2. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS (PARTE 1) * FLUID PROPERTIES (PARTE 2)

Propiedades físicas de los fluidos

Introducción a las propiedades de los fluidos

• La clase se centra en las propiedades físicas de los fluidos, fundamentales para el curso.

Descripción del flujo de sangre

• Se discute cómo describir el flujo sanguíneo en términos físicos y variables intrínsecas.

• La viscosidad es una propiedad clave para entender la dificultad del flujo sanguíneo.

Propiedades físicas relevantes

• Se mencionan varias propiedades: viscosidad, densidad, volumen específico y peso específico.

• La gravedad específica indica cuántas veces un fluido es más pesado que el agua.

Efecto de las propiedades en la salud

• La compresibilidad y la tensión superficial son importantes para entender fenómenos biológicos.

• Ejemplo: la tensión superficial permite que insectos floten en el agua, afectando ecosistemas.

Importancia en aplicaciones biomédicas

• Las propiedades de los fluidos influyen en medidas de salubridad y salud pública.

Presión y flotación

• La presión sanguínea es crucial para el funcionamiento adecuado del sistema circulatorio.

• La fuerza de flotación o empuje es esencial para ciertos órganos del cuerpo.

Función protectora del líquido cerebral

• El cerebro flota en un líquido que ejerce empuje, protegiéndolo contra impactos.

• Este líquido actúa como amortiguador ante golpes, similar a los amortiguadores de vehículos.

¿Cuál es la función del líquido cefalorraquídeo?

• El líquido cefalorraquídeo amortigua y proporciona flotación al cerebro, evitando que su peso cause daño.

• La disminución del líquido provoca un aumento de presión en el cerebro, lo que puede resultar en dolor de cabeza.

• La deshidratación, como tras consumir alcohol, reduce este líquido y causa dolor debido a la presión sobre las neuronas.

Efectos de la deshidratación en el cerebro

• La deshidratación afecta los fluidos corporales, incluyendo el líquido cefalorraquídeo, aumentando el riesgo de dolor de cabeza.

• Cuando el empuje del líquido es menor que el peso del cerebro, este se asienta sobre la base craneal causando presión.

• Esta presión resulta en la muerte de neuronas cada vez que hay un dolor de cabeza.

Consecuencias del consumo excesivo de alcohol

• El consumo excesivo de alcohol puede llevar a una significativa pérdida neuronal debido a la deshidratación al día siguiente.

• Golpes en la cabeza también causan muerte neuronal significativa por presión ejercida sobre las neuronas.

• El cuerpo está diseñado para proteger las neuronas manteniendo al cerebro flotando en el líquido cefalorraquídeo.

Importancia física del líquido cefalorraquídeo

• Este fluido debe tener propiedades físicas específicas como viscosidad y peso específico para funcionar correctamente.

• La densidad del cerebro y del líquido influye si flota o se hunde; deben cumplir ciertas relaciones para evitar problemas.

• Las propiedades físicas son cruciales en ingeniería biomédica para diseñar técnicas adecuadas.

Densidad vs. Viscosidad: Conceptos Clave

• Se abordará específicamente la densidad y volumen específico dentro del contexto biomédico.

• La densidad no debe confundirse con viscosidad; es masa por unidad de volumen, no espesor.

• Comprender qué tan pesado es un fluido ayuda a determinar su densidad comparativa con otros líquidos.

¿Qué pesa más, un kilogramo de hierro o un kilogramo de algodón?

• Se plantea la pregunta sobre qué pesa más: un kilogramo de hierro o uno de algodón.

• La respuesta es que ambos pesan lo mismo, ya que son un kilogramo.

• Se introduce una nueva pregunta sobre el peso de un litro de hierro frente a un litro de algodón.

Densidad y masa en relación al volumen

• Se discute cómo el volumen constante afecta la masa; se utiliza la fórmula masa = densidad x volumen.

• Un litro de hierro pesará más que un litro de algodón debido a su mayor densidad.

• La densidad se refiere al peso relativo entre sustancias con el mismo volumen.

Comparación entre plomo y hierro

• Se pregunta qué pesa más: el plomo o el hierro, considerando la misma cantidad de volumen.

• La respuesta depende de la densidad; el plomo tiene mayor densidad que el hierro.

