LA BIOFISICA PRIMER SEMESTRE

PRINCIPIOS DE LA BIOFÍSICA

La biofísica es la ciencia que estudia la biología con los principios y métodos de la física. Se discute si la biofísica es una rama de la física o de la biología. Desde un punto de vista puede concebirse que los conocimientos y enfoques acumulados en la física "pura" pueden aplicarse al estudio de los sistemas biológicos. En ese caso la biofísica le aporta conocimientos a la biología, pero no a la física, sin embargo, le ofrece a la física evidencia experimental que permite corroborar teorías. Ejemplos en ese sentido son la física de la audición, la biomecánica, los motores moleculares, comunicación molecular, entre otros campos de la biología abordada por la física.

RAMAS DE LA BIOFÍSICA

Las ramas de la biofísica son las siguientes:

Biomecánica: Estudia la mecánica del movimiento en los seres vivientes; por ejemplo, la locomoción, el vuelo, la natación, el equilibrio anatómico, la mecánica de los fluidos corporales, la fabricación de prótesis móviles, etc.

Bioelectricidad: Estudia los procesos electromagnéticos y electroquímicos que ocurren en los organismos vivientes así como también los efectos de los procesos electromagnéticos abióticos sobre los seres vivientes; por ejemplo, la transmisión de los impulsos neurolépticos, el intercambio iónico a través de las biomembranas, la generación biológica de electricidad (anguilas, rayas, etc.), la aplicación de la electrónica en biomedicina, etc.

Bioenergética (termodinámica biológica): Se dedica al estudio de las transformaciones de la energía que ocurren en los sistemas vivientes; por ejemplo, la captura de energía por los biosistemas, la transferencia de energía desde y hacia el entorno, el almacenamiento de energía en la célula, etc.

Bioacustica: Investiga y aplica la transmisión, captación y emisión de ondas sonoras por los biosistemas. Utilidad medica del Sonido (Ecógrafos).

Biofotonica: Estudia las interacciones de los biosistemas con los fotones; por ejemplo, la visión, la fotosíntesis, etc.

Radiobiología: Estudia los efectos biológicos de la radiación ionizante y la no ionizante y sus aplicaciones en las técnicas biológicas de campo y de laboratorio. (Rayos X, Tomografías, Resonancia magnética Nuclear.

LA FORMACIÓN DEL UNIVERSO Y ORIGEN DE LA VIDA.

Teoría del big bang. Teoría de la gran explosión, es un modelo científico que trata de explicar el origen del Universo y su desarrollo posterior a partir de una singularidad espaciotemporal. Técnicamente, este modelo se basa en una colección de soluciones de las ecuaciones de la relatividad general, llamados modelos de Friedman-Lemaître-Robertson-Walker.

Base teórica

En su forma actual, la teoría del Big Bang depende de tres suposiciones:

1.      La universalidad de las leyes de la física, en particular de la teoría de la relatividad general.

2.      El principio cosmológico.

3.      El principio de Copérnico.

El Big Bang no es una explosión de materia que se aleja para llenar un Universo vacío; es el espacio-tiempo el que se extiende. Y es su expansión la que causa el incremento de la distancia física entre dos puntos fijos en nuestro universo. Cuando los objetos están ligados entre ellos (por ejemplo, por una galaxia), no se alejan con la expansión del espacio-tiempo, debido a que se asume que, las leyes de la física que los gobiernan, son uniformes e independientes del espacio métrico. Más aún, la expansión del universo en las escalas actuales locales es tan pequeña que cualquier dependencia de las leyes de la física en la expansión no sería medible con las técnicas actuales.

Creacionismo

Al conjunto de creencias, inspiradas en doctrinas religiosas, según las cuales la Tierra y cada ser vivo que existe actualmente provienen de un acto de creación por uno o varios seres divinos, cuyo acto de creación fue llevado a cabo de acuerdo con un propósito divino.

Durante la Edad Media, y hasta la actualidad, el término «creacionismo» ha servido en Teología para designar una de dos interpretaciones alternativas para el origen del alma personal, que cada alma es objeto de un acto especial de creación por Dios

El propio Darwin usó en su correspondencia el término «creacionista» para referirse a sus opositores. Sin embargo, en la época conocida con el termino creacionismo clásico, no fue usado de manera general para designar la oposición al evolucionismo darwinista.

Durante mucho tiempo, época conocida como creacionismo clásico, el término no fue usado de manera general para designar la oposición al evolucionismo darwinista, que se designaba en otras formas. En 1929 el biólogo Harold W. Clark, un adventista del Séptimo Día, describió como creacionista la obra de su maestro George McCready Price, en el título de un libro auto publicado. Durante algún tiempo el término sirvió para describir tanto a los teístas evolucionistas y a los fundamentalistas bíblicos que, como los dos autores citados, defendían la literalidad bíblica desde sus títulos universitarios en ciencias.

VIDEO EXPLICATIVO SOBRE EL ORIGEN DE LA VIDA PARA AUMENTO DE CONOCIMIENTOS:

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, 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.

LA CIENCIA: MÉTODO CIENTÍFICO

La ciencia es el conjunto coordinado de explicaciones sobre el porqué de los fenómenos que observamos o sea, de las causas de esos fenómenos. Para construir la ciencia se investigan las causas y determina su ordenamiento.

El método científico es el modo ordenado de proceder para el conocimiento de la verdad, en el ámbito de determinada disciplina científica. A su vez, es un conjunto sistemático de criterios de acción y de normas que orientan el proceso de investigación. El científico y las ciencias surgen como resultado de la aplicación del método científico = conocimiento científico investigativa.
La Investigación científica + método científico = conocimiento científico = ciencia.

ESTRUCTURA DE LA MATERIA

Actualmente sabemos que la materia se encuentra compuesta de átomos. Estos átomos poseen una determinada estructura, tal como se presenta en el siguiente gráfico.

•          En el núcleo se encuentran los protones y neutrones.

•          Los protones poseen carga eléctrica positiva, mientras que los neutrones no tienen carga.

•          En la corteza se encuentran los electrones, orbitando en torno al núcleo y poseen carga eléctrica igual a la de los protones pero de signo negativo.

Los átomos de los distintos elementos se diferencian en el nº de estas partículas que contienen, y por ello se utiliza para describir su estructura el concepto de:

- Nº Atómico y Nº Másico.

- El nº atómico es el nº de protones que hay en el núcleo de dicho átomo.

- El nº másico es la suma de protones y neutrones que contiene el núcleo del átomo.

- Debido a la neutralidad eléctrica del átomo, el nº atómico también nos indicará el nº de electrones que se encuentran en la corteza.

- Por último, un átomo puede perder o ganar electrones, transformándose en un ion (especie química con carga eléctrica).

- Si el átomo pierde electrones se convierte en un ion positivo: catión.

- Si el átomo gana electrones se convierte en un ion negativo: anión

Los aspectos más importantes de la estructura atómica y molecular de la materia son:

•          Elementos

•          Átomos

•          Moléculas

Elementos

Un elemento químico es toda sustancia pura, por lo que mantiene las mismas propiedades en toda la muestra y presenta una única composición, que no es posible descomponer en otras más simples por métodos químicos habituales.

En la actualidad se conocen más de 100 elementos (las distintas bibliografías no coinciden exactamente en el número), de los cuales 88 son naturales y el resto han sido producidos artificialmente.

Átomos

La materia está constituida por partículas indivisibles por métodos químicos convencionales, llamadas átomos.

Moléculas

La molécula puede definirse como la parte más pequeña de un compuesto (sustancia pura formada por combinación de dos o más elementos químicos) que mantiene sus propiedades químicas.

Existen moléculas diatónicas (de dos átomos) como por ejemplo O2, CO,... La primera de ellas se dice también que es mononuclear porque los dos átomos que la componen son idénticos, mientras que la segunda, el CO, se dice que es heteronuclear porque los dos átomos que la componen son distintos. Lógicamente, también existen moléculas con más de dos átomos y pueden ser ejemplos: CaCl2, CO2,... Las propiedades de los compuestos químicos son generalmente muy distintas a los elementos que lo componen. Así, por ejemplo, el Cl2 es un gas tóxico y el Na es un metal muy activo y, sin embargo, el cloruro de sodio (NaCl) o sal común, es un compuesto necesario en nuestro organismo.

FERMIÓN

Un fermión, llamado así en honor al célebre científico italiano Enrico Fermi, es uno de los dos tipos básicos de partículas que existen en la naturaleza (el otro tipo son los bosones). Los fermiones se caracterizan por tener espín semi-entero (1/2, 3/2,...). En el modelo estándar existen dos tipos de fermiones fundamentales, los quarks y los leptones. En el modelo estándar de física de partículas los fermiones se consideran los constituyentes básicos de la materia, que interactúan entre ellos, vía bosones de gauge.

Descripción cuántica

En la descripción de la mecánica cuántica no relativista las funciones de onda de los fermiones son antisimétricas, lo cual se corresponde con el hecho de que obedecen la estadística de Fermi-Dirac verificando, por tanto, el principio de exclusión de Pauli. Esta propiedad implica, que dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico al mismo tiempo. Todas las partículas elementales “observadas” son fermiones o bosones. Una partícula compuesta, formada por varias elementales, puede ser también un fermión o un bosón dependiendo sólo del número de fermiones que contenga, tal es el caso:

•          Las partículas compuestas que contienen un número par de fermiones llegan a comportarse como bosones (para valores de la energía tales que no se rompan las ligaduras entre ellas). Este es el caso, por ejemplo, de los mesones o del núcleo de carbono-12.

•          Las partículas compuestas que contienen un número impar de fermiones se comportan en sí mismas como fermiones. Este es el caso, por ejemplo, de los bariones o del núcleo de carbono-13.

Por el contrario el número de bosones que contenga la partícula es irrelevante de cara a determinar su posible naturaleza fermiónico o bosónica.

Por supuesto, el comportamiento fermiónico o bosónico de las partículas compuestas solo se aprecia si observamos el sistema a gran distancia en comparación con la escala de la partícula. Si observamos a escalas similares entonces la contribución de la estructura espacial empieza a ser importante. Por ejemplo, dos átomos de helio-4 a pesar de ser bosones no pueden ocupar el mismo espacio si este es comparable al tamaño de la estructura de la partícula en cuestión. Así, el helio líquido tiene una densidad finita comparable a la densidad de la materia líquida ordinaria.

Fermiones elementales

Los fermiones elementales se dividen en dos grupos:

•          Quarks, que forman las partículas del núcleo atómico, y que son capaces de experimentar la interacción nuclear fuerte.

•          Leptones, entre los que se encuentran los electrones y otras que interactúan básicamente mediante la interacción electrodébil. Tal como se observa en las siguientes gráficas

La materia ordinaria está básicamente formada por fermiones y a ellos debe prácticamente toda su masa. Los átomos están básicamente formados por quarks que a su vez forman los protones y los neutrones del núcleo atómico y los leptones que forman los electrones. El principio de exclusión de Pauli obedecido por los fermiones es el responsable de la “impenetrabilidad” de la materia ordinaria, que hace que esta sea una substancia extensa. El principio de Pauli también es responsable de la estabilidad de los orbitales atómicos haciendo que la complejidad química sea posible. También es el responsable de la presión ejercida por la materia degenerada.

Los fermiones elementales también pueden ser clasificados en:

•          Fermiones de Majorana, cuando son estados propios del operador de conjugación de carga y por tanto dos fermiones de ese tipo pueden aniquilarse mutuamente.

•          Fermiones de Dirac, cuando no son estados propios del operador de conjugación de carga, y por tanto, tiene una carga eléctrica de signo contrario a la de su correspondiente antipartícula.

Modelo estándar

Actualmente en física, la dinámica de la materia y de la energía en la naturaleza se entiende mejor en términos de cinemática e interacciones de partículas fundamentales. Hasta la fecha, la ciencia ha logrado reducir las leyes que parecen gobernar el comportamiento y la interacción de todos los tipos de materia y de energía que conocemos, a un conjunto pequeño de leyes y teorías fundamentales. Una meta importante de la física es encontrar la base común que uniría a todas éstas en una teoría del todo, en la cual todas las otras leyes que conocemos serían casos especiales, y de la cual puede derivarse el comportamiento de toda la materia y energía (idealmente a partir de primeros principios).

Dentro de esto, el modelo estándar agrupa dos teorías importantes - el modelo electrodébil y la cromodinámica cuántica - lo que proporciona una teoría internamente consistente que describe las interacciones entre todas las partículas observadas experimentalmente. Técnicamente, la teoría cuántica de campos proporciona el marco matemático para el modelo estándar. El modelo estándar describe cada tipo de partícula en términos de un campo matemático. Para una descripción técnica de los campos y de sus interacciones. Para facilitar la descripción, el modelo estándar se puede dividir en tres partes que son las partículas de materia, las partículas mediadoras de las fuerzas, y el bosón de Higgs ver la siguiente gráfica:

PARTÍCULAS DE LA MATERIA

Un átomo de Helio 4 según el modelo estándar, muestra de color rojo las interacciones electromagnéticas y de color naranja las Fuertes. Según el modelo estándar prácticamente toda la materia másica estable conocida, está constituida por partículas que tienen una propiedad intrínseca llamada espín cuyo valor es 1/2. En los términos del modelo estándar todas las partículas de materia son fermiones. Por esta razón, siguen el principio de exclusión de Pauli de acuerdo con el teorema de la estadística del spin, y ese principio da a la materia sus atributos de impenetrabilidad. Aparte de sus antipartículas asociadas, el modelo estándar conjetura que existen doce tipos de partículas de materia, que combinadas forman todos los leptones y hadrones del universo. Seis de éstos se clasifican como quarks (up, down, strange, charm, top y bottom), y los otros seis como leptones (electrón, muon, tau, y sus neutrinos correspondientes)

Las partículas de la materia también llevan cargas que las hacen susceptibles a las fuerzas fundamentales según lo descrito en la sección siguiente:

•         Cada quark puede llevar tres cargas de color (llamadas por conveniencia roja, verde o azul), que son usadas para describir cómo interactúan mediante interacción fuerte.
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•        Los quarks tipo up (up, top o charm) llevan una carga eléctrica de +2/3, y los tipo down (down, strange y bottom) llevan una carga eléctrica de -1/3, permitiendo a ambos tipos participar en interacciones electromagnéticas.
• 
  
•       Los leptones no llevan ninguna carga de color - son neutros en este sentido, y no participan en las interacciones fuertes.

