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Unidade I
FÍSICA E BIOFÍSICA
Prof. Renato Fernandes
Introdução
 Desde que os ancestrais do homem moderno começaram a 
adquirir consciência, a humanidade tenta entender a natureza. 
 Os nossos ancestrais primitivos estavam inseridos na mesma 
natureza que estavam tentando entender, da mesma forma 
que nós, nos dias atuais. 
 Hoje, apresentamos aos nossos jovens as ciências naturais 
fragmentadas em diversos ramos: física, química, matemática, 
biologia. Essa divisão didática acaba formando a ideia que 
esses ramos da ciência não conversam entre si. 
 Biofísica é uma ciência multidisciplinar que associa conceitos 
de física, química, fisiologia e matemática para explicar 
processos biológicos.
Ondas
 Ondas são perturbações que se propagam.
 Qualquer tipo de onda, não transporta matéria, somente energia.
 O que é matéria e o que é energia?
 É algo que pode ser tocado, pesado e ocupa lugar 
no espaço .
 É a capacidade de realizar trabalho.
 As ondas podem ser classificadas segundo três critérios:
 quanto ao meio de propagação;
 quanto à direção de propagação;
 quanto à posição, à excitação e à propagação.
Ondas
Quanto ao meio de propagação
 Onda mecânica: precisa de um meio material.
 Onda eletromagnética: pode propagar no vácuo.
Quanto à direção de propagação
 Unidirecional: ondas numa corda de violão.
 Bidirecional: ondas do mar.
 Tridirecional: som.
Quanto à posição, à excitação e à propagação
 Longitudinal: ondas de compressão numa mola espiral.
 Transversal: ondas numa corda.
Ondas – grandezas físicas
 Amplitude: é a metade da diferença entre a crista e o vale da onda.
 Período: é o tempo para completar-se 1 ciclo de onda.
 Frequência: é o número de períodos percorridos em 1 segundo.
 Comprimento de onda: é o comprimento percorrido durante um 
período de onda.
Fonte: Próprio autor.
Amplitude
Velocidade
Onda harmônica
 Se a onda é provocada por impulsos periódicos, ela pode ser 
modelada matematicamente pela equação:
 Qualquer onda modelada por essa equação é chamada de 
onda harmônica.
 Qualquer onda complexa pode ser modelada como sendo a soma 
de ondas harmônicas (Teorema de Fourier).
Fonte: Próprio autor.
10 20 30 40 50
𝑦 = 𝑌 ∙ (𝜃)
O caso da onda Draupner
 Os vagalhões são ondas gigantes, que surgem aparentemente 
do nada e eram consideradas mitos, pois os únicos registros 
eram relatos de náufragos.
 Em 1995, uma plataforma de petróleo no Mar do Norte registrou 
a ocorrência de uma onda de mais de 18 m sem causas aparentes.
 Analisando o histórico de altura de ondas no local, concluiu-se que:
 uma onda em cada 23 terá mais do dobro da altura média;
 uma em 1.175 terá uma altura 3 vezes maior que a média;
 uma em 300.000, quatro vezes maior. 
 As ondas monstruosas são uma em bilhões, mas acontecem!
O caso da onda Draupner
 O histórico das ondas é uma onda de padrão complexo.
 Mas pode ser decomposto como sendo o somatório de ondas 
harmônicas simples. 
 Nas componentes analisadas, havia uma onda de amplitude 
de 18 m, com uma frequência muito baixa.
Fonte: TAYLOR, P. H.et. al. (2006). 
The nature of the draupner giant 
wave of 1st january 1995 and the 
associated sea-state, and how to 
estimate directional spreading from 
an eulerian surface elevation time 
history. In 9th International 
Workshop on Wave Hindcasting
and Forecasting.
O equalizador
 O equalizador encontrado em 
equipamentos de som profissionais 
faz esse tipo de divisão de uma 
onda complexa (música) por meio 
de circuitos eletrônicos.
 Dessa forma, podemos modificar 
a amplitude (volume) do som 
de alguns instrumentos sem a 
necessidade de se fazer uma 
nova gravação.
Fonte: http://mfg.bz/8M82hJ
Interatividade
Num trabalho de campo, um biólogo localizou um pássaro raro 
e resolveu improvisar e registrar seu canto (3.550 Hz) com um 
aparelho que dispunha na hora. O estagiário que o acompanhava
resolveu fazer perguntas no momento mais inoportuno possível 
e teve sua voz (60 e 500 Hz) registrada junto com o pássaro. 
Como biólogo, o que você faria nessa situação? Assinale a 
alternativa correta.
a) Daria a tentativa como perdida.
b) Guardaria o registro com a voz do estagiário.
c) Utilizaria um equalizador para eliminar a voz do estagiário, 
pois as frequências são muito diferentes.
d) Utilizaria um equalizador para aumentar a amplitude do canto 
do pássaro e conservaria a do estagiário.
e) Utilizaria um equalizador para aumentar a amplitude do canto 
do estagiário e conservaria a do pássaro.