• Ejemplo práctico: 1 centímetro cúbico de plomo pesa más que uno de hierro.

Definición y unidades de medida para la densidad

• La densidad indica cuán pesado es un cuerpo; se compara con otras sustancias como agua y aceite.

• La letra griega "rho" (ρ) se usa para denotar la densidad en fórmulas científicas.

• En el sistema internacional, la masa se mide en kilogramos y el volumen en metros cúbicos.

Sistema inglés y confusiones comunes

• En el sistema inglés, la masa no es solo libras; se utiliza "slug" como unidad fundamental.

• Un slug equivale a 32.2 libras; este dato es importante para entender las conversiones entre sistemas.

• Se invita a los participantes a reflexionar sobre el origen del número 32.2 en relación con los slugs.

¿Cuál es la gravedad en el sistema inglés?

• La gravedad en el sistema inglés es 32.2 pies por segundo cuadrado, derivada de la segunda ley de Newton.

• En este sistema, la masa se mide en libras masa y la fuerza en libras fuerza, con una gravedad de 32.2 pies sobre segundo cuadrado.

• Se busca que los valores a ambos lados de la ecuación sean iguales; se utiliza "slug" para relacionar las unidades.

Densidad del agua en diferentes sistemas

• La masa se mide en gramos y el volumen en centímetros cúbicos en el sistema centímetro-grado-segundo (CGS).

• La densidad del agua a 4 grados centígrados es fundamental: 1000 kg/m³ (SI), 1.938 slugs/pie³ (británico), y 1 g/cm³ (CGS).

• Es importante anotar estos valores para ejercicios prácticos relacionados con la densidad del agua.

Importancia de los 4 grados centígrados

• Se pregunta por qué se considera 4 grados centígrados como referencia para la densidad del agua.

• El agua permanece líquida entre 0 y 100 grados centígrados; se busca entender por qué específicamente a 4 grados.

• Los estudiantes deben reflexionar sobre esta temperatura y su relevancia científica.

Características especiales del agua

• El agua es un líquido especial que permite todas las reacciones químicas necesarias para funciones metabólicas celulares.

• Se le llama "solvente universal" porque puede disolver muchas sustancias, aunque no todas (hidrofóbicas).

• Comprender estas propiedades es crucial para estudiar sustancias biomédicas.

¿Por qué el agua es esencial para la vida?

Importancia del agua en los procesos celulares

• Las sustancias hidrofílicas se disuelven en agua, siendo compatible con el citoplasma celular.

• El citoplasma, compuesto mayormente de agua, es crucial para funciones como respiración y digestión celular.

• La célula funciona como una fábrica que realiza múltiples procesos bioquímicos necesarios para la vida.

Condiciones necesarias para el agua líquida

• El agua líquida es un requisito fundamental para la existencia de la vida.

• La distancia del planeta al sol determina si el agua puede estar en estado líquido; pequeñas variaciones afectan su estado.

• Existe una franja de distancias llamada "zona habitable" donde el agua puede permanecer líquida.

Búsqueda de vida en otros planetas

• Los astrobiólogos buscan planetas dentro de esta zona habitable para encontrar posibles condiciones de vida.

• Mercurio y Venus están fuera de esta zona, mientras que Marte está más allá, lo que limita las posibilidades de vida allí.

• Aunque Marte tiene hielo, sus temperaturas no permiten la existencia de agua líquida.

Propiedades únicas del agua

• El agua es un solvente universal que facilita reacciones bioquímicas a nivel celular.

• Su alta capacidad calorífica permite que se caliente o enfríe lentamente, lo cual es vital para los organismos vivos.

• Esta propiedad se describe mediante el calor específico, importante en procesos térmicos.

Experimento sobre calentamiento del agua y aceite

• Se compara cómo un litro de agua y un litro de aceite reaccionan al mismo calor aplicado.

• La pregunta central: ¿cuál líquido se calienta más rápido?

• Se invita a los participantes a opinar sobre cuál sustancia se calienta primero.

¿Por qué el agua se calienta más lento que el aceite?

Propiedades del Agua y Aceite

• El aceite se calienta más rápido que el agua, a pesar de tener la misma masa.

• La diferencia radica en el calor específico; el agua tiene un alto calor específico comparado con otras sustancias.

