Biofísica: Energia e Campos de Força

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Biofisica 
Prof. Dr. João Silveira 
Ementa: 
 Introdução a biofísica 
 Energia termodinâmica 
 Membranas biológicas 
 Biofisica da visão 
 Biofisica da audição 
 Biofisica da circulação 
Introdução a Biofísica 
É o estado da matéria (objetos, corpos, alimentos, etc.), da energia (calor, luz, 
som, trabalho, etc), do espaço (distancia, área, volume, etc) e do tempo (dia, 
noite, duração da vida, etc) nos sistemas biológicos. 
Campos de força 
Gravitacional: o campo gravitacional é inerte à matéria, ou seja, aparece 
sempre que houver massa, provocando sempre a atração dos objetos. O 
campo gravitacional da terra é um exemplo. 
O campo gravitacional atua: 
 No levantamento de peso, auxiliando a fisioterapia; 
 Introdução de líquidos no organismo, terapia intravenosa; 
 Drenagem de cavidades corporais; 
 Acentuamento da coluna como: cifose, lordose, escoliose, etc. 
Eletromagnetico: é mais diversificado que o gravitacional possuindo ação de 
atração e repulsão. É composto de um campo elétrico (E) e de um campo 
magnético (M) 
O campo magnético atua: 
 Aplicação de ondas curtas nos tratamentos fisioterapêuticos; 
 Nos seres vivos através da emissão de ondas de calor; 
 Nos diagnósticos por imagem tipo raio-x, e ressonancia magnética. 
Nuclear: o campo nuclear só existe dentro dos limites do núcleo atômico. Sua 
força é mais intensa de todos os campos, porem, possui raio de ação muito 
curta, dividindo-se em: 
1. Forte que é responsável por manter as subpartículas atômicas unidas; e 
2. Fraca é responsável pela emissão de radiação nuclear. 
O campo nuclear atua: 
 No tratamento de tumores na radioterapia 
 
Energia 
 
É a grandeza física que capacita a realização de trabalho, pode ser 
escrita como: 
 
∆E= W= F.d 
∆E = variação de energia 
W = trabalho 
F = força 
d = deslocamento 
 
A unidade de medida de energia no Sistema Internacional (SI) é o Joule 
(J) 
 
 
 
Existem vários tipos de energia: 
 Térmica: propagação de calor 
 Elétrica: movimento de cargas elétricas 
 Sonora: propagação de ondas sonoras 
 Mecânica: que se divide em: 
 
a. Potencial gravitacional: Eg= m.g.h (ex.: erguer um objeto de massa 
“m” a uma altura “h” ). 
 
b. Potencial elástica: Ee= ½K.x² (ex.: deformar uma mola de constante 
elástica “K” produzindo uma deformação “x” durante um exercício. 
 
c. Cinética (energia do movimento): Ec= ½m.V² (ex.: um atleta de 
massa “m” adquirindo velocidade “V” 
 
 
 
 
 
