Leyes de Newton
Las leyes de Newton son un conjunto de reglamentos basados en los
movimientos de un cuerpo, es decir de la dinámica en uno o más cuerpos y la
interacción que estos realizan ya sea que estén en reposo o en aceleración continua,
esto ha sido de mucha utilidad en varios campos de la física como en la
mecánica establecida en el movimiento de un carro por una pendiente o el
movimiento de una estrella el cual lo rodean los planetas estudiados en la
astronomía.
También se consideran estas leyes en
la medicina al efectuar cambios realizados en ciertos trabajos químicos o
cambios en los diferentes compuestos de una célula a nivel microscópico como la
ley de la aceleración, estos medidos en las enzimas que posee un cuerpo para
acelerar una reacción. (Perez J. , 2007)
Primera ley (Inercia)
La primera ley explica que un cuerpo posee un estado
de reposo es decir una velocidad nula o de cero, este va a ser así al menos que
se le aplique una fuerza externa que modifique dicho estado de reposo, también
la ley aplica a un cuerpo con una trayectoria rectilínea uniforme que es
alterada por la misma fuerza externa. Estas relaciones pueden ser consideradas
en diferentes puntos de vista.. Se necesita, por tanto, un sistema de
referencia al cual referir el movimiento. (Perez J. , 2007)
Newton toma en cuenta, así, el que los cuerpos en
movimiento están sometidos constantemente a fuerzas de roce o fricción, que los
frena de forma progresiva. En consecuencia, un cuerpo con movimiento rectilíneo
uniforme implica que no existe ninguna fuerza externa neta o, dicho de otra
forma, un objeto en movimiento no se detiene de forma natural si no se aplica
una fuerza sobre él. En el caso de los cuerpos en reposo, se entiende que su
velocidad es cero, por lo que si esta cambia es porque sobre ese cuerpo se ha
ejercido una fuerza neta.
Ejemplo en medicina
Un cuerpo se mantiene estable o con un movimiento
normal al menos que intervenga una fuerza externa como en el movimiento
celular, cuando se realiza la exocitosis el producto tiene una velocidad normal
constante y una enzima aumenta su velocidad de reacción dentro y fuera de dicha
célula.
Segunda ley (fuerza)
La ley de la fuerza indica que todo movimiento puede
ser perturbado por una aceleración constante o una que incremente con el pasar
del tiempo, ambas magnitudes son vectoriales y pueden ser medidos en sus distintas
unidades. (Perez J. , 2007)
Ejemplo en Medicina
La ley de la aceleración, en el mismo movimiento
celular la misma encima incrementa la velocidad de acción.
Tercera ley (acción-reacción)
Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y
contraria: o sea, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y
dirigidas en sentido opuesto. Expone que por cada fuerza que actúa sobre un
cuerpo, este realiza una fuerza de igual intensidad y dirección, pero de
sentido contrario sobre el cuerpo que la produjo. (Perez J. , 2007)
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 esencialmente que si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B,
éste realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario. (Perez J. , 2007)
Es importante observar que este principio de acción y
reacción relaciona dos fuerzas que no están aplicadas al mismo cuerpo,
produciendo en ellos aceleraciones diferentes, según sean sus masas. Por lo
demás, cada una de esas fuerzas obedece por separado a la segunda ley. Junto
con las anteriores leyes, ésta permite enunciar los principios de conservación
del momento lineal y del momento angular. (Perez J. , 2007)
Ejemplo en Medicina
Una célula sensitiva tiene la capacidad sensorial del
“arco reflejo”, aquí interpreta un movimiento mecánico (musculo cuádriceps) y
lo convierte en un impulso, luego responde ante él.
