Enseñanza


Organismo humano, ¿una máquina térmica?

Introducción

Uno de los recursos en el proceso de enseñanza-aprendizaje, es el uso de analogías, por lo que se sugiere tener claridad en las similitudes, diferencias, ventajas y considerar los riesgos que representa el utilizarlas.

A continuación se ofrece una reflexión sobre una analogía empleada en algunos textos de física de bachillerato y el uso ue algunos profesores le dan al comparar el organismo humano con una máquina térmica para evidenciar que ambas, a artir de combustibles (carbón para la máquina y comida para el organismo), realizan trabajo.

Conceptos de eficiencia térmica
y eficiencia muscular

Una máquina térmica es un dispositivo que transforma calor en trabajo mecánico, dicho dispositivo, opera entre dos depósitos a diferente temperatura, y el trabajo mecánico se obtiene si el calor se transfiere del depósito con mayor temperatura al depósito de menor temperatura.

De la segunda ley de la termodinámica, que sostiene que ninguna máquina térmica puede transformar en energía mecánica todo el calor que se transfiere en el proceso de operación, se deriva el concepto de eficiencia térmica (N), el cual se define como el cociente del trabajo obtenido y el calor que se le suministra, N = W/Q. Al respecto, Sadi Carnot mostró que el límite superior de calor que puede transformarse en trabajo depende de la diferencia de temperatura entre el depósito caliente y el depósito frío. De manera que, la diferencia para una máquina térmica de Carnot, se calcula mediante la ecuación, N = 1 -(Tf / Tc), donde Tf y Tc son las temperaturas en grados kelvin de los depósitos a menor y mayor temperatura respectivamente, en los que opera la máquina.

Ahora bien, los seres humanos efectuamos trabajo al caminar, correr, levantar un objeto, etc., para realizarlo requerimos de energía que el organismo obtiene al transformar la energía potencial química de los alimentos. Para las actividades antes mencionadas se asocia el concepto de eficiencia muscular (E), como el cociente del trabajo mecánico realizado y la energía suministrada al cuerpo, a través de los alimentos. Se ha verificado que la eficiencia muscular en el trabajo mecánico es aproximadamente del 20%, (E = 0.2).

Riesgos de la analogía

Supongamos "el organismo humano una máquina térmica'' cuya eficiencia es de 0.2 y opera a temperatura ambiente, (20 °C), como depósito de menor temperatura, Tf = 293 °K. De la ecuación de eficiencia térmica para una máquina de Carnot, se obtiene Tc que corresponde al depósito de mayor temperatura, es decir,

N = 1 -(Tf / Tc), Tc = -Tf / (N - 1),

por lo tanto

Tc = -293 °K / (0.2-1) = -293 °K / -0.8 = 366 °K.

Esto implica que el organismo humano no puede ser este depósito, ya que tendría que ser una caldera "muy ardiente'' a 93 °C = 366 °K, y sabemos que su temperatura normal es de 37 °C. Por lo que se descarta la hipótesis de que sea máquina térmica.

Pero, ¿en qué se fundamenta la analogía del cuerpo humano como una máquina térmica? antes habría que responder otra interrogante ¿cómo se transforma la energía a partir de los alimentos?

Transformación de energía
a partir de los alimentos

La principal fuente de energía en el organismo la constituyen los carbohidratos que ingerimos en nuestra alimentación. éstos durante la digestión se desdoblan en glucosa, la cual es un combustible preformado por plantas verdes en el proceso de fotosíntesis. La glucosa es considerada un almacén de energía solar empaquetado en su configuración molecular.

La transformación de energía en el organismo, se realiza oxidando esencialmente glucosa en el proceso de respiración, mediante mecanismos moleculares realizados a nivel celular, a temperatura constante y baja.

En la oxidación, una molécula de glucosa, se degrada en seis moléculas de agua, seis moléculas de bióxido de carbono y energía. Parte de la energía transformada en este proceso se recupera en la formación de moléculas de ATP, (adenosín trifosfato), las cuales suministran la energía requerida para realizar el trabajo celular, (mecánico, químico, osmótico y eléctrico).

