Unidad 1
Nombre: SISTEMAS BIOFÍSICOS
MECÁNICOS. BIOFÍSICA DE LOS FLUIDOS
MAGNITUDES
Y MEDIDA
El gran físico inglés Kelvin consideraba que
solamente puede aceptarse como satisfactorio nuestro conocimiento si somos
capaces de expresarlo mediante números. Aun cuando la afirmación de Kelvin
tomada al pie de la letra supondría la descalificación de valiosas formas de
conocimiento, destaca la importancia del conocimiento cuantitativo. La
operación que permite expresar una propiedad o atributo físico en forma
numérica es precisamente la medida.
Magnitud, cantidad y unidad
La noción de magnitud está inevitablemente
relacionada con la de medida. Se denominan magnitudes a ciertas propiedades o
aspectos observables de un sistema físico que pueden ser expresados en forma
numérica. En otros términos, las magnitudes son propiedades o atributos
medibles.
La longitud, la masa, el volumen, la fuerza,
la velocidad, la cantidad de sustancia son ejemplos de magnitudes físicas. La
belleza, sin embargo, no es una magnitud, entre otras razones porque no es
posible elaborar una escala y mucho menos un aparato que permita determinar
cuántas veces una persona o un objeto es más bello que otro. La sinceridad o la
amabilidad tampoco lo son. Se trata de aspectos cualitativos porque indican
cualidad y no cantidad.
En el lenguaje de la física la noción de
cantidad se refiere al valor que toma una magnitud dada en un cuerpo o sistema
concreto; la longitud de esta mesa, la masa de aquella moneda, el volumen de
ese lapicero, son ejemplos de cantidades. Una cantidad de referencia se
denomina unidad y el sistema físico que encarna la cantidad considerada como
una unidad se denomina patrón...
La
medida como comparación
La medida de una magnitud física supone, en
último extremo, la comparación del objeto que encarna dicha propiedad con otro
de la misma naturaleza que se toma como referencia y que constituye el patrón.
Tipos
de magnitudes
Entre las distintas propiedades medibles puede
establecerse una clasificación básica. Un grupo importante de ellas quedan
perfectamente determinadas cuando se expresa su cantidad mediante un número
seguido de la unidad correspondiente. Este tipo de magnitudes reciben el nombre
de magnitudes escalares. La longitud, el volumen, la masa, la temperatura, la
energía, son sólo algunos ejemplos. Sin embargo, existen otras que precisan
para su total definición que se especifique, además de los elementos
anteriores, una dirección o una recta de acción y un sentido: son las llamadas
magnitudes vectoriales o dirigidas. La fuerza es un ejemplo claro de magnitud
vectorial, pues sus efectos al actuar sobre un cuerpo dependerán no sólo de su
cantidad, sino también de la línea a lo largo de la cual se ejerza su acción.
Al igual que los números reales son utilizados
para representar cantidades escalares, las cantidades vectoriales requieren el
empleo de otros elementos matemáticos diferentes de los números, con mayor
capacidad de descripción. Estos elementos matemáticos que pueden representar
intensidad, dirección y sentido se denominan vectores. Las magnitudes que se
manejan en la vida diaria son, por lo general, escalares. El dependiente de una
tienda de ultramarinos, el comerciante o incluso el contable, manejan masas,
precios, volúmenes, etc., y por ello les es suficiente saber operar bien con
números. Sin embargo, el físico, y en la medida correspondiente el estudiante
de física, al tener que manejar magnitudes vectoriales, ha de operar, además,
con vectores.
En las Ciencias Físicas tanto las leyes como
las definiciones relacionan matemáticamente entre sí grupos, por lo general
amplios, de magnitudes. Por ello es posible seleccionar un conjunto reducido
pero completo de ellas de tal modo que cualquier otra magnitud pueda ser
expresada en función de dicho conjunto. Esas pocas magnitudes relacionadas se
denominan magnitudes fundamentales, mientras que el resto que pueden expresarse
en función de las fundamentales reciben el nombre de magnitudes derivadas.
Cuando se ha elegido ese conjunto reducido y
completo de magnitudes fundamentales y se han definido correctamente sus
unidades correspondientes, se dispone entonces de un sistema de unidades. La
definición de unidades dentro de un sistema se atiene a diferentes criterios.
Así la unidad ha de ser constante como corresponde a su función de cantidad de
referencia equivalente para las diferentes mediciones, pero también ha de ser
reproducible con relativa facilidad en un laboratorio.
FUERZA Y ENERGÍA
FUERZA
En física, la fuerza es una magnitud vectorial que mide la intensidad del intercambio de momento lineal entre dos partículas o sistemas
de partículas. Según una definición
clásica, fuerza es todo agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o
la forma de los materiales. No debe confundirse con los conceptos de esfuerzo o
de energía.
