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Preparatoria Colegio Franco Ingles A.C
Clave 1034
Título del proyecto
“ME LATE POR LA FÍSICA: PRINCIPIO MECÁNICO DEL CORAZÓN”
Tercer Congreso Estudiantil de Investigación del Sistema Incorporado 2015
Clave de registro del proyecto:
CIN2015A50041
Autoras:
Carrillo Lozano Melissa
Márquez Muciño Clara
Rodríguez Gallegos María Fernanda
Asesoras:
Araujo Monroy Celia – Gutiérrez Torres Aurora del Pilar
Área de conocimiento: Física – Educación para la salud
Tipo de investigación: Experimental
Lugar y fecha: México, D.F. Febrero de 2015
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RESUMEN
En este trabajo se pretende demostrar como la intervención de la física es elemental en
el funcionamiento de nuestro cuerpo, .en el cual rige para que en nuestro corazón, una
bomba de circulación realice el intercambio de sangre entre las cámaras. Queremos de
manera ilustrativa, observar el funcionamiento del corazón mediante un dispositivo que
lo simule.
Conectamos cuatro bolsas de suero, ahora rellenas de agua entre sí, las cuales dieron
lugar a las cámaras. La esencia del corazón funciona como una bomba de circulación,
la cual permite un flujo de líquido, capacidad que pudo ser plasmada con una bomba de
agua externa, para mover el agua a través de las cámaras.
La ultima característica cardiaca, pero no menos importante, son las contracciones que
hay entre cada latido. Este fenómeno lo pudimos simular con una fuente de energía de
variación de frecuencia, la cual debería ser capaz de suministrar y detener el flujo de
voltaje en la bomba para alterar el flujo. Después de montar el sistema, se necesita ser
ambientado como el mediastino, cavidad anatómica en la que se alberga el corazón
humano.
Con este proyecto nuestro principal objetivo es enseñar como la física nunca deja de
estar relacionada con nuestra vida, no importa qué carrera elijamos, o lo peleados que
estemos con la ciencia, esta rige desde las actividades más triviales en nuestro
alrededor, hasta el buen funcionamiento de nuestro cuerpo, en nuestros pulmones,
riñones, y el corazón. Este experimento demuestra como la física corre por nuestras
venas.
Palabras clave:
Corazón/ Física/ Gradiente de presión/ Bomba/ Flujo/ cámaras cardiacas
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SUMMARY
This project aims to demonstrate how the intervention of physics is elementary in the
functioning of our body, which governs in our heart, a circulation pump, making the
exchange of blood between the chambers possible; to show, in a illustrative way, the
heart operation by using a model that can simulate it.
We connected serum bags each, which represent the atria and ventricles, all of them full
of water. The essence of the heart is that it is a circulation pump, which allows the flow
of liquid, capacity could be represented with external water pump.
The last, but no less important, characteristic of cardiac muscle, are the contractions
between each beat, a characteristic which could be simulated by a frequency source,
which could be able to supply and stop the voltage and alter the flow. After the system
was mounted, it needs to be decorated in order to represent the mediastinum, the
anatomical cavity that houses the heart.
This project has, as principal purpose, show how physics is always related with our lifes,
no matter which career are we choosing, or how angry we are with science, it governs
every time in our lifes, from the most trivial activities around us, to the proper functioning
of our body, our lungs, kidneys, and heart. This experiment shows how the physics,
flows in our veins.
Keywords:
Heart/ Physics/ Pressure changing/ Pump/ Flow/ Atria/ Ventricles
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INTRODUCCIÓN
Planteamiento del problema
La Física es la base para el correcto funcionamiento basal del organismo, un ejemplo
de ello es la manera en la que trabaja nuestro corazón, sabemos que hay un
intercambio de sangre entre las cámaras, pero no sabemos que a lo que se debe este
organizado mecanismo es a uno de los fenómenos más básicos que estudia la Física
clásica, el gradiente de presión; por lo que, pretendemos explicarlo de una manera
ilustrativa construyendo un modelo que simule el movimiento sanguíneo.
Hipótesis
Si logramos representar el flujo de la sangre a través del corazón mediante un sistema
construido con elementos básicos, entonces podremos contribuir con un modelo
didáctico que permita relacionar el funcionamiento de la física en la medicina.