Resposta
Num trabalho de campo, um biólogo localizou um pássaro raro 
e resolveu improvisar e registrar seu canto (3.550 Hz) com um 
aparelho que dispunha na hora. O estagiário que o acompanhava
resolveu fazer perguntas no momento mais inoportuno possível 
e teve sua voz (60 e 500 Hz) registrada junto com o pássaro. 
Como biólogo, o que você faria nessa situação? Assinale a 
alternativa correta.
a) Daria a tentativa como perdida.
b) Guardaria o registro com a voz do estagiário.
c) Utilizaria um equalizador para eliminar a voz do estagiário, 
pois as frequências são muito diferentes.
d) Utilizaria um equalizador para aumentar a amplitude do canto 
do pássaro e conservaria a do estagiário.
e) Utilizaria um equalizador para aumentar a amplitude do canto 
do estagiário e conservaria a do pássaro.
O som
 O som é uma onda mecânica que temos a capacidade 
de perceber por meio do nosso sistema auditivo. 
 Essa percepção não depende apenas da existência da onda, 
mas depende também de todo um sistema fisiológico complexo
para que o sinal mecânico transportado por essa onda seja 
transformado em um sinal elétrico percebido pelo cérebro.
 Essa conversão de sinais mecânicos em sinais elétricos 
é chamada transdução de sinais.
 Isso acontece de forma semelhante ao processo de se 
conversar ao telefone. Não é a onda sonora que viaja pelos fios, 
mas os impulsos elétricos gerados pelo microfone do aparelho.
O som
 Os sons podem ser distinguidos um do outro devido 
a três características:
 altura – associada à frequência da onda. Os sons podem ser 
graves (frequência baixa) ou agudos (frequência alta);
 intensidade – volume do som, está associada à amplitude da 
onda sonora;
 timbre – característica que nos permite diferenciar uma nota 
musical executada por um piano e de um violão, mesmo que 
seja a mesma nota (frequência). Está relacionado à quantidade
de harmônicos gerados simultaneamente.
 Nem toda onda mecânica é audível. Um ser humano consegue 
ouvir sons entre 20 e 20.000 Hz (valores médios aproximados).
O aparelho fonador
 A comunicação oral é um dos fatores que distinguem o homem dos 
animais, somente o homem tem um aparato desenvolvido para isso.
 O aparelho fonador não é um sistema especializado, mas a junção 
de diversos órgãos pertencentes a outros sistemas.
 Essa adaptação funcional utiliza-se de partes do sistema digestivo 
e do sistema respiratório e são integradas pelo sistema nervoso, 
passam a formar um sistema constituído de:
 um sistema de bombeamento de ar;
 um indutor de vibrações;
 uma caixa de ressonância;
 um sistema que modula esse som;
 um retorno de sinal;
 um sistema nervoso que gera e codifica os sinais.
O aparelho fonador
 Os processos mentais que, inicialmente, dão origem ao processo 
da fala começam no pensamento para, depois, o córtex motor 
enviar impulsos elétricos para os diversos componentes do 
sistema fonador, pondo em ação o conjunto pulmões, diafragma 
e caixa torácica que formam um fole que emite um pulso de ar 
na fase de expiração. 
 Esse pulso de ar é perturbado pelas cordas vocais, que são 
elementos vibradores que geram uma onda sonora.
 Essa onda sonora será modificada pelas cavidades da via aérea, 
que funcionam como câmaras de ressonância e acrescentam ou 
modificam harmônicos e caracterizamo timbre da voz.
 A voz é, então, modulada pelos articuladores orais (lábios, língua, 
dentes e palato), resultando em fonemas e símbolos 
compreensíveis para a comunicação. 
Nível de intensidade do som
 No ar, a onda sonora provoca uma sucessão de regiões 
com pressão alta, seguidas por regiões com pressão baixa. 
A intensidade do som é a amplitude da onda.
 O corpo humano é capaz de captar uma faixa de intensidades 
sonoras que variam de 0,000000000001 W/m2 até 1 W/m2, e são 
valores grandes e incômodos para se trabalhar com matemática.
 Para facilitar, definiu-se o decibel (dB) como sendo 10x o 
logaritmo da intensidade do som, o que reduz o tamanho 
do número.
 Para cada incremento de 10 decibéis, a intensidade sonora 
é multiplicada por 10.
 Num aumento de 30 dB, a intensidade é multiplicada por 
10x10x10, ou seja, por 1.000.
