WYKŁAD 1 Wprowadzenie

Spis zagadnień:

•Definicjaizakresbadańbiofizyki;

•Istotafizyki-pojęciapodstawowe;

•Krótkiprzeglądhistoriibiofizykiijejewolucji;

•Wielkościfizyczneiichjednostki;wzorcewielkościfizycznych;

•RedukcjonizmiholizmwBiofizyce-przykłady

BIOFIZYKA -fizyka na granicy pomiędzy materią ożywioną i nieożywioną

Biofizykajest dziedziną naukową z pogranicza fizyki i biologii, zajmującą się badaniem procesów fizycznych związanych z funkcjonowaniem określonych obiektów żywych: organizmów, organów, tkanek, komórek. W sferze jej badań są procesy i przemiany energetyczne, zjawiska elektryczne, mechanika ruchów, itp. Bada struktury cząsteczkowe i procesy fizyczne w komórce. Biofizyka podejmuje również próby ustalenia uniwersalnych praw biologicznych niezależnych od konkretnej formy życia. Dziedzina ta w zakresie badania organicznych struktur cząsteczkowych zazębia się z biochemią i tu wyznaczenie ścisłej granicy między tymi dziedzinami staje się już trudne.

Fizyka na granicy pomiędzy materią

ożywioną i nieożywioną biofizyka

Przyrządów do prowadzenia obserwacji dostarcza fizyka.Interpretacja wyników doświadczalnych:

•interpretacja fizyczna (zwykle dotyczącą analizy strukturalnej)

•interpretacja biologiczno -medyczna (dotyczącą analizy funkcjonalnej).

Podstawowe zadanie fizykiOdkrywanie ukrytych praw natury (fundamentalnych zasad) leżących u podstaw danych doświadczalnych, łączenie w jedną całość różnych klas zjawisk.

•nauka o cieple i mechanika;

•odkrycie związku między zjawiskami elektrycznymi, magnetycznymi i optycznymi -teoria pola elektromagnetycznego;

•zjawiska chemiczne, własności różnych substancji i zachowanie się atomów w cząsteczkach-chemia kwantowa;

Przykłady:

•nauka o cieple i mechanika;

•odkrycie związku między zjawiskami elektrycznymi, magnetycznymi i optycznymi -teoria pola elektromagnetycznego;

•zjawiska chemiczne, własności różnych substancji i zachowanie się atomów w cząsteczkach-chemia kwantowa;

Istota fizyki -definicjaFizyka (z gr. phýsis -przyroda) jest nauką o formach materii czyli o przyrodzie w najszerszym znaczeniu tego słowa.

Fizycy badają właściwości i przemiany materii i energii, które są opisywane jako zjawiska fizyczne.

Do opisu materii i zjawisk fizycznych fizycy używają wielkości fizycznych, opisują sposób wyrażenia wielkości fizycznych za pomocą pojęć matematycznych (liczba, wektor, tensor itp.), tworzą teorie fizyki, które są zwykle wyrażane jako matematyczne związki między wielkościami fizycznymi

Krótki przegląd początków fizykiPoczątek fizyki -człowiek zadaje pytanie: „Jak działa Wszechświat”650 p.n.e. -wiedza praktyczna oparta na obserwacji (umiejętność przewidywania zaćmień, sterowania okrętami w nocy, itp.).

Tales z Miletu-pierwszy fizyk. Opis świata oparty na ścisłych zasadach logicznego rozumowania. Woda jest pierwotnym i ostatecznym żywiołem. Siła i materia zjednoczone.

Anaksymander-był uczniem Talesa. Miłośnik wiedzy praktycznej (wykreślił mapę Morza Czarnego dla milezyjskich żeglarzy). Pierwotna substancja -apeiron, czyli bezkres. Pierwotnym stanem materii była niezróżnicowana masa o kolosalnych, może nawet nieskończonych rozmiarach; prymitywne tworzywo, neutralne wobec przeciwieństw;

Anaksymenes -pierwotnym żywiołem „powietrze”; obserwacja i doświadczenie podstawą tej teorii; sprytne określanie relacji między własnościami fizycznymi ciał: gęstość, temperatura, objętość, stany skupienia.

Heraklit-ogień;

Ksenofanes-ziemia;

Parmenides -uważał, że Byt jest materialny oraz, że ani nie powstaje, ani nie przemija. Materia nie pojawia się i nie znika. Ona po prostu jest i nie potrafimy jej unicestwić.

