Biofísica Aplicada a Biomedicina - Slides de Aula - Unidade I

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UNIDADE I
Biofísica Aplicada às
Ciências Biomédicas
Prof. Dr. Marcio Alves
 Quem nunca se perguntou: qual a composição do Universo? Ou ainda, do que são 
feitos os seres vivos? O Universo é composto fundamentalmente de Matéria (M), 
Energia (E), Espaço (L) e Tempo (T). Essas componentes são também 
denominadas Grandezas Fundamentais.
Grandezas Fundamentais e Derivadas
Grandeza Unidade Símbolo
Comprimento Metro m
Massa Quilograma kg
Tempo Segundo s
Corrente elétrica Ampére A
Temperatura termodinâmica Kelvin K
Intensidade luminosa Candela cd
Quantidade de substância Mole mol
Quadro 1 – Grandezas fundamentais
Fonte: Adaptado de: Durán (2011, p. 2)
 O peso é uma Força de campo gravitacional, ou seja, a massa sob a ação da 
gravidade é chamada de peso (P). A massa não irá variar se considerarmos outro 
planeta como Plutão, contudo o peso irá variar conforme o valor da gravidade. No 
Sistema Internacional, a unidade utilizada é o quilograma (kg).
Grandezas Fundamentais e Derivadas
Massa do objeto
Campo
gravitacional
Planeta
Terra
Peso
Fonte: Adaptado de: Livro-texto.
 As grandezas derivadas são fundamentalmente aquelas em que há a composição 
de grandezas fundamentais. Dessa forma, é possível expressar qualquer 
grandeza física.
Grandezas Fundamentais e Derivadas
Tabela 1 – Fatores de conversão
Fonte: Adaptado de: Kesten, P. R., Tauck, D. L. 2015 
Grandeza Fator de Conversão
Área 1 m2 = 104 cm2
Volume 1 L = 1000 cm3 = 10-3 m3
Velocidade 1 m/s = 3,6 km/h
Pressão 1 Pa = 1 N/m2
 No Sistema Métrico Internacional, os prefixos 
correspondem a um múltiplo de dez. Desse 
modo, o sistema métrico converte unidades 
maiores e menores em múltiplos de dez. Cada 
prefixo maior corresponderá a dez vezes mais 
a unidade antes representada, ou seja, a 
unidade posterior será dez vezes maior que a 
unidade anterior.
Grandezas Fundamentais e Derivadas
Tabela 2 – Prefixos e as 
respectivas potências de 10.
Fonte: Adaptado de: Durán, 
J.E.R. 2011 
Prefixo Símbolo Potência de 10
tera T 1012
giga G 109
mega M 106
quilo k 103
hecto h 102
deci d 10-1
centi c 10-2
mili m 10-3
micro μ 10-6
nano n 10-9
pico p 10-12
femto f 10-15
O Universo é composto fundamentalmente de Matéria (M), Energia (E), Espaço (L) e 
Tempo (T). Muitas vezes, as pessoas acabam confundindo massa e peso. Sobre 
essas grandezas, podemos afirmar que: 
a) A massa é a quantidade de matéria e o peso é a massa no corpo humano.
b) O peso é a quantidade de energia contida na matéria.
c) A massa é uma grandeza fundamental.
d) O peso varia de acordo com a força de gravidade.
e) A massa varia de acordo com o planeta.
Interatividade
O Universo é composto fundamentalmente de Matéria (M), Energia (E), Espaço (L) e 
Tempo (T). Muitas vezes, as pessoas acabam confundindo massa e peso. Sobre 
essas grandezas, podemos afirmar que: 
a) A massa é a quantidade de matéria e o peso é a massa no corpo humano.
b) O peso é a quantidade de energia contida na matéria.
c) A massa é uma grandeza fundamental.
d) O peso varia de acordo com a força de gravidade.
e) A massa varia de acordo com o planeta.
