Principios físicos de la biología

El presente documento solo pretende ser una base simplista de los conceptos físicos en los cuales se sustenta la vida, explicado para ingenieros.

1. Principios físicos de la biología

2. Principios físicos de la biología
Mg. Ing. Gabriel Rojas
El presente documento solo pretende ser una base simplista de los conceptos físicos en los cuales se sustenta
la vida, explicado para ingenieros.
Cualquier persona puede usar este documento de forma completamete libre aunque se agradece
mencionar al autor.
Datos de contacto
[email protected]
[email protected]
https://ProfesorGavit0.blogspot.com
Universidad de Cundinamarca
Facultad de ingeniería
Ingeniería de sistemas
Sede: Chía –2017
www.unicundi.edu.co
This file is free to use under Creative Commons Attribution license. You can keep the Credits slide or mention
SlidesCarnival and other resources used in a slide footer.

3. Principios físicos de la
biología
Mg. Ing. Gabriel Rojas
Unaintroducciónalosconceptosfísicosenlos
cualessesustentalavida,paraingenierosen
tecnologíasdelainformación.
El contenido de este documento fue extraído del libro: Johnson, A. T. (2011). Biology for engineers. CRC Press.

4. ¿Qué es la física?
Lafísicaesunacienciaquese
ocupadelamateriaylaenergía,y
susinteracciones.
Esunacienciacuantitativade
medición,experimentacióny
sistematizaciónderesultados
experimentales.

5. ¿Para qué la física?
Elestudiodelafísicaesel
fundamentodelamanipulacióny
elcontroldenuestroentorno
físico.
Losmovimientosquehacemos,
losprocesosqueusamospara
extraerenergíaylasfuerzasde
losmiembrosdelcuerpose
describenconmodelosfísicos.

6. ¿Cómo se desarrolla
la física?
Elmétodocientíficoseutilizaen
susentidomásclásicopara
formularprincipiosoleyesque
puedenaplicarseampliamente
parapredecirresultados.

7. ¿La física en la
ingeniería?
Lafísicaeslacienciabásicasobre
laquedescansatodalaingeniería.
Lafísicaeselparadigmadeuna
cienciaqueutilizaobservaciones
empíricasylastransformaen
principiosfundamentales.
Lasdescripcionescuantitativasde
eventosfísicossonmodelospara
elanálisisydiseñodeingeniería.

8. La física de la vida
Losseresvivosobedecenlasleyesdelafísica
yseacomodanaellostanbiencomopueden.
Lacomprensióndelasleyesfísicas,entonces,
esimportanteparacomprenderelcontexto
enelquesehadesarrolladolabiología.

9. ¿Cómo explicar la
vida usando la física?
Existenmuchosymuydiversos
principiosymodelosfísicosque
permiten comprender
característicasdelosentesvivos.
Sinembargo,algunospuedenser
seleccionadosporsumayor
importanciaparalacomprensión
delasunidadesbiológicas(UB).
1.Potencial de movimiento
2.Desorden -Entropía
3.Conservación de energía
4.Trabajo mecánico
5.Transferencia
6.Resistencia mecánica
7.Aceleración y reposo
8.Calor
9.Presión
10.Flujo y transporte de sustancias

10. Haylugaresconmayorpotencialylugaresconmenorpotencial.
Lascosassemuevendemayoramenorpotencial."Potencial"es
unapalabrausadaparadescribirlatendenciadealgoparaqueel
potencial,quepuedeserpositivoonegativo,puedeatraero
repelercosasmóviles.Estascosaspuedenserpartículas,energía
oUB.
Resistencia
Capacidad
Inercia
Esfuerzorequerido
Potencial de
movimiento

11. Resistencia
▪Resistenciadescribeellímite
delavariabledeflujopara
cualquiercantidaddeesfuerzo
determinado.
▪Sinresistencia,lacantidadde
flujoresultantedeunapequeña
cantidaddeesfuerzosería
ilimitada.
▪Matemáticamente, la
resistenciasedacomo:
Flujo
Resistencia

12. Capacidad
▪Lacapacidadeslahabilidadde
acumular,almacenar,yfluir
coneltiempo.
▪Amedidaquelacapacidadse
hacemayor,máscosasse
puedenacumularenuntiempo
dadoparacualquiercantidadde
esfuerzo.Porlotanto,se
puedealmacenarmáscaloren
uncuerpoconmayorcapacidad
calorífica.
▪Lacapacidadseda
matemáticamentecomoelflujo
acumuladodivididoporelvalor
delavariableesfuerzo:

