Física do Sistema Cardiovascular Este texto é a tradução do Capítulo 8 do livro "Medical P hysics" de J.R. Cameron & J.G. Skofronick
O sangue e sua provisão de O2 são tão importantes ao corpo que o coração é o primeiro órgão principal a se desenvolver no embrião. Oito semanas depois da concepção o c oração está trabalhando para fazer circular sangue para os tecidos do feto. Como o feto ainda não tem os pulmões funcionando, e não pode de nenhum modo adquirir ar, tem que obter o seu sangue oxigenado da sua mãe através do cordão umbilical. O coração fetal tem uma abertura que permite o sangue circular para os pulmões fluindo diretamente do átrio da esquerda para o átrio da direita. Como resultado, só são circulados aproximadamente 10% do sangue aos pulmões fetais. Após o nascimento a abertura entre os átrios direito e esquerdo efetivamente se fecha para enviar mais sangue para os pulmões. Pode levar meses para o fechamento se completar. Se fechamento não é adequado, no nascimento o sangue não será oxigenado corretamente e a criança será um " bebê " azul. Um coração com este defeito do tipo congênito pode agora ser c orrigido com cirurgia. As células do corpo agem como máquinas individuais. Para que elas as funcionem têm que ter (1) combustível de nossa comida para prover energia, (2) O2 do ar que nós respiramos para combinar com a comida e liberar energia, e (3) um modo para dispor dos subprodutos da combustão (principalmente CO2, H2O, e ca lor). Já que os corpos têm muitos bilhões de células, um sistema de transporte elaborado é preciso para entregar o combustível e O2 às células e remover os subprodutos. O sangue executa esta função importante do corpo. Sangue representa aproximadamente 7% da massa do corpo ou aproximadamente 4,5 kg (volume de ~ 4,4 litros) em uma pessoa de 64 kg. O sangue, vasos sangüíneos, e o coração compõem o sistema cardiovascular (SCV). Este capítulo descreve os aspectos físicos do SCV. 8.1. COMPONENTES PRINCIPAIS DO SISTEMA CARDIOVASCULAR O coração está mostrado na Fig. 8.1. Basicamente é uma bomba dupla (Fig. 8.2). que provê a força necessária para circular o sangue pelos dois sistemas circulatórios principais: a circulação pulmonar nos pulmões e a circulação sistêmica no resto do corpo. O sangue em um indivíduo normal circula por um sistema antes de ser bombeado pela outra seção do coração ao segundo sistema. Vamos começar com o sangue no lado esquerdo do coração e seguir sua circulação através de uma volta completa. O sangue é bombeado por contração dos músculos de coração do ventrículo esquerdo a uma pressão de cerca de 17 kPa (125 mm Hg) para um sistema de artérias que se subdividem em artérias menores e menores (arteríolas) e finalmente em uma malha muito fina de vasos chamados de leito capilar. Durante os poucos segundos que está na leito capilar o sangue provê O2 para as células e retira CO2 das mesmas.
Figura 8.1. O coração. (a) Note as paredes musculares mais fortes maiores no lado esquerdo onde a maioria do trabalho é feito. (b) A seção transversal mostra a forma circular do ventrículo esquerdo; esta forma eficientemente produz a pressão alta necessária para a circulação geral.
Depois de atravessar o leito capilar o sangue se junta em pequenas veias (vênulas) que gradualmente combinam-se em veias maiores e maiores antes de entrar no lado direito do coraçã o por duas veias principais--a veia cava superior e a veia cava inferior. O sangue retornado é armazenado momentaneamente no reservatório (o átrio direito), e durante uma contração fraca de 0,8 kPa (5 a 6 mm Hg) o sangue flui para o ventrículo direito. Na próxima contração ventricular este sangue é bombeado a uma pressão de cerca de 3,3 kPa (25 mm mm Hg) pelas artérias pulmonares para o sistema capilar dos pulmões.
