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11.1: Visión general

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    objetivos de aprendizaje

    • Interpreta el sistema circulatorio en términos de tu conocimiento de la dinámica de fluidos

    Hemos discutido muchas situaciones en las que los fluidos son estáticos, aunque hay muchas situaciones en las que fluyen los fluidos. Por ejemplo, una columna de humo se eleva de una fogata, el agua fluye de una manguera contra incendios, la sangre corre por tus venas. ¿Por qué se riza y tuerce el humo ascendente? ¿Cómo aumenta una boquilla la velocidad del agua que sale de una manguera? ¿Cómo regula el cuerpo el flujo sanguíneo? La dinámica de fluidos, la física de los fluidos en movimiento, nos permite responder a estas y muchas otras preguntas.

    Aplicación en el Sistema Circulatorio

    Por ejemplo, considere el sistema circulatorio, una serie conectada de tubos con fluido que fluye a través de ellos. El corazón es el conductor del sistema circulatorio, generando gasto cardíaco (CO) al contraerse rítmicamente y relajarse. Esto crea cambios en las presiones regionales y (combinado con un complejo sistema valvular en el corazón y las venas) asegura que la sangre se mueva alrededor del sistema circulatorio en una dirección. El “latido” del corazón genera un flujo sanguíneo pulsátil, conducido a las arterias a través de la microcirculación y luego de regreso a través del sistema venoso al corazón.

    La aorta, la arteria principal, sale del lado izquierdo del corazón y procede a dividirse en arterias cada vez más pequeñas que primero se convierten en arteriolas y eventualmente se convierten en capilares, a través de los cuales se produce la transferencia de oxígeno. Los capilares se conectan a las vénulas, en las que la sangre desoxigenada pasa de las células de nuevo a la sangre. La sangre luego viaja de regreso a través de la red de venas hasta el corazón derecho. La microcirculación (arteriolas, capilares y vénulas) constituye la mayor parte del área del sistema vascular y es el sitio de la transferencia de O 2 a las células.

    El sistema venoso devuelve la sangre desoxigenada al corazón derecho donde se bombea a los pulmones para oxigenarse. Aquí también es donde el CO 2 y otros desechos gaseosos se intercambian y expulsan durante la respiración. La sangre luego regresa al lado izquierdo del corazón donde vuelve a comenzar el proceso. El corazón, los vasos y los pulmones participan activamente en el mantenimiento de células y órganos sanos, y todos influyen en la dinámica de fluidos de la sangre.

    Fluidos y Difusión

    Ahora considere cómo se transportan los nutrientes a través de un cuerpo humano. La difusión es el movimiento de sustancias debido al movimiento molecular térmico aleatorio. Los fluidos pueden incluso difundirse a través de sólidos (como humos u olores que entran en cubitos de hielo). La difusión es el mecanismo dominante por el cual se produce el intercambio de nutrientes y productos de desecho entre la sangre y los tejidos, y entre el aire y la sangre en los pulmones. En el proceso evolutivo, a medida que los organismos se hicieron más grandes, necesitaban métodos de transporte más rápidos que la difusión neta, debido a las mayores distancias involucradas en el transporte. Este factor conduce al desarrollo de los sistemas circulatorios. Los organismos unicelulares menos sofisticados aún dependen totalmente de la difusión para la eliminación de los productos de desecho y la absorción de nutrientes.

    Otra forma importante de movimiento de fluidos es la osmosis, el transporte de agua a través de una membrana semipermeable (mostrada en) desde una región de alta concentración a una región de baja concentración. Es impulsado por el desequilibrio en la concentración de agua. De igual manera, la diálisis es el transporte de cualquier otra molécula a través de una membrana semipermeable debido a su diferencia de concentración. Tanto la ósmosis como la diálisis son utilizadas por los riñones para limpiar la sangre, y la aplicación médica de la diálisis a través de maquinaria es importante en el tratamiento de individuos con insuficiencia renal.

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    Una Membrana Semipermeable: Una membrana semipermeable con pequeños poros que permiten que solo pequeñas moléculas pasen a través.

    Caudal y Velocidad

    La velocidad de flujo y los caudales volumétricos son cantidades importantes en la dinámica de fluidos utilizados para cuantificar el movimiento de un fluido y están interrelacionados.

    objetivos de aprendizaje

    • Evaluar la importancia de estudiar el flujo volumétrico además de la velocidad del flujo

    La dinámica de fluidos es el estudio de fluidos en movimiento y fenómenos correspondientes. Un fluido en movimiento tiene una velocidad, así como un objeto sólido en movimiento tiene una velocidad. Al igual que la velocidad de un sólido, la velocidad de un fluido es la velocidad de cambio de posición por unidad de tiempo. En términos matemáticos, la velocidad de un fluido es la derivada del vector de posición del fluido con respecto al tiempo, y por lo tanto es en sí misma una cantidad vectorial. El vector de velocidad de flujo es una función de la posición, y si la velocidad del fluido no es constante entonces también es una función del tiempo. La ecuación 1 muestra la expresión matemática para la velocidad de un fluido en movimiento. Como cantidad vectorial, la velocidad del fluido debe tener al menos un componente direccional distinto de cero y puede tener hasta tres componentes direccionales distintos de cero. El vector de velocidad tiene componentes distintos de cero en cualquier dirección ortogonal a lo largo de la cual se produce el movimiento del fluido.