Contracción
muscular
Para entender el mecanismo de contracción primero hay que saber los
diferentes componentes de una fibra muscular esquelética. Los túbulos T son
componentes primordiales que intervienen en la contracción, estos túbulos
transversales se mezclan con las miofibrillas y se sitúan en el plano de unión de las bandas A y I, con
este sistema de bandas se relaciona el retículo sarcoplásmico que forma un
conjunto alrededor de cada miofibrilla y posee cisternas terminales. El
retículo sarcoplásmico regula la contracción muscular produciendo relajación y contracción
reguladas por calcio en el sarcoplasma (citoplasma muscular), esto es gracias a
que los túbulos T emiten una onda que desencadena la acción. (Gartner, 2007)
Las miofibrillas están compuestos por miofilamentos gruesos y delgados
interpuestos unas después de otras, los delgados son originarios del disco Z,
los gruesos también forman agrupaciones paralelas, juntas e intercaladas con
las fibras delgadas. Durante la contracción no se acortan las dimensiones de
los filamentos cortos y largos pero si se acercan los discos Z. La contracción
a nivel neuronal se relación con la ley del todo o nada, esto reduce la
longitud de la fibra muscular, aquí se efectuará la ley del filamento
deslizante de Huxley que indicará que los filamentos delgados se deslizan más
allá de los gruesos. (Gartner, 2007)
Como conclusión y bajo el proceso
secuencial del proceso se ve dada de la siguiente manera:
1) Se transmite el impulso que se genera en el sarcolema y va hacia el
interior de la fibra tomando como rutas los túbulos T y se propaga por las
cisternas
2) La cisterna libera sus iones de calcio los cuales sus canales son regulados
por voltaje.
3) Se hidroliza el ATP
4) Se libera el fosfato inorgánico que además de generar una fuerte unión
entre la actina y la miosina tipo 2 ocasiona otras alteraciones
5) Se libera los enlaces entre actina y miosina.
Las fuentes de energía para la contracción muscular están dadas por
sistemas complejos tales como el fosfógeno de energía, la glucólisis y el
sistema de energía aeróbico. El neurotransmisor acetilcolina proporciona la
fuente principal para la contracción. Los husos musculares pueden monitorear de
forma continua la longitud y sus cambios en el tejido muscular, o sea que
cuando se estira el musculo experimenta un reflejo de estiramiento, el tejido
muscular cardiaco también posee un sistema contráctil de forma espontánea. (Gartner, 2007)
Estructura
de la sarcómera
La superposición de los filamentos gruesos y delgados
conforma diversas zonas y bandas, dando origen a las estrías que se observan en
la fibra muscular. La porción más oscura de la sarcómera es la banda A,
conformada por filamentos gruesos. La banda I es un área menos densa y de color
más claro que contiene solo filamentos finos. Un disco Z pasa por el medio de
cada banda I. Existe una angosta zona H que pasa por el centro de cada banda A
y que contiene solo filamentos gruesos. En medio de cada zona H existe una
línea M cuyo nombre se debe a que se encuentra en la parte central de la
sarcómera. (Gartner, 2007)
Acoplamiento excitación-contracción
El impulso nervioso generado en la neurona se
transmite a lo largo del axón hasta llegar al bulbo terminal de este, donde
abre compuertas de voltaje que permiten la entrada de calcio. El impulso
presiona las vesículas de acetilcolina que existen en el interior del bulbo
contra la membrana pre sináptica y, conjuntamente con el calcio que había
entrado, provocan la expulsión por exocitosis del contenido de las vesículas a
la hendidura sináptica. La acetilcolina liberada se une a sus receptores en la
membrana postsináptica; los que son compuertas de ligando que se abren y
permiten el paso de iones sodio que anteriormente se encontraban en la
hendidura sináptica.
