http://www.nlm.nih.gov/dreamanatomy/images/1200%20dpi/IV-A-11.jpg

Física do Corpo HumanoProf. Luciano Bachmann

2012

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 testadoA mão de Wilhelm Roentgen:, a primeiraradiografia, 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: P121W, 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: P121W, praticamente uma “big”

lâmpada não econômica.

10

Wous

Jxx

Jxx

dia

Kcal

t

EP 5,121 5,121

606024

2,410002500

1

2500

Energia contida nos alimentos e sua utilização pelo corpo humano

A taxa em que a glicose e outros nutrientes é oxidada pelo organismoé conhecida como taxa metabólica.

C6H12O6 + 6O2 6H2O + 6CO2 + 2,87x106 JCom 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 decarbono (264g). Esta reação química libera 2,87x106 J de energia.

Esta liberação de energia é associada à glicose, teremosdiferentes 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?

12

Perca

massa agora

Consulte um

Físico

E emagrecer economizando muito dinheiro?

Quem poderá nos ajudar??

A resposta está no próximo slide

Avaliação da eficiência de diferentes dietas“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”

13

Meses avaliados

Per

da

(k

g)

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).

Potência

média de

ingestão de

alimento

~98W

Conclusão: Para emagrecer basta consumir(comer) menos energia (alimento).

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 otempo de um dia, realize a seguinte atividade experimental.Atividade experimental:

a) Anote durante um dia (24 horas) todo o alimentoconsumido, estimando a massa ingerida e sua principal característica(se é proteína, gordura ou carboidrato).

b) Com estes valores faça uma tabela de energia consumidapara cada porção de comida;

c) Determine a energia total ingerida e a potência total médiado 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 emsegundos; 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

15

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 carboidrato (4,1kcal/g) 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

2 pães Carboidrato 160 670

Queijo 120 448 1875

Total 3759 15735W

sxxx

J

t

EP consumida

consumida 1826060241

15735

Consumo de energia do corpo humano em atividades físicas cotidianas

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

P=120W

Limitante: Não se consegue executar 800W por

muito tempo, por outro lado, podemos gastar

265W por um tempo maior.

Wt

EP consumida

consumida 182

t

EP

Por que subir escadas nos cansa tanto?

17

Um rápido e grande consumo de energia não significa que podemosutilizá-la rapidamente ou intensamente, quando a necessitamos.

Temos um limite de potência que não podemosultrapassar e caso isto ocorra, surge o cansaço,se continuarmos ainda chegaremos a exaustão..

WPconsumida 182

t

EP cinética

hadaca

min

t

EEP

potencialcinética

escada

Perca

massa agora

Consulte um

Físico

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

Observa-se que o cérebro é o segundo órgão que

mais consome energia, e provavelmente

aumentando o seu uso o consumo será maior ainda,

indicando uma ótima maneira para se emagrecer:

Lendo,pensando, enfim...estudando!!!

Quão rápido Bolt pode correr?

19http://www.disney.com.br/cinema/Bolt/

http://pt.wikipedia.org/wiki/Usain_Bolt

Posição, Velocidade

e Aceleração em

atividades físicas

20

12

12

tt

xx

t

xV

12

12

tt

VV

t

Va

Dis

tân

cia (

m)

Vel

oci

dad

e (m

/s)

Ace

lera

ção

(m

/s2)

Tempo (s)

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

Relatório: Exercício 2 Caminhar ou executar qualquer modalidade de atletismo na

pista de do CEFER/CEPEUSP durante um tempo de no mínimo 30minutos. 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 versustempo;Meu exemplo

21

Tempo (s) Deslocamento (m)

0 0

270 400

556 800

842 1200

1124 1600

0 200 400 600 800 1000 1200

0

400

800

1200

1600

Deslo

cam

ento

(m

)

Tempo (s)

valores experimentais

Relatório: Exercício 2 c) calcular a velocidade média entre cada valor experimental

de posição e tempo anotados.

Exemplo:

22

Variação no tempo (s)

Velocidade Média (m/s)

270 1,48

286 1,40

286 1,40

282 1,420 200 400 600 800 1000

1,40

1,42

1,44

1,46

1,48

Velo

cid

ade M

édia

(m

/s)

Tempo (s)

Valores calculados

v=x/t

Tempo (s)

Deslocamento(m)

0 0

270 400

556 800

842 1200

1124 1600

12

1221

tt

xx

t

xV

smtt

xxV 40,1

286

400

270556

400800

23

2332

Relatório: Exercício 2 d) calcular a aceleração média entre cada valor de velocidade

já calculado na letra anterior.

Exemplo:

23

Tempo (s)

Var. no tempo

(s)

Velocidade Média (m/s)

0 270 1,48

270 286 1,40

556 286 1,40

842 282 1,42

1124

12

1221

tt

VV

t

Va

2

12

1221 0003,0

270

08,0

270

48,140,1sm

tt

VVa

0 100 200 300 400 500 600

-0,0003

-0,0002

-0,0001

0,0000

0,0001

Acele

ração m

édia

(m

/s2)

Tempo (s)

Valores calculados

a=v/t

Variação no tempo (s)

Aceleração Média (m/s2)

270 -0,0003

286 0

286 0,00007

282

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 estáticasExemplo: Duplo Twist Carpa-

do da ginasta Daine do Santoshttp://www.demotu.org/x/daiane/

25

Estimativa do impacto sobre

os joelhos durante o salto:

14X o peso do corpo

Peso=(41kg)(9,8m/s2)=402N

Impacto14(402N)=5628N ou

574kg

Este é o “peso” que os

joelhos sentem após o salto

durante o impacto com o

solo.

Velocidade angular

Velocidade linear

Deslocamento vertical

26

a

a

27

Sistema Visual

Sistema visual

Células sensíveis a luz:

Cones e Bastonetes

bastonentes

cones

sinapses

núcleos

Sensibilidade espectral do olho humano

Cones

BastonetesS

ensi

bil

idad

e re

lati

va

107

106

105

104

103

102

101

100

400 500 600 700Comprimento de onda (nm)

Sensibilidade espectral do olho humano

32

400 500 600

Comprimento de onda (nm)

Sistemas de cores

RGB Red-Green-Blue CMYK Cyan-Magenta-Yellow-black

34

a

a

35

Ilusão de ópticaCélulas 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 pardosAo 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 percebidopelo olho direito

Objeto percebidopelo 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 BenhamOs 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 colo-

ridos sobre o disco diferem de pes-

soa 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 livrolistado na bibliografia anterior, buscar e explicar o conceito deeficiência do corpo humano, eficiência do pulmão, coração, etc., dequalquer outro órgão. E por fim, listar todos os valores de eficiênciaao corpo humano executando diferentes atividades físicas, e órgãospresentes no corpo.

42

43Fonte: http://www.nlm.nih.gov/