Interatividade
Há cerca de 2.500 anos, a humanidade conhece os efeitos 
prejudiciais do ruído à saúde. Existem textos relatando a surdez 
dos moradores que viviam próximos às cataratas do Rio Nilo, no 
antigo Egito. O primeiro decreto que se conhece para a proteção 
humana contra o ruído no Brasil é de 6 de maio de 1824, no qual 
se proibia o “ruído permanente e abusivo da chiadeira dos carros 
dentro da cidade”.
Quando aumentamos o nível de intensidade sonora de 60 dB 
(uma conversa normal) para 110 dB (show de rock), quantas 
vezes estamos aumentando a potência desse som?
a) 50 vezes.
b) 100.000 vezes.
c) 10 vezes.
d) 2 vezes.
e) 100 vezes.
Resposta
Há cerca de 2.500 anos, a humanidade conhece os efeitos 
prejudiciais do ruído à saúde. Existem textos relatando a surdez 
dos moradores que viviam próximos às cataratas do Rio Nilo, no 
antigo Egito. O primeiro decreto que se conhece para a proteção 
humana contra o ruído no Brasil é de 6 de maio de 1824, no qual 
se proibia o “ruído permanente e abusivo da chiadeira dos carros 
dentro da cidade”.
Quando aumentamos o nível de intensidade sonora de 60 dB 
(uma conversa normal) para 110 dB (show de rock), quantas 
vezes estamos aumentando a potência desse som?
a) 50 vezes.
b) 100.000 vezes.
c) 10 vezes.
d) 2 vezes.
e) 100 vezes.
O sistema auditivo
 Os ouvidos dos vertebrados executam duas funções sensoriais: 
a audição e o equilíbrio. Essas duas funções estão associadas 
à atividade de células ciliadas que conseguem converter um 
estímulo mecânico em estímulo elétrico para o cérebro. 
 O sistema auditivo é composto por três partes:
 orelha externa – é a parte do sistema que está em contato 
com o meio externo. Começa na estrutura que, comumente, 
chamamos de orelha e vai até a membrana timpânica;
 orelha média – é a cavidade entre a membrana timpânica 
e a cóclea e contém os ossículos do sistema auditivo;
 orelha interna – é a parte do sistema responsável pela 
transdução do sinal mecânico da onda sonora em um 
sinal elétrico a ser registrado pelo cérebro.
O sistema auditivo
canal auditivo
osso
tímpano
orelha
osso 
temporal
pavilhão 
auditivo
lóbulo
ORELHA EXTERNA
ORELHA MÉDIA
ORELHA INTERNA
bigorna
estribomartelo
nervo 
auditivo
cóclea 
(ou caracol)
nervo 
da cóclea
trompa de Eustáquio 
(ou tuba auditiva)
osso 
temporal
Fonte: Unip.
canais 
semi-circulares
O sistema auditivo
 O canal coclear está preenchido de endolinfa, que é um líquido 
rico em íons K+, enquanto as rampas vestibular e timpânica 
são preenchidas por perlinfa, que é rica em íons Na+.
 Quando um sinal de pressão chega à cóclea, o canal coclear é 
comprimido, pressionando os cílios das células responsáveis 
pela transdução de sinal.
 Ao fazê-lo, provoca a inclinação desses cílios e a abertura dos 
canais de potássio dessas células. Logo, essas células serão 
despolarizadas, dando origem aos potenciais de ação que se 
propagam pelo nervo auditivo até o cérebro.
O sistema auditivo
 Ainda na cóclea, localizam-se os órgãos responsáveis pelo 
equilíbrio. São duas câmaras, preenchidas por linfa: o sáculo 
e o ultrículo. O ultrículo dá origem a três canais semicirculares 
dispostos nos três planos ortogonais (eixos X, Y e Z num 
sistema cartesiano), e estes canais possuem células ciliadas. 
 Quando a cabeça se mexe, a que está dentro dos canais 
semicirculares também é movimentada e aciona as células 
ciliadas, provocando uma resposta elétrica que é registrada 
pelo cérebro e interpretada como uma alteração do equilíbrio.
Interatividade
Analise as afirmações a seguir e assinale a alternativa correta. 
I. O tímpano é um órgão em forma de caramujo que está 
alinhado com mais de 20.000 células nervosas. 
II. O martelo, a bigorna e o estribo compõem um sistema que 
atua como modificador da frequência das ondas sonoras.
III. O cérebro registra sinais sonoros.
a) Somente as afirmações I e II estão corretas. 
b) Somente as afirmações II e III estão corretas.
c) Somente a afirmação I está correta. 
d) Todas as afirmações estão incorretas.
e) Todas as afirmações estão corretas.
Resposta
Analise as afirmações a seguir e assinale a alternativa correta. 
I. O tímpano é um órgão em forma de caramujo que está 
alinhado com mais de 20.000 células nervosas. 
II. O martelo, a bigorna e o estribo compõem um sistema que 
atua como modificador da frequência das ondas sonoras.
