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UNIDAD N° 1 ¿QUE ES LA BIOFÍSICA?

La biología es la ciencia que tiene como objeto de estudio a los seres vivos.

La Física es la ciencia que observa la Naturaleza, y trata de describir las leyes que la gobiernan mediante expresiones matemáticas.

¿Cómo?

¿Porqué?

¿QUE ES LA BIOFÍSICA?

La biofísica es la ciencia que estudia la biología con los principios y métodos de la física.

LA BIOFÍSICA Y LA MEDICINA MODERNA

La Biofísica ha hecho grandes aportes a la Medicina. El conocimiento Biofísico ha sido el pilar fundamental para el entendimiento de los fenómenos fisiológicos que son base del funcionamiento del organismo humano en estado normal y patológico. Dentro de ellos podemos mencionar: la recepción de señales exteriores por parte del organismo, la transmisión del impulso nervioso, los procesos biomecánicos del equilibrio y desplazamiento del organismo humano, la óptica geométrica del ojo, la transmisión del sonido hasta el oído interno y el cerebro, la mecánica de la circulación sanguínea, de la respiración pulmonar, el proceso de alimentación y sostenimiento energético del organismo, el mecanismo de acción de las moléculas biológicamente funcionales sobre las estructuras celulares (las membranas, los organoides bioenergéticas, los sistemas mecano-químicos), los modelos físico-matemáticos de los procesos biológicos, etc.

De otro lado, el establecimiento de las bases biofísicas de los fenómenos arriba mencionados ha sido básico para el desarrollo de dispositivos técnicos, aparatos y medidores para obtener bioinformación, equipos de autometría y telemetría; que permiten un diagnóstico médico más efectivo y confiable.

EL DESARROLLO DE LA MEDICINA Y LA FÍSICA No debemos olvidar al analizar la influencia de la Biofísica en el desarrollo actual y sucesivo de la Medicina, la influencia recíproca de la Medicina y la Biología sobre la Física. Al menos una docena de importantes científicos en la historia de la Física, asistieron a una facultad de medicina y en la mayoría de los casos incluso alcanzaron el grado médico. Algunos de ellos estuvieron involucrados con el desarrollo de la electricidad y la óptica durante los siglos XVII y XVIII, ó contribuyeron al desarrollo del análisis físico del calor, la energía, y ondas, durante los siglos XVIII y XIX. Desgraciadamente, pocos de estos aportes se hacen evidentes en el siglo XX, quizá debido al incremento de las especializaciones médicas. Describamos algunos de tales aportes: Nicolás Copernico y Galileo Galilei estudiaron medicina en universidades italianas, siendo atraídos por las matemáticas. Copernico (1473-1543) comenzó su educación en Cracovia (Polonia) en Matemáticas, pero viajó a Italia donde estudió Medicina desde 1501 hasta 1503 en la Universidad de Padua. Galileo (1564-1642) fue un estudiante de medicina en la universidad de Pisa desde 1581 hasta 1585, se salió de ella sin graduarse después de que su interés cambiara por las Matemáticas debido a cursos extracurriculares; su primer descubrimiento científico fue durante su primer año de estudios médicos mientras prestaba sus servicios en la catedral de Pisa; usó el palpitar de su pulso para cronometrar la oscilación de un candil y observó que el tiempo de una oscilación era el mismo sin depender de la amplitud. La primera investigación seria de los fenómenos eléctricos y magnéticos, fue realizada por el inglés William Gilbert (1544-1603), quien además de físico fue médico; Él trató de entender las bases científicas de métodos antigüos (griegos) de curación empleados en su época incluso por él mismo, basándose en fenómenos eléctricos y magnéticos hizo importantes contribuciones al desarrollo de la física de su época. El talento brillante del médico italiano Galvani como experimentador y la realización de un gran número de estudios diferentes, le permitió descubrir otro fenómeno importante para el posterior desarrollo de la Electrofisiología - el impulso nervioso.

 

Cantidades dimensionalesCorresponden a magnitudes que están asociadas a las dimensiones. Se miden en unidades de longitud, área, tiempo, etc.

Cantidades adimensionalesCorresponden a magnitudes que pueden ser expresadas sin necesidad de una unidad de medida, pueden ser cocientes entre cantidades dimensionales. Ejemplo de estas son los grados de un ángulo o también las constantes, como la relación de la masa entre protón y electrón.

