Fórmulas y Conceptos Fundamentales de Física Aplicada y Biofísica

Resumen de Fórmulas y Conceptos Fundamentales de Física

Fórmulas y Relaciones Notables

• Presión (P): $P = F/A$
• Segunda Ley de Newton (Incorrecta en la notación original): $F = ma$ (Donde $m$ es masa y $a$ es aceleración)
• Velocidad (V): $V = D/T$ (Donde $D$ es distancia y $T$ es tiempo)
• Densidad ($\rho$ o D): $\rho = M/V$ (Donde $M$ es masa y $V$ es volumen)
• Índice de Masa Corporal (IMC): $\text{IMC} = \text{Peso} / \text{Altura}^2$ (Asumiendo unidades estándar)
• Frecuencia Cardíaca Máxima (FCMax) - Fórmula 1: $\text{FCMax} = 220 - \text{Edad}$
• Frecuencia Cardíaca Máxima (FCMax) - Fórmula 2: $\text{FCMax} = 207 - (0.7 \times \text{Edad})$
• Porcentaje de Grasa Corporal (%GC): $\%\text{GC} = (1.2 \times \text{IMC}) + (0.23 \times \text{Edad}) - (10.8 \times \text{Sexo}) - 5.4$ (Nota: 'Sexo' debe ser codificado numéricamente)

Unidades de Medida Comunes

Temperatura:

• $\text{Temp} = \text{°C}$ (Celsius), $\text{°F}$ (Fahrenheit), $\text{°K}$ (Kelvin), $\text{°R}$ (Rankine)

Longitud:

• $\text{Long} = \text{Km}$ (Kilómetro), $\text{Mt}$ (Metro), $\text{Cm}$ (Centímetro), $\text{Mm}$ (Milímetro), $\text{Milla}$

Volumen:

• $\text{Vol} = \text{Lt}$ (Litro), $\text{ML}$ (Mililitro), $\text{m}^3$ (Metro cúbico)

Tiempo:

• $\text{Tiempo} = \text{Año}$, $\text{Mes}$, $\text{Día}$, $\text{Hora}$, $\text{Min}$ (Minuto), $\text{Seg}$ (Segundo), $\text{Sem}$ (Semana)

Masa/Peso:

• $\text{Peso} = \text{Kg}$ (Kilogramo), $\text{Mg}$ (Miligramo), $\text{Gr}$ (Gramo), $\text{Ton}$ (Tonelada)

Viscosidad:

• $\text{Viscosidad} = \text{Poises}$, $\text{Centipoises}$

Transiciones de Fase (Cambios de Estado)

Las transiciones entre los estados de la materia son procesos fundamentales:

• Sólido $\rightarrow$ Gaseoso: $\textbf{Sublimación}$
• Sólido $\rightarrow$ Líquido: $\textbf{Fusión}$
• Gaseoso $\rightarrow$ Sólido: $\textbf{Cristalización}$ (o Deposición)
• Gaseoso $\rightarrow$ Líquido: $\textbf{Condensación}$
• Líquido $\rightarrow$ Gaseoso: $\textbf{Vaporización}$
• Líquido $\rightarrow$ Sólido: $\textbf{Solidificación}$

Conceptos de Biofísica

Biofísica General:

Biofísica Física: Estudia los fenómenos mecánicos, hidrodinámicos, la propagación de la luz y del sonido en los seres vivos, y las distintas relaciones de la materia en estos sistemas.

Biofísica Fisicoquímica: Estudia las macromoléculas, la energética, la cinética y los mecanismos de los procesos biológicos.

Mecánica de Fluidos

Tipos de Fluidos:

• Fluidos Reales: Poseen viscosidad, son densos y viscosos. Son compresibles en cierto grado y cambian la posición de sus moléculas.
• Fluidos Ideales: $\textbf{Sin viscosidad}$. Presentan $\textbf{flujo estacionario}$ e $\textbf{incompresible}$ (velocidad y densidad son constantes con el tiempo).

Regímenes de Flujo:

• Flujo Laminar: Se caracteriza por $\textbf{velocidades bajas}$ y $\textbf{viscosidades altas}$.
• Flujo Turbulento: Se caracteriza por $\textbf{velocidades altas}$ y $\textbf{viscosidades bajas}$.

Ecuación de Bernoulli:

La $\textbf{Ecuación de Bernoulli}$ relaciona los cambios de presión con la velocidad y la altura de una corriente de fluido que fluye, asumiendo un fluido ideal:

$$\frac{P_1}{\rho} + \frac{V_1^2}{2} + gZ_1 = \frac{P_2}{\rho} + \frac{V_2^2}{2} + gZ_2$$

Donde $P$ es presión, $\rho$ es densidad, $V$ es velocidad, $g$ es aceleración de la gravedad y $Z$ es altura.

