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Biofísica (53) · Unidad 2 — Bases físicas de la circulación y la respiración

Resistencias hidrodinámicas en serie y en paralelo

Vasos uno detrás del otro suman sus resistencias; vasos uno al lado del otro suman sus caminos y bajan la resistencia total. La circulación es un circuito: el corazón es la bomba, los órganos están en paralelo, y el pulmón está en serie con todo lo demás.

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La explicación

En serie: el mismo caudal, las caídas se suman

Dos tubos uno a continuación del otro. Todo lo que pasa por el primero pasa por el segundo, así que el caudal es el mismo. La caída de presión total es la suma de las dos caídas:

Δp = R₁·Q + R₂·Q = (R₁ + R₂)·Q   →   R_eq = R₁ + R₂ + …

La equivalente de una serie es mayor que la mayor de las resistencias. Agregar un tramo en serie siempre suma dificultad. Una coartación de aorta, un estrechamiento congénito, es una resistencia en serie con toda la circulación del cuerpo: para mantener el caudal, el corazón tiene que empujar más fuerte, y aparece la hipertensión.

En paralelo: la misma Δp, los caudales se suman

Dos tubos que salen del mismo punto y llegan al mismo punto. Los dos tienen la misma diferencia de presión entre sus extremos, y el caudal total se reparte:

Q = Δp/R₁ + Δp/R₂   →   1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …

La equivalente de un paralelo es menor que la menor. Abrir un camino más siempre facilita el paso, aunque el camino nuevo sea malo. Por la rama de menor resistencia pasa más caudal. Para dos ramas hay un atajo: R_eq = R₁·R₂ / (R₁ + R₂). Y n ramas iguales de resistencia R dan R/n.

La circulación como circuito

El corazón son dos bombas pegadas. El ventrículo izquierdo manda la sangre por la aorta al circuito sistémico: las arterias se reparten entre el cerebro, el corazón mismo, los riñones, los músculos, el tubo digestivo, la piel. Cada órgano es un lecho vascular que va de una arteria a una vena, así que los órganos están en paralelo entre la aorta y las venas cavas. La sangre vuelve a la aurícula derecha, y el ventrículo derecho la manda por la arteria pulmonar al circuito pulmonar, que la devuelve a la aurícula izquierda.

El circuito pulmonar y el sistémico están en serie: toda la sangre que pasa por uno pasa por el otro. Por eso el caudal de los dos ventrículos es el mismo, unos 5 L/min en reposo.

sistémico: Δp ≈ 95 − 3 = 92 mmHg   ·   pulmonar: Δp ≈ 15 − 5 = 10 mmHg

Con el mismo caudal y nueve veces menos Δp, la resistencia pulmonar es unas nueve veces menor que la sistémica.

La unidad de los fisiólogos

Con Δp en mmHg y Q en mL/s sale una unidad cómoda, la URP (unidad de resistencia periférica): 1 URP = 1 mmHg·s/mL. Se llama así porque la resistencia de toda la circulación sistémica de un adulto es alrededor de 1 URP.

1 URP = 133 Pa / 10⁻⁶ m³/s = 1,33 × 10⁸ Pa·s/m³

La potencia del corazón

Cada ventrículo entrega Pot = Δp·Q. Mismo caudal, Δp nueve veces mayor: el izquierdo hace unas nueve veces más potencia que el derecho. Por eso su pared es mucho más gruesa. Los dos juntos suman poco más de un watt en reposo.

Por qué las arteriolas mandan

Un capilar tiene muchísima más resistencia que una arteriola, porque su radio es diez veces menor. Pero hay miles de millones en paralelo, y la resistencia de un nivel entero de vasos es la de uno dividida por cuántos hay. El resultado es que la mayor caída de presión del circuito está en las arteriolas, y por eso es ahí donde el cuerpo regula: dilatando las de un músculo en actividad, o cerrando las de la piel cuando hace frío.

El procedimiento:
1. Dibujá el circuito y marcá qué está en serie (un solo camino) y qué en paralelo (mismos extremos).
2. Reducí de adentro hacia afuera: primero los paralelos y las series más internos.
3. Con R_eq y Δp total, sacá el caudal total.
4. Volvé hacia adentro: en serie reparte la Δp; en paralelo reparte el caudal.
5. Controlá: en cada nudo los caudales que entran suman los que salen.
Un ejercicio resuelto, paso a paso

Un modelo simplificado: la aorta y las arterias grandes tienen 0,5 URP, y después la sangre se reparte entre dos lechos en paralelo de 3 URP y 6 URP. El corazón mantiene 100 mmHg entre la entrada y la salida del circuito. a) ¿Cuál es la resistencia equivalente? b) ¿Qué caudal sale del corazón? c) ¿Cuánto cae la presión en las arterias grandes? d) ¿Qué caudal pasa por cada lecho?

a) La equivalente. De adentro hacia afuera: primero el paralelo, después la serie.

paralelo: R_p = 3 · 6 / (3 + 6) = 18/9 = 2 URP
total: R_eq = 0,5 + 2 = 2,5 URP

El paralelo dio 2, menos que la menor de sus ramas (3), como tiene que dar.

b) El caudal total.

Q = Δp / R_eq = 100 mmHg / 2,5 URP = 40 mL/s

Las unidades cierran solas: mmHg dividido mmHg·s/mL da mL/s.

c) La caída en las arterias grandes. Por el tramo en serie pasa el caudal entero:

Δp₁ = 0,5 · 40 = 20 mmHg  →  quedan 100 − 20 = 80 mmHg para los lechos

d) El reparto. Las dos ramas del paralelo tienen la misma Δp, 80 mmHg:

Q₁ = 80 / 3 ≈ 26,7 mL/s   ·   Q₂ = 80 / 6 ≈ 13,3 mL/s
Control. Los caudales de las ramas suman el total: 26,7 + 13,3 = 40 ✔. Y la rama con la mitad de resistencia se lleva el doble de caudal.

En serie se reparte la presión; en paralelo se reparte el caudal. Los órganos, que están en paralelo, reciben todos la misma presión arterial, y cada uno toma la sangre que su resistencia le deja pasar.

Y uno del nivel del parcial

El caudal cardíaco de una persona en reposo es 5,4 L/min. La presión media en la aorta es 95 mmHg y en las venas cavas, 3 mmHg; en la arteria pulmonar es 16 mmHg y en las venas pulmonares, 6 mmHg. Usá 1 mmHg = 133 Pa. a) ¿Cuánto valen la resistencia periférica y la pulmonar, en URP? b) ¿Qué potencia entrega cada ventrículo? c) ¿Cuántas veces más potencia hace el izquierdo?

a) Las resistencias. El caudal en mL/s: 5400 / 60 = 90 mL/s, el mismo en los dos circuitos porque están en serie.

R periférica = (95 − 3) / 90 = 92 / 90 ≈ 1,02 URP
R pulmonar = (16 − 6) / 90 = 10 / 90 ≈ 0,111 URP

La periférica da casi exactamente 1 URP: de ahí viene el nombre de la unidad. En Pa·s/m³, la periférica es 1,02 × 1,33 × 10⁸ ≈ 1,36 × 10⁸.

b) Las potencias. Con todo en el SI: Q = 90 × 10⁻⁶ m³/s.

Pot izquierdo = 92 · 133 Pa · 90 × 10⁻⁶ m³/s ≈ 1,10 W
Pot derecho = 10 · 133 · 90 × 10⁻⁶ ≈ 0,12 W

c) La razón. Mismo caudal, así que las potencias están en la razón de las Δp:

1,10 / 0,12 = 92 / 10 ≈ 9,2 veces
Por qué el ventrículo izquierdo es más grueso. Hace nueve veces más potencia con el mismo caudal, porque empuja contra una presión nueve veces mayor. Un músculo que trabaja más desarrolla más pared. Y cuando la resistencia periférica sube —por ejemplo, con arterias endurecidas—, el izquierdo tiene que hacer todavía más, y se engrosa de más: es la hipertrofia de los hipertensos.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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