Conceptos Fundamentales de Física y Química para Biomecánica

A: Conceptos de Física y Química

Definiciones Clave

• Física: Ciencia que estudia las propiedades de la materia y de la energía a través de sus atributos medibles. Establece las leyes que explican y rigen los fenómenos naturales, excluyendo los que modifican la estructura molecular.
• Química: Ciencia que estudia la composición y las propiedades de la materia y de las transformaciones que experimenta.
• Fisicoquímica: Estudia la materia empleando conceptos químicos y físicos. Analiza las propiedades físicas de la materia que se alteran como resultado de un cambio químico.

Medidas, Magnitudes y Unidades

• Magnitud: Propiedad física o química medible.
• Masa: Mide la cantidad de materia contenida (kg/g/mg).
• Volumen: Mide el espacio que ocupa una muestra (L/mL).
• Concentración: Cantidad de soluto en una disolución (mol/L, mg/L, mg/kg).
• Unidades: Referencias empleadas para manejar cantidades. Son imprescindibles para interpretar magnitudes y resultados.
• Fuerza: Causa capaz de acelerar o desacelerar un cuerpo.
• Presión: Fuerza ejercida por unidad de superficie (Pascal).

Escalas de Temperatura

• Calor: Forma de energía que fluye desde las partículas con mayor energía cinética y vibración a las partículas con menor energía. Se mide a través de la temperatura.
• T = 0K: Siempre se debe usar Kelvin (K) para trabajar con temperaturas en cálculos.
• Para calcular una diferencia de temperatura, se puede usar Celsius o Kelvin, pero no se debe sumar 273 al resultado de la diferencia.

Cifras Significativas

• Números exactos: Números teóricos con infinitas cifras decimales.
• Los datos reales tienen cierta incertidumbre. Las mediciones reales nunca son exactas.
• Solo se puede "prometer" hasta una cantidad de cifras decimales: las cifras significativas.

Exactitud y Precisión

• Exacto y preciso: Las réplicas dan siempre un resultado próximo al valor real.
• Inexacto pero preciso: Las réplicas dan siempre un resultado alejado del valor real en una misma cantidad. El método tiene un error sistemático que debe corregirse.
• Exacto pero impreciso: El método es válido pero muy sensible a cualquier variación en las condiciones (errores aleatorios).
• Error absoluto: Diferencia entre el valor experimental y el valor teórico. Se expresa con unidades.
• Error relativo: Error absoluto / valor teórico * 100. Se expresa en porcentaje.

B: Aplicaciones en Biomecánica

Trabajo y Transformaciones de Energía

• Energía: Capacidad de producir un trabajo mecánico, pudiendo transformarse o almacenarse. Unidad en el Sistema Internacional: Julio (J). 1 cal = 4.18 J; 1000 cal = 1 kcal.
• Energía mecánica: W = F * L (Fuerza * Distancia)
• Energía potencial: Ep = m * g * h (masa * gravedad * altura)
• Energía cinética: Ec = 1/2 * m * v² (1/2 * masa * velocidad²)
• Potencia: Cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo (velocidad metabólica). Pot = W / t. Unidad: 1W = J/s.

Fuerzas en Biomecánica

• Biomecánica: Estudio del funcionamiento de las fuerzas musculares para producir movimiento y equilibrio.
• F = m * a (Fuerza = masa * aceleración)
• F = k * Δx (Fuerza elástica = constante elástica * deformación)
• Fuerza elástica: Respuesta de un objeto contra una fuerza de deformación.
• Momento de fuerzas: Resultado de aplicar una fuerza a una distancia del eje de giro.

Presión de Fluidos

• Presión: Fuerza aplicada por cada unidad de superficie. Unidad en el Sistema Internacional: Pascal (Pa). p = F / s.
• Presión en fluidos: Al no ser rígido, un fluido en reposo no ejerce una fuerza paralela a la superficie.
• Sin flujo, la presión de columnas de líquido depende solo de la altura. P = d * g * h (densidad * gravedad * altura).

Presión de Fluidos en el Organismo

El organismo está sometido a la presión atmosférica y a efectos debidos al propio organismo.

1. Por la altura de una columna de líquido: P = ρ_sangre * g * h.
2. Por la presión que ejerce el corazón al bombear la sangre.

Presión durante un ciclo cardíaco (Funcionamiento del tensiómetro):

1. Se aumenta la presión de la bolsa hasta cortar la circulación (supera la presión sistólica).
2. La bolsa se desinfla.
3. Se detecta el primer latido (tensión alta) cuando la presión de la bolsa es superada por la sistólica.
4. Se deja de detectar latidos (tensión baja) cuando la presión sanguínea en el pulso diastólico supera la del tensiómetro.

