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INSTITUTO POLITÉCNICO DE SANTARÉM ESCOLA SUPERIOR DE SAÚDE DE SANTARÉM 30º CURSO DE ENFERMAGEM

Professor Marco Branco

SEBENTA DE BIOFÍSICA 30º CE

Índice MECÂNICA DO MOVIMENTO ........................................................................................................ ........................................................................................................ 2 Movimento................................................................................................................................ ................................................................................................................................ 2 Gravidade ...................................................................................................... .................................................................................................................................. ............................ 4 Força, Energia e Trabalho Trabal ho.................................................................. .......................................................................................................... ........................................ 6 HIDRODINÂMICA E HIDROSTÁTICA .................................................................. ............................................................................................. ........................... 11 Pressão .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... 11 ELETROMAGNETISMO ................................................................................................................. ................................................................................................................. 16 Eletricidade.............................................................................................................. Eletricidade............................................ .................................................................................. ................ 16 Eletricidade no corpo humano .......................................................... ................................................................................................ ...................................... 17 Magnetismo ..................................................... ........................................................................................................................ ....................................................................... .... 19 Eletromagnetismo ................................................................................................................... ................................................................................................................... 2 0 FÍSICA NUCLEAR .......................................................................................................... .......................................................................................................................... ................ 21 Observação de fotões ............................................................................................................. ............................................................................................................. 22 Espectroscopia ............................................................. ........................................................................................................................ ........................................................... 22 Raios X ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... 23 Radioproteção em saúde ........................................................................................................ ........................................................................................................ 25

1


MECÂNICA DO MOVIMENTO Movimento O movimento é definido como um ato de mudança de posição de um objeto com o tempo, relativamente a uma posição fixa, que é considerado o ponto de referência.

Existem dois tipos de estudo do movimento:

 Cinemática – estudo do movimento sem ter em consideração a causa desse movimento.

 Cinética – estudo do movimento considerando a causa da mudança do seu estado inicial.

O movimento é classificado em três categorias:

 Translação – movimento realizado de forma linear ou curvilínea. Quando todos os pontos de um corpo se movem em igual velocidade ou distância.

 Rotação – movimento realizado em torno de um eixo. Quando parte de um corpo se move a diferente velocidade ou distância de outras partes do mesmo corpo.

 Oscilação – movimento realizado de forma periódica em torno de um ponto ou eixo.

Existem 6 graus de liberdade: 3 Translações

-anterior/posterior 2


-medial/lateral -vertical 3 Rotações

-flexão/extensão -adução/abdução -rotação interna/ externa

Tipos de quantidades na descrição do movimento:

 Escalar – quantidade física que tem magnitude mas não tem direção. Exemplos: massa, temperatura, trabalho, tempo, densidade, etc.

 Vetorial – quantidade física quem tem magnitude e direção. Exemplos: deslocamento, velocidade, aceleração, força, peso, etc.

Distância vs. Deslocamento Caminho percorrido (metros)

Linha reta entre o início e o fim do percurso (metros)

Rapidez – distância percorrida por um objeto num determinado intervalo de tempo. Rapidez =

â (m/s) 

Velocidade – rapidez de um objeto numa direção definida. Velocidade =

 (m/s) 

3


Aceleração – taxa de aumento da velocidade. Aceleração =

 (m/s) 

Gravidade

Gravidade – Tendência de aceleração dos corpos em direção ao centro da terra ou de outros corpos de grande massa. A gravitação é a força com que todos os corpos no universo se atraem mutuamente. F =G

. (m/s) 

F – força gravitacional M e m – massas d – distância entre as duas massas G – constante gravitacional (6.7x10 11)

Centro de gravidade – considerado o ponto no qual todas as forças externas estão aplicadas. É o ponto onde se considera estar centrada toda a massa. Cada corpo tem o seu centro de gravidade. O estudo do centro de gravidade permite que pessoas com incapacidades possam realizar tarefas comuns. (Ex. próteses)

Métodos de determinação do centro de gravidade: 1. Método de Borelli/equilíbrio 2. Plataforma de reação

4


3. Método das coordenadas

Efeitos da gravidade na Enfermagem:

 Sem gravidade, não existiria pressão nos líquidos. Assim seria impossível dar injeções intravenosas ou transfusões sanguíneas na ausência de gravidade;

 A circulação sanguínea depende sobretudo da gravidade. Mudanças na posição do corpo altera a pressão do sangue em diferentes partes. Se uma pessoa desmaiar, a cabeça deve ser colocada mais baixa para que o sangue volte à cabeça mais depressa;

 A cirurgia ao cérebro é frequentemente realizada com o paciente sentado ou semi sentado para diminuir o risco de hemorragia.

