BIOFÍSICA

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA
Biofísica
BIOFÍSICA
Concepto:
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La biofísica es la ciencia que estudia la biología con los principios y métodos de la física.
Desde un punto de vista puede concebirse que los conocimientos y enfoques acumulados
en la física "pura" pueden aplicarse al estudio de los sistemas biológicos.
En ese caso la biofísica le aporta conocimientos a la biología, pero no a la física, sin
embargo, le ofrece a la física evidencia experimental que permite corroborar teorías.

La biofísica es una ciencia molecular e intenta explicar las funciones biológicas en términos
de estructuras moleculares y de las propiedades de moléculas específicas. El tamaño de
estas moléculas varía dramáticamente, desde pequeños ácidos grasos y azúcares (~1nm =
10-9m), hasta moléculas como proteínas (5-10nm), almidones (>1000nm) y las enormemente
alargadas moléculas de ADN (cuya longitud es mayor que 10 000 000nm = 1cm, pero cuyo
ancho es de sólo 20nm, ¡proporciones semejantes a las de un resorte de 72 kilómetros de
longitud!).
Estas moléculas son las unidades con las que se construyen los organismos vivos y se
ensamblan para formar las células, los tejidos y organismos enteros; así, forman
estructuras complejas de dimensiones del orden de 10, 100, 1000, 10,000 nm e incluso
más grandes. Por ejemplo, las proteínas de la leche se ensamblan para formar micelas de
caseína, las cuales a su vez se agregan para formar el suero del queso; proteínas y ácidos
ribonucleicos se ensamblan para formar los ribosomas, los organelos que fabrican
proteínas en el interior de las células; lípidos y proteínas se ensamblan para formar las
membranas celulares, que constituyen las barreras externas y las superficies internas de
las células; proteínas y ADN se enrollan para formar cromosomas, los portadores del
código genético; y así sucesivamente.
Por estas razones, muchos esfuerzos en biofísica se dirigen a determinar la estructura de
moléculas biológicas específicas, así como la de los agregados más grandes que ellas
forman. Parte de estos esfuerzos requieren inventar nuevos métodos o construir nuevos
instrumentos para visualizar estas estructuras.
Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY
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Biofísica
ÁREAS DE LA BIOFÍSICA
Biomecánica
Glóbulos rojos.
La biomecánica es una disciplina científica que tiene por objeto el estudio de las estructuras
de carácter mecánico que existen en los seres vivos, fundamentalmente del cuerpo humano.
Esta área de conocimiento se apoya en diversas ciencias biomédicas, utilizando los
conocimientos de la mecánica, la ingeniería, la anatomía, la fisiología y otras disciplinas,
para estudiar el comportamiento del cuerpo humano y resolver los problemas derivados de
las diversas condiciones a las que puede verse sometido.
La biomecánica está íntimamente ligada a la biónica y usa algunos de sus principios, ha
tenido un gran desarrollo en relación con las aplicaciones de la ingeniería a la medicina, la
bioquímica y el medio ambiente, tanto a través de modelos matemáticos para el conocimiento
de los sistemas biológicos como en lo que respecta a la realización de partes u órganos del
cuerpo humano y también en la utilización de nuevos métodos diagnósticos.
Una gran variedad de aplicaciones incorporadas a la práctica médica; desde la clásica pata de
palo, a las sofisticadas ortopédias con mando mioeléctrico y de las válvulas cardiacas a los
modernos marcapasos existe toda una tradición e implantación de prótesis.
Hoy en día es posible aplicar con éxito, en los procesos que intervienen en la regulación de los
sistemas modelos matemáticos que permiten simular fenómenos muy complejos en potentes
ordenadores, con el control de un gran número de parámetros o con la repetición de su
comportamiento.
Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY
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Biofísica
Historia y desarrollo de la biomecánica
Circulación sanguínea
Históricamente uno de los primeros problemas abordados por el enfoque biomecánico
moderno, resultó de intento de aplicar las ecuaciones de Navier-Stokes a la comprensión
del riego sanguíneo. Aunque usualmente se considera a la sangre como un fluido newtoniano
incompresible, esta modelización falla cuando se considera el flujo sanguíneo en las arteriolas
o capilares. A la escala de esas conducciones, los efectos del tamaño finito de las células
sanguíneas o eritrocitos individuales son significativos, y la sangre no puede ser modelada
como un medio continuo. Más concretamente, cuando el diámetro del vaso sanguíneo es
ligeramente mayor que el diámetro del erotrocito, entonces aparece el efecto Fahraeus–
Lindquist y existe una disminución en la tensión tangente al vaso. Así a medida que el
diámetro del vaso sanguíneo disminuye, los glóbulos rojos tienen que aplastarse a lo largo del
vaso y frecuentemente sólo pueden pasar de uno en uno. En este caso, se da un efecto
Fahraeus–Lindquist inverso y la tensión tangencial del vaso se incrementa.
