Tempo (s)

http://www.nlm.nih.gov/dreamanatomy/images/1200%20dpi/IV-A-11.jpg
Física do Corpo Humano
Prof. Luciano Bachmann
201
Programa de Física sob outro ponto de vista
Serão abordados os temas clássicos da física aplicados ao corpo humano
ou outros sistemas biológicos:
Mecânica: biomecânica, energia e potência, forcas no esqueleto;
Fluidos: Sistema cardiovascular, Sistema respiratório;
Termodinâmica: energia química e biológica, calor e frio;
Eletricidade e magnetismo: Sistema nervoso, controle e realimentação;
Ótica e física moderna: Sistema visual, ilusões ópticas.
Homem Vitruviano (desenho de Leonardo da Vinci): O Homem Vitruviano é
baseado numa famosa passagem do arquiteto romano Marcus Vitruvius Pollio na sua
série de dez livros intitulados de De Architectura, um tratado de arquitetura em que, no
terceiro livro, ele descreve as diversas proporções que existem entre os membros do
corpo humano
Fonte: http://www.nlm.nih.gov/
Um pouco de História da Física aplicada a
sistemas biológicos
Sistema sensorial: Aristóteles (400 A.C,); Galileu Galilei (1564-1642); Michael
Faraday (1791-1867);
Sistema circulatório: William Harvey (1578-1657); Stephen Hales (1677-1761)
Biomecânica e termodinâmica: Helmholtz (1891-1894)
Sistema visual: Johannes Kepler (1571-1630); Christoph Scheiner (1573-1650);
Hermann von Helmholtz (1891-1894); Thomas Young (1773-1829)
Sistema nervoso: Plato (400 A.C.); René Descartes (1596-1650); Luigi Galvani
(1737-1798); Charles Sherrington (1857-1952);
Síntese de um composto orgânico: Fridrich Wöhler (1800-1882);
Descoberta da célula: Andreas Vesalius (1514-1564);
Descoberta da estrutura do DNA: James Watson e Francis Crick (1953);
O próprio Corpo
Humano do cientista
sempre foi uma das
primeiras amostras
a ser testado
A mão de Wilhelm Roentgen:, a primeira
radiografia, 1895
Fonte: http://www.nlm.nih.gov/
“O homem é a medida de todas as coisas”
Protágoras (480 A.C.)
Exemplos em que o corpo humano teve sua participação
Origem da escala decimal: é apontado como originário da
quantidade de dedos da mão;
Escala de temperatura Fahrenheit: baseado em três pontos
fixos, solução de água, gelo e sal (saturada); água e gelo e temperatura
do corpo humano.
Unidades de medidas inglesas: polegada, palmo, pé, jarda, etc.
Sistema métrico: baseado na escala decimal;
Origem do segundo (temporal): divisão do dia em dia e noite,
estes em começo e tarde; etc, até a subdivisão da hora; aplicação do
escala sexagesimal: divisão por 60 (minutos) e cada minuto por 60
novamente (segundos); tempo de um segundo próximo ao tempo de
um batimento cardíaco. Exemplo: Uso do batimento cardíaco por
Galileu como contador.
Leitura sugerida: Origem da Escala de Temperatura Fahrenheit
Autor: Alexandre Medeiros
Título O DESENVOLVIMENTO HISTÓRICO DA ESCALA
FAHRENHEIT E O IMAGINÁRIO DE PROFESSORES E DE
ESTUDANTES DE FÍSICA
Fonte: Caderno Brasileiro de Ensino de Física Volume 24, número2:
páginas 155-173 (2007).
Livre acesso ao texto em:
http://www.periodicos.ufsc.br/index.php/fisica/article/viewFile/1082/839
Consumo de energia pelo corpo humano
O consumo de energia típico de uma pessoa é 2500 Kcal ao
longo de um dia. É evidente que este valor apresenta variações entre
diferentes pessoas e maiores variações são observadas para pessoas que
executam atividades física intensas como atletas e trabalhadores
braçais.
Podemos utilizar este valor típico de 2500 Kcal para determinar
a potência média de uma pessoa: P121W, praticamente uma “big”
lâmpada não econômica.
9
Consumo de energia pelo corpo humano
O consumo de energia típico de uma pessoa é 2500 Kcal ao
longo de um dia. É evidente que este valor apresenta variações entre
diferentes pessoas e maiores variações são observadas para pessoas que
executam atividades física intensas como atletas e trabalhadores
braçais.
Podemos utilizar este valor típico de 2500 Kcal para determinar
a potência média de uma pessoa: P121W, praticamente uma “big”
lâmpada não econômica.
E 2500Kcal 2500x1000x4,2 J
P 