El paso de estos iones al interior de la fibra
muscular genera una diferencia de potencial que se conoce; inicialmente con el
nombre de Potencial de Placa Motora, y que al transmitirse por todo el
sarcolema se convierte en un Potencial de Acción. Este Potencial de Acción
circula por la membrana de la fibra muscular hasta llegar a unas invaginaciones
conocidas como túbulos T, y que forman parte de una estructura denominada
triada, conformada por un túbulo T y dos cisternas terminales del retículo
sarcoplasmático. En estas cisternas se almacena calcio, que es liberado al
citosol por la acción del impulso eléctrico sobre canales de compuerta de
voltaje, y que se va a unir a la troponina que forma parte del complejo
troponina-tropomiosina, encargado de obstaculizar los sitios de unión sobre el
filamento de actina. Al producirse el complejo troponina-calcio, la
tropomiosina deja libre los sitios de unión para que la cabeza de la miosina se
inserte en ellos y comience así el deslizamiento de dichos filamentos. (Guyton, 1998)
Las articulciones
Son puntos de unión entre los huesos y cartílagos o incluso dientes,
para clasificarlos se dan dependiendo de su estructura o función. La clasificación
estructural es basado en dos postulados: el primero es acerca de la presencia o
ausencia de una cavidad sinovial y la segunda es el tipo de tejido conectivo
que las une. (Tortora, 1992)
Articulaciones
fibrosas
Carecen de una cavidad sinovial,
los huesos que se articulan pueden unirse a través de tejido fibroso,
esto le permite un ligero movimiento pero no uno completo, en esta categoría
tenemos a las suturas (estas se hallan entre los huesos planos del cráneo a
manera de dientes que se vuelven óseas en el adulto, si esta persiste toma el
nombre de sutura metópica), las sindesmosis que contiene tejido conectivo
fibroso que está organizado como una haz (ligamento) o lámina plana y por
último las gónfosis que son exclusivas de una art dentoalveolar donde una
estructura en forma de cono puede encajar perfectamente dentro de una cavidad. (Tortora,
1992)
Articulaciones
cartilaginosas
Otro tipo que no presenta una cavidad sinovial, aquí los huesos tienen
una unión bastante estrechas por tejido hialino o fibrocartílago como la
sincondrosis (hialino) que se haya en la placa epifisiaría de un hueso en
crecimiento o en la primera costilla unida al hueso esternón que suele
osificarse en la vida adulta. Otro tipo es la sínfisis que conecta huesos a
través de un disco de fibrocartílago. (Tortora, 1992)
Articulaciones
sinoviales
Posee una cavidad sinovial entre los huesos que articula lo que le
confiere un movimiento rotatorio completo, también posee un cartílago articular
que reduce la fricción cuando estos huesos se mueven reduciendo el desgaste y absorbe
los golpes a manera de almohadilla, en cambio en su porción interna de la capsula
articular contiene tejido conectivo areolar con fibras elásticas. Muchas
articulaciones sinoviales contienen ligamentos accesorios o llamados meniscos
que están por fuera de la capsula articular, en la rodilla hay una sistema
especial de almohadillas de fibrocartílago entre las superficies articulares. (Tortora,
1992)
Partes
de una articulación
Cartílago. Es un tipo de cobertura presente en los
extremos de los huesos (epífisis). Este tejido es de tipo conectivo y su
función es la de evitar o reducir la fricción provocada por los movimientos.
Articulación-rodilla (Tortora,
1992)
Cápsula y membrana sinovial. Es una estructura
cartilaginosa que envuelve la membrana sinovial. Esta membrana posee un líquido
pegajoso y sin pigmentación que protege y lubrica a la articulación. A este
líquido se lo conoce como membrana sinovial.
Ligamentos; son tejidos de tipo conectivo, elásticos,
y firmes, y cuya función es rodear la articulación, protegerla y limitar sus movimientos.
Tendones. Al igual que los ligamentos, son un tipo de
tejido conectivo. Se ubican a los lados de la articulación y se unen a los
músculos con el fin de controlar los movimientos.
Bursas. Son esferas llenas de líquido que tienen como
función amortiguar la fricción en una articulación. Se encuentran en los huesos
y en los ligamentos.
Menisco. Se halla en la rodilla y en algunas otras articulaciones. Posee
forma de medialuna.