Nos pulmões o sangue recebe mais O2 e um pouco do CO2 do sangue se difunde no ar nos pulmões para ser exalado. O sangue frescamente oxigenado então viaja pelas veias principais dos pulmões para o reservatório esquerdo do coração (átrio esquerdo); durante a contração atrial fraca de cerca de 1 kPa (7 a 8 mm Hg) o sangue flui para o ventrículo esquerdo. Na próxima contração ventricular este sangue é bombeado novamente do lado esquerdo do coração para a circulação geral.Desde que um adulto típico tem aproximadamente 4,5 litros de sangue e cada seção do coração bombeia aproximadamente 80 ml em cada contração, cerca de um minuto é necessário para os glóbulos vermelhos em média fazerem um ciclo completo no corpo. O coração tem um sistema de válvulas que, se funcionando corretamente, permite o sangue fluir somente na direção correta. Se estas válvulas ficam doentes e não abrem ou fecham apropriadamente o bombeamento do sangue fica ineficiente. Desenvolvimentos modernos em válvulas artificiais do coração permitiram a substituição de válvulas naturais por válvulas mecânicas. O volume de sangue não é dividido uniformemente entre as circulações pulmonares e sistêmicas. Em qualquer momento aproximadamente 80% do sangue estão na circulação sistêmica e 20% estão na circulação pulmonar. Do sangue na circulação sistêmica, aproximadamente 15% estão nas artérias, 10% estão nos capilares, e 75% estão nas veias. Na circulação pulmonar aproximadamente 7% do sangue estão no capilares pulmonares e o restante de 93% é quase igualmente dividido entre as artérias pulmonares e veias pulmonares. Enquanto nós regularmente pensamos no sangue como vermelho claro, a maioria do sangue no corpo é vermelho escuro. O sangue venoso é desprovido de O2 e isso torna o sangue vermelho claro. A matiz azul para as veias em suas mãos é devida a pigmentação na pele. Quando você se corta, normalmente o sangue venoso flui para fora, pois as veias estão mais próximas da superfície, mas em uma fração de um segundo é oxigenado e parece vermelho claro. A olho nu o sangue parece ser um líquido vermelho ligeiramente mais espesso que água. Quando examinado através de várias técnicas físicas é encontrado consistir de vários componentes diferentes. A cor vermelha é causada pelos glóbulos vermelhos (eritrócitos), discos planos de aproximadamente 7 mm (7 x 10-6 m) de diâmetro que representa aproximadamente 45% do volume do sangue. Há aproximadamente 5 x 106 eritrócitos/mm3 de sangue. Um fluido aproximadamente claro chamado plasma sangüíneo toma os outros 55%. A combinação de eritrócitos e plasma faz o sangue ter propriedades diferentes daquelas de um fluido como a água.
Figura 8.2. O sistema circulatório pode ser pensado como um sistema de circulação em circuito fechado com duas bombas.As válvulas de uma direção mantém o fluxo para baixo através da bomba. As pressões em mmHg estão indicadas.
Além dos eritrócitos e plasma, há alguns componentes de sangue importantes, como as células de glóbulos brancos (leucócitos), que se apresentam em quantias pequenas. Leucócitos, que não são redondos, têm dimensões de 9 a 15 mm. Eles são parte do sistema imunológico e representam um papel importante no combate de doenças. Há aproximadamente 8000 leucócitos/mm3 de sangue. Quando há uma infeção no corpo o número de leucócitos aumenta. Tipos diferentes de leucócitos respondem diferentemente a infeção, e os médicos comumente pedem uma contagem diferencial, quer dizer, uma contagem dos diferentes tipos de leucócitos. O sangue também contém plaquetas. Plaquetas (1 a 4 mm de diâmetro) estão envolvidas na função
de coagulação do sangue. Há aproximadamente 3 x105 plaquetas/mm3 de sangue. O sangue age como o mecanismo de transporte para pequenas quantidades de hormônios que controlam os processos químicos no corpo. Questões: Problema 8.1. Estime seu volume de sangue a partir de sua massa corporal. Problema 8.2. Estime o volume de sangue que seu coração bombeia para a sua circulação sistêmica a cada dia. Problema 8.3 Que porcentagem de seu sangue está em sua circulação pulmonar?
