Autor Tema: Ejercicio de derivadas de propiedades eléctricas de una membrana biológica

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21 Mayo, 2021, 09:20 pm
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rboyart

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Hola,

Estoy estudiando derivadas e integrales y tengo que resolver este ejercicio:

Un módelo mínimo de las propiedades eléctricas de una porción de una membrana biológica es el que sigue



En donde un condensador de capacidad \( C \) representa la bicapa lipídica, y la resistencia \( R \) con la batería representa \( E \) a los canales iónicos y sus iones, siendo \( \Delta V \) la diferencia de voltaje entre los compartimentos extra e intracelular. Las líneas en el circuito son cables que asumimos medios conductores sin resistencia (a menos que se la pongamos de forma explícita). Si definimos la intensidad de corriente \( I \) que atraviesa un cable como la derivada \( I=\dfrac{dQ}{dt} \), y sabiendo que la carga (\( Q \)) a cada lado de la membrana es \( Q=C\Delta V \), se puede escribir una ecuación para la intensidad de corriente aplicada por un estímulo (\( I_{ap} \))

\( I_{ap}=C\dfrac{d\Delta V}{dt}+\dfrac{\Delta V-E}{R} \)

Nótese que al aplicar ese estímulo de corriente, una parte de las cargas va a ir al condensador (o sea la bicapa) desde el lado interno y va a salir una cantidad igual por el lado externo; otra parte de las cargas se va a "fugar" por la resistencia (o sea por los canales). Finalmente la carga fugada y la que sale del lado externo del a bicapa regresan por un cable al generador cerrando el circuito.


  • En una siuación sin estimulación (\( I_{ap}=0 \)) luego de un tiempo podemos asumir que la diferencia de potencial no cambia. Calcule esa diferencia de potencial en función de los parámetros del sistema (\( C,R \) y \( E \))
  • Demuestre que la siguiente relación entre voltaje y tiempo es compatible con la ecuación anterior: \( \Delta V(t)=E+RI_{ap}(1-e^{-t/RC}) \). Grafique esta relación (y reflexione sobre su significado).
  • Definiendo \( \tau=RC \), calcule la cantidad de carga movilizada por la corriente aplicada en el intervalo en el que el tiempo va entre \( t=0 \) y \( t=\tau \). (Nota, piense qué le dice la definición de corriente y aplíquelo en la corriente aplicada).
  • Para el intervalo de tiempo mencionado en c., calcule qué cantidad de carga fue al condensador y qué cantidad se "fugó" por los canales.

¿Me podrían ayudar a entender la letra del ejercicio, y proporcionarme algunas guías para resolver las 4 preguntas del ejercicio?

Gracias!

Mensaje corregido desde la administración.

Bienvenido al foro.

Recuerda leer y seguir  las reglas del mismo así como el tutorial del LaTeX para escribir las fórmulas matemáticas correctamente.

En particular no uses imágenes para sustituir la escritura explícita de texto y fórmulas. Reserva estas para gráficos complementarios.

21 Mayo, 2021, 11:07 pm
Respuesta #1

Masacroso

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  • En una siuación sin estimulación (\( I_{ap}=0 \)) luego de un tiempo podemos asumir que la diferencia de potencial no cambia. Calcule esa diferencia de potencial en función de los parámetros del sistema (\( C,R \) y \( E \))
  • Demuestre que la siguiente relación entre voltaje y tiempo es compatible con la ecuación anterior: \( \Delta V(t)=E+RI_{ap}(1-e^{-t/RC}) \). Grafique esta relación (y reflexione sobre su significado).
  • Definiendo \( \tau=RC \), calcule la cantidad de carga movilizada por la corriente aplicada en el intervalo en el que el tiempo va entre \( t=0 \) y \( t=\tau \). (Nota, piense qué le dice la definición de corriente y aplíquelo en la corriente aplicada).
  • Para el intervalo de tiempo mencionado en c., calcule qué cantidad de carga fue al condensador y qué cantidad se "fugó" por los canales.

¿Me podrían ayudar a entender la letra del ejercicio, y proporcionarme algunas guías para resolver las 4 preguntas del ejercicio?

Aquí te están diciendo que cuando \( I_{ab}=0 \) existe un tiempo, llamémoslo \( t_1 \), tal que \( \Delta V \) es constante, con esos datos y la definición de \( I_{ab} \) te queda un problema de valor inicial (bueno, en este caso sería más bien de "valor final"), es decir, una ecuación diferencial ordinaria de primer orden con una única solución. Al menos yo no veo más interpretación que esa.

Empieza planteando la ecuación, luego en la segunda pregunta (la b.) te piden que verifiques si la función dada es la solución a ese problema de valor inicial.

21 Mayo, 2021, 11:13 pm
Respuesta #2

Luis Fuentes

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Hola

Hemos corregido (no sin esfuerzo) tu mensaje desde la administración. En el futuro recuerda que debes de copiar el texto del mensaje y dejar imágenes sólo para los gráficos.