•     Los leptones tipo down (el electrón, el muon, y el leptón tau) llevan una carga eléctrica de -1, permitiéndoles participar en interacciones electromagnéticas.

•       Los leptones tipo up (los neutrinos) no llevan ninguna carga eléctrica, evitándose que participen en interacciones electromagnéticas.
• 
  
•          Los quarks y los leptones llevan varias cargas de sabor, incluyendo el isospín débil, permitiendo a todas ellas interaccionar recíprocamente, vía la interacción nuclear débil.

Pares de cada grupo (un quark tipo up, un quark tipo down, un leptón tipo down y su neutrino correspondiente) forman las familias. Las partículas correspondientes entre cada familia son idénticas la una a la otra, a excepción de su masa y de una característica conocida como su sabor.

Partículas mediadoras de fuerzas (Bosones)

Las fuerzas en la física son la forma en que las partículas interactúan recíprocamente y se influyen mutuamente. A nivel macroscópico, por ejemplo, la fuerza electromagnética permite que las partículas interactúen con campos magnéticos y por medio de ellos, y la fuerza de la gravitación permite que dos partículas con masa se atraigan una a otra de acuerdo con la teoría de la relatividad general de Einstein. El modelo estándar explica tales fuerzas como el resultado del intercambio de otras partículas por parte de las partículas de materia, conocidas como partículas mediadoras de la fuerza. Cuando se intercambia una partícula mediadora de la fuerza, a nivel macroscópico el efecto es equivalente a una fuerza que influencia a las dos, y se dice que la partícula ha mediado (es decir, ha sido el agente de) esa fuerza. Se cree que las partículas mediadoras de fuerza son la razón por la que existen las fuerzas y las interacciones entre las partículas observadas en el laboratorio y en el universo.

Las partículas mediadoras de fuerza descritas por el modelo estándar también tienen spin (al igual que las partículas de materia), pero en su caso, el valor del spin es 1, significando que todas las partículas mediadoras de fuerza son bosones. Consecuentemente, no siguen el principio de exclusión de Pauli. Los diversos tipos de partículas mediadoras de fuerza son descritas a continuación.

•           Los fotones median la fuerza electromagnética entre las partículas eléctricamente cargadas. El fotón no tiene masa y está descrito por la teoría de la electrodinámica cuántica.
• 
  
•          Los bosones de gauge W +, W –, y Z0 median las interacciones nucleares débiles entre las partículas de diversos sabores (todos los quarks y leptones). Son masivos, con el Z0 más masivo que él. Las interacciones débiles que implican al actúan exclusivamente en partículas zurdas y no sobre las antipartículas zurdas. Además, el lleva una carga eléctrica de +1 y -1 y participa en las interacciones electromagnéticas. El bosón eléctricamente neutro Z0 interactúa con ambas partículas y antipartículas zurdas. Estos tres bosones gauge junto con los fotones se agrupan juntos y medían colectivamente las interacciones electrodébiles. Los ocho gluones median las interacciones nucleares fuertes entre las partículas cargadas con color (los quarks). Los gluones no tienen masa. La multiplicidad de los gluones se etiqueta por las combinaciones del color y de una carga de anticolor (es decir, Rojo-antiVerde). Como el gluon tiene una carga efectiva de color, pueden interactuar entre sí mismos. Los gluones y sus interacciones se describen mediante la teoría de la cromodinámica cuántica.

Las interacciones entre todas las partículas descritas por el modelo estándar se resumen en la ilustración siguiente.

Bosón de Higg.

La partícula de Higgs es una partícula elemental (con masa) predicha en el modelo estándar. Tiene spin S=0, por lo que es un bosón. El bosón de Higgs desempeña un papel único en el modelo estándar, y un papel dominante en explicar los orígenes de la masa de otras partículas elementales, particularmente la diferencia entre el fotón sin masa y los bosones pesados W y Z. Las masas de las partículas elementales, y las diferencias entre el electromagnetismo (causada por el fotón) y la fuerza débil (causada por los bosones W y Z), son críticas en muchos aspectos de la estructura de la materia microscópica (y por lo tanto macroscópica).

Hasta el año 2012, ningún experimento había detectado directamente la existencia del bosón de Higgs, aunque había una cierta evidencia indirecta de él. Todas las esperanzas estaban puestas en las investigaciones realizadas mediante el colisionador de hadrones del CERN. Este centro hizo el histórico anuncio del hallazgo de una partícula compatible con las propiedades del bosón de Higgs el 4 de julio de 2012, confirmado por los experimentos ATLAS y CMS. Pero aún falta ver si ésta nueva partícula cumple las características predichas del bosón de Higgs dadas por el modelo estándar.

Lista de fermiones del Modelo Estándar

Esta tabla se basa en parte de datos tomados por el Grupo de Datos de Partículas (Quarks).

Fermiones zurdos en el Modelo Estándar Familia 1


VÍDEO EXPLICATIVO SOBRE EL BOSON DE HIGGS, LA "PARTICULA DE DIOS" PARA AUMENTO DE CONOCIMIENTOS:

EL ELECTRÓN

Representado por el símbolo: e−, es una partícula subatómica de tipo fermiónico. En un átomo los electrones rodean el núcleo, compuesto únicamente de protones y neutrones, formando orbitales atómicos dispuestos en sucesivas capas. Los electrones tienen una masa de 9,11×10-31 kilogramos, unas 1840 veces menor que en los neutrones y protones. Siendo tan livianos, apenas contribuyen a la masa total de las sustancias. Su movimiento genera la corriente eléctrica, aunque dependiendo del tipo de estructura molecular en la que se encuentren, necesitarán más o menos energía para desplazarse. Estas partículas desempeñan un papel primordial en la química, ya que definen las atracciones entre los átomos.

Desde el punto de vista físico, el electrón tiene una carga eléctrica de igual magnitud, pero de polaridad contraria a la del protón. Dicha cantidad, cuyo valor es de 1,602×10-19 coulombios, es llamada carga elemental o fundamental, y es considera a veces un cuanto de carga eléctrica, asignándosele un valor unitario. Por razones históricas y ventajas en ecuaciones matemáticas, se considera a la carga del protón como positiva, mientras que en el electrón como negativa. Por esto se dice que los protones y electrones tienen cargas de +1 y -1 respectivamente, aunque esta elección de signo es totalmente arbitraria.

EL PROTÓN

Es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental positiva 1 (1.6 × 10-19 C). Igual en valor absoluto y de signo contrario a la del electrón, y una masa 1.836 veces superior a la de un electrón. Experimentalmente, se observa el protón como estable, con un límite inferior en su vida media de unos 1035 años, aunque algunas teorías predicen que el protón puede desintegrarse en otras partículas.

El protón y el neutrón, en conjunto, se conocen como nucleones, ya que conforman el núcleo de los átomos. En un átomo, el número de protones en el núcleo determina las propiedades químicas del átomo y qué elemento químico es. El núcleo del isótopo más común del átomo de hidrógeno (también el átomo estable más simple posible) está formado por un único protón. Al tener igual carga, los protones se repelen entre sí. Sin embargo, pueden estar agrupados por la acción de la fuerza nuclear fuerte, que a ciertas distancias es superior a la repulsión de la fuerza electromagnética. No obstante, cuando el átomo es grande (como los átomos de Uranio), la repulsión electromagnética puede desintegrarlo progresivamente.

EL NEUTRÓN

Es una partícula subatómica sin carga neta, presente en el núcleo atómico de prácticamente todos los átomos, excepto el protio. Aunque se dice que el neutrón no tiene carga, en realidad está compuesto por tres partículas fundamentales cargadas llamadas quarks, cuyas cargas sumadas son cero. Por tanto, el neutrón es un barión neutro compuesto por dos quarks de tipo abajo, y un quark de tipo arriba.

Fuera del núcleo atómico, los neutrones son inestables, teniendo una vida media de 15 minutos (885.7 ± 0.8 s). Cada neutrón se descompone en un electrón, un antineutrino y un protón. Su masa es muy similar a la del protón, aunque ligeramente mayor. El neutrón es necesario para la estabilidad de casi todos los núcleos atómicos, a excepción del isótopo hidrógeno-1. La interacción nuclear fuerte es responsable de mantenerlos estables en los núcleos atómicos.

EL POSITRÓN O ANTIELECTRÓN

Es una partícula elemental, antipartícula del electrón, posee la misma cantidad de masa y carga eléctrica sin embargo, esta es positiva. No forma parte de la materia ordinaria, sino de la antimateria, aunque se producen en numerosos procesos radioquímicas como parte de transformaciones nucleares.

Esta partícula fue predicha por Paul Dirac en el año de 1928, para luego ser descubierta en el año 1932 por el físico norteamericano Anderson al fotografiar las huellas de los rayos cósmicos en una cámara de niebla. En la actualidad los positrones son rutinariamente producidos en la Tomografía por emisión de positrones usados en las instalaciones hospitalarias.

NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LA MATERIA

La materia viva e inerte se puede encontrar en diversos estados de agrupación diferentes. Esta agrupación u organización puede definirse en una escala de menor a mayor organización, tal como puede observarse en la siguiente gráfica.

Subatómico: este nivel es el más simple de todo y está formado por electrones, protones y neutrones, que son las distintas partículas que configuran el átomo.

Átomo: es el siguiente nivel de organización. Es un átomo de oxígeno, de hierro, de cualquier elemento químico.

Moléculas: consisten en la unión de diversos átomos diferentes para forma, por ejemplo, oxígeno en estado gaseoso (O2), dióxido de carbono, o simplemente carbohidratos, proteínas, lípidos...

Celular: las moléculas se agrupan en unidades celulares con vida propia y capacidad de autor replicación.

Tisular: las células se organizan en tejidos: epitelial, adiposo, nervioso, muscular...

Orgánulo: los tejidos están estructuras en órganos: corazón, bazo, pulmones, cerebro, riñones...

Sistémico o de aparatos: los órganos se estructuran en aparatos digestivos, respiratorios, circulatorios, nerviosos...

Organismo: nivel de organización superior en el cual las células, tejidos, órganos y aparatos de funcionamiento forman una organización superior como seres vivos: animales, plantas, insectos.

Población: los organismos de la misma especie se agrupan en determinado número para formar un núcleo poblacional: una manada de leones, o lobos, un bosque de arces, pinos...

Comunidad: es el conjunto de seres vivos de un lugar. Por ejemplo; un conjunto de seres vivos diferentes, está formada por distintas especies.

Ecosistema: es la interacción de la comunidad biológica con el medio físico, con una distribución espacial amplia.

Paisaje: es un nivel de organización superior que comprende varios ecosistemas diferentes dentro de una determinada unidad de superficie. Por ejemplo, el conjunto de vid, olivar y almendros características de las provincias del sureste español.

Región: es un nivel superior al de paisaje y supone una superficie geográfica que agrupa varios paisajes.

Bioma: Son ecosistemas de gran tamaño asociados a unas determinadas características ambientales: macro climáticas como la humedad, temperatura, radiación y se basan en la dominancia de una especie aunque no son homogéneos. Un ejemplo es la taiga que se define por las coníferas que es un elemento identificador muy claro pero no homogéneo, también se define por la latitud y la temperatura.

Biosfera: es todo el conjunto de seres vivos y componentes inertes que comprenden el planeta tierra, o de igual modo es la capa de la atmósfera en la que existe vida y que se sustenta sobre la litosfera.

 GENERALIDADES DE LOS COMPUESTOS QUÍMICOS

Para saber que es un compuesto primero hay que definir la palabra. Compuesto que, en química es la unión de uno o más elementos de la tabla periódica.

A su vez los compuesto se dividen en tres grandes ramas que son los compuestos Binarios, Terciarios y Cuaternarios.

 Los Compuestos Binarios son: Aquellos que tienen 2 electrones, en los cuales destacan el Ácido, Óxido, Anhídrido, Sal, Peróxido, Hidruro. Ç

Los Compuestos Terciarios son: Aquellos que tienes 3 electrones, en los cuales destacan Orto, Meta, Piro.

Los Compuestos Cuaternarios son: Los que tienen 4 electrones, en esta rama entran los radicales. A continuación se explican algunos de los compuestos binarios más importantes:

 Óxidos: Se llama óxidos a los compuestos que se forman al combinarse oxigeno con los elementos. Puesto que los elementos se clasifican en metales y no metales, hay tres clases de óxidos metálicos o básicos y oxácidos.

Peróxidos: Algunos óxidos tienen un átomo más de oxigeno que los óxidos ordinarios. Para designar a estas sustancias se agrega el prefijo Per. En los peróxidos, el oxígeno funciona con valencia 1, por lo tanto el peróxido se forma con un Metal y en Oxigeno.