Energia e Termodinâmica 
Definição energia é a grandeza física que capacita a realização de trabalho, ou 
seja, quando a aplicação de uma força produz um deslocamento. 
A unidade de energia no S.I é o Joule (J) e pode ser dividida em: térmica, 
elétrica, nuclear, eólica e mecânica. 
Desse contexto há uma relação que segue fielmente os dois princípios 
termodinâmicos. 
1º Principio termodinâmico: na natureza, nenhuma forma de energia pode 
ser criada ou destruída, mas sim convertida em outra forma de energia, 
satisfazendo a condição de que a energia do universo se mantem constante. 
Observações: 
i. Toda transformação de energia é acompanhada de uma liberação de 
calor (energia térmica); 
ii. Todo e qualquer ser vivo produz calor em qualquer processo biológico; 
iii. Qualquer forma de energia pode ser totalmente convertida em calor, no 
entanto a reciproca não é verdadeira, ou seja, o calor não pode ser 
totalmente convertido em energia útil (trabalho). 
Nesse contexto surge a relação com 2º Principio termodinâmico. 
2º Principio termodinâmico: o chamado principio da ENTROPIA diz que nas 
transformações naturais a energia se degrada de uma forma organizada para 
uma forma desorganizada chamada energia térmica. 
Principio da degradação da energia 
As transformações naturais ocorrem preferencialmente numa direção, 
caracterizando-se pela inversabilidade. Embora ocorra a conservação da 
energia, à medida que o universo evolui a energia útil diminui. 
Entropia em biologia 
Podemos dizer que a entropia num ser vivo é inversamente proporcional à sua 
organização. Essa relação de entropia e organização não se limita apenas a 
aspectos físicos somente. Os seres vivos procuram atingir o mais elevado grau 
de organização justamente para diminuir sua entropia. 
Os seres vivos lutam continuamente pelo abaixamento de sua entropia, o que 
resulta no aumento da entropia ambiental. 
A espécie humana, com seus objetivos desvairados acelera o ritmo da entropia 
ambiental, para disfarçar essa agressão, a entropia é chamada de POLUIÇÃO. 
A diferença entre o estado HIGIDO (boa saúde) ou PATOLÓGICO (doença) é 
apenas o grau de entropia que no segundo caso é maior. 
Toda e qualquer doença decorre do aumento da entropia do ser. Nenhuma 
estrutura biológica possui uma estrutura tão baixa quanto a célula viva. 
 
Membranas biológicas 
 
No espaço sem barreiras as trocas de energia e de matéria se dão livremente. 
A presença de uma barreira qualquer (ex.: peneira, filtro) seleciona o transito 
pelo tamanho dos transeuntes se, porem, todo espaço em questão for 
separado por uma barreira, aparecem então dois compartimentos. 
Neste caso as trocas se fazem obrigatoriamente pelas barreiras. Um tubo de 
dialise, um balão de borracha, uma célula, são estruturas que apresentam 
compartimentação. A estrutura fundamental para compartimentação nos seres 
vivos é a membrana. 
 
- Conceito e dimensões das membranas 
São estruturas altamente diferenciadas destinadas a estabelecer 
compartimentação nos seres vivos. Elas são capazes de selecionar por 
mecanismos de transportes, os ingredientes que devem passar tanto para fora 
quanto para dentro. 
A espessura de uma membrana é de 7 a 9 nm, ou seja, da ordem de 10 
(elevado a menos nove) m. 
- Estrutura e funcionamento das membranas 
A estrutura básica de uma membrana é definida abaixo: 
 Poros ou canais: são passagens que permitem a comunicação do lado 
externo e do lado interno de uma célula. Os canais podem ser vistos 
como “falhas” na continuidade da membrana. 
 Zona de difusão facilitada (ZDF): são regiões que possuem molécula de 
uma determinada espécie química, em alta concentração, dai moléculas 
afins se difundem com mais facilidade através dessas zonas. 
 Receptores: são sítios capazes de receber moléculas especificas. Com 
a ligação dessas moléculas, uma mensagem é transmitida e a célula é 
aciona mecanismos de abertura ou fechamento de poros, entrada ou 
saída de substancias. Os receptores frequentemente estão associados 
aos operadores. 
 Operadores: são mecanismos capazes de transportar substancias 
através da membrana em sentido único, Os operadores que transportam 
para fora não transportam para dentro e vice-versa. 
Os canais podem possuir carga elétrica (positiva ou negativa) ou serem 
destituídos de cargas. 
 Canais positivos repelem cátions (+) e deixam passar ânions (-); 
 Canais negativos repelem ânions (-) e deixam passar cátions (+); 
 Nos canais com carga não entram substancias sem carga. 
Existem canais sem carga que deixam passar substancias por diferença de 
pressão. Essa passagem de substancia se da com a realização de trabalho 
resultando num consumo de energia. 
 
