background image

14.10.2010

Wykład 2: Fizyka medyczna 

I. Praca mięśnia.

→ praca mięśnia równa się iloczynowi przekroju fizjologicznego (prostopadły do wszystkich 
włókien mięśnia a nie do jego osi długiej) jednostki siły mięśnia i wielkości (długości) skurczu 

mięśnia
→ skurcz mięśnia jest tym większy im dłuższe są włókna mięśnia równocześnie działające

→ największą zdolność do pracy ma mięsień gdy może skurczyć się od stanu największego 
swego rozciągnięcia do największego skurczu

→ bezwzględna wielkość skurczu mówi nam o wielkości mięśnia (?)

Metody pomiaru i oceny siły mięśniowej

→ metody pośrednie na podstawie wyników testów ruchowych
→ metody bezpośrednie – pomiaru momentów sil mięśniowych przeprowadzanych w warunkach 

statyki (pomiar momentu siły na zasadzie zrównoważenia momentów siły mięśni (nieznanych)

M

F

=

F x r

F – siła mięśniowa

przykład: w układzie in vivo 

CZĘŚĆ II : FIZYKA FIZJOLOGII

Metabolizm: energia ciepło , praca i moc ciała

Metabolizm

 – ogólnie użycie energii przez organizm jest sumą wszystkich procesów 

zachodzących w komórkach , aby utrzymać organizm przy życiu

Organizm:
wejściowo: O2, żywność

(przechowywanie energii)
wyjście: wykonywana praca, straty ciepła

1. Energia:

Główne źródło  - żywność

przetwarzanie chemiczne przez ciało: cykl Krebsa zgodnie z zasadą zachowania energii:

Żywność potrzebna do:
→ zaopatrzenia poszczególnych organów

→ utrzymania stałej temperatury (ciepło wytwarzane przez narządu)
→ wykonywanie pracy zewnętrznej

→ magazynowanie energii - tłuszcz

w warunkach spoczynku:
→ 25% energii wykorzystywane przez mięśnie szkieletowe

→ 19% energii wykorzystywane przez mózg
→ 10% nerki

→ 27% wątroba , śledziona
→ 5% wydalanie : mocz, kał

Jednostki i przeliczniki energii

1 kcal = 4184 J

1 J = 0,24 cal
1 W = 1 J/s

background image

ZASADA ZACHOWANIA ENERGII
– zmiana energii wewnętrznej w systemie zamkniętym jest równa

=Q−W

Zmiana energii wewn U jest możliwa gdy pojawia się ciepło (absorpcja , strata)
praca zewnętrzna wykonywana jest przez organizm 

W

jest dodatnie jeśli praca nie jest 

wykonywana przez energii to W = 0 

ciągły spadek U to katabolizm

STRATY CIEPŁA

1. ciepło wyprodukowane podczas przemian metabolicznych → wartość dodatnia, związana 

z metabolic rate (MR)

2. straty ciepła 

a. wypromieniowanie, 
b. konwekcja,

c. przewodzenie, 
d. parowanie.

Przykład - metabolizm glukozy

C

6

H

12

O

6

O

2

→ CO

2

6H

2

O686 kcal

→ energia produkowana na jednostkę masy paliwa → 686 kcal , czyli 3,8 kcal/g WARTOŚĆ 
KALORYCZNA NETTO

→ EKWIWALENT KALORYCZNY  energia produkowana na litr zużytego tlenu (686kcal / 134,4 
litra → 5,5 kcal/litr O2

→ liczba litrów tlenu zużytych na 1 g paliwa → 0,75 L/g
→ liczba litrów Co2 produkowana przez 1 g paliwa → 134 L/180 g = 0,75 L/g CO2 na 1 g glukozy

→ ILORAZ ODDECHOWY to stosunek moli CO2 produkowanych do początkowej liczby tlenu 
zużytego R = 6/6 = 1

→ maksymalna energia – za pomocą przyrządu „bomba kalorymetryczna” można zmierzyć

PARAMETRY

BMR – ilość energii potrzebna do wykorzystywania m.in. funkcji ciała (oddychanie, 
pompowanie krwi) w spoczynku, ale nie podczas snu

warunki: nie jeść 12 godz przed, wyspany, pozycja półleżąca przez 30 min przed badaniem,  
kompletny relaks, przebywać w pomieszczeniu o temperaturze ok 20-27 stopni (1 stopień  

więcej 10% w górę BMR)
→ dla osoby o 70 kg wynosi około 1680 kcal / dzień czyli około 70 kcal/h tj około 81 W (tyle co 

żarówka ^^)
→ zależy od: wieku, płci , wzrostu, wagi, funkcjonowania tarczycy (nadczynność BMR rośnie), 

temperatury ciała (wzrost o 1 stopień → 10% BMR)

