaciones es la artrología.
Las funciones más importantes de las articulaciones son de constituir puntos de
unión entre los componentes del esqueleto (huesos, cartílagos y dientes) y
facilitar movimientos mecánicos (en el caso de las articulaciones móviles),
proporcionándole elasticidad y plasticidad al cuerpo, permitir el crecimiento
del encéfalo, además de ser lugares de crecimiento (en el caso de los discos
epifisiarios).
Para su
estudio las articulaciones pueden clasificarse en dos enormes clases:
Por
su estructura (morfológicamente):
Morfológicamente,
los diferentes tipos de articulaciones se clasifican según el tejido que las
une en varias categorías: fibrosas, cartilaginosas, sinoviales o diartrodias.
Por
su función (fisiológicamente):
Fisiológicamente,
el cuerpo humano tiene diversos tipos de articulaciones, como la sinartrosis
(no móvil), anfiartrosis (con movimiento muy limitado -por ejemplo la columna
vertebral-) y diartrosis (mayor amplitud o complejidad de movimiento).
(Universidad
de Sevilla, s.f)
- Móviles:
también llamadas diartrosis o sinoviales, son las articulaciones que tienen
mayor amplitud de movimientos. Son las que unen huesos de las extremidades con
el tronco, los hombros o las caderas.
- Semimóviles: también llamadas anfiartrosis, son las que realizan movimientos limitados, como las articulaciones entre las vértebras.
- Fijas: conocidas también como sinartrosis, la mayoría se encuentra en el cráneo y no necesita movimientos, porque la función principal es proteger los órganos internos.
- Semimóviles: también llamadas anfiartrosis, son las que realizan movimientos limitados, como las articulaciones entre las vértebras.
- Fijas: conocidas también como sinartrosis, la mayoría se encuentra en el cráneo y no necesita movimientos, porque la función principal es proteger los órganos internos.
Las más
comunes, las sinoviales, se caracterizan, por tener algunos
elementos en común:
- Superficies
óseas, que son los extremos de los huesos involucrados en una articulación
determinada.
- Cartílago articular, tejido suave y liso, compuesto por colágeno, que permite un buen deslizamiento entre los extremos óseos.
- Membrana sinovial, capa que recubre internamente toda la articulación y que secreta el líquido sinovial, lubricante de la articulación.
- Meniscos, estructuras aplanadas con forma de semiluna, con la función de amortiguación y protección del cartílago, entre otras.
- Medios de unión, conformados por fibras de colágeno, dispuestas a modo de envoltorio llamado cápsula articular y a modo de refuerzos llamados ligamentos.
- Cartílago articular, tejido suave y liso, compuesto por colágeno, que permite un buen deslizamiento entre los extremos óseos.
- Membrana sinovial, capa que recubre internamente toda la articulación y que secreta el líquido sinovial, lubricante de la articulación.
- Meniscos, estructuras aplanadas con forma de semiluna, con la función de amortiguación y protección del cartílago, entre otras.
- Medios de unión, conformados por fibras de colágeno, dispuestas a modo de envoltorio llamado cápsula articular y a modo de refuerzos llamados ligamentos.
Estos según
el tipo de movimiento específico que realicen las articulaciones:
- Articulación
esféricas: la cabeza de un hueso encaja en la cavidad cóncava del otro. Se
encuentran las caderas y en los hombros.
(Universidad
de Sevilla, s.f)
- Articulación en silla de montar: sólo existe en la base de los pulgares y permite el movimiento en dos direcciones (adelante y atrás y de lado a lado).
- Articulaciones en bisagra: como las del codo y de los dedos, son menos móviles y permiten el movimiento en solo una dirección.
- Articulación pivotal: es aquella en que un cilindro óseo gira en torno a su propio eje, estando en contacto con otra superficie que le forma un anillo (parte hueso, parte ligamento) como la articulación, radio-cubital superior (antebrazo).
- Articulación elíptica: en el extremo de un hueso con forma de ovoide (huevo) se mueve en una cavidad elíptica. Se encuentran en el radio del antebrazo y el hueso escafoides de la mano.
- Articulación deslizante: algunas superficies de huesos son casi planas y se deslizan una sobre otra. Se encuentran en algunas articulaciones de manos y pies.