 121,5 J ou  121,5 W
s
t
1dia
24x60x60
10
Energia contida nos alimentos e sua utilização
pelo corpo humano
A taxa em que a glicose e outros nutrientes é oxidada pelo organismo
é conhecida como taxa metabólica.
C6H12O6 + 6O2  6H2O + 6CO2 + 2,87x106 J
Com 1 mol de glicose (180g) combina com 6 moles de oxigênio (192g)
o qual produz 6 moles de água (108g) e libera 6 moles de dióxido de
carbono (264g). Esta reação química libera 2,87x106 J de energia.
Esta liberação de energia é associada à glicose, teremos
diferentes valores de energia liberados para demais moléculas.
Comida
Energia liberada por
oxigênio consumido
(J/m3)
Energia liberada por
kg consumido (J/kg)
Energia liberda por
grama consumida
(kcal/g)
Glicose
21x106
16x106
3,8
Carboidratos
22,2x106
17,2x106
4,1
Proteínas
18x106
17,2x106
4,1
Gorduras
19,7x106
38,9x106
9,3
11
O que posso fazer para
emagrecer?
E emagrecer economizando
muito dinheiro?
Quem poderá nos ajudar??
A resposta está no próximo slide
Perca
massa agora
Consulte um
Físico
12
Avaliação da eficiência de diferentes dietas
Perda (kg)
“a maior perda de massa ocorreu nos primeiros 6 meses, depois
ocorre uma diminuição desta perda, também não houve diferença
significante na perda de massas entre as dietas empregadas”
Potência
média de
ingestão de
alimento
~98W
Conclusão: Para emagrecer basta consumir
(comer) menos energia (alimento).
Meses avaliados
Ref. Frank M. Sacks, et al. Comparison of Weight-Loss Diets with Different Compositions of Fat,
Protein, and Carbohydrates. The New England Journal of Medicime 360(9): 859-873 (2009).
13
Relatório: Exercício 1
Sabendo que a potência total diária de nosso corpo é
definida como a razão entre toda a energia ingerida pelo corpo e o
tempo de um dia, realize a seguinte atividade experimental.
Atividade experimental:
a) Anote durante um dia (24 horas) todo o alimento
consumido, estimando a massa ingerida e sua principal característica
(se é proteína, gordura ou carboidrato).
b) Com estes valores faça uma tabela de energia consumida
para cada porção de comida;
c) Determine a energia total ingerida e a potência total média
do corpo humano.
Cuidados: Determine sempre a energia em Joules (1cal=4,1868J);
Para o cálculo do tempo de um dia (24h) é necessário converte-lo em
segundos; Para problemas nas estimativas de massa ingerida,
valores de J/g consulte a página:
http://www.faac.unesp.br/pesquisa/nos/bom_apetite/tabelas/cal_ali.htm
14
Exemplo
1cal=4,186J
Alimento
Massa (g)
Características do alimento
Energia
(Kcal)
Energia
(KJ)
2 pães
2x30
carboidrato
83
347
Manteiga
10
gordura
59
247
Açúcar
20
açúcar
80
335
Açúcar
10
açúcar
40
167
Almoço-410g
110
¼ verdura
~0
~0
220
2/4
902
3776
110
¼ proteína (4,1kcal/g)
451
1888
Suco
300
Açúcar
80
335
Jantar
250
Carboidrato (4,1kcal/g)
1025
4290
1 coca-cola
290
213
892
frutas
90-153-110
1 banana, 1 pêssego e 1 pêra
87-63-68
913
Carboidrato
160
670
448
1875
2 pães
Queijo
Pconsumida
carboidrato (4,1kcal/g)
120
Econsumida
15735J