Resposta
 Podemos calcular a energia que estamos utilizando, medindo o consumo de 
oxigênio do corpo, uma vez que a energia utilizada é obtida a partir das reações 
de oxidação.
Energia e o Corpo Humano
Substância
Energia liberada por litro
de O2 usado (kcal/L)
Valor calórico (kcal/g)
Glicose 5,1 3,8
Carboidratos 5,3 4,1
Proteínas 4,3 4,1
Gorduras 4,7 9,3
Dieta típica 4,8-5,0 -
Gasolina - 11,4
Carvão - 8,0
Madeira (pinheiro) - 4,5
Tabela 3 – Energia liberada 
em reações de oxidação.
Fonte: Adaptado de: Okuno; 
Caldas; Chow (1982).
 Consumimos em média 95 kcal/h, ou 110W em repouso. Essa quantidade de 
energia que é necessária para a manutenção das atividades básicas do corpo é 
chamada de taxa de metabolismo basal.
Energia e o Corpo Humano
Atividade
Consumo de
O2 (L/min)
Produção equivalente
de calor
(kcal/min) (W)
Dormindo 0,24 1,2 83
Sentado/repouso 0,34 1,72 120
Sentado/assistindo aula 0,60 3,01 210
Passeando 0,76 3,80 265
Subindo escada 1,96 9,82 685
Jogando basquete 2,28 11,4 800
Tabela 5 – Produção de 
energia e calor em relação à 
quantidade de O2 consumido.
Fonte: Adaptado de: Okuno; 
Caldas; Chow (1982).
 O nosso corpo é capaz de manter a temperatura dele constante, mesmo com a 
temperatura do ambiente variando bastante, permitindo que os processos 
metabólicos funcionem mesmo em climas muito frios. 
Faixa de temperatura corporal 
sob diferentes condições:
Energia e o Corpo Humano
Oral
Trabalho pesado, emoção
Alguns adultos normais
Muitas crianças ativas
Variação habitual
do normal
Manhã cedo
Tempo frio etc.
Emoção ou exercício
moderado
Alguns adultos normais
Muitas crianças ativas
Variação habitual
do normal
Manhã cedo
Tempo frio etc.
Exercício pesado
Fonte: Adaptado de: Livro-texto.
 Mesmo em repouso, há uma produção de calor nos nossos órgãos e tecidos e a 
maior parte desse calor acaba sendo transferida para o ambiente por vários 
processos através da nossa pele. Os principais processos para essa transferência 
de calor são: radiação, convecção e evaporação.
Energia e o Corpo Humano
Paredes
Radiação (60%)
ondas de calor objetos
Evaporação (22%)
Condução para
objetos (22%)
Condução para
o ar (15%)
Correntes de ar
(Convecção)
Fonte: Adaptado de: Livro-texto.
Mesmo em repouso, há uma produção de calor nos nossos órgãos e tecidos e a 
maior parte desse calor acaba sendo transferida para o ambiente. Os principais 
processos para essa transferência de calor são: 
a) Através da respiração e do contato da pele com objetos.
b) Através da radiação, convecção e evaporação.
c) Através da transpiração e da respiração.
d) Através da circulação sanguínea, que resfria o sangue.
e) Através da troca de calor entre os tecidos do nosso corpo.
Interatividade
Mesmo em repouso, há uma produção de calor nos nossos órgãos e tecidos e a 
maior parte desse calor acaba sendo transferida para o ambiente. Os principais 
processos para essa transferência de calor são: 
a) Através da respiração e do contato da pele com objetos.
b) Através da radiação, convecção e evaporação.
c) Através da transpiração e da respiração.
d) Através da circulação sanguínea, que resfria o sangue.
e) Através da troca de calor entre os tecidos do nosso corpo.
Resposta
 Teoria de Campo: toda matéria emite um Campo, que é a Energia, e essa Energia 
se manifesta como uma Força, que é capaz de produzir Trabalho pelo seu 
deslocamento.
Noções de Física Experimental – A Teoria de Campo
Matéria Energia Força Trabalho
Fonte: Adaptado de: Livro-texto.