Justificación
Es importante reconocer la importancia de un órgano como el corazón en la vida del ser
humano. Básicamente es el órgano que permite la vida, por lo que resulta interesante
conocer su funcionamiento, como se encarga de bombear la sangre a todo el cuerpo y
sobre todo, como la física juega un papel importante en su óptimo funcionamiento.
Cuando se llega a un consultorio, lo primero que hace quien nos atiende es realizarnos
una serie de pruebas, que son básicamente medidas de cómo funciona nuestro cuerpo.
Pensando en el corazón, este debe mandar sangre a todos los lugares de nuestro
cuerpo. Si pensamos en nuestra casa, encontramos una gran similitud con una bomba
hidráulica, que se encarga de mandar el agua a cualquier parte de nuestra casa. Por
estas grandes razones, establecimos la idea de buscar representar esta “bomba”
humana con elementos sencillos que nos apoyen en el entendimiento del
Comentario [VAC1]: explica
Comentario [VAC2]: identificado como
Comentario [VAC3]: eliminar
Comentario [VAC4]: como representar
5
funcionamiento más importante para nuestra vida, usando la física como base para una
importante función.
Objetivo general:
Construir un modelo del corazón que permita observar de manera didáctica el flujo de la
sangre a través de sus cámaras, para que nos permita entender la relación de la física
en otras áreas de la ciencia.
Objetivos específicos:
Medir la capacidad de conocimientos e ingenio que tenemos al construir una parte
del cuerpo humano.
Mostrar la relación de la física en el cuerpo humano y en la medicina.
Contribuir con el colegio la posibilidad de usar el modelo en forma didáctica para
acercar a los pequeños a la ciencia.
FUNDAMENTACION
El corazón está formado por dos bombas separadas: un corazón derecho que bombea
sangre hacia los pulmones y un corazón izquierdo que bombea sangre hacia los
órganos periféricos. A su vez, cada uno de estos corazones es una bomba bicameral
pulsátil formada por una aurícula y un ventrículo. Cada una de las aurículas es una
bomba débil de cebado del ventrículo, que contribuye a transportar sangre hacia el
ventrículo correspondiente. Los ventrículos después aportan la principal fuerza del
bombeo que impulsa la sangre hacia la circulación pulmonar por el ventrículo derecho y
hacia la circulación periférica por el ventrículo izquierdo. Los mecanismos especiales
del corazón producen una sucesión continuada de contracciones cardíacas
denominada ritmicidad cardíaca, que transmite potenciales de acción por todo el
músculo cardíaco y determina su latido rítmico. Figura 1.
Comentario [VAC5]: cambiar
Comentario [VAC6]: accesible
6
Fisiología del musculo cardiaco
El corazón está formado por tres tipos principales de músculo cardíaco: músculo
auricular, músculo ventricular y fibras musculares especializadas de excitación y de
conducción. El músculo auricular y ventricular se contrae de manera muy similar al
músculo esquelético, excepto que la duración de la contracción es mucho mayor. No
obstante, las fibras especializadas de excitación y de conducción se contraen sólo
débilmente porque contienen pocas fibrillas contráctiles; en cambio, presentan
descargas eléctricas rítmicas automáticas en forma de potenciales de acción o
conducción de los potenciales de acción por todo el corazón, formando así un sistema
excitador que controla el latido rítmico cardíaco.
Anatomía fisiológica del musculo cardiaco
Las fibras musculares cardíacas dispuestas en un retículo, de modo que las fibras se
dividen, se vuelven a combinar y se separan de nuevo. Además, el músculo cardíaco
tiene las miofibrillas típicas que contienen filamentos de actina y de miosina, están unos
al lado de otros y se deslizan entre sí durante la contracción de la misma manera que
ocurre en el músculo esquelético.
Músculo cardíaco como sincitio. Las zonas oscuras que atraviesan las fibras
musculares cardíacas de la Figura 1 se denominan discos intercalados; membranas
celulares que separan las células musculares cardíacas individuales entre sí, las fibras
musculares cardíacas están formadas por muchas células individuales conectadas
entre sí en serie y en paralelo.