 182W
t
1x24x60x60s
Total 3759
15735
15
Consumo de energia do corpo humano em
atividades físicas cotidianas
Pconsumida
Econsumida

 182W
t
E
P
t
P=120W
Atividade
Potência (W)
ou (J/s)
Dormindo
83
Sentado
120
Em pé
125
Dirigindo carro
140
Assistindo aula
210
Caminhando
265
Andando de
bicicleta (15km/h)
400
Jogando basquete
800
Limitante: Não se consegue executar 800W por
muito tempo, por outro lado, podemos gastar
265W por um tempo maior.
Por que subir escadas nos cansa tanto?
Um rápido e grande consumo de energia não significa que podemos
utilizá-la rapidamente ou intensamente, quando a necessitamos.
Pconsumida  182W
Temos um limite de potência que não podemos
ultrapassar e caso isto ocorra, surge o cansaço,
se continuarmos ainda chegaremos a exaustão..
Pescada 
Pca min hada
Ecinética  E potencial
t
Ecinética

t
17
Consumo de energia pelo órgãos
Órgão
Potência
consumida
(kcal/min)
Potência consumida
(J/s) ou W
Fígado e baço
0,33
23
Cérebro
0,23
16,1
Esqueleto e
músculos
0,22
15,4
Rim
0,13
9,1
Coração
0,08
5,6
Perca
Observa-se que o cérebro é o segundo órgão que
mais consome energia,
e provavelmente massa ago
aumentando o seu uso o consumo será maior ainda, Consulte u
indicando uma ótima maneira para se emagrecer:
Físico
Lendo,pensando, enfim...estudando!!!
Quão rápido Bolt pode correr?
http://pt.wikipedia.org/wiki/Usain_Bolt
http://www.disney.com.br/cinema/Bolt/
19
Distância (m)
V V2  V1
a

t
t2  t1
Ref. Eriksen, H. K. VELOCITY DISPERSIONS IN A
CLUSTER OF STARS: HOW FAST COULD USAIN
BOLT HAVE RUN?
http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0809/0809.
0209v2.pdf
Velocidade (m/s)
x x2  x1
V 

t t 2  t1
Aceleração (m/s2)
Posição, Velocidade
e Aceleração em
atividades físicas
Tempo (s)
20
Relatório: Exercício 2
Tempo (s)
Deslocamento (m)
0
0
270
400
556
800
842
1200
1124
1600
Deslocamento (m)
Caminhar ou executar qualquer modalidade de atletismo na
pista de do CEFER/CEPEUSP durante um tempo de no mínimo 30
minutos. Para esta atividade física:
a) Anotar o tempo necessário para completar diferentes distâncias, i.
e., anotar o deslocamento em função do tempo.
b) Com estes valores elaborar um gráfico: Deslocamento versus
tempo;
valores experimentais
1600
Meu exemplo
1200
800
400
0
0
200 400 600 800 1000 1200
Tempo (s)
21
Relatório: Exercício 2
c) calcular a velocidade média entre cada valor experimental
de posição e tempo anotados.
Deslocamento
(m)
0
0
270
400
556
800
842
1200
1124
1600
Velocidade Média (m/s)
Tempo
(s)
1,48
V12
x x2  x1


t t2  t1
Exemplo:
V23
x3  x2 800  400 400



 1,40 m s
t3  t2 556  270 286
Valores calculados
v=x/t
Variação no
tempo (s)
Velocidade Média (m/s)
1,44
270
1,48
1,42
286
1,40
1,40
286
1,40
282
1,42
1,46
0
200
400
600
Tempo (s)
800
1000
22
Relatório: Exercício 2
d) calcular a aceleração média entre cada valor de velocidade
já calculado na letra anterior.
Tempo Var. no Velocidade
(s)
tempo
Média
(s)
(m/s)
0
270
1,48
270
286
1,40
556
286
1,40
842
282
1,42
Exemplo:
a12
V2  V1 1,40  1,48  0,08