Figure 23: Partes de una articulación sinovial
especialmente descrito en la rodilla
Para poder estudiar las articulaciones, se dividen según su
funcionalidad o su movilidad:
Articulaciones
móviles (diartrosis). Son las más numerosas e importantes
ya que le confieren de un movimiento completo a los huesos a los que se unen,
son llamados también sinoviales debido a la composición de estas.
Troclear. Son similares a una bisagra y permiten
realizar movimientos de flexión y extensión. Por ejemplo, la articulación del
codo y los dedos.
Artrodias. Deslizantes o planas, permiten movimientos
de desplazamientos. Su superficie es aplanada.
Pivote. Sólo permiten una rotación lateral y medial.
Por ejemplo, articulaciones del cuello.
Esféricas. Tienen libertad de movimiento y su forma es
redondeada. Por ejemplo las articulaciones de la cadera.
Encaje recíproco o “silla de montar”. Deben su nombre
a que su estructura se asemeja a una silla para montar. Por ejemplo, la
articulación carpo-metacarpiana del pulgar.
Elipsoidales. Se presentan uniendo 2 huesos
irregularmente, es decir, cuando uno de los huesos es cóncavo y otro convexo.
Articulaciones
con movilidad limitada (anfiartrosis). Son
cartilaginosas y poseen cierta de movilidad. Se dividen en:
Anfiartrosis verdaderas.
Diartroanfiartrosis.
Articulaciones
sin movilidad (sinartrosis). Son de tipo fibrosas y carecen de
movilidad. Se clasifican en:
Sincondrosis.
Sinostosis.
Sinfibrosis.tipos-articulaciones
Lesiones
articulares más frecuentes
Esguinces.
Sinovitis aguda.
Luxaciones y subluxaciones.
Figure 24: Tipos de articulaciones según su
movilidad
Biomecánica
de la marcha
La biomecánica es la ciencia que estudia la aplicación
de las leyes de la física y la mecánica al movimiento de los seres vivos. No
debe interpretarse basándose en la anatomía descriptiva, como harían los
tratadistas clásicos disecando el pie del cadáver. El pie del ser humano es un
elemento de sostén y traslación y en consecuencia su configuración real es muy
diferente a la que tiene en descarga. Del aparato locomotor debe pensarse en
términos dinámico ya que nos hayamos en continuo movimiento, incluso en
bipedestación estática (balance postural, inclinaciones laterales para
descansar una extremidad sobre la otra). No existe el reposo absoluto. Es un
complejo 3D que nos recuerda a una bóveda y por lo tanto se habla de “bóveda
plantar”. Y consta de varios arcos, tanto en sentido transverso como en sentido
anteroposterior. En el ser humano, forma y función, anatomía y fisiología,
arquitectura y biomecánica van indisolublemente unidas, una condiciona a la
otra y por lo tanto deben estudiarse conjuntamente. Desde el punto de vista
biomecánico el pie es: soporte pieza esencial en el mantenimiento de la postura
vertical y desarrollo de la marcha. Si bien anatómicamente es considerado el
último segmento o segmento terminal del miembro inferior, biomecánicamente debe
ser interpretado como el primer eslabón en la cadena cinética. El pie del
hombre al contrario que la mano sacrifica todas sus funciones para concentrarse
en dos objetivos fundamentales: soportar el peso del cuerpo y caminar.
Recordemos que es una estructura tridimensional variable, con el objeto de
amortiguar el choque contra el suelo y adaptarse a las irregularidades del
terreno y debe considerarse la puerta de entrada de nuestros estímulos
gravitatorios y de nuestro sentido del equilibrio. (Caridad,
2002)
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. (Caridad, 2002)
Biomecánica de la fase de apoyo de
la marcha
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. (Caridad, 2002)
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.
