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Fisiologia (generale ed umana)

• Sito WEB: unipv.it/webtanzi

• Orario ed aule– Anatomia 9-9.45 Palazzo Botta

• Laboratori: da definirsi• Scopo del corso• Il percorso Biologia Umana e Scienze Biomediche: generalità

Laurea entro Settembre:niente tassa 1° anno specialisticaBonus alla LaureaSe non vi laureate entro Dicembre

• Libro di testo:.............. • La laurea Specialistica• Responsabile del percorso e delle Lauree specialistiche: feedback• Unipv.it\webtanzi: informazioni varie ed appunti• Crediti liberi (9): circa un mese (5 ore al pomriggio (5 ore))• Tirocinio: circa 20 giorni• Tesi presso il Dipartimento: da definirsi

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• Esami sostenuti• Chimica generale?

• Biochimica?

• Fisiologia generale?

• Fisica?

• Quanti hanno fatto tutti gli esami?

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Richiami di Fisica

La diffusione attraverso una membrana

1 M0 M 1 M0.5 M

1 M2 M 3 mM130mM

Q= K*(C1-C2)*Superficie*time*T/spessore membrana

? ?

??

4

1 M5 M?

Se un compartimento è molto più grande dell’altro?

Che cosa vuol dire 1 M?

1 M0 M?

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Prot. Prot.

La pressione colloido-osmotica od oncotica

P1 P2

P1

P2

La pressione colloido-osmotica od oncotica () è proporzionale alla concentrazione delle proteine. E’ quantificata tramite la differenza di pressione idrostatica (P2-P1) che equilibra la tendenza dell’acqua ad andare nel comparto dove esistono le proteine.La Pressione P è la Forza diviso la superficie su cui agisce la forzaP=peso della colonna di liquido/superficie

ΔP=P2-P1

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La differenza di potenziale (V)1) La Δv è quel parametro che si misura con il voltmetro (definizione operativa)

2) La Δv origina da un’asimmetrica distribuzione spaziale delle cariche Q

3) Se c’è una Δv, sulle cariche agisce una forza, la forza di Coulomb, attrattiva o repulsiva

v1+

+

+

+

v2

R1

v2v1 V2-V1=R1*I (legge di Ohm) I=Q/t

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In tutte le cellule vi è una membrana, di natura lipidica, che separa l’ambiente interno da quello esterno. In tutte le cellule la concentrazione delle molecole, all’interno ed all’esterno, è differente.In tutte le cellule vi è una V (≈0 -90 mV) tra l’interno e l’esterno.

Interno Esterno (mM) (mM)Na+ 5 140K+

140 5Ca2+ 0.1(M) 2

Cl- 20 130ATP 2 tracce

Le proteine sono presenti solo all’interno delle cellule o nel plasma e, al pH normale (circa 7.3), sono cariche negativamente.

pH= log(1/[H+]), pH 7= 10-7 M; pH extrac.=7.4, pH intrac.=7.2

Numeri magici

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La legge di Nerst

• A sinistra, gli ioni si muovono solo per differenza di concentrazione

• A destra, gli ioni si muovono per differenza di concentrazione e per ΔV

• Nel centro, gli ioni si muovono solo per ΔV???

K+ 1 MK+ 0 M K+ 1 MK+ 0 M

V1 V2

ΔV=V2-V1

K+ 1 MK+ 1 M

V1 V2

K+ 1 MK+ 0.5M

Qual è la concentrazione all’ equilibrio?

ΔV=V2-V1=RT/ZF*lnC1/C2

Qual è il potenziale che equilibra i flussi causati dalla ΔC? ΔV= VE =RT/ZF*lnC1/C2

K+ 1 MK+ 1 M

V1 V2

ΔV=?

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La legge di Nerst

• Ve=RT/ZF*lnC1/C2= 0.061*logC1/C2 (a 37 °C)

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Le molecole si muovono disordinatamente a causa dell’agitazione termicaLe molecole si muovono semi-ordinatamente secondo gradiente di concentrazioneLe molecole si muovono ordinatamente secondo gradiente elettricoMa, le membrane, sono permeabili alle molecole???Bisogna cioè considerare le “forze” che muovono le molecole e la permeabilità alle molecole.Ed il vocabolo gradiente, qual è il suo significato?

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F=m*aSe applico una forza ad una molecola, questa si muove

Se la molecola si muove, agiscono degli attriti, che esercitano una forza che si opponeal movimento. La forza di attrito è proporzionale alla velocità.

Si raggiunge una velocità costante quando la forza applicata è uguale alla (contro)-forzaesercitata dagli attriti.