Huesos
Otro desarrollo importante de la biomecánica fue la búsqueda de ecuaciones constitutivas
que modelaran adecuadamente las propiedades mecánicas de los huesos.
Mecánicamente los huesos son estructuras mecánicas anisótropas, más exactamente tienen
propiedades diferentes en las direcciones longitudinales y transversales. Aunque sí son
transversalmente isótropos, no son globalmente isótropos. Las relaciones de tensióndeformación en los huesos pueden ser modeladas usando una generalización de la ley de
Hooke, para materiales ortotrópicos:
módulos de Young en dirección longitudinal y transversal.
coeficientes de Poisson.
módulo de elasticidad transversal.
Subdisciplinas
La Biomecánica está presente en diversos ámbitos, aunque tres de ellos son los más
destacados en la actualidad:
 La biomecánica médica, evalúa las patologías que aquejan al hombre para generar
soluciones capaces de evaluarlas, repararlas o paliarlas.
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Biofísica
 La biomecánica deportiva, analiza la práctica deportiva para mejorar su rendimiento,
desarrollar técnicas de entrenamiento y diseñar complementos, materiales y equipamiento
de altas prestaciones. El objetivo general de la investigación biomecánica deportiva es
desarrollar una comprensión detallada de los deportes mecánicos específicos y sus
variables de desempeño para mejorar el rendimiento y reducir la incidencia de lesiones.
Esto se traduce en la investigación de las técnicas específicas del deporte, diseñar mejor el
equipo deportivo, vestuario, y de identificar las prácticas que predisponen a una lesión.
Dada la creciente complejidad de la formación y el desempeño en todos los niveles del
deporte de competencia, no es de extrañar que los atletas y entrenadores estén
recurriendo en la literatura de investigación sobre la biomecánica aspectos de su deporte
para una ventaja competitiva.
 La biomecánica ocupacional, estudia la interacción del cuerpo humano con los
elementos con que se relaciona en diversos ámbitos (en el trabajo, en casa, en la
conducción de automóviles, en el manejo de herramientas, etc) para adaptarlos a sus
necesidades y capacidades. En este ámbito se relaciona con otra disciplina como es la
ergonomía. Últimamente se ha hecho popular y se ha adoptado la Biomecánica
ocupacional que proporciona las bases y las herramientas para reunir y evaluar los
procesos biomecánicas en lo que se refiera a la actual evolución de las industrias, con
énfasis en la mejora de la eficiencia general de trabajo y la prevención de lesiones
relacionadas con el trabajo, esta está íntimamente relacionada con la ingeniería médica y
de información de diversas fuentes y ofrece un tratamiento coherente de los principios que
subyacen a la biomecánica bien diseñado y ergonomía de trabajo que es ciencia que se
encarga de adaptar el cuerpo humano a las tareas y las herramientas de trabajo.
Biomecánica computacional
La biomecánica computacional se refiere a la simulación mediante ordenadores de sistemas
biomecánicos complejos. Usualmente se usan tanto modelos de sólidos para simular
comportamientos cinemáticos, como modelos de elementos finitos para simular propiedades
de deformación y resistencia de los tejidos y elementos biológicos. El tipo de análisis requerido
en general es en régimen de grandes deformaciones, por lo que en general los modelos
materiales usan relaciones no-lineales entre tensiones y deformaciones.
Los tejidos blandos presentan comportamientos viscoelásticos: gran capacidad disipación de
energía, histéresis, relajación de tensiones, precondicionado y "creep". Por lo que
generalmente las ecuaciones constitutivas adecuadas para modelarlos son de tipo
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viscoelástico e involucran tanto a tensiones y deformaciones, como a velocidades de
deformación. Algunos tejidos blandos incluso pueden ser precondicionados sometiéndolos a
cargas cíclicas, hasta el punto que las curvas de tensión-deformación para los tramos de carga
y descarga puedan llegar a prácticamente solaparse. El modelo más comúnmente usado para
modelar la viscoelasticidad de los tejidos blandos es la teoría de la viscoelasticidad cuasilineal
(QLV).
Tecnología biomecánica
La tecnología biomecánica se refiere tanto a dispositivos artificiales fabricados a partir de los
resultados encontrados a partir de la investigación biomecánica, como a los instrumentos y
técnicas usados en la investigación y adquisición de nuevos conocimientos en en el ámbito de
la biomecánica.
Órganos artificiales
Son dispositivos y tejidos creados para sustituir partes dañadas del organismo. El análisis de
un órgano artificial, debe considerarse en la construcción de estos aspectos tales como
materiales que requieren unas particulares características para poder ser implantados e
incorporados al organismo vivo. Además de las características físicas y químicas de
resistencia mecánica, se necesita fiabilidad, duración y compatibilidad en un ambiente
biológico que siempre tiene una elevada agresividad. “El mayor problema que se plantea la
construcción de una prótesis se refiere a la relación entre el biomaterial y el tejido vital en el
que se inserta ya que es muy importante el control de las reacciones químicas de superficie y
microestructura, el tejido crece y tiende a incorporar incluso a nivel de los poros de la
rugosidad superficial, el material implantado.