8.2. TROCA DE O2 E CO2 NO SISTEMA CAPILAR Nem todos os capilares estão levando sangue a qualquer momento. Nos músculos em repouso somente 2 a 5% do capilares estão funcionando. As pequenas artérias (arteríolas) que suprem os capilares têm bolsas circulares de músculos (esfíncter) que controlam o fluxo de sangue na rede de capilares (Fig. 8.4). Quando há uma demanda de sangue o esfíncter relaxa-se permitindo o músculo adquirir mais sangue e O2. A pressão de capilar varia de aproximadamente 3,3 kPa (25 mm Hg) onde o sangue flui de uma extremidade arterial para aproximadamente 1,3 kPa (10 mm Hg) onde o sangue deixa o vaso capilar para a extremidade venosa. A pressão de osmótica líquida é calculada para ser aproximadamente = 3 kPa ( 20 mm Hg) dentro do vaso capilar. Fluidos fluem para fora do vaso capilar na extr emidade arterial e para dentro do vaso capilar na extremidade venosa. Se pressão capilar subir, por exemplo, devido a trauma, mais fluidos seriam forçados para os tecidos dos capilares causando inchaço ou edema dos tecidos. Figura 8.4 - Uma seção pequena de um leito capilar. Um músculo de esfíncter (S) controla o fluxo sangüíneo para dentro dos capilares
8.3. TRABALHO FEITO PELO CORAÇÃO Num adulto típico cada contração das forças musculares do coração força aproximadamente 80 ml (cerca de um terço de uma xícara) de sangue do ventrículo direito para os pulmões e um volume semelhante para a circulação sistêmica a partir do ventrículo esquerdo. No processo o coração realiza trabalho. Os volumes não são precisamente iguais para uma contração qualquer, mas durante um certo tempo eles bombeiam a mesma quantia. As pressões nas duas bombas do coração não são as mesmas (Fig.. 8.5). No sistema de pulmonar a pressão é bastante baixa por causa da baixa resistência dos vasos sangüíneos dos pulmões. A pressão de pico (sístole) - normalmente cerca de 3 kPa (25 mm Hg) - é cerca de um quinto daquela da circulação de sistêmica. Afim de circular o sangue por uma cadeia sistêmica maior, o lado esquerdo do coração tem que produzir pressões que são tipicamente cerca de 16 kPa (120 mm Hg) no pico (sístole) de cada ciclo cardíaco. Durante a fase de repouso (diástole) do ciclo cardíaco a pressão é tipicamente cerca de 10,5 kPa (80 mm Hg). Note as maiores espessuras dos músculos no lado esquerdo do coração na Fig. 8.1(a). O músculo que dirige o ventrículo esquerdo é aproximadamente três vezes mais espesso que aquele do ventrícul o direito. Além disso, a forma circular do ventrículo esquerdo é mais eficiente para produzir pressão alta que a forma elíptica que amolda o ventrículo direito (Fig. 8. 1b).
Figura 8.5 – A pressão varia ao longo do sistema circulatório. Note a pressão baixa nas veias e a pressão relativamente baixa no sistema pulmonar.