Anhídridos: Se forman gracias a la combinación de los no metales con el oxígeno

Base: Las bases o hidróxidos se caracterizan por tener en solución acuosa el radical hidroxilo. Por lo tanto los Hidróxidos se forman con en metal y un (OH)-1.

Ácido: Los ácidos son compuesto que se forman con un Hidrogeno y un no metal.

Sal: las sales son compuestos que se forman gracias a la unión de un metal con un no metal.

LA TABLA PERIÓDICA

Los elementos clasifican, organizan y distribuyen los distintos elementos químicos, conforme a sus propiedades y características; su función principal es establecer un orden específico agrupando elementos.

CLASIFICACIÓN

Grupos.

A las columnas verticales de la tabla periódica se les conoce como grupos. Todos los elementos que pertenecen a un grupo tienen la misma valencia atómica, y por ello, tienen características o propiedades similares entre sí. Por ejemplo, los elementos en el grupo IA tienen valencia de 1 (un electrón en su último nivel de energía) y todos tienden a perder ese electrón al enlazarse como iones positivos de +1. Los elementos en el último grupo de la derecha son los gases nobles, los cuales tienen lleno su último nivel de energía (regla del octeto) y, por ello, son todos extremadamente no reactivos.

Numerados de izquierda a derecha utilizando números arábigos, según la última recomendación de la IUPAC (según la antigua propuesta de la IUPAC) de 1988, los grupos de la tabla periódica son:

•          Grupo 1 (I A): Los metales alcalinos

•          Grupo 2 (II A): Los metales alcalinotérreos

•          Grupo 3 (III B): Familia del Escandio

•          Grupo 4 (IV B): Familia del Titanio

•          Grupo 5 (V B): Familia del Vanadio

•          Grupo 6 (VI B): Familia del Cromo

•          Grupo 7 (VII B): Familia del Manganeso

•          Grupo 8 (VIII B): Familia del Hierro

•          Grupo 9 (IX B): Familia del Cobalto

•          Grupo 10 (X B): Familia del Níquel

•          Grupo 11 (I B): Familia del Cobre

•          Grupo 12 (II B): Familia del Zinc

•          Grupo 13 (III A): Los térreos

•          Grupo 14 (IV A): Los carbonoideos

•          Grupo 15 (V A): Los nitrogenoideos

•          Grupo 16 (VI A): Los calcógenos o anfígenos

•          Grupo 17 (VII A): Los halógenos

•          Grupo 18 (VIII A): Los gases nobles

Períodos

Las filas horizontales de la tabla periódica son llamadas períodos. Contrario a como ocurre en el caso de los grupos de la tabla periódica, los elementos que componen una misma fila tienen propiedades diferentes pero masas similares: todos los elementos de un período tienen el mismo número de orbitales. Siguiendo esa norma, cada elemento se coloca según su configuración electrónica. El primer período solo tiene dos miembros: hidrógeno y helio; ambos tienen sólo el orbital 1s. La tabla periódica consta de 7 períodos:

•          Período 1

•          Período 2

•          Período 3

•          Período 4

•          Período 5

•          Período 6

•          Período 7

La tabla también está dividida en cuatro grupos a saber: s, p, d, f, que están ubicados en el orden sdp, de izquierda a derecha, y f lantánidos y actínidos. Esto depende de la letra en terminación de los elementos de este grupo, según el principio de Aufbau.

Bloques o regiones

La tabla periódica se puede también dividir en bloques de elementos según el orbital que estén ocupando los electrones más externos.

Los bloques o regiones se denominan según la letra que hace referencia al orbital más externo: s, p, d y f. Podría haber más elementos que llenarían otros orbitales, pero no se han sintetizado o descubierto; en este caso se continúa con el orden alfabético para nombrarlos.

•          Bloque s

•          Bloque p

•          Bloque d

•          Bloque f

ESTADOS DE LA MATERIA

En la naturaleza, la materia se nos presenta en tres estados físicos diferentes: sólido, líquido y gaseoso. Aunque algunas sustancias, como el agua, pueden existir en los tres estados, lo normal es que, en su estado natural, cada sustancia aparezca en uno solo de ellos.

PROPIEDADES DE LOS SÓLIDOS

Las partículas que constituyen un sólido están unidas entre sí por fuerzas muy intensas, de manera que resulta muy difícil separarlas; por ello los sólidos tienen una forma bien definida.

Las partículas que constituyen un cuerpo sólido están tan próximas entre sí que por mucha fuerza que hagamos no las podemos acercar más; los sólidos son difíciles de comprimir, no cambian de volumen.

Algunas propiedades de los sólidos se deben precisamente a la forma y a la fuerza con que están unidas sus partículas. Estas propiedades son:

• La dureza, o dificultad para rayar el cuerpo. Por ejemplo, el diamante es mucho más duro que un trozo de yeso.
• La fragilidad, o tendencia de un sólido a romperse sin deformarse. Por ejemplo, el vidrio o el barro cocido son frágiles.
• La ductilidad, o facilidad que ofrece un sólido a extenderse formando hilos. Por ejemplo, el cobre del que están hechos los hilos en el interior de los cables de la luz.
• La maleabilidad, o capacidad que presenta un sólido para extenderse en forma de láminas. Por ejemplo, el oro y el aluminio son metales muy maleables.
• La elasticidad, o tendencia de un sólido a recuperar su forma original tras ser sometido a una fuerza. Por ejemplo, una cinta de goma o un muelle son muy elásticos.
• La flexibilidad, o facilidad de un sólido a doblarse sin romperse. Por ejemplo, podemos doblar una varita de mimbre o un folio de papel sin que se rompan.
• La resistencia, o capacidad de un sólido para soportar pesos sin romperse. Por ejemplo, las casas se hacen con vigas de hierro o de hormigón, que soportan el peso de muros y techos.

PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS

Los líquidos no tienen forma propia, sino que adoptan la forma del recipiente que los contiene. Las partículas que constituyen los líquidos están más alejadas entre sí que en los sólidos, pero esta distancia no se puede hacer menor; por ello el volumen de un líquido no cambia, es decir, los líquidos tienen volumen constante.

PROPIEDADES DE LOS GASES

Las partículas que forman los gases están unidas por fuerzas muy débiles. Debido a ello, los gases carecen de forma y volumen propios, adoptan la forma y tienden a ocupar todo el volumen del recipiente que los contiene.

Si al inflar un globo, no paramos de soplar, llegará un momento en que la presión sea tan grande que lo reviente, expandiéndose el aire de su interior.

Si con un dedo tapamos la boca de una jeringuilla y apretamos su émbolo, éste avanzará pues el aire que hay en su interior se comprime, mientras que si tiene agua, nos resultará imposible mover el émbolo, ya que los líquidos no se comprimen.

Los gases pueden pues comprimirse y expandirse (los líquidos y sólidos no). Comprimiendo o enfriando un gas, éste puede pasar al estado líquido, como sucede con el gas licuado que contienen las bombonas de butano.

LA PRESIÓN HIDROSTÁTICA.

Es la fuerza por unidad de área que ejerce un líquido en reposo sobre las paredes del recipiente que lo contiene y sobre cualquier cuerpo que se encuentre sumergido, como esta presión se debe al peso del líquido, esta presión depende de la densidad(p), la gravedad(g) y la profundidad(h) del el lugar donde medimos la presión (Ps).

Un fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes sobre el fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él. Esta presión, llamada presión hidrostática, provoca, en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin importar la orientación que adopten las caras. Si el líquido fluyera, las fuerzas resultantes de las presiones ya no serían necesariamente perpendiculares a las superficies. Esta presión depende de la densidad del líquido en cuestión y de la altura a la que esté sumergido el cuerpo y se calcula mediante la siguiente expresión:

Donde, usando unidades del SI,

Es la presión hidrostática (en pascales);

Es la densidad del líquido (en kilogramos sobre metro cúbico);

Es la aceleración de la gravedad (en metros sobre segundo al cuadrado);

Es la altura del fluido (en metros). Un líquido en equilibrio ejerce fuerzas perpendiculares sobre cualquier superficie sumergida en su interior Es la presión atmosférica 

VIDEO EXPLICATIVO SOBRE LOS ESTADOS DE LA MATERIA PARA AUMENTO DE CONOCIMIENTOS:

LA ENERGÍA

Es un concepto utilizado en el campo de las ciencias naturales en general; es una propiedad que le permite a cualquier objeto físico realizar algún trabajo. Todas las transformaciones que puede percibir el hombre de la naturaleza son producto de algún tipo de energía, ésta última es la fuente de todo movimiento. Se manifiesta con cambios físicos y químicos, como por ejemplo el derretimiento de un hielo (físico) o el proceso digestivo del hombre (químico). La energía es un concepto abstracto, es decir, no se refiere a un objeto físico, es una herramienta matemática para asignar el estado de un sistema físico.

Isaac Newton es considerado uno de los grandes de la física principalmente por el aporte que dio sobre la energía y que fueron resumidos en tres leyes del movimiento; inercia, fuerza y acción y reacción.

La unidad de energía utilizada por el sistema internacional es el Joule (J) en honor al físico británico James Prescott Joule, quien fue uno de los primeros en comprobar que la energía puede convertirse (después de Newton).

En física, los diversos tipos de movimientos se les atribuyen a un tipo de energía, como la energía potencial, cinética, electromagnética, entre otras. Éstas, están en potencia de transformación a otro tipo de energía, por ejemplo una ampolleta encendida en poco tiempo comenzará a calentarse, esto se entiende, pues la ampolleta experimenta la transformación de la energía eléctrica a energía calórica. De ahí la famosa frase de Newton “la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”.

La física otorga distintas clasificaciones de energía a las teorías de la física clásica, relativa y la cuántica.

Se destacan entre las físicas clásicas:

Mecánica: aquella que está relacionada con la posición y el movimiento de un cuerpo. En ella encontramos la de tipo cinética y la potencial.

•           Potencial: capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo dentro de un campo de fuerzas.
•           Cinética: energía que se requiere para mover un cuerpo

Electromagnética: cantidad de energía almacenada en una región o zona del espacio dentro de un campo electromagnético. Se compone a su vez de la energía potencial y radiante.

•           Potencial eléctrica: energía que utiliza una fuerza eléctrica para mover una carga.
•           Radiante: energía que poseen las ondas electromagnéticas.

Termodinámica: disciplina que dentro de la física, se ocupa del estudio de las relaciones que se establecen entre el calor y el resto de las formas de energía. Entre estas se encuentran la energía interna y térmica.

•     Interna: resultado de la energía cinética y potencial de las moléculas y átomos. Asociada al estado termodinámico
•           Térmica: energía liberada de la naturaleza en forma de calor.

 LOS SERES VIVOS

Son los que tienen vida. Ello significa que realizan una serie de actividades que les permiten vivir y adaptarse al medio. Estas actividades se llaman funciones vitales y son las siguientes:

Reproducción: todos los seres vivos originan, mediante procedimientos diferentes, nuevos seres parecidos a ellos.

Nutrición: se alimentan para conseguir la energía suficiente para crecer, moverse y vivir.

Relación: reaccionan ante las informaciones que reciben del entorno que les rodea. También responden ante los estímulos de otros seres vivos. Los seres vivos se dividen en tres reinos:

•          Reino animal
•          Reino vegetal
•          Reino de los hongos

Es un conjunto de átomos y moléculas, que forman una estructura material muy organizada y compleja, en la que intervienen sistemas de comunicación molecular, que se relaciona con el ambiente con un intercambio de materia y energía de una forma ordenada y que tiene la capacidad de desempeñar las funciones básicas de la vida que son la nutrición, la relación y la reproducción, de tal manera que los seres vivos actúan y funcionan por sí mismos sin perder su nivel estructural hasta su muerte.

La materia que compone los seres vivos está formada en un 95% por cuatro bioelementos (átomos) que son el carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, a partir de los cuales se forman las biomoléculas.

Ø  Biomolecular orgánicas o principios inmediatos: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

Ø  Biomolecular inorgánicas: agua, sales minerales y gases.

Todos los seres vivos están constituidos por células. En el interior de éstas se realizan las secuencias de reacciones químicas, catalizadas por enzimas, necesarias para la vida. Estas propiedades básicas de los seres vivos, nos permiten diferenciarlos de la materia inerte.

Funciones que cumplen los seres vivos.

1.- Homeostasis. Los organismos mantienen un equilibrio interno, por ejemplo, controlan activamente su presión osmótica y la concentración de electrolitos. Irritabilidad. Es una reacción ante estímulos externos. Una respuesta puede ser de muchas formas, por ejemplo, la contracción de un organismo unicelular cuando es tocado o las reacciones compleja que implican los sentidos en los animales superiores.

2.-Metabolismo. Los organismos consumen energía para convertir los nutrientes en componentes celulares (anabolismo) y liberan energía al descomponer la materia orgánica (catabolismo).

3.-Desarrollo. Los organismos aumentan de tamaño al adquirir y procesar los nutrientes. Muchas veces este proceso no se limita a la acumulación de materia sino que implica cambios mayores.

4.-Reproducción. Es la habilidad de producir copias similares de sí mismos, tanto asexualmente a partir de un único progenitor, como sexualmente a partir de al menos dos progenitores.

5.-Adaptación. Las especies evolucionan y se adaptan al ambiente.

EL HIDRÓGENO

Es el elemento más ligero de la naturaleza, así como el más abundante en el universo, totalizando más del 70%. Se halla en las estrellas jóvenes, en polvo interestelar y en las enormes nubes de gas suspendidas en el espacio, pero la mayor parte de él se encuentra formando diversos compuestos químicos. Presenta muy baja solubilidad en líquidos, pero una alta solubilidad en metales, especialmente en paladio.

