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Cátedra de Biofísica

Facultad de Odontología

Universidad de Buenos Aires

Mecánica de fluidos Respiración externa y circulación sanguínea

Fluidos

El aire y la sangre son fluidos, que circulan por los sistemas respiratorio y circulatorio, respectivamente.

Respiramos aire atmosférico

La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a la tierra y está compuesta por:

20,93 % de O2

0,03 % de CO2

79,04 % de N2 y otros gases inertes

Si hay vapor de agua, disminuyen proporcionalmente todos los porcentajes.

¿Qué es la sangre?

Fluido rojo, opaco, constituido por :

Elementos celulares (glóbulos rojos, glóbulos blancos y plaquetas) suspendidos en un medio acuoso amarillento (plasma).

Plasma: proteínas, hidratos de carbono, lípidos, electrolitos, productos metabólicos, gases, en solución acuosa.

Respiración externa: función

Intercambio de gases entre el cuerpo y el exterior: absorción de O2 y remoción de CO2

O2 CO2

Circulación sanguínea: función

A través del árbol circulatorio la sangre transporta a los tejidos las sustancias absorbidas en el tubo digestivo y el O2 absorbido en los pulmones

Transporta CO2 a los pulmones y otros productos metabólicos a los riñones.

Además: regula la temperatura corporal, distribuye hormonas y otras sustancias que regulan las funciones celulares.

Sistema respiratorio: anatomía

Organos de la cavidad torácica

Bronquiolo y alvéolos

Sistema circulatorio: anatomía

1. Organo de bombeo: el corazón

2. Vasos que conducen y distribuyen la sangre: arterias y arteriolas

3. Lugar donde se realiza el intercambio: los capilares

4. Los vasos de retorno: vénulas y venas

El corazón

Circulación arterial y venosa

Estructura de arterias y arteriolas

¡Y ahora un poco de biofísica!

Los fluidos circulan desde áreas con mayor presión hacia áreas con menor

presión

La fuerza impulsora para el movimiento de un fluido es una

diferencia de presión (P)

Presión de un gas

Fuerza ejercida por el choque de las moléculas sobre la superficie del recipiente que las contiene.

F

P =

S

Unidades: dina / cm2 (Baria)

Newton / m2 (Pascal)

Presiones parciales

En una mezcla de gases, cada gas ejerce una presión parcial, que es la que ejercería ese gas si sólo él ocupara todo el volumen.

Ptotal = p1 + p2 + .......... + pn (Ley de Dalton)

La presión parcial es proporcional a la fracción molar (xi) del gas en la mezcla

xi = ni / n1 + n2 +....+nn pi = xi . Ptotal

Presión atmosférica

La atmósfera (capa gaseosa que rodea a la tierra) ejerce una fuerza (su peso) sobre la superficie terrestre.

A nivel del mar la presión es de 760 mm de mercurio, y disminuye con la altura.

P atm760 mm

mercurio

P = .h

Presiones parciales de los gases atmosféricos (en mmHg)

Aire seco Aire saturado con vaporde H2O a 37°C

O2 160 149

CO2 0.3 0.3

N2 y otros 600 564

H2O 47

Presión, volumen, temperatura

A temperatura constante, la presión que ejerce una masa gaseosa es inversamente proporcional a su volumen (ley de Boyle):

P.V = constante

Presión transmural (Ptr)

Es la diferencia entre la presión en la cavidad de un órgano (Pi) y la exterior (Pe)

Está relacionada con la tensión de la pared (T). Para mantener un volumen constante, la retracción elástica debe ser contrarestada por la presión transmural:

Ptr = Pi - Pe

PtrPtr

T

r

rT

T = P . r T = P . r 2

Presión transpulmonar y fuerzas de retracción elástica

Mecánica respiratoria

Inspiración: ingreso de aire a los pulmones como consecuencia de la expansión de la cavidad torácica por contracción de los músculos inspiratorios (diafragma e intercostales externos). Proceso activo.

Espiración: salida de aire de los pulmones como consecuencia de la compresión de la cavidad torácica por relajación de la musculatura inspiratoria y retracción elástica de los pulmones. Proceso pasivo.

Volúmenes pulmonares

Ciclo respiratorio

Distensibilidad de los pulmones y la caja torácica

V

P= distensibilidad o adaptabilidad

Es una medida estática de la retracción pulmonar y del tórax.

Presión hidrodinámica

Al ser impulsada por el corazón la sangre adquiere presión hemodinámica, compuesta por dos términos:

Presión hidrostática (hemostática) o presión lateral (P),

ejercida contra las paredes de los vasos.

Presión cinemática (Pc), ejercida sobre un plano perpendicular a la dirección de circulación, y debida a la energía cinética recibida ( Pc = ½ . V2)

Trabajo del corazón

En cada contracción (sístole) el ventrículo izquierdo introduce contra presión en la aorta unos 70 ml de sangre y les entrega energía cinética:

W = P.V + ½ m. V2

Como la frecuencia cardíaca es de 70-80 latidos por minuto, tenemos un caudal o flujo sanguíneo de 5 litros / minuto.

Caudal, presión y resistencia

El caudal sanguíneo (C) es constante.

La presión hemostática va disminuyendo a medida que la sangre se aleja del corazón, debido a la resistencia.

P

C = Cuanto mayor es la resistencia (R), R mayor es la caída de presión (P).

P1P2 P = P1 - P2

Resistencia (R) Las fuerzas de rozamiento se oponen a la circulación de la

sangre haciéndole perder energía en forma de calor: Rozamiento entre la sangre y las paredes del vaso

(resistencia vascular). Rozamiento entre sucesivas capas del líquido (viscosidad

)

Para un tubo cilíndrico en regimen laminar:

8. L . R =

. r4

Viscosidad de la sangre

Tiene un valor de 0,045 Poisse. (versus 0,01 Poisse para el agua). Este aumento se debe a:

hematocrito (porcentaje del volumen de la sangre ocupado por los glóbulos rojos)

las proteínas la resistencia a la deformación de los glóbulos rojos.

Régimen laminar y turbulento

Re < 2000 Re > 2000

Re =V . . r

Número de Reynolds

Velocidad de la sangre

El caudal sanguíneo es constante pero la velocidad es inversamente proporcional a la sección del lecho vascular (sección transversal completa a cierta distancia del corazón).

C = v . s

La sección transversal aumenta de 4,5 cm2 en la aorta a 4500 cm2 en los capilares.

Cambios de Presión y velocidad media

Resistencia al flujo de aire

P

R =

F

Diferencia de presión requerida para una unidad de flujo aéreo

La resistencia se debe a:

•viscosidad del aire y su rozamiento con las vías aéreas

•fuerzas de fricción que se oponen al movimiento de los tejidos pulmonares y de la pared torácica.

Velocidad del aire en los pulmones

Como ocurre con los vasos sanguíneos, el sistema respiratorio se ramifica y va aumentando progresivamente la sección transversal total: es de 70 m2 a nivel de los alvéolos.

La baja velocidad del aire a este nivel favorece el intercambio de O2 y CO2 con la sangre.

Intercambio gaseoso en el pulmón

Los gases difunden desde donde tienen mayor presión parcial hacia donde la presión parcial es menor: el O2 contínuamente difunde desde el aire alveolar hacia la sangre y el CO2 contínuamente difunde hacia los alvéolos desde la sangre.

Intercambio de moléculas a través de los capilares sanguíneos

En detalle

Integrando