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Fundamentos Fundamentos Físicos Físicos
de de HemodinámicaHemodinámica
M.Sc. Adolfo Castillo MezaM.Sc. Adolfo Castillo MezaDepartamento de Física, Informática y Departamento de Física, Informática y
MatemáticasMatemáticasUPCH UPCH
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Propiedades de líquidos y gasesPropiedades de líquidos y gases
S
n
TT ’
T ’
Sobre el elemento de superficie S actúan tangencialmente las tensiones T ’ , originando una resultante T.
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La tensión actuante sobre la superficie será:
S
TP
nPn
Por otro lado:
knPjnPinPnP zzyyxx
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Multiplicando escalarmente por i, j y k sucesivamente se obtiene que:
zyx PPPP
Es decir, en equilibrio, en cada punto la presión es igual (Ley de Pascal)
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Ecuaciones de Equilibrio y Ecuaciones de Equilibrio y MovimientoMovimiento
P(x)
P(x + dx)
dx
dSdxxPxPdFx )]()([
La fuerza elemental que actúa sobre el elemento de fluído es originada por la diferencia de presiones entre los extremos:
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Pero: dxx
PdxxPxP
)()(
Entonces:
dVx
PdSdx
x
P
De modo que podemos definir
x
Pf
dV
dFx
x
Fuerza por unidad de volumen
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Por analogía definimos las restantes dos componentes:
z
Pf
y
Pf
x
Pf zyx
;;
y
Pgradf
kz
Pj
y
Pi
x
Pf
Ecuación fundamental de la Ecuación fundamental de la hidrostáticahidrostática
Fuerza que
actúa sobre el líquido
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Por III Ley de Newton, de parte del líquidode parte del líquido actuará una fuerza:
Pgradestando el sistema en equilibrio. Si no está en equilibrio su ecuación de movimiento será (expresada por unidad de voumen):
Pgraddt
vd
Pgrada
ECUACION DE EULER
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Si el líquido se halla en un campo gravitacional, en equilibrio:
gf
Por componentes: gz
P
y
P
x
P
;0
E integrando a lo largo del eje OZ: zgPP o
P(0) – Presión atmosférica a nivel del mar
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De la ecuación de Mendeleev:
RT
P
tenemos:
zRT
gPP
dzRT
g
P
dP
zTTPRT
g
dz
dP
o
exp
)(,
FORMULA BAROMETRICA
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Para líquidos en movimiento:
S1
S2
v1
v2
Volumen 1 = Volumen 2
constvSvS
dtvSdtvS
2211
2211
Se obtiene la ECUACION DE ECUACION DE CONTINUIDADCONTINUIDAD.
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h1
h2
h
v1
v2
En términos de energía y trabajo:
AEE 12
donde:
E2- Energía mecánica total en 2
E1- Energía mecánica total en 1
A – trabajo de las fuerzas externas que trasladan la masa de líquido de 1 a 2
S1
S2
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Recordemos que E = K + U, de modo que:
222
111
²2
1
²2
1
mghmvE
mghmvE
y el trabajo total, realizado por las fuerzas originadas por la diferencia de presiones entre los extremos del tubo, será:
)()( 222111
2211
tvSPtvSP
lFlFA
Trabajo parcial en 1 –
Trabajo parcial en 2
Trabajo parcial en 1 – Trabajo parcial en 2
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Igualando ambos miembros de la ecuación de energía:
112122
22 2
1
2
1PghvPghv
volumenVtvStvS )()( 2211
Pero:
De modo que, finalmente, al dividir todos los términos por V:
)()(2
1
2
12221111
212
22 tvSPtvSPmghmvmghmv
Ecuación de Bernoulli
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Donde:
i
i
i
P
gh
v
2
2
1 Presión dinámica
Presión manométrica de la columna de líquido
Presión registrada en el extremo del tubo
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Si h1 h2:1
212
22 2
1
2
1PvPv
Y para un tubo curvo:
S1
S2
v1
v2
F ’
F
dt
vmd
dt
pddt
pd
dt
pd
)(
0'
Ley de conservación de momentum, consecuencia de la III Ley de Newton para un sistema cerrado.
Ley de Conservación de Momentum
Ley de Conservación de Momentum
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Entonces:
)(
0
)(
,:
.
.
12
12
2112
2222
1111
vvSvFdt
pd
t
tvvSvp
vvvSSSpero
vtvSp
vtvSp
Fuerza que actúa sobre el punto de inflexión del tubo.
Fuerza que actúa sobre el punto de inflexión del tubo.