El Hidrógeno es un gas incoloro, inodoro, insípido y no es tóxico.

El Hidrógeno se quema en el aire formando una llama azul pálido casi invisible.

El Hidrógeno es el más ligero de los gases conocidos en función a su bajo peso específico con relación al aire. Por estas razones, su manipulación requiere de cuidados especiales para evitar accidentes.

El Hidrógeno es particularmente propenso a fugas debido a su baja viscosidad y a su bajo peso molecular (peso molecular = 2.016). Es un combustible con un alto contenido energético, que proporciona 28.6696 Kcal por cada gramo, frente a 11.953 Kcal/ gr del gas natural, 10.780 Kcal/gr de la gasolina, 10.932Kcal/gr del butano y 10.0792 Kcal/gr del propano.

LOS ELEMENTOS DE LA TABLA PERIÓDICA

Sólo los primeros 92 se encuentran de manera natural; mientras que los demás elementos son elaborados sintéticamente. Los 92 elementos naturales son ingredientes usados para hacer todo lo que encontramos sobre el planeta Tierra.

Los elementos que se encuentran en la naturaleza son 92, es decir, desde el hidrógeno hasta el uranio (Ver la Tabla Periódica). A partir del uranio, todos los elementos son sintetizados artificialmente en laboratorio.

 FENOMENOS BIOFISICOS MOLECULARES

Un fenómeno es un cambio en la Naturaleza que no modifica la composición de la materia. Por ejemplo:

•          Mover un objeto de un sitio a otro.
•          Doblar un papel.
•          La formación de un huracán
•          Dilatación del mercurio en un termómetro
•      Congelación del agua (en este caso, no cambia la identidad de la materia porque el agua líquida ha pasado a agua sólida).

TENSIÓN SUPERFICIAL

En física se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. Esta definición implica que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. Este efecto permite a algunos insectos, como el zapatero, desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. Como efecto tiene la elevación o depresión de la superficie de un líquido en la zona de contacto con un sólido.

También podemos definir la tensión superficial como la fuerza que actúa tangencialmente por unidad de longitud en el borde de una superficie libre de un líquido en equilibrio y que tiende a contraer dicha superficie.

ADHESIÓN

Se explica a partir de los siguientes ejemplos; unas gotas de agua adhiriéndose a una telaraña, y un mortero usado para gotas de agua adhiriéndose a una telaraña.

El mortero usado para mantener y sostener juntos los ladrillos es un ejemplo de la adhesión. La adhesión es la propiedad de la materia por la cual se unen dos superficies de sustancias iguales o diferentes cuando entran en contacto, y se mantienen juntas por fuerzas intermoleculares.

La adhesión ha jugado un papel muy importante en muchos aspectos de las técnicas de construcción tradicionales. La adhesión del ladrillo con el mortero (cemento) es un ejemplo claro.

La cohesión es distinta de la adhesión. La cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos.

COHESIÓN

Es la atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una sustancia. La cohesión es diferente de la adhesión; la cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos.

En el agua la fuerza de cohesión es elevada por causa de los puentes de hidrogeno que mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. Al no poder comprimirse puede funcionar en algunos animales como un esqueleto hidrostático, como ocurre en algunos gusanos perforadores capaces de agujerear la roca mediante la presión generada por sus líquidos internos.

Tanto los gases como los líquidos son fluidos, pero los líquidos tienen una propiedad de la que carecen los gases: tienen una superficie “libre”, o sea tienen una superficie cuya forma no está determinada por la forma del recipiente que lo contiene. Esta superficie se forma por una combinación de atracción gravitacional de la tierra (fuerza ocasionada por el peso) y de fuerzas entre moléculas del líquido. Una consecuencia de eso es que en la superficie de los líquidos actúa una fuerza que no está presente en el interior de los líquidos (salvo que haya burbujas en el interior), por eso llamada “tensión superficial”. Aunque relativamente pequeña, esta fuerza es determinante para muchos procesos biológicos, para la formación de burbujas, para la formación de olas pequeñas, etc.

ADSORCION

Adsorción es un concepto que se utiliza en el terreno de la física con referencia al proceso y el resultado de adsorber. Este verbo alude a la atracción y retención que realiza un cuerpo en su superficie de iones, átomos o moléculas que pertenecen a un cuerpo diferente.

A través de la adsorción, un cuerpo logra capturar las moléculas de otro y mantenerlas en su propia superficie. De este modo, la adsorción se diferencia de la absorción, donde las moléculas penetran en su superficie.

La adsorción puede llevarse a cabo de distintas maneras, de acuerdo al vínculo que establecen el adsorbato y el adsorbente. Veamos a continuación los tres tipos de adsorción que se reconocen, tomando en cuenta la atracción que existe entre los dos componentes recién mencionados como parámetro para determinar la clasificación:

Adsorción física: se trata de aquella que tiene lugar debido a las fuerzas o interacciones de Van der Waals, un concepto de la fisicoquímica que hace referencia a las fuerzas de atracción o repulsión que existen entre las moléculas, o entre diferentes porciones de una misma. Estas fuerzas son diferentes de las que ocurren por un enlace intramolecular o por la interacción electrostática de moléculas neutras con iones, o de varios iones entre sí.

En el caso de la adsorción física, no se fija la molécula adsorbida a un punto en particular de la superficie, y por esta razón tiene total libertad para moverse en la interfase.

Adsorción química: tiene lugar cuando en los centros activos del adsorbente se produce la formación de enlaces fuertes por parte del adsorbato.

Adsorción por intercambio: así como ocurre en las proximidades de un electrodo con carga, este tipo de adsorción se da cuando, a causa de la atracción electrostática en los puntos cargados de la superficie, los iones de una sustancia se concentran en la misma.

A modo de resumen, puede decirse que la adsorción provoca la formación de una capa gaseosa o líquida en la superficie de un sólido, o de una capa gaseosa en la superficie de un líquido, que se genera cuando las moléculas que están en una cierta fase quedan retenidas en la superficie del cuerpo.

ACCIÓN CAPILAR

Aun cuando nunca haya escuchado sobre acción capilar, de todas maneras es importante en su vida. La acción capilar es importante para mover el agua (y todas las cosas que están disueltas en ella). Se define como el movimiento del agua dentro de los espacios de un material poroso, debido a las fuerzas de adhesión y a la tensión de la superficie.

La acción capilar ocurre porque el agua es pegajosa, en tanto que las moléculas del agua se pegan unas a otras y a otras substancias como el vidrio, la ropa, tejidos orgánicos y la tierra. Ponga una toalla de papel dentro de un vaso de agua y el agua se le “pegará” a la toalla de papel. Aún más, empezará el agua a moverse hacia arriba de la toalla hasta que el jalón de la gravedad sea mucho para ella y no pueda continuar.

Esto es más importante de lo que piensa: Cuando vierte un vaso de agua en la mesa de la cocina, se forma una tensión superficial que mantiene al líquido en un charquito sobre la mesa, en lugar de una mancha delgada y grande que se extienda hasta el piso. Cuando usted coloca la toalla de papel sobre el agua, el líquido se adhiere a las fibras de la toalla. Las plantas y los árboles no podrían crecer sin acción capilar.

Las plantas ponen las raíces dentro de la tierra y éstas son capaces de llevar agua de la tierra hacia la planta. El agua, que contiene nutrientes disueltos, químicos y minerales se introduce dentro de las raíces y empieza a elevarse por dentro de los tejidos de la planta. Al momento que la molécula de agua #1 empieza a subir, ésta jala a la molécula de agua #2, quien a su vez, por supuesto, jala a la molécula de agua #3, y así sucesivamente.

Piense en los más pequeños vasos sanguíneos de sus capilares. La mayor parte de su sangre es agua y la acción capilar ayuda a la acción de bombeo que ejecuta su corazón al mantener su sangre moviéndose dentro de sus vasos sanguíneos.

LA TERMOMETRÍA

Se encarga de la medición de la temperatura de cuerpos o sistemas. Para este fin, se utiliza el termómetro, que es un instrumento que se basa en el cambio de alguna propiedad de la materia debido al efecto del calor; así se tiene el termómetro de mercurio y de alcohol, que se basan en la dilatación, los termopares que deben su funcionamiento al cambio de la conductividad eléctrica, los ópticos que detectan la variación de la intensidad del rayo emitido cuando se refleja en un cuerpo caliente.

Para poder construir el termómetro se utiliza el Principio Cero de la Termodinámica que dice: “Si un sistema A que está en equilibrio térmico con un sistema B, está en equilibrio térmico también con un sistema C, entonces los tres sistemas A, B y C están en equilibrio térmico entre sí”

DIFUSIÓN SIMPLE

Se define como el proceso por el cual se produce un flujo neto de moléculas que pasa a través de una membrana permeable sin que exista un aporte externo de energía. Este proceso, que en última instancia se encuentra determinado por una diferencia de concentración entre los dos medios separados por la membrana; no requiere de un aporte de energía debido a que su principal fuerza impulsora es el aumento de la entropía total del sistema.

En este proceso el desplazamiento de las moléculas se produce siguiendo el gradiente de concentración, las moléculas atraviesan la membrana desde el medio donde se encuentran en mayor concentración, hacia el medio donde se encuentran en menor concentración.

El proceso de difusión simple se encuentra descrito por las Leyes de Fick, las cuales relacionan la densidad del flujo de las moléculas con la diferencia de concentración entre los dos medios separados por la membrana, el coeficiente de difusión de las mismas y la permeabilidad de la membrana.

El proceso de difusión simple es de vital importancia para el transporte de moléculas pequeñas a través de las membranas celulares. Es el único mecanismo por el cual el oxígeno ingresa a las células que lo utilizan como aceptor final de electrones en la cadena respiratoria y uno de los principales mecanismos de regulación osmótica en las células.

ÓSMOSIS

Fenómeno de la ósmosis.

La ósmosis es un fenómeno físico relacionado con el comportamiento de un sólido como soluto de una solución ante una membrana semipermeable para el solvente pero no para los solutos. Tal comportamiento entraña una difusión simple a través de la membrana, sin “gasto de energía”. La ósmosis del agua es un fenómeno biológico importante para el metabolismo celular de los seres vivos.

FENOMENOS QUÍMICOS

Son los cambios que presentan las sustancias cuando al reaccionar unas con otras, pierden sus características originales y dan lugar a otra sustancia, con propiedades diferentes.

Como ejemplos se tienen los siguientes: la combustión de materiales como el papel, un cerillo o el gas casero; la oxidación de un clavo; el efecto que produce un ácido sobre un metal; la reacción de una sustancia con otra, como sería el caso del hidrogeno con el oxígeno para formar agua, o el del sodio con el cloro para formar cloruro de sodio.

Ejemplos muy representativos de fenómenos físicos y químicos son la elasticidad y la combustión, respectivamente.

Se define como el proceso por el cual se produce un flujo neto de moléculas que pasa a través de una membrana permeable sin que exista un aporte externo de energía.

La mayoría de los fenómenos que ocurren en la naturaleza han sido estudiados por el hombre, cuantas veces lo ha creído necesario, para conocerlos y poder aprovecharlos en su beneficio.

MAGNITUDES Y MEDIDAS

Magnitud: El termino Magnitud es básicamente la descripción de un tamaño, pero se relaciona más que todo con un tamaño grande, algo con características lo suficientemente considerables para hablar de la magnitud de un elemento, problema, situación, tragedia, costo y locura, entre otros. El término se emplea en campos de la ingeniería y el estudio de las matemáticas ampliamente. Por ejemplo, en física la magnitud es la propiedad de los cuerpos con la que se mide y se determinan los tamaños y estándares de espacio (altura, superficie, peso, tiempo, temperatura, longitud). Este estudio se basa en una tabla de datos previamente establecido que contiene medidas estándares con las que compara el tamaño del producto actual con el “original” por decir medida estándar.

La longitud, la masa, el volumen, la fuerza, la velocidad y la cantidad de sustancia son ejemplos de magnitudes físicas. La belleza, sin embargo, no es una magnitud, entre otras razones porque no es posible elaborar una escala y mucho menos un aparato que permita determinar cuántas veces una persona o un objeto es más bello que otro.

Medir: La medida de una magnitud física supone, en último extremo, la comparación del objeto que encarna dicha propiedad con otro de la misma naturaleza que se toma como referencia y que constituye el patrón. La medida de longitudes se efectuaba en la antigüedad empleando una vara como patrón, es decir, determinando cuántas veces la longitud del objeto a medir contenía a la de patrón. La vara, como predecesora del metro de sastre, ha pasado a la historia como una unidad de medida equivalente a 835,9 mm. Este tipo de comparación inmediata de objetos corresponde a las llamadas medidas directas. Con frecuencia, la comparación se efectúa entre atributos que, aun cuando está relacionado con lo que se desea medir, son de diferente naturaleza. Tal es el caso de las medidas térmicas, en las que comparando longitudes sobre la escala graduada de un termómetro se determinan temperaturas. Esta otra clase de medidas se denominan indirectas.

Unidad: Es una cantidad que se adopta como patrón para comparar con ella cantidades de la misma especie. Ejemplo: Cuando decimos que un objeto mide dos metros, estamos indicando que es dos veces mayor que la unidad tomada como patrón, en este caso el metro.

Sistema Internacional de unidades:

Para resolver el problema que suponía la utilización de unidades diferentes en distintos lugares del mundo, en la XI Conferencia General de Pesos y Medidas (París, 1960) se estableció el Sistema Internacional de Unidades (SI). Para ello, se actuó de la siguiente forma:

• En primer lugar, se eligieron las magnitudes fundamentales y la unidad correspondiente a cada magnitud fundamental. Una magnitud fundamental es aquella que se define por sí misma y es independiente de las demás (masa, tiempo, longitud, etc.).
• En segundo lugar, se definieron las magnitudes derivadas y la unidad correspondiente a cada magnitud derivada. Una magnitud derivada es aquella que se obtiene mediante expresiones matemáticas a partir de las magnitudes fundamentales (densidad, superficie, velocidad).