13. Inercia
▪Inerciaeseltérminoque
describelaresistenciaaun
cambioenelflujo(movimiento)
eneltiempo.
▪Lainerciaesloqueevitaque
los cambios ocurran
instantáneamente.
▪Lainerciaeslarazónporlaque
losfluidosbiológicosno
cambian la velocidad
inmediatamente.
▪Matemáticamente,lainercia
sedacomolacantidadde
esfuerzorequeridapara
producirunatasadecambiode
variabledeflujoconeltiempo:

14. Esfuerzo requerido
▪El esfuerzo requerido permite
calcular la resistencia.

15. Losseresvivosestánaltamenteordenadosenlugardealeatorio.
Esdecir,semantienenestructurasparticulares,semantienen
actividadesparticularesysemantienenrelacionesparticulares.
Elmantenimientodelordenrequiereenergía.
Comoconsecuencia,losseresvivosrequierenungastoconstante
deenergía.
Sinloanterior,lossistemasvivossoninsostenibles.
Desorden
Entropía

16. Debidoaquelaenergíanuncapuedefluirespontáneamentedeun
potencialinferioraunpotencialmásalto,queelniveldeenergía
sedegradaencadapasodeunproceso.
Esdecir,laenergíatotaldisponiblesiempreesmenorencada
etapa.
Sinenergíasuficiente,lasestructurasbiológicas,lasactividadesy
lasrelacionesnopuedensermantenidas,yelsistemavivomuere.
Lossistemasbiológicosmuertossedegradanrápidamentea
elementosymoléculassimples,ydespuésdeuntiempo,esdifícil
dereconocerloscomoprovenientesdecualquierestructura,
participandoenactividadesbiológicasomanteniendorelaciones
significativas.
Desorden
Entropía

17. Elhechodequeunflujosólopuedaocurrirespontáneamentedesdeun
valordelavariabledeesfuerzomásaltoamásbajosignificaque:
1.Lacorrienteeléctricanuncafluyedeunvoltajemásbajoaun
voltajemásalto
2.Elcalornuncafluyedeunatemperaturamásbajaauna
temperaturamásalta(segundaleydelatermodinámica)
3.Unobjetonuncasemuevecontraunafuerzanetaaplicada
4.Laenergíanuncasecreaespontáneamente
5.Unasoluciónnuncasevuelvemásconcentrada
6.Unfluidonuncafluyecontraungradientedepresión
7.Lainformaciónnuncasearreglaespontáneamenteenloslibros
8.Losobjetososcurosnuncatransmitenluzaobjetosmásbrillantes
9.Unacélulanuncasereproducesinentradadeenergía
10.Lavidanosecreaespontáneamente
Desorden
Entropía

18. Loqueentraperonosalesealmacenaensuinterior.
Esteprincipioabarcalaideadeelequilibrioylaconservacióndela
materiaoenergía.
Cuandohayunespaciodefinidoconlímitesidentificables,la
energíaoelmaterialquefluyeatravésdeesoslímitesestá
relacionadoporelequilibrio:
tasadematerialdeentrada-tasadematerialdesalida-+
materialgenerado=tasadematerialalmacenado
Conservación de
energía

19. La energía es una variable de flujo y puede ser tratada de manera
similar a otros flujos tales como flujo de fluido y flujo de masa.
Considere un equilibrio térmico:
calorqueentra-calorquesale+calorgenerado=caloralmacenado
Aplicacionesypredicciones:
1.Lacantidaddeaguaalmacenadaenunhumedalpuede
determinarsetomandoencuentalasentradasysalidas.El
aguanosegeneraenunhumedal,aunqueelaguaseevapora
(generaciónnegativa).
2.Elgastocardíacoenunserhumanopuededeterminarse
usandounbalancedemasasobreunasustanciatrazadoraen
lasangre.
3.Siladiferenciadepresiónentrelabocaylosalvéolos
respiratoriospermanececonstante,entonceselflujodeaire
respiratoriodisminuiráacerocuandoelpulmónsellene.
Conservación de
energía