Magnitud

Se llama magnitud a la propiedad de la Física que es medida. Pueden ser clasificadas en dos clases: magnitudes fundamentales y magnitudes derivadas

Magnitudes fundamentales

Son aquellas que se definen en función de otras magnitudes físicas y que sirven de base para obtener las demás magnitudes utilizadas en la física. Son las que no derivan de otras, única es su especie, son el cimiento de la Física, y no se pueden ni multiplicar o dividir entre otras.

Magnitudes derivadas

Son las que resultan de multiplicar o dividir entre si las magnitudes fundamentales. Unidades del Sistema Internacional de Unidades (SI)

Medir

Medir es comparar una magnitud con otra que se utiliza como patrón. Este patrón es una magnitud de valor conocido y perfectamente definido que se usa como referencia para la medida. Así, cuando medimos una distancia, el patrón sería la cinta métrica, y la medida sería el resultado de comparar la distancia que estamos midiendo, con la cinta métrica.

Sistemas de unidades

Un sistema de unidades es un conjunto que consiste en unidades de medida. Definen un conjunto básico de unidades de medida a partir del cual se derivan el resto. Existen varios sistemas de unidades:

Sistema Métrico Decimal

El primer sistema de unidades bien definido que hubo en el mundo fue el Sistema Métrico Decimal, implantado en 1795 como resultado de la Convención Mundial de Ciencia celebrada en París, Francia; este sistema tiene una división decimal y sus unidades fundamentales son: el metro, el kilogramo-peso y el litro.

Sistema MKS

Tiene su origen en 1902 de la mano del ingeniero italiano Giovani Giorgi siendo adoptado por la Comisión Electrotécnica Internacional en París en el año 1935. Este sistema también recibe el nombre de MKS, cuyas iniciales corresponden al metro, al kilogramo y al segundo como unidades de longitud, masa y tiempo respectivamente.

Sistema Usual en Estados Unidos (SUEU)

Se basa en el sistema inglés, y es muy familiar para todos en Estados Unidos. Usa el pie como unidad de longitud, la libra como unidad de peso o fuerza, y el segundo como unidad de tiempo. En la actualidad, el SUEU está siendo sustituido rápidamente por el sistema internacional, en la ciencia, la tecnología, y en algunos deportes. También en distintas definiciones, ya podemos ver algunas en unos departamentos de Colombia ya se usan estas medidas de longitud, también entra el sistema MKS metro, kilogramo, segundo....

Sistema Internacional de Unidades

Este sistema se basa en el llamado MKS cuyas iniciales corresponden a metro, Kilogramo y segundo. El Sistema Internacional tiene como magnitudes y unidades fundamentales las siguientes: para longitud el metro (m), para masa el Kilogramo (kg), para tiempo el segundo (s), para temperatura al Kelvin (K), para intensidad de corriente eléctrica al ampere (A), para la intensidad luminosa la candela (cd), para cantidad de sustancia el mol y para unidad de fuerza el Newton (N).

Se espera que en un futuro no muy lejano el Sistema Internacional se acepte totalmente en todo el mundo. Pero, por desgracia, al ser Estados Unidos la principal potencia mundial utilizaremos el SI y el SUEU para los próximos capitulos.

UnidadesLas unidades del Sistema Internacional de Unidades fueron fijadas en la XI Conferencia General de Pesas y Medidas de París (1960). Son unidades definidas en base de fenómenos físicos naturales e invariable y, por conveniencia son consideradas como mutuamente independientes.

UNIDADES DERIVADAS.-

Son las que se forman al combinar algebraicamente las unidades de base y/o suplementarias mediante las ecuaciones físicas que definen a estas magnitudes. Algunas de estas unidades tienen nombre y símbolo propios y pueden ser utilizadas para expresar otras unidades derivadas. Ejemplo:

La velocidad: Definida como el cociente de la longitud dividida por el tiempo. Por tanto la unidad de medida SI de la velocidad es m/s (m: unidad de longitud; s: unidad de tiempo).

La fuerza: Está definida como el producto de la masa multiplicada por la aceleración. Por consiguiente la unidad SI de la fuerza es kg.m/s2. esta unidad toma el nombre de newton cuyo símbolo es N.