 0,0003m s 2
t2  t1
270
270
2
Aceleração média (m/s )
1124
0,0001
0,0000
-0,0001
-0,0002
Valores calculados
a=v/t
-0,0003
0
100 200 300 400 500 600
Tempo (s)
a12
V V2  V1


t
t 2  t1
Variação no
tempo (s)
Aceleração Média
(m/s2)
270
-0,0003
286
0
286
0,00007
282
23
Distribuição de forças em condições estáticas
Exemplo: Duplo Twist Carpado da ginasta Daine do Santos
Fonte: http://www.demotu.org/x/daiane/
24
Distribuição de forças em condições estáticas
Exemplo: Duplo Twist Carpado da ginasta Daine do Santos
http://www.demotu.org/x/daiane/
Estimativa do impacto sobre
os joelhos durante o salto:
14X o peso do corpo
Peso=(41kg)(9,8m/s2)=402N
Deslocamento vertical
Velocidade linear
Impacto14(402N)=5628N ou
574kg
Este é o “peso” que os
joelhos sentem após o salto
durante o impacto com o
solo.
Velocidade angular
25
26
a
a
27
Sistema Visual
Sistema visual
Células sensíveis a luz:
Cones e Bastonetes
bastonentes
cones
núcleos
sinapses
Sensibilidade espectral do olho humano
107
Bastonetes
Sensibilidade relativa
106
105
104
Cones
103
102
101
100
400
500
600
700
Comprimento de onda (nm)
Sensibilidade espectral do olho humano
400
500
600
Comprimento de onda (nm)
32
Sistemas de cores
RGB Red-Green-Blue
CMYK Cyan-Magenta-Yellow-black
34
a
a
35
Ilusão de óptica
Células sensíveis ao: Azul, Verde e Vermelho
Objetivo é saturar as células que não serão utilizadas para ver a
cor verdadeira da bandeira.
Exemplo: para ver o verde basta olhar para o Magenta que as
células sensíveis ao azul e vermelho ficarão saturadas e no
momento que se olha para o branco, o sinal enviado para o
cérebro das células sensíveis ao verde será mais intenso.
Lembrando:
Magenta é a junção de azul e vermelho
Amarelo é a junção de verde e vermelho
36
A noite todos os objetos são pardos
Ao encontrar estes três gatos iluminados apenas por a luz de um
luar (lua cheia), o que podemos afirmar sobre a cor destes gatos?
Ilusão de ótica: Efeito Pulfrich
Objeto percebido
pelo olho direito
Objeto percebido
pelo olho direito
Posição percebida
visão binocular
filtro
Disco de newton
Devido ao tempo de latência que ocorre no processamento da imagem, o
disco quando girado, aparenta ficar branco, correspondendo a soma das
cores observadas individualmente.
Disco de Benham
Os nossos olhos possuem células sensíveis às cores, sendo estas
basicamente, o vermelho, verde e azul.
Ao girar este disco (preto e branco) os riscos desenhados sobre o disco
giram em diferentes velocidades, assim diferentes riscos, excitam as
nossas células sensíveis à cor, apesar dos riscos
serem pretos. Esta excitação induz
o cérebro a interpretá-los como sendo riscos
coloridos.
A cor e posição destes riscos coloridos sobre o disco diferem de pessoa para pessoa.
Bibliografia
1) Cameron, J. R. et al. Physics of the body
2) Hobbie, R. Intermediate physics for medicine and biology
3) Ashcroft, F. A vida no limite – A ciência da sobrevivência
4) Okuno, E. et al. Física para ciências biológicas e biomédicas
5) Duran, J. E. R. Biofísica – Fundamentos e Aplicações
6) Ganong, W. F. Fisiologia Médica
7) Okuno, E. e Fratin, L. Desvendando a Física do Corpo Humano –
Biomecânica
8) Heneine, F. I. Biofísica Básica
9) Müeller, C. G. et al. Luz e visão;
10)Stevens, S. S. S. e Warshofsky, F. Som e Audição
11) Armenti, A. (Editor) The physics of sports.
12)Damask, A. C. Medical Physics
Relatório: Exercício 3
Visitar a biblioteca do Campus, procurar por algum livro
listado na bibliografia anterior, buscar e explicar o conceito de
eficiência do corpo humano, eficiência do pulmão, coração, etc., de
qualquer outro órgão. E por fim, listar todos os valores de eficiência
ao corpo humano executando diferentes atividades físicas, e órgãos
presentes no corpo.
42
43
Fonte: http://www.nlm.nih.gov/