EL SISTEMA CIRCULATORIO COMO SISTEMA DE TUBOS

EL SISTEMA CIRCULATORIO COMO SISTEMA DE TUBOS

El aparato circulatorio puede constituir uno de los ejemplos más claros y más asombrosos de sistemas de flujo por tuberías que se puede encontrar ya sea hecho por la naturaleza o por el hombre.

Cada una de sus partes representa un objeto que ya ha sido estudiado por la mecánica de fluidos y por la hidráulica, a lo largo de la historia; tales objetos son bombas, válvulas, tuberías de diámetros constantes, cambios de diámetros en tuberías, la viscosidad en el fluido, la presión en una tubería, la velocidad del flujo, el caudal y el volumen total.

Se pretende dar una breve descripción de dicho aparato, enfocándolo desde la mecánica de fluidos y la hidráulica para ayudar a afianzar ciertos conceptos que tal vez se pueden comprender con mayor claridad cuando se tiene un ejemplo tan presente y tan real como es, en este caso, el aparato circulatorio.

El sistema circulatorio constituye un circuito continuo, en el que el volumen impulsado por el corazón es el mismo volumen que debe circular por cada una de las subdivisiones de la circulación.Puede dividirse en dos partes principales que son el sistema de circulación general y el de circulación pulmonar.

La sangre fluye casi sin resistencia en todos los grandes vasos de la circulación, pero no en arteriolas y capilares. Para que la sangre pueda atravesar los pequeños vasos en que se presenta resistencia, el corazón manda sangre a las arterias a presión elevada (hasta aproximadamente 120 torr).

La sangre es el fluido fundamental del aparato circulatorio. Tiene un olor característco y una densidad relativa que oscila entre 1,056 y 1,066. En un adulto sano la cantidad de sangre en el cuerpo es una onceava parte del peso corporal, de 4,5 a 6 litros. La sangre es varias veces más viscosa que el agua y eso dificulta más su paso por los vasos pequeños; a mayor proporción de células en la sangre mayor la fricción, y es esta fricción la que rige la viscosidad. La sangre puede llegar a ser entre 3 a 10 veces mas viscosa que el agua.

El flujo a través de un vaso sanguíneo depende de dos factores:

1.      La diferencia de presión entre los dos extremos del vaso que es la fuerza que empuja la sangre por el mismo.

2.      La dificultad de la circulación a través del vaso que se conoce como  resistencia vascular.

El flujo a través del vaso se puede calcular por medio de la Ley de Ohm, que indica que el flujo sanguíneo es directamente proporcional a la diferencia de presión e inversamente proporcional a la resistencia 

Q=DP/R 

Por lo tanto, para determinar el flujo sanguíneo no es importante conocer el valor total de las presiones, pero es fundamental conocer la diferencia entre éstas que será la encargada de inducir el flujo de aquel lugar en donde hay más presión a donde hay menos presión.

El flujo de sangre se refiere al volumen de sangre que pasa por un punto determinado de la circulación durante un tiempo fijo. Se expresa en unidades de volumen sobre unidades de tiempo (caudal). El flujo sanguíneo global en la circulación de un adulto en reposo es de unos 5000 ml/minuto y éste es el denominado gasto cardiaco porque constituye el volumen de sangre impulsado por cada ventrículo en la unidad de tiempo. La presión sanguínea representa la fuerza ejercida por la sangre contra cualquier área de la pared vascular.

La aorta al salir del corazón se empieza a dividir en una serie de ramas principales que a su vez se ramifican en otras más pequeñas para lograr llegar a todas las partes del organismo mediante una complicada red de múltiples derivaciones. Este sistema de ramificaciones y uniones se puede interpretar como un sistema de tubos en paralelo que es uno de los objetos de estudio de la hidráulica.

El diámetro de los vasos sanguíneos, a diferencia de lo que ocurre en tubos metálicos o de vidrio, aumenta al elevarse la presión interna porque tales vasos son distensibles.

La distensiblidad vascular se expresa normalmente como el aumento fraccionario de volumen por cada torr que se eleva la presión. 

Tal vez las únicas tuberías capaces de modificar su diámetro de acuerdo a la presión, son las que conforman el aparato circulatorio y son tal vez el único elemento de dicho sistema que el hombre no ha implementado en los sistemas que construye.

La mecánica de fluidos y la hidráulica son ciencias indispensables para el hombre que aplican en la mayoría de los campos, incluso en la medicina como se mostró anteriormente, permitiendo al hombre comprender, analizar y en ciertos casos predecir el comportamiento de ciertos sistemas como es en este caso el aparato circulatorio.