En cada uno de los discos intercalados las membranas celulares se fusionan entre sí de
tal manera que forman uniones «comunicantes» (en hendidura) permeables que
permiten una rápida difusión, lo que facilita el movimiento de iones en el líquido
intracelular a lo largo del eje longitudinal de las fibras musculares cardíacas, de modo
que los potenciales de acción viajan fácilmente desde una célula muscular cardíaca a la
siguiente, a través de los discos intercalados. Por tanto, el músculo cardíaco es un
sincitio de muchas células musculares cardíacas en el que las células están tan
interconectadas entre sí que cuando una de ellas se excita el potencial de acción se
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propaga a todas, propagándose de una célula a otra a través de las interconexiones en
enrejado.
El corazón realmente está formado por dos sincitios: el sincitio auricular, que forma las
paredes de las dos aurículas, y el sincitio ventricular, que forma las paredes de los dos
ventrículos. Las aurículas están separadas de los ventrículos por tejido fibroso que
rodea las aberturas de las válvulas auriculoventriculares (AV) entre las aurículas y los
ventrículos.
Normalmente los potenciales no se conducen desde el sincitio auricular hacia el sincitio
ventricular directamente a través de este tejido fibroso. Por el contrario, sólo son
conducidos por medio de un sistema de conducción especializado denominado haz AV,
que es un fascículo de fibras de conducción de varios milímetros de diámetro.
Esta división del músculo del corazón en dos sincitios funcionales permite que las
aurículas se contraigan un pequeño intervalo antes de la contracción ventricular, lo que
es importante para la eficacia del bombeo del corazón. Figura 2
El ciclo cardiaco se define como la serie de eventos eléctricos mecánicos y
hemodinámicos que ocurren durante la sístole; un periodo de contracción, y diástole, un
periodo de relajación; es decir, desde el comienzo de un latido al siguiente. El
fenómeno eléctrico siempre precede al mecánico, ya que cada ciclo es iniciado por la
generación espontánea de un potencial de acción en el nódulo sinusal, localizado en la
pared superolateral de la aurícula derecha, cerca del orificio de la vena cava superior, y
el potencial de acción viaja desde aquí rápidamente por ambas aurículas y después a
través del haz AV hacia los ventrículos. Debido a esta disposición especial del sistema
de conducción desde las aurículas hacia los ventrículos, hay un retraso de más de 0,1 s
durante el paso del impulso cardíaco desde las aurículas a los ventrículos. Esto permite
que las aurículas se contraigan antes de la contracción ventricular, bombeando de esta
manera sangre hacia los ventrículos antes de que comience la intensa excitación
ventricular. Por tanto, las aurículas actúan como bombas de cebado para los
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ventrículos, y los ventrículos a su vez proporcionan la principal fuente de potencia para
mover sangre a través del sistema vascular del cuerpo.
Cuando se evalúan las propiedades contráctiles del músculo es importante especificar
el grado de tensión muscular al momento de la contracción, denominado precarga, y
especificar la carga contra la que el músculo ejerce su fuerza contráctil, que se
denomina poscarga.
Para la contracción cardíaca habitualmente se considera que la precarga es la presión
telediastólica cuando el ventrículo ya se ha llenado. La poscarga del ventrículo es la
presión de la aorta que sale del ventrículo.
Gradiente físico
“En todo sistema físico el movimiento de aire o líquido se debe a la diferencia de
presiones entre los compartimentos.”
A. Sístole (periodo de contracción)
Durante el periodo de contracción cardiaca ocurren tres eventos:
1. Contracción isovolumétrica
Va del cierre de las válvulas AV (mitral y tricúspidea) a la apertura de las sigmoideas
(pulmonar y aortica). Antes de que se acorten las fibras miocárdicas se produce tensión
para poder desplazar el volumen diastólico, lo cual incrementa la tensión ventricular.
Contracción isométrica.
La tensión del ventrículo está aumentando pero no hay cambios de volumen, ya que la
tensión ventricular no ha superado a la tensión de la aorta.
CARACTERISTICAS
Los ventrículos son cámaras cerradas.
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Contracción isométrica.
Hay aumentos de presión sin cambios en el volumen.
2. Expulsión rápida
Ocurre por la apertura de las válvulas sigmoideas.
Para que las válvulas sigmoideas se abran, la presión ventricular debe superar a
la presión dentro de los grandes vasos, sin embargo el gradiente no es
significativo.
Acortamiento de fibras que resulta en la expulsión rápida de sangre a los
grandes vasos.