Prótesis
La sustitución de órganos por otros artificiales, constituye la frontera avanzada de la
ingeniería biónica. Dejando aparte las prótesis ortopédicas cuyo empleo ha tenido un enorme
desarrollo gracias a la aplicación de nuevos materiales y técnicas de cálculo, así como a los
avances en las técnicas de implantación por lo que cada día es más amplia la gama de
posibilidades de sustitución de órganos conocidos y menos conocido, lo cual resulta de gran
ayuda para pacientes y médicos un ejemplo de esto es la fabricación de bombas de insulina
para emplear en personas diabéticas.
Estudia las propiedades mecánicas, cinéticas y cinemáticas de los organismos, tomando en
cuenta sus características morfo-funcionales.
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Biofísica
Sensores
Para intervenir sobre cualquier órgano, se requiere el control y la medición continua de la
intensidad del fenómeno. Los sensores que constituyen el primer elemento del sistema, son
dispositivos que permiten detectar los fenómenos físicos y químicos, ofreciendo seriales de
salida proporcionales a la intensidad de las entradas. Las señales de entrada de muy diversos
tipos y convertidas en la mayoría de los casos en magnitudes eléctricas (ejemplo, variaciones
de presión y variaciones de resistencia eléctrica) corresponden a variaciones de temperatura,
de deformación muscular en los esfuerzos, de presión venosa o arterial, etc. Los sensores
pueden ser electrodos directos capaces de captar las señales procedentes de actividades
celulares, o pueden consistir en detectores de concentraciones de sustancias químicas.
Estimuladores
Los estimuladores artificiales son utilizados para activar ciertos órganos o funciones que, aun
estando sanos no funcionan como es debido a causa de lesiones del sistema nervioso central;
según Claude Ville: “Una función extremadamente delicada ,es la que se lleva a cabo para
estimular el músculo cardiaco a través de un aparato marca pasos, que permite regular los
latidos cardiacos al proporcionar desde el exterior impulsos de corriente y que resulta vital en
algunos casos de arritmias cardiacas.” El marca pasos consta de una batería, un generador y
un modulador de impulsos eléctricos y un electrodo que transmite los impulsos al tejido
cardiaco. Existen muy diversos tipos de marca pasos (en la actualidad se cuenta con más de
200 tipos diferentes) Los impulsos eléctricos generados por el aparato pueden ser se
frecuencia fija, es decir producidos a una frecuencia predeterminada, sin ninguna relación con
la actividad del corazón, pero en la actualidad se emplean mas los marcapasos a demanda, o
sea, mediante impulsos desencadenados cuando el propio aparato reconoce un fallo en el
ritmo cardiaco normal.
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Bioacústica
La bioacústica es una ciencia interdisciplinaria que estudia la audición de algunos animales.
Se basa en el análisis de emisiones de ruidos, su propagación a través de distintos medios y la
recepción por los seres vivos, incluyendo humanos.
Mecánica molecular
La Mecánica molecular es una parte del modelado molecular, ya que implica el uso de
mecánica clásica/mecánica newtoniana para describir las bases físicas tras los modelos.
Los modelos moleculares describen normalmente átomos (núcleos y electrones en conjunto)
como cargas puntuales con una masa asociada. Las interacciones entre los átomos vecinos
son descritas por interacciones tipo oscilador armónico, "resortes", que (representando
enlaces químicos) y Fuerzas de Van Der Waals. El Potencial de Lennard-Jones es
mayormente usado para describir las Fuerzas de Van Der Waals. Las interacciones
electrostáticas son calculadas por la Ley de Coulomb. A los átomos se les asignan
coordenadas en el espacio cartesiano o en Coordenadas internas, y también se les pueden
asignar velocidades al realizar simulaciones dinámicas. Las velocidades atómicas están
relacionadas a la temperatura del sistema, una cantidad macroscópica. La expresión
matemática completa se conoce como una Función potencial y está relacionada a la energía
interna del sistema (U - Entropía), una cantidad termodinámica igual a la suma de las energías
potencial y cinética. Los métodos que minimizan la energía potencial, son conocidos como
técnicas de disminución energética (como, steepest descent y Gradiente conjugado),
mientras que los métodos que recrean el comportamiento del sistema con el correr del tiempo
son conocidos como Dinámica molecular.