Nella diffusione, non vi è una forza netta che agisce sulle molecole, spingendole da un compartimento all’altro, ma è un fenomeno probabilistico.

P=F/S La pressione è il rapporto tra la forza e la superficie di applicazione della forza

L=Fx dl Il lavoro è il prodotto di F per lo spostamento dl del punto di applicazione di F nella direzione di F (prodotto vettoriale)

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•Si descrive (quantitativamente, se possibile)

•Si cerca di capire che cosa succede

•Si ricostruisce la catena Causa-Effetto

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Organizzazione schematica del sistema circolatorio

• E’ un sistema ramificato e de-ramificato di vasi

• Il sistema vasale è chiuso

• Interposto tra i vasi (in serie) vi è una pompa muscolare, il cuore

• Nell’uomo la circolazione è doppia, e completa

A A

V V

tessutipolmoni

Destro Sinistro

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• Tipi di vasi• Arterie: conducono il sangue nei vari distretti (vasi di conduzione). L’aorta inoltre

accumula sangue durante la sistole e lo spinge lungo il circolo durante la diastole. Ha due componenti, elastica e muscolare. E’ coperta internamente da endotelio.

• Arteriole: controllano il flusso grazie alla loro componente muscolare (endotelio)• Capillari: consentono gli scambi (gas respiratori, moelecole nutritizie e di scarto). Sono

praticamente costituiti dal solo endotelio. • Vene: sono vasi di conduzione, che riportano il sangue al cuore. Inoltre costituiscono

un deposito di sangue di riserva (circa 2 litri). Hanno una Limitata componente elastica e muscolare, ed ovviamente l’endotelio.

• L’endotelio ha proprietà anticoagulanti (NO) e partecipa alla risposta immunitaria.

Arco aortico

Aorta discendente- Cuorecoronarie

-carotide comune - Arti superiori

- Bronchi

- Intestino- Reni- Tronco- Arti inferioriVena

Cavainfer.

VenaCavasuper.

Atrio destro

Vene Capillari Arteriole

Grande Circolocarotide interna: encefalo

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• 4 cavità, due atri e due ventricoli. Gli atri comunicano con i ventricoli tramite valvole atrio-ventricolari. Il ventricolo sinistro comunica con l’aorta tramite la valvola aortica, quello destro tramite la valvola dell’arteria polmonare. E’ consentito il flusso solo in uscita dai ventricoli

• Cellule muscolari cardiache: di lavoro, deputate ad esercitare forza e ad accorciarsi, e di conduzione o avviamento (pacemaker -pace=ritmo-), deputate ad autoeccitarsi e a coordinare la diffusione dell’eccitamento

• Endocardio o endotelio: monostrato di cellule endoteliali che ricopre completamente le cavità cardiache, le valvole e la parete interna dei vasi con proprietà anticoagulanti. Modula anche il tono vasale, la permeabilità vasale e la risposta immunitaria.

• Anello fibroso (contenente fibroblasti) su cui si inseriscono le fibre muscolari• Vasi: endotelio, fibre muscolari liscie, fibroblasti• Il cuore è rivestito esteriormente dal pericardio viscerale, un foglietto aderente al cuore che si

ripiega formando il pericardio parietale.• Del cuore studieremo:

Il cuore: richiami anatomici

• Attività elettrica: due tipi di PdA e la propagazione del PdA• Attività contrattile: forza e frequenza di contrazione • Irrorazione sanguigna• Adattamenti funzionali• Patologie

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- 90 mV

- 90 mV

Le cellule cardiache sono lunghe circa 100 e sono collegate da gap junction che consentonoil passaggio, tra l’altro, di ioni. Il potenziale d’azione si propaga rapidamente da una cellula all’altra grazie alle gap junction

Le cellule cardiache

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• Eq= RT/ZF x ln(Cout/Cin) : equazione di Nerst

• Eq è la differenza di potenziale alla quale i flussi ionici dovuti alla differenza di concentrazione sono bilanciati (cioè uguali e contrari) ai flussi dovuti alla differenza di potenziale (survival concept). Eq e Vm sono due concetti differenti. Se Vm=Eq per il K+, allora?? Che cosa succede al movimento degli ioni se Vm=-90 mV, Vm=...

