Biofísica yushimito rubiño, Apuntes de Biofísica

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Biofísica-Yushimito. para autor-

Fisica I

Biofísica

Biofísica

Dr. Luis Yushimito Rubiños

Médico Cirujano. Egresado de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos Magíster en Educación Superior por la Universidad de San Martín de Porres. Doctorado en Medicina. Universidad Federico Villarreal Profesor de Posgrado de la Facultad de Medicina Humana de la Universidad San Luis Gonzaga de Ica, Perú.

• Capítulo 8. Temperatura y calor
• Capítulo 9. Temperatura y calor en medicina
• Capítulo 10. Física del sonido
• Capítulo 11. Física de la luz, el color y la visión
• Capítulo 12. Bioelectricidad.............................................................................
• Índice

Agradecimientos

La gratitud es un dulce compromiso permanente con las personas que le dan un sentido cabal a nuestras vidas, es una especie de atadura permanente que nos lleva hacia un propósito de mejoramiento constante de nuestra existencia, originando un deseo de honra hacia quienes nos brindan lo mejor de sí para enriquecer la nuestra, estando siempre allí, creyendo en nosotros, consolándonos, dándonos ánimo, corrigiendo nuestros errores y sobre todo brindándonos el aprecio y amistad que hace que nuestra vida se colme de felicidad. Al Dr. Pedro Larrea Ramírez, uno de los más admirados maestros de medicina de mi generación. El destino en una inusual demostración de máxima generosidad ha hecho que su consejo acertado y su amistad se me brinden de manera cotidiana. A mis amigos y colegas doctores, Iván Vojvodic Hernández, Leonidas Unzueta Rozas, Arturito Pareja, Lucho Vidal Neira, Fernando Carranza Quispe y Melitón Arce Rodríguez, gestores cotidianos del mejor trabajo académico que se lleva a cabo en las facultades de medicina del Perú. Un especial agradecimiento a mi amigo el Dr. Enrique Ruiz Mori, con el que cualquier empresa, por imposible que parezca, se puede lograr. Y finalmente, pero no por eso con menos cariño, a mi mejor amiga, la doctora Nelly Borra Toledo, quien tuvo la gentileza y arduo trabajo de corregir este libro. A todos ellos muchas gracias.

Dr. Luis Yushimito Rubiños

Prólogo

Biofísica es el nombre del presente texto que trata de ayudar a la formación en ciencias básicas a nuestros estudiantes de las profesiones médicas, e intenta también estar en concordancia con el desarrollo académico moderno. El origen de este texto está en las cotidianas clases que dictamos cuando estuvimos en la jefatura de la asignatura de física médica, cumpliendo con el encargo de "reformular" la enseñanza de la física en las Facultades de Medicina en el Perú. Las interrogantes que surgieron fueron absueltas por nuestro equipo de trabajo compuesto por distinguidos profesores universitarios y nuestros más destacados alumnos. Resultaron así los doce capítulos que componen el presente libro, cada uno de los cuales trata de aportar las bases físicas para una adecuada comprensión de los eventos fisiológicos que son de gran importancia en nuestra profesión. Creemos sinceramente que es un valioso aporte a la educación médica nacional y mundial. Me llena de un legítimo orgullo ver cómo nuestra presencia académica crece y se mantiene enhiesta y orgullosa de sus valores. Les agradezco de antemano los comentarios y sugerencia que tengan a bien hacernos llegar, para ello remítanse, a la siguiente dirección: luisyushimito@gmail.com

Dr. Luis Yushimito Rubiños

Introducción al Sistema Internacional

de Unidades

“Para la ciencia, el conocimiento también implica medir, cuando uno mide

conoce más al objeto de su estudio o investigación".

Lord Kelvin

OBJETIVOS DEL CAPÍTULO

Luego de la lectura y análisis del capítulo usted podrá:

1.1.1.1.1. Conocer la historia de los sistemas de medida. 2.2.2.2.2. Saber el origen del sistema métrico decimal. 3.3.3.3.3. Conocer y utilizar el Sistema Internacional de Unidades. Complementar con ejercicios que promuevan lo estudiado y que permitan el manejo adecuado de las reglas de aplicación.

