Hidrostatica (1).ppt

PRESIÓN
ATMOSFÉRICA
PRESIÓN
HIDROSTÁTICA
Y ASPECTOS
CLÍNICOS

Nuestro objetivo es sentar las bases físicas que
permitan interpretar fenómenos de interés
biológico.
Expondremos brevemente algunos ejemplos para
que el alumnado pueda entender la importancia de
adquirir los conceptos propuestos y evaluar desde
una perspectiva nueva los alcances de los mismos.

Pensemos que un mismo concepto
puede estar asociado a diversos
campos de aplicación

Cuando hablamos de la presión atmosférica
podemos hacerlo desde un punto de vista
asociado a las ciencias exactas, como cuando
comentamos el experimento de Torricelli

O bien desde el ámbito de la meteorología,
como es habitual su referencia en el
pronóstico del tiempo

Pero es importante destacar la incidencia del
mismo concepto cuando exponemos en el
campo de la fisiología de la respiración o la
circulación cardiovascular, involucrándonos
en aspectos referidos a la clínica médica!

PRESIÓN ATMOSFÉRICA
Es la presión que ejerce el aire que conforma
la atmósfera terrestre.
Su valor depende del lugar en donde se la
mida y equivale al peso por unidad de área de
una columna imaginaria de aire formada
entre el límite superior de la capa atmosférica
y el nivel del piso del sitio en el cual se la
estima.

Límite de la capa atmosférica
Imaginándonos “sumergidos en una piscina de aire”
vemos que la presión atmosférica es mayor a nivel del
mar (es decir cuando nos encontramos en el “fondo de
la piscina”) y paulatinamente disminuye a medida que
nos elevamos.

Las variaciones de su valor tienen
importantes consecuencias a nivel
fisiológico, destacándose su incidencia en el
proceso de respiración pulmonar
La respiración pulmonar consiste en el intercambio
de aire entre el presente en la atmósfera y el
contenido en el interior de nuestros pulmones.

El pulmón es una estructura elástica que
colapsaría como un globo, soltando todo su aire
a través de la tráquea, si no existieran fuerzas
que lo mantienen distendido.
Presión alveolar es la presión en el interior de
los alveolos pulmonares.

A nivel del mar la presión atmosférica ejerce
una fuerza de aproximadamente 1 kgf por cada
cm² de superficie

La presión atmosférica es uno de los factores que permiten generar
un equilibrio entre la presión alveolar (que tiende a distender el
volumen pulmonar) y la tensión elástica de las paredes del pulmón
(que tienden a colapsarlo)

Cuando la glotis está abierta y no hay aire
moviéndose hacia dentro o fuera de los
pulmones, las presiones en todas las partes del
árbol respiratorio son exactamente iguales a la
presión atmosférica.
A este estadio se lo llama reposo ventilatorio

En la inspiración la presión alveolar resulta levemente
inferior a la atmosférica, lo que permite el ingreso del aire al
interior de los pulmones durante 2 segundos.
De manera inversa, en la espiración la presión
intrapulmonar es levemente superior a la externa, egresando
de esta manera parte del aire residente en los pulmones,
durante los 2 a 3 segundos que dura el proceso.
Para permitir el flujo de aire entre el interior pulmonar y el
exterior se modifica la presión alveolar siguiendo las leyes
que rigen el comportamiento de los gases ideales.

Tanto en la inspiración como en la espiración
normal (no forzadas) el volumen de aire
intercambiado es de unos 500 ml y la
diferencia de presión respecto de la
atmosférica es de aproximadamente 1 cm de
agua, con una frecuencia respiratoria normal
de entre 12 a 15 ciclos por minuto.

Considerando al aire como un gas ideal
resulta válida la siguiente expresión:
p.V = n.R.T
p = presión
V = volumen
n = masa de aire
T = temperatura

El descenso del diafragma y el
desplazamiento hacia fuera de la
parrilla costal determina un aumento
en el volumen. Esto permite una
disminución de la presión interna.
Por lo tanto:
palveolar < patmosférica
Lo que permite el ingreso de aire
hacia el sistema respiratorio
LA INSPIRACIÓN

LA ESPIRACIÓN
Inversamente, el ascenso del
diafragma y el desplazamiento hacia
dentro de la parrilla costal provocan
una disminución del volumen,
aumentando así la presión interna.
En este caso:
palveolar > patmosférica
Lo que permite el egreso de aire
hacia la atmosfera