A potência, ou taxa na qual o trabalho é r ealizado, por uma bomba que trabalha a uma pressão constante P é igual ao produto da pressão pelo volume bombeado por unidade de t empo, O coração de bombeamento acontece em menos que um terço do ciclo cardíaco e o músculo de coração r epousa por dois terços do ciclo. Assim a potência durante a fase de bombeamento é mais de três vezes mai or que o valor médio que nós calculamos. O coração, como todas as outras máquinas, não é muito eficiente. De fato, é tipicament e menos que 10% eficiente, e o consumo de potência média do coração é cal culado como sendo mais de 10 W. Por causa da pressão sangüínea mais baixa no sistema pulmonar do que a potência necessária lá é cerca de um quinto daquela necessária pela circulação geral. Durante trabalho intenso ou exercícios a pressão sangüínea pode subir até 50%, e o volume de sangue bombeado por minuto pode aumentar por um fator de 5, e pode conduzir a um aumento de 7,5 vezes no trabalho feito pelo coração por minuto. Questão 8.4 :Se a potência média consumida pelo coração é 10 W, qual é a porcentagem de uma dieta diária de 2500 kcal usada para operar o coração? (4,19 J = 1 cal)
8.4. PRESSÃO SANGÜÍNEA E SUA MEDIDA O instrumento que é comumente usado é chamado um esfigmomanômetro . Consiste em uma bolsa de pressão e mede no braço superior e um estetoscópio colocado em cima da artéria braquial ao cotovelo (Fig.. 8.7). A bolsa de pressão é inflada rapidamente a uma pressão suficiente para parar o fluxo de sangue e o ar é liberado gradualmente. Quando a pressão na bolsa cai abaixo da pressão sangüínea sistólica, o fluxo turbulento de sangue que esguicha pela artéria causa sons que podem ser ouvidos no estetoscópio. Eles são c hamados sons Korotkoff ou sons K. Esta pressão à qual os sons K são ouvidos primeiro indica o nível de pressão sistólica. Quando a pressão cai mais, os sons de K ficam mais altos e então começam a enfraquecer. O ponto ao qual o som K desaparece ou varia indica a pressão diastólica. As unidades na medida de pressão normalmente são mm Hg mas elas poderiam ser indicados facilmente em kPa [1 mm Hg = 0.1316 kPa]. Para indivíduos experimentados nesta técnica a reprodutibilidade (precisão) da medida de pressão sangüínea sistólica normalmente está dentro de ±0.3 kPa (±2mm Hg). A reprodutibilidade da medida diastólicas não é tão boa, entretanto normalmente está dentro de ±0.7 kPa (±5 mm Hg). A precisão é dependente da obesidade dos pacientes e outros fatores. A pressão no sistema circulatório varia ao l ongo do corpo. Até mesmo em artérias principais a pressão varia de um ponto a outro por causa de forças gravitacionais. A Figura 8.8a mostra esquematicamente medidas diretas de pressão sangüínea feitas em uma pessoa parada; são mostrados manômetros de tubo de vidro aberto conectados a artérias no pé, braço superior, e cabeça. Nesta situação o sangue sobe a essencialmente o mesmo nível em todos o três manômetros. A maior pressão P no pé é devido à força gravitacional produzida pela coluna de sangue (de altura h) entre o coração e pé somado à pressão do coração (r é a densidade do sangue). Semelhantemente, a pressão menor na cabeça é devido à elevação da cabeça acima do coração. Se gravidade na Terra de repente se tornasse três vezes maior, sangue só subiria cerca de 43 cm acima do coração e não alcançaria o cérebro de uma pessoa parada. Esta situação pode ser produzida artificialmente acelerando o corpo a a = 3 g em uma direção vertical (para cima). Também pode acontecer em um avião que levanta vôo e pode causar no piloto um “black out”. Estas condições também produzem poças de sangue nas pernas. Foram projetados meias elásticas especiais que comprimem as pernas para reduzir empoçamento.
Figura 8.8. (a) Se capilares de vidro fossem conectados às artérias em diferentes localizações, o sangue subiria a o mesmo nível acima. (b) Se o corpo fosse acelerado para cima com 3 g, o sangue não alcançaria o cérebro e
aconteceria um “blackout”. Se o corpo estivesse na horizontal a pressão sangüínea serra aproximadamente a mesmo nos três pontos em vez de diferir por um fator de mais de três como mostrado aqui.
Um método simples para medir a pressão venosa ao coração é observar as veias na parte de trás das mãos. Quando as mãos são mais baixas que o coração as veias se salientam por causa de pressão venosa aumentada: Quando as mãos são elevadas lentamente acima do nível do coração que um ponto é alcançado no qual as veias colapsam; isto indica uma pressão de 0 cm de sangue. A altura da veia da mão acima do coração dá a pressão venosa ao coração em centímetros de sangue. Pressão venosa regularmente calcula a média 8 a 16 cm H2O (ou sangue). Uma pressão em excesso de 16 cm H20 podem indicar falha congênita do coração. Problema 8.5 A pressão sangüínea em seu cérebro se modifica quando você muda de uma posição de cabeça abaixada para a posição de cabeça erguida? Explique.