ANTECEDENTES

La importancia de la física en el mundo moderno es de gran trascendencia, muchos de los avances destacados en la ingeniería y en todo orden de cosas se debe al mayor conocimiento del hombre sobre la materia, esto se aplica obviamente también a la medicina. Uno de los aspectos que implica el estudio de la física es la medición. Desde que el hombre razona, compara, y desde que compara de alguna forma mide. Claro que al principio de las cosas el hombre inventaba sus propias unidades de medida; así, los incas utilizaban el topo, los egipcios una unidad equivalente a la “cuarta”, que era la longitud de la mano extendida del faraón, y así por el estilo. También los reyes o líderes de alguna nación creaban las

metro - gramo - segundo (CGS). En 1889 se declaró que el prototipo del kilogramo debería reconocerse como la unidad de masa, lo que motivó el desarrollo de la segunda forma del sistema métrico. Las unidades de base eran el metro, el segundo y el kilogramo-fuerza. El nombre de este último se usó en una etapa posterior para diferenciar la unidad de fuerza de la unidad de masa.

Otras unidades

En 1902, el físico italiano Gaetano Giorgi señaló que si el metro, el kilogramo y el segundo fueron reconocidos como unidades de base, las unidades prácticas de corriente eléctrica, tensión, energía y potencia, podrían estar conectadas con esas unidades por un sistema sencillo y coherente, siempre que se seleccionará una (cuarta) unidad eléctrica de base. Después de muchos años su propuesta fue aceptada, y llevó a la definición del Ampere (en honor a Andrés María Ampere, notable físico francés) como unidad de la intensidad de la corriente eléctrica. Así nació el sistema metro- kilogramo segundo-- Ampere, también conocido como sistema MKSA. En la misma conferencia de 1948, el Joule fue sancionado en lugar de la caloría y el nombre grado Celsius en vez de grado centígrado. Se decidió además que en números de muchas cifras, éstas deben separarse en grupos de tres mediante espacios entre ellos, en vez de comas y/o tildes.

EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

En 1960, este sistema (métrico) de unidades fue reconocido como el Sistema Internacional de Unidades, y se simboliza como SI. Finalmente, en la reunión de la CGMP de octubre de 1971, la séptima unidad base fue admitida al Sistema Internacional. Así, el mol se estableció como unidad de sustancia; un mol = 6 023 10 23 partículas. Luego de este breve resumen se puede concluir lo siguiente:

• •••• El SI es el producto lógico final de la evolución del sistema métrico a través de los años, y como tal, sustituye todas las otras formas del Sistema Métrico Decimal.
• •••• El sistema métrico es un sistema dinámico que continuamente se está mejorando, no solamente en relación con lasdefiniciones científicas de sus unidades, las que han evolucionado de la mano con el desarrollo tecnológico y científico de los métodos de medición, sino también por la adición de nuevas unidades, nuevos nombres para unidades antiguas y por la revisión y actualización que pretende hacer del sistema lo más sencillo posible.

¿Y qué ocurre en los diversos países?

Tómese a Perú como un ejemplo. En ese país ¿qué organismo se encarga de todo esto? El Sistema Legal de Unidades de Medida de Perú (SLUMP), establecido mediante la ley 23560 el 31 de diciembre de 1982, adoptó el Sistema Internacional de Unidades (SI) como un dispositivo legal que norma todas las actividades de medición y control, de acuerdo con las necesidades y posibilidades técnicas del país, ésta derogó la ley que establecía el Sistema Métrico Decimal para toda clase de pesos y medidas (1982). El SLUMP tiene como base, e incluye totalmente en su estructura, al Sistema Internacional de Unidades (SI); por tanto, engloba todas las carac- terísticas de éste, una de las cuales es que el SI es el resultado de la con- cordancia internacional en cuanto al uso de unidades de medida, por lo que está siendo adoptado por casi todos los países del mundo. Es importante mencionar que el SI es la versión más moderna y evolucionada del Sistema Métrico Decimal. Su implementación total en el mundo será sumamente beneficiosa porque constituye uno de los factores principales para lograr la racionalización, sistematización, simplificación y adecuado desarrollo de las actividades educativas, comerciales, científicas y tecnológicas del país. El Instituto Nacional de Defensa de la Competencia y de la Protección de la Propiedad Intelectual, INDECOPI (noviembre de 1992), tiene por encargo a través del Servicio Nacional de Metrología, difundir el SLUMP y absolver las consultas que formulen los organismos del sector público y privado. El Servicio Nacional de Metrología (SNM) tiene por función custodiar, conservar y mantener todos los patrones nacionales, así como los métodos patrón de referencia de acuerdo con las necesidades del país. Para esta fun- ción, el SNM cuenta con laboratorios metrológicos debidamente acondi- cionados, y que a su vez le permite ofrecer servicios de calibración a la industria, ciencia y comercio en general.