Se llama capacidad inspiratoria al máximo volumen
de aire que puede ingresar a los pulmones
(inspiración forzada).
Su valor promedio es de 3.500 ml
Una espiración forzada es el máximo volumen de
aire desalojado desde los pulmones luego de una
inspiración normal.
Se calcula en unos 1.800 ml

Para tener una idea de la diferencia de presión que existe en una
espiración forzada puede procederse de la siguiente manera:
Utilizando una manguerita transparente conteniendo cierta cantidad
de agua inicie la espiración colocando la misma en la boca y sople
enérgicamente. Al final de la maniobra verá que el agua ha
ascendido cierta altura en el extremo opuesto de la maguera.
∆h Mida el desnivel existente
y
aplique el teorema fundamental
de la hidrostática.
∆p = δ.g.∆h
(considere δ = 1000 kg/m3)

A nivel del mar ejerce una fuerza de aproximadamente 1 kgf por
cada cm² de superficie, siendo suficiente para expandir los
pulmones, equilibrando la tendencia de los mismos a colapsar
Si un sujeto residente a nivel del mar se traslada a
un sitio suficientemente elevado, la presión resulta
insuficiente para ejercer la fuerza mencionada, por
lo que los pulmones no se expanden lo suficiente,
dificultando el intercambio gaseoso

Esto ocasiona trastornos físicos que incluyen somnolencia, lasitud,
fatiga física y mental, dolores de cabeza e incluso náuseas.
Por ejemplo a 4.000 m de altura la presión atmosférica es de
unos 523 mmHg en tanto que en la cima del monte Everest
este valor es de tan solo 253 mmHg.
Estas bajas presiones externas impiden (en individuos no
aclimatados) el adecuado intercambio gaseoso, debido a que
disminuye la fuerza que el aire ejerce contra las paredes del
interior pulmonar

La hipoxia generada estimula a su vez mecanismos de
compensación:
• Incrementa la producción de hematíes, lo que eleva el valor del
hematocrito del registro normal, de 40-45, a unos 60-65.
• Aumento de la hemoglobina en la sangre
de 15g/100 ml a 22 g/100 ml
• Aumento de la ventilación
• Mayor capacidad en la difusión pulmonar
Estos efectos no son inmediatos sino que se establecen al cabo de un
período aproximado de un mes.

PRESIÓN
ATMOSFÉRICA
Y
PRESIÓN
HIDROSTÁTICA

Experiencia de Torricelli
pM = pN
patm = δHG.g.h
patm = 13.600kg/m3.9,8m/s².0,76m =
=101.300 Pa = 1 atm = 760 mmHg

Llenemos un vaso con agua. Coloquemos un papel sobre la boca
del mismo y, cuidando de no dejar de presionar, vamos a invertirlo.
Si luego alejamos la mano veremos que el papel no cae. Esto es
porque la presión del agua es inferior a la presión atmosférica

El vaso de la experiencia tiene 25 cm² de base.
¿ Con qué fuerza empuja el agua al papel?
¿Con qué fuerza empuja el aire?
h = 9 cm
pagua = δ.g.h=
1000 kg/m3.9,8 m/s².0,09m
= 882 Pa
Fagua = pagua.S
882 N/m².0,0025m² = 2,2 N
Faire = paire.S
101300 N/m².0,0025m²
= 253,25 N

Torricelli utilizó un tubo de vidrio conteniendo mercurio para
medir la patm alcanzando una altura de 76 cm
De haber utilizado agua en vez de mercurio:
¿Qué altura hubiese alcanzado la columna en ese caso?
101.300 Pa = 1000 kg/m3.9,8 m/s2.h => h = 10,33 m
Por lo tanto se considera como standart que una columna de
agua de 10 m (aproximadamente) genera una presión de 1 atm,
lo que permite efectuar cálculos sencillos.
¿Qué presión soporta una persona sumergida 50 m (en agua)?
6 atm

EFECTOS DE PRESIONES GRANDES
SOBRE EL ORGANISMO
FISIOLOGÍA DEL BUCEO

Las variaciones de presión ambiental,
atmosférica o líquida, pueden producir una
serie de procesos patológicos que son debidos,
directa o indirectamente, a los cambios físicos de
presión en el organismo y que se conocen en su
conjunto como disbarismos o barotraumatismos

Estos traumatismos se localizan en las partes del
organismo que tienen un contenido gaseoso y se
producen por la variaciones volumétricas de
dichos gases.
Así, se pueden producir en el oído, senos
paranasales, aparato digestivo, conjuntivas,
nariz, dientes, piel y pulmones.

