Corpo Umano, tesina

Proviamo attraverso un quadro generale e schematico a individuare le caratteristiche

principali, meccaniche e strutturali. Adesso andremo a elencare le parti costitutive della

macchina.

 Sistema Strutturale e Locomotore: è garantito dalle 206 ossa del sistema

scheletrico cioè la struttura portante e dal sistema muscolare composto da 600

muscoli che pongono le forze opposte e contrarie alla gravità permettendo il

movimento.

 Sistema di controllo: costituito dal sistema nervoso specializzato nel ricevere,

trasmettere e elaborare stimoli elettrici dei suoi vari dispositivi tra cui recettori di

pressione, temperatura, di sostanze chimiche, del dolore e elettrici, da varie

centraline di controllo e ovviamente dal computer principale, il cervello.

 Sistema di Accumulo e Scarico materie per produzione di Energia: i

componenti necessari vengono prelevati per digestione meccanico/chimica dal

sistema digerente e infine eliminate le scorie tramite l'apparato escretore.

 Sistema di Trasporto e Utilizzo del Energia: la macchina è mantenuta attiva in

ogni sua funzione e ricava energia attraverso un processo di ossidoriduzione in cui

l'ossigeno ricavato dall’apparato respiratorio, insieme a grassi, proteine ma

principalmente zuccheri vengono sottoposti a un processo di combustione

chiamato respirazione cellulare creando così la molecola combustibile principale

la molecola ATP con un potenziale di 30,5 KJ/mol. Le materie prime essenziali

per la produzione energetica sono distribuite in tutto il volume del corpo tramite

una pompa premente aspirante a ritmo variabile, il cuore che gli irradia in

soluzione di 90% d'acqua tramite l'apparato circolatorio a ogni cellula.

Schema fabbisogno basale

Ora che abbiamo compreso la macchina e il suo funzionamento possiamo analizzare

alcuni dati tecnici, cioè come funziona e come utilizza l’energia ricavata. η

Nel compiere lavoro il nostro corpo si comporta come una macchina il cui rendimento 4

η

e dato da = lavoro eseguito/energia utilizzata.

Anche per i singoli organi si parla di rendimento. I reni hanno un rendimento molto

basso, circa l'1%, i muscoli hanno un rendimento che può arrivare al 30%. Il

rendimento all'interno del corpo umano e contenuto tra questi due estremi.

Il consumo di energia a riposo della macchina cioè il metabolismo basale ed è di circa

1800 Kcal/giorno quindi il tasso di consumo energetico in queste condizioni è di 90

Kw, lo stesso di una lampadina elettrica della stessa potenza.

Fig.1: Metabolismo Kcal/giorno relativi al età e sesso 5

Fig.2: Schema del fabbisogno cinetico

Il metabolismo di una persona impegnata in una particolare attività si misura

raccogliendo tutta la aria inspirata in circa cinque minuti e si fa l'analisi del contenuto di

ossigeno di quest'aria per determinare la quantità di ossigeno consumato in media in un

minuto. L'ossigeno reagisce con i le proteine, i grassi e gli zuccheri liberando in

media circa 20'000 J/l di energia per litro di ossigeno consumato. 6

Esempio di Lavoro sviluppato dal Corpo Umano

Una persona in media con un atto respiratorio aspira un volume circa pari a 500 ml

grazie alle contrazioni del diaframma che espandono la gabbia toracica.

O

Di questi 500 ml corrisponde il 21% di .

2 O

500 ml : 100 = x : 21% 2

∙

x = 500:100 21 → x=105

O

x = 105 ml 2

O

A ogni atto respiratorio passano 105 ml di 2

In un minuto si compiono in media 14 atti respiratori quindi

≅

O

105 14 = 1470 ml = 1.47 l/min di 1.45 l/min

∙ 2

Quindi possiamo formulare un esempio.

Se assumiamo questa quantità consumata di media anche se varia a seconda dell’entità

dello sforzo ma assumiamo lo sforzo massimo e quindi il valore massimo cioè il 100%

O

di possiamo quindi formulare un esempio .

2 O

Se una persona durante una corsa veloce in bicicletta consuma 1,45 l/min di il suo

2

metabolismo è: 1.45 l/min 20000 J/l = 29'000 J/min

∙

29000 J/min : 60 s = 483 J/s

Quindi l'energia consumata dal corpo in quest’attività è

483 J/s : 4.18 = 115,5 cal/s = 0,11 Kcal/s

Mentre la sua potenza durante il compimento di questa attività è di

483 J/s = 483 w = 0.5 Kw 7

Diaframma

Una delle principali azioni meccaniche che il corpo umano svolge per mantenere le sue

funzioni fondamentali è l'atto respiratorio coadiuvato dal diaframma toracico cioè il suo

attuatore, infatti funge da stantuffo con una capacità di escursione, cioè una corsa di

7-8 cm.