4. Tobillo y pie: Los movimientos producidos en esta
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. (Caridad, 2002)
Fundamentos de Fluidos
La Mecánica de Fluidos estudia las leyes del
movimiento de los fluidos y sus procesos de interacción con los cuerpos sólidos
La característica fundamental de los fluidos es la denominada fluidez. Un
fluido cambia de forma de manera continua cuando está sometido a un esfuerzo
cortante, por muy pequeño que sea éste, es decir, un fluido no es capaz de
soportar un esfuerzo cortante sin moverse durante ningún intervalo de tiempo.
Unos líquidos se moverán más lentamente que otros, pero ante un esfuerzo
cortante se moverán siempre, esto depende de la viscosidad del fluido,
relacionada con la acción de fuerzas de rozamiento. También tenemos que un fluido
se podrá adaptar al contenido que lo “contiene” en su interior ya que las
moléculas que lo componen son fácilmente amoldables. (Frank, 2004)
Dentro de los fluidos, la principal diferencia entre
líquidos y gases escrita en las distintas compresibilidades de los mismos.
Líquidos. En el caso de los líquidos, por el contrario, la
compresibilidad es muy débil. Esto es debido a que las fuerzas atractivas entre
las moléculas del líquido vencen al movimiento térmico de las mismas,
colapsando las moléculas y formando el líquido. Al contrario que en el caso de
los gases, que tendían a ocupar todo el volumen que los contiene, los líquidos
tienden a formar una superficie libre.
Descripción de un fluido. Hipótesis
del continuo.
Para la descripción del movimiento de un fluido
recurriremos a las leyes generales de la Mecánica (leyes de Newton, leyes de
conservación de la cantidad de movimiento y de la energía), junto con
relaciones específicas condicionadas por la fluidez.
Figure 27: Movimientos de los fluidos y sus
respectivas fuerzas
En la mayor parte de los cálculos hidráulicos, el
interés está realmente centrado en manifestaciones macroscópicas promedio que
resultan de la acción conjunta de una gran cantidad de moléculas,
manifestaciones como la densidad, la presión o la temperatura. (Frank, 2004)
Propiedades de los fluidos
Los fluidos, como todos los materiales, tienen propiedades físicas que
permiten caracterizar y cuantificar su comportamiento así como distinguirlos de
otros. Algunas de estas propiedades son exclusivas de los fluidos y otras son
típicas de todas las sustancias. Características como la viscosidad, tensión superficial y presión de
vapor solo se pueden definir en los líquidos y gasas. Sin embargo la masa
específica, el peso específico y la densidad son atributos de cualquier materia.
Por ejemplo, consideremos la acción sobre una
superficie de la pared en el caso de un depósito cerrado que contiene un gas a
una cierta presión, en un estado estacionario. Incluso a baja presión, la gran
cantidad de colisiones de moléculas sobre la superficie da lugar a una fuerza
global que en la práctica puede considerarse independiente del tiempo,
comportamiento que será correctamente simulado por nuestro hipotético medio continúo.
(Frank, 2004)
Propiedades Extensivas e Intensivas
En termodinámica se distingue entre aquellas propiedades
cuyo valor depende de la cantidad total de masa presente, llamadas propiedades
extensivas, y aquellas propiedades cuya medida es independiente de la cantidad
total de masa presente que son llamadas propiedades intensivas.
Masa
específica, peso específico y densidad.
¡ Se denomina masa específica a la cantidad de materia por unidad
de volumen de una sustancia. Se designa por P y se define: P = lim (
m/ v)
V->0
¡ El peso específico corresponde a la fuerza con que la
tierra atrae a una unidad de volumen. Se designa por ß. La masa y el peso
específico están relacionados por:
ß = gP
Donde g representa la intensidad del campo gravitacional.
¡ Se denomina densidad a la relación que exista entre la masa específica
de una sustancia cualquiera y una sustancia de referencia. Para los líquidos se
utiliza la masa especifica del agua a 4°C como referencia, que corresponde a
1g/cm3 y para los gases se utiliza al aire con masa específica a 20°C
1 1,013 bar de presión es 1,204 kg/m3.