La etiología de estos accidente se basa en la ley de
Boyle-Mariotte, según la cual, a temperatura
constante, el volumen que ocupa la masa de un gas
es inversamente proporcional a la presión que
soporta.
Según esta ley cuando aumenta la presión el
volumen disminuye, mientras que si la presión
disminuye el volumen aumenta

1 atm V
2 atm V/2
p = ? V = ?
0 m
10 m
70 m
T
R
n
V
p .
.
. 
A los 70 m
¿Qué sucede con la presión?
¿En cuanto aumenta?
¿Qué ocurre con el
volumen?
Una burbuja de aire de un volumen V cuando soporta una
presión de 1 atm. Al sumergirse aumenta la presión y disminuye
su volumen
p = 8 atm V = V / 8

Cuando una persona desciende a grandes
profundidades en el agua, la presión que la rodea
aumenta considerablemente.
Para evitar el colapso de los pulmones se debe
suministrar aire a presiones elevadas, lo que expone a
la sangre pulmonar a presiones gaseosas alveolares
elevadas, fenómeno conocido como
HIPERBARISMO.

El cuadro se produce por una descompresión brusca
tras la exposición a presiones elevadas durante períodos
de tiempo prolongados.
Por acción de la presión, una considerable cantidad de
aire y de nitrógeno o helio, según el gas utilizado, se
disuelve en la sangre, en los líquidos del oído interno y
en los tejidos.
ENFERMEDAD POR DESCOMPRESIÓN

Cuando se sale muy rápidamente de la inmersión
desde una profundidad superior a los 10 m, se
produce una descompresión rápida con eliminación
de gas helio o nitrógeno desde los tejidos,
desprendiéndose burbujas de gas en la sangre y en
los líquidos del oído interno.

Esto puede provocar múltiples microembolias
gaseosas en las ramificaciones terminales de las
arterias cerebrales. La consecuencia es la aparición
de manifestaciones deficitarias isquémicas en los
territorios de las arterias cerebrales terminales y
también a nivel del oído interno.
Se produce además un estado secundario de
hipercoagulabilidad por activación del factor XII, que
colabora en la oclusión vascular.

Ley de Dalton
Establece que para todo gas compuesto las presión total
es igual a la suma de las presiones parciales.
Sabemos que el aire está compuesto principalmente por
nitrógeno (78%) y oxígeno (21%).
Si su presión es normal (1 atm = 760 mmHg) las
respectivas presiones parciales son:
Nitrógeno = 0,78 atm = 593 mmHg
Oxígeno = 0,21 atm = 160 mmHg

Cuando se respira aire a los valores normales no existen efectos
perjudiciales para el organismo, pero si aumentan las presiones
parciales por la incidencia del aumento de la presión externa sobre la
presión del aire estos no tardan en aparecer.
A altas presiones el oxígeno se vuelve tóxico para el organismo, esto
sucede cuando la presión parcial del mismo es de 0,84 atm.
Los síntomas incluyen náuseas, mareos, calambres, vértigo,
trastornos de la visión, irritabilidad y desorientación.
En exposiciones prolongadas pueden sobrevenir convulsiones
seguidas de coma
Intoxicación por oxígeno

¿A qué profundidad aproximada pueden aparecer estos síntomas en
un buzo que se sumerge en agua dulce?
0,21 atm 1 atm
0,84 atm x
x = 4 atm
Profundidad = 30 m
(Considerando un aumento de 1 atm por cada 10 m)

Suponiendo que el organismo de una persona entrenada soporta una
presión máxima de 3,4 atm
¿ Cuál es la profundad máxima que puede alcanzar en agua dulce?
1 atm
3,4 atm
h
3,4 atm – 1 atm = 2,4 atm = 243120 Pa
∆p = δ.g.h
243.120 Pa = 1000 kg/m3.9,8 m/s². h
h = 24,8 m
Este resultado es aproximadamente igual al
que obtendríamos considerando la
equivalencia mencionada 1 atm = 10 m

A continuación resolveremos
brevemente los ejercicios 7, 8, 9, 10 y
5 de la guía de trabajos prácticos y
comentaremos algunas consecuencias
fisiológicas de importancia.