La fase de
apoyo comienza cuando el talón contacta con el suelo y termina con el despegue
de los dedos. La división en dos fases del contacto del metatarsiano del pie y
de la punta de los dedos, constituye un período de doble apoyo que caracteriza
la marcha y que no ocurre en la carrera. Esta fase de apoyo influye de la
siguiente manera en las distintas partes del cuerpo:
(Terapia
Fisica, s.f)
Es estudio de la marcha comprende tanto
la cinemática, que describe los movimientos, como la cinética, que estudia las
fuerzas que producen los movimientos. Para el análisis de la marcha se
usan diversos métodos:
Acelerometría: permite medir al aceleración en
cualquier segmento o articulación del cuerpo.
Goniometría
digital: mide la
posición angular en cualquier instante de tiempo.
Sistemas
de análisis en 2D y 3D (cámaras normales, infrarrojas): registran en video el movimiento y
permiten digitalizar el cuerpo como un sistema de segmentos unido por puntos.
Electromiografía
(EMG): mide la
actividad muscular.
Baropodometría mide la presión ejercida sobre
el piso.
Plataformas
de fuerza:
registran la fuerza durante el apoyo del pie en el ciclo de marcha.
(Aprende en
línea, 2018)
Los
movimientos que se producen son la rotación de la pelvis en sentido contrario a
la pierna que se apoya y a la columna, con ligera rotación lateral de la pelvis
hacia la pierna que no se ha apoyado. La rotación de la pelvis alarga el paso y
disminuye la desviación lateral del centro de gravedad del cuerpo. Entre los
músculos destacan los semiespinales, oblicuo externo abdominal que se contraen
hacia el mismo lado de la rotación de la pelvis. En cambio, los músculos
elevador de la columna y oblicuo abdominal interno se contraen hacia el lado
contrario. Mientras, el psoas y el cuadrado lumbar ayudan a mantener la pelvis
hacia el lado de la extremidad impulsada.
Cadera
Los
movimientos son de flexión, rotación externa (por la rotación de la pelvis),
abducción al comienzo y al final de la fase. Para ello los músculos actuantes
son el sartorio, tensor de la fascia lata, pectíneo, psoas ilíaco, recto
femoral y la cabeza corta del bíceps femoral, que se contraen precozmente en la
primera fase del impulso, cada uno con su propio patrón. El sartorio y la
cabeza corta del bíceps, por ejemplo, cuando los dedos pierden el contacto con
la superficie y el tensor, tanto en esta fase como en la parte media del
impulso. La contracción de los isquiotibiales con una intensidad moderada
durante la extensión de la rodilla, como parte de la oscilación y los glúteos
mayor y medio, se contraen ligeramente al final del impulso; a su vez el glúteo
mayor sirve como ayuda al equilibrio y como guía de desplazamiento hacia
delante de la extremidad.
Fuente: (Mejor con Salud, s.f)
Los
movimientos son la flexión en la primera mitad y extensión en la segunda parte.
Para ello los músculos que trabajan al igual que en la flexión de la cadera hay
una pequeña oscilación debida a los extensores del cuádriceps que se contraen
ligeramente al final de esta fase, así como el sartorio y los isquiotibiales
que aumentan su actividad en la marcha rápida.
Hay
dorsiflexión (evita la flexión plantar) y trabajan el tibial anterior, extensor
largo de los dedos y del pulgar que se contraen al comienzo de la fase de
oscilación y que disminuye durante la parte media de esta fase. Al final de la
misma este grupo de músculos se contraen otra vez potentemente como preparación
del contacto del talón; los flexores plantares están completamente relajados
durante toda la fase. (Terapia Fisica, s.f)
Referencias Bibliográficas
- https://tucuerpohumano.com/c-sistema-articular/articulaciones-moviles/
- https://www.ecured.cu/Contracci%C3%B3n_muscular
- https://www.monografias.com/trabajos57/contraccion-muscular/contraccion-muscular2.shtml
- https://www.fisioterapiadelaserna.com/fisioterapia-de-la-serna-que-es-una-contraccion-muscular/
- http://www.portalfitness.com/articulos/entrenamiento/compendio/ggarcia/contraccion_musc.htm#
- https://www.stanfordchildrens.org/es/topic/default?id=anatomadeunaarticulacin-85-P03169
- https://kidshealth.org/es/teens/bones-muscles-joints-esp.html
- http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lep/hernandez_s_f/capitulo3.pdf
- http://aprendeenlinea.udea.edu.co/lms/moodle/mod/page/view.php?id=164205
- http://www.elsevier.es/es-revista-revista-iberoamericana-fisioterapia-kinesiologia-176-articulo-fases-marcha-humana-13012714
- https://es.slideshare.net/palomareolid/biomecnica-de-la-marcha-humana
- http://www.terapia-fisica.com/biomecanica-de-la-marcha/
