PRESIÓN ATMOSFÉRICA

PRESIÓN

ATMOSFÉRICA

PRESIÓN

HIDROSTÁTICA

Y ASPECTOS

CLÍNICOS

Nuestro objetivo es sentar las bases físicas que permitan interpretar fenómenos de interés

biológico.

Expondremos brevemente algunos ejemplos para que el alumnado pueda entender la importancia de adquirir los conceptos propuestos y evaluar desde una perspectiva nueva los alcances de los mismos.

Pensemos que un mismo concepto Pensemos que un mismo concepto puede estar asociado a diversos puede estar asociado a diversos

campos de aplicacióncampos de aplicación

Cuando hablamos de la presión atmosférica podemos hacerlo desde un punto de vista

asociado a las ciencias exactas, como cuando comentamos el experimento de Torricelli

O bien desde el ámbito de la meteorología, como es habitual su referencia en el

pronóstico del tiempo

Pero es importante destacar la incidencia del mismo concepto cuando exponemos en el

campo de la fisiología de la respiración o la circulación cardiovascular, involucrándonos

en aspectos referidos a la clínica médica!

PRESIÓN

ATMOSFÉRICA

PRESIÓN ATMOSFÉRICAPRESIÓN ATMOSFÉRICA

Es la presión que ejerce el aire que conforma la atmósfera terrestre.

Su valor depende del lugar en donde se la mida y equivale al peso por unidad de área de

una columna imaginaria de aire formada entre el límite superior de la capa atmosférica

y el nivel del piso del sitio en el cual se la estima.

Límite de la capa atmosférica

Imaginándonos “sumergidos en una piscina de aire” vemos que la presión atmosférica es mayor a nivel del mar (es decir cuando nos encontramos en el “fondo de la piscina”) y paulatinamente disminuye a medida que

nos elevamos.

Las variaciones de su valor tienen importantes consecuencias a nivel

fisiológico, destacándose su incidencia en el proceso de respiración pulmonar

La respiración pulmonar consiste en el intercambio de aire entre el presente en la atmósfera y el

contenido en el interior de nuestros pulmones.

El pulmón es una estructura elástica que colapsaría como un globo, soltando todo su aire a través de la tráquea, si no existieran fuerzas

que lo mantienen distendido.

Presión alveolar es la presión en el interior de los alveolos pulmonares.

Límite de la capa atmosférica

A nivel del mar la presión atmosférica ejerce una fuerza de aproximadamente 1 kgf por cada

cm² de superficie

La presión atmosférica es uno de los factores que permiten generar un equilibrio entre la presión alveolar (que tiende a distender el

volumen pulmonar) y la tensión elástica de las paredes del pulmón (que tienden a colapsarlo)

Cuando la glotis está abierta y no hay aire moviéndose hacia dentro o fuera de los

pulmones, las presiones en todas las partes del árbol respiratorio son exactamente iguales a la

presión atmosférica.

A este estadio se lo llama reposo ventilatorio

En la inspiración la presión alveolar resulta levemente inferior a la atmosférica, lo que permite el ingreso del aire al

interior de los pulmones durante 2 segundos.

De manera inversa, en la espiración la presión intrapulmonar es levemente superior a la externa, egresando

de esta manera parte del aire residente en los pulmones, durante los 2 a 3 segundos que dura el proceso.

Para permitir el flujo de aire entre el interior pulmonar y el exterior se modifica la presión alveolar siguiendo las leyes

que rigen el comportamiento de los gases ideales.

Tanto en la inspiración como en la espiración normal (no forzadas) el volumen de aire

intercambiado es de unos 500 ml y la diferencia de presión respecto de la

atmosférica es de aproximadamente 1 cm de agua, con una frecuencia respiratoria normal

de entre 12 a 15 ciclos por minuto.

Considerando al aire como un gas ideal resulta válida la siguiente expresión:

p.V = n.R.Tp = presión

V = volumen

n = masa de aire

T = temperatura

El descenso del diafragma y el desplazamiento hacia fuera de la

parrilla costal determina un aumento en el volumen. Esto permite una

disminución de la presión interna.

