Biomecánica de las Técnicas Deportivas (3º) Facultad de Ciencias del Deporte. Universidad de Castilla la Mancha. 123 TEMA9: LA PRESIÓN DEL MEDIO 1- LA PRESIÓN. Unidades de medida. ¿Cómo se mide la presión atmosférica? Cambios con la altura y la profundidad. Las relaciones con el volumen y con la temperatura. La presión parcial de un gas. 2- APLICACIONES Usos de altímetros. La presión sanguínea y su medición. Bibliografía: Aguado, X. (1993). Eficacia y técnica deportiva. Análisis del movimiento humano. INDE . Barcelona. Carmona, A.I. (1987). Aerodinámica y actuaciones del avión. Paraninfo. Madrid. Cromer, A.H. (1985). Física para las ciencias de la vida. Reverté. Barcelona. Eichenberger, W. (1981) Meteorología para aviadores. Paraninfo. Madrid. Holton, G. (1989). Introducción a los conceptos y teorías de las ciencias físicas. Reverté. Barcelona. Kane,. J.W. (1989). Física. Reverté. Barcelona. Kreighbaum, E.; Barthels, K.M. (1996). Biomechanics. A qualitative approach for studying human movement. Allyn & Bacon. Boston Mussig, S. (1988): Submarinismo deportivo. Ediciones CEAC. Barcelona. Guiones de las clases. Tema 9. Profesor: Xavier Aguado Jódar 124 Biomecánica de las Técnicas Deportivas (3º) Facultad de Ciencias del Deporte. Universidad de Castilla la Mancha. 1- LA PRESIÓN La presión es una fuerza por unidad de superficie (F / S). La presión del medio es debida a la altura de la columna de fluido que tengamos por encima (que pesará más o menos) y se ejerce radialmente en todas direcciones contra el cuerpo que la soporta. En el SI se mide en N / m2 , también denominados pascales En el cegesimal en dyn / cm2 En el Técnico en pascales No obstante habitualmente es habitual, según diferentes ámbitos, que se usen otras unidades: 1 atmósfera = 1 kg / cm2 = 760 mm Hg = 105 N / m2 = 1013,2 mb = 29,92 pulgadas = 1013•103 barias = 760 tors. La presión, mayor o menor sólo depende de la altura de la columna de fluido que tenemos por encima y no de la forma del recipiente: (Kane y Sterheim, 1989). Guiones de las clases. Tema 9. Profesor: Xavier Aguado Jódar Biomecánica de las Técnicas Deportivas (3º) Facultad de Ciencias del Deporte. Universidad de Castilla la Mancha. 125 La presión depende del peso de la columna (altura de ésta) de líquido por encima del punto considerado, no de la forma del recipiente. Por otro lado la diferencia entre gases y líquidos es que los primeros son compresibles y rellenan todo el volumen donde se alojan, mientras que los segundos no se pueden comprimir y encuentran su nivel al alojarlos en un volumen. Estas diferencias marcan algunos comportamientos diferentes de unos y otros. Los gases muestran una relación en su comportamiento entre el volumen donde se alojan, la presión a la que se encuentran y la temperatura. (Eichenberger, 1981). Guiones de las clases. Tema 9. Profesor: Xavier Aguado Jódar Biomecánica de las Técnicas Deportivas (3º) Facultad de Ciencias del Deporte. Universidad de Castilla la Mancha. 126 LEY DE BOYLE A temperatura constante existe una relación inversamente proporcional entre las variaciones del volumen y la presión en los gases. P1 ⋅ V1 = P 2 ⋅ V2 Los globos, sobre todo los de tipo meteorológico cuando ascienden aumentan su volumen de forma importante. Es debido a que se lanzan cerrados, con una misma presión en su interior durante todo su vuelo, y además ascienden mucho, hasta 30 km alguno de ellos, que son alturas a las que la presión atmosférica a descendido de forma importante. LEY DE CHARLES A presión constante el volumen de un gas aumenta proporcionalmente con la temperatura. V1 T1 = V2 T2 LA DENSIDAD DE LOS GASES ES INVERSAMENTE PROPORCIONAL A LA TEMPERATURA La llamada ecuación de los gases perfectos lo muestra: ρ= P R ⋅T R es la llamada “constante universal de los gases perfectos” (8,314 Julios / mol * º K o 287 jul / kg * º Kelvin). T = t + 273,15 V= T = temperatura en grados Kelvin t = temperatura en grados centígrados y el volumen es inversamente proporcional a la densidad Guiones de las clases. Tema 9. Profesor: Xavier Aguado Jódar 1 ρ Biomecánica de las Técnicas Deportivas (3º) Facultad de Ciencias del Deporte. Universidad de Castilla la Mancha. 