• Un mayor calor específico significa menos incremento de temperatura al recibir calor.

Calor Específico del Agua

• El agua tiene un calor específico anormalmente alto, lo que le permite calentarse y enfriarse lentamente.

• Esta propiedad está relacionada con los puentes de hidrógeno y las interacciones moleculares.

• El alto calor específico del agua estabiliza su temperatura en comparación con otras sustancias.

Impacto en el Clima Global

• El agua regula la temperatura planetaria, evitando cambios extremos durante el día y la noche.

• Sin agua, la Tierra tendría temperaturas extremas; los desiertos son ejemplos de esto.

• En las noches, el agua libera lentamente el calor almacenado, estabilizando las temperaturas.

Termorregulación en Seres Vivos

• Los seres vivos utilizan mecanismos para regular su temperatura; este proceso se llama termorregulación.

• Ejemplos incluyen sudoración para bajar la temperatura corporal.

• La termorregulación es esencial para mantener procesos biológicos adecuados.

¿Cuál es la temperatura promedio del cuerpo humano?

• La temperatura promedio del cuerpo humano debe estar entre 36 y 37 grados centígrados para funcionar adecuadamente.

• Algunos mencionan que la temperatura ideal es de 36.5 grados centígrados, lo cual es correcto.

• Temperaturas superiores a 36 pueden causar hipertermia, mientras que temperaturas inferiores a 36 pueden llevar a hipotermia.

Importancia de la termorregulación

• El cuerpo humano tiene un mecanismo llamado termorregulación que ayuda a mantener su temperatura.

• Se discute el porcentaje de agua en el cuerpo humano, que varía entre el 60% y el 69%.

• La hidratación y el sexo influyen en el porcentaje de agua; los hombres suelen tener más agua debido a su mayor masa muscular.

El papel del agua en la regulación térmica

• El agua tiene un alto calor específico, permitiendo cambios lentos de temperatura.

• Esto facilita la termorregulación y permite vivir en diversas condiciones ambientales.

• Sin agua, sería difícil mantener una temperatura corporal estable.

Reflexiones sobre la ingeniería biomédica

• Los ingenieros biomédicos deben entender las propiedades físicas de los fluidos corporales para diseñar dispositivos médicos eficaces.

• Conocer estas propiedades es crucial para desarrollar métodos diagnósticos y nuevas terapias.

• El agua actúa como solvente universal y tiene comportamientos únicos a diferentes temperaturas.

¿Qué sucede al calentar agua a 4 grados centígrados?

Expansión térmica

• Se plantea la pregunta sobre el comportamiento del agua al calentarse desde 4 grados centígrados.

• Se discute si el volumen de agua se expande o se comprime al ser calentado.

Concepto de dilatación térmica

• La expansión térmica es un fenómeno físico donde las moléculas vibran más rápido con el aumento de temperatura.

• Todos los cuerpos con temperatura por encima del cero absoluto vibran debido a la agitación térmica.

Temperatura y movimiento molecular

• El cero absoluto (0 K) es la menor temperatura posible, equivalente a -273.15 °C.

• A temperaturas cercanas al cero absoluto, como -273.15 °C, las partículas dejan de moverse.

Relación entre temperatura y expansión del agua

• Al calentar agua desde 4 grados centígrados, sus partículas oscilan más rápido y se expanden.

• La respuesta es que el agua se expande cuando su temperatura aumenta por encima de 4 grados centígrados.

¿Qué sucede con el agua al enfriarse?

Expansión y compresión del agua

• Se plantea la pregunta sobre el comportamiento del agua al disminuir su temperatura de 4 a 0 grados centígrados.

• La mayoría responde que el agua se comprime al bajar la temperatura, pero esto es incorrecto.

• La lógica indica que debería comprimirse debido a la reducción del movimiento atómico.

Comportamiento anómalo del agua

• El agua entre 0 y 4 grados centígrados viola las leyes de la termodinámica, expandiéndose en lugar de comprimirse.

• Este comportamiento es opuesto al de otros líquidos, donde normalmente se comprimen al enfriarse.

• La expansión se debe a la formación de cristales y enlaces especiales en su estructura molecular.

Importancia de la densidad del hielo

• Al expandirse, el agua disminuye su densidad, permitiendo que el hielo flote.