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VISCOSIDADVISCOSIDADTomemos dos placas de superficie S situadas a una distancia h una de la otra, y asumamos que la placa superior se mueve con velocidad vo y la inferior permanece en reposo.
vo
h
F
-F
S
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vo
h
F
-F
S
La fuerza con la cual la placa inferior se opone al movimiento será (por módulo) proporcional a la velocidad relativa de desplazamiento vo, la superficie de las placas S, e inversamente propocional a la distancia h entre ambas. Esto fué establecido experimentalmente por Newton.
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Es decir:
h
vSF o
Coeficiente de
Rozamiento interno
Y si ambas placas se mueven con velocidades colineales v1 y v2:
h
vvS
h
vSF rel 12
Nótese que aparece una dependencia de la velocidad respecto a la distancia entre placas
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Sea: yh
y
vSF
Podemos reescribir la expresión anterior como
Y en el límite, cuando y 0:
dy
dvS
dy
dvSF x
La velocidad longitudinal varía respecto al eje perpendicular OY (altura)
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Tomemos un tubo recto donde la corriente es estacionaria:
P(x)
P(x + dx)
R
dx
S
En este caso, tanto la superficie transversal como la lateral S serán funciones de r, y la velocidad también.
)(),(),( rvvrSSr
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La fuerza elemental de rozamiento (viscosidad) actuante en función de r será:
dr
dvrdxdF 2
Superficie lateral S del cilindroY entre las bases del cilindro actuará una
fuerza elemental neta:
dxdx
dPrdF
dxxPxPdF
²
.)()(
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Como la corriente es estacionaria, quiere decir que F = 0, entonces:
dx
dPr
dr
dv
dxdx
dPrdx
dr
dvr
2
²2
Además,
l
PP
dx
dP 12 en virtud de que la corriente analizada es estacionaria, y como consecuencia el comportamiento de la presión es lineal respecto a x. Aquí l es la longitud del tubo.
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Llegamos a la ecuación diferencial:
rdrl
PPdv
221
Integrando con los límites respectivos:
²²4
)(
²²4
)(
2
12
210
rRl
Prv
rRl
PPrv
rdrl
PPdv
R
rv
1. La velocidad máxima se alcanza en r = 0, en el eje longitudinal .
²4max Rl
Pv
2. La distribución de velocidades respeto a r es parabólica:
R
-R
X
r
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En cuanto al “gasto” de líquido, es decir, masa de líquido que atraviesa la superficie S en una unidad de tiempo:
4
0
8
²)²(4
2
2
²,
Rl
PQ
rdrrRl
PQ
rdrvdQ
rSvdS
dQ
R
Ley de Ley de PoisellePoiselleLey de Ley de PoisellePoiselle
Analice los límites del sistema circulatorio a la luz de la relación encontrada.
Analice los límites del sistema circulatorio a la luz de la relación encontrada.
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Número de ReynoldsNúmero de ReynoldsUna corriente puede ser laminar, si las líneas de velocidad de las partículas no se cruzan, o turbulentas en caso contrario.
El tipo de carácter de la corriente está determinado por el valor del Número de Reynolds.
Si Re 2000 o mayor, la corriente es turbulenta
vDRe
Diámetro del tubo
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Sistema circulatorio – Efecto Fahraeus - Linqdvist
En vasos delgados, la sangre se comporta como si fuera solamente plasma.
Los eritrocitos se acumulan hacia el eje, por lo que la viscosidad se incrementa hacia el centro
La gradiente de velocidad se invierte, moviéndose el líquido más rápido cerca de las paredes
Al “reducirse” la viscosidad, la diferencia de presión necesaria para mantener el flujo es menor.
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Sistema circulatorio – Efecto Fahraeus - Linqdvist
En vasos más pequeños (5 - 7m):
Los eritrocitos copan el vaso deformándolo, el movimiento se produce como una oruga.
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Comparación entre el comportamiento de un líquido ideal y la sangre
Si bien los capilares son delgados, están agrupados en paralelo, lo que hace que su sección total sea mayor. Por Ley de Bernoulli:
constghvP ²2
1
Velocidad (cm/s) Presión (mm Hg)
50
40
30
20
10
0
120
80
40
Curva Teórica
Curva real
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En forma más detallada:
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CapilaridadCapilaridad
Tomemos una superficie a la cual trataremos de manetener estirada, evitando que tome su forma natural (esférica). Para ello aplicaremos una fuerza f tangente a la superficie y perpendicular a la línea de separación del medio (de longitud l):
fl
lf
Coeficiente de Tensión superficial
= ( T )
Tensión SuperficialTensión Superficial
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El trabajo elemental a realizar para expandir (sin incremento de temperatura) el área en una longitud dx será:
l
dx
f dS
ldxfdxdA
Pero dA se va completamente en incrementar la energía de la película en dE:
dS
dE
dSdE
Energía libre (parte de la energía que puede
transformarse en trabajo por vía isotérmica)
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Ejemplo: Tomemos n gotas de 2.10-3 mm de radio (r) y formemos una sola gota de R = 2mm.
