Unidade III

Biofísica da Visão

Centro Universitário Franciscano

Curso de Fisioterapia

Biofísica Prof: Valnir de Paula

valnirp@terra.com.br

Roteiro

Fundamentos Físicos

Biofísica da Visão Normal

Processos Patológicos da Visão

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Onda Eletromagnética

Uma carga elétrica cria à sua volta um campo elétrico. Se esta carga for acelerada, haverá uma variação do campo elétrico no tempo, que irá induzir um campo magnético.

Estes campos são perpendiculares entre si e constituem

uma onda eletromagnética.

A direção de propagação da onda é perpendicular às direções de vibração dos campos que a constituem.

Uma onda eletromagnética propaga-se no vácuo à velocidade constante de 300.000 km/s.

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Onda Eletromagnética

A sua frequência é inversamente proporcional ao comprimento da onda, de acordo com a equação:

vf

Onde f é a frequência, v é a

velocidade e λ é o comprimento

da onda

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Tomando o espectro de ondas eletromagnéticas, todas as ondas que são visíveis, possuem uma faixa de freqüências que se estende de 4,5.1014 Hz , a 7,5.1014 Hz .

Esta faixa possui as sete cores fundamentais que podemos relacioná-las em ordem de freqüência crescente, como: vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul, anil e violeta.

Espectro Eletromagnético

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Todas as radiações que apresentam uma freqüência menor que 4,5. 1014Hz (cor vermelha), não são capazes de estimular nossos olhos, tornando-se assim invisíveis, como por exemplo, as ondas de calor, de microondas, telefonia, TV e rádio (todas ondas infra-vermelhas).

Já todas as radiações que apresentam uma freqüência maior que 7,5.1014Hz (cor violeta), também são invisíveis, como por exemplo, o ultravioleta, os raios –X, e os raios γ.

Espectro Eletromagnético

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Quando a luz se propaga de um meio a outro, dizemos que esta se refratou. Ao se refratar, o feixe de luz muda sua direção. Na figura abaixo a luz se refratou do meio 1 para o meio 2. O meio 2 é mais refringente que o meio 1, pois possui maior índice de refração, sendo que a velocidade é menor e o comprimento de onda é maior neste meio.

Refração da Luz

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Exemplo do efeito de refração

Índice de refração (n) é uma relação entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz em um determinado meio. A relação pode ser descrita pela fórmula:

Onde: c é a velocidade da luz no vácuo (c = 3 x 108 m/s) e v é

a velocidade da luz no meio; A velocidade da luz nos meios materiais é sempre menor que c. Logo, sempre teremos n > 1.

v

cn

Índice de Refração

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É a relação de dependência do índice de refração com o comprimento de onda da luz. É a dispersão que faz com que a luz branca incidindo sobre um prisma de vidro seja refratada,

separando as várias cores desde o vermelho ( maior λ ) até o

violeta ( menor λ ).

Dispersão da Luz

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O arco-íris é um fenômeno óptico que se forma em razão da separação das cores que formam a luz solar. Ele pode ser observado sempre que existirem gotículas de água suspensas na atmosfera e a luz solar estiver brilhando acima do observador em baixa altitude ou ângulo, ou seja, ele pode acontecer durante ou após uma chuva. Esse acontecimento ocorre em razão da dispersão da luz.

O Arco Íris

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O Disco de Newton

A recomposição da luz branca (soma das cores) pode ser obtida através um aparelho que é chamado disco de Newton.

Este disco, contendo as mesmas cores que compõem o

espectro de luz branca, adquire uma cor uniformemente branca quando girado velozmente

Disco com as cores

Mesmo disco em alta rotação

A difração da luz é observada quando um feixe de luz atravessa uma abertura estreita e ilumina uma área maior do que a própria abertura. A luz chega a lugares onde deveria ser sombra, mostrando que a onda contorna o obstáculo.

Difração da Luz

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Polarização da Luz Em geral, temos uma onda luminosa com campos elétricos e magnéticos apontando em todas as direções, sempre perpendiculares à direção de propagação.

Com o uso de filtros é possível “selecionar” as direções que nos interessam, permitindo obter luz polarizada, ou seja, luz com vibrações eletromagnéticas numa única direção.

Uma das aplicações da polarização da luz ocorre nas lentes dos óculos de sombra.

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Há uma estreita correlação entre configuração molecular, atividade óptica e estrutura cristalina.

Polarização da Luz

Cores observadas após a luz branca polarizada atravessar solução de sacarose, vistas pelo topo do arranjo experimental. Em cada caso, o polarizador superior foi girado segundo certo ângulo.

São materiais transparentes, limitados por duas faces, sendo uma curva e a outra plana ou curva. Quando atravessadas por um conjunto paralelo de raios de luz, fazem com que ocorra convergência ou divergência dos mesmos.

Lentes

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As lentes convergentes são aquelas que, ao serem atravessadas por raios de luz, tendem a aproximá-los.

As lentes divergentes tendem a afastá-los.

Quando uma lente é atravessada por um feixe de raios paralelos, esses

raios se concentram em um único ponto, chamado foco ( f ).

Lentes

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Quanto menor o foco, maior a capacidade da lente de desviar os feixes de luz. A isso chamamos Vergência definida por:

V = 1/f

Onde V é a Vergência e f é a distância do vértice da lente até o foco. A Unidade de medida S.I. da Vergência é a dioptria (di) e a do foco é o metro (m).

No olho humano existem três meios que funcionam como

lentes: a córnea, do tipo côncavo-convexa (convergente); o humor aquoso do tipo convexo-côncava, (divergente) e o cristalino do tipo biconvexa (convergente).

Ou seja, temos duas lentes convergentes e uma divergente,

constituindo um sistema de efeito global fortemente convergente.