Dinámica Básica del Flujo Sanguíneo

Efectos en la velocidad y presión sanguínea por: altura, diámetros, ramificaciones. El caudal debe mantenerse constante. En ramificaciones, considerar el área de todas las secciones.

El flujo de la sangre conserva la energía total. El corazón implementa la energía para mantener la circulación, considerando cambios de alturas, secciones, ramificaciones, fricción y viscosidad.

Fenómenos Ondulatorios

Una onda es la propagación de una perturbación (presión, densidad, campo eléctrico, campo magnético, etc.) que transporta energía, no materia.

Clasificación de las Ondas

Según el Medio de Propagación

• Ondas Mecánicas: Necesitan un medio material (ondas sonoras, ondas en el agua).
• Ondas Electromagnéticas: No necesitan un medio material (rayos X, luz visible, ondas de radio).

Según la Dirección de Propagación

• Ondas Longitudinales: La oscilación es paralela a la propagación.
• Ondas Transversales: La oscilación es perpendicular a la propagación.

Según la Dimensión de Propagación

• Ondas Unidimensionales
• Ondas Bidimensionales
• Ondas Tridimensionales

La amplitud de las ondas sigue una variación sinusoidal.

• Amplitud (A): Máxima altura de la onda (Unidad SI: m).
• Longitud de onda (λ): Distancia entre dos crestas o dos valles (Unidad SI: m).
• Periodo (T): Tiempo entre dos oscilaciones consecutivas (cresta a cresta).
• Frecuencia (f): Número de veces que la perturbación se repite por segundo (Unidad SI: Herzios (Hz) ≡ s^-1).
• Fase: Dos ondas están en fase si comienzan al mismo tiempo.

La velocidad de propagación aumenta con la longitud de onda y la frecuencia.

Fenómenos Ondulatorios Específicos

• Interferencia:
  • Constructiva: La onda resultante suma las amplitudes (ondas en fase).
  • Destructiva: Las ondas cancelan sus amplitudes (ondas en desfase).
• Reflexión: Cambio de dirección de una onda al rebotar. El ángulo incidente y el reflejado son iguales. En superficies rugosas se produce reflexión difusa.
• Refracción: Cambio de dirección al pasar de un medio a otro con diferente velocidad de propagación.

Cuando n₂ > n₁, el rayo se acerca a la normal. Cuando n₁ > n₂, el rayo se aleja de la normal.

• Hipermetropía: La imagen próxima se enfoca tras la retina. Se corrige con lente convergente.
• Miopía: La imagen lejana se enfoca delante de la retina. Se corrige con lente divergente.
• Dispersión: Refracción en distintas direcciones. Diferentes longitudes de onda se refractan con ángulos distintos.
• Difracción: Ocurre cuando una onda pasa por un orificio menor que su longitud de onda. Tras dos rendijas, se producen interferencias constructivas y destructivas (patrón de difracción).

Ondas Sonoras

• Ondas mecánicas y longitudinales.
• Frecuencias mayores: sonidos más agudos.
• Amplitud mayor: sonidos más fuertes (medidos en decibelios).

Radiación Electromagnética

• Formadas por la oscilación de un campo eléctrico y un campo magnético perpendiculares.
• No necesitan un medio para transmitirse.
• Cada fotón transmite energía proporcional a su frecuencia.

Tipos de Radiación y sus Efectos

• Ondas de radio y TV: Cambian el giro de electrones y protones. Sin efectos biológicos.
• Microondas: Hacen girar las moléculas más rápido (calientan).
• Infrarrojo: Hacen vibrar las moléculas más rápido (calientan). Intensidad excesiva puede romper enlaces.
• Visible y ultravioleta: Excitan electrones (fluorescencia, ruptura de moléculas).
• Rayos X y Rayos gamma: Pueden arrancar electrones (ionización).

Absorción de Luz: Ley de Beer-Lambert

Relaciona la intensidad de luz entrante y saliente en un medio, considerando la absorción a determinadas frecuencias. Aplicable a diferentes tipos de radiación (UV, Visible, Infrarrojo), proporciona información sobre la estructura molecular.

Polarización

La radiación electromagnética puede polarizarse, eligiendo un plano para el campo eléctrico.

• Polarización lineal: Se confina un plano de luz.
• Polarización circular: El plano confinado rota, dibujando una rotación circular.

Los enantiómeros (imágenes especulares de moléculas orgánicas) se diferencian por el ángulo de giro del dicroísmo circular.