Por lo tanto:

palveolar < patmosférica

Lo que permite el ingreso de aire hacia el sistema respiratorio

LA INSPIRACIÓN

LA ESPIRACIÓN

Inversamente, el ascenso del diafragma y el desplazamiento hacia dentro de la parrilla costal provocan

una disminución del volumen, aumentando así la presión interna.

En este caso:

palveolar > patmosférica

Lo que permite el egreso de aire hacia la atmosfera

Se llama capacidad inspiratoria al máximo volumen de aire que puede ingresar a los pulmones

(inspiración forzada).

Su valor promedio es de 3.500 ml

Una espiración forzada es el máximo volumen de aire desalojado desde los pulmones luego de una

inspiración normal.

Se calcula en unos 1.800 ml

Para tener una idea de la diferencia de presión que existe en una espiración forzada puede procederse de la siguiente manera:

Utilizando una manguerita transparente conteniendo cierta cantidad de agua inicie la espiración colocando la misma en la boca

∆hMida el desnivel existente

y

aplique el teorema fundamental de la hidrostática

Límite de la capa atmosférica

A nivel del mar ejerce una fuerza de aproximadamente 1 kgf por cada cm² de superficie, siendo suficiente para expandir los

pulmones, equilibrando la tendencia de los mismos a colapsar

Si un sujeto residente a nivel del mar se traslada a un sitio suficientemente elevado, la presión resulta insuficiente para ejercer la fuerza mencionada, por lo que los pulmones no se expanden lo suficiente,

dificultando el intercambio gaseoso

Esto ocasiona trastornos físicos que incluyen somnolencia, lasitud, fatiga física y mental, dolores de cabeza e incluso náuseas.

Por ejemplo a 4.000 m de altura la presión atmosférica es de unos 523 mmHg en tanto que en la cima del monte Everest

este valor es de tan solo 253 mmHg.

Estas bajas presiones externas impiden (en individuos no aclimatados) el adecuado intercambio gaseoso, debido a que disminuye la fuerza que el aire ejerce contra las paredes del

interior pulmonar

La hipoxia generada estimula a su vez mecanismos de compensación:

• Incrementa la producción de hematíes, lo que eleva el valor del hematocrito del registro normal, de 40-45, a unos 60-65.

• Aumento de la hemoglobina en la sangre

de 15g/100 ml a 22 g/100 ml

• Aumento de la ventilación

• Mayor capacidad en la difusión pulmonar

Estos efectos no son inmediatos sino que se establecen al cabo de un período aproximado de un mes.

PRESIÓN

ATMOSFÉRICA

Y

PRESIÓN

HIDROSTÁTICA

Experiencia de Torricelli Experiencia de Torricelli

pM = pN

patm = δHG.g.h

patm = 13.600kg/m3.9,8m/s².0,76m =

=101.300 Pa = 1 atm = 760 mmHg

El vaso de la experiencia tiene 25 cm² de base.

¿ Con qué fuerza empuja el agua al papel?

¿Con qué fuerza empuja el aire?

h = 9 cm

pagua = δ.g.h=

1000 kg/m3.9,8 m/s².0,09m

882 Pa

Fagua = pagua.S

882 N/m².0,0025m² = 2,2 N

Faire = paire.S

101300 N/m².0,0025m²

253,25 N

Torricelli utilizó un tubo de vidrio conteniendo mercurio para medir la patm alcanzando una altura de 76 cm

De haber utilizado agua en vez de mercurio:

¿Qué altura hubiese alcanzado la columna en ese caso?

101.300 Pa = 1000 kg/m3.9,8 m/s2.h => h = 10,33 m

Por lo tanto se considera como standart que una columna de agua de 10 m (aproximadamente) genera una presión de 1 atm,

lo que permite efectuar cálculos sencillos.

¿Qué presión soporta una persona sumergida 50 m (en agua)?

6 atm

EFECTOS DE PRESIONES GRANDES EFECTOS DE PRESIONES GRANDES SOBRE EL ORGANISMOSOBRE EL ORGANISMO

FISIOLOGÍA DEL BUCEOFISIOLOGÍA DEL BUCEO

Cuando una persona desciende a grandes profundidades en el agua, la presión que la rodea

aumenta considerablemente.