3. Expulsión lenta
Justo después de alcanzar el punto máximo de presión, los ventrículos comienzan a
relajarse. Sin embargo, la presión debe descender por debajo de la que se está
generando en los grandes vasos. Cuando esto sucede hay un pequeño reflujo de
sangre que ocasiona el cierre de la válvula sigmoidea.
B. Diástole (periodo de relajación)
1. Relajación isovolumétrica (sin cambios de volumen)
Va desde el cierre de la válvula sigmoidea al cierre de la válvula AV.
Las fibras se encuentran en relajación, y hay una caída en la presión ventricular.
La presión ventricular debe estar por debajo de la que hay en las aurículas, cuando se
alcanza este descenso se ocasiona la apertura de las válvulas AV.
2. Llenado rápido
Ocurre una distensión en los ventrículos. La presión ventricular incrementa. En
condiciones normales, el gradiente no es significativo.
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3. Llenado lento.
El volumen dentro del ventrículo aumenta, lo que cambia la pendiente de llenado.
4. Contracción auricular
Las fibras comienzan a acortarse, lo cual “exprime” la aurícula y la vacía.
Ocurre el llenado final 20% el cual lo aporta la aurícula de manera activa. EL 80% del
volumen diastólico lo aporta la aurícula durante la relajación. La contracción auricular
ocurre durante la diástole.
En el momento en el que la presión ventricular supera la auricular se cierran las
válvulas AV. La figura 2 muestra el acontecimiento del ciclo cardiaco para la función del
ventrículo izquierdo que muestran los cambios de la presión auricular izquierda, de la
presión ventricular izquierda, de la presión aortica, del volumen ventricular, del
electrocardiograma y del fonocardiograma.
El mecanismo de Frank-Starling
La cantidad de la sangre que bombea el corazón cada minuto está determinada por la
velocidad del flujo sanguíneo hacia el corazón desde las venas, que se denomina
retorno venoso. Todos los tejidos periféricos del cuerpo controlan su propio flujo
sanguíneo local, y todos los flujos tisulares locales se combinan y regresan a través de
las venas hacia la aurícula derecha. El corazón a su vez bombea automáticamente
hacia las arterias esta sangre que le llega, de modo que pueda fluir de nuevo por el
circuito.
Esta capacidad intrínseca del corazón de adaptarse a volúmenes crecientes de flujo
sanguíneo de entrada se denomina mecanismo de Frank-Starling del corazón.
Básicamente, significa que cuanto más se distiende el musculo cardiaco durante el
llenado, mayor es la fuerza de contracción y mayor es la cantidad de sangre que
bombea hacia la aorta:
Dentro de límites fisiológicos, el corazón bombea toda la sangre que le llega precedente
de las venas.
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Presiones en las distintas porciones de la circulación
Como el corazón bombea la sangre continuamente hacia la aorta, la presión media en
este vaso es alta (alrededor de los 100mm Hg). Como el bombeo es pulsátil, la presión
arterial alterna entre una presión sistólica de 120 mm Hg y una diastólica de 80mm Hg.
A medida que el flujo sanguíneo atraviesa la circulación sistémica la presión media va
cayendo progresivamente hasta llegar casi a 0mm Hg en el momento en el que alcanza
la terminación de las venas cava, donde se vacía en la aurícula derecha del corazón.
En la arteria pulmonar la presión es pulsátil, igual que en la aorta, pero la presión es
bastante menor: la presión sistólica arterial pulmonar alcanza un promedio de 25mm Hg
y la diastólica, de 8mm Hg, con una presión arterial pulmonar media de solo 16mm Hg.
Aun así, el flujo sanguíneo por minuto a través de los pulmones es el mismo que en la
circulación sistémica. Las bajas presiones del sistema pulmonar coinciden con las
necesidades de los pulmones, ya que lo único que se necesita es la exposición de la
sangre en los capilares pulmonares al oxígeno y otros gases en los alveolos
pulmonares.
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Búsqueda de información,
principio mecánico del
corazón
Planeación de un modelo que
simule el movimiento sanguíneo
(materiales, funcionamiento)
Construcción y aplicación del
modelo
Escritura del trabajo y
presentación
METODOLOGIA
Por tratarse de una investigación experimental, nuestro trabajo tendrá como
procedimiento el siguiente:
1. Recopilación de información teórica acerca del tema.
2. Visita a biblioteca, páginas de internet y platica con un responsable del área de
salud con la finalidad de conocer posibles antecedentes de investigación.