Equilíbrio – habilidade de manter a estabilidade. Estabilidade - capacidade mecânica de resistir a acelerações, tanto lineares como angulares.

Fatores que influenciam o equilíbrio e a estabilidade:

 Massa corporal  Atrito entre o corpo e a superfície  Tamanho da base de apoio  Posição horizontal do centro de gravidade  Posição vertical do centro de gravidade

5


Disfunções articulares Inibições musculares

Alterações ao equilíbrio

Lesões articulares Alterações propriocetivas

Força, Energia e Trabalho Principais conceitos da cinética: Inércia – tendência de um corpo para resistir a mudanças do seu estado de movimento. Resistência à ação ou à mudança. Massa – quantidade de matéria que compõe um corpo. Força – produto da massa pela aceleração. Peso – força gravitacional que a Terra exerce num corpo. Pressão – força distribuída por uma determinada área. Volume – quantidade de espaço ocupado por um corpo. Densidade – quantidade de massa por volume. Torque – efeito de rotação de um corpo. Impulso – aplicação de uma força durante um determinado tempo.

Símbolo

Quantidade

Fórmula

Unidade SI

Massa

m

kg

Força

F

F=m.a

N

Peso

P

P=m.g

N

Pressão

P

P=



Pa

Volume

V

Densidade



m3 ou L  



kg/m3

6

SEBENTA DE BIOFÍSICA 30º CE Torque

T

T=F.d

N-m

Impulso

J

J= F.t

N.s

Leis de Newton 1ª Lei de Newton (Lei da Inércia) “Um corpo permanecerá no seu estado atual de movimento a menos que seja influenciado por uma força externa.”

2ª Lei de Newton (Lei da Aceleração) “Uma força externa fará com que o corpo acelere numa proporção direta com a magnitude e direção dessa força.”

3ª Lei de Newton (Lei da Ação-Reação) “Para toda a ação, existe sempre uma reação oposta e igual.”

Stress Mecânico – distribuição do esforço dentro de um corpo.

Stress =

 Á

Efeitos da carga mecânica:

7


- Aceleração – uma forma que atua num corpo tem tendência a efetuar a aceleração desse corpo. - Deformação – a deformação de um corpo após a atuação de uma força depende da elasticidade e rigidez desse corpo.

A probabilidade de ocorrer uma lesão depende da magnitude, direção e área onde a força é aplicada. Devem ser consideradas as propriedades mecânicas dos tecidos onde a força é aplicada. Propriedades mecânicas dos tecidos:

 Compressivas

 Viscoelásticas

 Tensivas

 Plásticas

 De corte

 Contrácteis

Deformação vs. Lesão

8


Magnitude e Repetibilidade da carga vs. Lesão



Uma das formas de produção de força interna deve-se à contração muscular.



Os músculos esqueléticos têm a função de puxar. A força com que puxam

depende do número e comprimento das fibras musculares. 

O músculo consegue gerar uma força máxima de 7x10 6 dyn/cm2 de área de

secção transversal. 

A força exercida entre músculos e ossos, ou entre segmentos corporais, é feito

através do sistema de alavancas.

Alavancas O tipo de alavancas depende da localização do eixo e dos braços da resistência e da força. As alavancas são utilizadas para elevar cargas de uma forma vantajosa e para transferir o movimento a partir de um ponto para outro.

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1ª Classe

2ª Classe

3ª Classe Vantagem mecânica (MA) MA=

ê ç

. 