 
 
 
Biofísica da Visão 
Ondas são movimentos oscilatórios que se propagam em um meio ou no 
vácuo. Nestes casos não há transferência de matéria, apenas de energia. As 
ondas são divididas em duas categorias: 
1. Ondas mecânicas 
2. Ondas eletromagnéticas 
Ondas Mecânicas: são ondas originárias de deformações produzidas nos 
meios, por isso não se propagam no vácuo, necessitam de um meio para 
transmissão de energia. Ex: ondas numa corda, ondas num fluido, ondas 
sonoras, etc. 
Ondas Eletromagnéticas: são originarias de vibrações e interações elétricas. 
São compostas por um campo elétrico e um campo magnético que oscilam 
perpendicularmente entre si e com direção de propagação de onda, 
transportando energia naforma de pacotes denominados QUANTA ou FÓTON 
podendo se propagar em meios materiais ou no vácuo. Ex.: ondas de raio-x, 
luz visível, luz ultravioleta, etc. 
Na região denominada de “visível” do espectro eletromagnético compreende a 
região em que nossa visão tem a sensibilidade de enxergar, indo do vermelho 
(menor frequência = maior comprimento de onda) até o violeta (maior 
frequência = menor comprimento de onda). 
 
 
As ondas divididas conforme oscilam em 02 classes: 
Transversais oscilam perpendicularmente a direção de sua propagação 
 
Ex.: Vibrações numa corda, ondas numa água, ondas eletromagnéticas, etc. 
Longitudinais oscila na mesma direção em que se propagam 
 
Ex.: vibração numa mola, ondas sonoras, etc. 
 
 
 
 
 
Elementos de uma onda 
Considere uma onda eletromagnética na região visível, luz, ilustrada abaixo: 
 
ƛ (lambda): corresponde ao comprimento da onda, sendo obtido pela distância 
entre dois máximos de onda (m) 
v: é a velocidade de propagação da onda (m/s) 
A: é a amplitude da onda (m) 
T: é o período da onda e refere-se ao tempo necessário para que a onda 
complete um ciclo (s) 
f: é a frequência de vibração da onda (Hz) 
O período de oscilação de uma onda é o inverso da frequência e se relacionam 
por: 
𝐟 =
𝟏
𝐓
 
A velocidade da propagação da onda é: 
V = Δs / Δt onde: V (velocidade) 
 Δs é a distancia 
 Δt é o tempo 
 
Considerando os parâmetros da onda: 
V = ƛ/T → V = ƛ.f 
A luz se propagando no vácuo ou no ar tem velocidade muito próxima, sendo 
igual a: 
C = 3 x 10 m/s (velocidade da luz) 
Assim as equações anteriores se tornam: 
C = ƛ.f → C = ƛ/T 
O olho humano 
Dá-se o nome da óptica da visão ao estudo da trajetória dos raios luminosos 
através do globo ocular (olho) até a formação da imagem do cérebro pelas 
quais o homem enxerga o mundo. 
 
Córnea: membrana transparente em forma de calota 
Iris: espécie de diafragma com abertura central para controlar a entrada de luz 
Pupila: disco de abertura causada pela íris 
Cristalino: meio transparente com forma de lente biconvexa é principal 
elemento refrator do olho (lente principal) 
Humor aquoso: meio liquido transparente 
Humor vítreo: meio gelatinoso transparente 
Retina: membrana de natureza nervosa, sensível a luz ligada ao nervo óptico. 
Nervo óptico: transmissor de sensação luminosa captada pela retina até o 
cérebro. 
Comportamento óptico do globo ocular 
A luz proveniente de um objeto luminoso penetra o olho pela córnea, e 
convergido, atinge a retina onde a imagem se forma. 
Acomodação visual: as pessoas emetropes, isto é, de visão normal tem a 
capacidade de acomodar objetos de uma distância mínima de 2,5 cm (por 
convenção) do olho até o infinito. A primeira distância corresponde ao próximo 
e a segunda ao ponto remoto. 
Ponto próximo: músculos ciliares contraídos ao máximo (músculos que 
sustentam o cristalino), distância mínima 
 
Ponto remoto: máxima distancia de visão distinta que uma pessoa pode ter. 
Músculos ciliares completamente relaxados 
 