Empedokles-woda, powietrze, ogień i ziemia. Początki chemii: wzajemne zachowanie się ciał poprzez powinowactwo; oddzielenie materii od siły;

Pitagoras-rozwój matematyki (geometria), akustyka; liczba jako zasada bytu; odkrycia astronomiczne i nowy obraz świata;

Demokryt z Abderymiędzy 460 a 360 p.n.e.60 prac z następujących dziedzin: fizyka, kosmologia, astronomia, geografia, fizjologia, medycyna, nauka o zmysłach, epistemologia, matematyka, magnetyzm, botanika, teoria muzyki i poezji, lingwistyka, rolnictwo, malarstwoTwórca teorii atomistycznej

1.Niezmienność bytu ale również jego zgodność z doświadczeniem: teoria wyjaśniana przez zasady a sprawdzana przez doświadczenie;

2.Materia składa się z poruszających się w próżni atomów: cząstek niepodzielnych, niezmiennych różniących się kształtem, położeniem i porządkiem;

3.Własnością atomów jest ruch;

4.Wszystkie zjawiska, również psychiczne, można wyjaśnić jako układy poruszających się atomów;

5.Szukał przyczyny a nie celu zjawiska;

Współczesne żywioły -cząstki elementarnePojęcie cząstki elementarnewprowadzono w latach 1930-1935 i oznaczało ono elektron, proton, neutron i kwant gamma (foton). W tamtych czasach uznawano, że cała materia zbudowana jest z tych cząstek.W latach późniejszych odkryto miony, mezony, kwarki i wiele innych cząstek oraz ich antycząstki, wszystkie je też uznano za elementarne; obecnie znanych jest ok. 400 takich cząstek.

Cząstkami elementarnymi są te wszystkie cząstki, które są niezbędne do wyjaśnienia własności wszystkich form materii, i tylko te, których nie można wyjaśnić przez inne cząstki. Z definicji tej wynika, że są one jednocześnie podstawowym budulcem materii i nie posiadają wewnętrznej struktury.

Model Standardowy wprowadza 12 cząstek, z których zbudowana jest materia, zwanych fermionami i 12 cząstek odpowiedzialnych za przenoszenie oddziaływań między innymi cząstkami zwanych bozonami ("cząstek promieniowania").

Obecnie znamy następujące rodzaje oddziaływań podstawowych :

* oddziaływanie elektromagnetyczne (foton)

* oddziaływanie słabe (bozon W±, bozon Z)

* oddziaływanie silne (gluon)

* oddziaływanie grawitacyjne (grawiton)

Punkty przełomowe w rozwoju fizyki, determinujące metodologię biofizyki:

•mechanika Newtona (1687) -powstanie mechaniki klasycznej.

•teoria elektromagnetyzmu wg Maxwella (1864) -powstanie spójnej teorii opisującej oddziaływanie elektromagnetyczne, pierwsza unifikacja teorii fizycznych,

•teoria kwantów (1900) z podstawami zaproponowanymi przez Plancka -podstawowa teoria opisująca strukturę materii,

•szczególna teoria względności (1905) i ogólna teoria względności (1915) Einsteina -nowe pojęcie czasu i przestrzeni, ogólna teoria oddziaływania grawitacyjnego.

Punkty przełomowe w rozwoju biologii, determinujące rozwój biofizyki:

•początek współczesnej anatomii (1543) -dzieło Vesaliusa

•klasyfikacja świata roślin, zwierząt i minerałów -SystemanaturaeLinneusza(1735)

•teoria komórkowa (1838) -Schleideni Schwann-redukcja świata organizmów żywych, teoria ewolucji (1859) -dzieło Darwina,

•odkrycie modelu DNA (1953) -Watson i Crick-mechanizm dziedziczenia cech przez organizmy żywe

•poznanie genomu człowieka (2001) -początek genomikii proteomiki.

Podstawowe zagadnień biofizyki współczesnej: analiza struktury biomakrocząsteczek(białka, kwasy nukleinowe, układy supramolekularne), błona biologiczna -struktura i funkcja (bioenergetyka, kanały błonowe, receptory), motory molekularne i mięśnie -ogląd molekularny, biofizyka układu nerwowego, transdukcja sygnału w organizmie żywym, bionika, biosensory i bioelektronika. Trzy podstawowe aspekty fizyczne biofizyki współczesnej:

1.fizyczne podstawy procesów fizjologicznych w organizmach żywych,

2.projektowanie i aplikacja metod fizycznych w badaniach biologicznych,

3.modelowanie procesów biologicznych.

Redukcjonizm i holizm w BIOFIZYCE

Redukcjonizm -pogląd w filozofii nauki, stanowisko metodologiczne przyjmujące, że możliwe i właściwe jest wyjaśnienie i opis własności złożonego układu poprzez opis i wyjaśnienie zachowania jego części.