127 2- APLICACIONES ¿CÓMO SE MIDE LA PRESIÓN? El aparato recibe el nombre genérico de barómetro, aunque en diferentes actividades puede ser llamado con otros nombres más específicos como pe profundímetro en submarinismo, altímetro en senderismo, paracaidismo o en aviación, manguito en medicina. El nombre manómetro se usa de forma genérica cuando la presión se mide gracias a un tubo con agua o mercurio en su interior. Evangelista Torricelli, alumno de Galileo, fue el primero en medir la presión atmosférica. Hasta la época de Galileo se sabía que las bombas de vacío no eran capaces de elevar el agua más que hasta aproximadamente10,5 m, pero se desconocía el porqué. Torricelli colocó mercurio llenando un tubo (el experimento es independiente de la forma o el diámetro del tubo, ni siquiera de la longitud siempre que tenga más de 760 mm si se hace a nivel del mar). A continuación tapa la salida con el dedo y lo invierte dentro de una bandeja llena de mercurio, momento en el que abre la parte superior del tubo (que se encuentra hacia abajo). (Holton, 1989). La altura de la columna de mercurio del tubo será de 760 mm a nivel del mar. Si el experimento se hiciera con agua, la altura de la columna sería de 10,336 m. El mercurio es 13,6 veces más denso que el agua (13,6 * 0,760 m = 10,336 m). Así se explicaba porqué las bombas que utilizaban para achicar el agua de las antiguas minas no lograban, haciendo el vacío subir el agua más de 10,3 m. Hoy en día se sigue usando el mercurio para medir la presión en los llamados barómetros o manómetros de mercurio y por otro lado también se usan los llamados barómetros aneroides (más pequeños) que traducen los cambios de volumen de una cápsula (que tiene dentro una presión calibrada) en variaciones de la presión. Guiones de las clases. Tema 9. Profesor: Xavier Aguado Jódar 128 Biomecánica de las Técnicas Deportivas (3º) Facultad de Ciencias del Deporte. Universidad de Castilla la Mancha. Cromer (1985). Manómetro para medir la presión atmosférica. Manómetro para medir la presión del aire espirado. ¿CÓMO SE MIDE LA PRESIÓN SANGUÍNEA? Hay 2 presiones: sistólica y diastólica, que corresponden a las registradas durante el sístole (expulsión de sangre del corazón) y diástole (llenado del corazón). Se hincha una bolsa cerrada de aire, cuya presión conoceremos gracias a un manómetro de mercurio o a un barómetro aneroide conectado a ella. La bolsa se enrolla alrededor del brazo y se hincha hasta una presión superior a la sistólica. Justo por debajo de la bolsa se coloca un fonendoscopio. Se va liberando poco a poco presión de la bolsa hasta que auscultemos un sonido repetido; un pulso, en el fonendoscopio. En el instante de oír el pulso miramos la presión que nos marca el medidor conectado a la bolsa: será la presión sistólica. Seguiremos liberando presión de la bolsa hasta justo el momento en que dejemos de auscultas el pulso, instante en que volveremos a leer el barómetro: será la presión diastólica. Guiones de las clases. Tema 9. Profesor: Xavier Aguado Jódar Biomecánica de las Técnicas Deportivas (3º) Facultad de Ciencias del Deporte. Universidad de Castilla la Mancha. 