MÚLTIPLOS Y SUBMÚLTIPLOS DE LA UNIDAD SI

Si las cantidades se expresaran solamente en unidades del Sistema Internacional, se tendrían que utilizar números con muchas cifras para indicar cantidades de uso común y diario. Así, no sería práctico que un au- tomovilista expresará la distancia entre Lima y Arequipa como 1 200 000 m, 0 que tenga que recordar que las llantas de un carro deben inflarse hasta una presión de 200 000 Pa. Igualmente, no es práctico que un médico, enfermero u otro profesional de la salud deba pensar en términos de 0.000 205 m^3 de suero y que el ama de casa deba recordar que en la receta de una comida hay un ingrediente cuya

ESTRUCTURA DEL

SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

Las unidades del SI se clasifican en las siguientes clases:

• •••• Unidades de base.
• •••• Unidades derivadas.
• •••• Unidades suplementarias.

Además, se pueden formar múltiplos y submúltiplos decimales de cada unidad mediante el uso de prefijos.

Definiciones de las unidades de base del SI.

Metro El metro (m) es la longitud del trayecto recorrido en el vacío por un rayo de luz en un tiempo de 1/299 792 458 seg.

Segundo El segundo (s) es la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo cesio 133.

Kilogramo El kilogramo (kg) es la unidad de masa igual a la masa del prototipo inter- nacional del kilogramo.

Ampere El ampere (a) es la intensidad de corriente constante que, mantenida en dos conductores paralelos rectilíneos, de longitud finita, de sección circular despreciable y que estando en el vacío a una distancia de 1 m, el uno del otro, produce entre estos conductores una fuerza igual a 2 x 10-7^ newton por metro de longitud.

Candela La candela (ca) es la intensidad luminosa en una dirección dada de una fuente que emite radiación monocromática de frecuencia 540 x 10^12 hertz y de la cual la intensidad radiante en esa dirección es 1/ 683 watt por este- reorradián.

Kelvin El kelvin (k), unidad de temperatura termodinámica, es la fracción 1 / 273,

de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.

Mol El mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kg de carbono 12.

Unidades fuera del SI, reconocidas por el CIPM^1 para uso general

Unidades de base del SI

Magnitud Unidad Símbolo Longitud metro m Masa kilogramo kg Tiempo segundo s Intensidad de corriente eléctrica ampere A Temperatura termodinámica kelvin K Intensidad luminosa candela cd Cantidad de sustancia mol mol

Magnitud Unidad Símbolo Definición Tiempo minuto min 1min= 60 s hora h 1 h = 60 min día d 1 d = 24 h

Ángulo plano grado

O 1° = (n/180) rad minuto ) 1' = (1/60)° segundo » 1” = (1/60)' Volumen litro L 1 L = 1 dm^3 Masa tonelada t 1 t = 10^3 kg (^1) CIPM: Comité Internacional de Pesos y Medidas.

Prefijos del SI

Submúltiplos:

¿CÓMO SE USAN LOS PREFIJOS?

Se escribe el prefijo y a continuación el símbolo de la unidad (sin dejar espacio). Por ejemplo, para el caso del metro, en vez de escribir 35 000 000 metros escribimos 35 megametros, o 35 Mm. Así mismo, en lugar de escribir 0,027 metros, se escribe 27 milímetros, o 27 mm.

