En nuestra vida cotidiana vemos a la física manifestarse en cada momento del día, desde que abrimos una puerta, caminamos por la calle, vemos caer un objeto, entre un sin fin de actividades. Por otra parte, la medicina se encuentra de manera interna desde que despertamos, nos estiramos y comenzamos el día. Pero, ¿te has preguntado qué relación tienen estas ciencias?

¿Qué es la física?

La física es una ciencia natural encargada del estudio de las interacciones y comportamiento de la energía y la materia, es la que estudia y describe el comportamiento de los fenómenos naturales del universo. La física es, sin duda, una de las más antiguas prácticas humanas.

¿Qué es la medicina?

La medicina es una ciencia que tiene como objetivo la conservación, prevención y restablecimiento de la salud. Dado que la salud no está garantizada en los seres vivos, los humanos nos preocupamos por conservarla. La medicina también es, sin duda, una de las más antiguas prácticas humanas.

Esta ciencia se ha refinado a través del tiempo gracias al progreso cultural y científico de la civilización y se ha transformado en una profesión más científica, con procedimientos más técnicos y recursos tecnológicos más precisos.

¿Cómo se unen estas dos ramas del conocimiento que parecen tan distantes?

Las civilizaciones antiguas creían que las enfermedades eran un designio divino o resultado de la entrada de espíritus malignos al cuerpo, por lo que el proceso de ayudar al enfermo era estrechamente mágico-religioso. En la actualidad, salvo en algunas culturas de diversas partes del mundo, la medicina tiene un fundamento científico y técnico sólido, siendo una práctica donde se hace algo sabiendo racionalmente el por qué se hace.

El mundo médico y el mundo físico a simple vista pueden parecer inmiscibles, pero lejos están de serlo. Su unión es tal que, actualmente, existe una rama de la física llamada física médica y en ella existen dos grandes divisiones: la física de la fisiología y la instrumentación médica. Sin ella sería imposible imaginar la medicina moderna sin los modelos físicos y matemáticos que explican el funcionamiento del cuerpo humano, así como la tecnología implicada que los médicos utilizan en su profesión.

El primer paso para examinar a un paciente es realizar un examen físico, en donde se mide el ritmo cardíaco, los sonidos del corazón, la presión y temperatura corporal. Todas estas son medidas físicas, de ahí el nombre del examen, las cuales no podemos medir sin la ayuda de herramientas especializadas. Aunque nuestros sentidos son nuestros instrumentos naturales para medir las cosas, estos resultan inútiles para fines médicos y científicos. El sentido del tacto, por ejemplo, nos puede ayudar a distinguir los cuerpos calientes de los fríos y hasta podríamos ordenarlos del más caliente al más frío o viceversa pero no para determinar el grado de enfermedad de un paciente.

Para comprobar que tan malos son nuestros sentidos que censan temperatura, realizaremos un sencillo experimento propuesto en 1690 por el filósofo inglés John Locke: supongamos que tenemos un balde con agua caliente y otro con agua fría. Después, metemos la mano izquierda en el primer recipiente y la derecha en el segundo. Para finalizar, ambas manos las remojamos con agua en condiciones normales del grifo. La mano que estuvo en contacto con agua caliente sentirá el agua de la llave más fría de lo que en realidad es y la mano que estuvo sumergida en agua fría sentirá la del grifo más caliente que de costumbre.

Con esta sencilla pero eficaz experiencia podemos resaltar lo poco confiable que es usar nuestro cuerpo como herramienta científica de medición. Aquí es donde hace aparición la física y sus aplicaciones en la medicina: la física médica.

Imagínese con fiebre frente a un médico sin termómetro. El especialista no sería capaz de determinar tu temperatura corporal y palpar tu frente con las manos para determinar la gravedad del malestar sería un método poco confiable y nada científico.

Las aplicaciones de física en medicina son demasiadas, desde el tratamiento de lesiones mediante terapias físicas como masajes o ejercicios hasta la diagnosis de cáncer, problemas en los riñones o el cerebro por medio de imágenes en rayos X.

Algunos ejemplos de aplicaciones sencillas son:

1.- Termómetro para arteria temporal: Este termómetro mide la radiación infrarroja de la piel que cubre una de las arterias más importantes de la cabeza. Las pruebas demuestran que este dispositivo brinda valores más precisos de la temperatura corporal que los termómetros orales o de oído.