22
21
12
22
21
.4
)(
4
.4
Rnr
SS
SSA
RS
nrS
Pero Volumen 1 = Volumen 2
3
3
33
3
4
3
4
r
Rn
Rnr
Trabajo de compresión, S2 < S1
1²4r
RRE
Para el agua = 73 dinas/cm.
JE 310.5.3
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Presión debida a la curvatura de una Presión debida a la curvatura de una superficie libre:superficie libre:En un campo gravitacional, toda superficie tiende a ser plana. En caso de encontrar un límite físico (p.e. las paredes de un vaso) al tender a ser plana puede ocurrir cualquiera de las siguientes situaciones:
Superficie convexa
La superficie presiona sobre las capas inferiores, sobrepresión positiva
Superficie cóncava
La sobrepresión es negativa, pues la capa superior “tira” de las capas inferiores
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Veamos cuál es la magnitud de esta sobrepresión para una superficie esférica, para lo cual analizaremos un casquete de superficie S:
df df
R
R
r
dl
Para la figura:
dldf
Pero es df la
que ejerce la presión sobre el líquido
dl
dfdf
sin
sin
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Entonces, para todo el contorno:
R
rf
R
rpero
rf
dldffL L
22
sin:
2sin
sin
La presión actuante será:
RrR
rP
r
f
S
fP
22
2
2
2
La presión es inversamente proporcional al radio de la esfera. A menor radio, mayor presión actuante para un mismo
![Page 39: Fundamentos Físicos de Hemodinámica M.Sc. Adolfo Castillo Meza Departamento de Física, Informática y Matemáticas UPCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062301/5665b45d1a28abb57c90e91e/html5/thumbnails/39.jpg)
¿En qué dirección cree que fluirá el aire?
En este caso, guiarse por el radio es mala idea. El aire fluye de donde hay mayor presión a donde hay menor presión.
¿Por qué tenemos bronquiolos y alveolos pulmonares en lugar de tener solamente el pulmón como un sistema de fuelle?
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Para una superficie cualquiera, la sobrepresión es:
R1
R2
1
2
21
11
RRP
Para un clindro:
RP
¿Qué pasa en los capilares?
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Una vez analizado el líquido, veamos que ocurre cuando el líquido está en contacto con un cuerpo sólido (las paredes del recipiente).
En este caso extstirán dos tipos de fuerzas:
1. Entre las moléculas del mismo líquido
2. Entre las moléculas del líquido y el sólido
Posibilidades
1) La fuerza actuante entre las moléculas del líquido es mayor que la fuerza actuante entre ambos cuerpos2) Las fuerzas intermoleculares dentro del líquido son menores que las fuerzas que actúan entre ambos cuerpos.
![Page 42: Fundamentos Físicos de Hemodinámica M.Sc. Adolfo Castillo Meza Departamento de Física, Informática y Matemáticas UPCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062301/5665b45d1a28abb57c90e91e/html5/thumbnails/42.jpg)
Caso 1: El líquido NO moja el sólido. La fuerza resultante está dirigida HACIA el líquido
Esto ocurre cuando , el ángulo de contacto, es mayor o igual a /2. Si = , el líquido no moja en absoluto.
![Page 43: Fundamentos Físicos de Hemodinámica M.Sc. Adolfo Castillo Meza Departamento de Física, Informática y Matemáticas UPCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062301/5665b45d1a28abb57c90e91e/html5/thumbnails/43.jpg)
Caso 2: Las fuerzas de cohesión (entre las moléculas del líquido) son menores que las de adherencia (entre el líquido y sólido). En este caso el líquido moja al sólido. La fuerza resultante está dirigida hacia afuera del líquido.
Cuando el águlo de contacto es menor a /2, el líquido moja al sólido.
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h
R
r
Calculemos a qué altura se elevará una columna de líquido que moja un tubo.
RP
2
Y la presión de la columna: ghP
En equilibrio:
grh
ghr
rRgh
R
cos2
cos2cos
,2
![Page 45: Fundamentos Físicos de Hemodinámica M.Sc. Adolfo Castillo Meza Departamento de Física, Informática y Matemáticas UPCH](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062301/5665b45d1a28abb57c90e91e/html5/thumbnails/45.jpg)
¿Y en este caso, ¿cuál será la altura?
En este caso:
0
0cos
h