PRESIÓN ATMOSFÉRICA

1. PRESIÓN ATMOSFÉRICA PRESIÓN HIDROSTÁTICA Y ASPECTOS CLÍNICOS

2. 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.

3. Pensemos que un mismo concepto puede estar asociado a diversos campos de aplicación

4. 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

5. O bien desde el ámbito de la meteorología, como es habitual su referencia en el pronóstico del tiempo

6. 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!

7. PRESIÓN ATMOSFÉRICA

8. PRESIÓN 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. Límite de la capa atmosférica A nivel del mar la presión atmosférica ejerce una fuerza de aproximadamente 1 kgf por cada cm² de superficie

13. 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)

14. 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

15. 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. 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.

16. 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.

17. Considerando al aire como un gas ideal resulta válida la siguiente expresión: p.V = n.R.T p = presión V = volumen n = masa de aire T = temperatura

18. LA INSPIRACIÓN 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

19. 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

20. 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

21. 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 Mida el desnivel existente y aplique el teorema fundamental de la hidrostática ∆h

22. Límite de la capa atmosférica 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 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

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

24. 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.

25. PRESIÓN ATMOSFÉRICA Y PRESIÓN HIDROSTÁTICA

26. 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

27. El vaso de la experiencia tiene 25 cm² de base. ¿ Con qué fuerza empuja el agua al papel? ¿Con qué fuerza empuja el aire? pagua = δ.g.h= 1000 kg/m3.9,8 m/s².0,09m 882 Pa h = 9 cm Fagua = pagua.S 882 N/m².0,0025m² = 2,2 N Faire = paire.S 101300 N/m².0,0025m² 253,25 N

28. 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

29. EFECTOS DE PRESIONES GRANDES SOBRE EL ORGANISMO FISIOLOGÍA DEL BUCEO

30. 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.

31. 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

32. Intoxicación por oxígeno 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

33. ¿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)

34. ¿A qué altura mínima deberá colocarse una bolsa de suero para que el líquido ingrese en la vena? presión atmosférica Al “pinchar” una vena la sangre sale porque su presión es mayor que la atmosférica pejercida x la sangre = pejercida x el suero h pvenosa = δsuero.g.hmínima 1.333 Pa=1000 kg/m3.10m/s².h h = 0,1333 m presión venosa = 10 mmHg = 1.333 Pa

35. -0,50 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: 0 ∆p = δ.g.h ∆pcorazón-pies = 1000 kg/m3.9,8 m/s².1,25 m 12.250 Pa = 91,9 mmHg ∆pcorazón-cabeza = 1000 kg/m3.9,8 m/s².(-0,5 m) -4.900 Pa = -36,8 mmHg 1,25 h(m)

36. 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.

37. Efecto de la variación de la presión externa sobre la membrana timpánica Presión externa Presión interna

38. 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. membrana timpánica Presión interna (por la endolinfa del caracol y transmitida a través de los huesecillos del oído medio) Presión externa Actuante a través del conducto auditivo

39. 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

40. 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? 3,4 atm – 1 atm = 2,4 atm = 243120 Pa 1 atm ∆p = δ.g.h h 243.120 Pa = 1000 kg/m3.9,8 m/s². h 3,4 atm h = 24,8 m Este resultado es aproximadamente igual al que obtendríamos considerando la equivalencia mencionada 1 atm = 10 m

41. Ejercicio 9 Datos F = 0,025 N A = 0,5 cm² = 5.10-5- m² δaire = 1,2 g/lt = 1,2 kg/m3 Calculemos la diferencia de presión relacionando la fuerza neta y el área del tímpano ∆p = F/A = 500 Pa Ahora podemos despejar la variación de altura aplicando: ∆p = δ.g.∆h ∆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

42. 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?

43. Para encarar este desafío, podemos considerar a la jeringa como una “prensa hidráulica” = Datos: Aémbolo = 2,5 cm2 = 2,5  10-4m2 Aaguja = 0,8 mm2 (este es un dato espurio, porque sabemos la presión en la aguja) paguja = 1 cmHg = 1333 Pa Fémbolo = paguja Aémbolo Fémbolo = 0,33 N Y antes de terminar con esto…

44. ¿Qué hipótesis y modelos usamos? Fluido incomprensible, continuidad, condiciones cuasiestáticas Y un poco de humor, aunque con errores conceptuales

45. 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!

46. ∆xB ∆xA 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

47. Ej 5 • Los diámetros de los émbolos son de 8 y 24 cm • Si FB = 10.000 N, determinar FA • Si ∆xB = 5 cm calcular ΔxA • Calcular el trabajo realizado por cada émbolo y decidir si se conserva la energía mecánica

48. 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