• Este fenómeno es crucial para la vida acuática, ya que evita que los lagos y océanos se congelen completamente.

• El comportamiento anómalo del agua entre 0 y 4 grados es esencial para mantener la vida en nuestro planeta.

Conceptos relacionados: Volumen específico

• Se introduce el concepto de volumen específico como medida de cuán liviana es una sustancia.

• Densidad se refiere a masa por unidad de volumen; volumen específico es volumen por unidad de masa.

• Esta distinción ayuda a entender cómo comparar diferentes sustancias en términos de peso.

¿Cuál es la relación entre densidad y volumen específico?

• El icopor y la madera tienen alto volumen específico, lo que significa que son livianos.

• La densidad es el inverso del volumen específico; se puede calcular uno a partir del otro.

• La ecuación de densidad (masa/volumen) permite hallar la masa si se conoce la densidad.

¿Se aplica la ecuación de densidad en el cuerpo humano?

• Se cuestiona si todos los huesos tienen la misma densidad, planteando un ejemplo con el fémur.

• Se pregunta si la densidad dentro del fémur es constante o variable, invitando a comentarios.

• La respuesta es que la densidad es variable; no se puede calcular usando todo el hueso.

Método para calcular la densidad en un punto específico

• Para hallar la densidad en un punto del fémur, se debe usar una masa pequeña y su volumen correspondiente.

• Se utiliza una ecuación diferencial para obtener una aproximación de la densidad en ese punto.

• La integral de esta ecuación permite calcular masa considerando variaciones en tres dimensiones.

Densidades variables y coordenadas

• La integral para hallar masa considera que el hueso tiene forma tridimensional y no cúbica.

• La dependencia de la densidad varía según las coordenadas x, y, z dentro del hueso.

• Para cuerpos con formas curvas, se deben usar coordenadas esféricas o cilíndricas.

Transformación a coordenadas esféricas

• Al cambiar a coordenadas esféricas, se ajusta la integral triple para reflejar esta nueva forma.

• Las nuevas coordenadas (φ, η, ρ) reemplazan a las tradicionales (x, y, z), adaptándose al contorno del cuerpo.

Coordenadas Esféricas y su Aplicación

Conceptos Básicos

• Las coordenadas esféricas incluyen el ángulo fi, que varía entre 0 y 360 grados.

• El ángulo theta se asemeja a un cono y varía entre 0 y 180 grados.

• La coordenada radial (rho) varía entre 0 e infinito, acotada por el radio de la esfera.

Cálculo de Masa en Tumores

• Se expresa la densidad en términos de coordenadas esféricas para calcular masa.

• El diferencial de volumen en coordenadas esféricas incluye un término específico relacionado con el radio.

• Se utiliza una ecuación para hallar la masa de órganos o tumores mediante modelos matemáticos.

Modelos Matemáticos de Tumores

• Existen diferentes modelos matemáticos para describir tumores, como la esfera arrugada.

• Con ecuaciones específicas se puede calcular la masa del tumor usando límites de integración.

• Imágenes diagnósticas ayudan a determinar la forma del tumor para cálculos precisos.

Componentes Principales de la Sangre

• Se discuten los principales componentes de la sangre: glóbulos rojos y agua.

• Los glóbulos rojos representan entre 40% y 54% del volumen sanguíneo, variable según condiciones personales.

• Otros componentes incluyen proteínas, células sanguíneas, plaquetas y electrolitos.

¿Cuál es la composición de la sangre?

• Los glóbulos rojos representan entre el 40% y el 54% del volumen sanguíneo, mientras que el agua está entre el 42% y el 58%.

• La densidad de la sangre se ve afectada por el porcentaje de glóbulos rojos y agua presentes.

• Para calcular la viscosidad de la sangre, los niveles de glóbulos rojos y agua son variables clave.

¿Qué porcentaje del peso corporal es sangre?

• El 8% del peso total de una persona corresponde a la sangre; por ejemplo, en una persona de 60 kg, esto equivale a aproximadamente 4.8 kg.

• En promedio, un adulto tiene alrededor de 5 litros de sangre.

• La sangre está compuesta por un 55% de plasma y un 45% de células sanguíneas.