Fm=

ou

  ç ç   ç ê

MA=

Força necessária para mover o cor o de eso W

Fm – força W – peso da carga resistente Br – dimensão do braço da resistência Bf – dimensão do braço da força

Mf= Fm x distância

Momento de força

10


W= F x d Trabalho

W= Mf x 

 

Ec= .m.v2  

Ec= .I.v2

Ep= P.h

Energia Cinética

Energia Potencial

HIDRODINÂMICA E HIDROSTÁTICA Pressão

A pressão influencia cavidades e órgãos, tanto na saúde como na doença: - na respiração. - na efetividade dos tratamentos. - nas diversas funções do corpo humano.

Importância da pressão no corpo humano: 

A respiração normal depende parcialmente das diferenças de pressão intrapleural e intrapulmonar. Mudanças dessa pressão podem causar dificuldades respiratórias.

11

SEBENTA DE BIOFÍSICA 30º CE 

A eficácia de tratamentos como o enema e outros depende da pressão.



Muitas funções corporais dependem da pressão dos fluídos. O coração bombeia sangue através das artérias onde a pressão é muito alta (100-140 mm Hg). O retorno do sangue para o coração ocorre pelas veias que tem uma pressão muito inferior e precisa de ajuda para ir das pernas para o coração (3-7 mm Hg).

Pressão Hidrostática – princípio de Pascal “Qualquer alteração da pressão aplicada em qualquer ponto num fluido fechado em repouso é transmitida inalterada e uniformemente a todas as partes desse fluido.”

P=h.d.g P – pressão h – altura d – densidade g – aceleração da gravidade Um fluido desloca-se das altas para as baixas pressões.

Lei de Boyle O volume de um gás varia inversamente à pressão, com temperatura constante.

 Pressão  Volume  Temperatura Lei de Charles A pressão é diretamente proporcional à temperatura, com volume constante.

 Temperatura  Pressão 12


= Volume

Lei de Dalton A pressão de um gás específico é mantido mesmo quando existem outros gases misturados no mesmo local.

Pressão Osmótica

Osmose é o processo que leva um solvente de uma região de menor concentração de solutos para uma região de maior concentração de solutos, através de uma membrana semi permeável. A água movimenta-se sempre de um meio hipotónico para um meio hipertónico com o objetivo de se atingir a mesma concentração em ambos os meios através de uma membrana semi permeável ou seja, uma membrana cujos poros permitem a passagem de moléculas de água, mas impedem a passagem de outras moléculas. Equação de Bernoulli  P+gh+ v2=constante 

Afirma que: em qualquer ponto de um canal com fluido em movimento, existe a mesma fluidez (desprezando a fricção)

P – pressão do fluido

 - densidade h – altura v – velocidade

Viscosidade e Lei de Poiseuille A fricção viscosa é proporcional à velocidade do fluido e ao coeficiente de viscosidade do fluido.

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Fluidez laminar – A velocidade do fluido, na secção transversal do canal, é maior no centro e menor nas paredes do canal. Nas paredes do canal o fluido é estacionário.

Fluidez turbulenta – Quando existe alteração da velocidade em pontos críticos, a fluidez laminar suave do fluido é interrompida, ficando nesse ponto uma fluidez turbulenta. Este movimento aumenta a dificuldade do fluido se deslocar pelo canal.

Pressão Sanguínea A energia inicial do sistema circulatório advém da ação bombeadora do coração. Essa energia é dissipada ao longo de todo o sistema por dois mecanismos:



Ação elástica das paredes arteriais (expansão/contração)



Fricção viscosa do sangue

À medida que o sangue se afasta do coração vai perdendo a sua energia.

A pressão arterial tem origem de 3 formas: - Hemodinâmica - Hidrostática - Energia cinética

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Pressão hemodinâmica – energia transmitida para o sangue pela contração do ventrículo esquerdo. Este tipo de pressão é preservada pelas propriedades elásticas do sistema arterial.

Pressão hidrostática – proporcional à altura da coluna de sangue entre o coração e a vasculatura periférica. A pressão é mais alta na parte inferior da coluna.

Energia cinética – associada à velocidade do sangue, o qual é influenciado pela fluidez.

Efeitos que alteram a pressão sanguínea:

 Altura  Calibre dos canais  Viscosidade do sangue  Tipo de fluidez  Movimento

Pressão arterial: representa a força exercida pelo sangue por unidade de área na parede arterial e representa a soma de hemodinâmica, hidrostática e cinética.

