Questão 3) Explique o motivo de atletas que estão acostumados com a atmosfera ao nível do mar terem dificuldade de respirar em altas altitudes [\mathbf{1 , 0}]. Qual ou quais as propriedades do ar atmosférico que estão relacionadas com esse fenômeno? [1,0]

Passo 1

O enunciado pede que eu explique por que atletas acostumados com a atmosfera ao nível do mar têm dificuldade de respirar em altas altitudes e que indique quais propriedades do ar atmosférico estão relacionadas a esse fenômeno.
Informações implícitas e relevantes dadas pelo enunciado: a comparação é entre “nível do mar” e “altas altitudes” (ou seja, mudança de altitude), e o foco é na dificuldade para respirar (o que sugere alteração na disponibilidade de oxigênio para o organismo).

Passo 2

Vou apresentar os conceitos físicos essenciais que precisamos entender antes de explicar o fenômeno.
Definição 1 — pressão atmosférica: a pressão exercida pelo peso do ar acima de um ponto. Denoto por P_{\text{atm}} a pressão barométrica local. Ao subir de altitude, P_{\text{atm}} diminui.
Definição 2 — fração volumétrica de oxigênio: no ar seco próximo à superfície, a fração de oxigênio é aproximadamente constante e vale \,0{,}21 (ou 21\%). Denoto por F_{O_2}=0{,}21.
Definição 3 — pressão parcial: pelo princípio de Dalton, a pressão total de uma mistura gasosa é a soma das pressões parciais dos componentes. A pressão parcial do oxigênio é
P_{O_2}=F_{O_2}\cdot P_{\text{atm}}.
Isto significa que, se P_{\text{atm}} cai, P_{O_2} também cai na mesma proporção (desde que F_{O_2} se mantenha constante).
Definição 4 — número de mols por volume (densidade numérica): pela lei dos gases ideais,
\frac{n}{V}=\frac{P}{RT},
onde n/V é o número de mols por volume, P é a pressão, R a constante dos gases e T a temperatura absoluta. Se P diminui (mesma T), então n/V diminui: há menos moléculas por litro de ar.

Passo 3

Faço um cálculo numérico (simples e padrão) para tornar concreto o efeito da altitude sobre a pressão parcial do oxigênio.
Valor típico ao nível do mar: P_{\text{atm,0}}=760\\ \text{mmHg}. Então a pressão parcial do oxigênio no ar seco é
P_{O_2,\text{ar}}=F_{O_2}\cdot P_{\text{atm,0}}=0{,}21\cdot 760\approx 160\\ \text{mmHg}.
Na prática, o ar inspirado é umedecido na boca/pulmões; a pressão parcial do vapor d’água a 37^\circ\text{C} é P_{H_2O}\approx 47\\ \text{mmHg}. O oxigênio efetivo inspirado (antes da troca gasosa) tem então
P_{I O_2}=(P_{\text{atm}}-P_{H_2O})\cdot F_{O_2}.
Exemplo razoável: a 3000\\ \text{m} a pressão atmosférica típica é cerca de P_{\text{atm,3000}}\approx 523\\ \text{mmHg} (valor aproximado). Então:
P_{I O_2,\;3000}=(523-47)\cdot 0{,}21=476\cdot 0{,}21\approx 100\\ \text{mmHg}.
Compare com o nível do mar:
P_{I O_2,\;0}=(760-47)\cdot 0{,}21=713\cdot 0{,}21\approx 150\\ \text{mmHg}.
Logo, inspirado \;P_{I O_2} cai de cerca de \,150\\ \text{mmHg} para \,100\\ \text{mmHg} subindo para 3000\\ \text{m}.

Passo 4

Explico por que a queda de P_{O_2} dificulta a respiração do ponto de vista fisiológico (didático e passo a passo).
  1. Troca gasosa nos pulmões depende do gradiente de pressão parcial: o oxigênio passa dos alvéolos para o sangue porque a pressão parcial de oxigênio nos alvéolos ( P_{A O_2}) é maior do que nos capilares pulmonares venosos ( P_{\text{cap-v}}). A taxa de transferência (fluxo) de O _2 é, em termos qualitativos, proporcional a esse gradiente de pressão.
  2. Se P_{A O_2} diminui (porque P_{\text{atm}} diminuiu), o gradiente entre alvéolo e sangue diminui, logo menos oxigênio é transferido por unidade de tempo. Isso leva a uma menor pressão parcial de oxigênio arterial ( P_{a O_2}) e pode causar hipóxia (menos O _2 disponível para músculos e cérebro).
  3. Mesmo que a fração de O _2 mantenha 0{,}21, o que importa biologicamente é a pressão parcial; menos pressão parcial significa menos “força” para empurrar O _2 para o sangue.

Passo 5

Explico também com a lei dos gases por que cada inspiração carrega menos moléculas de oxigênio (ponto prático importante em provas).
Pelo ideal dos gases:
\frac{n}{V}=\frac{P}{RT}.
Se P diminui e T não muda muito, então n/V (moléculas por litro) diminui. Ou seja, cada litro de ar contém menos moléculas de O _2; mesmo inspirando o mesmo volume, o número de moléculas de O _2 ingeridas cai. Para compensar, o corpo aumenta a ventilação (respira mais rápido e/ou mais profundo), mas isso tem limites e aumenta o gasto energético.

Passo 6

Resumindo as propriedades do ar que estão diretamente relacionadas ao problema (resposta objetiva didática):
  • Pressão atmosférica (pressão barométrica) — é a causa primária: diminui com a altitude.
  • Pressão parcial de oxigênio ( P_{O_2}) — relacionada pela lei de Dalton; é a propriedade que determina a eficiência da difusão de O _2 para o sangue.
  • Densidade do ar (número de moléculas por volume, via lei dos gases) — cada inspiração traz menos moléculas de O _2 a altitudes maiores.
Observação importante: a composição percentual do ar ( F_{O_2}\approx0{,}21) permanece praticamente constante com a altitude, então o problema não é “menos porcentagem de O _2” mas sim a menor pressão total que reduz a pressão parcial.

Passo 7

Complemento prático e motivacional (como um amigo que estuda com você): por isso atletas sofrem ao subir rápido — o corpo precisa de tempo para se aclimatar (aumentar ventilação, frequência cardíaca, e ao longo de dias/semanas aumentar o transporte de O _2 via mais hemoglobina). Então, se for prova, decore: “queda de pressão → queda da pressão parcial de O _2 → menor gradiente de difusão → hipóxia; propriedades: pressão barométrica/pressão parcial de O _2 e densidade do ar.”

Resposta

Porque a pressão atmosférica diminui com a altitude, o que reduz a pressão parcial do oxigênio disponível para a respiração; isso diminui o gradiente de pressão que faz o O _2 difundir dos alvéolos para o sangue, causando dificuldade em suprir oxigênio (hipóxia).
Propriedades relacionadas: pressão atmosférica (pressão barométrica), pressão parcial do oxigênio e densidade do ar (número de moléculas por volume).

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