20. Aplicacionesypredicciones:
4.Eltiemponecesarioparaeliminarlosmetalespesadosdel
suelosepuededeterminarusandounbalanceenionesde
metalespesados.
5.Elpotencialtransmembranacelularpuededeterminarsea
partirdeunbalancedecargasobrelasconcentracionesde
ionesdentroyfueradelacélula.
6.Lavelocidaddeperfusióndeoxígenodeltejidopuede
obtenerseapartirdelavelocidaddeoxígenoqueentraenel
lechocapilarmenoslavelocidaddeoxígenoquesaledellecho
capilar.
7.Elaumentodepesoestárelacionadoconlaingestade
alimentosmenoslaparteindigestible.
8.Seconservalaenergía.
Conservación de
energía

21. Puedenusarsediferentesformasdeenergíapararealizartrabajos
mecánicos.
EltrabajomecánicoesextremadamenteimportanteparalaUB,y
estetrabajoseutilizaparadefinirelsignificadodelaenergía.
Eltrabajomecánicohacereferenciaacuandoalgosemuevede
unolugaraotro.Eltrabajomecánicoparamoverunacosase
calculaasí:
trabajo=(fuerza)(distanciamovida)
Trabajo mecánico

22. Laenergíasedefinecomolacapacidadderealizaruntrabajoútil.
Así,laenergíasepuedeconvertirentrabajo,yviceversa.
Existe,pues,unaequivalenciaentreeltrabajoylaenergía.
Larelaciónentrelaenergíaútilylaenergíarequeridadefinela
eficiencia:
Eficiencia=Energíaútil/Energíarequerida
Trabajo mecánico

23. Latransferenciadealgodeunlugaraotrodependedirectamente
delasuperficieyesinversamenteproporcionalaladistancia
entrelosdoslugares.
Sinimportarsiel"algo"escalor,masa,corrienteeléctrica,oalgo
más,UBdebetratarconelrestriccionesimpuestasporla
geometría.
Elmovimientodelamateriaescríticoparalossistemasvivos
entodoslosniveles.
Transferencia

24. Elmovimientodelamateriaescríticoparalossistemasvivosen
todoslosniveles.Lasfuentesdeenergíatomanamenudola
formadecompuestosricosenenergía,yéstosdebenmoverse
desdedondequieraqueseubicanencélulas.
Transferencia

25. Laconsecuenciadelmetabolismoeslaproduccióndeproductos
dedesecho,quedebensereliminadosoalmacenadosenforma
inmovilizada.
Laacumulacióndeestosproductosdedesecho(incluyendo
dióxidodecarbono,lactato,urea,alcoholyotros)puededañar
severamenteelorganismo,yporlotantodebesertransportado
lejos.
Transferencia

26. Laósmosiseselprocesorelacionadoconladifusiónde
materiales,queocurreprincipalmenteatravésdelasmembranas
semipermeablesqueseencuentranenlosseresvivos.
Lasmembranasseutilizanparaseparardiferentesmoléculasy
paracontrolarlascondicionesambientaleslocales.Hay
membranasquerodeanlacélulaymuchasdesusinclusiones.
Transferencia

27. Laresistenciamecánicadependedelaconfiguracióngeométrica,
lacantidaddematerialpresente,ylaspropiedadesdelmaterial.
VariasUBmantienensusintegridadesfísicasequilibrandoestas
tresconsideraciones,algunasporsusformas,otraspordepósitos
dematerialesfuertesyotrosutilizandomaterialescon
propiedadesinusuales.
Resistencia
mecánica

28. Geometría
▪Lasuperficiesuperiordelala
deunaviónsecurvamásquela
superficieinferior,yladistancia
paraqueelfluidoviajeseamás
largadesdeelfrentehastala
partetraseradelala.
▪Conunadistanciamáslarga
paraviajarenlamismacantidad
detiempo,elfluidofluyemás
rápidosobrelapartesuperior
delalaquesobreelfondo.

29. Cantidad de material
▪LasegundaleydeNewton
estableceque:
Laaceleraciónproducidaen
uncuerpoporunafuerza
externadesequilibradaes
proporcionalalamagnituddela
fuerzae inversamente
proporcionalalamasadel
objeto.
▪Fuerza=Masa*Aceleración
▪La tercera ley de Newton
establece que:
Para cada acción hay una
reacción igual y opuesta.