8.5. PRESSÃO PELA PAREDE DOS VASOS SANGÜÍNEOS (PRESSÃO TRANSMURAL) Como indicado na Figura 8.5, a maior queda de pressão no sistema cardiovascular ocorre na região do arteríolas e capilares.Os capilares têm paredes muito finas (~1 mm) que permite a difusão fácil de O2 e CO2. Para entender por que eles não estouram temos que discutir a lei de Laplace, que nos fala "como a tensão na parede de um tubo está relacionada ao raio do tub o e a pressão dentro do tubo". Considere um tubo longo de raio R que transporta sangue a pressão P (Fig. 8.9a). Nós podemos calcular a tensão T na parede. A pressão é uniforme na parede, mas nós podemos matematicamente dividir o tubo pela metade. A força por unidade de comprimento que empurra para cima é 2Rp. Há uma força de tensão T por unidade de comprimento em cada extremidade que mantém a metade superior do tubo para a metade inferior. Considerando que a parede está em equilíbrio, a força que empurra as duas metades separadamente é igual às forças de tensão que os unem assim: 2 T = 2 R p ou T = R p Assim para um raio muito pequeno (por exemplo, em um vaso capilar) a tensão correspondente é muito pequena. A Tabela 8.1 dá algumas pressões típicas e tensões nos vasos sangüíneos. Por exemplo, a tensão na parede da aorta é cerca d e 156 N/m enquanto a tensão em uma parede de capilar é somente cerca de 24 x 10-3 N/m.
Problema 8.6 - Por que artérias com diâmetros pequenos podem ter paredes mais finas que artérias com diâmetros grandes levando sangue à mesma pressão?
8.6. O PRINCÍPIO de BERNOULLI APLICADO AO SISTEMA CARDIOVASCULAR Você está provavelmente familiarizado com o princípio de Bernoulli embora você pudesse não dar crédito Bernoulli para isto. Sempre que há um fluxo rápido de um fluido como ar ou água, a pressão é reduzida na extremidade do fluido movendo-se mais rapidamente. Por exemplo, o fluxo rápido da água no chuveiro faz uma redução na pressão na redondeza da cortina do box puxando-a em direção à água. Semelhantemente, quando o vidro da janela de um carro em movimento é abaixado, a pressão reduzida causada pelo ar que se move rapidamente do lado de fora faz os objetos voarem para fora da ja nela. O princípio de Bernoullli está baseado na lei de conservação de energia. A pressão em um fluido é uma forma de energiapotencial (Ep) pois ela tem a habilidade para executar trabalho útil. Num fluido em movimento há energia cinética (Ec) devido ao movimento. Esta energia cinética pode ser expressa em energia por unidade de volume como joules por metro cúbico. Como 1 Joule (J) = 1 Nm, então 1 J/m3 = 1 (Nm)/m3 = 1 N/m2 (ou 1 Pa), a unidade para pressão no sistema de SI. Se fluido está fluindo pelo tubo sem atrit o mostrado na Fig.. 8.10, a velocidade aumenta na seção estreita e o aumento na energia cinética (Ec) do fluido é obtida por uma redução da energia potencial da pressão no tubo. Quando a velocidade reduz novamente no lado distante da restrição a energia cinética é convertida de volta em energia potencial e a pressão aumenta novamente.
Figura 8.10. Quando a velocidade do fluido aumenta na seção estreita do tubo, parte da energia potencial (pressão) é convertida em energia cinética assim há uma pressão mais baixa P2 nesta seção. P2 é menor que P1 e P3.