Aby utrzymać stała wagę ciała dostarczać odpowiednia ilość pokarmu i wydawać

ZADANIE – Spalanie – Jak łatwiej schudnąć?
aktywność fizyczna

zmniejszenie ilości dostarczanych kalorii
przykłady:

1. aktywność fizyczna

należy schudnąć 4,54 kg

a=15

kcal

min

V

=

9,3

kcal

g

t ∙ a=m∙ V

praca fizyczna

t=47 h

background image

2. dieta

E

U

=

2500

kcal

dzień

E

d

=

2000

kcal

dzień

t=

m∙ V

E

U

– E

d

t=84 dni

Scalowanie BMR

BMR=cm

b

3/ 4

 (prawo Kleiber'a)

gdzie

c=ok 90[

kcal

kg

3/ 4

]

 – dzień

m

b

 = masa ciała [kg]

Ekwiwalent produkcji ciepła

spanie

71 kcal/h

83 W

Wolny spacer

228

265

Jazda na rowerze 15 km/h

344

400

Piłka nożna

500

580

Jazda na rowerze 21 km/h

602

700

Extremalna aktywność np.; 

wyścig rowerowy

1400

1600

PRACA I MOC

 

(wydajność) sprawność ciała ludzkiego 

=

praca wykonana

dostarczona energia

np.; jazda na rowerze 29%, 
pływanie 2-4%, 

silnik parowy ok, 17% 

straty ciepła

→ 

zimnokrwiste (zmiennocieplne)

 – w ciepły dzień mają wyższą temperaturę

→ 

ciepłokrwiste (stałocieplne) 

– stała temperatura ciała , dzięki temu procesy metaboliczne 

przebiegają ze stałą prędkością

układy chłodzenia: krążenie (skurcz, rozkurcz, serce, płuca, mózg, termoreceptory w skórze)

background image

STRATY CIEPŁA

1. PRZEZ WYPROMIENIOWANIE

Q

rad

t

=

E ∙ A

u

 T

skin

4

– T

a

4

 – stała Boltzmana 

5,67· 10

8

[

W

m

2

k

4

]

  E – zdolność emisyjna skóry

A

u

 – efekt promieniowania ciała [m2]

T

a

 – temp otoczenia

T

skin

 – temp skóry

po uproszczeniu szybkość wypromieniowania energii zależy od różnicy 

T

skin

– T

a

T

skin

4

– T

a

4

=

T

skin

– T

a



T

skin

3

T

skin

2

T

a

T

skin

T

a

2

T

a

3

→ dla wydajności 23%

T

skin

4

– T

a

4

=

10

8

T

skin

T

a

Q

rad

t

=

rad

T

skin

T

a

     gdzie  

rad

=

12[

kcal
h

o

C

]

0T

a

40

30T

skin

40

2. STRATY CIEPŁA  PRZEZ KONWEKCJĘ

Q

con

t

=

K

conv

∙ A

u

T

skin

– T

a

K

conv

 – stała zależna od ruchów powietrza

A

u

 – nieokryta pow skóry

T

skin

 – temp skóry

T

a

 – temp otoczenia

K

conv

=

10,45 – v10sqrt [

kcal

m

2

h

o

C

]

   dla 

=2 do 20

m

s

Q

conv

t

=

13

kcal

h

O

C

3. STRATY CIEPŁA PRZEZ PRZEWODZENIE

Q

cond

t

=

K

cond

AA

u

L

T

skin

– T

a

A - powierzchnia całkowita ciała
A

u

 -  powierzchnia goła ciała

K

cond

 = 0,04-0,2 [kcal/mhC]

L - grubość materiału

=

L

K

cond

  → izolacja materiału 

background image

I większe gdy L większe (grube) lub K

cond

 mniejsze (niskie)

I = 0,44 Clo – przyjazne środowisko

I = 0,1 Clo – ciepłe środowisko
I = 1 clo – zimne środowisko

I = 10 clo – arktyczne środowisko
I = 6 clo – lis 

Q

cond

t

=

Ac

I

T

skin

T

a

4. STRATY PRZEZ POCENIE

Q

poc

t

=−

−36,85

O

=Lv [

kcal

l

]

∙ Ev [

l

hC

]=

ok 580 Ev [

kcal

hC

]

tempo pocenia 

Ev=

V

pot

t

→ ciepło potrzebne do wyparowywania 1 L H2O => 540 kcal

→ średnio 7 kcal/h

MECHANIKA PŁYNÓW USTROJOWYCH

ciśnienie 

p=

F

S

jednostki ciśnienia mierzonego w płucach

mmHg zamiana Pa

POMIARY CIŚNIENIA

→ sfigmomanometr
ciśnienie statyczne, dynamiczne – zaniedbywalne , hydrostatyczne – eliminacja (pomiar na 

poziomie serca)

ciśnienie skurczowe: podczas wypuszczania powietrza w szczytowym momencie wyrzutu serca 
(max ciśnienie) dochodzi do krótkotrwałego otwarcia tętnicy i przepływu krwi (pierwszy stuk)

ciśnienie rozkurczowe – ostatnie słyszalne

Prawo Laplace'a dla naczyń krwionośnych

naczynia włosowate maja bardzo cienkie ścianki, dlaczego więc nie pękają

warunek: ciśnienie P jednakowe we wszystkich kier, T siły napinające ścianki => 
napięcie, R-promień

