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

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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.