Na+= 130 mM Na+= 5 mMK+=4 mM K+= 140 mMCl-= 130 mM Cl- = 5 mMEk= - 100 mV

ENa= 40 mV Vm=- 90 mVECl=-90 mV Vm=- 40 mV Vm= 40 mV

Vm=- 120 mV

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- 90 mV

0 mV

20

Potenziale d’azione cardiaco: tessuto di lavoro

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

0 50 100 150 200 250 300

ms

mV

Na+

K+ , corrente transiente

Ca2+ , diminuisce K+ ( chiude inward rectifier)

K+ delayed

chiudono i canali al Ca2+attiva corrente Na+inattiva corrente Na+attiva corrente K+ transiente inattiva corrente K+ transienteattiva corrente Ca2+ Lchiude inward rectifierattiva delayed rectifier

chiudono i canali al Ca2+

chiude delayed rectifier

chiude delayed rectifierattiva inward rectifier

chiude IK inward

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Potenziale d’azione cardiaco:caratteristiche principali

• Dura circa 200 ms

• Rapida depolarizzazione dovuta a canali al Na+ voltaggio-dipendenti

• Durante il plateau entra Ca2+ attraverso canali voltaggio-dipendenti di tipo L• Durante il plateau si inattiva la inward rectifier al K+

• Si ripolarizza grazie ai canali K+ delayed

• Refrattarietà prolungata: dura quanto la contrazione.

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Potenziale d’azione e contrazione

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

0 50 100 150 200 250 300

ms

mV

Na+

K+ , corrente transiente

Ca2+ , diminuisce K+ ( inward rectifier)

K+ delayed

ContrazioneAttiva inward rectifier

Si inattivano canali L

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Potenziale d’azione, contrazione e refrattarietà

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

0 50 100 150 200 250 300

ms

mV

Na+

K+ , corrente transiente

Ca2+ , diminuisce K+ ( inward rectifier)

K+ delayed

Contrazione

Refrattarietà assoluta relativa

Attiva inward rectifier

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• Le fibre muscolari cardiache contengono miofibrille costituite da una sequenza di sarcomeri. I sarcomeri contengono actina, miosina, tropomiosina e troponina (come le fibre muscolari scheletriche).

• Un aumento del Ca2+ citosolico modifica la conformazione della troponina C, che rimuove l’inibizione della troponina I: actina e miosina possono interagire ed inizia l’accorciamento dei sarcomeri e lo sviluppo di forza.

• Nelle fibre cardiache il Ca2+ entra attraverso i canali voltaggio-dipendenti. Nelle fibre vi sono vescicole ripiene di Ca2+ (store) sulla cui membrana sono inseriti recettori per il Ca2+. Il legame Ca2+-recettore apre canali attraverso i quali esce il Ca2+. L’aumento di Ca2+ intracellulare innesca la contrazione. E’ il cosiddetto Ca2+ induced- Ca2+ release (survival concept), cioè liberazione di Ca2+ (dagli store) indotta dal Ca2+ (citosolico)

Ca2+ (1 mM)Ca2+

Ca2+

- 90 mV Ca2+ (1 mM)

: canale per il Ca2+ accoppiato a recettore per il Ca2+,

detto anche recettore per la raianodina

Ca2+ (1 mM)

Store intracellulare di Ca2+

Canale per il Ca2+

voltaggio-dipendente

Calcium-induced Calcium release,uscita di Calcio indotta dal Calcio:entra il Ca2+ attraverso i canali, e fa uscire il Calcio dagli store.

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Accoppiamento eccitazione-contrazione • Il potenziale d’azione innesca la contrazione tramite il Ca2+ induced-Ca2+ release

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Il Ca2+ che entra da un canale attiva solo uno storeIl Ca2+ che esce da uno store non influenza il release degli altri store

NoNo

Troponina C Troponina C

La forza di contrazione è proporzionale all’ingresso di Ca2+

IlCa2+ induced-Ca2+ release non è un fenomeno tutto-o-nulla.Il sistema Ca2+ induced-Ca2+ release è costituito da sottosistemi di Ca2+ induced- Ca2+ release, costituiti da canali ionici di membranae store intracellulari, funzionalmente indipendenti

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• L’eliminazione del Ca2+ citosolico pone fine alla contrazione• Il Ca2+ viene riassorbito negli store da una Ca2+-ATPasi di membrana, detta SERCA• Il Ca2+ viene estruso da una Ca2+-ATPasi di membrana e da uno scambiatore Na+/Ca2+.

• In condizioni stazionarie (?) tanto Ca2+ entra dall’esterno, tanto Ca2+ esce all’esterno, tanto Ca2+ esce nel citosol dagli store, tanto Ca2+ entra negli store dal citosol. Ma non è sempre così.

• Bilancio del Na+ e del K+, elettrico e di concentrazione: ...............

Ca2+ (1 mM)Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

3 Na+

3 Na+2 K+

SERCA

Ca2+ ATP-ase

Ca2+

3 Na+

Ca2+

Ca2+

CICR Ca2+

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Ritmicità (insorgenza del PdA)

• La contrazione è innescata dal PdA

• Il PdaA insorge spontaneamente nel nodo seno-atriale, ad una frequenza di circa 70 i/min

• Il PdaA insorge spontaneamente nel nodo atrio-ventricolaree, ad una frequenza inferiore

• Il PdaA insorge spontaneamente nel fascio di His e nelle fibre del Purkinje, ad una frequenza ancora inferiore

• Dominanza del ritmo più frequente: tutto il cuore si contrae alla maggiore frequenza possibile. Se il nodo SA è intatto, tutto il cuore batte a 70 b/min. Se il nodo SA non funzione, batte a alla frequenza del nodo AV, se il ...... .

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Ritmicità (insorgenza del PdA)

• Il PdA nel nodo seno atriale:1) Le cellule del tessuto di avviamento (pacemaker) hanno un basso PdM -60 mV

2) A questo Vm è attiva una corrente cationica depolarizzante detta If. I canali cationici della If sono permeabili al Na+ ed al K+.

3)Dopo una prima depolarizzazione dovuta ad If segue una corrente di Ca2+ voltaggio-dipendente che ad un certo punto diventa fortemente rigenerativa. La depolarizzazione inibisce If.

4)La depolarizzazione attiva una corrente al K+ (tipo delayed) che ripolarizza la cellula.

5) La ripolarizzazione chiude i canali al Ca2+ ed attiva la If .

Dalle parole al grafico..............

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Potenziale d’azione nel nodo S-A

10 mV

If (cationica)

Ca2+Ca2+

-60 mV

• If : attivata dalla ripolarizzazione: Na+ e K+

• ICa2+: attivata dalla depolarizzazione, corrente transiente

• Ik+ : attivata dalla depolarizzazione

K+

K+

0.8 s

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Propagazione del potenziale d’azione nel miocardio

• Nel miocardio le cellule sono connesse tramite gap junctions

•Il PdA si trasmette da una cellula all’altra mediante correnti elettrotoniche che scorrono attraverso le gj: il cuore si comporta come un sincizio funzionale “complesso”

•Sistema di conduzione (e di rallentamento!!)

•il PdA insorge nel nodo seno-atriale e si propaga velocemente ad entrambi gli atrii

•Giunto il nodo atrio-ventricolare rallenta ed impiega circa 0.1 s per passare nel vicino fascio di His.

• Qui invade rapidamente i ventricoli, tramite i due fasci (Dx e Sx) di His e le fibre del Purkinje.

•Note: gli atri sono separati dai ventricoli da tessuto fibroso. Solo attraverso il nodo atrio-ventricolare l’eccitamento può passare dagli atri ai ventricoli

•Velocemente? La propagazione attraverso l’atrio ed attraverso i ventricoli è molto veloce rispetto alla durata della contrazione

• La contrazione atriale dura proprio 0.1 s, cosicchè la contrazione atriale è terminata quando iniza l’eccitamento ventricolare

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+ +

+

++

da -90 mVa 0 mVa -90 mV

-90 mV

- 90 mV

L’eccitamento si propaga alle cellule adiacenti tramite le gap junction

Correnteelettrotonica

- 60 mV 0 mV-60 mV

Cellula di lavoro

Cellula del nodo seno-atriale

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Propagazione del potenziale d’azione nel miocardio

Rosso: veloceGiallo : lentoNodo seno-atriale

Nodo atrio-ventricolare

Setto fibroso Fascio di Hiss

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Particolarità metaboliche del miocardio

• Vedi Testo

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• La funzione meccanica del cuore• La legge di Poiseuille (relazione tra pressione e flusso)• Il flusso F (volume che passa attraverso una sezione di un tubo) si misura in l/min, ml/ore, etc• P2-P1= R*F, F=(P2-P1)/R, 1/R=G• Il flusso va da pressione maggiore a pressione minore • R= 8ηl/ πr4(esatta in regime di flusso laminare)

• Vasi in serie: RT = R1+R2

• Vasi in parallelo FT=F1+F2

P1 P2

F

1 2

FT =F1+F2

1/RT=1/R1+1/R2

GT=G1+G2

F2

F1

FTFT

l

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Flusso laminare:

• le molecole hanno bassa velocità vicino alle pareti del vaso. La velocità aumenta andando verso il centro del vaso• In ciascun punto del vaso la velocità è costante• la velocità è sempre parallela alle pareti del vaso (si muove solo lungo l’asse delle X)

Esempi

Flusso turbolento• la velocità non è parallela alle pareti del vaso (si muove lungo gli assi X, Y, Z)

Esempi

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• Vasi in serie: il flusso è uguale nei due vasi

• Vasi in parallelo: la differenza di pressione ΔP è identica ai due capi

• Nei singoli vasi in parallelo il flusso è inversamente proporzionale ad R1, R2,..

• Vasi in parallelo: maggiore è il loro numero, minore la RT

• Caduta di pressione– Procedendo lungo un vaso, la pressione scende (perchè R aumenta)

– Lungo il vaso, la caduta di pressione è proporzionale alla R di quel pezzo di vaso

P1 R1 P2 R2 P3 R3 P4

F

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Il ciclo cardiaco

• Il ciclo cardiaco dura, a riposo, 0.8 s: 0.1 sistole atriale, 0.3 sistole ventricolare e

diastole atriale, 0.4 diastole atriale e ventricolare. Frequenza= 60 s/0.8s=70 b/m• La gettata sistolica è di circa 80 ml, circa 70 ml restano nel ventricolo (volume

telesistolico• Volume telediastolico=150 ml

• Riempimento Ventricolare– 70 ml circa sono residui dalla sistole precedente– 60 ml affluiscono durante la diastole– 20 ml affluiscono durante la sistole atriale

• Sistole ventricolare• Alla fine della sistole atriale si chiudono le valvole atrio-ventricolari• Sistole isometrica, finchè P≤80 mm/Hg (pressione arteriosa-aortica minima)• Quando la P ventricolare è maggiore di quella aortica si apre la valvola aortica. • Efflusso, rapido, poi lento, Pmax 120 mm/Hg • Quando la P ventricolare è minore di quella aortica si chiude la valvola aortica

(all’incirca, alla fine della sistole).• Diastole isometrica• Riempimento• Il flusso è regolato (on-off) da valvole unidirezionali aperte o chiuse a seconda

della ΔP ai lati della valvola. I muscoli papillari si contraggonono durante la sistole ventricolare ed impediscono alla valvola di aprirsi nell’altro senso.

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• Pressioni nel ventricolo Dx: stesso andamento temporale, ma minore ampiezza (0-30 mm/Hg)

• Pressioni atriali (v. figura)

• Pressione arteriosa grande circolo (90-130 mm/Hg); pressione ventricolo SX: 0-130 mm/Hg

• Pressione arteriosa massima piccolo circolo (circa 30 mm/Hg)

(Casella-Taglietti)

39(Casella-Taglietti)

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(Casella-Taglietti)

I soffi sono dei rumori non percepibili senza l’ausilio di strumenti (il fonendo). Sono generati, a seconda dei casi, dalla contrazione muscolare, dalla chiusura delle valvole, dal flusso turbolento.

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• Toni cardiaci:

– Primo tono (sistolico): chiusura valvole A-V e contrazione ventricolare

– Secondo tono (diastolico):chiusura valvole aortiche e polmonari

– Due toni più deboli

• Soffi cardiaci che si originano da stenosi o insufficienza delle valvole semilunari o A-V

Toni cardiaci e soffi cardiaci

Lavoro nel cuore• Statico• L=F x dl (dl=spostamento nella direzione della forza)• L= P x dV (dV=volume di sangue spostato alla pressione P• P=F/S (S=area della sezione)• dV= l x S

l

PSF

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Lavoro dinamico = ½ m V2

A riposo, il lavoro statico è molto maggiore di quello dinamico

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• La funzione meccanica del cuore• La legge di Poiseuille (relazione tra pressione e flusso)• Il flusso F ( volume che passa attraverso una sezione di un tubo) si misura in l/min, ml/ore, etc• P2-P1= R*F, F=(P2-P1)/R, 1/R=G• Il flusso va da pressione maggiore a pressione minore • R=8ηl/π r4 (esatta in regime di flusso laminare)

• Vasi in serie: RT = R1+R2

• Vasi in parallelo

P1 P2

F

1 2

FT =F1+F2

1/RT=1/R1+1/R2

GT=G1+G2

F2

F1

FTFT

l

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• Vasi in serie: il flusso è uguale nei due vasi

• Vasi in parallelo: la differenza di pressione (ΔP) è identica ai due capi

• Nei singoli vasi in parallelo il flusso è inversamente proporzionale ad R1, R2,..

• Vasi in parallelo: maggiore è il loro numero, minore la RT

• Caduta di pressione– Procedendo lungo un vaso, la pressione scende (l aumenta)

– Lungo il vaso, la caduta di pressione è proporzionale alla R di quel pezzo di vaso

P1 R1 P2 R2 P3 R3 P4

F