L'espansione volumetrica è

permessa dall’elasticità della

gabbia toracica. Grazie a un moto

simile a quello della maniglia di

una pompa aumenta il diametro

anteroposteriore della gabbia

mentre in modo molto simile a

quello della maniglia di un secchio

aumenta anche il diametro laterale

delle costole. Fig.3: aumento

diametro anteroposteriore Fig.4: aumento diametro laterale delle costole 8

Funzionamento del diaframma:

Compiendo una contrazione si espande verso il basso aumentando il volume polmonare

richiamando al loro interno aria grazie alla differenza di pressione generata di circa

-6 mmHg rispetto a quella atmosferica. Appena colmata la depressione avviene l'atto

espiratorio cioè l'espulsione dell'aria. Il diaframma si rilassa e i polmoni non essendo

dotati di strutture di sostegno ma adese alla gabbia toracica attraverso la pleura vengono

a loro volta compresse dalla resistenza elastica dello scheletro.

Grazie alla forza statica contraria della gabbia toracica che torna la posizione iniziale si

crea una pressione di circa 200 mmHg che è la pressione del fluido in uscita.

Da completa inspirazione a completa espirazione c'è uno sbalzo di volume polmonare

causato dal movimento diaframmatico e dal ritorno elastico della gabbia toracica di circa

i 2/3 del volume dei polmoni a riposo.

Fig.5: funzionamento del diaframma 9

Diagramma spirometrico e sua analisi

Fig.6:Diagramma spirometrico

Il volume massimo inspirabile dopo un espirazione forzata è di circa 4800 ml mentre è

di massimo 3000 ml se effettuata dopo un espirazione/ inspirazione normale cioè

facendo circolare 500 ml ogni atto. La respirazione normale va da atto espiratorio di

2250 ml a inspiratorio di 2750 ml mentre il volume di 1200 ml è quello che rimane

sempre presente nei polmoni anche dopo un espirazione forzata. 10

Calcoli compressione meccanica

Fig.7: inspirafione ed espirazione esaminati come un cilindro pneumatico

Dati

Innanzitutto sappiamo che il gas presente in questo sistema pompante è l’aria, che in

ρ

condizioni ambiente ha =1,14 Kg/ e che appena raggiunti i polmoni ha una

3

m

insp

temperatura T=36°C che rimane invariata quindi possiamo supporre un isoterma. Il

volume delle due fasi lo possiamo dedurre dal precedente diagramma spirometrico

V V

quindi =2750 ml e =2250 ml mentre la pressione di esercizio abbiamo

insp esp P

precedentemente detto essere pari a =127989 Pa (200 mmHg + 1 atm) mentre la

esp P

depressione di inspirazione corrisponde a -6 mmHg rispetto a 1 atm quindi insp

=100526 Pa. A questo punto l’unica incognita rimane la densità che ha l’aria all’interno

dei polmoni in espirazione.

ρ = 3

1,14 Kg/ m

insp

ρ = INCOGNITA

esp

T = 36°C → Isoterma

V = 2750 ml

insp

V = 2250 ml

esp

P = 100526 Pa

insp

P = 127989 Pa

esp 11

Innanzitutto partiamo dalla formula dei gas perfetti, la quale è la generalizzazione delle

leggi di Gay-Lussac e Boyle-Mariotte.

=nRT

PV

P V n RT

1 1 1 1

=

P V n RT

2 2 2 2

Con ipotesi di trasformazione isoterma vale T1 = T2. Pertanto si può semplificare

ottenendo:

P V n

1 1 1

=

P V n

2 2 2

A questo punto si sfrutta la definizione di mole ovvero:

m

1

=

n 1 PM

m

2

=

n 2 PM

E sostituendo si ottiene:

P V P V

1 1 2 2

=

m m

1 2

A questo punto dalla definizione di massa, ovvero e sostituendo si ha:

m=ρV

P V P V

1 1 2 2

=

ρ V ρ V

1 1 2 2

Si arriva quindi alla formula cercata:

P P

1 2

=

ρ ρ

1 2

Dalla quale si ottiene:

p ∙ ρ 128000 ∙ 1.14

2 1 3

= = =1,45

ρ Kg/ m

2 p 100500

1 Impiantistica

L’aria che sopraggiunge ai polmoni deve avere determinate caratteristiche e il naso è la

12

porta d’ingresso del aria nel nostro corpo e svolge notevoli funzioni per darle le giuste

caratteristiche che sono richieste per il corretto funzionamento del apparato respiratore.

Climatizzazione naturale del aria

Nell’attraversamento della cavità nasale il flusso aereo subisce 4 modifiche

fondamentali. Tali fasi vengono di seguito descritte:

Riscaldamento: Dopo aver attraversato il naso l’aria ha una temperatura di circa 34 °C

indipendentemente dal aria respirata sia che sia 20 °C o di – 20 °C.