N = m.kg.s-2

• Números: La dimensión de un número es igual a la unidad. Los ángulos, razones trigonometricas, logaritmos, exponentes, en general cualquier número real es adimensional.

UNIDADES DERIVADAS

PRINCIPIO DE HOMOGENEIDAD

Una expresión o formula física es correcta(homogénea) cuando todos sus términos son dimensionalmente iguales. observa:

+ 4 kg + 2 kg = 16 kg

M + M + M = M (correcto)

18 - 12 m + 5 m = 11 m

L - L + L = L (correcto)

4 m = ?

M + L = IMPOSIBLE (incorrecto)

APLICACIONES

1) Utilice las unidades base del sistema SI para mostrar que la ecuación

F =G

es dimensionalmente homogénea y que da el valor de F en newtons. Determine con tres cifras significativas la fuerza gravitacional que actúa entre dos esferas que se tocan una a la otra. La masa de cada esfera es de 200 kg y su radio es de 300 m

2) En la siguiente formula física:

5 K. = 16 A.d + 1/5 B.; Donde: K= constante física (M.); x= longitud; d= longitud; P= momentum lineal (M.L.). Hallar que magnitud representa A.B

3) Si la siguiente ecuación es dimensionalmente correcta, infiere que magnitud física es A.

E = 0,5 + Q

Donde E= energía y m= masa.

MULTIPLOS Y SUBMULTIPLOS

CONVERSIONES

EJERCICIOS DE CONVERSIONES:

900 cm = _____ m 90 mm = _____ cm

60 mm = _____ cm

4 km = _______ dm

7 000 ml = _____ L 5 000 g = _____ kg 6,6 dam = ________ m

52 000 cm = ________ hm7 040 m = ____ km _________ m 6 km 870 m = _________ m

9 m 1 cm = ______ cm

31 cm 4 mm = ______ mm

8 kg 158 g = _________ g 1 L 750 ml = _________ ml

 8,6 dm = ________ mm 1 400 000 mm = ________ km

22,8 dm = ________ mm

192 000 dm = ________ km

152 dg = ________ g 11,1 dag = ________ mg

1 390 mg = ________ dg

20 400 cl = ________ dal 4,9 hl = ________ cl 2 170 dal = ________ kl

1,4 L = ________ ml 

 

 

MEDICIONES DIRECTAS E INDIRECTAS

MEDICION DIRECTA:

Medida directa es aquella que se realiza aplicando un aparato para medir una magnitud, por ejemplo, medir una longitud con una cinta métrica, conocida por desplazadores

Otro instrumento de medición indirecta es el medidor que actúa por la presión hidrostática, destaca al manómetro.

Instrumentos de medición

• Regla y metro

• Escuadras

• Balanza

• Bascula

• Espectrómetro

• Reloj

• Termómetro

• Calendario

MEDICION INDIRECTA

A veces no podemos medir directamente el valor de una magnitud y sólo podemos conocerlo utilizando una fórmula. El resultado obtenido mediante dicha fórmula también tiene una imprecisión que dependerá de la imprecisión con que conozcamos las magnitudes que intervienen en la fórmula.

Errores en la medición

¿Cómo se calcula el error de una medición experimental?

Los resultados que se obtienen al realizar una medida no son valores exactos:; sino que debe admitirse su carácter aproximado; es decir, toda medida experimental tiene un error y una unidad.  Vamos a ver ahora qué tipos de errores hay desde todos los puntos de vista.Los errores cometidos pueden clasificarse según se produzcan por la forma en la que se realiza la medida en:

Error accidental: Aquellos que se producen debido a un error por causas cualesquiera y que no tienen por qué repetirse. Ejemplo: Leemos en el cronómetro 35 s y escribimos en el cuaderno 36 s.

Error sistemático: Se debe a una mala realización de las medidas que se repite siempre. Ejemplos: Se hacen medidas con un aparato que tenga un defecto de fabricación, miramos siempre la probeta desde un ángulo equivocado (error de paralaje)

 

Por otra parte cuando realizamos una medida nos alejamos siempre algo del valor real de la magnitud. Para determinar la precisión de una medida usamos dos tipos de errores:

Error absoluto () : Desviación entre el valor medido () y el valor real (). Tiene las mismas unidades que la magnitud medida.