En el Sistema
Internacional de Unidades, la unidad de medida de fuerza es el newton que
se representa con el símbolo: N , nombrada así en reconocimiento a Isaac Newton por su aportación a la física, especialmente a la mecánica clásica. El newton es una unidad derivada del SI que
se define como la fuerza necesaria para proporcionar una aceleración de 1 m/s² a un objeto de 1 kg de masa.
LA ENERGÍA
Al mirar a nuestro alrededor se observa que
las plantas crecen, los animales se trasladan y que las máquinas y herramientas
realizan las más variadas tareas. Todas estas actividades tienen en común que
precisan del concurso de la energía. 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 –
ELASTICIDAD
Designa
la propiedad mecánica de ciertos materiales de sufrir deformaciones reversibles
cuando se encuentran sujetos a la acción de fuerzas exteriores y de recuperar
la forma original si estas fuerzas exteriores La propiedad elástica de los
materiales está relacionada, como se ha mencionado, con la capacidad de un
sólido de sufrir transformaciones termodinámicas reversibles e independencia de
la velocidad de deformación (los sólidos visco elásticos y los fluidos,
RESISTENCIA
La resistencia de materiales clásica es una
disciplina de la ingeniería mecánica y la ingeniería estructural que estudia
los sólidos deformables mediante modelos simplificados. La resistencia de un
elemento se define como su capacidad para resistir esfuerzos y fuerzas
aplicadas sin romperse, adquirir deformaciones permanentes o deteriorarse de
algún modo. Un modelo de resistencia de materiales establece una relación entre
las fuerzas aplicadas, también llamadas cargas o acciones, y los esfuerzos y
desplazamientos inducidos por ellas. Generalmente las simplificaciones
geométricas y las restricciones impuestas sobre el modo de aplicación de las
cargas hacen que el campo de deformaciones y tensiones sean sencillos de
calcular.
Leyes de Newton
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Todo cuerpo permanece en su estado de reposo o de movimiento
rectilíneo uniforme a menos que otros cuerpos actúen sobre él.
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La fuerza que actua sobre un cuerpo es directamente proporcional a su
aceleración.
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Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, éste ejerce sobre el
primero una fuerza igual y de sentido opuesto.
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Primera ley o de la
inercia
La primera ley de Newton, conocida también como Ley de inercia, nos dice
que si sobre un cuerpo no actua ningún otro, este permanecerá indefinidamente
moviéndose en línea recta con velocidad constante (incluido el estado de
reposo, que equivale a velocidad cero).
Como sabemos, el movimiento es relativo, es decir, depende de cual sea
el observador que describa el movimiento. Así, para un pasajero de un tren, el
interventor viene caminando lentamente por el pasillo del tren, mientras que para
alguien que ve pasar el tren desde el andén de una estación, el interventor se
está moviendo a una gran velocidad. Se necesita, por tanto, un sistema de
referencia al cual referir el movimiento. La primera ley de Newton sirve
para definir un tipo especial de sistemas de referencia conocidos como Sistemas
de referencia inerciales, que son aquellos sistemas de referencia desde los
que se observa que un cuerpo sobre el que no actua ninguna fuerza neta se mueve
con velocidad constante.
En realidad, es imposible encontrar un sistema de referencia inercial,
puesto que siempre hay algún tipo de fuerzas actuando sobre los cuerpos, pero
siempre es posible encontrar un sistema de referencia en el que el problema que
estemos estudiando se pueda tratar como si estuviésemos en un sistema inercial.
En muchos casos, suponer a un observador fijo en la Tierra es una buena
aproximación de sistema inercial.
La Primera ley de Newton nos dice que para que un cuerpo altere su movimiento es necesario que
exista algo que provoque dicho cambio. Ese algo es lo que
conocemos como fuerzas. Estas son el resultado de la acción de
unos cuerpos sobre otros.
La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de
fuerza. Nos dice que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional
a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. La constante de
proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera que podemos expresar
la relación de la siguiente manera:
F = m a
Tanto la fuerza como la aceleración son magnitudes vectoriales, es
decir, tienen, además de un valor, una dirección y un sentido. De esta manera,
la Segunda ley de Newton debe expresarse como:
F = m a
La unidad de fuerza en el Sistema Internacional es el Newton
y se representa por N. Un Newton es la fuerza que hay que ejercer
sobre un cuerpo de un kilogramo de masa para que adquiera una
aceleración de 1 m/s2, o sea,
1 N = 1 Kg · 1 m/s2
La expresión de la Segunda ley de Newton que hemos dado es válida para
cuerpos cuya masa sea constante. Si la masa varia, como por ejemplo un cohete
que va quemando combustible, no es válida la relación F = m · a.
Vamos a generalizar la Segunda ley de Newton para que incluya el caso de
sistemas en los que pueda variar la masa.
Para ello primero vamos a definir una magnitud física nueva. Esta
magnitud física es la cantidad de movimiento que se representa por la
letra p y que se define como el producto de la masa de un cuerpo por
su velocidad, es decir:
p = m · v
La cantidad de movimiento también se conoce como momento lineal.