 Pressão sistólica – representa a pressão que o sangue faz nas paredes das artérias durante a sístole.

± 120 mm Hg

 Pressão diastólica – representa a pressão que o sangue faz nas paredes das artérias durante a diástole.

±80 mm Hg

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ELETROMAGNETISMO Eletricidade

Os termos positivos e negativos das cargas elétricas foram introduzidos por Benjamin Franklin. Para descrever matematicamente os fenómenos elétricos, foram associados os sinais “+” e “-” aos dois tipos de eletricidade. Os corpos eletricamente neutros são conhecidos por conter quantidades muito grandes, mas com igualdade de cargas elétricas positivas e negativas, permitindo descrevê-los como tendo carga total de zero.

Existem dois tipos de eletricidade:

 Eletricidade estática – caracterizada pela acumulação de cargas elétricas na superfície dos corpos.

 Eletrodinâmica – caracterizada pelo fluxo de eletrões através de um condutor.

Cargas opostas atraem-se e cargas iguais repelem-se.

Lei de Colombo A intensidade da força (Fe) entre 2 “pontos” de cargas (corpos carregados que são pequenos em comparação com a distância entre eles) é proporcional ao produto das suas cargas (Q 1 e Q 2), e inversamente proporcional ao quadrado da distância ( n) entre eles. . 

Fe=Ke.

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Eletricidade no corpo humano O centro funcional do corpo humano é i sistema nervoso central que, por sua vez, tem como energia fundamental a eletricidade.

Constituição do Sistema Nervoso:

  

Neurónios sensoriais Neurónios motores Interneurónios

A eletricidade no sistema nervoso é causada por impulsos elétricos de diversas origens (química, mecânica, etc.) O impulso nervoso é produzido apenas se for exercido determinado limite. Se isso acontecer, é criado um potencial de ação.

POTENCIAL DE AÇÃO Inicia-se assim que a membrana axonal fica altamente permeável aos iões de sódio – carga positiva. Os portões de sódio fecham e os iões de potássio abandonam o axónio – carga negativa.

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Corrente – é a razão entre a quantidade de eletrões que passam numa secção de espaço, por unidade de tempo. A unidade SI é o ampere.  

I=

Resistência elétrica – é o atrito ou oposição à passagem da corrente elétrica (Ohms).

A origem da corrente elétrica pode ser variada. Para manter o movimento dos eletrões é necessária energia do tipo: luz; térmica; mecânica; química ou magnética.

A eletricidade (estática e não só) é a causa de muitos acidentes: 

As faíscas geradas pelo movimento dos eletrões de um corpo para outro, quando presentes em atmosferas inflamáveis, podem gerar explosões;



Atmosferas inflamáveis em meio hospitalar não são difíceis de acontecer;



A presença de grandes quantidades de oxigénio, éter e outros, promovem o desenvolvimento de atmosferas combustíveis;



A utilização de alguns tipos de tecido como a seda, nylon, lã e poliésteres são proibidos em hospitais, devido à sua capacidade em gerar eletricidade estática;

18

SEBENTA DE BIOFÍSICA 30º CE 

Solas dos calçados em borracha não são recomendados porque não existe capacidade do corpo descarregar a eletricidade estática para o solo e, por isso, a acumulação de eletricidade estática é maior;



Para prevenção de acumulação de eletricidade estática, é necessário tocar em “terra” ou ter os equipamentos (como as marquesas) ligados a “terra”.

Efeitos da eletricidade no corpo humano:

 A eletricidade é um dos fatores que promove o funcionamento e controlo dos diversos sistemas. No entanto, a quantidade de corrente é baixa;

 A passagem de corrente elétrica elevada pode ser suficiente para provocar lesões ou morte;

 Em situações em que temos contacto com a “terra” e com uma fonte de eletricidade, a passagem de corrente elétrica é alta, o que provoca uma excitação de todos os tecidos;

 Em situações em que não existe contacto com a “terra” e estamos em contacto com eletricidade, a passagem de corrente elétrica é baixa, no entanto esta pode gerar a libertação de energia, por exemplo térmica, provocando queimaduras.