Umidificazione: Indipendentemente dall’ umidità dell’ aria respirata dopo il passaggio

nasale l’aria acquisisce un umidità relativa del 95%.

Purificazione: Il naso è in grado fungere da filtro e di ripulire l’aria da circa l’85% delle

particelle di dimensione superiore a i 4,5 m.

μ

Protezione Anti-Infettiva: È garantita da un meccanismo fisico costituito da un tappeto

di muco viscoso in continuo movimento che ingloba i germi e un meccanismo

immunologico composto da un insieme di cellule difensive che distruggono all’ istante

tutti i germi che incontrano.

Da questi dati abbiamo individuato un importante fattore per il benessere umano:

l’umidità. All’ entrata l’aria acquisisce un’ umidità relativa di circa 95%, raggiungendo i

polmoni e tornando ad uscire se ne arricchisce ulteriormente quindi possiamo

approssimare l’aria in uscita dal corpo umano sia al 100% di umidità relativa.

A ogni atto ci sono 0,5 l d’aria per 15 atti al minuto

0,5 l 15 = 7,5 l/min

∙

Otteniamo 7,5 l/min cioè 0,0075 /min da cui vogliamo scoprire l’ aria respirata

3

m

giornalmente quindi è

0.0075 /min 60 min 24 ore = 10,8 al giorno di aria respirata.

3 3

∙ ∙

m m

Di questo volume d’aria si espelle quindi il 100% di umidità che equivarrà ad un certo

H O

quantitativo di espulsa.

2 13

Fig.8: diagramma dell’ umidità specifica

Supponendo una temperatura di 25 °C e una pressione di 1 atm, si otterrà una densità

= 1,18 Kg/ . Ora possiamo calcolare la massa d’aria respirata al giorno:

3

ρ m

10,8 /giorno 1,18 Kg/ = 12,7 Kg/giorno.

3 3

∙

m m

Dal grafico si nota quindi che 20 g di vapore vengono espulsi per ogni Kg di aria

H O H O

20 g di 12,7 Kg respirati = 254 g

∙

2 2

H O

Quindi giornalmente una persona espelle circa 254 g di dalla respirazione.

2

Questi dati equivalgono solamente all’ umidità che il corpo umano espelle in funzione

del mantenimento di efficienza dell’ apparato respiratorio, ma si tenga conto che in

realtà la dispersione maggiore di acqua tramite vapore si ottiene attraverso la

H O

traspirazione corporea, che corrisponde a circa 450 g di al giorno.

2

H O H O H O

254 g di + 450 g di = 704 g di

2 2 2

L’immissione totale di vapore in un ambiente nel arco di una intera giornata equivale

H O

quindi a circa 700 g di .

2 14

Esercizio

Supponendo di avere un’ abitazione di 110 calpestabili con distanza tra pavimento

2

m

e soffitto pari a 2,30 m e con 5 coinquilini che producono singolarmente 700 g di

H O di vapore acqueo al giorno dovuti alla respirazione e alla traspirazione a una T =

2

25°C con densità = 1,18 Kg/ , si calcoli l’umidità totale espulsa in una

3

ρ m

giornata in cui i coinquilini non usciranno. Si noti che tale umidità si andrà ad

aggiungere ad un’ umidità relativa del 55 % già presente nell’ abitazione tenendo conto

che la soglia ottimale si aggira da i 40% al 60% di umidità relativa. Inoltre si calcoli

ogni quanto tempo bisognerà applicare un areazione con le finestre aperte o una

deumidificazione tramite un impianto di climatizzazione e risanificazione dell’ aria.

110 2,30 m = 253 d’aria

2 3

∙

m m

253 d’aria 1,18 Kg/ = 298,5 Kg

3 3

∙

m m

H O H O

700 g di 5 coinquilini = 3500 g di al giorno

∙

2 2

H O H O

12 g/Kg di 298,5 Kg = 3582 g di

∙

2 2

H O H O H O

3582 g di + 3500 g di =7082 g di in un giorno senza ricambio

2 2 2

d’aria

7082 g di H O = 23,7 g/Kg quindi umidità relativa ben oltre il 100%

2

298,5 Kg H O H O

3500 g di / 24 ore = 145,8 g di all’ ora

2 2

H O H O

145,8 g di 3 ore = 437,4 g di

∙

2 2

H O H O

3582 g di + 437,4 = 3937 g di

2 2

3937 g di H O

2 = 13,1 g/Kg

298,5 g di H O

2

13,1

→ →

∙

13,1: 20 = x : 100 x = 100 x = 65,5 % di umidità relativa raggiunta in

20

3 ore

Nonostante la casa non sia ermeticamente chiusa ma abbia dei contatti indiretti con