Es una magnitud vectorial y, en el Sistema Internacional se mide en Kg·m/s
. En términos de esta nueva magnitud física, la Segunda ley de Newton se
expresa de la siguiente manera:
La Fuerza que actua sobre un cuerpo es igual a la variación temporal de
la cantidad de movimiento de dicho cuerpo, es decir,
F = dp/dt
De esta forma incluimos también el caso de cuerpos cuya masa no sea constante.
Para el caso de que la masa sea constante, recordando la definición de cantidad
de movimiento y que como se deriva un producto tenemos:
F = d(m·v)/dt =
m·dv/dt + dm/dt ·v
Como la masa es constante
dm/dt = 0
y recordando la definición de aceleración, nos queda
F = m a
tal y como habiamos visto anteriormente.
Otra consecuencia de expresar la Segunda ley de Newton usando la cantidad de movimiento es lo que se conoce como Principio
de conservación de la cantidad de movimiento. Si la fuerza total que actua
sobre un cuerpo es cero, la Segunda ley de Newton nos dice que:
0 = dp/dt
es decir, que la derivada de la cantidad de movimiento con respecto al
tiempo es cero. Esto significa que la cantidad de movimiento debe ser constante
en el tiempo (la derivada de una constante es cero). Esto es el Principio
de conservación de la cantidad de movimiento: si la fuerza total que
actua sobre un cuerpo es nula, la cantidad de movimiento del cuerpo permanece
constante en el tiempo.
Tal como comentamos en al principio de la Segunda ley de Newton las fuerzas son el resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros.
La tercera ley, también conocida como Principio de acción y
reacción nos dice que si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo
B, éste realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario.
Esto es algo que podemos comprobar a diario en numerosas ocasiones. Por
ejemplo, cuando queremos dar un salto hacia arriba, empujamos el suelo para
impulsarnos. La reacción del suelo es la que nos hace saltar hacia arriba.
Cuando estamos en una piscina y empujamos a alguien, nosotros tambien
nos movemos en sentido contrario. Esto se debe a la reacción que la otra
persona hace sobre nosotros, aunque no haga el intento de empujarnos a
nosotros.
Hay que destacar que, aunque los pares de acción y reacción tenga el
mismo valor y sentidos contrarios, no
se anulan entre si, puesto que actuan
sobre cuerpos distintos.
Resistencia de los huesos
El módulo presenta una máquina en la que el
visitante puede romper la cáscara de frutos secos, debiendo vencer la
resistencia de esa estructura. Es un símil que ilustra la resistencia de
nuestros huesos frente a las tensiones.El hueso está sometido permanentemente a fuertes presiones. Sentarse somete a las vértebras inferiores a una presión equivalente a la que soporta un buceador que se encuentra a 170 metros de profundidad. Y un salto de longitud provoca en el fémur de un atleta una fuerza equivalente al peso de 9 toneladas.
Para lograr esta resistencia sin pesar demasiado, el hueso cuenta con dos tipos de tejidos, el compacto y el esponjoso. El tejido compacto tiene dos componentes principales. Una parte mineral, formada por sales de calcio, y el colágeno, una sustancia gelatinosa que en forma de fibras atraviesa todo el entramado mineral. El tejido esponjoso está en el centro del hueso y no es muy resistente, pero sí muy ligero, lo que evita el exceso de peso.
El hueso supera en resistencia al hormigón, y de hecho su estructura es muy parecida. Las fibras colágenas del hueso tienen gran fuerza de tensión. En cambio las sales de calcio, cuyas propiedades son parecidas a las del mármol, tienen gran fuerza de compresión. Estas propiedades combinadas son las que aportan resistencia al hueso. En el hormigón, el acero, como el colágeno, suministra la fuerza de tensión. Y el cemento, como las sales de calcio, aporta la fuerza de compresión.
SISTEMA OSEO:
ESTRUCTURA
Estructuralmente, el esqueleto consiste en
unos 200 huesos formados por tejido óseo, cartílagos, médula ósea y el
periostio o membrana que rodea los huesos. Los huesos se clasifican según si
forma en huesos largos, huesos cortos, huesos planos y huesos irregulares (*).
pero también según el tipo de tejido que los componen: el tejido compacto tiene
un aspecto macizo, mientras que el tejido esponjoso o trabeculado se
caracteriza por los espacios abiertos parcialmente rellenos
Aspecto
macroscópico de un hueso largo
La estructura de un hueso largo, como el
húmero, es la siguiente (*) : •Diáfisis:
la parte alargada del hueso
•Epífisis: estremos o terminaciones del
hueso
•Metafisis: unión de la diáfisis con las
epífisis. En el hueso adulto esta parte es ósea, siendo cartilaginosa en la
fase del desarollo del mismo.
•Cartílago articular: es una fina capa de
cartílago hialino que recubre la epífisis donde el hueso se articula con otro
hueso. El cartílago reduce la fricción y absorbe choques y vibracciones.