Magnitud fundamental	Unidad	Abreviatura
Longitud	metro	m
Masa	kilogramo	kg
Tiempo	segundo	s
Temperatura	kelvin	K
Intensidad de corriente	amperio	A
Intensidad luminosa	candela	cd
Cantidad de sustancia	mol	mol

 LEY DE NEWTON

Conocidas como Leyes del movimiento de Newton, Son tres principios a partir de los cuales se explican la mayor parte de los problemas planteados por la dinámica, en particulares aquellos relativos al movimiento de los cuerpos. También, revolucionaron los conceptos básicos de la física y el movimiento de los cuerpos en el universo, también se explican a partir de tres leyes a saber.

Primera ley de Newton o ley de la inercia

La primera ley del movimiento rebate la idea aristotélica de que un cuerpo sólo puede mantenerse en movimiento si se le aplica una fuerza. Newton expone que:

Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él.

El cuerpo no puede cambiar por sí solo su estado inicial, ya sea en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme, a menos que se aplique una fuerza o una serie de fuerzas cuyo resultante no sea nulo sobre él. 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, algo novedoso respecto de concepciones anteriores que entendían que el movimiento o la detención de un cuerpo se debía exclusivamente a si se ejercía sobre ellos una fuerza, pero nunca entendiendo como está a la fricción.

Segunda ley de Newton o Ley de fuerza

La segunda ley del movimiento de Newton dice que el cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime.

Esta ley explica qué ocurre si sobre un cuerpo en movimiento (cuya masa no tiene por qué ser constante) actúa una fuerza neta: la fuerza modificará el estado de movimiento, cambiando la velocidad en módulo o dirección. En concreto, los cambios experimentados en el momento lineal de un cuerpo son proporcionales a la fuerza motriz y se desarrollan en la dirección de esta; esto es, las fuerzas son causas que producen aceleraciones en los cuerpos. Consecuentemente, hay relación entre la causa y el efecto, esto es, la fuerza y la aceleración están relacionadas.

Tercera ley de Newton o Ley de acción y 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.

La tercera ley es completamente original de Newton (pues las dos primeras ya habían sido propuestas de otras maneras por Galileo, Hooke y Huygens) y hace de las leyes de la mecánica un conjunto lógico y completo. Expone que por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo (empuje), este realiza una fuerza de igual intensidad, pero de sentido contrario sobre el cuerpo que la produjo.

ENERGIA. FUERZA Y TRABAJO

Respecto a la energía:

La energía es una propiedad o atributo de todo cuerpo o sistema material en virtud de la cual éstos pueden transformarse modificando su situación o estado, así como actuar sobre otros originando en ellos procesos de transformación. Sin energía, ningún proceso físico, químico o biológico sería posible. Dicho en otros términos, todos los cambios materiales están asociados con una cierta cantidad de energía que se pone en juego, se cede o se recibe.

Conceptualmente, energía es la capacidad para realizar un trabajo o para transferir calor; la energía a su vez se presenta como energía calórica, energía mecánica, energía química, energía eléctrica y energía radiante; estos tipos de energía pueden ser además potencial o cinética. La energía potencial es la que posee una sustancia debido a su posición espacial o composición química y la energía cinética es la que posee una sustancia debido a su movimiento.

Respecto a la fuerza:

De modo natural, todos los cuerpos ejercen interacciones entre sí. Al hacerlo, producen efectos que pueden cambiar la forma de algunos o pueden moverlos o detenerlos.

La magnitud de estas interacciones se puede medir utilizando el concepto de fuerza, la cual podemos definir así:

“Fuerza es la interacción entre dos cuerpos, que produce cambios ya sea en la forma o en el estado (reposo o movimiento) de ellos.”

Las leyes que rigen el comportamiento de las fuerzas las enunció Newton y hoy se conocen como Las tres leyes de Newton y conforman los Principios de la Dinámica.

Respecto al trabajo:

En el lenguaje cotidiano, la palabra “trabajo” se asocia a todo aquello que suponga un esfuerzo físico o mental, y que por tanto produce cansancio.

En física se produce trabajo sólo si existe una fuerza que al actuar sobre un cuerpo da lugar a su desplazamiento.

Entonces, se llama trabajo al resultado o efecto producido luego de aplicar  una fuerza para hacer que algo se desplace en la dirección de esa fuerza.

ESCALAS TERMOMÉTRICAS 

Existen varias escalas termométricas para medir temperaturas, relativas y absolutas.
A partir de la sensación fisiológica, es posible hacerse una idea aproximada de la temperatura a la que se encuentra un objeto. Pero esa apreciación directa está limitada por diferentes factores; así el intervalo de temperaturas a lo largo del cual esto es posible es pequeño; además, para una misma temperatura la sensación correspondiente puede variar según se haya estado previamente en contacto con otros cuerpos más calientes o más fríos y, por si fuera poco, no es posible expresar con precisión en forma de cantidad los resultados de este tipo de apreciaciones subjetivas. Por ello para medir temperaturas se recurre a los termómetros.

En todo cuerpo material la variación de la temperatura va acompañada de la correspondiente variación de otras propiedades medibles, de modo que a cada valor de aquella le corresponde un solo valor de ésta. Tal es el caso de la longitud de una varilla metálica, de la resistencia eléctrica de un metal, de la presión de un gas, del volumen de un líquido, etc. Estas magnitudes cuya variación está ligada a la de la temperatura se denominan propiedades termométricas, porque pueden ser empleadas en la construcción de termómetros.

Para definir una escala de temperaturas es necesario elegir una propiedad termométrica que reúna las siguientes condiciones:

1. La expresión matemática de la relación entre la propiedad y la temperatura debe ser conocida.

2.  La propiedad termométrica debe ser lo bastante sensible a las variaciones de temperatura como para poder detectar, con una precisión aceptable, pequeños cambios térmicos.

3. El rango de temperatura accesible debe ser suficientemente grande.

Una vez que la propiedad termométrica ha sido elegida, la elaboración de una escala termométrica o de temperaturas lleva consigo, al menos, dos operaciones; por una parte, la determinación de los puntos fijos o temperaturas de referencia que permanecen constantes en la naturaleza y, por otra, la división del intervalo de temperaturas correspondiente a tales puntos fijos en unidades o grados.

Lo que se necesita para construir un termómetro, son puntos fijos, es decir procesos en los cuales la temperatura permanece constante. Ejemplos de procesos de este tipo son el proceso de ebullición y el proceso de fusión.

Existen varias escalas para medir temperaturas, las más importantes son la escala Celsius, la escala Kelvin y la escala Fahrenheit.

ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE LOS TEJIDOS

La elasticidad es una propiedad que también se encuentra en muchos órganos, tejidos y músculos de los organismos, teniendo esto relación con la capacidad de crecer y volverse elásticos de acuerdo a diferentes situaciones. Un ejemplo claro de órgano elástico es la del estómago, que puede aumentar varias veces su tamaño original para luego volver a su estado de reposo luego de haberse realizado el proceso de alimentación. Normalmente, en el caso de los órganos y músculos, la elasticidad tiene que ver con una correcta hidratación ya que la ausencia de agua (como sucede con la piel) resquebraja y atrofia a los diferentes tejidos. La resistencia es la tendencia de un material a resistir el flujo de corriente y es específica para cada tejido, dependiendo de su composición, temperatura y de otras propiedades físicas.

Los nervios, encargados de transmitir señales eléctricas, los músculos, y los vasos sanguíneos con su alto contenido en electrolitos y agua son buenos conductores. Los huesos, los tendones y la grasa tienen una gran resistencia y tienden a calentarse y coagularse antes que transmitir la corriente.

Alrededor de 85% de la masa muscular esquelética del ser humano está compuesta por fibras musculares propiamente dichas.

El 15% restante está formado en gran parte por tejido conectivo compuesto en cantidades variables por fibras colágenas, reticulares y elásticas

Fibras colágenas. Son las más abundantes. Están formadas por la proteína colágeno. Brindan rigidez y resistencia al tejido. El colágeno es la proteína más abundante del organismo humano, representando el 30% del total. Se encuentran en la gran mayoría de los tejidos conectivos, sobre todo en el hueso, el cartílago, los tendones y los ligamentos. Son flexibles y resistentes.

Fibras elásticas. Son más pequeñas que las de colágeno, se ramifican y vuelven a reunirse libremente unas con otras. Están constituidas por la proteína (colágeno) y elastina. Al igual que las fibras de colágeno, proporcionan resistencia, pero además pueden estirarse ampliamente, sin romperse. Las fibras elásticas son muy abundantes en la piel, los vasos sanguíneos y los pulmones, se estiran sin romperse hasta el 150% de su longitud.

Por lo tanto, el tejido conectivo constituye una estructura de elementos simples y, en su mayoría, semejantes a muelles, es decir, los componentes elásticos del musculo.

TERMOMETRĺA Y CALORIMETRĺA ANIMAL

Termometría

La termometría se encarga de la medición de la temperatura de cuerpos o sistemas. Para este fin, se utiliza el termómetro, que es un instrumento que se basa en el cambio de alguna propiedad de la materia debido al efecto del calor; así se tiene el termómetro de mercurio y de alcohol, que se basan en la dilatación, los termopares que deben su funcionamiento al cambio de la conductividad eléctrica, los ópticos que detectan la variación de la intensidad del rayo emitido cuando se refleja en un cuerpo caliente.

Existen varias escalas termométricas para medir temperaturas, relativas y absolutas.

A partir de la sensación fisiológica, es posible hacerse una idea aproximada de la temperatura a la que se encuentra un objeto. Pero esa apreciación directa está limitada por diferentes factores; así el intervalo de temperaturas a lo largo del cual esto es posible es pequeño; además, para una misma temperatura la sensación correspondiente, puede variar según se haya estado previamente en contacto con otros cuerpos más calientes o más fríos y, por si fuera poco, no es posible expresar con precisión en forma de cantidad los resultados de este tipo de apreciaciones subjetivas. Por ello para medir temperaturas se recurre a los termómetros.

En todo cuerpo material la variación de la temperatura va acompañada de la correspondiente variación de otras propiedades medibles, de modo que a cada valor de aquella le corresponde un solo valor de ésta. Tal es el caso de la longitud de una varilla metálica, de la resistencia eléctrica de un metal, de la presión de un gas, del volumen de un líquido, etc. Estas magnitudes cuya variación está ligada a la de la temperatura se denominan propiedades termométricas, porque pueden ser empleadas en la construcción de termómetros.

Para definir una escala de temperaturas es necesario elegir una propiedad termométrica que reúna las siguientes condiciones:

• La expresión matemática de la relación entre la propiedad y la temperatura debe ser conocida.
• La propiedad termométrica debe ser lo bastante sensible a las variaciones de temperatura como para poder detectar, con una precisión aceptable, pequeños cambios térmicos.
• El rango de temperatura accesible debe ser suficientemente grande.

Una vez que la propiedad termométrica ha sido elegida, la elaboración de una escala termométrica o de temperaturas lleva consigo, al menos, dos operaciones; por una parte, la determinación de los puntos fijos o temperaturas de referencia que permanecen constantes en la naturaleza y, por otra, la división del intervalo de temperaturas correspondiente a tales puntos fijos en unidades o grados. Lo que se necesita para construir un termómetro, son puntos fijos, es decir procesos en los cuales la temperatura permanece constante. Ejemplos de procesos de este tipo son el proceso de ebullición y el proceso de fusión.

ESCALA DE LA TERMOMETRIA. ESCALA CELSIUS O CENTÍGRADA

Termómetro Fahrenheit Celsius de pared. El científico sueco Andes Celsius (1701-1744), construyó por primera vez la escala termométrica que lleva su nombre. Eligió como puntos fijos el de fusión del hielo y el de ebullición del agua, tras advertir que las temperaturas a las que se verificaban tales cambios de estado eran constantes a la presión atmosférica. Asignó al primero el valor 0 y al segundo el valor 100, con lo cual fijó el valor del grado Celsius (°C) como la centésima parte del intervalo de temperatura comprendido entre esos dos puntos fijos.

Para esta escala, estos valores se escriben como 100 °C y 0 °C y se leen 100 grados Celsius y 0 grados Celsius, respectivamente.

ESCALA FAHRENHEIT

Grado Fahrenheit. En los países anglosajones se pueden encontrar aún termómetros graduados en grado Fahrenheit (°F), propuesta por Gabriel Fahrenheit en 1724. La escala Fahrenheit difiere de la Celsius tanto en los valores asignados a los puntos fijos, como en el tamaño de los grados. En la escala Fahrenheit los puntos fijos son los de ebullición y fusión de una disolución de cloruro amónico en agua. Así al primer punto fijo se le atribuye el valor 32 y al segundo el valor 212. Para pasar de una a otra escala es preciso emplear la ecuación:

t(°F) = (9/5) * t(°C) + 32 o t(°C) = (5/9) * [t(°F) - 32] donde t(°F) representa la temperatura expresada en grados Fahrenheit y t(°C) la expresada en grados Celsius.

Su utilización se circunscribe a los países anglosajones y a Japón, aunque existe una marcada tendencia a la unificación de sistemas en la escala Celsius.