Similitudes y diferencias de la analogía

Una máquina térmica y el organismo, como sistemas que realizan trabajo, requieren de combustible, sin embargo la primera, opera con diferencias de temperatura provocando transferencia de calor y con ello la realización de trabajo, en cambio en el organismo la oxidación se realiza a temperatura constante por lo que no hay transferencia de calor asociado a la realización de trabajo.

La transformación de energía, en la combustión como en la oxidación, tienen el mismo principio, ya que se realizan mediante mecanismos moleculares. La diferencia radica en la velocidad con que se realizan; la combustión es violenta y la reacción se mantiene por sí sola una vez que ha comenzado; en cambio, la oxidación es un proceso lento y controlado, de manera que, la energía se transforma de acuerdo a los requerimientos del organismo.

Conclusiones

Las similitudes antes mencionadas, podrían justificar la analogía que comúnmente se hace del organismo con una máquina, pero evidentemente no sería térmica. Sin embargo el organismo realiza un conjunto de transformaciones de energía dentro de los confines de las leyes de la termodinámica, por lo que si se insiste en llamarle máquina, ¿qué tal?, máquina bioquímica.

 

María de la Cruz Medina Ramos
Universidad Latina, SC

 


La fuerza centrífuga

Es bien sabido por los profesores que enseñan mecánica en cursos introductorios que el tema de movimiento circular y en particular el uso del término "fuerza centrífuga'' es causa de confusiones por parte de los alumnos, quizá por la forma en que ha sido tratado en la secundaria y en textos de divulgación.

Se habla de "fuerza centrífuga'' con al menos tres significados, como se ejemplifica a continuación:

a) Cuando una piedra atada al extremo de un cordel describe un movimiento circular uniforme, de tal manera que la fuerza que ejerce la Tierra sobre la piedra sea despreciable comparada con la que el cordel ejerce sobre la piedra, se llama "fuerza centrífuga'' a la fuerza con que la piedra tira del cordel. En otras palabras la piedra tira del cordel con fuerza de igual magnitud y sentido contrario a la fuerza con que el cordel tira de la piedra (fuerza centrípeta). En esta acepción, centrípeta y centrífuga se refieren a acción y reacción y por tanto se aplican a objetos diferentes: a la piedra y al cordel. El propio Huygens, se refiere a la fuerza centrífuga en esta forma.

b) Un observador en un sistema de referencia rotatorio, como por ejemplo una hormiga sobre la piedra del ejemplo antes mencionado, que la ve en reposo, infiere que la fuerza neta sobre la piedra debe ser nula y por tanto, piensa la hormiga, la fuerza con que el cordel tira de la piedra hacia el centro (fuerza centrípeta) debe estar equilibrada por una "fuerza centrífuga''. Esta fuerza inventada por la hormiga corresponde a las llamadas pseudofuerzas o fuerzas ficticias. Con este invento de la hormiga se salva la segunda ley de Newton en su marco de referencia rotatorio, mas no la tercera ley, ya que esta "fuerza centrífuga'' NO corresponde a interacción alguna.

c) Desafortunadamente también encontramos en la literatura que un cuerpo que describe movimiento circular está sujeto a dos fuezas que se equilibran: la centrípeta y "la centrífuga'', en este último caso se trata de una tontería. De acuerdo a la Mecánica newtoniana, si la fuerza neta es nula el movimiento sería rectilíneo uniforme y no circular. Posiblemente detrás de esto, está la concepción prenewtoniana de que el movimiento circular uniforme es un movimiento "natural'' y por tanto no se requiere de una fuerza no equilibrada sobre el objeto que describe dicho movimiento.

Tomando en cuenta todo lo anterior, creemos que es preferible evitar el uso de los términos "fuerza centrífuga'' y "fuerza centrípeta'' (ya que parece que invariablemente asocian un término al otro) en particular en los cursos de física del nivel medio y medio superior, y referirse únicamente a la fuerza neta (o resultante) que apunta hacia la concavidad en una trayectoria curva o hacia el centro para el caso de un movimiento circular uniforme. En todo caso, de ser necesario, se puede hablar de un "efecto centrífugo'', en vez de hablar de "fuerza centrífuga'' por todas las confusiones y equivocaciones a que da lugar.

 

Juan Américo González Menéndez
Facultad de Ciencias, UNAM