•Periostio: membrana que rodea la superficie
del hueso no cubierta por cartílago. Esta compuesta por dos capas (*): 1.La capa exterior fibrosa formada por un
tejido conjuntivo denso e irregular que contiene los vasos sanguíneos, vasos
linfáticos y nervios que pasan al hueso.
2. La capa osteogénica contiene células óseas
de varios tipos, fibras elásticas y vasos sanguíneos
El periostio es esencial en el crecimiento
óseo, en su reparación y en su nutrición. También constituye el punto de
inserción de ligamentos y tendones
•Cavidad medular: es un espacio cilíndrico
sitiuado en la parte central en la diáfisis que en los adultos contiene la
médula ósea amarilla
•Endostio: la cavidad medular está tapizada
por el endostio, una membrana que contiene las células osteoprogenitoras
Como
otros tejidos conjuntivos, el hueso o tejido óseo está constituído por una
matriz en la que se encuentran células dispersas. La matriz está constituída
por 25% de agua, 25% de proteínas y 50% de sales minerales. Además, hay cuatro
tipos de células:
•Celulas osteoprogenitoras: son 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, en el endostio y en los canales del hueso que contienen los
vasos sanguíneos. A partir de ellas se general los osteoblastos y los
osteocitos
•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
carbonato 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.
-Hueso
Compacto (hueso cortical) .- 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 incluídos 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 tabiques 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 epifisis de los huesos largos y del interior de la mayor
parte de los huesos.
Contracción muscular
La contracción
muscular siempre es un acto voluntario, que se ejecuta cuando el hombre
tiene necesidad de tomar o acercarse a un objeto o por una reacción defensiva.
En muchas ocasiones, cuando la reacción es defensiva, el acto se reduce a
la acción de los mecanismos reflejos; pero cuando la acción muscular se realiza
por el deseo o la necesidad de tomar o acercarse a objetos, personas o por
motivos de trabajo, esta actividad es dirigida y controlada por el cerebro.
Cuando se realizan actos repetitivos, como por ejemplo, al manejar, al caminar o
simplemente en un trabajo que requiere la misma actividad, estos movimientos
pueden llegar a automatizarse; no obstante, la energía nerviosa del
estímulo para la respuesta, estará siempre presente.
¿Qué es una contracción
muscular?
Una contracción
muscular, por tanto, es un proceso
fisiológico desarrollado por los músculos cuando, según la tensión, se
estiran o se acortan. Este proceso está controlado por el sistema nervioso
central y permite producir fuerza motora.
La contracción muscular ocurre siempre que las fibras musculares
generan una tensión en sí mismas, situación que puede ocurrir, cuando el
músculo está acortado, alargado, moviéndose, permaneciendo en una misma
longitud o en forma estática
Tipos de contracción
muscular
Contracciones
Isotónicas: igual tensión
Desde el punto de vista fisiológico, la
contracciones isotónicas son a aquellas contracciones en la que las fibras
musculares además de contraerse, modifican su longitud. De modo que existen 2 tipos de contracciones isotónicas
Concéntricas:
Tiene lugar cuando un músculo desarrolla una
tensión suficiente para superar una resistencia, de forma tal que éste se acorta y moviliza una parte del
cuerpo venciendo dicha resistencia. Por ejemplo, al llevarnos un vaso de
agua a la boca, se poduce un acortamiento muscular concéntrico en nuestro
brazo.
Excéntricas:
Se produce cuando una
resistencia dada es mayor que la tensión ejercida por un músculo determinado,
de forma que éste se alarga.
Siguiendo con el ejemplo anterior, la contracción muscular excéntrica se
produciría al llevar el vaso de agua desde nuestra boca hacia la mesa.
Contracciones isométricas:
igual longitudinal.
La contracción muscular
isométrica se basa en la estabilidad
del músculo, es decir, al contrario que ocurre en la contracción
muscular isotónica, el músculo permanece estático, sin acortarse ni alargarse,
pero aunque permanece estático, sigue generando tensión. Un ejemplo de ello
puede ser cuando sostenemos a un bebé en brazos, ya que, pese a que nuestros
brazos permanecen estáticos, éstos generan tensión para evitar que el niño
caiga al suelo.
Articulaciones-función,
importancia, características, clasificación
Articulaciones
Una articulación es la conjunción entre dos huesos formada por una serie de estructuras mediante las cuales se unen los huesos entre sí.
La parte de la anatomía que se encarga del estudio de las articulaciones es la artrología.
FUNCION
Las funciones más importantes de las articulaciones son de constituir puntos de unión del esqueleto y producir movimientos mecánicos, proporcionándole elasticidad y plasticidad al cuerpo, además de ser lugares de crecimiento.