ESCALA KELVIN O ABSOLUTA

Se comparan las escalas Celsius y Kelvin mostrando los puntos de referencia anteriores al año 1954 y los posteriores para mostrar cómo ambas convenciones coinciden. De color negro aparecen el punto triple del agua (0,01 °C, 273,16 K) y el cero absoluto (-273,15 °C, 0 K). De color gris los puntos de congelamiento (0,00 °C, 273,15 K) y ebullición del agua (100 °C, 373,15 K).

Si bien en la vida diaria las escalas Celsius y Fahrenheit son las más importantes, en ámbito científico se usa otra, llamada “absoluta” o Kelvin, en honor a sir Lord Kelvin. En la escala absoluta, al 0 °C le hace corresponder 273,15 K, mientras que los 100 °C se corresponden con 373,15 K. Se ve inmediatamente que 0 K está a una temperatura que un termómetro centígrado señalará como -273,15 °C. Dicha temperatura se denomina “cero absoluto”. Se puede notar que las escalas Celsius y Kelvin poseen la misma sensibilidad. Por otra parte, esta última escala considera como punto de referencia el punto triple del agua que, bajo cierta presión, equivale a 0.01 °C.

La escala de temperaturas adoptada por el Sistema Internacional de Unidades es la llamada escala absoluta o Kelvin. En ella el tamaño de los grados es el mismo que en la Celsius, pero el cero de la escala se fija en el - 273,15 °C. Este punto llamado cero absoluto de temperaturas es tal que a dicha temperatura desaparece la agitación molecular, por lo que, según el significado que la teoría cinética atribuye a la magnitud temperatura, no tiene sentido hablar de valores inferiores a él. El cero absoluto constituye un límite inferior natural de temperaturas, lo que hace que en la escala Kelvin no existan temperaturas bajo cero (negativas). La relación con la escala Celsius viene dada por la ecuación:

T(K) = t(°C) + 273,15 o t(°C) = T(K) - 273,15 T(K) = (5/9) * [t(°F) + 459,67] o t(°F) = (9/5) * T(K) - 459,67 siendo T(K) la temperatura expresada en kelvin

CALORIMETRÍA

Mediante la calorimetría se puede medir el calor en una reacción química o un cambio físico usando un instrumento llamado calorímetro. Pero también se puede emplear un modo indirecto calculando el calor que los organismos vivos producen a partir de la producción de dióxido de carbono y de nitrógeno (urea en organismos terrestres), y del consumo de oxígeno.

Donde:

ΔU = cambio de energía interna

Como la presión no se mantiene constante, el calor medido no representa el cambio de entalpía.

Calorimetría a presión constante

El calor medido es igual al cambio en la energía interna del sistema menos el trabajo realizado:

Como la presión se mantiene constante, el calor medido representa el cambio de entalpía.

LA ENERGÍA

Al mirar a nuestro alrededor se observa que las plantas crecen, los animales se trasladan y que las máquinas y herramientas realizan las más variadas tareas. Todas estas actividades tienen en común que precisan del concurso de la energía.

Se define como el proceso por el cual se produce un flujo neto de moléculas que pasa a través de una membrana permeable sin que exista un aporte externo de energía.

La energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica.

TRABAJO

Refiere a una actividad propia del ser humano. También otros seres actúan dirigiendo sus energías coordinadamente y con una finalidad determinada. Sin embargo, el trabajo propiamente dicho, entendido como proceso entre la naturaleza y el hombre, es exclusivamente humano. En este proceso el hombre se enfrenta como un poder natural, en palabras de Karl Marx, con la materia de la naturaleza.

 EL CALOR

Es el proceso de transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre se da desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia). La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. La energía que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna.

La energía existe en varias formas. En este caso nos enfocamos en el calor, que es el proceso mediante el cual la energía se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura. La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio y frío que puede ser medida, específicamente, con un termómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como “energía cinética”, que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más “caliente”; es decir, que su temperatura es mayor.

MECANISMO DE PROPAGACIÓN DE CALOR

Conducción

La conducción es la manera de transferir calor desde una masa de temperatura más elevada a otra de temperatura inferior por contacto directo. El coeficiente de conducción de un material mide la capacidad del mismo para conducir el calor a través de la masa del mismo. Los materiales aislantes tienen un coeficiente de conducción pequeño por lo que su capacidad para conducir el calor es reducida, de ahí su utilidad.

Convección

La transmisión de calor por convección es un intercambio de calor entre el aire y una masa material que se encuentran a diferentes temperaturas. El transporte del calor se produce por movimientos naturales debidos a la diferencia de temperaturas, el aire caliente tiende a subir y el aire frío baja, o bien mediante mecanismos de convección forzada.

Radiación

Es un mecanismo de transmisión de calor en el que el intercambio se produce mediante la absorción y emisión de energía por ondas electromagnéticas, por lo que no existe la necesidad de que exista un medio material para el transporte de la energía. El sol aporta energía exclusivamente por radiación.

LEYES DE TERMOMETRÍA

·         Conducción: Ley de Fourier.

·         Convección: Ley de Newton.

·         Radiación: Ley de Stefan Boltzman.

Conducción. Ley de Fourier

Para que exista transmisión de calor por conducción se considera que el calor fluirá a través de un medio cuyas moléculas están fijas en sus posiciones, es decir un medio sólido.

Ejemplos de medios sólidos: acero, madera, corcho, plástico, todos ellos claro está que a temperatura en que tengan estado sólido.

Este flujo de calor ocurrirá sólo si existe un salto térmico entre dos puntos del sólido. Este salto térmico o diferencia de temperaturas será expresado en forma infinitésima como dt. A su vez para que tenga lugar el flujo de calor debe transcurrir un tiempo, al que llamaremos con el infinitésimo dτ. Al calor también los tomaremos como infinitésimo dQ.

Flujo de calor o flujo calórico

Con los parámetros antes explicados formaremos una expresión que defina matemáticamente al flujo calórico F:: F = dQ/dτ

Experimentalmente se ha comprobado que este flujo calórico es directamente proporcional al potencial térmico (diferencia de temperaturas) e inversamente proporcional a lo que llamaremos resistencia del medio. Cada material ofrece distinta resistencia al flujo de calor. De esta forma podemos expresar al flujo como:

•          Potencial térmico
•          Resistencia del medio

Resistencia del medio

A la resistencia de cada medio en particular le asignaremos una constante R que surge de experimentos con cada sustancia. También consideraremos su inverso, es decir la conductancia λ (lambda), que es el parámetro que utilizaremos.

λ = R-1

Así el flujo se puede considerar también:

F ~ λ potencial térmico

Convección: Ley de Newton.

Para que exista transmisión de calor por convección se considera que el calor fluirá a través de un medio cuyas moléculas o partículas presentan movimiento relativo, es decir un medio líquido, gaseoso, o más genéricamente un medio fluido.

Ejemplos de medios fluidos: aire, agua, oxigeno, aceites, etc., todos ellos claro está que a presión y temperatura en que tengan estado gaseoso, líquido o con una viscosidad suficiente para permitir el movimiento relativo de sus partículas. Dicha convección puede ser natural o forzada.

Convección natural.

Es debida al gradiente térmico, y se justifica:

Por la diferencia de densidad o de peso específico que aparece debido a las diferentes temperaturas. Esto produce que el fluido más frío circule hacia abajo y el más caliente hacia arriba, produciendo una corriente ascendente. En esta consideración participa la fuerza de gravedad, pero en el caso que ésta no entre en juego por estar el sistema en el espacio exterior, la convección natural también tiene lugar, por el siguiente punto. Las partículas líquidas o gaseosas tienen movimientos relativos continuos, que aumentan al aumentar sus estados térmicos. Este movimiento transporta la energía calórica en forma de energía cinética mientras se desplaza la partícula y va colisionando con las millones que encuentra en su camino, y a su vez éstas hacen lo mismo, verificándose una convección a nivel molecular de flujo muy turbulento. El movimiento de las partículas es conocido como movimiento browniano.

Convección forzada.

Es cuando se aplican medios mecánicos para hacer circular el fluido. Ejemplos: ventilador, bomba, agitador, etc.

Radiación: Ley de Stefan Boltzman

Los cuerpos de la figura se encuentran en el vacío, y no están en contacto entre sí ni por medio de ningún otro sólido que los conecte. Tienen temperaturas distintas en un instante dado, pero a medida que pasa el tiempo se observará que sus temperaturas se van igualando, verificándose que existe transmisión de calor entre ellos. Como no están en contacto ni conectados por otro sólido conductor, la transmisión no puede ser por conducción. Como tampoco hay fluido en el vacío que los circunda, no habrá convección.

Se define como el proceso por el cual se produce un flujo neto de moléculas que pasa a través de una membrana permeable sin que exista un aporte externo de energía. Electromagnéticas que emana todo cuerpo que esté a mayor temperatura que el cero absoluto.

Las ondas electromagnéticas son asociaciones de campos eléctricos y magnéticos que se propagan a la velocidad de la luz.

Características de la radiación térmica:

  Ø  No se necesita medio material, ni sólido, ni fluido.

  Ø  Es emisión de ondas electromagnéticas.

  Ø  Emite todo cuerpo a T>0°K
   
VIDEO EXPLICATIVO SOBRE LA TERMOMETRIA PARA AUMENTO DE CONOCIMIENTOS
   

   
:     ENTALPÍA

Es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H mayúscula, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno.

En la historia de la termodinámica se han utilizado distintos términos para denotar lo que hoy conocemos como entalpía de un sistema. Originalmente se pensó que la palabra «entalpía» fue creada por Emile Clapeyron y Rudolf Clausius a través de la publicación de la relación de Clausius Clapeyron en The Mollier Steam Tables and Diagrams de 1827, pero el primero que definió y utilizó el término entalpía fue el holandés Heike Kamerlingh Onnes, a principios del siglo XX. En palabras más concretas, es una función de estado de la termodinámica donde la variación permite expresar la cantidad de calor puesto en juego durante una transformación isobárica (es decir, a presión constante) en un sistema termodinámico (teniendo en cuenta que todo objeto conocido puede ser entendido como un sistema termodinámico), transformación en el curso de la cual se puede recibir o aportar energía (por ejemplo la utilizada para un trabajo mecánico). En este sentido la entalpía es numéricamente igual al calor intercambiado con el ambiente exterior al sistema en cuestión.

Usualmente la entalpía se mide, dentro del Sistema Internacional de Unidades, en joule.

El caso más típico de entalpía es la llamada entalpía termodinámica. De ésta, cabe distinguir la función de Gibbs, que se corresponde con la entalpía libre, mientras que la entalpía molar es aquella que representa un mol de la sustancia constituyente del sistema.

ENTALPÍA QUÍMICA

Para una reacción exotérmica a presión constante, la variación de entalpía del sistema es igual a la energía liberada en la reacción, incluyendo la energía conservada por el sistema y la que se pierde a través de la expansión contra el entorno (es decir que cuando la reacción es exotérmica la variación de entalpía del sistema es negativa). Análogamente, para una reacción endotérmica, la variación de entalpía del sistema es igual a la energía absorbida durante la reacción, incluyendo la energía perdida por el sistema y la ganada a través de la expansión contra el entorno (en las reacciones endotérmicas el cambio de entalpía es positivo para el sistema, porque gana calor).  

La entalpía total de un sistema no puede ser medida directamente; Sin embargo, la variación de entalpía de un sistema sí puede ser medida .La variación de entalpía se define mediante la siguiente ecuación:

•          ΔH es la variación de entalpía.

•          H final es la entalpía final del sistema. En una reacción química, H final es la entalpía de los productos.

•          H inicial es la entalpía inicial del sistema. En una reacción química, H inicial es la entalpía de los reactivos.

La mayor utilidad de la entalpía se obtiene para analizar reacciones que incrementan el volumen del sistema cuando la presión se mantiene constante por contacto con el entorno, provocando que se realice un trabajo mecánico sobre el entorno y una pérdida de energía. Inversamente en reacciones que causan una reducción en el volumen debido a que el entorno realiza un trabajo sobre el sistema y se produce un incremento en la energía interna del sistema.

La entalpía de reacción es la energía asociada a una reacción, y viene dada por la suma de las entalpías de formación de productos menos la de reactivos según sus coeficientes estequiométricos (n), siendo las entalpías de formación de los elementos en su estado natural iguales a cero.

RADIACIÓN TÉRMICA O RADIACIÓN CALORÍFICA

Se denomina a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética, siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada. En lo que respecta a la transferencia de calor la radiación relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 0,1µm a 100µm, abarcando por tanto parte de la región ultravioleta, la visible y la infrarroja del espectro electromagnético.

La materia en un estado condensado (sólido o líquido) emite un espectro de radiación continuo. La frecuencia de onda emitida por radiación térmica es una densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura.

Los cuerpos negros emiten radiación térmica con el mismo espectro correspondiente a su temperatura, independientemente de los detalles de su composición. Para el caso de un cuerpo negro, la función de densidad de probabilidad de la frecuencia de onda emitida está dada por la ley de radiación térmica de Planck, la ley de Wien da la frecuencia de radiación emitida más probable y la ley de Stefan-Boltzmann que da el total de energía emitida por unidad de tiempo y superficie emisora (esta energía depende de la cuarta potencia de la temperatura absoluta).

A temperatura ambiente, vemos los cuerpos por la luz que reflejan, dado que por sí mismos no emiten luz. Si no se hace incidir luz sobre ellos, si no se los ilumina, no podemos verlos. A temperaturas más altas, vemos los cuerpos debido a la luz que emiten, pues en este caso son luminosos por sí mismos. Así, es posible determinar la temperatura de un cuerpo de acuerdo a su color, pues un cuerpo que es capaz de emitir luz se encuentra a altas temperaturas.