 Campo Gravitacional: se manifesta somente através da força de atração, é emitido 
por toda e qualquer Matéria e age a longas distâncias. Existe um campo 
gravitacional real, como aquele que nos mantém presos ao planeta Terra.
Noções de Física Experimental – A Teoria de Campo
Fonte: Heneine; Biofísica Básica, 1e.
Superfície
Terrestre
 Campo Eletromagnético: se manifesta através das forças de atração e repulsão. 
Com carga, onde cargas iguais se repelem e cargas opostas se atraem, atuando 
em pequenas distâncias e, sem carga, onde o campo elétrico e magnético são 
combinados, dando origem às radiações eletromagnéticas.
Noções de Física Experimental – A Teoria de Campo
Fonte: Heneine; Biofísica Básica, 1e.
Campo
elétrico
Campo
magnético
Atração Repulsão Repulsão
 Campo Nuclear: existe somente dentro dos limites dos núcleos dos átomos e suas 
forças de atração e repulsão são extremamente fortes. Essas forças unem prótons, 
elétrons e nêutrons e são responsáveis por manter unidas todas as estruturas 
derivadas dos átomos.
Noções de Física Experimental – A Teoria de Campo
Campo L
Fonte: Heneine; Biofísica Básica, 1e.
Campo N
EE
Próton
Nêutron
 Quando o Trabalho é realizado pelo sistema com gasto de energia, chamamos de 
Trabalho Ativo, equando não há gasto de energia, como movimento ocorrendo na 
mesma direção das Forças do Campo, chamamos de Trabalho Passivo.
Noções de Física Experimental – A Teoria de Campo
Fonte: Heneine; Biofísica Básica, 1e.
Fenômeno Tipo de trabalho
1. Movimento se opõe às
forças do campo.
2. Movimento segue 
as forças do campo.
3. Movimento segue as
forças do campo, 
ajudado por forças 
estranhas ao campo.
Ativo (A)
Passivo (P)
Combinado (C)
 No corpo humano, quando o sangue é bombeado pelo coração em direção à 
cabeça, o sentido do deslocamento vai contra as forças do campo gravitacional, 
ocorrendo Trabalho Ativo. Quando o sangue desce aos pés, temos o Trabalho 
Combinado: Trabalho Ativo pela ação do coração e Trabalho Passivo pela atração 
da força da gravidade.
Noções de Física Experimental – A Teoria de Campo
Fonte: Heneine; Biofísica Básica, 1e.
G
C
a
m
p
o
C
A
Na Teoria dos Campos, toda matéria emite um Campo, que é a Energia, e essa 
Energia se manifesta como uma Força, que é capaz de produzir Trabalho pelo seu 
deslocamento. O Campo se manifesta de maneiras distintas:
a) Através da força da gravidade e da atração eletrostática.
b) Através da atração exercida pelo núcleo dos átomos.
c) Pelo Campo Gravitacional, Eletromagnético e Nuclear.
d) Pelo polo magnético do planeta.
e) Através da geração de Trabalho pelo corpo humano.
Interatividade
Na Teoria dos Campos, toda matéria emite um Campo, que é a Energia, e essa 
Energia se manifesta como uma Força, que é capaz de produzir Trabalho pelo seu 
deslocamento. O Campo se manifesta de maneiras distintas:
a) Através da força da gravidade e da atração eletrostática.
b) Através da atração exercida pelo núcleo dos átomos.
c) Pelo Campo Gravitacional, Eletromagnético e Nuclear.
d) Pelo polo magnético do planeta.
e) Através da geração de Trabalho pelo corpo humano.
Resposta
 O termo refere-se a substâncias que não possuem forma definida como as 
substâncias sólidas e tomam a forma do recipiente que as contém, devido à força 
da gravidade, sejam elas líquidas ou gases.
 Os líquidos, devido à sua estrutura molecular, são incompressíveis, enquanto que 
os gases ocupam o volume total do recipiente que os contém e são altamente 
compressíveis. 