30. Propiedades del
material
▪Laspropiedadesfísicasdelos
fluidossonmuyimportantes.
▪Losfluidosfinossonfácilesde
mover.
▪Losfluidosgruesossonjusto
locontrario.
▪Lapropiedadfísicaquemideel
espesordelfluidosedenomina
viscosidadylaviscosidaddel
aguaesaproximadamente50-
100vecesmayorquela
viscosidaddelaire.
▪Disolverosuspenderlos
materialesenelaguapuede
mejorarsuviscosidadmucho.
▪Laviscosidaddelasangre
humana total es
aproximadamente10vecesla
delagua.

31. Lasfuerzasmecánicasdesequilibradascausanaceleración.
Sinohayfuerzasnetas,entoncesuncuerpoenmovimientosigue
enmovimientoyuncuerpoenreposopermaneceenreposo.
Debidoaquelafuerzaeslavariabledeesfuerzoylaaceleración
eslatasadecambiodetiempodelavariabledeflujo,lamasa
puedeservistacomolainercia(oinercia)delobjeto.
Lossistemasbiológicosutilizanunavariedaddeesquemaspara
aumentarodisminuirlasfuerzasdefricción.Lasmoscas
caminandoenunaparedusanunasustanciapegajosaensuspies
paramantenerunaltocoeficientedefricciónparaquenoResbalar
ycaer.
Aceleración y
reposo

32. Elcalorresidualdebajacalidadesinútilpararealizarcualquier
tipodetrabajo.
Todaslasotrasformasdeenergíafluyendesdeunpotencialmás
altohastabajar,yeventualmentedegradarseencalor.
Elcalorpuedesertransformadoenotrasformasdeenergía,pero
latransformaciónnuncaes100%eficiente,porloquesedejaalgo
decalor.
Calor

33. Latransferenciadecaloresimportanteparalosorganismos
biológicos.Elexcesodecalordebeserremovidoylasdeficiencias
decalordebenserllenados.Delocontrario,losorganismosno
sobrevivirán.
Elcalorpuedesertransferidoatravésdecuatromecanismos
comunes:
(1)Conducción,
(2)Convección,
(3)Radiación,y
(4)Cambiodeestado.
Calor

34. Conducción
▪Laconducciónrequiereel
contactoparaqueelcalorpase
deunobjetoofluidoaotro.

35. Convección
▪Convecciónrequierequehaya
unfluidoenmovimiento(líquido
ogas)quepuedecalentaro
enfriarymoverelcalorjunto
conellíquido.

36. Radiación
▪La radiaciónrequiere
solamentequedosobjetos
esténencontactodelalínea-
de-vista;elcalorsemuevea
través de medios
electromagnéticos.

37. Cambio de estado
▪Elcambiodeestadode
transferenciadecalores
importantecuando una
sustancia,comoelagua,se
evapora,secondensa,sefunde
osecongela.

38. Laspresioneshidrostáticassonigualesentodaslasdirecciones.
Lasparedesfuertessoninnecesariassilalaspresionesson
igualesenamboslados.
Lapresiónpuededistorsionarobjetosopuedeapoyarlos.
Loslíquidossonimportantesparalosorganismosbiológicos
porquellenanespaciosinterioresyrodeancompletamentecada
organismo.
Lossistemascirculatoriosenplantasyanimalesseajustanalos
principiosfísicos.
Presión

39. Elaguayelairesonlosdosfluidosmásimportantesparalos
sistemasbiológicos;aireporquesuministraoxígeno,actúacomo
sumideroparaelexcesodedióxidodecarbonoypuedesecarel
organismo;yelaguaporqueactúacomodisolvente.
Cadasistematieneunmedioparaimpulsarelfluido,porque,a
partirdelasleyesdemovimientodeNewton,elfluidonose
moveráporsímismo.
Presión

40. Fluidosquefluyenrequierenenergíaparasuperarlaresistencia.
Elmovimientodelíquidosesimportanteenlossistemas
biológicosparasuministraroxígeno,nutrientesyproductos
químicosdecontrol,yparaeliminarlosdesechos.
Lacapacidaddelcorazónparamoverestosfluidosdepende
principalmentedelacapacidaddesuperarlaresistencia,yla
configuracióndelatrayectoriadelflujolograunequilibrioentre
altasydébilesresistencias.
Flujo y transporte
de sustancias

41. Gracias!
!
Preguntas?
[email protected]