Para una sola medida:

Para varias medidas: ; donde es el promedio de varias medidas

Error relativo ): Cociente entre el error absoluto y el valor real. Es adimensional. Nos da una idea más exacta de la precisión a la hora de comparar dos o más medidas. El error relativo porcentual es el valor relativo por el 100%.

= .100%

Aplicaciones:

1) Al medir la longitud de una mesa de 120 cm hemos dado como resultado 118 cm. Calcula el error absoluto y relativo.

 

2) Haz los mismos cálculos si al medir la distancia entre Mieres y Oviedo 20 Km obtenemos un resultado de 20,5 km.

  Cuál de las dos medidas será más precisa.

3) El tiempo que demora en caer una canica desde una altura de 1,8m es de 0,60s. Cinco estudiantes verifican este hecho y registran los siguientes tiempos de caidas

¿Cuál es el error absoluto y relativo del valor promedio?0,58s 0,64s 0,62s 0,62s 0,66s

UNIDAD N°2: BIOMECANICA MUSCULAR

Definición del término ´Contracción´

El término "contracción" significa literalmente "juntar", "acortar".

Las contracciones musculares ocurren siempre que el músculo genera tensión , este puede acortarse y modificar su longitud o no, he aquí la confusión no siempre que un músculo que se acorta genera tensión, este puede generar tensión muscular sin modificar su longitud y permaneciendo en forma estática.

"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:

El músculo puede contraerse de tres formas:

contracción concéntrica En la cual el origen y la inserción se aproximan como cuando los gemelos suben al talón en el relevé en danza.

contracción isométrica El músculo se contrae pero apenas modifica su longitud durante la contracción como ocurre con la pierna de apoyo por la acción de cuádriceps y los isquiotibiales.

contracción excéntrica El músculo aumenta su tono y nivel de contracción mientras se va estirando siendo el tipo de trabajo que proporciona más potencia de contracción y alargamiento simultáneo; el resultado de un músculo entrenado con técnicas de danza se manifiesta en su actitud más grácil, su aspecto más largo y delgado y a la vez su gran potencia.

LOS MÚSCULOS SE CLASIFICAN SEGÚN EL MOVIMIENTO:

Los agonistas Son los mejores ejecutantes que realizan el movimiento de la mejor manera posible,

Los antagonistas Se oponen al movimiento del agonista y representan al grupo muscular que tiene una acción contraria y son necesarios para frenar y regular la amplitud de cada movimiento.

Los sinergistas Son músculos que ayudan a la acción del principal, suelen ser varios y es sumamente importante conocer las direcciones de nuestras potentes fuerzas musculares y sus límites.

FUERZA

CONCEPTO DE FUERZA

La mecánica define a la fuerza como toda acción de un cuerpo material sobre otro, al cual le causa cambios en su estado, de reposo o movimiento, pudiendo desplazarlo, detenerlo, modificar su velocidad o deformarlo. Según la segunda le de Newton, la fuerza aplicada resulta del producto de la masa del objeto y la aceleración del mismo, teniendo un carácter vectorial determinado por el resultado de la sumatoria de las fuerzas implicadas.

Sin embargo como cualidad física, la fuerza se manifiesta como una capacidad funcional que se expresa por la acción conjunta del sistema nervioso y muscular para generar tensión, trasmitir fuerzas de tracción sobre el sistema esquelético o aplicarla sobre otros cuerpos para poder realizar movimientos, oponerse, vencer o reaccionar ante las fuerzas externas

TORQUE O MOMENTO

En los movimientos rotatorios, la cantidad de fuerza aplicada no depende de la acción gravitacional sino del momento inercial, que es el equivalente angular de la inercia (masa) y representa la resistencia que un objeto ofrece al rotar alrededor de su eje. Cuando un cuerpo rígido rota alrededor de su eje debe considerarse , además de la masa, el radio de giro ya que estos dos factores determinan la resistencia del cuerpo a los cambios de movimiento rotatorio a través de un eje determinado.

APLICACIÓN: Sin adentrarnos en conceptos fisiológicos en cuanto al rendimiento deportivo, el aumento de la masa muscular trae aparejado un aumento en la fuerza muscular, aunque no siempre se traduce en aumento de la fuerza especifica deportiva. Tomando el ejemplo de la llave y haciendo un paralelo con la articulación de la cadera (eje) y el glúteo (brazo de palanca), el aumento del tamaño muscular alargara la palanca aumentando el torque producido con una misma fuerza