III. O cérebro registra sinais sonoros.
a) Somente as afirmações I e II estão corretas. 
b) Somente as afirmações II e III estão corretas.
c) Somente a afirmação I está correta. 
d) Todas as afirmações estão incorretas.
e) Todas as afirmações estão corretas.
O ultrassom aplicado à medicina
 As ondas ultrassônicas são ondas mecânicas semelhantes 
ao som audível, porém com uma frequência superior a 20 kHz 
(20.000 Hz).
 Suas propriedades físicas são idênticas às ondas audíveis, 
porém não conseguem ativar os mecanismos responsáveis 
pela audição.
 Vários animais conseguem ouvir em frequências que são 
ultrassônicas para humanos (DURÁN, 2003):
 os cães ouvem até 50 kHz;
 os gatos ouvem até 65 kHz
 os morcegos ouvem até 120 kHz
 os golfinhos ouvem até 240 kHz.
 O primeiro uso prático do ultrassom foi em sonares para 
determinação do perfil do fundo de rios e mares. 
O ultrassom aplicado à medicina
 Seu uso nas ciências médicas permitiu um grande avanço no 
estudo do funcionamento das estruturas do corpo e seu uso 
se desenvolveu rapidamente devido à sua ação não invasiva.
 Para a faixa de frequências ultrassônicas, os autofalantes 
comuns não conseguem funcionar. Para a geração de um 
pulso ultrassônico, é necessário um cristal piezelétrico, que 
é um tipo de transdutor.
 Esse efeito permite que o cristal piezelétrico funcione 
simultaneamente como emissor de um ultrassom, como 
receptor do eco dessa onda. 
 Toda onda sonora que se propaga em meios não homogêneos 
interage com o meio, sofrendo absorção ou reflexão de parte 
da energia da onda.
O ultrassom aplicado à medicina
 Modulando a frequência e a intensidade do sinal emitido, 
o ultrassom pode ter diversas utilidades.
 Medicina diagnóstica: pela intensidade dos retornos e 
tempos em que esses retornos acontecem, um computador 
calcula as profundidades e texturas dos tecidos, possibilitando
a formação de uma imagem feita pelo computador. 
 Ultrassom terapêutico: a energia transportada pela onda 
pode fazer o aquecimento localizado de tecidos, que terão 
seu fluxo sanguíneo aumentado, ou a vibração do tecido, 
que estimula diretamente as membranas celulares. 
 Ultrassom odontológico: o ultrassom atua em materiais 
duros, gerando e propagando trincas e facilitando a remoção 
do tártaro. Não afeta tecidos moles como a gengiva.
Ecolocalização
 A ecolocalização é o processo encontrado em animais que 
possuem a capacidade de se orientar numa completa escuridão, 
utilizando-se de emissões ultrassônicas e seus respectivos ecos.
 A energia utilizada para a emissão de um pulso ultrassônicoé 
dada pelo próprio animal que, posteriormente, avaliará o sinal 
de retorno obtido, interpretando a existência de um obstáculo 
à sua frente.
 A ecolocalização foi extensamente estudada em morcegos. 
Estudos anatômicos mostram que os morcegos possuem uma 
laringe muito grande e, com uma estrutura especializada e seus 
ouvidos, apresentam uma sensibilidade muito apurada, capaz 
de identificar os ecos das ondas emitidas contra obstáculos.
 Há outras espécies capazes de ecolocalização como alguns 
pássaros e mamíferos, como os golfinhos, as baleias, o porco da 
Guiné e a ratazana.
Interatividade
Analise as afirmações a seguir e assinale a alternativa correta.
I. A imagem formada no aparelho de ultrassom diagnóstico é 
gerada diretamente pelas ondas sonoras.
II. O ultrassom de uso terapêutico por fisioterapeutas é o mesmo 
que o de imagens diagnósticas.
III. O ultrassom de uso odontológico é audível por seres humanos.
a) Somente as afirmações I e II estão corretas. 
b) Somente as afirmações II e III estão corretas.
c) Somente a afirmação I está correta. 
d) Todas as afirmações estão incorretas.
e) Todas as afirmações estão corretas.
Resposta
Analise as afirmações a seguir e assinale a alternativa correta.
I. A imagem formada no aparelho de ultrassom diagnóstico é 
gerada diretamente pelas ondas sonoras.
II. O ultrassom de uso terapêutico por fisioterapeutas é o mesmo 
que o de imagens diagnósticas.
III. O ultrassom de uso odontológico é audível por seres humanos.
a) Somente as afirmações I e II estão corretas. 
b) Somente as afirmações II e III estão corretas.
c) Somente a afirmação I está correta. 
d) Todas as afirmações estão incorretas.
e) Todas as afirmações estão corretas.
ATÉ A PRÓXIMA!