Termodinámica y Gases Ideales

Eficiencia Térmica:

Cálculo de la Eficiencia (Termodinámica):

$$\text{E} = \frac{T_2 - T_1}{T_2} \times 100\%$$

(Donde $T_1$ es la temperatura fría y $T_2$ es la temperatura caliente, generalmente en Kelvin).

Ley Combinada de los Gases:

Relaciona la presión ($P$), el volumen ($V$), y la temperatura ($T$) de una cantidad fija de gas ($N$ o $n$ moles):

$$\frac{P_1 V_1}{T_1 n_1} = \frac{P_2 V_2}{T_2 n_2}$$

Relaciones de procesos isotérmicos, isobáricos, etc. (Asumiendo $N$ constante):

• Proceso a Volumen Constante (Isocórico): $P \propto T$ (Relación A-PyT)
• Proceso a Presión Constante (Isobárico): $V \propto T$ (Relación B-NyT)
• Proceso Isotérmico (Temperatura Constante): $P \propto 1/V$ (Relación C-NyP)
• Proceso Adiabático: $PV^\gamma = \text{constante}$ (Relación G-NyN, donde $\gamma$ es el índice adiabático)

Constante Universal de los Gases:

• Constante R: $R = 8.3145 \text{ J/}(\text{K} \cdot \text{mol})$

Presión Osmótica:

La presión osmótica ($\Pi$) se calcula mediante la fórmula:

$$\Pi = MRT/V$$

(Donde $M$ es la molaridad, $R$ es la constante de los gases, $T$ es la temperatura y $V$ es el volumen).

Hidrodinámica y Equilibrio

Hidrodinámica:

Hidrodinámica: Es el estudio de la dinámica de los líquidos. Se basa en tres aproximaciones principales (para fluidos ideales):

1. El fluido es $\textbf{incompresible}$.
2. No se pierde energía por la $\textbf{viscosidad}$ (es decir, es no viscoso).
3. El $\textbf{flujo es estable o estacionario}$.

La $\textbf{ecuación de Bernoulli}$ es fundamental en este campo, relacionando los cambios de presión, velocidad y altura de un solvente que fluye.

Tipos de Equilibrio:

• Equilibrio Físico: Se alcanza cuando la presión y la temperatura se mantienen constantes en un punto dado.
• Equilibrio Químico: Se alcanza cuando las velocidades de las reacciones directa ($A \rightarrow B$) e inversa ($B \rightarrow A$) son iguales.
• Equilibrio Físico-Químico: Estudia los diversos cambios químicos o físicos que ocurren bajo condiciones específicas de $\textbf{T}$ (Temperatura), $\textbf{P}$ (Presión) y $\textbf{V}$ (Volumen).

Sistemas Dispersos

Sistemas Dispersos: Son sustancias mezcladas, compuestas por dos o más componentes. No pierden su valor intrínseco y sus componentes pueden separarse sin alterar su naturaleza química.

Clasificación de Sistemas Dispersos:

1. Soluciones: Partículas disueltas a $\textbf{tamaño molecular}$. No son visibles a simple vista.
2. Coloides: Partículas de $\textbf{tamaño intermedio}$. Pueden ser visibles bajo ciertas condiciones de luz.
3. Suspensiones: Partículas $\textbf{grandes}$ que, al estar en reposo, $\textbf{se sedimentan}$, siendo observables.

Tipos de Coloides:

• Emulsiones: Suspensión coloidal de un $\textbf{líquido en otro inmiscible}$, generalmente estabilizada por un homogeneizador.
• Soles: Son $\textbf{inestables}$. Una pequeña cantidad de electrolitos o un aumento de la temperatura puede producir $\textbf{coagulación}$.
• Aerosoles: Partículas $\textbf{líquidas o sólidas}$ dispersadas en un $\textbf{gas}$.
• Geles: Transición de sol a gel, causada por la $\textbf{gelación}$, lo que resulta en un $\textbf{aumento de la viscosidad}$.

Revisión de Fluidos Reales e Ideales:

• Fluidos Reales: Cambian la posición de las moléculas, son $\textbf{compresibles}$ en cierto grado, poseen $\textbf{viscosidad}$ y su densidad puede variar.
• Fluidos Ideales: $\textbf{No viscosos}$, presentan $\textbf{flujo estacionario}$. La presión no altera su densidad ($\textbf{incompresibles}$).