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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