Los múltiplos Los submúltiplos

hecto h deci d deca da centi c

Múltiplos:

Prefijo Símbolo Factor Equivalente yotta Y 10 24 1 000 000 000 000 000 000 000 000 zetta Z 10 21 1 000 000 000 000 000 000 000 exa E 10 18 1 000 000 000 000 000 000 peta P 10 15 1 000 000 000 000 000 tera T 10 12 1 000 000 000 000 giga^ G (^10 9) 1 000 000 000

mega M 10 6 1 000 000 kilo K 10 3 1 000 hecto h (^) 10 2 100 deca da (^) 10 1 10

Prefijo Símbolo Factor Equivalente deci d 10 -^1 0, centi c 10 -^2 0, mili (^) m 10 -^3 0, micro P 10 -^6 0,000 001 nano n 10 -^9 0,000 000 001 pico p^ 10 -^12 0,000 000 000 001 femto f 10 -^15 0,000 000 000 000 001 atto a 10 -^18 0,000 000 000 000 000 001 zepto z 10 - 21 0,000 000 000 000 000 000 001 yocto y^ 10 - (^24) 0,000 000 000 000 000 000 000 001

No son prefijos preferidos, por lo que sólo se deben emplear con las unidades de superficie y de volumen.

TABLA DE CONVERSIÓN O EQUIVALENCIA

De unidades de medida de otros sistemas de unidades equivalente al SI

Observación importante

Dos unidades de base (kelvin y ampere) tienen el nombre de dos científicos, por consiguiente, el símbolo de estas unidades se escribe con letra mayúscula; pero cuando se escribe el nombre completo, se debe usar letra minúscula, a no ser que aparezcan al comienzo de una frase o después de un punto ortográfico. Lo anterior puede sintetizarse expresando que el nombre de las unidades se considera desde el punto de vista gramatical como sustantivos comunes, por consiguiente, sujetos a todos los accidentes gramaticales propios de esa categoría; en cambio cuando se emplea el símbolo, no se debe pluralizar ni alterar en ninguna forma. Los símbolos NO son ABREVIATURAS por tanto, no pueden ser alterados de ninguna manera, tampoco deben llevar PUNTO

de abreviatura (p. ej., mts. es incorrecto, y m es correcto).

Para convertir a Multiplicar por

Caballo de fuerza watt (W) 7,456 999 x 10^2 (550 lbf.pie/s)(horsepower) Caballo de vapor

watt (W) 7,354 99 x 10^2

Galón (UK) metro cúbico (m^3 ) 4,546 09 x 10-^3 Galón (USA líquido) metro cúbico (m^3 ) 3,785 412 x 10-^3 Galón (USA seco) metro cúbico (m^3 ) 4,404 884 x 10-^3 Kilogramo fuerza (kgf) newton (N) 9,806 65 Libra (avoirdupois)(UK,USA) kilogramo (kg) 4,535 923 7 x 10-^1 Libra fuerza por pascal (Pa) 6,894 757 x 10-^3 pulgada cuadrada milla (internacional) (mile) (terrestre)

metro (m) 1,609 344 x 10^3

pie (ft) metro (m) 3,048 x 10 -^1 pulgada (inch) metro (m) 2,54 x 10-^2 yarda (yd) metro (m) 9,144 x 10 -^1

Ejemplo: Correcto Incorrecto m (metro) mts, mt, Mt, M kg (kilogramo) kgs, kgr, kgra, kilo, Kg, Kgr g (gramo) gr, grs, Grs, gm L o l (litro) lts, lt, Lt K (kelvin) °k, °K cm^3 (centímetro cúbico) cc, cmc, c.c. km / h (kilómetro por hora) kph, kmh, km x h

3. Las unidades cuyos nombres son de científicos no se deben traducir, deben escribirse como en el idioma de origen.

Ejemplo: Correcto Incorrecto newton niutonio watt vatio joule julio ampere amperio

REGLAS PARA USAR SÍMBOLOS

1.1.1.1.1. Cada unidad y cada prefijo tiene un solo símbolo, y éste no puede ser alterado de ninguna forma. No se pueden usar abreviaturas.

Ejemplo: Correcto Incorrecto 10 cm^3 10 cc 30 kg 30 kgs 5 m 5 mts 10 t 10 TON

2.2.2.2.2. Todos los símbolos de las unidades del SI se escriben con letras minúsculas del alfabeto latino, con la excepción del ohm (Q) letra omega del alfabeto griego. Los símbolos que provienen del nombre de científicos también son una excepción, y deben escribirse con mayúscula.

Ejemplo:

kilogramo kg candela cd ampere A Ohm Q

Ejemplo: