Dinámica de los Fluidos

Presión

El cociente entre la intensidad de la Fuerza (F) aplicada perpendicularmente sobre una superficie dada y el área (S) de dicha superficie se denomina presión (P): P=F/S. La presión representa la intensidad de la fuerza que se ejerce sobre cada unidad de área de la superficie considerada. Cuanto mayor sea la fuerza que actúa sobre una superficie dada, mayor será la presión, y cuanto menor sea la superficie para una fuerza dada, mayor será también la presión resultante.

La presión en los fluidos. El concepto de presión es muy general y por ello puede emplearse siempre que exista una fuerza actuando sobre una superficie. Sin embargo, su empleo resulta especialmente útil cuando el cuerpo o sistema sobre el que se ejercen las fuerzas es deformable. Los fluidos no tienen forma propia y constituyen el principal ejemplo de aquellos casos en los que es más adecuado utilizar el concepto de presión que el de fuerza. En el SI la unidad de presión es el pascal (Pa) y se define como la presión correspondiente a una fuerza de 1 newton de intensidad, actuando perpendicularmente sobre una superficie plana de 1 m². 1 Pa equivale, por lo tanto a 1 N/m².

Volumen específico

El volumen específico de cualquier sustancia es el espacio ocupado por un gramo de la misma. Se puede establecer que la masa de un cuerpo muy denso es mayor que la de uno de igual volumen pero de menor densidad, por lo que se puede enunciar, que la masa de toda sustancia (en cualquier estado físico) ocupa un volumen inversamente proporcional a su densidad. Los sólidos y los líquidos son incompresibles, por lo tanto sus volúmenes pueden modificarse exclusivamente mediante cambios térmicos, los que producen la contracción o la dilatación de sus masas. Los gases, en cambio modifican sus volú

menes no sólo a causa de las variaciones térmicas, sino también a las de presión, de donde el volumen específico de los mismos se encuentra en relación inversamente proporcional a la presión a que son sometidos.

Temperatura

La teoría cinético-molecular de la materia recibe ese nombre porque admite que las diferentes partículas, átomos y moléculas, que constituyen las sustancias están en continuo movimiento. En los cuerpos sólidos este movimiento es de vibración en torno a puntos fijos o de equilibrio. En los gases el movimiento es desordenado y zigzagueante, a consecuencia de los choques de las moléculas del gas entre sí y con las paredes del recipiente que las contiene. En los líquidos, como estado intermedio, pueden darse ambos tipos de movimientos moleculares. La teoría cinético-molecular establece que la energía asociada a esos movimientos moleculares internos es la responsable de los fenómenos caloríficos, y llega a demostrar que cuando se promedian las energías cinéticas individuales de las partículas en movimiento, la energía que resulta es directamente proporcional a la temperatura del cuerpo expresada en grados de temperatura absoluta o escala Kelvin.

Junto a la definición de temperatura, basada en nuestros sentidos y apoyada en la observación de los fenómenos correspondientes, que la presentan como una propiedad que caracteriza el grado de calor de los cuerpos y rige su transmisión de unos a otros, la teoría cinética propone otra, compatible con la anterior, pero que ofrece la ventaja de explicar cuál es su naturaleza. La temperatura es una medida de nivel de agitación interna de las partículas que constituyen un cuerpo, nivel expresado por el valor de su energía cinética media. Cuanto mayor es la energía media de agitación molecular, tanto mayor es la temperatura que detecta la sensibilidad del hombre y que miden los termómetros

La teoría cinético-molecular de la materia recibe ese nombre porque admite que las diferentes partículas, átomos y moléculas, que constituyen las sustancias están en continuo movimiento.

El concepto de presión es muy general y por ello puede emplearse siempre que exista una fuerza actuando sobre una superficie.

Dinámica de los fluidos

_E l estudio del movimiento de los flui-
dos requiere de recordar una serie de conceptos que nos permitan entender

de mejor manera tanto la dinámica de los fluidos, como los fenómenos que se producen en los cuerpos sumergidos en sus corrientes.

Parte A Libro 2

A menos que se fragmente, todo cuerpo sólido sometido a una fuerza, se desplaza conservando su forma y

consecuentemente las posiciones relativas de sus moléculas entre sí. Los fluidos, en cambio, pueden moverse de un sitio a otro cambiando su forma y/o posiciones moleculares relativas.

Flujo

A menos que se fragmente, todo cuerpo sólido sometido a una fuerza, se desplaza conservando su forma y consecuentemente las posiciones relativas de sus moléculas entre sí. Los fluidos, en cambio, pueden moverse de un sitio a otro cambiando su forma y/o posiciones moleculares relativas. El movimiento de traslación masiva de las moléculas de un fluido, constituye su flujo y siempre está determinado por diferencias de presión entre distintos puntos de su masa, de tal forma que el desplazamiento se hace siguiendo el sentido del gradiente de los de mayor a los de menor presión. Los términos flujo o caudal se utilizan indistintamente para definir el volumen de un determinado fluido que pasa por un sitio en un tiempo dado. Flujo= Volumen/Tiempo.

Carácter del flujo

Al pasar un fluido a través de un conducto, las partículas que lo integran, pueden asumir básicamente dos comportamientos. Si el movimiento de las partículas se efectúa en forma lineal, formando capas paralelas, recorriendo el camino por la distancia más corta, se denomina flujo laminar; bajo este comportamiento, las partículas del flujo que viajan por el centro del conducto alcanzan mayores velocidades; la velocidad de viaje disminuye progresivamente en las capas paralelas de las moléculas que se mueven más cerca de las paredes del conducto. Bajo estas características de movimiento en el flujo laminar, las capas paralelas de moléculas se deslizan entre sí, ocurriendo fricción entre las capas adyacentes. La fricción interna de las moléculas de los fluidos en movimiento se llama viscosidad.

La viscosidad es una de las variables que determinan la magnitud del flujo laminar y la podemos considerar como una resistencia interna de la masa de todo fluido, generada por las fuerzas de atracción intermoleculares, que se oponen al desplazamiento relativo entre las mismas, cuando el flujo es laminar. El otro tipo de comportamiento de los fluidos en movimiento es el denominado flujo turbulento en donde las líneas de desplazamiento de las moléculas del fluido no son paralelas, sino irregulares y anárquicas.

Resistencia al flujo

Al pasar los fluidos por cualquier sistema se presenta resistencia al flujo. Esta resistencia es causada por la fricción interna de las moléculas del fluido, y está en función de la velocidad del flujo y con la fricción con las paredes del sistema que los contiene. Esta

oposición al movimiento de los fluidos se denomina resistencia. Se mide por la diferencia de presión entre los puntos de entrada y salida de un sistema dado para una velocidad dada de flujo o grado.

Ley de Poiseuille

Si el diámetro de un tubo que contiene el movimiento de un fluido aumenta, se eleva considerablemente el gasto del orificio; y si se reduce, se reducirá también el gasto. La relación exacta entre el gasto de un tubo y el diámetro del mismo fue elaborada por Poiseuille en 1841, estableciendo que el volumen de un fluido emitido por un tubo es proporcional a la cuarta potencia de su diámetro. La participación del radio en su cuarta potencia, indica que pequeños incrementos del mismo permiten grandes complacencias al flujo. Por ejemplo, si se duplica el radio, y la diferencia de presiones entre los extremos del tubo se mantiene igual, el flujo aumenta 16 veces. Si en cambio, se duplica el radio, y se mantiene constante el flujo, la resistencia disminuye 16 veces. Si se duplica la longitud del tubo, manteniendo las demás variables constantes, la resistencia también se duplica, a menos que el flujo se reduzca a la mitad.

Aplicaciones en Anestesiología

En la práctica clínica anestesiológica, generalmente el flujo de gas a lo largo de un tubo tiene un comportamiento laminar, pero cuando la velocidad del flujo aumenta, se alcanza una velocidad crítica con la cual el flujo tiende a hacerse turbulento. El flujo de aire en el aparato respiratorio de un paciente normal es laminar, y el flujo de gases durante la inspiración en la aplicación de la anestesia no alcanza velocidades lo bastante elevadas para producir un flujo turbulento. El diámetro interno de los tubos a lo largo de los cuales los gases fluyen y la presencia de una obstrucción en ellos pueden no obstante, afectar la velocidad crítica y, por consiguiente, producir un flujo turbulento. Por esta razón es importante que el anestesiólogo utilice para la intubación endotraqueal el tubo más grueso que logre pasar fácilmente a través de la abertura glótica, porque en el adulto ésta constituye la parte más estrecha del aparato respiratorio entre los labios y la carina. En los niños, el estrechamiento que produce el cartílago cricoides es el factor limitante. Además, los conectores de los tubos endotraqueales y los codos deben ser de calibre ancho y curvos para evitar las turbulencias.

La viscosidad es una de las variables que determinan la magnitud del flujo laminar y la

podemos

considerar como una resistencia interna de la masa de todo fluido.

En la práctica clínica anestesiológica generalmente el flujo de gas a lo largo de un tubo tiene un comportamiento laminar, pero cuando la velocidad del flujo aumenta, se alcanza una velocidad crítica con la cual el flujo tiende a hacerse turbulento.

Dinámica de los Fluidos

Teorema de Bernoulli. Paso de

fluidos en tubos de diámetro variable

En un sistema de presión hidrostática y velocidad de fluido o gasto constante, la cantidad de fluido que pasa por un determinado punto en la unidad de tiempo será la misma, cualquiera que sea el sitio elegido para medir el gasto. Por lo que en un sistema en que los conductos del fluido son de diámetro variable, se deduce que la velocidad del flujo tendrá que ser mayor en las porciones de diámetro menor. Estos hechos se sustentan en el teorema del científico suizo Daniel Bernoulli (1700-1782) que establece que la velocidad de un fluido en un tubo de diámetro variable, es inversamente proporcional al área de sección. De acuerdo con este teorema y con la ecuación de continuidad, en una parte estrecha del conducto, un fluido debe aumentar su velocidad. Este aumento de la velocidad ocasiona una distribución de la presión interna en el fluido. Bajo estas condiciones, tratándose de aire por ejemplo, al hacerlo fluir por un tubo y aumentar su velocidad de flujo, aumentando la presión hidostática, la presión en un tubo lateral puede reducirse hasta igualarse con la atmosférica o incluso a cifras menores; en este caso, el aire pasará por el tubo lateral al tubo de descarga, es decir, el aire será "aspirado" o arrastrado. El descenso de presión lateral en las zonas de menor área de sección proviene de la transformación de la energía estática en energía cinética. Una aplicación del teorema de Bernoulli es la diferencia de presiones que se establece por arriba y abajo de las alas de los aviones, que debido a su forma, generan esa diferencia de presiones que empuja al avión hacia arriba y lo mantiene a flote. El teorema de Bernoulli también se puede expresar de la siguiente manera: cuando un fluido se mueve de un lugar a otro, la velocidad y la presión cambian de manera que la suma de la energía cinética [que denota la expresión 1/2 d v², o sea la mitad de la masa (d) por el cuadrado de la velocidad, más la energía potencial (o sea la presión) permanecen constantes].

Al pasar un fluido de la parte estrecha de un tubo a otra con mayor área de sección, disminuye la velocidad y aumenta la presión lateral (Fig. 1). En 1797 Venturi demostró que, para que un fluido dado que se mueve por un tubo de diámetro variable vuelva a ejercer la misma presión lateral que ejercía antes de la constricción, la porción distal del tubo tendría que dilatarse gradualmente (sin exceder de 15°) (Fig. 2). Este es el principio en el que se basa la construcción del tubo Venturi.

Figura 1. Teorema de Bernoulli

Figura 2. Principio de Venturi

Combinando la teoría de Bernoulli, es decir, la presión lateral es menor donde la velocidad es mayor, con el principio de Venturi se logra la construcción del inyector. En muchos dispositivos modernos ideados para medir la capacidad de un fluido que sale en un tiempo dado por un orificio, se encuentran aplicados ambos principios, por ejemplo, en los atomizadores, en el mechero de Bunsen y en el aparato inyector que se emplea para obtener mezclas variables de oxígeno y aire durante la oxigenoterapia (Fig. 3).

Rotámetros

Los medidores de flujo para gases más usados actualmente en aparatos de anestesia son los rotámetros llamados de resistencia variable, en donde un pequeño flotador o rotor se desplaza libremente empujado por el flujo de gas dentro de un tubo vertical transparente y ligeramente cónico. La resistencia al fujo dependerá del espacio variable comprendido entre el flotador y la pared del tubo, o sea, de la altura en la que el flotador se detenga cuando la presión por debajo quede equilibrada con el peso de aquél más la presión distal. Esto quiere decir que con cualquier flujo o caudal habrá siempre una misma diferencia de presión entre los dos extremos del flotador, y el flujo de gas dependerá entonces de la resistencia al flujo, es decir, del espacio anular por donde el gas debe pasar entre el flotador y

En un sistema de presión hidrostática y velocidad de fluido o gasto constante, la cantidad de fluido que pasa por un determinado punto en la unidad de tiempo será la misma, cualquiera que sea el sitio elegido para medir el gasto.

Combinando la teoría de Bernoulli, es decir, la presión lateral es menor donde la velocidad es mayor, con el principio de Venturi se logra la construcción del inyector.

Los medidores de flujo para gases más usados actualmente en aparatos de anestesia son los rotámetros llamados de resistencia variable, en donde un pequeño flotador o rotor se desplaza libremente empujado por el flujo de gas dentro de un tubo vertical transparente y ligeramente cónico.

Figura 3.

Entrada de aire

Corriente principal

de líquido que fluye

Paso del chorro

Parte A Libro 2

la pared cónica del tubo, y de la densidad o viscosidad del gas en cuestión o de ambas.

La escala de cada rotámetro ha sido calibrada para un determinado gas, y no puede servir para medir el flujo de otro gas, que no tenga su misma densidad y

viscosidad. La viscosidad en micropoises a 20° C del aire es 180, del oxígeno 193, y del óxido nitroso 136. La densidad aire= 1, para el aire obviamente es de 1.0, para el oxígeno 1.1 y para el óxido nitroso 1.53.

Dinámica de los circuitos

respiratorios en anestesia

Los sistemas con absorción de CO₂, en los cuales se permite la

reinhalación de los gases, presentan como ventajas, la conservación del calor y humedad dentro del circuito, ahorro de anestésico por ser bastante eficiente, y reducción de la contaminación ambiental.

_La finalidad de un sistema de adminis-
tración de anestesia o circuito anestésico no es solamente la de proveer oxígeno, sino también debe permitir bajo condiciones controladas la administración de gases y de vapores anestésicos, garantizando con eficiencia, la eliminación del CO₂ y ofrecer, al mismo tiempo, mínima resistencia para la respiración.

Si bien existe una falta de rigor en la ordenación taxonómica de los circuitos anestésicos, la reinhalación o no de los gases espirados y en especial la forma de eliminación del CO₂ por razones fisiológicas, debe constituir el primer criterio sistémico de clasificación, lo cual puede ser eficientemente realizado de tres maneras:

1. Eliminación hacia la atmósfera por medio de válvulas u orificios teniendo por base la relación entre el flujo de admisión de gases frescos (FGF) y el volumen-minuto respiratorio (VMR).

2. Por la utilización de válvulas que no permiten la reinhalación.

3. Mediante la absorción química del CO₂.

En base al importante criterio de reinhalación o no de los gases, los circuitos anestésicos se agrupan en dos categorías: A) Sin reinhalación, en el cual el FGF debe ser igual o mayor que el VMR para que haya una eficiente eliminación por barrido del CO₂, usando además válvulas que no permitan la reinhalación, (bajo máscara con administración gota a gota, pieza en T de Ayre o Mapleson E, sistemas Mapleson y sus variantes y circuito Bain o Mapleson D), y B) Con reinhalación; en este caso se utiliza la absorción química del CO₂ para su eliminación; en donde el FGF usado, siempre debería ser menor que el VMR. La reinhalación puede ser parcial o total.

Los sistemas con absorción de CO₂, en los cuales se permite la reinhalación de los

gases, presentan como ventajas, la conservación del calor y humedad dentro del circuito, ahorro de anestésico por ser bastante eficiente, y reducción de la contaminación ambiental. Los sistemas sin absorción, en los cuales los gases son eliminados, tienen como ventajas principales una mayor facilidad para variar la concentración de anestésico descargado por el sistema, por el hecho de poder eliminar el uso de válvulas la resistencia a la respiración es menor, son versátiles, de bajo costo y poco peso. Aunque en el lado de las desventajas son altamente ineficientes al permitir un gran desperdicio de oxígeno y vapores anestésicos y por consiguiente generadores de contaminación ambiental; por lo que su principal indicación es en pacientes pediátricos preferentemente en el grupo de recién nacidos, lactantes y preescolares.

Diversos tipos de circuitos anestésicos de no reinhalación fueron analizados y clasificados por Mapleson en 1954. Los flujos de gas fresco requeridos para asegurar la eliminación de CO₂ han sido ya establecidos y se relacionan con el volumen-minuto, producción de CO₂, talla y edad del paciente. Cabe señalar que el comportamiento y eficiencia de eliminación del CO₂ cuando se usan estos circuitos anestésicos de no reinhalación, aparte de depender del FGF, también pueden cambiar dependiendo de si la ventilación es espontánea o controlada.

Mapleson A (Magill). Este circuito consiste de un tubo corrugado, una bolsa reservorio, con entrada de gas fresco cerca de la bolsa, y una válvula de rebosamiento espiratorio cerca del paciente. La reinhalación durante la ventilación espontánea en este circuito se evita con el uso de flujos de gas fresco relativamente bajos (FGF mayor o igual que 1 x VMR). Sin embargo, este tipo de circuito se torna ineficiente para eliminar CO₂ cuando

En base al importante criterio de

reinhalación o no de los gases, los circuitos anestésicos se agrupan en dos categorías: A) Sin reinhalación, B) Con reinhalación.