iv-a-11 · a ser testado a mão de wilhelm roentgen:, a primeira ... livre acesso ao texto em: ......
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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
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.
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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
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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
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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.
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