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    Velocidad de flujo: Expresión matemática para la velocidad de flujo

    Flujo Turbulento vs Flujo Laminar

    La velocidad del fluido puede verse afectada por la presión del fluido, la viscosidad del fluido y el área de sección transversal del recipiente en el que se desplaza el fluido. Estos factores afectan la velocidad del fluido dependiendo de la naturaleza del flujo de fluido, particularmente si el flujo es de naturaleza turbulenta o laminar. En el caso del flujo turbulento, la velocidad del flujo es de naturaleza compleja y, por lo tanto, difícil de predecir; debe analizarse sobre una base de sistema por sistema. En el caso del flujo laminar, sin embargo, el flujo de fluido es mucho más simple y la velocidad del flujo se puede calcular con precisión utilizando la Ley de Poiseuille. En unidades SI, la velocidad de flujo de fluido se expresa en términos de metros por segundo. La magnitud de la velocidad de flujo de fluido es la velocidad de flujo de fluido. La velocidad de flujo de fluido describe de manera efectiva todo sobre el movimiento de un fluido.

    Flujo Volumétrico

    Además de la velocidad de flujo, el caudal volumétrico es una cantidad importante en el análisis de dinámica de fluidos. El flujo volumétrico se define como el volumen de fluido que pasa a través de una superficie dada por unidad de tiempo. Cualitativamente, la Figura 1 muestra la noción de caudal volumétrico respecto a una superficie transversal del área A. Matemáticamente, el caudal volumétrico es la derivada del volumen de fluido que pasa a través de una superficie dada con respecto al tiempo; en unidades SI esto se expresa como metros por segundo. El caudal volumétrico está relacionado con el vector de velocidad de flujo como la integral superficial con respecto a la superficie en cuestión. Si el área superficial en cuestión es una sección transversal plana y plana, la integral de superficie se reduce como se muestra en la Ecuación 2, donde A es el área superficial de la superficie en cuestión y v es la velocidad de flujo del fluido.

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    Caudal Volumétrico: Caudal Volumétrico Integral de Superficie y su simplificación

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    Relación Velocidad de Flujo — Caudal Volumétrico: Esta figura muestra la relación entre la velocidad de flujo y el caudal volumétrico.

    Además, solo el componente de velocidad de flujo paralelo a la superficie normal de la superficie en cuestión, o alternativamente el componente de velocidad de flujo perpendicular a la superficie en cuestión contribuye al caudal volumétrico. La Figura 1 y la Ecuación 2 ilustran la descomposición del vector de velocidad de flujo, formando un ángulo θ con respecto a la normal del plano superficial para calcular el caudal volumétrico a través de esa superficie. Por lo tanto, el caudal volumétrico para una velocidad de fluido dada y un área de superficie transversal aumenta a medida que θ disminuye, y se maximiza cuando θ = 0. El caudal volumétrico es una cantidad escalar importante en la dinámica de fluidos y se usa ampliamente en las mediciones de flujo de fluidos. El caudal volumétrico se puede convertir en caudal másico si se conoce la densidad del fluido. El flujo de fluidos a través de un sistema cerrado a menudo se analiza como un circuito hidráulico análogo al flujo de electrones en un circuito electrónico donde: 1) el flujo volumétrico de fluido es análogo a la corriente eléctrica, 2) la presión es análoga a la tensión, y 3) la velocidad del fluido es análoga a la densidad de corriente.

    Puntos Clave

    • Hay muchos fluidos en biología y comprender su comportamiento en movimiento es crucial para una medicina efectiva.
    • El corazón bombea un líquido, sangre, a través de una serie de tubos en el cuerpo.
    • La circulación puede entenderse a través de un estudio de la dinámica de fluidos.
    • La difusión es el mecanismo dominante por el cual se produce el intercambio de nutrientes y productos de desecho entre la sangre y los tejidos, y entre el aire y la sangre en los pulmones.
    • Tanto la ósmosis como la diálisis son utilizadas por los riñones para limpiar la sangre, y la aplicación médica de la diálisis a través de maquinaria es importante en el tratamiento de individuos con insuficiencia renal.
    • La velocidad de flujo es una cantidad vectorial utilizada para describir el movimiento de un fluido. Se puede determinar fácilmente para flujo laminar pero complejo de determinar para flujo turbulento.
    • El caudal volumétrico es el volumen de un líquido que pasa a través de una superficie determinada por unidad de tiempo. Se encuentra a partir de la velocidad de flujo y la superficie de la superficie a través de la cual pasa el fluido.
    • El flujo de fluido a través de un sistema hidráulico cerrado se analiza de manera muy similar al flujo de electrones a través de un circuito electrónico, donde el caudal volumétrico es análogo a la corriente, la velocidad del flujo es análoga a la densidad de corriente y la presión es análoga al voltaje (potencial eléctrico).

    Términos Clave

    • vascular: De, pertenecientes o conteniendo vasos que conducen o circulan fluidos (como sangre, linfa o savia) a través del cuerpo de un animal o planta.
    • ósmosis: El movimiento neto de moléculas de solvente de una región de alto potencial solvente a una región de menor potencial solvente a través de una membrana parcialmente permeable.
    • diálisis: Método de separación de moléculas o partículas de diferentes tamaños por difusión diferencial a través de una membrana semipermeable.
    • Flujo Laminar: Movimiento no turbulento de un fluido en el que las capas paralelas tienen diferentes velocidades entre sí.
    • Flujo Turbulento: El movimiento de un fluido que tiene velocidades y presiones locales que fluctúan aleatoriamente.

    LICENCIAS Y ATRIBUCIONES

    CONTENIDO CON LICENCIA CC, COMPARTIDO PREVIAMENTE

    CC CONTENIDO LICENCIADO, ATRIBUCIÓN ESPECÍFICA

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