TRABAJO, POTENCIA Y ENERGA

UNIVERSIDAD SAN PEDRO

ESCUELA PROFESIONAL DE ENFERMERA

FSICA APLICADA

INTRODUCCIN

Toda actividad msculo esqueltico responde bsicamente a un patrn nico, realizado por los mismos elementos bsicos contrctiles.

Tipos de tejido muscular

ESTRIADO

NO ESTRIADO

Msculo esqueltico

Msculo liso

Tejido muscular

Formado por fibras musculares o miocitos especializados en la contraccin

Tejido CONTRCTIL formado por clulas llamadas fibras musculares

Fibras musculares que ejercen traccin mediante tendones sobre un sistema de palancas articuladas (huesos y articulaciones)

Msculo cardaco

TRABAJO MECNICO

Se define como el producto de la componente de la fuerza por el mdulo del desplazamiento.

La unidad S.I. de trabajo es el Joule (J), la fuerza es el Newton (N) y la distancia es el metro (m)

Si F forma un ngulo con d

De la definicin de trabajo decimos que realizamos trabajo si al empujar un objeto sobre una superficie la fuerza (componente de F) es paralela al desplazamiento (o distancia recorrida)

Si permanecemos en un sitio sosteniendo una carga pesada, creemos que estamos efectuando un duro trabajo, pero como no hay desplazamiento, concluimos que no se hace ningn trabajo sobre el peso.

Sin embargo, se hace trabajo en el cuerpo ya que los impulsos nerviosos inducen repetidamente contracciones de las fibras musculares. A diferencia de los huesos o de un poste de acero una fibra muscular no puede sostener una carga estticamente. Por el contrario debe relajarse y contraerse repentinamente, haciendo trabajo en cada contraccin. No somos consientes de este proceso debido al gran nmero de fibras musculares y a la rapidez de las contracciones.

ENERGA MECNICA

La energa puede definirse como la capacidad que poseen los cuerpos para realizar trabajo

ENERGA CINTICA

Una forma de energa asociada al trabajo es la energa cintica, que corresponde a aquella que poseen los cuerpos en movimiento.

La energa cintica de traslacin de un objeto de masa m y velocidad v es

La energa cintica final de un objeto es igual a su energa cintica inicial ms el trabajo realizado sobre l y por todas las fuerzas que actan sobre l.

La relacin entre el trabajo realizado sobre un objeto y su energa cintica se relacionan mediante el siguiente principio fundamental

ENERGA POTENCIAL GRAVITACIONAL

El trabajo que realiza una fuerza cuando levanta un cuerpo, queda almacenada en l en forma de energa potencial gravitacional (U), que es la energa que posee cualquier cuerpo en virtud de su posicin.

El trabajo es el cambio o variacin de la energa potencial gravitacional, de modo que

La suma de la energa cintica ms ala energa potencial se denomina energa mecnica total.

La energa existe en muchas otras formas adems de la energa mecnica y la energa trmica. Por ejemplo cuando un combustible fsil se pone en contacto con oxigeno a temperatura elevada, ocurren cambios qumicos que desprenden energa. Anlogamente, el cuerpo humano utiliza los alimentos para sintetizar molculas que luego se rompen para proporcionar la energa necesaria.

POTENCIA

Se define como la rapidez con la que se realiza un trabajo.

La unidad de potencia en el S.I. es el joule por segundo, que se denomina vatio (W), entonces

APLICACIONES

Los msculos cubren el esqueleto humano casi totalmente y constituyen la parte carnosa del cuerpo, se pueden clasificarse de diferentes maneras, histologa se distingue tres tipos de msculos: estriado (esqueltico y cardiaco) y no estriado (liso).

Nosotros nos encargaremos del estudio del msculo esqueltico pues su control es voluntario y tiene contracciones rpidas.

ESTRUCTURA DEL MUSCULO ESTRIADO

El msculo estriado esta formado por un conjunto de fibras musculares y una estructura que los liga o sostiene constituida por el tejido conectivo.

El dimetro de las fibras musculares oscila entre 10 y 100m y su longitud varia desde una fraccin de centmetros hasta 30 o 40 cm. La fibra est rodeada por una membrana llamada sarcolema cuyo espesor es de unos 100

Msculo

Fascculo

Fibra muscular

Miofibrilla muscular

Miofilamentos

Banda A

Banda I

Zona

H

Lnea M

Miofilamento fino Actina

Miofilamento grueso Miosina

sarcmero

Lnea Z

Lnea Z

Banda A

Banda I

Zona H

Lnea M

Miofilamento fino Actina

Miofilamento grueso

Miosina

sarcmero

Lnea Z

Lnea Z

Corte transversal: disposicin triangular de la miosina

miosina

Corte transversal: disposicin del miofilamento fino

actina

Corte transversal: zona de superposicin actina y miosina

miosina

actina

miosina

actina

H

I

En el corte transversal practicado a travs del disco I se comprueba que los filamentos finos se encuentran distribuidos en forma hexagonal, mientras que en un corte hecho a travs de banda H los filamentos gruesos muestran una distribucin triangular. En la zona en que ambas clases de filamentos se superponen, cada filamento grueso se encuentra en el centro de un hexgono determinado por los filamentos finos, y cada uno de estos en el centro de un triangulo formado por los gruesos.