Diversas aplicaciones de estas ciencias se ven a diario, en muchos lugares y situaciones, y a partir de todas esas aplicaciones pueden ser estudiadas para asociarse de una manera más directa y dinámica a los términos y a las situaciones típicas que se presentan en el estudio de los fluidos.

¿PORQUE ES MAS FÁCIL FLOTAR EN AGUA SALADA QUE EN AGUA DULCE?

Después de tener ya todos los anteriores conceptos claros, llega la hora de responder nuestra gran pregunta:

¿Porque es más fácil flotar en agua salada que en agua dulce?

Nunca te has preguntado ¿Por qué cuando te acuestas sobre el mar te es más fácil flotar que sobre la piscina de la casa?

Después de tener claro que la flotabilidad va directamente relacionada con las densidades, se debe tener en cuenta que el agua salada es un 3% más densa que el agua dulce, pues la composición molecular del agua salada es diferente a la del agua dulce, influyendo a su vez en la flotabilidad. Arquímedes fue el primero en comprender que la flotabilidad o fuerza de empuje es igual al peso del fluidos en el que esta desplazad.

Como lo explicamos anteriormente en el concepto de flotabilidad, cuando un objeto es menos pesado que el agua este tiene la capacidad de flotar ya que la presión ascendente del liquido va a ser menor, pero por el contrario cuando el objeto pesa más que esa cifra por pie cubico entonces las fuerzas van a ser mayor y por ende se hundirá.

Como ya sabrás El agua dulce se encuentra en ríos, piscinas, etc. Una forma muy fácil de entender el concepto de la flotabilidad es con el siguiente ejemplo, cuando es joven flotar en la piscina le es más fácil que cuando se pasa el tiempo y se vuelve un adulto, esto se debe a que los jóvenes pesan menos que el espacio que ocupan del agua, mientras que al aumentar los años, con ellos aumenta el peso y a su vez el espacio de agua ocupada  eliminando así                                                 cualquier posible flotabilidad. 

Mientras que en el agua salada que se puede ver en los océanos.  tiene exactamente los componentes salinos en el agua que le brindan una mayor densidad: 29 kilos por pie cúbico. Debido a esta diferencia, es un poco más fácil flotar en el agua salada que en el agua dulce pues el liquido va a tener mayor peso por lo tanto el objeto se va a demorar mas en hundirse.

¿Que pasa al momento de bucear?

Por el contrario, para los busos es mucho mejor ejercer su trabajo en aguas dulces que en aguas saladas, debido a la diferencia de flotabilidad según el tipo de agua, los buzos se tienen que preparar de manera diferente con su equipo. Como el agua salada tiene una resistencia más eficaz, estas personas necesitan pesos más pesados para nadar bajo el agua hacia niveles más profundos. 

En el agua dulce, el buceo es mucho más fácil porque la entrada de peso funciona mejor. Este tema y la cantidad de peso a utilizar varían de persona a persona debido al peso y la habilidad de buceo, así como también el posicionamiento de los pesos que además disponen cómo la flotabilidad afecta el buceo de una persona.

-- Principio de Torricelli

Evangelista Torricelli (Faenza, Italia, 15 de octubre 1608 - Florencia, Italia, 25 de octubre 1647) fue un físico y matemático Italiano.La unidad de presión torr se nombró en su memoria. Enunció, además, el teorema de Torricelli, de importancia fundamental de la hidráulica.

El principio de Torricelli es una aplicación del principio de Bernoulli y estudia el flujo de un líquido contenido en un recipiente, a través de un pequeño orificio, bajo la acción de la gravedad. A partir del teorema de Torricelli se puede calcular el caudal de salida de un líquido por un orificio.

"La velocidad de un líquido en una vasija abierta, por un orificio, es la que tendría un cuerpo cualquiera, cayendo libremente en el vacío desde el nivel del líquido hasta el centro de gravedad del orificio"

Experimentalmente se ha comprobado que la velocidad media de un chorro de un orificio de pared delgada, es un poco menor que la ideal, debido a la viscosidad del fluido y otros factores tales como la tensión superficial, de ahí el significado de este coeficiente de velocidad.

-- Principio de Bernoulli

Daniel Bernoulli (1700-1782) 

Científico suizo nacido en Holanda que descubrió los principios básicos del comportamiento de los fluidos, haciendo importantes contribuciones a la hidrodinámica.

El principio de Bernoulli afirma que la energía de un fluido en cualquier momento, ya sea líquido o gas, consta de tres componentes: 

° Cinético: energía debida a la velocidad que tiene el fluido. 

