Unidad: Aplicaciones de las ondas

               FISICA INSUCO FREI PRIMERO MEDIO

TEMA: APLICACIONES TECNOLÓGICAS DE LAS ONDAS.

Ultrasonido

Un ultrasonido es una onda acústica o sonora cuya frecuencia está por encima del espectro audible del oído humano (aproximadamente 20.000 Hz).

Algunos animales como los delfines y los murciélagos lo utilizan de forma parecida al radar en su orientación. A este fenómeno se lo conoce como eco localización. Se trata de que las ondas emitidas por estos animales son tan altas que “rebotan” fácilmente en todos los objetos alrededor de ellos, esto hace que creen una “imagen” y se orienten en donde se encuentran.

Usos

Los ultrasonidos son utilizados habitualmente en aplicaciones industriales (medición de distancias, caracterización interna de materiales, ensayos no destructivos y otros). También se emplean equipos de ultrasonidos en ingeniería civil, para detectar posibles anomalías y en medicina (ver ecografía, fisioterapia, ultrasonoterapia).

Un ejemplo del uso del ultrasonido en el campo médico son los dispositivos tales como el doppler fetal, el cual utiliza ondas de ultrasonido de entre 2 a 3 MHz para detectar la frecuencia cardíaca fetal dentro del vientre materno.

También son utilizados como repelente para insectos. Hay varias aplicaciones para computadoras y celulares, las cuales reproducen una onda acústica como fue explicado anteriormente, la cual molesta a los insectos, en especial a los mosquitos.

Imágenes por ultrasonido en el cuerpo humano

Diagnóstico por imágenes con ultrasonido general en hospitales: La máquina de ultrasonido crea imágenes que permiten examinar varios órganos en el cuerpo. Esta máquina envía ondas sonoras de alta frecuencia que hacen eco en las estructuras corporales y un computador recibe dichas ondas reflejadas y las utiliza para crear una imagen. A diferencia de los Rayos X, en este examen no se presenta ninguna exposición a la radiación ionizante. Al igual que cualquier onda, el ultrasonido sufre el fenómeno de atenuación dentro de las diferentes estructuras del cuerpo, como regla general a mayor frecuencia se logra menor penetración y a la inversa, a menor frecuencia podemos lograr mayor penetración.

Las frecuencias típicas utilizadas para aplicaciones en abdomen pueden ir desde 2,0 Mhz a 5,0 Mhz mientras que para regiones como mama, músculo-esqueléticas, tiroides, etc., las frecuencias pueden oscilar entre 8,0 MHz a 16,0 MHz.

Fusión fría

En líquidos sometidos a ultrasonidos se forman cavidades que al colapsar producen temperaturas de hasta 30.000 °C. Se ha discutido la posibilidad que en estas cavidades se podría producir la fusión fría. En el colapso también se emite luz, fenómeno conocido como sonoluminiscencia.

La fusión fría es el nombre genérico dado a cualquier reacción nuclear de fusión producida a temperaturas muy inferiores a las necesarias para la producción de reacciones termonucleares (millones de grados Celsius).

De manera común, el nombre se asocia a experimentos realizados a finales de los 80 en células electrolíticas en los que se sugería que se podía producir la fusión de deuterio en átomos de helio produciendo grandes cantidades de energía. Estos experimentos fueron publicados en la revista científica Nature pero la fusión fría como tal fue descartada al poco tiempo por otros equipos constituyendo el artículo de Nature uno de los fraudes más escandalosos de la ciencia en los tiempos modernos

Principales aplicaciones

Fisioterapia

El ultrasonido en fisioterapia utiliza la compresión y dilatación cíclica de ondas de frecuencia entre 1 y 3 Mhz (Megahertz o millón de ciclos por segundo), si bien se usan frecuencias entre 7000 y 33000 hertz. La absorción máxima en tejidos blandos oscila en el rango de 2 a 5 cm, y la intensidad decrece cuando las ondas penetran mas profundamente. Se absorben primariamente por el tejido conectivo: ligamentos, tendones , fascia y tejido de cicatrización. El aparato de ultrasonido que se utiliza genera este tipo de onda a través del efecto piezoeléctrico inverso, que consiste en la aplicación de voltaje a un cristal (el más utilizado es el cuarzo)para producir la deformación del mismo millones de veces por segundo, provocando vibraciones que van a ser las encargadas de provocar los efectos fisiológicos en el organismo.