IMPORTANCIA
Si no tuviéramos articulaciones no nos podríamos ni sentar ni doblar arrodillar NADA POR QUE SONLAS QUE NOS PERMITEN FLEXIONARNOS SIN ELLAS ESTARIAMOS INMOVILIZADOS
CARACTERISTICAS
que se encuentran entre dos huesos
que son flexibles
que permiten el movimiento de los huesos
que se pueden desligar
que se estiran y encogen(contraen)
que sirven para mantener nuestros huesos unidos.
La marcha es un proceso de locomoción en el que
el nuestro cuerpo estando de pie, se desplaza de un lugar a otro, siendo su
peso soportado de forma alternante por ambos miembros inferiores.
Mientras el cuerpo se desplaza sobre la pierna de soporte, la otra pierna se balancea hacia delante como preparación para el siguiente apoyo. Uno de los pies se encuentra siempre en el suelo y, en el período de transferencia de peso del cuerpo de la pierna retrasada a la adelantada, existe un breve intervalo de tiempo durante el cual ambos pies descansan sobre el suelo.
En este artículo analizaremos la biomecánica de las dos fases de la marcha
Mientras el cuerpo se desplaza sobre la pierna de soporte, la otra pierna se balancea hacia delante como preparación para el siguiente apoyo. Uno de los pies se encuentra siempre en el suelo y, en el período de transferencia de peso del cuerpo de la pierna retrasada a la adelantada, existe un breve intervalo de tiempo durante el cual ambos pies descansan sobre el suelo.
En este artículo analizaremos la biomecánica de las dos fases de la marcha
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:
1.
Columna vertebral y pelvis: Rotación
de la pelvis hacia el mismo lado del apoyo y la columna hacia el lado
contrario, Inclinación lateral de la pierna de apoyo.
2.
Cadera: Los movimientos que se producen
son la reducción de la rotación externa, después de una inclinación interna,
impide la aducción del muslo y descenso de la pelvis hacia el lado contrario.
Los músculos que actúan durante la primera parte de la fase de apoyo son los
tres glúteos que se contraen con intensidad moderada, pero en la parte media
disminuyen las contracciones del glúteo mayor y del medio. En la última parte de
esta fase se contraen los abductores.
3.
Rodilla: Los movimientos que se producen
son ligera flexión durante el contacto, que continúa hacia la fase media,
seguida por la extensión hasta que el talón despega cuando se flexiona la
rodilla para comenzar con el impulso. La flexión baja la trayectoria
vertical del centro de gravedad del cuerpo, incrementándose la eficacia de
la marcha. La musculatura actuante son los extensores del cuádriceps que se
contraen moderadamente en la primera parte de la fase de apoyo, siguiendo una
relajación gradual. Cuando la pierna llega a la posición vertical la rodilla
aparentemente se cierra y produce una contracción de los extensores. Los
isquiotibiales se activan al final de la fase de apoyo.
4.
Tobillo y pie: Los
movimientos producidos en este fase son la ligera flexión plantar seguida de
una ligera flexión dorsal. Por ello los músculos que actúan son el tibial
anterior en la primera fase de apoyo, y el extensor largo de los dedos y del
dedo gordo que alcanzan su contracción máxima cerca del momento de la
transición de la fase de impulso y apoyo. Sin embargo, la fuerza relativa de estos músculos está influenciada por la forma
de caminar cada sujeto.
Esta fase, como ya sabemos, comienza con el despegue de los dedos y termina con el choque del talón. En ella intervienen las siguientes partes del cuerpo:
1. Columna y pelvis: 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.
2. 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.
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.
3. Rodilla: 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.
4. Tobillo y pie: 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.
FLUIDOS:
LÍQUIDOS Y GASES :El líquido es un estado de
agregación de la materia en forma de fluido altamente Estado líquido es un
estado de agregación de la materia intermedio entre el estado sólido y el
gaseoso. Las moléculas de los líquidos no están tan próximas como las de los
sólidos, pero están menos separadas que las de los gases.
Las moléculas en el estado líquido ocupan
posiciones al azar que varían con el tiempo. Las distancias intermoleculares
son constantes dentro de un estrecho margen. En algunos líquidos, las moléculas
tienen una orientación preferente, lo que hace que el líquido presente
propiedades anisótropas. Los líquidos presentan tensión superficial y
capilaridad, generalmente se dilatan cuando se incrementa su temperatura y
pierden volumen cuando se enfrían, aunque sometidos a compresión su volumen es
muy poco variable a diferencia de lo que sucede con otros fluidos como los
gases. Los objetos inmersos en algún líquido son sujetos a un fenómeno conocido
como flotabilidad. .
PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS
VISCOSIDAD En la animación, el fluido de abajo es más viscoso que el de
arriba. Los líquidos se caracterizan porque las fuerzas internas en un líquido
no dependen de la deformación total, aunque usual sí dependen de la velocidad
de deformación, esto es lo que diferencia a los sólidos deformables de los
líquidos. Los fluidos reales se caracterizan por poseer una resistencia a fluir
llamada viscosidad La viscosidad de un líquido crece al aumentar el número de
moles y disminuye al crecer la temperatura. La viscosidad también está
relacionada con la complejidad de las moléculas que constituyen el líquido: es
baja en los gases inertes licuados y alta en los aceites pesados. Es una
propiedad característica de todo fluido.