8.7. QUÃO RÁPIDO FLUI SEU SANGUE ? Quando o sangue move para longe do coração, as artérias se ramificam-se e ramificam-se muitas vezes para levar sangue para os vários tecidos. O vasos sangüíneos menores são o capilares; eles são muito pequenos (~20 mm em diâmetro) e há milhões deles. Há tanto sangue transportado que a sua área de seção transversal total é equivalente a um tubo de quase 0,3 m de diâmetro! As áreas de seção transversais dos vasos no sistema circulatório são mostradas esquematicamente na Fig. 8.11. Quando o sangue entra da aorta nas artérias menores e arteríolas com maior área total transversal a velocidade do sangue diminui muito como a velocidade de um rio diminui numa parte mais larga do leito. A Figura 8.l1 também mostra esquematicamente a velocidade de fluxo de sangue nas diferentes porções do sistema circulatório. Note que a velocidade do sangue está relacionada de um modo inverso à área de seção transversal total dos vasos que levam o sangue. A velocidade iguala a taxa de fluxo dividida pela área de seção transversal. A velocidade média na aorta é cerca de 0,3 m/s; a velocidade média em um vaso capilar somente cerca de 10-3 m/s (1 mm/s). É nos capilares que a troca de O 2 e CO2 toma lugar, e esta baixa velocidade permite tempo para ocorrer a difusão dos gases. Figura 8.11 - A curva tracejada mostra esquematicamente a mudança na área transversal do sistema circulatório. A velocidade de fluxo de sangue (linha sólida) decresce quando a área transversal total aumenta. A área transversal total é obtida somando as áreas de todos os vasos sangüíneos a uma determinada distância do coração. Note que a veia cava que devolve o sangue ao coração tem uma ár ea transversal muito maior que a aorta. a troca de O2 e CO2 toma lugar, e esta baixa velocidade permite tempo para ocorrer a difusão dos gases.
Você certamente está atento às características de viscosidade (h) de um líquido. O xarope que você esparrama em suas panquecas escorre com uma velocidade diferente daquela do creme que você pôs em seu café e a água que você derrama em um vidro. A dificuldade ou facilidade com que um fluido escorre é uma indicação de sua viscosidade. A unidade de SI para viscosidade é o pascal-segundo (Pa . s). A Viscosidade de água é aproximadamente 10-3 Pa - s à 20 ºC. A viscosidade de um xarope espesso pode ser 100 Pa s. A viscosidade de sangue é normalmente de 3 a 4 x 10-3 Pa s, mas depende da porcentagem de eritrócitos no sangue (o hematócrito). Quando o hematócrito aumenta, aumenta a viscosidade (Fig.. 8.12). Pessoas com a doença policemia vera na qual há uma super produção de eritrócitos tem um hematócrito alto e freqüentemente tem problemas circulatórios. A viscosidade do sangue também depende da temperatura. Quando o sangue se põe mais frio, a viscosidade aumenta e este adicional reduz a provisão de sangue às mãos frias e os pés. Uma mudança de 37 ºC a 0 ºC aumenta a viscosidade do sangue por um fator de 2,5. Os fumantes geralmente têm um hematócrito mais alto que os não-fumantes. Este é o resultado provável do fato que os fumantes inspiram 250 ml de monóxido de carbono (CO) de cada pacote de cigarros. O CO reduz a habilidade do eritrócito para levar O2 e o corpo compensa produzindo mais eritrócitos. Quanto maior o hematócrito, maior a viscosidade, o que pode conduzir a maioria das doenças cardiovasculares tais como derrames e ataques de coraç ão.
Figura 8.12. Como o porcentagem de glóbulos vermelhos aumenta a viscosidade do sangue (hematócrito mais alto) aumenta e diminui a vazão.
8.8. SANGUE FLUXO - LAMINAR E TURBULENTO Você provavelmente já viu um rio correndo lento, tranqüilo e uma correnteza, turbulenta, ruidosa. O primeiro tipo de rio é análogo ao fluxo laminar ou fluxo de linha de corrente que está presente na maioria vasos sangüíneos. O segundo é semelhante ao fluxo turbulento encontrado em alguns poucos lugares no sistema circulatório, por exemplo, onde o sangue está fluindo rapidamente para as válvulas d o coração. Uma característica importante do fluxo laminar é que é silencioso. Se todo o fluxo de sangue fosse laminar, pouca informação poderia ser obtida do coração com um estetoscópio. Os sons do coração ouvidos com um estetoscópio são causados principalmente pelo fluxo turbulento. Alguns dos sons vêm da abertura e fechamento das válvulas