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EL SISTEMA CIRCULATORIO COMO SISTEMA DE TUBOS


El aparato circulatorio puede constituir uno de los ejemplos más claros y más asombrosos de sistemas de flujo por tuberías que se puede encontrar ya sea hecho por la naturaleza o por el hombre.

Cada una de sus partes representa un objeto que ya ha sido estudiado por la mecánica de fluidos y por la hidráulica, a lo largo de la historia; tales objetos son bombas, válvulas, tuberías de diámetros constantes, cambios de diámetros en tuberías, la viscosidad en el fluido, la presión en una tubería, la velocidad del flujo, el caudal y el volumen total.

Se pretende dar una breve descripción de dicho aparato, enfocándolo desde la mecánica de fluidos y la hidráulica para ayudar a afianzar ciertos conceptos que tal vez se pueden comprender con mayor claridad cuando se tiene un ejemplo tan presente y tan real como es, en este caso, el aparato circulatorio.

EL SISTEMA

El sistema circulatorio constituye un circuito continuo, en el que el volumen impulsado por el corazón es el mismo volumen que debe circular por cada una de las subdivisiones de la circulación. Puede dividirse en dos partes principales que son el sistema de circulación general y el de circulación pulmonar.

En el sistema de circulación pulmonar, el corazón lleva la sangre pobre en oxígeno a los pulmones, donde puede deshacerse de las toxinas que tenía y disolver nuevo oxígeno para distribuírlo después al cuerpo; en esta circulación pulmonar también se encuentra el recorrido que hace la sangre rica en oxígeno de vuelta al corazón. El sistema de circulación general consiste en distribuir la sangre rica en oxígeno haciendo un recorrido por todo el cuerpo y llegando finalmente, pobre en oxígeno, de nuevo al corazón.

La sangre fluye casi sin resistencia en todos los grandes vasos de la circulación, pero no en arteriolas y capilares. Para que la sangre pueda atravesar los pequeños vasos en que se presenta resistencia, el corazón manda sangre a las arterias a presión elevada (hasta aproximadamente 120 torr).

LAS BOMBAS Y LAS VÁLVULAS DEL CORAZÓN

El corazón es el músculo que permite que se de la circulación de la sangre a lo largo de todo el sistema, ya que se compone de unas bombas que se encargan de impulsar la sangre hacia las arterias. Está formado en escencia por dos bombas que trabajan simultáneamente, una a cada lado del corazón. La bomba que está en el lado derecho recibe sangre pobre en oxígeno que viene de hacer un recorrido por todo el cuerpo, y se encarga de impulsarla hacia los pulmones. La bomba del lado izquierdo del corazón recibe sangre rica en oxígeno proveniente de los pulmones y la distribuye por impulsión al resto del cuerpo. Cada lado del corazón se compone de una aurícula que recibe sangre venosa, y un ventrículo que impulsa la sangre a lo largo de las arterias.

El ciclo cardiaco tiene dos fases que son diástole y sístole. Durante la diástole, el músculo se relaja permitiendo la entrada de la sangre a las aurículas que al llenarse presentan altas presiones; tales presiones obligan a las válvulas tricúspide y mitral a abrirse, permitiendo así el paso de la sangre a los ventrículos que los llena totalmente debido a una contracción total que se da en las aurículas. Durante la sístole, las válvulas tricúspide y mitral se cierran, los ventrículos llenos se contraen y obligan la apertura de las válvulas aórtica y pulmonar para permitir la salida de la sangre al resto del cuerpo. Finalmente el corazón se relaja, cierra las válvulas aórtica y pulmonar, y comienza una nueva diástole.

EL FLUIDO

La sangre es el fluido fundamental del aparato circulatorio. Circula por las venas y las arterias del cuerpo humano y ese movimiento de circulación se debe a la actividad coordinada del corazón, los pulmones y las paredes de los vasos sanguíneos.

Tiene un olor característco y una densidad relativa que oscila entre 1,056 y 1,066. En un adulto sano la cantidad de sangre en el cuerpo es una onceava parte del peso corporal, de 4,5 a 6 litros. Es un líquido viscoso que se compone de células (glóbulos) y plasma. Más del 99% de las células son glóbulos rojos lo que significa que los glóbulos blancos casi no tienen ningún papel en las características físicas de la sangre.