Un módelo mínimo de las propiedades eléctricas de una porción de una membrana biológica es el que sigue



En donde un condensador de capacidad \( C \) representa la bicapa lipídica, y la resistencia \( R \) con la batería representa \( E \) a los canales iónicos y sus iones, siendo \( \Delta V \) la diferencia de voltaje entre los compartimentos extra e intracelular. Las líneas en el circuito son cables que asumimos medios conductores sin resistencia (a menos que se la pongamos de forma explícita). Si definimos la intensidad de corriente \( I \) que atraviesa un cable como la derivada \( I=\dfrac{dQ}{dt} \), y sabiendo que la carga (\( Q \)) a cada lado de la membrana es \( Q=C\Delta V \), se puede escribir una ecuación para la intensidad de corriente aplicada por un estímulo (\( I_{ap} \))

\( I_{ap}=C\dfrac{d\Delta V}{dt}+\dfrac{\Delta V-E}{R} \)   (*)

Nótese que al aplicar ese estímulo de corriente, una parte de las cargas va a ir al condensador (o sea la bicapa) desde el lado interno y va a salir una cantidad igual por el lado externo; otra parte de las cargas se va a "fugar" por la resistencia (o sea por los canales). Finalmente la carga fugada y la que sale del lado externo del a bicapa regresan por un cable al generador cerrando el circuito.


  • En una siuación sin estimulación (\( I_{ap}=0 \)) luego de un tiempo podemos asumir que la diferencia de potencial no cambia. Calcule esa diferencia de potencial en función de los parámetros del sistema (\( C,R \) y \( E \))

Si la diferencia de potencial no cambia \( \dfrac{d\Delta V}{dt}=0 \). Además \( I_{ap}=0 \). Sustituye en la ecuación dada (*) y despeja \( \Delta V \) .

Citar
Demuestre que la siguiente relación entre voltaje y tiempo es compatible con la ecuación anterior: \( \Delta V(t)=E+RI_{ap}(1-e^{-t/RC}) \). Grafique esta relación (y reflexione sobre su significado).

Simplemente sustituye en la ecuación dada (*) y comprueba que se cumple. Recuerda que \( \dfrac{d\Delta V}{\delta t} \) es la derivada de \( \Delta V(t)=E+RI_{ap}(1-e^{-t/RC}) \) respecto de \( t \).

Citar
Definiendo \( \tau=RC \), calcule la cantidad de carga movilizada por la corriente aplicada en el intervalo en el que el tiempo va entre \( t=0 \) y \( t=\tau \). (Nota, piense qué le dice la definición de corriente y aplíquelo en la corriente aplicada).

Aplica la ecuación de (b), para \( t=\tau \). Después que \( Q=C\Delta V \).

Citar
¿Me podrían ayudar a entender la letra del ejercicio, y proporcionarme algunas guías para resolver las 4 preguntas del ejercicio?

Te he dado unas indicaciones; pero debes de comentar que has intentado y que dificultades concretas encuentras.

Saludos.

21 Mayo, 2021, 11:42 pm
Respuesta #3

rboyart

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Hola Luis,

Mis disculpas por no haber armado el mensaje de la manera indicada. Te agradezco el esfuerzo de las correcciones del formato y también por las indicaciones que me das para comenzar el ejercicio. Me pongo a hacerlo, publicaré entonces mis resultados o dificultades. Muchas gracias

22 Mayo, 2021, 06:43 pm
Respuesta #4

rboyart

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Hola, consulta de la a) y b)

a)
Como  \( \dfrac{d\Delta V}{dt}=0 \). Además \( I_{ap}=0 \).
entonces,

\( I_{ap}=C\dfrac{d\Delta V}{dt} + \frac{\Delta 𝑉−E}{R}=0 \)
\( I_{ap}=C(0) + \Delta V-E=−R \)
\( \Delta V=R+E \)

b)
Acá, ¿se refiere compatible con la ecuación \( \Delta V \) anterior y  \( \Delta V(t) \)?

\( \Delta V(t)=E+RI_{ap}(1-e^{\frac{−t}{RC}}).  \)

Cuando grafico en geogebra la ecuación \( \Delta 𝑉(𝑡) \) con algunos valores al azar de \( E,R,I_{ap},C \)



--> Sobre qué relación debo reflexionar sobre su signficado? debo buscar la derivada de \( \Delta V(t) \)?

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22 Mayo, 2021, 07:38 pm
Respuesta #5

ingmarov

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Hola           Corregido


...
\( 𝐼_{𝑎𝑝}=𝐶\frac{𝑑Δ𝑉}{𝑑𝑡} + \frac{Δ𝑉−𝐸}{𝑅}=0 \)
𝐼𝑎𝑝=𝐶(0) + Δ𝑉−𝐸 =𝑅
Δ𝑉 =𝑅+E

¿Por qué te queda R allí donde te marqué en rojo?



...
b)
Acá, ¿se refiere compatible con la ecuación AV anterior y AV(t)?