Holizm (od gr. holos -całość) to pogląd (przeciwstawny redukcjonizmowi), według którego wszelkie zjawiska tworzą układy całościowe, podlegające swoistym prawidłowościom, których nie można wywnioskować na podstawie wiedzy o prawidłowościach rządzących ich składnikami. Całości nie da się sprowadzić do sumy jej składników.Biorąc pod uwagę najnowsze osiągnięcia biologii molekularnej, w tym rozwój genomiki i proteomiki, redukcjonizm w biologii będzie się odnosił głównie do klasycznych działów biofizyki -biomechanika, bioenergetyka, biofizyka molekularna. Nowe kierunki -genomika i proteomika -prowadza raczej do podejścia holistycznego. Tą stosunkowo nową dziedzinę biologii nazywa się biologią systemową.

CO ŁĄCZY BIOFIZYKĘ Z FIZYKĄ?

1.Stawianie pytań podstawowych (fundamentalnych) :Czym jest życie i skąd się wzięło? Co łączy materię nieożywioną i ożywioną?2. Opis ilościowy a nie tylko jakościowy zjawisk (aparat statystyczno-matematyczny).3. Układy biologiczne bardzo wygodnie badać z punktu widzenia termodynamicznego (duża liczba cząstek), lub kwantowego (biochemia kwantowa).4. Fundamentalne prawa fizyki działają dla układów biologicznych.5. Redukcjonizm odnoszący triumf w fizyce dobrze przeniesiony na grunt biofizyki.

WYKŁAD 2 Biofizyka jako dział fizyki

Spis zagadnień:

•Metodanaukowabadań(indukcja,dedukcja).

•Wielkościbiofizyczneiichjednostki;

•Wzorcewielkościfizycznych;

•Biofizykajakodziałfizyki(charakterystykaobiektówbadań,wielkościjeopisujące).

•Hierarchicznośćbudowyżywychorganizmów.

•Modelowaniewbiofizyce(modelebiologiczne,modelefizyczne,modeleanalogowe;modelematematyczne).

•Elementyteoriichaosu;

Galileuszi Francis Baconstworzyli w XVI wieku model metody naukowejRozpoznanie problemuPostawienie hipotezy

Przewidywanie konsekwencji hipotezyWykonanie doświadczenia potwierdzającego przewidywaniaSformułowanie reguły

Metoda indukcyjna i metoda dedukcyjna:Metoda dedukcyjna(dedukcja -łac. deductio-wyprowadzenie) -rozumowanie polegające na wyprowadzaniu z pewnych zdań (prawdziwych przesłanek) wynikającego z nich logicznie następstwa. Polega na przechodzeniu od ogółu do przypadków szczegółowych. Metoda indukcyjna(indukcja -łac. inductio-wprowadzenie) -jest przeciwieństwem metody dedukcyjnej. Wnioskowanie polegające na wyprowadzaniu wniosków ogólnych z przesłanek będących ich poszczególnymi przypadkami. W naukach empirycznych: metoda polegająca na wyprowadzaniu uogólnień na podstawie eksperymentów i obserwacji faktów, formułowaniu i weryfikacji hipotez. FIZYKA TEORETYCZNAFIZYKA DOŚWIADCZALNABIOFIZYKA

Wielkości fizyczne i ich jednostkiwielkość fizyczna: pewna cecha materii, dla której ustalono sposób pomiaruwielkości podstawowe -określone jedynie przez sposób ich pomiaru

wielkości pochodne

-określone poprzez podanie związku z wielkościami podstawowymi

jednostka wielkości fizycznej-ustalony wzorzec tej wielkościNiektóre układy jednostek:

•Międzynarodowy układ jednostek miar SI

•Układy CGS: CGSES, CGSEM, Gaussa

•Układ techniczny(ciężarowy)

wymiar wielkości fizycznej-jednostka tej wielkości wyrażona za pomocą jednostek podstawowych danego układu

Jednostki wielkości bazowych układu SI

Metr jest. to długość drogi przebytej w próżni przez światło w czasie 1/299792458 s.Kilogramem nazywamy masę wzorca wykonanego ze stopu platyny z irydem, jaki jest przechowywany w Międzynarodowym Biurze Miar w Sevres pod Paryżem. Sekunda jest to czas trwania 9 192631 770 okresów promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami nadsubtelnymi podstawowego stanu atomu cezu 133. Amper jest natężeniem prądu elektrycznego nie zmieniającego się, który płynąc w dwóch równoległych prostoliniowych nieskończenie długich przewodach o przekroju okrągłym, znikomo małym, umieszczonych w próżni w odległości jednego metra jeden od drugiego, wywołałby między tymi przewodami siłę 2·1 0-7niutona na każdy metr długości.Kelwin jest jednostką temperatury w absolutnej skali termodynamicznej, w której temperatura punktu potrójnego wody Ttrjest dokładnie równa 273,16 K [1 K = (1/273,16)Ttr]. Kandela jest to światłość, jaką ma w określonym kierunku źródło emitujące promieniowanie monochromatyczne o częstotliwości 540·1012Hz i którego natężenie w tym kierunku jest równe 1/683 W /sr . Radian jest kątem płaskim zawartym między dwoma promieniami koła wycinającymi z okręgu tego koła łuk o długości równej promieniowi. Steradian jest kątem bryłowym o wierzchołku w środku kuli wycinającym z powierzchni tej kuli pole równe kwadratowi jej promienia.