E = Ebonds + Eangle + Edihedral + Enon − bonded
Enon − bonded = Eelectrostatic + EvanderWaals
Esta función, llamada Función potencial, calcula la energía potencial molecular como una
suma de cantidades de energía que describen la desviación del largo de los enlaces, los
ángulos de enlace y los ángulos de torsión fuera de los valores de equilibrio, más cantidades
para los pares de átomos no enlazados, ayudando a describir las interacciones de Van Der
Waals y las electrostáticas. El conjunto de parámetros que incluye las distancias de enlace
equilibradas, los ángulos de enlace, valores de carga parciales, constantes de fuerza y
parámetros de Van Der Waals; son conocidos de manera conjunta como un campo de
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Biofísica
fuerza. Distintas aplicaciones de la mecánica molecular usa expresiones matemáticas que
difieren ligeramente y, por ende, distintas constantes para la Función potencial. Los campos
de fuerza de uso corriente en la actualidad han sido desarrollados usando cálculos cuánticos
de alto nivel y/o ajustándose a los valores experimentales. La técnica conocida como
Disminución Energética es usada para encontrar posiciones de "gradiente cero" para todos los
átomos; en otras palabras, un mínimo local de energía. Estados de menor energía son más
estables y son comunmente investigados por su función en los procesos químicos y biológicos.
Una simulación de Dinámica molecular, por otro lado, calcula el comportamiento de un
sistema en función del tiempo. Esto implica resolver las leyes de Newton de movimiento,
principalmente la segunda ley, F = ma. La Integración de las leyes de Newton del movimiento,
usando diferentes algoritmos de integración, conduce las trayectorias atómicas en el espacio y
el tiempo. La fuerza de un átomo es definida como el gradiente negativo de la función
potencial de energía. La técnica de disminución de energía es útil para obtener una imagen
estática para comparar entre los estados de sistemas similares, mientras que la dinámica
molecular provee información sobre los procesos dinámicos con el agregado intrínseco de los
efectos de la temperatura.
Variables
Las moléculas pueden ser modeladas al vacio o en presencia de un solvente como el agua.
Las simulaciones de los sistemas al vacio son conocidas como simulaciones de fase gaseosa,
mientras que aquellas que incluyen la presencia de moléculas de solvente son conocidas
como simulaciones con solvente explícito. En otro tipo de simulaciones, el efecto del solvente
es estimado usando un expresión matemática empírica; estas son conocidas como
simulaciones de solvatación implícita.
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División celular
Comparación de tres tipos de reproducción celular.
La división celular es una parte muy importante del ciclo celular en la que una célula inicial
(llamada "madre") se divide para formar células hijas. Gracias a la división celular se produce
el crecimiento de los organismos pluricelulares con el crecimiento de los Tejidos (biología) y
la reproducción vegetativa en seres unicelulares.
Los seres pluricelulares reemplazan su dotación celular gracias a la división celular y suele
estar asociada con la diferenciación celular. En algunos animales la división celular se
detiene en algún momento y las células acaban envejeciendo. Las células senescentes se
deterioran y mueren debido al envejecimiento del cuerpo. Las células dejan de dividirse
porque los telómeros se vuelven cada vez más cortos en cada división y no pueden proteger
a los cromosomas como tal.
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Biofísica
BIOPHYSICAL CHRONOLOGY
Since the history of physics has been largely ignored in the text, we present the following
chronology of biological, chemical and physical developments which are relevent to the
material we have covered. Most entries reflect the first discovery or correct understanding of a
phenomenon or principle.
Islamic science flourished during the period from 800 to 1300 AD (or CE, "Common Era"), and
there are many instances where a discovery was made by an Islamic scholar, which was then
"rediscovered" by a "western" scholar some years (or centuries!) later. While a number of
Islamic scholars are mentioned below in conjunction with material of interest to us, much more
information is available at Muslim Scientists and Scholars and Muslim Scientists and Islamic
Civilization. Note that the names of Islamic scholars were often Latinized in later references in
western science; these names are found in parentheses below. Many of the dates are
approximate (interpolated from dates of birth and death).
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4xxx BC --- Egyptians astronomically measure time
7xx BC --- India's use of anatomical models begins
----------- Babylonians and Chinese understand planetary orbits
5xx BC --- Alcmaeon (Greece) differentiates arteries from veins
585 BC --- Thales studies static electricity and magnetism
440 BC --- Democritus theorizes about atoms
35x BC --- Aristotle reasons that the Earth is spherical
240 BC --- Erastothenes computes the diameter of the Earth, suggests it orbits the sun
800 CE --- Jabir Ibn Haiyan (Geber) develops experimental techniques in chemistry
820 --- Mohammad Ibn Musa al-Khawarizmi develops algebra
850 --- Yaqub Ibn Ishaq Al-kindi (Alkindus) relates musical harmony to the frequencies of the