 TERMODINAMICA DE LOS SERES VIVOS

La vida es la expresión de miles de reacciones químicas que tienen lugar continuamente en el interior de los organismos vivos. Como esas reacciones son propias de los seres vivos se les denomina con más propiedad reacciones bioquímicas.

Hay que recordar que un

a reacción consta de uno o varios reactivos que se combinan para transformarse en uno o varios productos. La Química nos dice que las reacciones pueden ser de dos tipos. Por una parte, las que se producen espontáneamente, es decir, aquellas en las que los reactivos dan lugar a unos determinados productos de forma espontánea. Por otra parte, están aquellas que nos son espontáneas.

Casualmente, las más importantes reacciones bioquímicas, esenciales para la vida, no son espontáneas. Por ejemplo, la síntesis de proteínas. De forma científica se dice que una reacción es espontánea cuando el incremento de su energía libre estándar es negativo. Por el contrario, en las reacciones no espontáneas, el incremento de energía libre es positivo. Esto se puede entender mejor si se dice que una reacción es espontánea, porque pasa de poseer unos reactivos altamente energéticos a unos productos de menor poder energético y los reactivos han perdido una energía que ha sido transferida a otro sistema: de ahí el valor negativo de su energía libre.

A su vez hay que recordar que se denomina energía libre a la energía disponible para realizar trabajo, es decir que es útil para producir cambios. La energía libre de Gibbs se representa por el símbolo G. El incremento de energía libre se representa por ∆G y se mide en julios (J) o kilojulios (kJ). Más concretamente en kJ/mol.

Para calcular la variación de energía libre estándar (∆Gº) en una reacción hay que acudir a las tablas existentes donde se hallan los ∆Gº de formación de los reactivos y productos medidas en condiciones estándar (298K de temperatura, equivalente a 25ºC; y 1 atm de presión).

Pues bien, como las reacciones bioquímicas que necesitamos los seres vivos suelen no ser espontáneas (∆Gº > O), deben acoplarse a otras que sean energéticamente favorables. En Bioquímica se denominan a estas reacciones asociadas: reacciones acopladas. Por ejemplo, la formación del di péptido alanilglicina, a partir de dos aminoácidos como la alamina y la glicina, es una reacción no espontánea.

 PROCESO DE LA ALIMENTACIÓN

En el sistema digestivo ocurre una serie de procesos que modifican el alimento que ingresa al organismo. Mediante esos procesos, el alimento se transforma física y químicamente.

Los alimentos, en su mayoría formados por moléculas complejas, se transforman o degradan en otras más sencillas y pequeñas, condición de importancia para su absorción.

Dentro del sistema digestivo, la secuencia de procesos que transforman los alimentos es la siguiente:

-Ingestión: proceso de incorporación de alimentos a través de la boca.

-Digestión: serie de procesos que ocurre en diversos órganos del sistema digestivo y que transforman los alimentos. Comprende dos tipos de transformaciones:

Transformación física: fragmenta los alimentos en porciones más pequeñas a través de la masticación en la boca y de los movimientos peristálticos a lo largo del tubo digestivo. Transformación química: en la boca, estómago e intestino delgado las enzimas digestivas desdoblan el alimento transformándolo en moléculas más sencillas.

-Absorción: los nutrientes representados por moléculas sencillas pasan del sistema digestivo a la sangre para ser distribuidos a todo el cuerpo.

-Agestiones: el proceso a través del cual se expulsan los desechos de la digestión como materia fecal hacia el exterior.

ESTRATEGIA DEL METABOLISMO

La estrategia básica del metabolismo es formar ATP, poder reductor y precursores para la biosíntesis. Revisemos brevemente estos temas centrales:

El ATP es la unidad biológica universal de energía. El elevado potencial para transferir grupos fosforillos capacita al ATP para ser utilizado como fuente de energía en la contracción muscular, transporte activo, amplificación de señales y biosíntesis.

El ATP se genera en la oxidación de moléculas combustibles, como glucosa, ácidos grasos y aminoácidos. El intermediario común en la mayoría de estas oxidaciones es el acetil-CoA. Los carbonos del fragmento acetilo se oxidan completamente a CO2 en el ciclo del ácido cítrico, con formación simultánea de NADH y FADH2, que transfieren sus electrones de elevado potencial a la cadena respiratoria, con formación final de ATP. La glucólisis es otro proceso generador de ATP, pero la cantidad que se forma es mucho menor que en la fosforilación oxidativa (2 vrs. 30 0 32 ATP‘s). Sin embargo, la glucólisis puede transcurrir rápidamente durante un corto tiempo en condiciones anaeróbicas, mientras que la fosforilación oxidativa requiere del suministro continuado de O2.

El NADPH es el principal dador de electrones en las biosíntesis reductoras. En la mayoría de la biosíntesis, los productos finales están más reducidos que sus precursores, y por ello, requieren, además de ATP, un poder reductor, los cuales proceden normalmente del NADPH. La vía de las pentosas fosfato suministra gran parte del NADPH que se necesita.

Las biomolecular se construyen a partir de una serie relativamente pequeña de precursores. Las variadas moléculas de los seres vivos se sintetizan a partir de un número mucho menor de precursores. Por ej.: la dihidroxiacetona fosfato formada en la glucólisis proporciona el esqueleto central de glicerol de fosfatidato (fosfolípidos y triacilglicéridos); fosfoenolpiruvato, otro intermediario de la glucólisis, suministra parte del esqueleto carbonado de los aromáticos; el acetil-CoA proporciona fragmentos di carbonados para una amplia gama de biosíntesis; el succinilCoA, formado en el ciclo del ácido cítrico, es uno de los precursores de las porfirianas; la ribosa5fosfato, formada junto con el NADPH en la vía de las pentosas fosfato, es la fuente del azúcar de los nucleótidos.

Las vías biocinéticas y degradativas son casi siempre diferentes. Por ejemplo, la vía de síntesis de ácidos grasos es diferente a su degradación. Esta separación posibilita que las vías biocinéticas y degradativas sean termodinámicamente favorables en todo momento; esta separación contribuye, además, en gran manera a la efectividad del control metabólico.

TERMORREGULACIÓN

La termorregulación es la capacidad del cuerpo para regular su temperatura, dentro de ciertos rangos, incluso cuando la temperatura circundante es muy diferente. Los animales homeotermos tienen capacidad para regular su propia temperatura.

La temperatura normal del cuerpo de una persona varía dependiendo de su sexo, su actividad reciente, el consumo de alimentos y líquidos, la hora del día y, en las mujeres, de la fase del ciclo menstrual en la que se encuentren. Tradicionalmente la Medicina considera que la temperatura corporal normal -tomada oralmente- oscila entre 36,5 y 37,5 °C en el adulto saludable; el valor promedio viene a ser 37 °C. Tres estudios diferentes recientes, sugieren que la temperatura promedio en adultos saludables es de 36,7 °C. Las variaciones entre los tres estudios (con una sola desviación estándar) son las siguientes:

•          36,5 a 37,9 °C.

•          36,3 a 37,1 °C en varones; 36,5 a 37,3 °C en mujeres.

•          36,6 a 37,3 °C.

PRINCIPALES NUTRIENTES

HIDRATOS DE CARBONO

Los Hidratos de Carbono aportan la energía necesaria diariamente para las diferentes funciones del organismo. El consumo de Hidratos de Carbono en los países desarrollados es muy inferior al recomendado, además es característico dentro de este porcentaje un excesivo consumo de carbohidratos de rápida absorción, cuyo exceso se relaciona con un aumento del depósito graso en el organismo y con la aparición de la caries dental. La mayoría de los carbohidratos a incluir en la dieta deben ser de absorción lenta, ricos en almidón como pan, pastas, arroz, legumbres, patatas...

• H de C Simples o de absorción rápida:
• Monosacáridos
•  Glucosa (uvas y cebolla)
• Fructosa (azúcar de los frutos y miel)
• Galactosa (leche)
•  Disacáridos
• Sacarosa (azúcar común)
• Maltosa
• Lactosa (leche y derivados lácteos)

Los lácteos y la fruta, aportan vitaminas, minerales y fibra. Los Hidratos de Carbono simples que debemos evitar son aquellos que no aportan más nutrientes que el propio azúcar, son los llamados productos refinados.

ELASTICIDAD

Designa la propiedad mecánica de ciertos materiales de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentran sujetos a la acción de fuerzas exteriores y de recuperar su forma original si estas fuerzas exteriores dejan de actuar.

La propiedad elástica de los materiales está relacionada, como se ha mencionado, con la capacidad de un sólido de sufrir transformaciones termodinámicas reversibles e independencia de la velocidad de deformación (los sólidos visco elásticos y los fluidos)

RESISTENCIA

La resistencia de materiales clásica es una disciplina de la ingeniería mecánica y la ingeniería estructural que estudia los sólidos deformables mediante modelos simplificados. La resistencia de un elemento se define como su capacidad para resistir esfuerzos y fuerzas aplicadas sin romperse, adquirir deformaciones permanentes o deteriorarse de algún modo.

Un modelo de resistencia de materiales, establece una relación entre las fuerzas aplicadas, también llamadas cargas o acciones, y los esfuerzos y desplazamientos inducidos por ellas. Generalmente las simplificaciones geométricas y las restricciones impuestas sobre el modo de aplicación de las cargas hacen que el campo de deformaciones y tensiones sean sencillos de calcular.

COMPRESIÓN

Es la resultante de las tensiones o presiones que existe dentro de un sólido deformable o medio continuo, caracterizada porque tiende a una reducción de volumen del cuerpo, y a un acortamiento del cuerpo en determinada dirección.

TRACCIÓN

Se denomina tracción al esfuerzo interno a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo. Lógicamente, se considera que las tensiones que tiene cualquier sección perpendicular a dichas fuerzas son normales a esa sección, y poseen sentidos opuestos a las fuerzas que intentan alargar el cuerpo.

FLEXIÓN

Se denomina flexión al tipo de deformación que presenta un elemento estructural alargado en una dirección perpendicular a su eje longitudinal. Es el movimiento por el cual los huesos u otras partes del cuerpo se aproximan entre sí en dirección anteroposterior, paralela al plano sagital.

La flexión es consecuencia de la contracción de uno o más músculos flexores. Por ejemplo, el bíceps braquial contraído aproxima el antebrazo al hombro

.

El movimiento opuesto a la flexión es la extensión, la cual se produce gracias a la acción de los músculos extensores, que actúan como antagonistas de los músculos flexores durante la flexión. Por ello, al contraerse el bíceps braquial, se extiende el tríceps braquial, y viceversa.

RESISTENCIA DE LOS HUESOS

Las vigas que forman la parte medular de un edificio son sometidas a pruebas mecánicas que determinan su resistencia ante las fuerzas a las que pueden estar sujetas, que se reducen a las de tensión, compresión y torsión. Estas mismas pruebas se utilizan para obtener la resistencia de los huesos, la cual no sólo depende del material con el que están constituidos sino de la forma que tienen. Para efectuar las pruebas de resistencia mecánica se usa una muestra de material en forma de I a la que se aplica la fuerza.

BIOFÍSICA DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR

Ya en año 1863 Sechenov decía que toda manifestación externa del ser vivo es la actividad muscular. Exceptuando la emisión de luz por los seres vivos (bioluminiscencia), la contracción muscular es realmente el medio de manifestación de actos tanto internos como externos. La contracción muscular deriva de la actividad cerebral, pero sin ella todas las conquistas intelectuales permanecerían confinadas al sistema nervioso.

Tipos de músculos

Todo músculo está formado por un haz de fibras. Existen dos tipos principales de fibras musculares, las lisas y las estriadas. Esa nomenclatura viene del aspecto microscópico.

a) Fibras lisas: se contraen más lentamente, pero la contractura puede durar mucho tiempo. Son encontradas en las vísceras, especialmente en él tuvo digestivo, vejiga y arterias.

b) Fibras estriadas: se contraen más rápidamente y en casos normales su contracción dura poco. Forman las masas de los músculos esqueléticos, y como un tipo especial del miocardio. La musculatura estriada representa el 40% de las masa corporal humana. Existen ciertos músculos lamelibranquios que poseen un músculo con dos tipos de fibras: las estriadas cierran rápidamente la concha pero con poca fuerza. Las fibras lisas mantienen una contracción fuerte por un largo periodo. Ese comportamiento es importante en la defensa del musculo.

Tipos de Contracción Muscular

Cuando un músculo se contrae, existen dos situaciones diferentes, denominadas contracción isométrica y contracción isotónica, como en la Fig. 14.2, es descrita a seguir.

a) Contracción Isométrica (esos, igual; metros, volumen)

En este tipo, el músculo se contrae, pero su volumen no se altera. Esa contracción ocurre cuando intentamos levantar un peso, y no conseguimos, o cuando atajamos, de manera inmóvil, un objeto cualquiera. En este caso: No hay trabajo físico, porque el producto Fuerza x Distancia es nulo. Toda emergía gastada es disipada como calor. Es posible medir la Presión, o la Tensión, que el músculo ejerce.

b) Contracción Isotónica (esos, mismo; tónica, fuerza)

El músculo se contrae, y su volumen disminuye y, por tanto, el trabajo físico de tipo fuerza por distancia, los músculos poseen sistemas de control que permiten el pasaje de un tipo de contracción, para el otro, y poseen una distribución de calor y trabajo bien definida.

El autocontrol es la habilidad de controlar las propias emociones, comportamientos y deseos con el fin de obtener alguna recompensa posterior, es la capacidad de gestión eficiente del futuro.