\( ∆𝑉(𝑡) = 𝐸 + 𝑅𝐼_{𝑎𝑝}(1 − 𝑒{^\frac{−𝑡}{𝑅𝐶}}).  \)

Cuando grafico en geogebra la ecuación ∆𝑉(𝑡) con algunos valores al azar de E,R,Iap,C

...
Si te dan \[ \Delta V \]    encuentra su derivada respecto al tiempo y sustituye ambas en la ecuación

\( 𝐼_{𝑎𝑝}=𝐶\frac{𝑑Δ𝑉}{𝑑𝑡} + \frac{Δ𝑉−𝐸}{𝑅} \)

Comprueba que se anula la parte izquierda de cumple la ecuación

Saludos
No te confíes, revisa lo que escribo. Yo también me equivoco.
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22 Mayo, 2021, 08:55 pm
Respuesta #6

rboyart

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Hola           Corregido


...
\( 𝐼_{𝑎𝑝}=𝐶\frac{𝑑Δ𝑉}{𝑑𝑡} + \frac{Δ𝑉−𝐸}{𝑅}=0 \)
𝐼𝑎𝑝=𝐶(0) + Δ𝑉−𝐸 =𝑅
Δ𝑉 =𝑅+E

¿Por qué te queda R allí donde te marqué en rojo?

No puedo pasar R del otro lado de la igualdad?
Pensé que como la derivada es cero entonces C(0)=0, y podría pasar a R del otro lado, no?


22 Mayo, 2021, 09:22 pm
Respuesta #7

rboyart

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Puede ser que la derivada de \( \Delta V(t)=E+ RI_{ap}(1-e^\frac{−t}{RC})  \) sea:

\( I=\left(\dfrac{e^{\frac{-t}{CR(I,t,C)}}\left(-t\dfrac{d}{dt}(R(I,t,C))+R(I,t,C)\right)}{CR(I,t,C)}+\dfrac{d}{dt}(R(I,t,C))\left(-e^{\frac{-t}{CR(I,t,C)}}+1\right)\right) \)

Debo sustituir la derivada en la siguiente ecuación entonces?

\( I_{ap}=C\dfrac{d\Delta V}{det} + \dfrac{\Delta V-E}{R} \)

Mensaje corregido desde la administración.

22 Mayo, 2021, 09:32 pm
Respuesta #8

ingmarov

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Hola

...

No puedo pasar R del otro lado de la igualdad?
Pensé que como la derivada es cero entonces C(0)=0, y podría pasar a R del otro lado, no?

Despejar una variable no es pasar letras de un lado a otro.


Si es correcto lo que has hecho entonces también será correcto

\[ \dfrac{8-4\times 2}{10000}=0\quad\Rightarrow{}\quad\color{red} 8-4\times 2=10000 \]

Pero no es correcto.


Despejar es realizar operaciones en una ecuación hasta dejar sola la variable de nuestro interés, por ejemplo:

Si en la siguiente ecuación queremos despejar para x      \[ \dfrac{2x-b}{a}=\dfrac{c}{d} \]

1. Multiplicamos ambos lados por a    nos resulta     \[ \dfrac{2x-b}{a}\cdot {\color{blue}a}=\dfrac{c}{d}\cdot {\color{blue}a} \]   ,  mira lo que nos queda al lado izquierdo de la igualdad
\[ \dfrac{2x-b}{a}\cdot {\color{blue}a}=\dfrac{2x-b}{1}\cdot\dfrac{\color{blue}a}{a}=\dfrac{2x-b}{1}\cdot\cancelto{1}{\dfrac{\color{blue}a}{a}}=\bf 2x-b \] 

En el colegio es común que nos digan b está dividiendo a la izquierda pasa a la derecha a multiplicar.

Entonces tenemos        \[ 2x-b=\dfrac{c\cdot{\color{blue}a}}{d}  \]


2. Sumamos b a ambos lados

\[ 2x-b+b=\dfrac{c\cdot{a}}{d}+b  \]

Resulta    \[ 2x=\dfrac{c\cdot{a}}{d}+b  \]


3. Dividimos ambos lados por 2

\[ \dfrac{2x}{\color{blue}2}=\dfrac{\dfrac{c\cdot{a}}{d}+b}{\color{blue}2}  \]


Resulta   \[ x=\dfrac{\dfrac{c\cdot{a}}{d}+b}{\color{blue}2} \]



Repito despejar es realizar operaciones sobre toda la ecuación.


Nota que tu ecuación está igualada a cero.
No te confíes, revisa lo que escribo. Yo también me equivoco.
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22 Mayo, 2021, 09:33 pm
Respuesta #9

ingmarov

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Puede ser que la derivada de \( ∆𝑉(𝑡) = 𝐸 + 𝑅𝐼_{𝑎𝑝}(1 − 𝑒{^\frac{−𝑡}{𝑅𝐶}})  \) sea:




Debo sustituir la derivada en la siguiente ecuación entonces?

\( 𝐼_{𝑎𝑝}=𝐶\frac{𝑑Δ𝑉}{𝑑𝑡} + \frac{Δ𝑉−𝐸}{𝑅} \)



Saludos

Te ayudo a simplificar E,R y C son constantes, valen lo mismo todo el tiempo. Creo que se ha de suponer que \[ I_{ap} \] también es constante.


Saludos
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