La viscosidad es una medida de la
resistencia al desplazamiento de un fluido cuando existe una diferencia de
presión. Cuando un líquido o un gas fluyen se supone la existencia de una capa
estacionaria, de líquido o gas, adherida sobre la superficie del material a
través del cual se presenta el flujo. La segunda capa roza con la adherida
superficialmente y ésta segunda con una tercera y así sucesivamente. Este roce
entre las capas sucesivas es el responsable de la oposición al flujo o sea el
responsable de la viscosidad. La viscosidad se mide en poises, siendo un poise
la viscosidad de un líquido en el que para deslizar una capa de un centímetro
cuadrado de área a la velocidad de 1 cm/s respecto a otra estacionaria situado
a 1 cm de distancia fuese necesaria la fuerza de una dina. La viscosidad suele
decrecer en los líquidos al aumentar la temperatura, aunque algunos pocos
líquidos presentan un aumento de viscosidad cuando se calientan. Para los gases
la viscosidad aumenta al aumentar la temperatura. La viscosidad de un líquido
se determina por medio de un viscosímetro entre los cuales el más utilizado es
el de Ostwald,2 este se utiliza para determinar viscosidad relativas
FLUIDEZ La fluidez es una característica de los líquidos y/o gases que
les confiere la habilidad de poder pasar por cualquier orificio o agujero por
más pequeño que sea, siempre que esté a un mismo o inferior nivel del
recipiente en el que se encuentren, a diferencia del restante estado de
agregación conocido como sólido. Fluidez es el opuesto de viscosidad, ambas se
relacionan con la temperatura y la presión.
A mayor temperatura más fluidez
tiene un líquido y menos fluidez tiene un gas.
MECÁNICA DE FLUIDOS
La mecánica de fluidos es la rama
de la mecánica de medios continuos que
estudia el movimiento de los fluidos así
como las fuerzas que los provocan. La característica fundamental que define a
los fluidos es su incapacidad para resistir esfuerzos cortantes. la mecánica de fluidos se asume que los
fluidos verifican las siguientes leyes: Conservación de la masa y de la
cantidad de movimiento. Primera y segunda ley de la termodinámica.
PARTÍCULA FLUIDA Este concepto está muy ligado al
del medio continúo y es sumamente importante en la mecánica de fluidos. Se
llama partícula fluida a la masa elemental de fluido que en un instante
determinado se encuentra en un punto del espacio. Dicha masa elemental ha de
ser lo suficientemente grande como para contener un gran número de moléculas, y
lo suficientemente pequeña como para poder considerar que en su interior no hay
variaciones de las propiedades macroscópicas del fluido, de modo que en cada
partícula fluida podamos asignar un valor a estas propiedades. Es importante
tener en cuenta que la partícula fluida se mueve con la velocidad macroscópica
del fluido, de modo que está siempre formada por las mismas moléculas. Así pues
un determinado punto del espacio en distintos instantes de tiempo estará
ocupado por distintas partículas fluidas.
LEY DE STOKES
La Ley de Stokes se refiere a la fuerza de fricción experimentada
por objetos esféricos moviéndose en el seno de un fluido viscoso en un régimen
laminar de bajos números de Reynolds. Fue derivada en 1851 por George Gabriel
Stokes tras resolver un caso particular de las ecuaciones de Navier-Stokes. En
general la ley de Stokes es válida en el movimiento de partículas esféricas
pequeñas moviéndose a velocidades bajas. La ley de Stokes puede escribirse
como: donde R es el radio de la esfera, v su velocidad y η la viscosidad del
fluido. La condición de bajos números de Reynolds implica un flujo laminar lo
cual puede traducirse por una velocidad relativa entre la esfera y el medio
inferior a un cierto valor crítico. En estas condiciones la resistencia que
ofrece el medio es debida casi exclusivamente a las fuerzas de rozamiento que
se oponen al deslizamiento de unas capas de fluido sobre otras a partir de la
capa límite adherida al cuerpo. La ley de Stokes se ha comprobado experimentalmente
en multitud de fluidos y condiciones. Si las partículas están cayendo
verticalmente en un fluido viscoso debido a su propio peso puede calcularse su
velocidad de caída o sedimentación igualando la fuerza de fricción con el peso
aparente de la partícula en el fluido.
Estática de los
Fluidos
●Estudia el equilibrio de Gases y líquidos en
elcuerpo.
●Fluido.- estado de la materia en el que
lamateria de los cuerpos no son constantes, sino que se adaptan al recipiente.
●Puede ser trasvasada de un recipiente a otro.
●Líquidos y Gases son dos tipos diferentes
defluidos.
Principio de Pascal
Pascal, Blaise
Blaise Pascal (1623-1662),
filósofo, matemático y físico francés, considerado una de las mentes
privilegiadas de la historia intelectual de Occidente.