Ultrasonido en medicina refiere a un tipo de terapia que utiliza ultrasonido para tratar distintas afecciones, entre ellas afecciones traumatológicas, litiasis, varias formas de cáncer, hemostasia, trombo lisis y para la administración transdérmica o localizada de ondas de ultrasonido.

Los beneficios del ultrasonido en este ámbito son de dos tipos: térmicos y no térmicos. Los efectos térmicos se deben al calentamiento por absorción de las ondas sonoras. Los efectos no térmicos se deben a cavitación, microinducción e inducción acústica. La cavitación resulta de la producción de burbujas microscópicas de aire, que transmiten las vibraciones de forma tal que estimulan la membrana celular. Esta estimulación física parece mejorar la capacidad de reparación celular en la respuesta a las inflamaciones.

La fisioterapia ultrasónica suele recomendarse para tratamiento de músculos y articulaciones, aunque no existe evidencia clara de su efectividad.

Absorción de medicamentos

Se ha utilizado ultrasonido en varias terapias medicamentosas para mejorar la farmacodinamia en tejidos predeterminados, incluyendo la absorción transdérmica, la concentración de quimioterapia en el sitio del tumor, o la disposición de drogas trombolíticas en un coágulo sanguíneo. Adicionalmente se ha aplicado para facilitar la soldadura en una fractura ósea.

Los efectos de la exposición a un ultrasonido de 1,58 megahertz en el transporte de drogas sobre tejidos blandos se incrementan cuando se aplica un gradiente de presión para inducir la convección de fluidos a través del mismo. La farmacodinamia se ha medido en cerebros de equinos y músculos de aves, mostrando que el ultrasonido mejora la absorción y transporte, más aún cuando se aplica presión externa. Una teoría sobre el particular que se investiga en Cornell es que la exposición al ultrasonido del parénquima cerebral incrementa la penetración del material infundido.

Tratamiento de litiasis

En litiasis el ultrasonido se ha utilizado para complementar la cirugía endourológica, facilitando la extracción de cálculos grandes mediante su previa desintegración. El método ha sido superado por tratamientos de onda neumática, ondas electro hidráulicas o láser pulsátil que no presentan la desventaja de los efectos térmicos del ultrasonido, considerando la potencia necesaria para logra la desintegración.

Sin embargo, se han desarrollado equipos de ultrasonido que generan ondas de choque pulsátiles, lo que reduce notablemente la termogénesis.

Limpieza dental

El ultrasonido se utiliza en odontología para tartrectomía, vale decir, la eliminación del sarro depositado sobre el esmalte. Este efecto se logra mediante cavitación, que permite destruir en pequeños fragmentos la capa de sales.

Cirugía estética

Se utiliza comúnmente el ultrasonido en cirugía estética y reparadora para diferentes fines: para coadyuvar a los tratamientos de mesoterapia, en hidrolipoclasia , y como complemento en lipoescultura y lipoaspiración.

La hidrolipoclasia ultrasónica aprovecha los efectos de la plasmosis para hacer estallar las células hidratadas mediante ondas de choque ultrasónicas, lo que libera glicerol que se elimina metabólicamente por heces y orina. Se aplica para reducción de abdomen, papada, interior de piernas y otras zonas con exceso de tejido adiposo.

También se utiliza el ultrasonido para reducir y mejorar estéticamente cicatrices provenientes de heridas o cirugía.

 Ultrasonoterapia

La ultrasonoterapia o terapia ultrasónica es una disciplina que se engloba dentro de la fisioterapia, y consiste en el arte y la ciencia del tratamiento de lesiones y enfermedades mediante la aplicación de ondas de ultrasonido.