HEMATOCRITO:

Es el porcentaje de la sangre constituido por células y en un hombre normal en promedio es de 42, en tanto que en una mujer tiene un valor promedio de 38. El valor del hematocrito en la sangre se determina centrifugándola en un tubo calibrado que permite la lectura directa del porcentaje de células. El hematocrito tiene un efecto directo sobre la viscosidad de la sangre el que se explica a continuación.

La sangre es varias veces más viscosa que el agua y eso dificulta más su paso por los vasos pequeños; a mayor proporción de células en la sangre (hematocrito), mayor la fricción entre capas sucesivas de sangre y es esta fricción la que rige la viscosidad. Por lo tanto, cuando aumenta el hematocrito, aumenta la viscosidad de la sangre. La viscosidad de la sangre completa para un hematocrito normal es aproximadamente 3 veces la viscosidad del agua, pero cuando el hematocrito aumenta hasta 60 ó 70, la viscosidad de la sangre puede llegar a ser 10 veces la del agua y su circulación por los vasos se podrá retrasar considerablemente.

Otro factor que afecta la viscosidad de la sangre es la concentración y los tipos de proteína que hay en el plasma, pero estos efectos tienen mucha menor importancia que la que tiene el hematocrito. La viscosidad del plasma sanguíneo es 1,5 veces la del agua.

EL FLUJO DE LA SANGRE EN EL SISTEMA

El flujo a través de un vaso sanguíneo depende de dos factores:

1.      La diferencia de presión entre los dos extremos del vaso que es la fuerza que empuja la sangre por el mismo.

2.      La dificultad de la circulación a través del vaso que se conoce como  resistencia vascular.

El flujo a través del vaso se puede calcular por medio de la ley de Ohm, que indica que el flujo sanguíneo es directamente proporcional a la diferencia de presión e inversamente proporcional a la resistencia (Q=DP/R). Por lo tanto, para determinar el flujo sanguíneo no es importante conocer el valor total de las presiones, pero es fundamental conocer la diferencia entre éstas que será la encargada de inducir el flujo de aquel lugar en donde hay más presión a donde hay menos presión.

El flujo de sangre se refiere al volumen de sangre que pasa por un punto determinado de la circulación durante un tiempo fijo. Se expresa en unidades de volumen sobre unidades de tiempo (caudal). El flujo sanguíneo global en la circulación de un adulto en reposo es de unos 5000 ml/minuto y éste es el denominado gasto cardiaco porque constituye el volumen de sangre impulsado por cada ventrículo en la unidad de tiempo.

Para medir el flujo sanguíneo existen varios dispositivos ya sean mecánicos o electromagnéticos, y entre ellos se encuentran el medidor electromagnético de flujo y el medidor de flujo ultrasónico Doppler. Ambos medidores son capaces de registrar cambios pulsátiles demasiado rápidos del flujo, al igual que registran el flujo constante.

FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO, Y EL PERFIL PARABÓLICO DE VELOCIDADES

En ciertos casos la sangre fluye a un ritmo constante a través de un vaso liso, largo en corrientes continuas, manteniéndose cada capa de sangre a una distancia constante de la pared del vaso presentándose entonces lo que se conoce en la mecánica de fluidos como flujo laminar. Al tener flujo laminar, se presenta también el efecto de que las capas más cercanas a las paredes de los vasos, tendrán velocidades de flujo casi nulas debido al efecto de la viscosidad, mientras que las capas de sangre más alejadas de las paredes alcanzarán una velocidad mayor que el resto de las capas. Lo anterior origina un perfil parabólico de velocidades cuando se presenta un flujo laminar.

Cuando la rapidez del flujo sanguíneo es muy intensa, cuando pasa una obstrucción de un vaso, cuando hace un giro brusco, o cuando pasa por encima de una superficie más rugosa, el flujo puede volverse turbulento, formando generalmente remolinos denominados corrientes parásitas o de remolino. Cuando se producen corrientes de remolino, la sangre circula contra una resistencia mucho mayor que la que existe cuando la corriente es lineal porque los remolinos aumentan enormemente la fricción dentro del vaso.