Ejercicio 7
¿A qué altura mínima deberá colocarse una bolsa de suero
para que el líquido ingrese en la vena?

h
presión venosa = 10 mmHg = 1.333 Pa
presión atmosférica
pejercida x la sangre = pejercida x el suero
pvenosa = δsuero.g.hmínima
1.333 Pa=1000 kg/m3.10m/s².h
h = 0,1333 m
Al “pinchar” una vena la
sangre sale porque su presión
es mayor que la atmosférica

0
1,25
-0,50
h(m)
∆p = δ.g.h
∆pcorazón-pies = 1000 kg/m3.9,8 m/s².1,25 m
∆pcorazón-cabeza = 1000 kg/m3.9,8 m/s².(-0,5 m)
12.250 Pa = 91,9 mmHg
-4.900 Pa = -36,8 mmHg
Consideremos un sistema de referencia
con el origen al nivel del corazón.
Estando la persona de pié y aplicando
el teorema fundamental de la
hidrostática:

Aspectos clínicos relacionados: Retorno Venoso
Por la presión hidrostática, la presión venosa en los
pies sería de unos 92 mmHg al permanecer de pié.
La figura muestra la disposición de las válvulas
venosas, para favorecer el regreso de la sangre al
corazón. Al contraerse los músculos de las piernas
estos comprimen las venas y eyectan la sangre a
través de las mismas.
Este es uno de los motivos por el cual se
recomienda a las personas con problemas
cardíacos a caminar al menos 15 min al
día de manera continua.
La aparición de “varices” se debe a la
disfunción de las válvulas. Resulta eficaz
en ese caso mantener las piernas elevadas
o los vendajes compresivos.

Efecto de la variación de la presión externa
sobre la membrana timpánica
Presión externa Presión interna

membrana timpánica
Presión externa
Actuante a través del conducto
auditivo
Presión interna
(por la endolinfa del caracol y
transmitida a través de los huesecillos
del oído medio)
Esquemáticamente podemos decir que a ambos lados de la
membrana timpánica se ejercen presiones.
Si, por ejemplo, aumentase la presión externa, de no variar la
presión interna, actuaría una fuerza neta que empujaría la
membrana timpánica hacia adentro.

El aumento de la presión externa es el caso común de las personas
que practican buceo, si estas no utilizan tapones de protección y no
realizan maniobras de compensación, al sumergirse a la presión
atmosférica actuante debe adicionarse la presión hidrostática.
Una maniobra de compensación consiste en ejecutar la acción de
soltar el aire por la nariz pero a su vez tapar la misma,
presionando con el pulgar y el índice (Maniobra de Valsalva).
Intente realizar esta maniobra para deducir que efecto tiene sobre
las presiones que actúan a ambos lados del tímpano.
Nótese que el reprimir un estornudo, si presionamos la nariz
obturando la salida del aire podemos llegar a sentir una sensación
dolorosa en nuestros oídos.

La sintomatología puede ser igual al aumentar que al disminuir
la presión atmosférica externa, guardando sólo relación con la
variación de presión diferencial, cuanto mayor sea la diferencia
los síntomas serán más acusados.
Comienza por sentirse una sensación de plenitud en le oído
cada vez más incómoda que puede llegar a ser dolorosa y que
puede acompañarse de zumbidos. Si el cuadro progresa, el
dolor es más intenso, pudiendo aparecer vértigo y nauseas. Si el
dolor es muy intenso, se irradia a glándula parótida, mejilla y
región temporal.

Datos
F = 0,025 N
A = 0,5 cm² = 5.10-5- m²
δaire = 1,2 g/lt = 1,2 kg/m3
∆p = δ.g.∆h
∆p = F/A = 500 Pa
Calculemos la diferencia de presión
relacionando la fuerza neta y el área del
tímpano
Ahora podemos despejar la
variación de altura aplicando:
∆h = 41,6 m (g = 10 m/s²)
Para determinar el sentido del desplazamiento veamos que el
enunciado dice que sólo cambia (disminuye) la presión externa, lo
que significa que el ascensor subió

En una jeringa el émbolo tiene un área de
2,5 cm2 y el líquido pasa por una aguja de
0,8 mm2 de sección transversal. ¿Qué fuerza
mínima debe aplicarse al émbolo para
inyectar el líquido en una vena en que la
presión sanguínea es de 1 cmHg?
Antes de arrancar con el ejercicio…
¿entendemos todas las palabras?
• ¿Qué es un émbolo?
•¿Área y sección transversal son dos conceptos distintos?
¿y los conceptos?
¿Por qué se pide calcular una fuerza si el dato que aparece es de
presión?