Los actuales equipos de ultrasonoterapia (producto sanitario) consiguen la emisión de ondas ultrasónicas mediante efecto piezoeléctrico por un cristal de cuarzo en el cabezal emisor.

Los efectos terapéuticos de la emisión de ondas de ultrasonido en el tejido humano vivo son dos fundamentalmente: uno térmico o mecánico y otro químico. Para la regeneración tisular, el haz ultrasónico provoca un efecto de cavitación que aumenta la permeabilidad de la membrana celular así como precipita la degranulación de los macrófitos y la liberación de histamina para, de una manera controlada, iniciar la respuesta inflamatoria previa a toda regeneración fibroblástica.

La ultrasonoterapia, en sus modalidades de pulsada o continua, se aplica en procesos inflamatorios, lesiones del músculo y el tendón y otras como la algodistrofia simpático refleja.

También existe la posibilidad de combinarla con las distintas modalidades de electroterapia.

La ultrasonoterapia es una prescripción médica y debe ser aplicada por un fisioterapeuta.

Se requiere de la utilización de un gel o una loción conductora para un mejor deslizamiento del cabezal, un óptimo desempeño en la terapia y una mejor absorción por el paciente.

Hay que tener presente que el ultrasonido es una terapia mecánica y no puede englobarse dentro del ámbito de terapias que utilizan el campo electromagnético como origen energético. El origen sónico de este tratamiento debe tenerse presente especialmente ante pacientes que presenten una especial debilidad ósea, fractura u osteoporosis, por el efecto de impacto que el sonido tiene en las superficies duras del organismo. La fijación del ultrasonidos en un único punto puede traer como consecuencia la generación de los llamados "puntos calientes".

los ultrasonidos también poseen propiedades terapéuticas. Científicos de universidades británicas sugieren que la energía de estas ondas se pueda usar para que aumente la cantidad de medicamento que puede entrar en las células. La base está en que los ultrasonidos crean poros en las membranas celulares que regulan de algún modo la entrada de fármacos en la célula. Otras investigaciones se centran en el control del flujo sanguíneo cerebral, lo cual sería de gran ayuda a los médicos para prevenir crisis en este órgano.

Tratamiento de productos alimenticios

Desde hace unos años, se han venido desarrollando numerosas técnicas para el tratamiento de los alimentos. Frente a los métodos tradicionales, como la refrigeración, el ahumado, la pasteurización,... se están imponiendo otros nuevos como las altas presiones o los ultrasonidos.

Lo primero que diremos es que estas técnicas están en investigación. La aplicación de ultrasonidos se llama de procesado mínimo puesto que la idea es destruir los microorganismos que dañan los alimentos pero sin cambiar la apariencia externa de los mismos. Lo que hacen las ondas ultrasónicas es destruir la membrana celular de estos organismos, provocándoles la muerte como es lógico. De todas formas, esta técnica no es válida para cualquier producto puesto que algunos conducen muy bien los ultrasonidos y otros no.

Últimamente se está investigando también en la aplicación de ultrasonidos a la purificación del agua, concretamente para la limpieza de filtros. La clave está en el fenómeno de la cavitación: si logramos que se produzcan burbujas y que estas colisionen limpiando la suciedad de los filtros tendremos un excelente método para depurar el agua.

Las técnicas ultrasónicas también tienen su aplicación en el cálculo del porcentaje de grasa de un alimento. Esto se debe a que hueso, músculo y grasa poseen impedancias acústicas distintas, luego se puede medir el grosor del tejido graso y hacer una estimación del total de grasa contenido en el cuerpo.

Aplicaciones físicas

Las aplicaciones físicas de los ultrasonidos se centran, esencialmente en la medida de las propiedades elásticas y las condiciones de propagación en los sólidos. La idea aquí es, simplemente, el estudio de la propagación de un ultrasonido en el material. Otras aplicaciones se centran en el estudio de explosiones, determinación de las propiedades físicas de líquidos y gases, localización de baches de aire (fundamental para la navegación aérea), etc.