Amplitude e acomodação visual 
É a variação da vergência do cristalino de um olho, puncionando com lente, ao 
deslocar um objeto desde o seu ponto próximo, até seu ponto remoto. O 
emetrope possui amplitude de acomodação de quatro dioptrias (4 di). 
A vergência de uma lente é calculada pela formula: 
V = 1/f onde: V é vergência (dioptrias) 
 f é distancia focal (metros) 
Defeitos da visão 
Miopia: o míope apresenta como defeito o achatamento do globo ocular 
perpendicular ao seu eixo óptico, alongando-o como consequência, a imagem 
se forma antes da retina. Para correção da miopia deve-se usar lentes 
divergentes, aumentando a distância focal. 
Hipermetropia: o hipermetrope apresenta como defeito o achatamento do 
globo ocular longitudinal do seu eixo óptico, encurtando-o. Como consequência 
a imagem se forma depois da retina. Para correção da hipermetropia deve-se 
usar lentes convergentes, diminuindo a distância focal. 
Presbiopia: apresenta como defeito o endurecimento do cristalino e 
consequentemente a perda da capacidade de acomodação visual. A presbiopia 
é decorrente do avança da idade a chamada “visão cansada”. A correção é 
feita com lentes convergentes. 
Astigmatismo: apresenta um defeito nas córneas, com raios de curvaturas 
irregulares o que ocasiona visão manchada dos objetos. A correção do 
astigmatismo é feita com uso de lentes cilíndricas. 
Estrabismo: o estrábico apresenta como defeito a incapacidade de corrigir 
para o mesmo ponto os eixos ópticos dos olhos. A correção do estrabismo é 
feita com uso de lentes prismáticas. 
Daltonismo: o daltonismo é uma anomalia genética, geralmente herdada na 
qual o portador é incapaz de distinguir certas cores, mais comumente o 
vermelho e o verde. 
 
 
 
 
 
Biofísica da audição 
Introdução: o estudo das ondas sonoras denomina-se acústica. 
Ondas sonoras são ondas de natureza mecânica (necessitam de um meio 
elástico para se propagar), do tipo longitudinal (direção de vibração coincide 
com a de propagação) e classificação tridimensional (propagam-se nas 3 
direções do espaço), assim, ondas sonoras não se propagam no vácuo. 
 
As frentes de ondas ao chegarem a outra extremidade (abertura) atingem a 
orelha do observador eu possui uma membrana denominada Tímpano. O 
tímpano passa a vibrar com a mesma frequência das ondas transmitindo-as ao 
cérebro que registra assim, a sensação fisiológica chamada som. 
A orelha humana normal consegue capturar frequência de ondas sonoras que 
vão desde 20 Hz a 20.000 Hz aproximadamente. 
Qualquer frequência abaixo de 20 Hz é chamada de infrassom e acima de 
20.000 Hz é chamada de ultrassom. 
Velocidade do Som 
As ondas sonoras se propagam nos meios sólidos, líquidos e gasosos, com 
velocidades que dependem das características dos materiais. De modo geral, 
as velocidades maiores ocorrem nos sólidos, e as menores nos gases. 
V solido > V liquido > V gases 
A 20º c o som se propaga no ferro a 5.100 m/s, na água liquida a 1.450 m/s e 
no ar a 343 m/s. 
 
Barreira do Som 
A velocidade do som no ar é aproximadamente 1.200 km/h, quando um avião 
supera a velocidade do som, produz-se uma espécie de onda de choque. Em 
termos práticos, há um estrondo sônico, cuja violência é capaz de quebrar 
vidros, comprometer estruturas de prédios e, causar danos irreparáveis ao 
ouvido das pessoas próximas. 
Qualidade do Som 
Altura: qualidade que permite diferenciar um som grave de um som agudo. A 
altura do som depende apenas da frequência. 
 Frequência maior: som agudo 
 Frequência menor: som grave 
Intensidade: qualidade que permite diferenciar um som forte de um som fraco. 
A intensidade do som depende da energia que a onda transfere e divide-se em 
intensidade física e intensidade auditiva. 
A intensidade física é medida em W/m² no sistema internacional (S.I). o menor 
valor de intensidade física sonora audível (limiar de audibilidade) é 
 