Datos:
Aémbolo = 2,5 cm2 = 2,5  10-4 m2
Aaguja = 0,8 mm2 (este es un dato
espurio, porque sabemos la presión en la
aguja)
paguja = 1 cmHg = 1333 Pa
Para encarar este desafío, podemos considerar a
la jeringa como una “prensa hidráulica”
=
Fémbolo = paguja  Aémbolo
Fémbolo = 0,33 N
Y antes de terminar con esto…
2
2
2
1
1
1 p
A
F
A
F
p 



¿Qué hipótesis y modelos usamos?
Fluido incomprensible, continuidad, condiciones cuasiestáticas
Y un poco de humor, aunque con errores conceptuales

Prensa hidráulica
Una aplicación del principio de Pascal es la prensa hidráulica.
Consta de dos cilindros de distinta sección unidos por un conducto,
conteniendo un fluido. Ambos cilindros están obturados por sendos
émbolos. Se aplica una fuerza en el émbolo menor y se obtiene otra
fuerza de mayor intensidad en el otro émbolo, de mayor área. Por lo
tanto la prensa permite multiplicar la fuerza aplicada sobre el
émbolo menor en una constante igual a la relación entre las áreas de
los émbolos.

2
2
2
1
1
1
.
.
.
. h
g
A
F
p
h
g
A
F
p
d
profundida
misma
la
a
estar
por
p
p
ATM
ATM
b
a

 






Simplificando (siempre que las alturas sean iguales)
2
2
1
1
A
F
A
F


Los diámetros de los émbolos grande y pequeño de un elevador
hidráulico son 24 y 8 cm, respectivamente.
a) ¿ Cuál es el módulo de la fuerza que debe aplicarse al mas
pequeño para mantener en equilibrio un automóvil de 1000 kg
colocado sobre el émbolo grande?
b) Si el émbolo grande asciende 5 cm ¿cuánto desciende el émbolo
pequeño?
c) Calcular el trabajo realizado por cada émbolo y decidir si se
conserva la energía mecánica

Sabemos los diámetros de los émbolos, por lo tanto sus radios,
rA= 4 cm y rB = 12 cm. Calculamos el área de cada émbolo:
N
F
m
N
m
F
A
A
1
,
1111
²
045216
,
0
000
.
10
²
005024
,
0



Reemplazando y sabiendo que FB = 10.000 N
²
005024
,
0
)
04
,
0
.(
. 2
2
m
m
r
A A
A 

 

²
045216
,
0
)
12
,
0
.(
. 2
2
m
m
r
A B
B 

 

Nota: en este caso no es necesario pasar las longitudes a m, pudiéndose
trabajar en cm. El alumno debe comprobarlo así como notar que al ser el
área donde se aplica la fuerza de 10.000 N nueve veces mayor que la otra,
la fuerza necesaria para equilibrarla es nueve veces menor

Vemos que el émbolo mayor se desplaza menos que el menor
Esto sucede porque el volumen de líquido desplazado es el mismo,
resultando el desplazamiento inversamente proporcional al área
B
B
A
A
B
A x
A
x
A
V
V 





 .
.
∆xB
∆xA
Reemplazando por los valores, resulta que el émbolo menor
desciende 45 cm. La distancia recorrida es nueve veces mayor porque
el área es nueve veces menor

Finalmente vamos a calcular el trabajo realizado en cada émbolo
(como verás esta es una pregunta extra)
LA = 1111,1 N . 0,45 m . Cos 0º = 500 J
LB = 10.000 N . 0,05 m . Cos 180º = - 500 J
Como se ve la suma de los trabajos resulta nula, por lo que se
conserva la energía mecánica en una prensa hidráulica!

Lea la actividad propuesta en la guía (página 45)
Une dos jeringas (de diferente tamaño) conteniendo agua con una
manguera como muestra la figura.
¡Verás que funciona como una prensa hidráulica!

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