notes involved
880 --- Thabit Ibn Qurrah (Thebit) develops static equilibrium
900 --- Abu Abdullah Al-Battani (Albategnius) develops trigonometric ratios
980 --- Abu Al-Qasim Al-Zahravi (Abucasis) systematizes surgical techniques (including
dissection)
1020 --- Abu Ali Al-Hussain Ibn Abdallah Ibn Sina (Avicenna) describes the anatomy of the eye
and of heart valves
1025 --- Abu Ali Hasan Ibn Al-Haitham (Alhazen) begins science of optics
----------- also anticipates Newton's First Law of Motion (force is required to change velocity)
1100 --- Omar Al-Khayyam develops the binomial expansion
1240 --- Ibn Al-Nafis Damishqui describes the circulatory system **
1249 AD --- Bacon mentions lenses for improving vision
1275 --- Earliest recorded human dissection by William of Saliceto
1451 --- Nicholas of Cusa invents concave lenses
1490 --- da Vinci observes capillary action
1512 --- Copernicus understands that the planets orbit the sun
1540 --- Servetus discovers pulmonary circulation of blood **
1568 --- Varolio studies the anatomy of the human brain
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Biofísica
1583 --- Stevin understands hydrostatic pressure
1585 --- Stevin formulates law of equilibrium
1590 --- Galileo describes his experiments with gravity
----------- Janssen invents the microscope
1596 --- Galileo invents the thermometer
1600 --- Gilbert writes his treatise on electricity and magnetism
1603 --- Fabrici discovers valves in veins
1604 --- Kepler writes his treatise on optics
1608 --- Lippersley invents the telescope
1609 --- Kepler understands planetary motion quantitatively
1610 --- Beguin writes the first textbook on chemistry
1611 --- de Dominis explains the rainbow
1614 --- Santorio studies metabolism
1619 --- Harvey discovers circulation of blood **
1621 --- Snel discovers the law of refraction
1622 --- Oughtred invents the slide rule
1643 --- Torricelli creates first artificial vacuum
1648 --- Pascal understands fluid pressure
1658 --- Swammerdam observes red blood cells
1660 --- Malpighi discovers capillaries
1661 --- Boyle defines chemical elements
1663 --- Steno teaches that the heart is a muscle **
1665 --- Grimaldi explains diffraction
--------- Hooke describes cells **
--------- Newton experiments with gravity, spectrum of light, invents differential calculus
1668 --- Wallis suggests momentum conservation **
1674 --- Mayow describes nature of combustion
1675 --- Leibnitz invents integral calculus
----------- Romer discovers finite velocity of light
1678 --- Huygens discovers polarization of light
1680 --- Borelli describes mechanical nature of skeletomuscular system **
1687 --- Newton understands force and gravity quantitatively
1690 --- Huygens publishes his (wave) theory of light
1704 --- Newton defends emission theory of light
1714 --- Fahrenheit develops temperature scale
1726 --- Hales measures blood pressure **
1729 --- Gray differentiates between conductors and nonconductors **
1738 --- Bernoulli understands pressure and velocity of fluids
1742 --- Celsius develops temperature scale
1745 --- von Kleist invents the capacitor
1748 --- Nollet discovers osmosis
1752 --- Franklin's experiments with electricity
1758 --- Marggraf invents chemical flame tests
1760 --- Black introduces heat capacity
----------- Lagrange formulates principle of least action
1762 --- Black introduces latent heat
1766 --- Cavendish discovers hydrogen less dense than air
1771 --- Galvani discovers electrical nature of nerve impulses **
1775 --- Watt perfects the steam engine
1777 --- Coulomb invents torsion balance (measuring charge)
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Biofísica
----------- Lavoisier discovers air is mostly O and N
1779 --- Priestley discovers photosynthesis **
1784 --- Atwood accurately measures g
1786 --- Kalproth discovers uranium
1789 --- Lavoisier suggests conservation of mass
1790 --- France introduces the metric system
1800 --- Herschel discovers infrared rays **
----------- Volta constructs the first battery
1801 --- Ritter discovers ultraviolet radiation **
----------- Young performs the 2 slit experiment
1802 --- Dalton introduces atomic theory into chemistry
1807 --- Fourier invents his analysis
1811 --- Avogadro hypothesizes that gases are made up of molecules **
1812 --- Kirchoff discovers catalysis
1814 --- Fraunhofer discovers spectral lines
1818 --- Fresnel theorizes that light is a transverse wave **
1819 --- Oersted discovers electromagnetism
1821 --- Faraday proposes flux line picture for electricity and magnetism
1824 --- Carnot publishes his work on thermodynamics
1827 --- Brown discovers "Brownian Motion"
----------- Ohm formulates his law
1830 --- Brown discovers cell nucleii in plants
1831 --- Graham measures diffusion constants
1834 --- Babbage invents the principle of the programmable computer
1843 --- Joule determines machanical equivalent of heat
1847 --- Helmholtz publishes about the conservation of energy **
1848 --- Thomson (Lord Kelvin) theorizes absolute zero
1849 --- Fizeau measures the speed of light
1850 --- Clausius formulates the entropy law
----------- von Helmholtz measures the speed of nerve impulses
1851 --- Thomson (Lord Kelvin) understands conservation and dissipation of energy
1852 --- Frankland discovers valence
1856 --- von Helmholtz understands physiological optics **