Blaise Pascal Blaise Pascal,
conocido como matemático, científico y autor, abrazó la religión
hacia el final de su corta vida. Pascal argumentaba que es razonable tener fe,
aunque nadie pueda demostrar la existencia o inexistencia de Dios; los
beneficios de creer en Dios, si efectivamente existe, superan con mucho las
desventajas de dicha creencia en caso de que sea falsa.Hulton Deutsch
Calculadora de Pascal En 1642,
Blaise Pascal desarrolló una calculadora mecánica para facilitarle el
trabajo a su padre, un funcionario fiscal.
Los números se introducen en las ruedas metálicas delanteras y las soluciones
aparecen en las ventanas superiores.Dorling Kindersley
Nació en Clermont-Ferrand el
19 de junio de 1623, y su familia
se estableció en París en 1629. Bajo la tutela
de su padre, Pascal pronto se manifestó como un prodigio en matemáticas,
y a la edad de 16 años formuló uno de los teoremas básicos de la geometría
proyectiva, conocido como el teorema de Pascal y descrito en su Ensayo
sobre las cónicas (1639).
En 1642 inventó la primera
máquina de calcular mecánica. Pascal demostró mediante un experimento en 1648
que el nivel de la columna de mercurio
de un barómetro lo determina el aumento o disminución de la presión atmosférica
circundante. Este descubrimiento verificó la hipótesis
del físico italiano Evangelista Torricelli respecto al efecto de la presión
atmosférica sobre el equilibrio de los líquidos. Seis años más tarde, junto con
el matemático francés Pierre de Fermat, Pascal formuló la teoría
matemática
de la probabilidad,
que ha llegado a ser de gran importancia en estadísticas
actuariales, matemáticas y sociales, así como un elemento fundamental en los
cálculos de la física
teórica moderna.
Otras de las contribuciones
científicas importantes de Pascal son la deducción
del llamado ‘principio de Pascal’, que establece que los líquidos transmiten
presiones con la misma intensidad en todas las direcciones (véase Mecánica de
fluidos), y sus investigaciones
sobre las cantidades infinitesimales. Pascal creía que el progreso humano se
estimulaba con la acumulación de los descubrimientos científicos.
La Presa Hidráulica
El principio de Pascal fundamenta el funcionamiento
de las genéricamente llamadas máquinas hidráulicas: la prensa, el gato, el
freno, el ascensor y la grúa, entre otras.
Este dispositivo, llamado
prensa hidráulica, nos permite prensar, levantar pesos o estampar metales
ejerciendo fuerzas muy pequeñas. Veamos cómo lo hace.
El recipiente lleno de líquido
de la figura consta de dos cuellos de diferente sección cerrados con sendos
tapones ajustados y capaces de res-balar libremente dentro de los tubos
(pistones). Si se ejerce una fuerza (F1) sobre el pistón pequeño, la presión
ejercida se transmite, tal como lo observó Pascal, a todos los puntos del
fluido dentro del recinto y produce fuerzas perpendiculares a las paredes. En
particular, la porción de pared representada por el pistón grande (A2) siente
una fuerza (F2) de manera que mientras el pistón chico baja, el grande sube. La
presión sobre los pistones es la misma, No así la fuerza!
Como p1=p2 (porque la presión interna es la misma para todos lo puntos)
Entonces: F1/A1 es igual F2/A2
por lo que despejando un termino se tiene que: F2=F1.(A2/A1)
Si, por ejemplo, la superficie del pistón grande es
el cuádruple de la del chico, entonces el módulo de la fuerza obtenida en él
será el cuádruple de la fuerza ejercida en el pequeño.
La prensa hidráulica, al igual
que las palancas mecánicas, no multiplica la energía. El volumen de líquido
desplazado por el pistón pequeño se distribuye en una capa delgada en el pistón
grande, de modo que el producto
de la fuerza por el desplazamiento (el trabajo) es igual en ambas ramas. ¡El
dentista debe accionar muchas veces el pedal del sillón para lograr levantar lo
suficiente al paciente!
Principio de Arquímedes
212 a.C.), notable matemático e inventor griego,
que escribió importantes obras sobre geometría plana y del espacio, aritmética
y mecánica.
Nació en Siracusa, Sicilia, y
se educó en Alejandría, Egipto.
En el campo de las matemáticas puras, se anticipó a muchos de los
descubrimientos de la
ciencia moderna, como el cálculo integral, con sus
estudios de áreas y volúmenes de figuras sólidas curvadas y de áreas de figuras
planas. Demostró también que el volumen de una esfera es dos tercios del
volumen del cilindro que la circunscribe.