2.- Estimulación magnética transcraneana: Es una técnica para estudiar la función de varias partes del cerebro. Una bobina colocada en la cabeza del sujeto transporta corriente eléctrica variable que genera un campo magnético, igual variable. Este campo activa la actividad eléctrica en la región del cerebro que se encuentra bajo la bobina. Observando cómo responde el paciente a la estimulación (por ejemplo, los músculos que mueve al estimularse cierta parte del cerebro), el médico puede conocer diversas condiciones neurológicas.

3.- Imágenes ultrasónicas: Este tipo de imágenes son una técnica médica que usa el principio físico de las ondas sonoras de muy alta frecuencia y longitud de onda muy corta, llamadas ultrasonido. Estas ondas barren al cuerpo y utilizan los «ecos» de los órganos para crear una imagen. En ellas se pueden distinguir rasgos de 0.3 mm. El ultrasonido se usa para estudiar la operación de las válvulas cardiacas y detectar tumores, así como en exámenes prenatales.

4.- Manómetro para medir presión arterial: Este instrumento da las presiones máxima y mínima cuando el corazón bombea. La presión arterial varía con la posición vertical dentro del cuerpo pero el punto estándar de referencia es la parte superior del brazo, a la altura del corazón. La presión arterial mide la fuerza que se aplica a las paredes arteriales.

Manos a la obra: algunos análisis físicos dentro del cuerpo humano

1.- Imaginemos que nuestro mejor amigo brinca y cae sobre sus pies, los huesos de sus piernas sentirán distintas fuerzas, por lo que deben ser capaces de resistirlas. La tibia es un hueso largo que conecta la rodilla con los huesos del tobillo y se fractura con una fuerza de compresión de 50,000 N, por lo que ambas piernas toleran una fuerza máxima de 100,000 N antes de romperse.

Supongamos que Oscar, nuestro valiente amigo, pesa 75 kg. La fuerza ejercida sobre sus huesos es igual a su masa multiplicada por la aceleración con la que cayó (F=ma). Con un poco de matemáticas podemos descubrir que la fuerza que se ejerce al caer al suelo está dada por: F=w(H/h) Donde h es la distancia en la que se detiene la caída. En el cuerpo esta distancia se presenta como compresión de los huesos y músculos. Si Oscar al caer no dobla las piernas para amortiguar el impacto, h será aproximadamente 1 cm. Entonces, si cae de una altura de 1.3 m sin doblar las piernas, él podría fracturarse la tibia. Y si dobla las piernas, digamos 60 cm, la altura máxima segura sería aproximadamente de 4 m. No lo intente en casa, por favor.

2.- La física también nos ayuda a explicar por qué después de cargar un objeto muy pesado, se sienten dolores en la espalda baja. Esto se debe a la presión ejercida sobre los discos que separan las vértebras.

Una persona parada sin ninguna carga extra en su cuerpo provoca una presión natural en los discos de la espalda baja de aproximadamente 5 atmósferas. Con una carga de 10 kg en cada mano, la presión alcanza 7 atmósferas una vez que el sujeto haya levantado el objeto y se encuentre erguido. Cabe mencionar que el malestar y los dolores se deben al proceso de levantamiento y la posición que se adopta para hacerlo.

Si no se doblan las rodillas para levantar los 20 kg de nuestro ejemplo, los discos experimentarán una presión de hasta 35 atmósferas, mientras que si se doblan las rodillas para recoger el objeto pesado, solo se alcanzarán unas 12 atmósferas en los discos lumbares. Por lo que se aconseja doblar las rodillas antes de levantar objetos pesados.

Como podemos notar, la física está presente en el estudio del cuerpo humano. Desde la investigación hasta la instrumentación. Vivimos en un mundo en el que la física está presente todo el tiempo, pues esta ciencia explica el comportamiento de la naturaleza y el cuerpo humano no está excluido de ella.

Fuentes:

• Sears y Zemansky, Física universitaria, volumen I
• La física en la medicina, Maria Cristina Piña Barba
• Física parte I, Robert Resnick y David Halliday