Magnetismo Um campo magnético está sempre interligado a um campo elétrico. Nos átomos existe uma grande atividade elétrica entre as suas partículas, o que origina campos magnéticos elementares.

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Qualquer campo magnético possui polos. Na maioria dos materiais, os polos desses campos elementares não estão alinhados. No íman natural, os campos estão alinhados e somam-se, trazendo propriedades magnéticas relativamente intensas ao material. A intensidade magnética depende da quantidade de matéria empregada para a sua constituição.

A Lei de Colombo pode também ser aplicada à força magnética: Fm=Km.

Campo elétrico

(.).(.) 

Fe=Q 1.E

O vetor do campo elétrico, E, é definido pela força que atua sobre uma partícula carregada. Este vetor é igual à força de um pequeno corpo carregado num ponto no espaço, dividido pela carga desse corpo. O domínio do espaço, onde existe uma força sobre um corpo carregado é chamado de campo elétrico.

Eletromagnetismo Campo magnético

Fm=Q v.B

Numa corrente, a força é o resultado do movimento das forças individuais das partículas portadoras de carga. O vetor B é conhecido como o vetor de indução magnética ou o vetor de densidade de fluxo magnético. Se numa região de espaço existir uma força gerada pelo movimento de cargas, podemos dizer que naquela região existe um campo magnético. James Clerk Maxwell mostrou através de diversas equações que os campos elétrico e magnético estão interrelacionados, não podendo um existir sem o outro.

20


No entanto conseguem deslocar-se no espaço não estando ligados à fonte desse campo, denominando-se por ondas eletromagnéticas.

SINAIS Fenómeno a ser observado

Tradução para sinais elétricos

Amplificador Processamento do sinal

Mostrador

Os sinais são usados para detetar os potenciais de ação nos tecidos. Esses potenciais de ação demonstram a funcionalidade desses tecidos. Para serem visíveis, esses sinais são amplificados algumas vezes (cerca de 10 milhões de vezes). O sinal é avaliado de acordo com o ritmo e/ou variação de potencial.

FÍSICA NUCLEAR Modelo de Bohr – orbitas eletrónicas Modelo de Heisenberg – nuvem eletrónica

Estado de um átomo

 Um átomo, com os eletrões na sua órbita normal e portanto com a sua energia mínima, é chamado de átomo num estado fundamental.

 Quando um átomo passa para um estado de energia elevado, é chamado de átomo num estado excitado.

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Métodos mais comuns de excitar um átomo

 Impacto de eletrões – normalmente provocado pela descarga elétrica num gás.  Absorção de radiação eletromagnética Observação de fotões

É possível observar o fotão se soubermos a frequência de radiação do mesmo:   ã   

f=

ou

 

f=

A frequência do fotão depende dos níveis de energia em que há transição de eletrões. Quanto mais perto do nível de energia fundamental, mais energia é necessária para provocar a excitação dos eletrões. O intervalo de frequência, quando há libertação de energia eletromagnética pelo retorno de um eletrão ao nível fundamental, é chamado de Raio X.

MATÉRIA Quando uma órbita não está completamente preenchida, os eletrões de um átomo podem ocupar parcialmente a órbita de um outro átomo. A alteração de eletrões para a órbita de outros átomos e a repulsão que os núcleos dos átomos têm entre si, criam as ligações e estruturas fortes das moléculas. O mesmo princípio é depois aplicado para a união entre moléculas e, por fim, de toda a matéria.

Espectroscopia A absorção e emissão do espetro de cada átomo ou molécula é única. 22


Foi utilizado em primeiro lugar para detetar átomos e moléculas, mas hoje em dia é também utilizado para detetar diferentes compostos ou partículas. Os princípios da espectroscopia são medidos pelos espectrómetros e baseia-se:

 Na excitação por corrente elétrica ou calor, existe a emissão de luzem determinado espetro e, por conseguinte, essa emissão de luz é classificada e identificada – espectroscopia de emissão

 Quando a amostra é exposta a luz branca e a luz transmitida revela o comprimento de onda que é absorvido permitindo identificar as componentes – espectroscopia de absorção

Raios X Os materiais como o vidro quando são atingidos por eletrões de alta energia, emitem radiação que penetra objetos opacos à luz – radiação por raios x. Os raios x são radiações eletromagnética de comprimento de onda curto, emitida por átomos altamente excitados. Além de poder mostrar os ossos (por serem opacos a esta radiação) é possível administrar fluídos que tenham a mesma característica, possibilitando utilizar os raios x para visualizar outros órgãos que são normalmente transparentes a esta radiação.