1859 --- Bunsen and Kirchoff begin spectrum experiments
----------- Maxwell formulates his kinetic theory of gases
1860 --- Kirchoff theory of black body radiation
1862 --- Angstrom discovers H in the sun
----------- Helmholtz publishes about sound and hearing
1865 --- Loschmidt calculates Avogadro's number
----------- Maxwell theorizes that light and electromagnetism have the same source
1866 --- Secchi defines stellar spectral classes
1869 --- Mendeleyev formulates the periodic table of the elements
1873 --- van der Waals understands intermolecular forces **
1878 --- Kuhne coins term enzyme
1879 --- Stefan understands thermal radiation
1883 --- Reynolds defines his number
----------- Thomson (Lord Kelvin) publishes about the size of atoms
1887 --- Hertz observes the photoelectric effect
1888 --- Hertz and Lodge independently prove that light and radio are the same phenomena
1891 --- Eotvos shows equality of gravitational and inertial mass
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1895 --- Lorentz discovers his force
----------- Rontgen discovers x-rays **
1896 --- Becquerel discovers radioactivity **
1897 --- Braun invents the oscilloscope
----------- Rutherford discovers alpha and beta rays **
----------- Thomson discovers the electron
1898 --- Benda discovers mitochondria **
1900 --- Planck formulates quantum theory
----------- Richardson discovers electron emission
----------- Villard discovers gamma rays **
1901 --- Curie measures heat equivalent of radioactivity
1903 --- Einthoven invents the EKG
1905 --- Einstein formulates photon theory of light and Special Theory of Relativity
----------- Hertzsprung relates stellar luminosity to spectra
1906 --- Nernst understands absolute zero
1907 --- Boltwood invents radioactive dating
1908 --- Perrin calculates the size of an atom
1911 --- Milliken measures e/m
----------- Rutherford's scattering experiments lead to his theory of atomic structure
1912 --- Laue discovers x-ray diffraction **
1913 --- Bohr Theory of the atom
----------- Russel develops theory of stellar evolution
1914 --- Adams discovers white dwarf stars
----------- Hertzsprung identifies main sequence stars
----------- Rutherford suggests that H nucleus is fundamental "proton"
1915 --- Einstein formulates the General Theory of Relativity
1916 --- Schwarzschild theorizes black holes
1919 --- Aston builds mass spectrograph and discovers isotopes
----------- Rutherford discovers nuclear reactions
1921 --- Stern and Gerlach discover spin
1923 --- Compton identifies his wavelength
----------- Svedberg invents the ultracentrifuge
1924 --- de Broglie publishes his wave theory of matter
1925 --- Pauli introduces the exclusion principle
1926 --- Fermi links spin with statistics
1927 --- Thomson observes electron diffraction
1928 --- Hartree develops his approximation
----------- London and Heitler apply quantum mechanics to chemical bonds
1930 --- Dirac theorizes antimatter
1931 --- Fermi theorizes the neutrino
1932 --- Anderson discovers the positron
----------- Chadwick discovers the neutron
----------- Ruska builds first electron microscope
1934 --- Fermi theorizes weak interactions
----------- Zwicky theorizes neutron stars
1935 --- Yukawa theorizes strong interactions
1937 --- Rabi does first NMR experiments
----------- Tiselius invents electrophoresis **
1938 --- Bethe understands solar fusion
----------- Krebs dscovers the TCA cycle
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Biofísica
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Biofísica
1939 --- Hahn and Strassman observe fission
1940 --- McMillan and Abelson manufacture first artificial element
1941 --- Lipmann understands high energy phosphates (ie., ATP)
1946 --- Bloch and Purcell make NMR practical as an observational instrument **
----------- First electronic computer built at Pennsylvania University
1947 --- Libby does first carbon-14 dating
1948 --- Feynman develops QED (with Schwinger and Tomonaga)
1951 --- Hodgkin and Huxley and Katz work on transmission of nerve impulses **
1952 --- First use of isotopes in medicine **
----------- First artificial fusion reaction (U.S. Hydrogen bomb at Eniwetok Atoll)
----------- Franklin studies DNA with x-ray diffraction **
----------- Sanger understands (first) protein structure **
1953 --- Watson and Crick discover stucture of DNA **
1956 --- Lee and Yang understand parity violation
----------- Neutrino discovered at Los Alamos
1957 --- Calvin discovers his cycle
----------- Esaki discovers tunneling in diodes
1960 --- First laser constructed by Maiman
1961 --- Gell-man and Ne'emen theorize quarks
1964 --- Fitch and Cronin do experiments leading to CPT theorem
1968 --- Development of Electroweak Model by Glashow, Salam and Weinberg
1972 --- Gell-man theorizes QCD (Quantum ChromoDynamics, about strong force)
1973 --- Gross, Politzer and Wilczek theorize asymptotic freedom
1974 --- First experimental evidence of quarks
1980 --- First Personal Computers
1983 --- W & Z bosons first observed
1988 --- First release of Mathematica
1994 --- Hubble Space Telescope confirms existance of black holes
1995 --- Top quark discovered
EL CALOR UNA FORMA DE ENERGÍA
Cuando una piedra de masa m cae libremente, su altura z y su velocidad v cambian
conjuntamente, de manera que E  mgz  (1/ 2)mv2 permanece constante, donde g
es la
aceleración de la gravedad en la superficie de la tierra.