Aplicaciones químicas

Los ultrasonidos también tienen aplicaciones en el campo de la Química. Su principal función aquí es la de activar ciertos compuestos con el fin de acelerar las reacciones químicas en los procesos de fabricación de materiales organometálicos. En los últimos años, se ha creado una nueva rama de la Química: la Sonoquímica, con un futuro interesante.

Aplicaciones técnicas

La utilización de los ultrasonidos en la industria es variada. Podemos encontrar detectores de defectos en piezas metálicas, medición de espesor de las mismas, apertura automática de puertas, etc.

Quizá una de las aplicaciones más importantes en este sentido sea la soldadura de plásticos por ultrasonidos. Ventajas hay muchas: no es necesario un precalentamiento, es muy rápido, no genera contaminantes, la unión es en general mejor que con otros métodos, etc. Normalmente es necesaria una presión de lo materiales a unir pero, en las soldadoras más modernas, no es fundamental. La pieza clave, como se puede ver a la izquierda, es el sonotrodo,  aparato hecho de aluminio y titanio normalmente (materiales con buenas propiedades acústicas) que convierte los ultrasonidos en energía calorífica, la cual funde el plástico y lo une. Dicha energía es proporcional a la amplitud de la onda ultrasónica, como podemos imaginar. Las frecuencias de trabajo se sitúan entre los 20 y 40 Khz. y la potencia es del orden de algunos miles de watios.

 Uso del Ultrasonido en ciertos animales

Ciertos mamíferos utilizan frecuencias muy altas que son los ULTRASONIDOS , utilizados por los cetáceos (ballenas, delfines) que se guían por el eco y responden a frecuencias hasta 130.000 Hz

Los delfines emiten de forma continua chasquidos y silbidos.

Los primeros consisten en pequeños pulsos de 300 sonidos por segundo que se generan desde un mecanismo situado justo debajo del espiráculo y que se utilizan para la ecolocación de los objetos (funciona como un sonar). El melón (abombamiento de la frente situado encima de la mandíbula superior), consta principalmente de grasa y aceite, y actúa como una pantalla acústica que mejora la resolución de la emisión de sonidos. La mandíbula inferior, también llena de aceite, ayuda a la transmisión del eco reflejado por los objetos, y recibido por la zona posterior de dicha mandíbula, hacia el oído. Este sistema de ecolocación, similar al de los murciélagos, permite a los delfines navegar y detectar a sus presas con suma facilidad. Respecto a los silbidos, son sonidos de tono uniforme que provienen de la parte profunda de la laringe. Se utilizan para comunicar estados de alarma, excitación sexual y, tal vez, otros estados emocionales.

En el caso de los ratones estos usan el ULTRASONIDO para la comunicación entre madre y la cría, ya que con la vocalización de frecuencias altas por parte de su madre estimula el desarrollo del comportamiento normal de las crías. La emisión de sonidos va desde los 30Khz hasta sobrepasar los 80 Khz.

En el caso de los murciélagos el ultrasonido es usado para la localización de los insectos y para volar sin chocarse. Consiste en la emisión vocal de pulsos sonoros de alta frecuencias de hasta 130 Khz y en varias repeticiones en lapsos muy cortos de tiempo a razón de 30 a 50 por segundo; lo que le permite al murciélago detectar la posición de los objetos y su dirección de vuelo en el caso de los insectos.

Esto se debe a que la gran cantidad de ultrasonidos emitidos en milisegundos van a chocar con los objetos y se reflejan en los grandes pabellones de las orejas de estos animales, estos analizan y codifican las formas en su cerebro, reconociendo de que se trata ya sea enemigos, comida o paredes.

El hecho de que estos animales emitan ultrasonidos se debe a que tiene que ser sonidos en una frecuencia que los demás animales no capten para que no se asusten.