129 INTERPRETACIÓN: Presión sistólica: en ese momento la presión sanguínea logra abrir mínimamente la arteria, pero sólo durante la sístole, pasando muy poca cantidad de sangre, que cada vez que pasa produce el sonido de golpeteo que auscultamos. Presión diastólica: en ese momento la sangre empieza a fluir continuamente por la arteria, pasando ya durante todo el tiempo, tanto en la sístole (con mayor presión) como en la diástole (menor presión). Justo en el instante que esto empieza a suceder se deja de oír el sonido en el fonendoscopio. Cromer (1985). CAMBIOS DE PRESIÓN CON LA ALTURA Y CON LA PROFUNDIDAD CON LA ALTURA: Partiendo del nivel del mar, la presión atmosférica va disminuyendo exponencialmente con la altura. En una atmósfera “estándar” se considera a nivel del mar, con 15º centígrados de temperatura, una presión de 760 mm Hg (o tors) = 1013, 2 mb = 1 atmósfera = 29,92 pulgadas. A nivel del mar se necesita ascender 8 m para que la presión disminuya 1 mb. Hay una regla nemotécnica que funciona bastante bien que dice que cada 5500 m de altura la presión atmosférica disminuye a la mitad de la que había en el nivel anterior y se necesitará por tanto ascender el doble para conseguir una misma reducción de presión. De forma matemática se calcula con la fórmula de Laplace. Su fórmula simplificada par la troposfera (de 0 a 11000 m de altura es: PZ = P0 ⋅ (1 − 0,0000226 h) 5, 255 Pz = Presión en el nivel superior P0 = Presión en el nivel inferior h = altura Guiones de las clases. Tema 9. Profesor: Xavier Aguado Jódar Biomecánica de las Técnicas Deportivas (3º) Facultad de Ciencias del Deporte. Universidad de Castilla la Mancha. 130 CON LA PROFUNDIDAD: Partiendo del nivel del mar, en el que la presión la presión atmosférica ya se ha descrito, habrá que sumar a esta la debida a la profundidad, que sigue una relación de incremento proporcional a medida que nos sumergimos. Cada 10 m que nos sumergimos incrementaremos la presión en 1 atmósfera. Así, pe a 10 m de profundidad en el mar la presión será de 2 atmósferas, a 20 m de 3 atmósferas, a 25 m de 3,5 atmósferas y a 50 m será de 6 atmósferas. altura o presión presión profundidad (m) (atmósferas) (mm Hg) variación de presión (mb) variación de presión (mm Hg) volumen de aire (l) presión parcial de oxígeno (mm Hg) 22000 0.062 47.5 1 mb cada 128 m 1 mm Hg cada 170.56 m 16 10 16500 0.125 95 1 mb cada 64 m 1 mm Hg cada 85.28 m 8 20 11000 0.25 190 1 mb cada 32 m 1 mm Hg cada 42.64 m 4 40 5500 0.5 380 1 mb cada 16 m 1 mm Hg cada 21.32 m 2 79 0 1 760 1 mb cada 8 m 1 mm Hg cada 10.66 m 1 159 10 2 1520 1 mb cada 0.0098 m 1mm Hg cada 0.013 m 0.5 318 20 3 2280 1 mb cada 0.0098 m 1mm Hg cada 0.013 m 0.33 481 30 4 3040 1 mb cada 0.0098 m 1mm Hg cada 0.013 m 0.25 631 40 5 3800 1 mb cada 0.0098 m 1mm Hg cada 0.013 m 0.2 795 PRESIÓN PARCIAL DE UN GAS La composición de la atmósfera es prácticamente invariable desde el nivel del mar hasta los 70 km de altura. Los gases más pesados no ocupan las capas más bajas y los menos pesados las más altas debido a que la atmósfera se agita y remueve constantemente por los fenómenos atmosféricos. A parte de la humedad, la composición es la siguiente: - 78 % nitrógeno - 21 % oxígeno - 1 % anhídrido carbónico, hidrógeno, metano, ozono, gases nobles, subóxido de nitrógeno, anhídrido sulfuroso, dióxido de nitrógeno, yodo, cloruro sódico, amoníaco, óxido de carbono. Guiones de las clases. Tema 9. Profesor: Xavier Aguado Jódar Biomecánica de las Técnicas Deportivas (3º) Facultad de Ciencias del Deporte. Universidad de Castilla la Mancha. 