° Potencial gravitacional: energía debido a la altura que tenga el fluido 

° Energía de flujo: energía debido a la presión que tiene el fluido 

Este teorema afirma que la energía total de un sistema de fluidos permanece constante a lo largo de la trayectoria de flujo. 

Este principio es aplicable a diferentes objetos de la vida cotidiana, como las chimeneas, que son altas para aprovechar que la velocidad del viento es más constante y elevada a mayores alturas. Cuanto más rápidamente sopla el viento sobre la boca de una chimenea, más baja es la presión y mayor es la diferencia de presión entre la base y la boca de la chimenea, en consecuencia, los gases de combustión se extraen mejor.

También es aplicada las tuberías. La ecuación de Bernoulli también nos dice que si reducimos el área transversal de una tubería para que aumente la velocidad del fluido, se reducirá la presión.

El efecto Bernoulli es también en parte el origen de la sustentación de los aviones; Las alas de los aviones son diseñadas para que haya más flujo de aire por arriba, de este modo la velocidad del aire es mayor y la presión menor arriba del ala; al ser mayor la presión abajo del ala, se genera una fuerza neta hacia arriba llamada sustentación, la cual permite que un avión se mantenga en el aire.

DINÁMICA DE FLUIDOS

"Se centra  principal mente a determinar la fricción que ofrece el mismo dependiendo del grado de viscosidad del mismo. Los fluidos ideales cuya viscosidad es nula o despreciable, en su comportamiento no se observa esfuerzos de corte y por lo tanto no existen fuerzas de fricción con las paredes de los sólidos. "

- HIDRODINÁMICA: Estudia la dinámica de los fluidos incomprensibles, es decir es la encargada del estudio del comportamiento y las leyes de los líquidos en movimientos.

Para que la hidrodinámica pueda llevar a  cabo sus funciones es necesario que los líquidos a estudiar cumplan con los siguientes caracteres:

•     Que el fluido sea un líquido incomprensible.
•     Que su densidad no varié si le agregamos presión.

Fluido

Un fluido es una sustancia o medio continuo que se deforma continuamente ante la aplicación de una solicitación o tensión tangencial sin importar la magnitud de ésta.

- TENSIÓN SUPERFICIAL: 

Se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. Esto implica que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie.

Ejemplo de tensión superficial en la vida diaria: una ajuga de acero sobre el agua.

-- Principio de Arquímedes

Arquímedes de Siracusa 287 a. C. – 212 a. C.) 

Fue un matemático griego,físico, ingeniero, inventor y astrónomo. Aunque se conocen pocos detalles de su vida, es considerado uno de los científicos más importantes de la antigüedad clásica. Entre sus avances en física se encuentran sus fundamentos en hidrostática, estática y la explicación del principio de la palanca.

«Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja». 


Esta fuerza recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en newtons (en el SIU). 

El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desplazado por dicho cuerpo. Esto explica por qué flota un barco muy cargado; el peso del agua desplazada por el barco equivale a la fuerza hacia arriba que mantiene el barco a flote.

El principio de Arquímedes es aplicado para determinar el volumen de distintos sólidos, además se utiliza en la navegación marítima y en el estudio de la legitimidad de las joyas.

-- Principio de Pascal

Recibió ese nombre en honor a Blaise Pascal, un Filósofo, físico y matemático francés nacido en 1623, quien dijo que:

  “un fluido encerrado en un recipiente al aplicarle una presión dicha presión de trasmite en todos los sentidos y direcciones, quiere decir que la presión no va en una sola dirección, si no que va ocupando todo el espacio que se tiene .” 

Con tan solo 18 anos este gran físico descubrió este principió y en su honor se nombre la unidad SI de presión, el Pascal.

El principio de Pascal se aplica en la hidrostática para reducir las fuerzas que deben aplicarse en determinados casos. Un ejemplo del Principio de Pascal puede verse en la prensa.

El principio de Pascal se utiliza mucho en la vida diaria, bien sea al frenar el carro puesLa presión que se ejerce sobre el pedal del freno se transmite a través de todo el líquido a los pistones, los cuales actúan sobre los discos de frenado en cada rueda multiplicando la fuerza que ejerzamos con los pies, por otro lado también se puede ver sus aplicaciones en las prensas hidráulicas, en los gatos y en otros; la cual se les aplica la presión a dos columnas y permite que los líquidos transmitan la presión en las mismas direcciones.