Las frecuencias emitidas al principio son muy altas y luego van bajando pero manteniéndose en ULTRASONICAS por ejemplo empiezan en 80 Khz y terminan en 48Khz, otros pueden empezar en mas de 100 Khz y terminar en 60 Khz.      

Dependendiendo de las especies de murciélagos pueden sobrepasar de 100 Khz las emisiones de ULTRASONIDOS.

En la década del ochenta, Brock Fentor, zoólogo de la Universidad de York, en Ontario (Canadá), esbozó la hipótesis de que los murciélagos aprendieron primero a usar el ultrasonido y solo después que desarrollaron la capacidad para volar. A fin de sustentar su teoría indicó que tres musarañas, parientes cercanos de los murciélagos, utilizan sonidos ultrasónicos con el propósito de comunicarse entre sí.

CONTROL REMOTO DE CIRCUITOS CEREBRALES MEDIANTE ULTRASONIDOS

Apartándose por completo de los usos más comunes de los ultrasonidos, un grupo de neurocientíficos en la Universidad Estatal de Arizona ha desarrollado técnicas de ultrasonido pulsado que pueden estimular a distancia la actividad de la circuitería cerebral. Sus descubrimientos proporcionan conocimientos importantes sobre cómo se puede utilizar el ultrasonido de baja potencia para la neuroestimulación no invasiva de circuitos cerebrales y potencialmente para nuevos tratamientos de enfermedades mentales y otros trastornos cerebrales. Aún cuando nos resulte difícil de imaginar el día en que los médicos puedan tratar los trastornos causados por el estrés post-traumático, las lesiones cerebrales e incluso la enfermedad de Alzheimer, activando un aparato electrónico mediante un interruptor, la mayoría de nosotros hemos experimentado algunas de las numerosas aplicaciones del ultrasonido en nuestra vida cotidiana. Por ejemplo, se utiliza en la obtención de imágenes fetales y para otros diagnósticos médicos, en la limpieza ultrasónica de dientes, en fisioterapias, o en extirpaciones quirúrgicas. El ultrasonido cuenta además con muchos otros usos fuera del ámbito clínico, incluyendo la producción farmacéutica, el procesamiento de alimentos, la comprobación no destructiva de materiales, el sonar, ciertos sistemas de comunicación, algunas técnicas de estudio oceanográfico, y la cartografía acústica. Los estudios del ultrasonido y sus interacciones con los tejidos biológicos tienen una rica historia que se remonta al final de la década de 1920. Varios grupos de investigación han demostrado, a lo largo de más de medio siglo, que el ultrasonido puede producir cambios en tejidos excitables, como los nervios y los músculos, pero los estudios detallados sobre neuronas en el ámbito celular han sido insuficientes. El equipo liderado por William "Jamie" Tyler fue capaz de desentrañar cómo el ultrasonido puede estimular la actividad eléctrica de neuronas a través de la monitorización óptica de la actividad de circuitos neuronales, mientras los investigadores simultáneamente propagaban ultrasonido de baja frecuencia y baja intensidad a través de tejidos cerebrales. El grupo de investigación descubrió que el ultrasonido de baja frecuencia y baja intensidad suministrado de forma remota incrementó la actividad de canales iónicos de sodio y de calcio que se abren mediante voltaje. Este incremento de actividad fue lo bastante grande como para disparar los potenciales de acción y permitir la liberación de neurotransmisores de las sinapsis. Debido a que estos procesos son fundamentales para la transferencia de información entre las neuronas, los autores plantean que este tipo de ultrasonido proporciona una nueva y eficaz herramienta para la modulación de la actividad de circuitos neuronales. Muchos de los métodos convencionales de estimulación utilizados por los neurocientíficos exigen el uso e implantación de electrodos de estimulación, que requieren de contacto directo con el tejido nervioso o la introducción de proteínas exógenas. ONDAS ELECTROMAGNETICAS Y SUS APLICACIONES El uso más habitual de las ondas de radio con efecto terapéutico se lleva a cabo mediante el uso de corrientes alternas