Io = 10-¹² W/m² é o maior valor suportável (limiar da dor) 
I = 10º W/m², após isso o Tímpano pode ser rompido. 
A intensidade auditiva depende da distância em que o observador se encontra 
da fonte sonora, quanto mais longe menor a intensidade e medida em bel (B) 
no SI, porém, é mais usada o decibel (dB). 
1B= 10 dB 
Poluição sonora 
Um dos grandes problemas da nossa sociedade é a poluição sonora. 
Assustadoramente o número de pessoas com deficiência auditiva causada por 
exposição prolongada a sons muito intensos. Sons acima de 80 dB já 
constituem poluição sonora. 
A orelha humana 
É um órgão encarregado de transportar as diferenças de pressão do som em 
pulsos elétricos que são enviados ao cérebro, onde causam a sensação 
psicofísica da “audição” 
Anatomia da orelha 
Orelha externa 
 Pavilhão auricular (orelha) 
 Canal auditivo (meato) 
Orelha média 
 É uma cavidade limitada pelo tímpano e paredes ósseas 
 Conexãocom a trompa de Eustáquio 
 Função de equalizar as pressões internas e externas 
 Localiza-se a cadeia responsável por transmitir o som para o ouvido: 
tímpano, martelo, bigorna e estribo. 
Orelha interna 
 É uma cavidade fechada onde circula o liquido envolvendo as estruturas 
perilinga, cóclea e canais semicirculares 
 A cóclea é um órgão que transforma a energia mecânica em elétrica. 
 
Funções da orelha 
Orelha externa: captação do som pelo pavilhão auricular e condução pelo 
meato até o tímpano. 
Orelha média: transforma a energia sonora em deslocamento mecânico. O 
tímpano vibra, transmite ao martelo, daí a bigorna e depois ao estribo. 
Orelha interna: transforma a energia mecânica em hidráulica e depois pulso 
elétrico. 
 
 
Audiometria 
A capacidade de audição de diferentes frequências não é a mesma e está 
relacionada a intensidade sonora. 
Audiograma são testes feitos em câmaras especiais à prova de som com 
fontes geradoras de frequência e intensidade conhecidas, com a finalidade de 
investigar a capacidade auditiva. 
 
Defeitos da audição 
Existem dois tipos de surdez: condução e nervosa. 
Surdez por condução 
 Obstrução do canal auditivo externo 
 Lesão no tímpano ou ossículos 
 Podem ser parcialmente corrigidas com uso de aparelho local 
 Esse tipo de surdez dificilmente é total 
Surdez nervosa 
 Há lesões na cóclea ou no nervo ótico 
 É a mais grave 
 Algumas são irreversíveis 
 O uso de antibióticos como estreptomicina podem causar lesões 
irreversíveis no nervo ótico. 
Teste de diapasão 
Realizado numa sala a prova de som, vibra-se um diapasão e afasta-o até o 
paciente não ouvir mais, em seguida aproxima-se rapidamente: 
- se o paciente começa a ouvir o som, surdez e de condução 
- se o paciente não ouve nada, surdez nervosa. 
Técnicas de diagnóstico por imagem 
Existem várias técnicas de diagnósticos por imagem, a saber: ressonância 
magnética, raio-X, ultrassom, etc; 
Algumas técnicas são consideradas invasivas, pois faz-se necessário a 
injeção de contrastes, outras não. 
Além disso elas são divididas em duas categorias com relação a sua 
energia: ionizantes e não ionizantes. 
Não ionizantes: consiste da técnica que utiliza radiação com baixa energia 
incapaz de ionizar (arrancar elétrons) de átomos ou moléculas que compõe 
as células do organismo, como exemplos temos ressonância magnética e o 
ultrassom. 
Ionizantes: consiste da técnica que utiliza radiação com alta energia capaz 
de ionizar (arrancar elétrons) de átomos e moléculas que compõe as células 
do organismo, como exemplo temos o raio-X. 
Raio-X 
Os raios-X foram descobertos em 1895 por WILHELM CORAD RONTGEN, 
tendo obtido a primeira imagem (mão da sua esposa) em 22/12/1895. 
Os raios-X são radiações eletromagnéticas classificadas como ionizantes 
que podem ser utilizados em diagnósticos por imagem tratamento 
radioterapêutico, estudos estruturais da matéria, etc. 
Por se tratar de radiação ionizante, a exposição excessiva a esta pode 
causar doenças de pele e câncer. 
Propriedades dos Raio-X 
São radiações EM com frequência entre 10¹⁶ a 10¹⁹ Hz o que corresponde 
ao comprimento da onda entre 10‾⁸a 10‾¹¹ m. 
C = ƛ.f 
C = vel. Luz = 3.10⁸m/s 
A energia correspondente a um FOTON de raio-X é da ordem de 100 eV a 
100 KeV 
E = h.f = hc/ƛ h = const. Planck 
 6.63 x 10 ‾³⁴ J.s 
 4.414 x 10‾¹⁵ eV.s 
 