VIDEO EXPLICATIVO DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR PARA AUMENTO DE CONOCIMIENTOS:

Ley de Stokes

La ecuación matemática expresa la solución de velocidades de las partículas esféricas pequeñas en un fluido medio, la ley fue establecida por primera vez por el científico británico Sir George G. Stokes en 1851, se deriva por la consideración de las fuerzas que actúan sobre una partícula que se hunde a través de una columna de líquido bajo la influencia de la gravedad. La fuerza que actúa en la resistencia a la caída es igual a 6 rm🇻, donde r es el radio de la esfera, n es la viscosidad del líquido y v es la velocidad de caída. La fuerza que actúa hacia abajo es igual a 4/3 πr 3 ( d 1 - d 2 ) g, en la que d 1 es la densidad de la esfera, d 2 es la densidad del líquido, y g es la constante gravitacional.

A una velocidad constante de caída de las fuerzas ascendentes y descendentes están en equilibrio. Igualando las dos expresiones dadas anteriormente y despejando v por lo tanto, se obtiene la velocidad requerida, expresada por la ley de Stokes como v = 2 / 9 ( d 1 - d 2 ) gr 2 / η.

La ley de Stokes encuentra aplicación en varias áreas, particularmente con respecto a la sedimentación de los sedimentos en agua dulce y en las mediciones de la viscosidad de los fluidos. Debido a su validez se limita a las condiciones en las que el movimiento de la partícula no produce turbulencia en el fluido, sin embargo, varias modificaciones se han expuesto.

La ley de stokes es base de la caída de esfera viscosímetro en el que el fluido es estacionario en un tubo de vidrio vertical, se permite una esfera de tamaño y densidad conocida a descender a través del líquido. Si se selecciona correctamente alcanza la velocidad terminal que puede ser medido por el tiempo que tarda en pasar dos marcas en el tubo, la detección electrónica se puede utilizar para líquidos opacos conociendo la velocidad máxima, el tamaño y la densidad de esfera y la densidad del líquido, la ley de Stokes se puede usar para calcular la viscosidad del fluido. Una serie de cojinetes de bolas de acero de diferentes diámetros se utilizan normalmente en el experimento clásico para mejorar la precisión del cálculo.

El experimento escuela utiliza glicerina o jarabe de oro como el fluido, y la técnica se utiliza industrialmente para comprobar la viscosidad de los fluidos utilizados en los procesos. Varios experimentos escolares a menudo implican la variación de la temperatura y / o la concentración de las sustancias utilizadas con el fin de demostrar los efectos que esto tiene sobre la viscosidad. Métodos industriales incluyen diversos aceites y polímeros líquidos tales como soluciones.
La ley de Stokes es importante para la comprensión de la natación de los microorganismos y espermatozoides.También la sedimentación de las partículas pequeñas y los organismos en el agua bajo la fuerza de la gravedad. en el aire la misma teoría se puede utilizar para explicar por qué las gotitas pequeñas de agua o cristales de hielo pueden permanecer suspendidas en el aire como las nubes hasta que crecen a un tamaño crítico y comienzan a caer en forma de lluvia (nieve o granizo). El uso de la ecuación similar puede hacerse en la liquidación de las partículas finas en agua u otros líquidos.

De acuerdo con la Universidad Tecnológica de Michigan, importantes aplicaciones utilizan la ley de Stokes para gestionar la sedimentación gravitacional de las partículas en un líquido. Esas soluciones ambientales incluyen la limpieza de partículas contaminantes en ríos y océanos, la actividad de partículas en suspensión en la comprensión de las plantas de tratamiento de aguas residuales y la densa suspensión de partículas en el cemento fresco para los proyectos de construcción.

Ley de Poiseuille

La ley de Poiseuille se vincula con el caudal de fluido que circula por un conducto. En la figura 1 se muestra un tramo de tubo bajo la presión P1 en el extremo izquierdo y la presión P2 en el extremo derecho y esta diferencia de presiones es la que hace moverse al fluido a lo largo del tubo. El caudal(volumen por unidad de tiempo) depende de la diferencia de presiones (P1 - P2), de las dimensiones del tubo y de la viscosidad del fluido. La relación entre estas magnitudes fue determinada por el francés J. L. Poiseuille asumiendo un flujo laminar y a esta relación se le conoce como Ley de Poiseuille.

Donde R es el radio del tubo, L su longitud y η es el coeficiente de viscosidad.

Dicho con palabras, la ley expresa que el caudal crece son el aumento de la diferencia de presiones y con el radio del tubo, pero disminuye al aumentar la viscosidad del fluido y la longitud del tubo. Estos resultados coinciden con la observaciones que cualquiera de nosotros haya podido hacer en las situaciones que nos rodean vinculadas a flujo de fluidos. Note que el radio del tubo influye en el caudal a la potencia 4 de modo que la disminución del radio del conducto es muy influyente en el caudal.

 Principio de Pascal

Es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623–1662) que se resume en la frase:
La presión ejercida sobre un fluido poco compresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido.
El principio de Pascal puede comprobarse utilizando una esfera hueca, perforada en diferentes lugares y provista de un émbolo. Al llenar la esfera con agua y ejercer presión sobre ella mediante el émbolo, se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma velocidad y por lo tanto con la misma presión.

La prensa hidráulica es una máquina compleja que permite amplificar las fuerzas y constituye el fundamento de elevadores, prensas hidráulicas, frenos y muchos otros dispositivos hidráulicos.
La prensa hidráulica constituye la aplicación fundamental del principio de Pascal y también un dispositivo que permite entender mejor su significado. Consiste, en esencia, en dos cilindros de diferente sección comunicados entre sí, y cuyo interior está completamente lleno de un líquido que puede ser agua o aceite. Dos émbolos de secciones diferentes se ajustan, respectivamente, en cada uno de los dos cilindros, de modo que estén en contacto con el líquido. Cuando sobre el émbolo de menor sección A1 se ejerce una fuerza F1 la presión p1 que se origina en el líquido en contacto con él se transmite íntegramente y de forma casi instantánea a todo el resto del líquido. Por el principio de Pascal esta presión será igual a la presión p2 que ejerce el fluido en la sección A2, es decir:


                                                         

Presión
La presión es la magnitud escalar que relaciona la fuerza con la superficie sobre la cual actúa, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la superficie. Cuando sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera uniforme, la presión P viene dada de la siguiente forma:
En un caso general donde la fuerza puede tener cualquier dirección y no estar distribuida uniformemente en cada punto la presión se define como
Donde n es un vector unitario y normal a la superficie en el punto donde se pretende medir la presión. 

En determinadas aplicaciones la presión se mide no como la presión absoluta sino como la presión por encima de la presión atmosférica, denominándose presión relativa, presión normal, presión de gauge o presión manométrica.
Consecuentemente, la presión absoluta es la presión atmosférica (Pa) más la presión manométrica (Pm) (presión que se mide con el manómetro).

REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD DEL CENTRO RESPIRATORIO

Un incremento en la PCO2, en la concentración de h+ de la sangre arterial o una caída de PO2, aumentan la actividad del centro respiratorio, y los cambios en la dirección opuesta tienen un efecto inhibidor ligero. Los efectos de las variaciones en la química sanguínea sobre la ventilación están mediados por los quimiorreceptores respiratorios, células receptoras en el bulbo y en los cuerpos carotídeos y aórticos, sensibles a los cambios en la composición de la sangre, que inician impulsos que estimulan el centro respiratorio. Además del control químico respiratorio básico, otros aferentes proveen controles no químicos para los "ajustes finos" que afectan la respiración en situaciones particulares.

Generan el ritmo respiratorio basal, procesan la información de los sensores y modifican, en consecuencia, su nivel de actividad.

Los controladores o centros respiratorios tienen las siguientes funciones:

Establecer el ritmo de la respiración y actuar como generadores centrales del patrón respiratorio.

Transmitir ese ritmo central a las motoneuronas que inervan los músculos respiratorios.

Ajustar el ritmo respiratorio y de la respuesta motora a las necesidades metabólicas (funciones homeostáticas), así como para cubrir las funciones conductuales y voluntarias (funciones no homeostáticas).

Utilizar el mismo gasto de energía para llevar a cabo varias funciones.

Los experimentos de transección a distintos niveles del SNC permitieron concluir que los centros encargados del control automático del ritmo respiratorio se localizaban en el tronco encefálico; en función este resultado se hablaba de:

Centro neumotáxico, parte rostral de la protuberancia

Centro apnéustico, en la parte ventral

Serie de centros bulbares (principales responsables del ritmo respiratorio)

Los centros neumotáxico y apnéustico (o centros suprabulbares) se encargan de modular y afinar el centro respiratorio.

Los centros bulbares

Los estudios electrofisiológicos han mostrado la existencia de varios grupos neuronales en distintos núcleos bulbares, capaces de aumentar su actividad (frecuencia de disparo de potenciales de acción) durante la inspiración; sin embargo, a diferencia de lo que ocurre en el corazón, no parece que haya un grupo único de células marcapasos en el bulbo donde se origina el ritmo respiratorio básico; por el contrario, el patrón de inspiración-espiración es generado neuronas interconectadas, las cuales forman redes que actúan como circuitos oscilantes.

Durante la inspiración, entre dichas redes, la frecuencia de disparo aumenta en varias células (en distintos puntos), mientras que en la espiración otros grupos se activan.

Las neuronas que constituyen el CPG, se localizan de forma más o menos difusa bilateralmente en el bulbo y forman parte de, al menos, 2 grupos de núcleos: respiratorio dorsal y respiratorio ventral.

Grupo respiratorio dorsal: Está formado por neuronas localizadas en la región dorso medial del bulbo y forma parte del núcleo del tracto solitario (nTS). Contiene fundamentalmente neuronas inspiratorias de distintos tipos, clasificadas teniendo en cuenta el momento de la inspiración en el que aumenta su actividad y el patrón de esta.

Funciones: Envían proyecciones a las motoneuronas de los nervios frénicos e intercostales y son, por tanto, las responsables de la actividad mantenida del diafragma durante la inspiración; también establecen conexiones con el grupo respiratorio ventral.

Núcleo del tracto solitario

Constituye la principal proyección de vías aferentes viscerales de los nervios glosofaríngeo y vago, que llevan informaciones de la PO2, PCO2 y el pH (proveniente de los quimiorreceptores periféricos) y de la presión arterial sistémica (desde los barorreceptores aórticos).

El vago traslada información desde los receptores de estiramiento pulmonar, de modo que la localización del grupo respiratorio dorsal en el núcleo del tracto solitario, indica que es el lugar de integración de muchos reflejos cardiopulmonares que afectan el ritmo respiratorio.

Grupo respiratorio ventral (GRV): Su distribución anatómica es más difusa que la del dorsal y está constituido por agregados de células que se extienden longitudinalmente por el bulbo, desde su zona caudal hasta la más rostral.

Se puede dividir en tres regiones:

         Parte caudal, denominada núcleo retroambiguo (GRV caudal o nRA), por su relación con el núcleo ambiguo (nA) contiene fundamentalmente neuronas espiratorias. Las zonas de muchas de estas neuronas establecen sinapsis con las motoneuronas que controlan los músculos espiratorios intercostales y abdominales (espiración forzada).

         Parte intermedia, denominada núcleo paraambiguo (GRV intermedio o nPA). Por su distribución paralela al núcleo ambiguo contiene fundamentalmente neuronas inspiratorias, pero incluye también las propiobulbares, las cuales coordinan la actividad de los músculos respiratorios con el control de la resistencia de las vías aéreas superiores y desempeñan una función clave dentro del CPG.

         Parte más rostral (GVR rostral), se localiza en la vecindad del núcleo retrofacial (nRF) e incluye una densa población de neuronas que se agrupan y forman el llamado complejo de

El centro apnéustico

Su localización hística aún no está bien precisada, pero parece estar formado por una red neuronal difusa, ubicada en la formación reticular de la protuberancia.

En investigaciones más recientes se precisa que la ablación del centro neumotáxico, al combinarse con la vagotonía, da lugar a una respiración con inspiraciones prolongadas, separadas por espiraciones breves.

Función: Se estima que es el centro o lugar de proyección e integración de diferentes tipos de información aferente, que pueden finalizar la inspiración (interruptor inspiratorio); proceso identificado en inglés con las siglas IO-S (inspiratory-off switch).

Tanto la estimulación vagal, por el aumento del volumen pulmonar, como la del centro neumotáxico activan las neuronas IO-S y hacen que acabe la fase de inspiración.

Cuando este mecanismo se inactiva mediante la supresión de las aferencias vagales y de los centros superiores aparece la apneusis.

Estas neuronas también se estimulan por el aumento de la temperatura corporal y ocasionan la taquipnea (aumento de la frecuencia respiratoria), mecanismo que utilizan algunos animales para disipar calor cuando están hipertérmicos.

Al igual que el centro neumotáxico, el IO-S no parece desempeñar una función crucial en la génesis del ritmo respiratorio básico.

Centro neumotáxico

Está compuesto por neuronas que se agrupan en 2 núcleos, situados en la parte rostral de la protuberancia:

         Núcleo parabraquial medial

         Núcleo de Köliker-Fuse

Función: Modular los centros respiratorios bulbares, pues la estimulación de las neuronas del neumotáxico desactiva la inspiración, regula el volumen inspiratorio y, en consecuencia, la frecuencia respiratoria, lo cual apunta hacia el hecho de que no parece participar en la génesis del ritmo respiratorio, ya que puede existir un patrón normal en su ausencia.

VITALOMETRIA

Sirve para medir ciertos volúmenes y capacidades tales como:

         Volúmenes de ventilación pulmonar.

         Volúmenes de reserva inspiratoria.

         Volúmenes de reserva espiratoria.