do coração. Durante uma medida de pressão sangüínea, a constrição produzida pela pressão da bolsa no braço produz um fluxo turbulento e as vibrações resultantes que podem ser detectadas com o estetoscópio na artéria braquial. No fluxo laminar o sangue que está em contato com as paredes dos vasos sangüíneos é essencialmente estacionário, a camada de sangue próximo à camada externa está movendo-se lentamente, e camadas sucessivas movem-se mais rapidamente da mesma maneira que a água no meio de um fluxo tranqüilo move mais rapidamente que a água ao longo das margens (Fig. 8.14a). Este comportamento tem um efeito na distribuição de glóbulos vermelhos no sistema circulatório. Os eritrócitos numa artéria não são distribuídos uniformemente; há mais no centro que nas extremidades (Fig. 8.1 4b). Isto produz dois efeitos: - Quando o sangue entra em vasos menores do lado de um vaso principal a porcentagem de eritrócitos naquele sangue (o hematócrito) será ligeiramente menor que no sangue do vaso principal. - Como plasma ao longo das paredes dos vasos está se movendo mais lentamente que o eritrócito, o sangue nas extremidades tem uma porcentagem maior de eritrócitos que quando deixou o coração. Isto causa um aumento no hematócrito nas mãos e pés de aproximadamente 10% acima do hematócrito do sangue todo. Se você aumentar gradualmente a velocidade de um fluido que flui em um tubo reduzindo o raio do tubo, ele alcançará uma velocidade crítica VC quando o fluxo laminar mudar para um fluxo turbulento (Fig. 8.15). A velocidade crítica será mais baixa se existire m restrições ou obstruções no tubo. Figura 8.14. Fluxo de Sangue nos Vasos. (a) No fluxo laminar na maioria dos vasos há uma maior velocidade no centro como indicado pela seta mais longa. (b) A distribuição de glóbulos vermelhos não é uniforme; eles estão mais concentrados no centro de modo que o sangue que flui nas artérias menores tem uma porcentagem menor de glóbulos vermelhos que o sangue na artéria maior.
Figura 8.15. Se fluido está fluindo em um tubo cônico longo, a velocidade aumenta gradualmente para o ponto onde ela excede a velocidade crític a VC e produz um fluxo turbulento. A velocidade na aorta varia de 0 a 0,5 m/s, e assim o fluxo é turbulento durante parte da sístole. Durante exercícios pesados pode aumentar a quantidade de sangue bombeado pelo coração por quatro ou cinco vezes e a velocidade crítica será excedida por um período mais longo de tempo. O som do coração de uma pessoa que faz exercícios pesados são diferentes daqueles de uma pessoa em repouso. O fluxo de laminar é mais eficiente que fluxo turbulento. Isto está ilustrado graficamente na Fig.. 8.16a. A inclinação da curva na região de fluxo laminar é maior que na região de fluxo turbulento. Quer dizer, um determinado aumento na pressão causa um aumento maior na taxa de fluxo laminar que na taxa de fluxo de turbulento. A redução em eficiência é aparente no fluxo de sangue através de uma artéria com uma obstrução (Fig.. 8.16b). Para a taxa de fluxo VA é necessária uma pressão de P1 para a artéria normal e uma pressão P2 um pouco mais alto é necessária para a artéria obstruída. Se ambas as artérias são requeridas a deliberarem uma nova taxa de fluxo VB, o aumento na pressão DP (e assim o trabalho) será muito maior para a artéria obstruída pois o fluxo será turbulento. Problema 8.7. Uma artéria com 3 mm de raio é bloqueada parcialmente com placas. Na região constringida o raio efetivo é 2 mm e a velocidade média do sangue é 50 cm/s. Haverá fluxo turbulento em qualquer outra região?
Figura 8.16. (a) Quando o fluxo em um tubo fica turbulento (na pressão PC) a inclinação da taxa de fluxo contra diminuições de pressão de forma que comparada a um fluxo laminar um aumento maior de pressão é necessário para obter um determinado aumento em taxa de fluxo. (b) Em uma artéria obstruída a pressão necessária para produzir uma determinada taxa de fluxo é maior que em uma artéria normal do mesmo tamanho. Além disso, se o coração é solicitado a dobrar a taxa de fluxo de VA para VB a turbulência produzida na artéria obstruída requer um aumento muito maior de pressão (DP2 vs. DP1) e assim maior esforço do coração. (Adaptado de I.W. Richardson e E.B. Neergaard, Physics for Medicine and Biology, Wileylnterscience, Nova Iorque, 1972, pp. 46-47.)