 Um determinado fluido em um recipiente exerce sobre uma área ∆A de sua parede 
uma força ∆F que é perpendicular a ela. Assim, temos a pressão hidrostática P, 
definida como:
Movimentos e Propriedades dos Fluidos
 O nosso coração nada mais é do 
que uma bomba, que bombeia o 
sangue fazendo ele fluir através 
do nosso sistema circulatório. O 
coração é formado pelo músculo 
cardíaco e possui quatro 
câmaras: dois átrios e dois 
ventrículos, que contraem e 
relaxam ritmicamente em ciclos.
Movimentos e Propriedades dos Fluidos
Fonte: Guyton; Fisiologia Humana, 6e.
Veia cava
superior
Veia cava
pulmonar
Átrio direito
Valva tricúspide
Veia cava inferior
Artéria pulmonar
Aorta
Veia pulmonar
Átrio esquerdo
Valva aórtica
Valva mitral
Ventrículo
esquerdo
Ventrículo
direito
Pulmões
 A circulação divide-se em duas 
partes: circulação sistêmica e 
circulação pulmonar. A 
circulação sistêmica faz o 
sangue fluir para todos os 
tecidos do corpo e é também 
chamada de grande circulação.
Movimentos e Propriedades dos Fluidos
Fonte: Guyton; Fisiologia Humana, 6e.
Circulação pulmonar
Circulação sistêmica
Artérias Veias
ArtériasVeias
Arteríolas
e capilares
Arteríolas e 
capilares
 Esquema mostrando o calibre 
dos principais vasos do sistema 
circulatório, com destaque para 
o calibre das arteríolas.
Movimentos e Propriedades dos Fluidos
Fonte: Guyton; Fisiologia Humana, 6e.
Arteríola
Capilares
Vênula
Veia
 A parede das artérias é elástica e 
isso faz com que elas se distendam 
durante a sístole, absorvendo esse 
pulso de pressão ao longo do 
caminho até os capilares. Essa 
capacidade de amortecer os pulsos 
de pressão é chamada de 
complacência da árvore arterial.
Movimentos e Propriedades dos Fluidos
Fonte: Guyton; Fisiologia Humana, 6e.
Aorta
Grandes artérias
Pequenas artérias
Arteríolas
Capilares
Vênulas
Pequenas veias
Grandes veias
Veias cavas
Pressão (mm Hg)
 O método mais utilizado como rotina em consultórios médicos para a aferição 
(medição) da pressão arterial é conhecido como método auscultatório. Para esse 
método, são utilizados um esfigmomanômetro e um estetoscópio.
Movimentos e Propriedades dos Fluidos
Fonte: Guyton; Fisiologia Humana, 6e.
Para a aferição (medição) da pressão arterial pelo método auscultatório, são 
utilizados um esfigmomanômetro e um estetoscópio. Sobre aferição da pressão 
arterial, podemos afirmar que:
a) A pressão do sangue nas veias é maior do que nas artérias.
b) O fluxo laminar causa um ruído indicando a pressão diastólica.
c) A altitude interfere diretamente na pressão arterial.
d) Durante a diástole, o barulho desaparece, nesse 
momento a pressão indicada no manômetro será 
pressão diastólica.
e) Sempre a primeira pressão a ser registrada é a 
diastólica.
Interatividade
Para a aferição (medição) da pressão arterial pelo método auscultatório, são 
utilizados um esfigmomanômetro e um estetoscópio. Sobre aferição da pressão 
arterial, podemos afirmar que:
a) A pressão do sangue nas veias é maior do que nas artérias.
b) O fluxo laminar causa um ruído indicando a pressão diastólica.
c) A altitude interfere diretamente na pressão arterial.
d) Durante a diástole, o barulho desaparece, nesse 
momento a pressão indicada no manômetro será 
pressão diastólica.
e) Sempre a primeira pressão a ser registrada é a 
diastólica.
Resposta
ATÉ A PRÓXIMA!