En mecánica, Arquímedes
definió la ley
de la palanca y se le reconoce como el inventor de la polea compuesta. Durante
su estancia en Egipto inventó el ‘tornillo sin fin’ para elevar el
agua de nivel. Arquímedes es conocido sobre todo por el
descubrimiento de la ley de la hidrostática,
el llamado principio de Arquímedes, que establece que todo cuerpo sumergido en
un fluido experimenta una pérdida de peso igual al peso del volumen del fluido
que desaloja (véase Mecánica de fluidos). Se dice que este descubrimiento lo
hizo mientras se bañaba, al comprobar cómo el agua se desplazaba y se
desbordaba.
Arquímedes pasó la mayor parte
de su vida en Sicilia, en Siracusa y sus alrededores, dedicado a la
investigación y los experimentos.
Aunque no tuvo ningún cargo público, durante la conquista
de Sicilia por los romanos se puso a disposición de las autoridades de la
ciudad y muchos de sus instrumentos mecánicos se utilizaron en la defensa de
Siracusa. Entre la maquinaria de guerra
cuya invención se le atribuye está la catapulta y un sistema
de espejos —quizá legendario— que incendiaba las embarcaciones enemigas al
enfocarlas con los rayos del sol.
Al ser conquistada Siracusa,
durante la segunda Guerra Púnica, fue asesinado por un soldado romano que le
encontró dibujando un diagrama
matemático en la arena. Se cuenta que Arquímedes estaba tan absorto en las operaciones
que ofendió al intruso al decirle: "No desordenes mis diagramas".
Todavía subsisten muchas de sus obras sobre matemáticas y mecánica, como el
Tratado de los cuerpos flotantes, El arenario y Sobre la esfera y el cilindro.
Todas ellas muestran el rigor y la imaginación de su pensamiento
matemático.
El principio de Arquímedes
afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y
hacia arriba igual al peso de fluido desalojado.
Consideremos, en primer lugar,
las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto de fluido.
La fuerza que ejerce la presión
del fluido sobre la superficie de separación es igual a p·dS, donde p
solamente depende de la profundidad y dS es un elemento de superficie.
Puesto que la porción de fluido
se encuentra en equilibrio, la resultante de las fuerzas debidas a la presión
se debe anular con el peso de dicha porción de fluido. A esta resultante la
denominamos empuje y su punto de aplicación es el centro de masa de la porción
de fluido, denominado centro de empuje.
De este modo, para una porción
de fluido en equilibrio con el resto se cumple
Empuje=peso=rf·gV
El peso de la porción de
fluido es igual al producto de la densidad del fluido rf por la
aceleración de la gravedad g y por el volumen de dicha porción V.
Se
sustituye la porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y
dimensiones.
Si sustituimos la porción de
fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones. Las fuerzas
debidas a la presión no cambian, por tanto, su resultante que hemos denominado
empuje es el mismo, y actúa sobre el mismo punto, es decir, sobre el centro de
empuje.
Lo que cambia es el peso del
cuerpo y su punto de acción
que es su propio centro de masa que puede o no coincidir con el centro de
empuje.
Ejemplo:
Supongamos un cuerpo sumergido
de densidad ρ rodeado por un fluido de densidad ρf. El área de la
base del cuerpo es A y su altura h.
La presión debida al fluido
sobre la base superior es p1= ρfgx, y la presión debida al fluido
en la base inferior es p2= ρfg(x+h). La presión sobre la
superficie lateral es variable y depende de la altura, está comprendida entre p1
y p2.
Las fuerzas debidas a la
presión del fluido sobre la superficie lateral se anulan. Las otras fuerzas
sobre el cuerpo son las siguientes:
- Peso del cuerpo, mg
- Fuerza debida a la
presión sobre la base superior, p1·A
- Fuerza debida a la
presión sobre la base inferior, p2·A
En el equilibrio tendremos que
mg+p1·A=p2·A
mg+ρfgx·A= ρfg(x+h)·A
mg+ρfgx·A= ρfg(x+h)·A
o
bien,
mg=ρfh·Ag
El peso del cuerpo mg
es igual a la fuerza de empuje ρfh·Ag
Como vemos, la fuerza de
empuje tiene su origen en la diferencia de presión entre la parte superior y la
parte inferior del cuerpo sumergido en el fluido. El principio de Arquímedes se
enuncia en muchos textos de Física del siguiente modo:
|
Cuando un cuerpo está parcialmente o totalmente sumergido en el fluido
que le rodea, una fuerza de empuje actúa sobre el cuerpo. Dicha fuerza tiene
dirección hacia arriba y su magnitud es igual al peso del fluido que ha sido
desalojado por el cuerpo.
|
El trabajo de las fuerzas no
conservativas Fnc modifica la
energía total (cinética más potencial) de la partícula. Como el trabajo de la
fuerza de rozamiento es negativo y la energía cinética Ek no cambia
(velocidad constante), concluimos que la energía potencial final EpB es
menor que la energía potencia
inicial EpA.
En la página titulada "movimiento
de un cuerpo en el seno de un fluido ideal",
estudiaremos la dinámica del cuerpo y aplicaremos el principio de conservación
de la energía.
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