P=

T

R

P=P

inside

– P

ext

ciśnienie jest STAŁE więc im mniejszy R tym mniejsze T, dlatego naczynia nie pękają

dla kuli pęcherzyki płucne 

P=

2T

R

Prawo ciągłości – jeżeli przepływ jest laminarny (kierunek i prędkość cząstek nie zmienia si3e w 
czasie w każdym stałym wnętrzu cieczy.....to se kurwa uzupełnić -.-

background image

Prawo Bernoulliego:
z prawa zachowania energii

mgh

2

mv

2

2

–  mgh

1

mv

1

2

2

=

p

1V

– p

2V

po przekształceniu otrzymujemy 

p

v

2

2



gh=const

Suma ciśnień statycznego , kinetycznego i hydrostatycznego w każdym miejscu jest  
stała.

 Z powyższego prawa wynika, ze przepływ cieczy może być wywołany różnica ciśnień na 

końcach rozważanego przewodu

Trzy przypadki:
v = 0

p1=p2 Torricelli
h1=h2 Venturi

prawo ciągłości 

A

1

v

1

=

A

2

v

2

p

1

v

1

2

2

=

p

2


2

A1
A2

v

1

2

p

2

– p

1

=

v

1

2

2

– 

A1
A2

2

A2 < A1, 
v2>v1, 

p2<p1

dla zablokowanych naczyń przepływ jest szybszy a ciśnienie niższe

Oporność przepływu: różnica ciśnień potrzebna do wywołania przepływu J 

R

flow

=

P

J

podatność -zmiana objętości, spowodowana przez zmianę ciśnienia w naczyniu 

C

flow

=

V

P

inertacja przepływu: zmiana ciśnienie wywołana przez zmianę przepływu

L

flow

=

P

J

lepkość jednostka [mPa*s]
→ w niskich temp. wzrasta lepkość – wzrasta opór przepływu krwi, mniej krwi płynie przez 

zimne stopy, ręce etc.

OPÓR NACZYNIOWY

krew posiada lepkość [1 pa ∙ s = 1 poise /płaz/ ]  zostaje wykonana praca związana z 
pokonaniem oporów tarcia o ścianę naczynia oraz między warstwami poruszającymi się z 

rożnymi prędkościami. Kosztem tej pracy powstaje ciepło a natężenie przepływu wyraża się 
wzorem POISSEUILL'a

background image

Prawo POISSEUILL'a natężenie przepływu danego przewodnika jest proporcjonalne do różnicy 
ciśnień na końcach naczyń 

=

1

R p

J -natężenie przepływu 

[

m

3

s

]

Całkowity obwodowy opór naczyniowy TPR – jest równy stosunkowi ciśnień

p

między 

układem żylnym  tętniczym do natężenia przepływu krwi J

TPR=

p

J

wielkość ta obejmuje wszystkie naczynia krążenia dużego, a największy wpływ na ten 

współczynnik maja naczynia oporowe, czyli tętniczki małe i naczynia przedwłosowate tętniczee

→ wszystkie naczynia są rurkami sprężystymi a strumień krwi płynie przez te naczynia pod 
zmiennym ciśnieniem

→ podczas zwiększania ciśnienia ściany naczynia rozciągają się i gromadzą pewien zapas krwi , 
zmniejsza się wówczas czynnik geometryczny 1/r4 i zmniejsza się opór naczyniowy

napięcie sprężyste T to stosunek wypadkowej sił sprężystych w naczyniach do długości odcinka 
naczynia wzdłuż którego siły te są zaczepione

tętnice są bardziej sprężyste od żył które tylko przy bardzo małych ciśnieniach łatwo zmieniają 
swoja geometrie

zdolność naczynioruchowa – zdolność zmiany światła w przekroju naczynia 

DLACZEGO NIE LATAMY

→ skrzydło: większa krzywizna powierzchni górnej, prędkość wzdłuż górnej większa, ciśnienie 
statyczne nad skrzydłem niższe, różnica ciśnień – siła nośna

→ nie możemy 

wygenerować siły wystarczającej do uniesienia masy ciała
bo objętość powietrza = 

0,05 m

3

dla ramion dwóch – 

0,1 m

3

gęstość powietrza = 

10

3

b

cm

3

=

1

kg
m

3

→ masa powietrza na 1 uderzenie (wymach) ok 0,1 kg

→ prędkość na końcu ramienia
V = 40 m/s

v śr = 20 m/s

zakł 3 wymachy na sek

=0,1 kg · 20

m

s

· 3

1

s

=

≪700N