131 Para conocer la presión parcial de un gas a una altura determinada bastará con conocer la presión a esa altura y extraer de esa el porcentaje al que se encuentra mezclado el gas, así en los ejemplos anteriores la presión de oxígeno sería respectivamente: a 0 m: 159 mm Hg (presión atmosférica de 760 mm Hg) a 5500 m: 79 mm Hg (presión atmosférica de 380 mm Hg) a 11000 m: 40 mm Hg (presión atmosférica de 190 mm Hg a 16500 m 20 mm Hg (presión atmosférica de 95 mm Hg) a 22000 m 10 mm Hg (presión atmosférica de 47 mm Hg) REGLAJE DE ALTÍMETROS Los altímetros pueden estar basados en mecanismos diferentes, pero muchos de los usados hasta hoy en día son simples barómetros, es decir miden la presión y según una escala “estándar” la convierten en altura. En deportes se usan en: senderismo, paracaidismo, vuelo (a vela, ULM) y se usan profundímetros en submarinismo. Suelen tener 2 ventanas o marcadores diferentes, pudiéndose ajustar o uno o el otro: uno marca la presión y otro o unas agujas marcan la altura a la que equivale, según una conversión estándar. Si donde marca la presión pongo la que habría ese día a nivel del mar, las agujas me van a marcar la altura a la que me encuentro. Si en presión pongo la presión que hay en el lugar donde me encuentro, las agujas marcarán 0 m. nombres de ajustes de presión en diferentes actividades: QNE: en el marcador de presión se pone siempre 1013,2 mb. Esto en España se hace por encima de 7000 ft de altura. A partir de ahí todos los aviones llevan el mismo ajuste en sus altímetros, hayan despegado de donde hayan despegado, y así pueden conocer unos respecto a otros sus alturas. Cuando se sobrepasan los 7000 ft los aviones dan sus alturas en los llamados “niveles de vuelo” y leen un altímetro ajustado siempre con la presión de 1013,2 mb. QFE: En el altímetro se marca en la ventana de presión la que hay en el lugar sobre el que va a saltar (paracaidismo). De esta manera el altímetro nos marcará 0 m en ese lugar y cuando estemos cayendo no dirá los metros que nos quedan para llegar al suelo, de esa manera podremos ajustar un mecanismo de apertura automática a partir de una altura de seguridad. Guiones de las clases. Tema 9. Profesor: Xavier Aguado Jódar 132 Biomecánica de las Técnicas Deportivas (3º) Facultad de Ciencias del Deporte. Universidad de Castilla la Mancha. QNH: Sabemos la altura de un lugar. Por ejemplo al llegar a un refugio hay una placa que la marca o llegamos a un sitio que podemos identificar bien (una fuente, un acantilado, .. y en el mapa podemos leer la altura de ese lugar. Entonces en el altímetro marcamos esa altura y la presión que nos de en la ventana correspondiente será la que habría ese día convertida según una escala “estándar” a nivel del mar. Así nuestro altímetro de senderismo, cuando pasamos la noche en un refugio o entramos en cualquier lugar de altura conocida se nos convierte en una pequeña estación meteorológica. Por ejemplo, es recomendable ver la evolución a lo largo de la noche: la presión ¿sube? O ¿baja? QFF: Se3 usa para confeccionar los mapas de isobaras (mapas del tiempo como los de la tele). Mediante un barómetro se lee la presión en un determinado lugar. Ese lugar puede estar a diferentes alturas: pe Toledo, Granada, Barcelona, .. En los mapas de isobaras se unen mediante líneas concéntricas los puntos de igual presión, pero como los puntos que aparecen en el mapa no todos están a la misma altura, lo que se hace es: con la presión que se ha medido reducirla siempre a la que equivaldría a nivel del mar y esa es con la que se confecciona el mapa de isobaras. LA PRESIÓN SANGUÍNEA DECRECE DESDE EL VENTRÍCULO IZQUIERDO Y AORTA HASTA LAS VENAS Y AURÍCULA DERECHA Es debido a 2 cosas: por un lado el calibre total (sumando el de todos los vasos en que se ha bifurcado) va en aumento) Por otro lado el efecto de la viscosidad de la sangre, como cualquier otro fluido ayuda a que esta presión vaya disminuyendo. Cromer (1985). Guiones de las clases. Tema 9. Profesor: Xavier Aguado Jódar