En el msculo se encuentran dos clases de protenas: actina y miosina. Los filamentos finos estn formados por actina y los gruesos por miosina.

FASES DE LA CONTRACCIN MUSCULAR

Cuando a un msculo se le aplica un estmulo elctrico superior a un valor umbral mnimo de voltaje, la respuesta es una contraccin simple llamada sacudida. La amplitud de la sacudida es proporcional a la intensidad del estmulo; lo que se explica afirmando que a mayor intensidad del estmulo mayor es el nmero de fibras excitadas

Estmulo mnimo: excita a una sola fibra

Estmulo mximo: excita a todas las fibras

Tiempo de latencia (t1), es el tiempo entre la aplicacin del estimulo y la iniciacin de la contraccin.

Tiempo de contraccin (t2), es el tiempo de iniciacin de la contraccin hasta el punto en que se produce la mxima tensin.

0 50 100 150 200 t(ms)

t2

t1

t3

T

Tiempo de relajacin (t3), es el tiempo donde alcanzada la mxima contraccin el msculo se relaja, es decir, disminuye gradualmente la tensin hasta llegar al estado de reposo.

Durante un corto tiempo despus de aplicado el estimulo una repeticin del mismo no produce ningn efecto. Este intervalo de tiempo se llama periodo refractario.

Si un msculo recibe un segundo estimulo durante un intervalo prximo al tiempo de tensin mxima, se observa un aumento de tensin cuya amplitud puede ser dos veces mayor que la sacudida simple. Este aumento se llama sumacin de contracciones. Cuando los estmulos se aplican al msculo en rpida sucesin antes que se inicie la relajacin, se llega a un estado en el cual posteriores aplicaciones del estimulo no aumentan la tensin desarrollada por el msculo, es decir, se ha alcanzado el ttanos. En esta fase se mantiene la tensin constante hasta que, despus de cierto tiempo se produce la fatiga y la tensin decae an cuando se contine la aplicacin del estimulo.

ttanos

sumacin

T

fatiga

0 2 4 6 8 14 16 18 20 t(ms)

TRABAJO MUSCULAR

Todo msculo sobre el que acta un estimulo superior al umbral se contrae

Lo

L

estmulo

Msculo contrado

L

Donde W es el trabajo por unidad de rea, T la tensin y L el acortamiento de las fibras.

W(+): contraccin realizada por la fuerza muscular.

W(): extensin del msculo debido a una fuerza exterior.

El trabajo muscular se define como el producto de la tensin del msculo por el acortamiento de su longitud, esto es

TRABAJO REALIZADO POR UNA CONTRACCIN MUSCULAR

Las contracciones son:

Isomtrica: tensin muscular en la pierna para fijar articulaciones

Isotnica: mover piernas, levantar brazos

Auxotnica: longitud del msculo y fuerza variables

A sobre carga: parte isomtrica (AB) y parte isotnica (BC)

(a)

A

B

C

T

T1

T2

L1

L2

L

(b)

Trabajo W = T2(L2 - L1) = rea

POTENCIA DE UNA CONTRACCIN MUSCULAR

Energa total relacionada con la contraccin muscular

E = L + T L = 0,035 J / cm3

Donde L es el calor de la contraccin y T L es el trabajo

Dividiendo entre el tiempo

Luego tenemos

Donde y v la velocidad de contraccin

RENDIMIENTO DEL MUSCULO

El rendimiento del msculo que consume Q unidades de energa para producir el trabajo W esta dado por la relacin W/Q. Pero en lugar de este rendimiento total podemos considerar el rendimiento neto del msculo, estableciendo la relacin entre el trabajo W producido y la energa Q2 consumida para realizarlo, sin tener en cuenta la cantidad Q1 que consume el msculo en reposo. As tendremos el rendimiento total

Y el rendimiento neto

Q1 es la cantidad de calor que desprende (o consume) el msculo en reposo y Q2 es la energa adicional consumida durante la produccin de un trabajo.

d

F

W

d

.

=

m

.

N

J

1

1

1

=

q

cos

Fd

W

=

d

B

A

q

F

q

cos

F

F

d

=

q

Fsen

2

2

1

mv

E

k

=

W

E

E

k

k

F

+

=

0

k

E

W

D

=

F

d

F

v

0

v

mgh

U

=

0

h

F

h

0

U

f

U

mg

h

D

(

)

(

)

0

0

mgh

mgh

h

h

mg

W

F

F

-

-

=

-

-

=

(

)

0

U

U

W

F

-

-

=

U

W

D

-

=

U

E

E

k

M

+

=

t

W

P

=

s

J

W

1

1

1

=

o

A

L

T

W

m

D

=

(

)

t

l

T

t

E

D

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+

=

D

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a

(

)

v

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P

+

=

a

t

E

P

D

D

=

Q

W

R

t

=

2

Q

W

R

n

=