El primer término de E : mgz es llamado energía potencial de la piedra y el segundo término
(E: 1/2mv2) es llamada energía cinética.
Cuando llega al suelo z=0, su energía cinética es diferente de cero, de manera que también E.
Un instante después, la piedra yace en reposo en el barro y su energía mecánica total es cero.
Aparentemente la energía mecánica no se conserva en presencia de barro.
Newton estriba en parte en haber observado que las leyes de movimiento se pueden
comprender mejor, donde complicaciones como los efectos de la fricción son apenas
apreciables.
La fricción convierte energía mecánica en energía térmica. Cuando ésta se toma
adecuadamente en consideraciones, la energía se conserva.
Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA
Biofísica
En la siguiente gráfica cada flecha representa un proceso de conversión de energía.
Batería
Carga
Electricidad
Célula solar
Turbina
Nubes
Lluvia
Evaporación
Coche eléctrico
Río
Luz solar
Coche a
gasolina
Diferencia de
temperaturas
Fuego
Fotosíntesis
Biomasa
Comida
Calor producido = (Energía mecánica suministrada) x (0.24cal/J)
Calor: calorías.
Calor: Joules
Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY
Paseo
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Biofísica
COMO LA VIDA GENERA ORDEN
Cuando dejamos caer una gota de tinta en un vaso con agua, la tinta se va mezclando, en un
proceso no veremos en cambio que una mezcla de tinta y agua se separe espontáneamente.
a)
Energía solar incidente de alta calidad.
Tierra
La tierra radia calor, energía de baja calidad.
+
Vida
Luz solar
b)
Plantas:
Luz
Calor disipado, 02
H20
C02 …
Azúcares, grasas,
tejidos vegetales,....
c)
Animales:
Azúcares,
Calor disipado,
C02, H20
grasas, 02
Tejidos animales,
novena sinfonía.
(a) Balance energético de la biosfera terrestre. La mayor parte de la energía incidente de alta calidad
es degradada a energía térmica y radiada al espacio, pero una parte es capturada y utilizada para
producir el orden que observamos en los seres vivos.
(b) Lo que las plantas hacen con la energía: la energía solar de alta calidad es utilizada en parte para
convertir moléculas de baja energía en moléculas de alta energía y para producir las estructuras
ordenadas que éstas forman: el resto es liberado en forma de calor.
(c) Lo que los animales hacen con la energía: la energía de alta calidad de las moléculas de los
alimentos es utilizada en parte para realizar trabajo mecánico y producir estructuras ordenadas; el
resto es liberado en forma de calor.
Referencia bibliográfica
- http://biofisica.blogspot.com/
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Biofísica
SISTEMAS DE UNIDADES
Para el desarrollo del curso utilizaremos prioritariamente el Sistema Internacional de medidas;
pero cuando sea conveniente también se utilizará otras unidades más apropiadas o tradicionales.
Unidades básicas en el S.I.
Longitud: el metro (m). Se define como la longitud recorrida por la luz en el vacío durante un
tiempo igual a (1/299 792 458)s.
Tiempo: el segundo (s). Se define como la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación
correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de
Ce 133.
Masa: el kilogramo (kg). Se define como la masa de un objeto particular, denominado el patrón
internacional del kilogramo.
Intensidad eléctrica: el amperio (A). Se define como la intensidad de corriente continua que, al
circular por dos cables paralelos rectilíneos de longitud infinita separados 1m en el vacío,
produciría entre ambos una fuerza magnética de 2x107N por cada metro de longitud.
Temperatura termodinámica: el Kelvin (ºK). Se define como la fracción 1/273.16 de la
temperatura termodinámica del punto triple del agua contada desde el cero absoluto.
Prefijos:
giga (G)
= 109
mega (M) = 106
kilo (K)
= 103
deci (d)
= 10-1
centi (c)
= 10-2
mili (m)
= 10-3
micro () = 10-6
nano ()
= 10-9
pico (p)
= 10-12
fento (f)
= 10-15
Lic. CHRISTIAN PUICAN FARROÑAY
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Biofísica
Unidades derivadas en el S.I.
Volumen: un litro (L) vale 10-3 m3.
Fuerza: un Newton (N) vale 1 kg.m/s2.
Energía: un Joule (J) vale 1 Nm= 1 kgm2/s2.
Potencia: un watt (W) vale 1 J/s = 1 kg.m2/s3.
Presión: un Pascal (Pa) vale 1 N/m2
Carga: un Coulomb (C) vale 1 As
Potencial electrostático: un voltio (V) vale 1 J/sA = 1 m2kg/s3A. sus formas derivadas se indican
como mV, por ejemplo.
Capacidad: un faradio (F) vale 1 C/V.
Resistencia: un ohm () vale 1Js.C-1 = 1 V.A-1
Conductancia: un siemens (S) vale 1 -1 = 1 A/V
Unidades tradicionales:
Longitud: un Ángstrom (Å) vale 0.1mm
Energía: una caloría (cal) vale 4.184 J. Así, 1 kcal/mol = 0.043eV = 7x10-21J = 4.2kJ/mol.