Lentes

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O funcionamento da Câmara Escura da máquina fotográfica é bastante semelhante ao do olho humano.

Cada um dos pontos do objeto colocado diante da lupa de uma câmara escura envia luz em trajetórias retilíneas. Os raios de luz que atravessam o orifício (obturador), passam pela lente e se propagam até ao fundo da caixa formam a imagem invertida do objeto.

A Câmera fotográfica (Câmara escura)

Câmera fotográfica

Obturador

A luz atravessa a córnea, segue através do cristalino (lente convergente), onde sofre refração e atinge a retina, que é rica em células fotorreceptoras (cones e bastonetes) local onde ocorrem as conversões químicas que sensibilizam a retina efetivando a fototransdução.

A retina funciona como um conjunto de células fotoelétricas, que recebem a energia luminosa e a transformam na energia elétrica (potenciais de ação).

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A formação da imagem no olho

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O olho humano é um órgão extremamente complexo; atua como uma câmera, coletando, focando luz e convertendo a luz em um sinal elétrico traduzido em imagens pelo cérebro. Mas, em vez de um filme fotográfico, o que existe aqui é uma retina altamente especializada que detecta e processa os sinais usando dezenas de tipos de neurônios.

Anatomia do Olho

Cristalino: Parte do frontal do olho que funciona como uma lente convergente, do tipo biconvexa

Pupila: comporta-se como um obturador, controlando a quantidade de luz que penetra no olho.

Retina: é a parte sensível à luz, onde são projetadas as imagens formadas pelo cristalino, e enviadas ao cérebro.

Músculos ciliares: distendem convenientemente o cristalino, alterando a distância focal.

Anatomia do Olho

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Movimento da pupila

Dependendo da intensidade da luz incidente no olho, a pupila regula seu diâmetro.

O músculo esfíncter da pupila diminui o diâmetro,

enquanto que o músculo dilatador da pupila o aumenta, de acordo com o estímulo luminoso.

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Fototransdução

A retina contém 3 camadas de neurônios: 1 camada de células fotorreceptoras (cones e bastonetes), 1 camada de células bipolares e 1 camada de células ganglionares.

Os cones são as células especializadas na identificação das cores.

A camada fotorreceptora é que produz os potenciais geradores de sinal. Após passar essa camada, a informação é conduzida às células bipolares e depois às células ganglionares.

O axônios das células ganglionares unem-se para formar o nervo óptico.

O nervo óptico transmite os impulsos visuais ao córtex cerebral do lobo occipital do cérebro, que interpretará a sensação visual.

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Foto transdução

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Devido ao cruzamento no quiasma óptico, o lado direito do córtex interpreta as sensações visuais do lado esquerdo de um objeto e o lado esquerdo interpreta as sensações do lado direito do objeto.

Centro da Visão no Cérebro

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Formação da Imagem

A formação da imagem na retina requer 4 processos básicos: 1) Refração dos raios de luz; 2) Acomodação (aumento da curvatura) da lente (cristalino); 3) Constrição da pupila 4) Convergência dos olhos

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Formação da Imagem

Quanto maior a curva da lente, mais os raios desviam, uns em direção aos outros. Para ajustar o foco de visão de um objeto próximo ou distante, o cristalino pode alterar o ponto de foco, variando a sua curvatura. Essa variação da curvatura da lente do olho é chamada de acomodação.

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Hipermetropia É uma patologia em que o eixo ocular é mais curto que o

normal. Em conseqüência, o olho hipermétrope tem dificuldade em ver objetos próximos.

Um objeto colocado a pequena distância tem sua imagem formada depois da retina. Pode-se corrigir a hipermetropia com uma lente convergente.

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Neste caso, a imagem recai antes da retina. Em conseqüência, o olho míope tem dificuldade em ver objetos a grande distância. Pode-se corrigir miopia com uma lente divergente ou cirurgicamente, com a utilização de raio laser para adequar a curvatura da córnea.

Miopia

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O astigmatismo ocorre devido as imperfeições de curvatura da córnea, ou, mais raramente, do cristalino.

A correção é feita com lentes cilíndricas, que apresentam

convergência maior numa direção que em outra.

Astigmatismo

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A presbiopia ou “vista cansada” ocorre devido à perda de flexibilidade dos músculos ciliares ou ao aumento da rigidez do cristalino, o que reduz o poder de acomodação.

A correção desta patologia é feita usando lentes bifocais.

Presbiopia

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É uma patologia visual cuja pessoa pode ter ausência ou redução na sensibilidade de um, dois ou dos três tipos de cones.

O caso mais comum de daltonismo é em virtude do cone sensível ao vermelho, onde um objeto vermelho é visto como sendo preto.

Em casos menos comuns pode haver problemas com os cones sensíveis ao verde ou ao azul.

Daltonismo

Teste visual para detecção de daltonismo

Visão de um semáforo para um daltônico, que

não percebe a cor vermelha

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Os olhos se movem ao tentarmos fixar insistentemente sobre um objeto. É por isso que determinadas formas de disposição de linhas dão impressão de movimento.

As imagens persistentes acabam cedendo lugar às novas imagens formadas pelos movimentos involuntários do olho, dando a sensação de movimento.

Sensação de Movimento

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Sensação de Movimento

Referências

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GARCIA, Eduardo Antônio Conde.Biofísica. São Paulo. Sarvier, 2007.387p.

OKUNO, E., CALDAS, I. L., CHOW, C. Física para ciências biológicas e

biomédicas. São Paulo: Harbra, 1982.

HANSEN, J. T., KOEPPEN, B. M. Atlas de Fisiologia Humana de Netter.

TORTORA, G. J. Corpo Humano, Fundamentos de Anatomia e Fisiologia.

4ª Edição. Editora Artmed. Porto Alegre. 2000