3. Análisis de la información recopilada.
4. Construcción del modelo que representa el funcionamiento del corazón.
a) Modelo en papel
b) Elección de materiales
c) Selección de dispositivos
d) Armado del equipo
5. Elaboración del cartel.
6. Presentación oral en el Colegio Franco Inglés.
RESULTADOS OBTENIDOS
Construcción del Modelo
Bombas y el corazón.
El corazón humano es esencialmente una bomba de circulación. Para el flujo de sangre
existen dos trayectorias: La más larga que lleva la sangre hacia todas las partes del
cuerpo por medio de las arterias para así llevar oxígeno y recoger dióxido de carbono,
que se lleva de vuelta al corazón a través de las venas. Luego esta sangre se bombea
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hacia los pulmones, en donde empieza la segunda trayectoria. En ésta se libera el
dióxido de carbono y se toma oxígeno. La sangre ya oxigenada va de regreso al
corazón donde se vuelve a bombear hacia las distintas partes del cuerpo para repetir
este proceso.
Las etapas mencionadas anteriormente son simuladas en la construcción de nuestro
modelo. Inicialmente elegimos el material adecuado para construir y montar el sistema,
colocamos la bomba y la fuente, componentes necesarios para simular el ciclo
cardiaco. Llenamos las 4 cámaras, las cuales son 4 bolsas de suero conectadas entre
sí por cánulas. Posteriormente se procura mantener un flujo con frecuencia constante
como se muestra en las figuras 3, 4 y 5.
Normalmente la presión sanguínea se mide con manómetro lleno de mercurio, aunque
existen muchos tipos distintos y por lo general está calibrado en mm-Hg. El manómetro
está unido a un brazalete que se enrolla alrededor del brazo a la altura del corazón.
Este manómetro mide dos valores de presión sanguínea: la presión máxima cuando el
corazón bombea, a la que se le llama presión sistólica; y la presión cuando el corazón
está en la parte de reposo del ciclo, llamada presión diastólica. La presión sistólica
normal es de alrededor de 120 mm-Hg, mientras que la presión diastólica normal es
alrededor de 80 mm-Hg. En nuestro modelo se utilizará una frecuencia cardiaca normal
para representar lo más cercano al funcionamiento del corazón.
En este momento aún se está concluyendo la etapa final de construcción y el trabajo
final de montaje para el funcionamiento del modelo del corazón. Los resultados finales
serán presentados durante la exposición del cartel.
Conclusión
Con este proyecto pretendemos demostrar cómo la física nunca deja de estar
relacionada con nuestra vida, no importa qué carrera elijamos, o lo peleados que
estemos con la ciencia, esta rige desde las actividades más triviales en nuestro
alrededor, hasta el buen funcionamiento de nuestro cuerpo, en nuestros pulmones,
riñones, y el corazón, así como también influye en nuestras emociones, causadas por
14
reacciones químicas y físicas en nuestro organismo. Este experimento demuestra cómo
la física corre por nuestras venas.
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Bibliografía
1. Guyton A.C., Hall J.E, 2000, Tratado de Fisiología Medica, 10ª Edición, McGraw-Hill,
New York, 103-121 161-170 pp.
2. Piña B. Ma. Cristina, 2002, La Física en la Medicina. 3ª. Edición, FCE. USA, 119 pp.
3. Tippens Paul., 2007, Física. 7ª Edición, McGraw-Hill, 777 pp.
4. Ginacoli, C. D., 2006, Física Giancoli, 6ª Edición, Pearson Prentice Hall, México,
278-279 pp.
5. Un modelo físico del sistema cardiovascular.
http://fluidos.eia.edu.co/Grupo/ponencias/Un%20modelo%20f%C3%ADsico%20del
%20sistema%20cardiovascular.pdf
6. Aparato cardiocirculatorio:
http://www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/8448175905.pdf
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APENDICES
Figura 1. Estructura del corazón y trayecto del flujo sanguíneo a través de las cavidades
y válvulas cardiacas.
Figura 2. Acontecimientos del ciclo cardiaco
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Figura 3. Inicios de la construccion del modelo
Figura 4. Modelo en curso.
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Figura 5. Estructura montada del modelo.