Un electronvoltio (eV) vale eX (1V) = 1.60x10-19J = 96.5kJ/mol.
Un ergio (erg) vale 10-7J.
Presión: una atmósfera (atm) vale 1.01x105Pa.
752 mmHg valen 105 Pa.
Viscosidad: un Poise (P) vale 1erg.s.cm-3 = 0.1 Pa.s
Densidad volumétrica: una disolución 1M tiene una densidad numérica de 1molL-1=100mol.m-3.
Valores (tamaños de menor a mayor)
Átomo de hidrogeno (radio) : 0.05nm
Molécula de agua (radio) : 0.135nm
Longitud de enlace covalente  0.1nm
Azúcar, aminoácido, nucleótido (diámetro) : 0.5 – 1 nm
Puente de hidrógeno (distancia entre los centros de átomos contíguos al H): 0.27nm.
Longitud de apantallamiento de Debye (de la solución fisiológica de Ringer): D0.7nm
ADN (diámetro): 2nm
Proteína globular (diámetro): 2 – 10 nm (lisozima: 4nm), ARN polimerasa: 10nm)
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Membrana bicapa (grosor)  3nm
Actina –F (diámetro): 5nm
Nucleosoma (diámetro): 10nm
Virus de la polio (diámetro): 25nm, (el virus más pequeño: 20nm)
Microtubo (diámetro): 25nm
Ribosoma: (diámetro): 30nm
Flagelo de célula eucariótica (diámetro): 100 – 500nm
Transistor en electrónica de consumo (diámetro)  180nm
Axón de vertebrado (diámetro): 0.2nm 2.0m
Longitud de onda de la luz visible: 400 – 650 nm
Menor detalle que se puede producir mediante fotolitografía: 0.5 m
Bacteria típica (diámetro): 1m (la más pequeña: 0.5m)
Flagelo de E. coli (longitud): 10m
Célula humana típica (diámetro)  10m (glóbulos rojos 7.5m)
DNA de virus fago lambda (longitud de contorno)  16.5m
Pelo humano (diámetro): 10m
Resolución del ojo: 200m
Axón gigante de calamar (diámetro): 1mm
Genoma de E. coli (extensión total): 1.4mm
Genoma humano (longitud total)  1m
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Biofísica
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Biofísica
MOVIMIENTO Y LEYES DE NEWTON
El objeto principal es describir y explicar el movimiento de los cuerpos. Los cuerpos se mueven
recorriendo trayectorias rectas o curvas dando lugar a los movimientos rectilíneos o
curvilíneos.
I.
MOVIMIENTO RECTILÍNEO
Es aquel cuya trayectoria del móvil es una línea recta y puede ser uniforme o variado.
1.1.
Movimiento Rectilíneo Uniforme
La trayectoria es una línea recta y la velocidad es constante. La ecuación de
movimiento es:
x  x0  vt
de donde
2.2.
v
x
t
Movimiento Rectilíneo Uniformemente Variado
La trayectoria es una línea recta y la velocidad aumenta o disminuye cantidades iguales
en tiempos iguales. Las ecuaciones de movimiento son:
v  v0  at
v 2  v02  2ax
x  v0 
1 2
at
2
Usándose el signo (+) para el movimiento rectilíneo uniformemente acelerado y el signo
(-) para el movimiento rectilíneo uniformemente desacelerado.
CAIDA LIBRE
Un cuerpo en caída libre es aquel que está sometido a la aceleración de la gravedad. Las
ecuaciones de movimiento se obtienen reemplazando en las ecuaciones anteriores “a” por
“g” y “x” por “h”:
v  v0  gt
v 2  v02  2.g.h
h  v 0 .t 
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1 2
gt
2
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II.
Biofísica
MOVIMIENTO CIRCULAR
Es aquel cuya trayectoria del móvil es una circunferencia y puede ser uniforme o variado.
2.1. Movimiento Circular Uniforme
En este movimiento la trayectoria del móvil es una circunferencia, la velocidad angular
es constante y se determina con la fórmula:

2 n
t
donde n es el número de vueltas que da el móvil en un tiempo t.
La velocidad lineal o tangencial del móvil es:
v
o bien
2 r n
t
v r
y la aceleración centrípeta.
v2
ac 
,
t
o
ac   2 r
2.2. Movimiento Circular Uniformemente Variado
Es aquel movimiento cuya trayectoria del móvil es una circunferencia y su velocidad
angular aumenta o disminuye cantidades iguales en tiempos iguales. Las ecuaciones
de movimiento son:
  0   t
 2  02  2..
1
2
   0 .t   t 2
Usándose el signo (+) para el movimiento circular uniformemente acelerado y el signo
(-) para el movimiento circular uniformemente desacelerado.
Las aceleraciones centrípetas, tangenciales y totales de estos movimientos son:
v2
ac 
,
r
ac   r
a  at2  a c2
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