TOMOGRAFIA AXIAL COMPUTORIZADA (TAC) Um raio x convencional pode revela a presença de um tumor, no entanto não é possível indicar-nos a profundidade ou localização exata. A TAC foi desenvolvida de modo a mostrar-nos várias imagens a várias profundidades (secções) e com isso permite determinar com exatidão a localização de tumores.

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RADIAÇÃO A emissão de energia de núcleos radioativos enquadram-se em 3 categorias: 1. Partículas Alfa ( ) – Têm núcleos de alta velocidade, mas por terem grande massa existe grande capacidade de parar essas partículas.

2. Partículas Beta (β) – Têm eletrões de alta velocidade, massa menor e por isso menor capacidade de colidir. 3. Raios Gama (γ) – Têm fotões energéticos. Não têm massa e deslocam-se à velocidade da luz, por isso são virtualmente impossíveis de parar.

Os isótopos de longa duração decompõem-se naturalmente. Para a decomposição de isótopos de curta duração são utilizados os aceleradores atómicos, os quais são utilizados para bombardear os núcleos de elementos estáveis com partículas de alta energia.

Utilização de isótopos na saúde 24Na

– A utilização de radioisótopos de sódio podem ser utilizados para observar a

corrente sanguínea e, deste modo, analisar constrições nos vasos. 131I

– A observação de radioisótopos de iodo podem ser úteis na deteção de problemas

na tiroide por ser emissora de radio-iodina, onde a baixa ou elevada emissão deste isótopo serve para diagnosticar diversas patologias, tais como tumores malignos, hipertiroidismo ou hipotiroidismo. 32P

– O radio-fósforo é utilizado para detetar tumores na mama e utilizado no

tratamento da leucemia.

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SEBENTA DE BIOFÍSICA 30º CE 198Au

– O radio-ouro tem sido reportado como benéfico no tratamento de tumores nos

tecidos moles e carcinomas que tenham sido metastizados para as cavidades pleurais e peritoneais.

IMAGEM POR RESSONÂNCIA MAGNÉTICA (MRI) A MRI mostra-nos a informação detalhada sobre os órgãos e tecidos moles, através da técnica de ressonância magnética nuclear – NMR. A utilização de isótopos é o princípio adjacente à NMR. Os protões e os neutrões possuem propriedades mecânicas quânticas de rotação, as quais são a magnitude e direção. Devido a essa rotação os núcleos podem ser considerados como ímans, nos quais os protões e neutrões alinham-se de modo a neutralizar os campos magnéticos. No entanto, se os neutrões forem número ímpar, essa neutralização não é completa e o núcleo tem um momento magnético, cujo valor pode ser convertido em informação. Como o núcleo de hidrogénio é constituído por apenas um protão, tem um momento magnético angular. O corpo humano é constituído principalmente por água e outros constituintes de hidrogénio, logo a MRI consegue ser eficiente na reprodução dos campos magnéticos do núcleo de hidrogénio.

Radioproteção em saúde A tecnologia envolta no estudo do átomo tem vertentes que desempenham um papel determinante na capacidade de recuperar e manter a saúde. Se não existir proteção, grande parte dessas radiações são perigosas para o corpo humano e para a saúde. É importante ter em conta fatores de radioproteção na saúde.

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Radioproteção em saúde – conjunto de medidas que visam proteger o Homem, os seus descendentes e o meio ambiente contra possíveis efeitos nocivos, causados por radiação proveniente de fontes produzidas pelo Homem e por fontes naturais modificadas tecnologicamente. Objetivos:

 Minimizar os riscos de efeitos biológicos no ser humano.  Limitar dose em atividades profissionais.  Diminuir a probabilidade de efeitos de longo prazo (cancro; efeitos genéticos; etc.)

Parâmetros físicos da radioproteção em saúde: 

Tempo



Distância



Blindagem

26

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