Para evitar el colapso de los pulmones se debe suministrar aire a presiones elevadas, lo que expone a

la sangre pulmonar a presiones gaseosas alveolares elevadas, fenómeno conocido como HIPERBARISMO.

Ley de Dalton

Establece que para todo gas compuesto las presión total es igual a la suma de las presiones parciales.

Sabemos que el aire está compuesto principalmente por nitrógeno (78%) y oxígeno (21%).

Si su presión es normal (1 atm = 760 mmHg) las respectivas presiones parciales son:

Nitrógeno = 0,78 atm = 593 mmHg

Oxígeno = 0,21 atm = 160 mmHg

Cuando se respira aire a los valores normales no existen efectos perjudiciales para el organismo, pero si aumentan las presiones

parciales por la incidencia del aumento de la presión externa sobre la presión del aire estos no tardan en aparecer.

A altas presiones el oxígeno se vuelve tóxico para el organismo, esto sucede cuando la presión parcial del mismo es de 0,84 atm.

Los síntomas incluyen náuseas, mareos, calambres, vértigo, trastornos de la visión, irritabilidad y desorientación.

En exposiciones prolongadas pueden sobrevenir convulsiones seguidas de coma

Intoxicación por oxígeno

¿A qué profundidad aproximada pueden aparecer estos síntomas en un buzo que se sumerge en agua dulce?

0,21 atm 1 atm

0,84 atm x

x = 4 atm

Profundidad = 30 m

(Considerando un aumento de 1 atm por cada 10 m)

¿A qué altura mínima deberá colocarse una bolsa de suero para que el líquido ingrese en la vena?

h

presión venosa = 10 mmHg = 1.333 Pa

presión atmosférica

pejercida x la sangre = pejercida x el suero

pvenosa = δsuero.g.hmínima

1.333 Pa=1000 kg/m3.10m/s².h

h = 0,1333 m

Al “pinchar” una vena la sangre sale porque su presión es mayor que la atmosférica

0

1,25

-0,50

h(m)

∆p = δ.g.h

∆pcorazón-pies = 1000 kg/m3.9,8 m/s².1,25 m

∆pcorazón-cabeza = 1000 kg/m3.9,8 m/s².(-0,5 m)

12.250 Pa = 91,9 mmHg

-4.900 Pa = -36,8 mmHg

Resolución del ej 8. Consideremos un sistema de referencia con el origen al nivel del corazón. Estando la persona

de pié y aplicando el teorema fundamental de la hidrostática:

Aspectos clínicos relacionados: Retorno Venoso

Por la presión hidrostática, la presión venosa en los pies sería de unos 92 mmHg al permanecer de

pié. La figura muestra la disposición de las válvulas venosas, para favorecer el regreso de la sangre al corazón. Al contraerse los músculos de

las piernas estos comprimen las venas y eyectan la sangre a través de las mismas.

Este es uno de los motivos por el cual se recomienda a las personas con problemas cardíacos a caminar al menos 15 min al día de manera continua.

La aparición de “varices” se debe a la disfunción de las válvulas. Resulta eficaz en ese caso mantener las piernas elevadas

o los vendajes compresivos.

Efecto de la variación de la presión externa sobre la membrana timpánica

Presión externa Presión interna

membrana timpánica

Presión externaActuante a través del conducto

auditivo

Presión interna (por la endolinfa del caracol y

transmitida a través de los huesecillos

del oído medio)

Esquemáticamente podemos decir que a ambos lados de la membrana timpánica se ejercen presiones.

Si, por ejemplo, aumentase la presión externa, de no variar la presión interna, actuaría una fuerza neta que empujaría la

membrana timpánica hacia adentro.

El aumento de la presión externa es el caso común de las personas que practican buceo, si estas no utilizan tapones de protección y no

realizan maniobras de compensación, al sumergirse a la presión atmosférica actuante debe adicionarse la presión hidrostática.