Componentes celulares en la sangre

• Más del 99% de las células sanguíneas son glóbulos rojos (eritrocitos).

• Aproximadamente el 55% del plasma es agua; otros componentes están en menor proporción.

• Se estima que los glóbulos rojos constituyen cerca del 45% del volumen sanguíneo.

Propiedades físicas y densidad de la sangre

• La densidad normal de la sangre varía entre 1.050 y 1.064 g/cm³.

• Cambios en la densidad pueden indicar patologías relacionadas con los niveles de glóbulos rojos.

¿Cómo se relaciona la densidad de la sangre con patologías?

• La cantidad de glóbulos rojos puede indicar patologías como anemia.

• Medir la densidad de la sangre ayuda a detectar enfermedades en pacientes.

• El hueso esponjoso alberga médula ósea, donde se forman las células sanguíneas.

Diferenciación celular y cavidades en el hueso

• La médula ósea es el lugar de diferenciación de glóbulos rojos, blancos y plaquetas.

• Las cavidades en el hueso permiten la formación de células sanguíneas.

• Los poros en el hueso esponjoso miden aproximadamente 500 micras.

Importancia de medir la densidad ósea

• La densidad del tejido óseo indica si está normal o presenta patologías.

• La osteoporosis se caracteriza por una pérdida significativa de tejido óseo.

• Radiografías ayudan a diagnosticar condiciones basadas en la densidad del tejido.

Ejemplo práctico sobre masa sanguínea

• La densidad promedio de la sangre humana es 1060 kg/m³.

• Se pregunta sobre la masa sanguínea en una persona con 5 litros de sangre.

• Factores como hidratación y niveles de glóbulos rojos afectan esta medida.

Cálculo de masa a partir de densidad y volumen

• La fórmula para calcular masa es: masa = densidad × volumen.

• Es importante convertir litros a metros cúbicos para el cálculo correcto.

• Un litro equivale a un milésimo (0.001 m³), facilitando conversiones.

Cálculo de la Masa y Densidad de la Sangre

• Un metro cúbico equivale a mil litros; se calcula que la masa de sangre es aproximadamente 53 kg, lo que representa un 8% de la masa corporal.

• Para convertir kilogramos a libras, se utiliza el factor de conversión: 1 kg = 2.2 lb, resultando en 11.66 lb.

• Se menciona que es más fácil trabajar con libras para ciertos cálculos biomédicos.

Importancia del Cálculo de Masa

• El ejercicio ilustra cómo calcular la masa dentro del cuerpo humano, específicamente para la sangre.

• La conversión entre unidades es crucial ya que algunos equipos biomédicos utilizan unidades inglesas.

Taller Práctico sobre Densidades

• Se presenta un taller con ejercicios prácticos relacionados con el cálculo de densidades.

• Ejemplo: una muestra de ácido láctico tiene un volumen de 2130 ml y una masa específica; se debe calcular su densidad.

Ejercicios Adicionales sobre Densidad

• Se discute cómo calcular densidades en diferentes contextos, como líquidos desconocidos y músculos.

• Ejemplo: hallar el volumen o densidad usando datos específicos como masa y volumen.

Densidad del Cerebro y Otros Líquidos

• Se plantea calcular la densidad del cerebro utilizando su masa y volumen conocidos.

• También se menciona cómo determinar la densidad de un líquido desconocido comparando masas.

Tarea sobre Glóbulos Rojos y Agua

• La tarea involucra calcular la densidad promedio de los glóbulos rojos en relación al agua.

• Se deben considerar porcentajes específicos para obtener resultados precisos en las mediciones.

Cálculo de Densidades y Masa del Tumor

Cálculo de Densidades

• Se calcularán densidades para diferentes porcentajes de glóbulos rojos y agua, hasta llegar a 58.

• Los valores calculados deben estar en el rango esperado entre 1050 y 1064.

Procedimiento Paso a Paso

• El procedimiento debe ser detallado paso a paso para obtener la tabla de densidades.

• La densidad se reemplazará en la ecuación de la masa del tumor, que es una integral triple.

Cálculo de la Masa del Tumor

• Se utilizarán coordenadas esféricas para hallar la masa del tumor, que debería ser aproximadamente 147.3 gramos.

• El cálculo se realiza manualmente, aunque normalmente un software lo haría automáticamente.