Principio
de viscosidad.- El coeficiente de viscosidad
Es la resistencia que tiene un fluido para moverse en
una superficie oponiéndose en cierta forma a las fuerzas que hacen que el
fluido se mueva a lo largo, esto determina la velocidad del líquido en ciertos
aspectos creando coeficientes de fricción, esta fuerza también puede ser
comparada a la ley de la reacción y acción donde un movimiento tiene su contraparte
oponiéndose a él (Frank, 2004)
Compresibilidad
La compresibilidad representa la relación entre los
cambios de volumen y los cambios de presión a que está sometido un fluido. Las
variaciones de volumen pueden relacionarse directamente con variaciones de la
masa específica si la cantidad de masa permanece constante. En general se sabe
que en los fluidos la masa específica depende tanto de la presión como de la
temperatura de acuerdo a la ecuación de estado.
Presión
de vapor.
Los fluidos en fase liquida o gaseosa dependiendo de
las condiciones en que se encuentren. Las sustancias puras pueden pasar por las
cuatro fases, desde sólido a plasma, según las condiciones de presión y
temperatura a que estén sometidas. Se acostumbra designar líquidos a aquellos
materias que bajo las condicione normales de presión y temperatura en que se
encuentran en la naturaleza están en esa fase.
Tensión
superficial.
Se ha observado que entre la interface
de dos fluidos que no se mezclan se comportan como si fuera una membrana tensa.
La tensión superficial es la fuerza que se requiere para mantener en equilibrio una longitud unitaria de esta
película. El valor de ella dependerá de los fluidos en
contacto y de la temperatura. Los efectos de la superficial solo apreciables en
fenómenos de pequeñas dimensiones, como es el caso de tubos capilares,
burbujas, gotas y situaciones similares.
Gases
Un gas es el
estado de la materia en donde las partículas están completamente esparcidas ya
sean en el entorno donde corren libremente o dentro de un recipiente, aunque
esté sellado se seguirán moviendo, esto es creado debido a fuertes temperaturas
que hacen que la velocidad molecular incremente, estas partículas son
elásticas, es decir no ganan ni pierden energía por lo que son conservadoras
Teoría
Cinética de los Gases
El comportamiento de los gases,
enunciadas mediante las leyes anteriormente descriptas, pudo explicarse
satisfactoriamente admitiendo la existencia de las moléculas.
Figure 28: disposición de las moléculas de
un gas y el movimiento que realizan
Hidrostática
La estática de
fluidos estudia el equilibrio de gases y líquidos. A partir de los conceptos de
densidad y de presión se obtiene la ecuación fundamental de la hidrostática, de
la cual el principio de Pascal y el de Arquímedes pueden considerarse
consecuencias. El hecho de que los gases, a diferencia de los líquidos, puedan
comprimirse hace que el estudio de ambos tipos de fluidos tenga algunas
características diferentes. En la atmósfera se dan los fenómenos de presión y
de empuje que pueden ser estudiados de acuerdo con los principios de la
estática de gases.
Figure 29: Principio de Arquímedes sobre la
fuerza y la presión de un cuerpo
Hemodinámica
Un fluido
se desplaza en el interior de un tubo cuando la presión en el inicio es
superior a la existente al final del tubo, moviéndose desde una zona de mayor
presión a una de menor presión. El flujo o caudal depende directamente del
gradiente o diferencia de presión entre esos dos puntos e inversamente de la
resistencia, en una relación similar a la de Ohm para los circuitos eléctricos.
La resistencia depende de
las dimensiones del tubo y de la naturaleza del fluido, y mide las fuerzas de
rozamiento o fricción entre las propias moléculas del fluido y entre éstas y
las moléculas de la pared del tubo.
Q (flujo o caudal) = ΔP (P1 –
P2) / R (resistencia)
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