Una maniobra de compensación consiste en ejecutar la acción de soltar el aire por la nariz pero a su vez tapar la misma,

presionando con el pulgar y el índice (Maniobra de Valsalva). Intente realizar esta maniobra para deducir que efecto tiene sobre

las presiones que actúan a ambos lados del tímpano.

Nótese que el reprimir un estornudo, si presionamos la nariz podemos llegar a sentir una sensación dolorosa en nuestros oídos

Suponiendo que el tímpano de una persona no entrenada soporta una presión máxima de 3,4 atm ¿ Cuál es la profundad máxima

que puede alcanzar en agua dulce?

1 atm

3,4 atm

h

3,4 atm – 1 atm = 2,4 atm = 243120 Pa

∆p = δ.g.h

243.120 Pa = 1000 kg/m3.9,8 m/s². h

h = 24,8 m

Este resultado es aproximadamente igual al que obtendríamos considerando la

equivalencia mencionada 1 atm = 10 m

Ejercicio 9

Datos

F = 0,025 N

A = 0,5 cm² = 5.10-5- m²

δaire = 1,2 g/lt = 1,2 kg/m3

∆p = δ.g.∆h

∆p = F/A = 500 Pa

Calculemos la diferencia de presión relacionando la fuerza neta y el área del

tímpano

Ahora podemos despejar la variación de altura aplicando:

∆h = 41,6 m (g = 10 m/s²)

Para determinar el sentido del desplazamiento veamos que el enunciado dice que sólo cambia (disminuye) la presión externa, lo

que significa que el ascensor subió

Ej. 10: En una jeringa el émbolo tiene un área de 2,5 cm2 y el líquido pasa por una aguja de 0,8 mm2 de sección transversal. ¿Qué fuerza mínima debe aplicarse al émbolo para inyectar el líquido en una vena en que la presión sanguínea es de 1 cmHg?

Antes de arrancar con el ejercicio… ¿entendemos todas las palabras?

• ¿Qué es un émbolo?•¿Área y sección transversal son dos conceptos distintos?

¿y los conceptos? ¿Por qué se pide calcular una fuerza si el dato que aparece es de

presión?

Datos:Aémbolo = 2,5 cm2 = 2,5 10-4 m2

Aaguja = 0,8 mm2 (este es un dato

espurio, porque sabemos la presión en la aguja)

paguja = 1 cmHg = 1333 Pa

Para encarar este desafío, podemos considerar a la jeringa como una “prensa hidráulica”

=

Fémbolo = paguja Aémbolo

Fémbolo = 0,33 N

Y antes de terminar con esto…

22

2

1

11 p

A

F

A

Fp

¿Qué hipótesis y modelos usamos?

Fluido incomprensible, continuidad, condiciones cuasiestáticas

Y un poco de humor, aunque con errores conceptuales

Lea la actividad propuesta en la guía (página 45)

Une dos jeringas (de diferente tamaño) conteniendo agua con una manguera como muestra la figura.

¡Verás que funciona como una prensa hidráulica!

Vemos que el émbolo mayor se desplaza menos que el menor

Esto sucede porque el volumen de líquido desplazado es el mismo, resultando el desplazamiento inversamente proporcional al área

BBAABA xSxSVV ..

∆xB

∆xA

Ej 5

Los diámetros de los émbolos son de 8 y 24 cm

a) Si FB = 10.000 N, determinar FA

b) Si ∆xB = 5 cm calcular ΔxA

c) Calcular el trabajo realizado por cada émbolo y decidir si se conserva la energía mecánica

Estimados alumnos:

Este es un pequeño aporte para que entiendan como se relacionan conceptos dictados en clase con aspectos fisiológicos. Aunque incompleto, por ser una versión tipo borrador, propone un recorido ameno y desarrolla los ejercicios 5, 7, 8, 9, y 10 de la práctica de fluidos. Esperamos su opinión. Gracias

Martes y Viernes de 14 a 17 y 17 a 20 hs

Coordinadora: Cristina Caputo

Colaboradores:

Carbia, Emilio Gonoraski, Sonia

Menendez, Ana Olivares, Daniel

Randazzo, Carmelo