de frecuencia superior a los 100Khz A diferencia de las corrientes alternas de frecuencia menor, las ondas de radio no tienen un efecto exito motor(estimulante del sistema neuromuscular), sino que producen en el organismo un efecto térmico. Gracias a las ondas de radio se dispone de un mecanismo parar realizar una termotrapia en el interior del organismo de manera homogénea. MICROONDAS: Las ondas microondas tienen muchas aplicaciones. Una de ellas es la de los hornos, su funcionamiento se basa en el hecho de que la radiación electromagnética de muy alta frecuencia tiene mucha energía, por lo que hay una transferencia de calor muy grande a los alimentos en un corto tiempo, además se utilizan en las comunicaciones y en el radar. Rayos Infrarrojos: Los rayos infrarrojos se utilizan comúnmente en nuestra vida cotidiana; cuando  encendemos el televisor y cambiamos de canal con nuestro control remoto, en El supermercado los productos se identifican cuando el lector de precios  lee el código de barras; los CD  y DVD los oímos y vemos gracias a los rayos infrarrojos Estas so solo algunas de las aplicaciones de los rayos infrarrojos.También se utilizan en sistemas de seguridad de casa y museos, medicina…etc. LOS RAYOS X Los rayos  X se emplean sobre todo en los campos de la investigación científica, la  industria y la medicina.El estudio de los rayos X ha desempeñado un papel primordial en la física teórica, sobre todo en el desarrollo de la Mecánica Cuántica , como una herramienta de investigación. Los rayos X han permitido confirmar experimentalmente las teorías cristalográficas .Utilizando métodos de difracción de rayos X es posible identificar las sustancias cristalinas y determinar su estructura. Los métodos de difracción  de rayos X también pueden aplicarse a sustancias pulverizadas que sin ser cristalinas presentan alguna regularidad en su estructura molecular. Mediante estas metodologías se pueden identificar sustancias químicas y determinar el tamaño de partículas ultramicroscópicas. Los elementos químicos y sus isótopos pueden identificarse mediante espectroscopía de rayos X, la cual determina la longitud de onda de sus espectros de líneas Característicos. Varios elementos fueron descubiertos mediante el análisis de espectro de rayos X. Muchos productos industriales se inspeccionan de forma rutinaria mediante rayos X como una medida de fiscalización de piezas defectuosas las cuales se pueden detectar  a tiempo y eliminar en el lugar de producción. Existen además otras aplicaciones de los rayos X, entre las que figuran la identificación de gemas falsas, la detección en los aeropuertos de mercancías de contrabando, de explosivos , drogas o algún tipo de arma , en general para detectar objetos peligrosos en los equipajes. Los rayos X ultra blandos se emplean para determinar la autenticidad de obras de artes y para restaurar cuadros. En el área médica se utilizan como herramienta de diagnóstico, las conocidas radiografías permiten al médico observar el interior del cuerpo humano. En la radio terapia se emplean para tratar enfermedades como el cáncer exponiendo los tumores a la radiación. RAYOS GAMMA Los rayos gamma provenientes del cobalto 60 son utilizados para esterilizar instrumentos que por otros métodos no pueden ser esterilizados. Los rayos gamma también son utilizados en radioterapia.

ESTOS CONTENIDOS CORRESPONDEN AL SEGUNDO SEMESTRE DEL AÑO 2012 ACTIVIDAD: 1.- Estos contenidos deben ser comprendidos y estudiados. Corresponden a las semanas desde el 13 de agosto al 1 de septiembre. la evaluación será en la semana comprendida entre el 3 de septiembre al 7 de septiembre

2.-Elabora un vocabulario con los términos desconocidos y busca su significado.

3.-Realiza un esquema de las aplicaciones de las ondas, separando las ondas electromagnéticas y las ondas sonoras.

4.-Caracteriza el espectro de ondas electromagnéticas y el espectro auditivo.

Todas estas actividades deben estar hechas en tu cuaderno de física el día que las clases se normalicen.