     

ESTÁTICA DE FLUIDOS

'"La estática de los fluidos estudia las condiciones bajo las cuales un fluido está en reposo, es decir que por tanto no halla escurrimiento, entonces el fluido estará estático o se moverá como un cuerpo rígido, por tanto no habrá corte ; entonces como no hay fuerzas externas no importara si el fluido no tiene forma definida"

-HIDROSTÁTICA: Como su nombre lo dice 
es  la rama de la mecánica de fluidos que estudia los líquidos en equilibrio, es decir que se encuentran en reposo sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición. Dentro de esta rama de la mecánica de fluidos se encuentran inmersos los principios de Pascal y Arquímedes que en la vida cotidiana son muy destacados por su utilidad.

El Principio Fundamental de la Hidrostática propone que al hundirnos bien sea en un liquido o gas, la presión es proporcional a la profundidad a la que se encuentre, siendo la presión la fuerza ejercida por un recipiente sobre una superficie.

Nunca te has preguntado porque al sumergirte se te tapan los oídos?

El principio de presión establece que la profundidad es directamente proporcional a la presión, a mayor profundidad, la presión será mayor. La presión de un liquido también se ve relacionada con la densidad de un liquido, por lo tanto se puede expresar de la siguiente manera:

Presión del liquido = densidad del peso x profundidad

Un dato importante es que la presión no depende de la cantidad del liquido en el que se este sumergido, pues da lo mismo si hundes la cabeza un metro en la piscina, a que hundas la cabeza el mismo metro en un lago muy grande.

A fin de cuentas se puede decir que la presión de los liquidos no es solo hacia abajo, también actua hacia los lados y hacia arriba, estableciendo que la presion de los liquidos se ejerce igual en todas las direcciones.

-Presión: la presión es la magnitud que relaciona la fuerza con la superficie sobre la que actua, es decir:

P = F/A

Por la definición de presión vemos que su unidad debe estar dada por la relación entre una unidad de fuerza y una unidad de área. En el SI la unidad de fuerza es 1 N  y la del área,1m². Entonces en este sistema la unidad de presión será 1 N/m².

-FLOTABILIDAD: Es la perdida aparente de peso que tienen los objetos sumergidos en un liquido.

Proviene del principio de Arquímedes donde dice que “tal principio sostiene que un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibirá un empuje de abajo hacia arriba que será igual al peso del volumen del fluido que desaloja”

Por otro lado la fuerza de flotabilidad es aquella que aparece cuando los cuerpos están sumergidos en un liquido de abajo hacia arriba y contrario al peso cuerpo, siendo una consecuencia del aumento con la profundidad.

Para que un objeto flote sobre un líquido o un gas el objeto debe tener menor densidad que el líquido, que al ser sumergido a profundidades iguales los vectores de los lados se anulan demostrando que no existe la fuerza de flotabilidad horizontal.

Sin embargo para hablar de flotabilidad se debe tener muy claro el concepto de VOLUMEN DEL AGUA DESPLAZADA, el cual menciona que al sumergir una piedra a un recipiente con agua, el liquido derramado debe tener el mismo volumen que la piedra o siendo a su vez el espacio ocupado por la misma.  “Un objeto totalmente sumergido siempre desplaza un volumen de liquido igual a su propio volumen”

¿QUÉ ES LA MECÁNICA DE FLUIDOS?

Como sabemos, la mecánica de fluidos estudia las propiedades de los líquidos y de los gases, pero también las fuerzas que provocan e influyen en este movimiento.

 La mecánica de fluidos puede dividirse en dos importantes aspectos:

ESTÁTICA DE FLUIDOS: Se ocupa de los fluidos en reposo, es decir, sin que existan fuerzas que alteren su posición.

DINÁMICA DE FLUIDOS: Se ocupa de los fluidos en movimiento, es decir que están bajo fuerzas que alteran su posición.

INTRODUCCIÓN

En este Blog conocerás todos los principios, leyes y propiedades que abarcan la mecánica de fluidos, mejor conocida como la hidráulica.

¿Alguna vez te has preguntado por qué flota un barco o por qué vuelan los pájaros? Esto se debe a la mecánica de fluidos, que es la rama de la física que se ocupa del movimiento de los fluidos y las fuerzas que los provocan. 

En el caso de los líquidos se denomina hidráulica y en la de los gases se llama neumática. Los fluidos se dividen en líquidos y gases, y comparten una característica en común: son incapaces de resistir esfuerzos constantes y es por eso que no tienen ninguna forma definida.

La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, la ingeniería química, civil e industrial, la meteorología. las construcciones navales y oceanografía.