Para determinar si un flujo sanguíneo es laminar o turbulento es posible utlizar el número de Reynolds (ver artículo "El número de Reynolds") que determina la tendencia a ser turbulento que tiene un flujo. En la aorta proximal y en la arteria pulmonar, el número de Reynolds puede elevarse hasta niveles altos, como de varios miles, durante la fase rápida de vaciamiento de los ventrículos; esto provoca intensa turbulencia en la parte proximal de las arterias aorta y pulmonar, donde hay muchas condiciones adecuadas para la turbulencia:

1.      Gran velocidad de la corriente.

2.      Indole pulsátil de flujo.

3.      Brusco cambio del diámetro del vaso.

Sin embargo, en los vasos pequeños el número de Reynolds casi nunca llega a ser suficientemente elevado para provocar turbulencia.

LA PRESIÓN

La presión sanguínea representa la fuerza ejercida por la sangre contra cualquier área de la pared vascular, se mide generalmente en torr (milímetros de mercurio) porque se ha utilizado el manómetro diferencial. Sin embargo, el mercurio tiene tanta inercia que no puede elevarse y bajar rápidamente. Por este motivo, el manómetro de mercurio, aunque excelente para registrar presiones constantes, no puede responder a cambios de presión que ocurran con rapidez mayor de aproximadamente un ciclo cada dos o tres segundos. Se utilizan entonces artefactos más especializados cuando se va a medir la presión sanguínea, como son los transductores electrónicos de presión utilizados generalmente para convertir la presión en signos electrónicos y registrarla con un dispositivo de alta velocidad.

UNIONES ENTRE TUBERÍAS

La aorta al salir del corazón se empieza a dividir en una serie de ramas principales que a su vez se ramifican en otras más pequeñas para lograr llegar a todas las partes del organismo mediante una complicada red de múltiples derivaciones. Las arterias menores se dividen en una fina red de capilares que son vasos aún más pequeños y tienen paredes muy delgadas. Así la sangre entra en contacto con con los líquidos y tejdos del organismo. Después de permitir a la sangre interactuar con las diversas células, los capilares se empiezan a unir para formar venas pequeñas que a su vez se unen para formar venas mayores cada vez, hasta que finalmente se reúnen en la vena cava superior e inferior que llega al corazón.

Este sistema de ramificaciones y uniones se puede interpretar como un sistema de tubos en paralelo que es uno de los objetos de estudio de la hidráulica.

DIÁMETROS VARIABLES

El diámetro de los vasos sanguíneos, a diferencia de lo que ocurre en tubos metálicos o de vidrio, aumenta al elevarse la presión interna porque tales vasos son distensibles.

La distensiblidad vascular se expresa normalmente como el aumento fraccionario de volumen por cada torr que se eleva la presión. Anatómicamente, las paredes de las arterias son mucho más resistentes que las de las venas,por lo tanto, las venas son en promedio unas seis a diez veces más distensibles que las arterias. 

Tal vez las únicas tuberías capaces de modificar su diámetro de acuerdo a la presión, son las que conforman el aparato circulatorio y son tal vez el único elemento de dicho sistema que el hombre no ha implementado en los sistemas que construye.

La mecánica de fluidos y la hidráulica son ciencias indispensables para el hombre que aplican en la mayoría de los campos, incluso en la medicina como se mostró anteriormente, permitiendo al hombre comprender, analizar y en ciertos casos predecir el comportamiento de ciertos sistemas como es en este caso el aparato circulatorio.

Diversas aplicaciones de estas ciencias se ven a diario, en muchos lugares y situaciones, y a partir de todas esas aplicaciones pueden ser estudiadas para asociarse de una manera más directa y dinámica a los términos y a las situaciones típicas que se presentan en el estudio de los fluidos.

Ana Isabel Herrera R.

BIBLIOGRAFÍA:

§         Guyton, Arthur C. "Tratado de fisiología médica". Séptima edición. Ed McGraw Hill. 1989.

§         Shames, Irving H. "La mecánica de los fluidos".  Primera edición. Ed McGraw Hill. 1967.

§         "Encarta 98". Enciclopedia multimedia. Microsoft. 1998. 


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