 
 
Geração de Raios-X 
A geração dos raios-X, ou efeito Bremsstrahlung (termo alemão) cujo 
significado é: 
Brens = frenagem 
Stranlung = radiação 
 
 
Ultrassom 
O exame de ultrassom ou ultrassonografia consiste de uma técnica que 
utiliza sons de alta frequência para formação de imagens. Consiste de um 
sistema semelhante a ecolocalização utilizada por morcegos e golfinhos, 
assim como pelos submarinos. 
Para formação de imagens por meio de ultrassom são realizadas as 
seguintes etapas: 
I. o equipamento de ultrassom emite ondas sonoras de alta frequência, 
da ordem de 1 a 5 mHz para o interior do corpo. 
 
II. as ondas viajam através dos tecidos corporais com velocidade de 
aproximadamente 1540 m/s atingindo os limites entre os tecidos: 
líquidos e tecidos macios, tecidos macios e ósseos, etc. 
 
III. ao atingir esses limites, partes das ondas são refletidas (eco) e parte 
são transmitidas para o tecido adjacente até atingir o próximo limite. 
 
IV. as ondas refletidas detectadas pela sonda e retransmitida para o 
equipamento que por sua vez, conhecendo-se a velocidade da onda 
e o tempo de propagação (ida e volta) da ordem de milionésimos de 
segundo, consegue estimar a distância da reflexão (eco). 
 
V. com base nestes dados, o equipamento consegue formar uma 
imagem bidimensional 
 
V = Δs / Δt onde: v (velocidade) 
 Δs é a distancia 
 Δt é o tempo 
 
Num equipamento convencional, milhões de pulsos são emitidos a cada 
segundo 
 
Equipamentos de ultrassom 
O equipamento de ultrassom é dividido em: 
Sonda transdutora – componente constituído de cristas piezocletricos que ao 
serem submetidos à corrente elétrica mudam o formato produzindo pulsos 
sonoros. 
Cpu - componente onde fica o microprocessador a memória, amplificadores e 
fonte de alimentação, e emissão das ondas. 
Controlador de pulsos – permite ao ultrassonografista controlar a frequência 
dos pulsos. 
Mostrador – permite a visualização das imagens formadas em 2D. 
(Obs.: equipamentos mais modernos permitem o grupamento de várias imagens 2D para formar 
uma imagem em 3D) 
Utilização do ultrassom 
Ginecologia e obstetrícia: tamanho, posição, numeração e sexo dos bebes, 
fluido amniótico, tumor no útero, ovário e seios. 
Cardiologia: fluidos sanguíneos e funcionamento das estruturas do coração. 
Urologia: pedra nos rins, câncer de próstata, circulação sanguínea nos rins.