PIERWIASTKI BIOGENNE (budulcowe) podstawowe składniki wszystkich żywych organizmów, budujące ciało organizmu i niezbędne do jego prawidłowego funkcjonowania:Węgiel (C)to podstawowy budulec związków organicznych. Jest także składnikiem dwutlenku węgla (CO2) wykorzystywanego w fotosyntezie i uwalnianego w oddychaniu(głównie tlenowym).Tlen (O)jest potrzebny do oddychania komórkowego. Większość organizmów może przeżyć tylko w warunkach wystarczającego zaopatrzenia w tlen (oddychanie tlenowe). Tlen stanowi jeden z produktów fotosyntezy i jest ważnym substratem w chemosyntezie. Wraz z wodorem wchodzi w skład niezbędnej do życia wody.Wodór (H)jest kluczowym pierwiastkiem w przemianach energetycznych. Ma podstawowy wpływ na odczyn (pH), m.in. płynów ustrojowych. Składnik wody.Azot (N) współtworzy aminokwasy, a zarazem białka, oraz kwasy nukleinowe i związki wysokoenergetyczne. Z atmosfery przyswajają go bakterie azotowe, zwierzęta zaś wydalają w postaci amoniaku lub mocznika.Fosfor (P)jest składnikiem kwasów nukleinowych, lipidów i białek oraz związków wysokoenergetycznych, a jego niedobór w pożywieniu może hamować ich syntezę. Pełni ważną rolę w przenoszeniu i magazynowaniu energii (składnik ATP) oraz w wielu procesach metabolicznych. Ważny składnik kości.Siarka (S)wchodzi w skład większości białek. Ma działanie bakteriobójcze, np. jako składnik olejków eterycznych. Niezbędna w chemosyntezie bakterii siarkowych.

PIERWIASTKI NIEBIOGENNE

Wapń (Ca) pełni rolę regulatora stopnia uwodnienia cytozolu komórek, przekaźnika informacji międzykomórkowej i w obrębie komórki, aktywatora enzymów. Jest składnikiem strukturalnym kości i zębów zwierząt oraz ścian komórkowych roślin.

Magnez (Mg) utrzymuje strukturę rybosomów, jest składnikiem chlorofilu. Podobnie jak wapń reguluje stopień uwodnienia cytozolu komórek.

Sód (Na) jest niezbędny w przewodzeniu impulsów nerwowych i regulacji ciśnienia osmotycznego płynów ustrojowych. Ilość sodu jest większa u zwierząt niżu roślin.

Potas (K) jest czynnikiem zwiększającym stopień uwodnienia cytozolu i aktywuje niektóre enzymy. Uczestniczy też w przewodzeniu impulsów nerwowych oraz wpływa na skurcze mięśni. Ilość potasu jest większa u roślin niż u zwierząt.

Chlor (Cl)jest ważny dla regulowania równowagi płynów ustrojowych, aktywuje pewne enzymy, uczestniczy w polaryzacji błon komórek nerwowych.

MIKROELEMENTY stanowią 0,01-0,00001% suchej masy organizmu, ale są niezbędne do jego prawidłowego funkcjonowania

Żelazo (Fe) jest składnikiem białek złożonych transportujących tlen (hemoglobiny, mioglobiny), jako składnik enzymów uczestniczy w reakcjach redoks.

Miedź (Cu) obecna w różnych związkach może przenosić elektrony w białkach "oddechowych" niektórych bezkręgowców.

Kobalt (Co) umoŜliwia wiązanie azotu przez rośliny motylkowe żyjące w symbiozie z bakteriami korzeniowymi, wchodzi w skład witaminy B12 i kilku enzymów.

Cynk (Zn) jest odpowiedzialny za tworzenie substancji regulujących rozwój roślin. Występuje w niektórych hormonach (insulina) i wielu enzymach. Niezbędny w syntezie białek i kwasów nukleinowych.

Bor (B)jest konieczny do prawidłowego wzrostu roślin oraz właściwej gospodarki węglowodanowej roślin.

Molibden (Mo) wchodzi w skład niektórych enzymów utleniających i regulujących gospodarkę azotową roślin.

Jod (J)jest składnikiem hormonów tarczycy, regulujących przemianę materii.

Fluor (F)wchodzi w skład szkliwa zębów, występuje też w kościach.

Krzem (Si)to ważny składnik ściany komórkowej niektórych protistów (np. okrzemek) oraz roślin (np. skrzypów).

PIERWIASTKI ŚLADOWE (ULTRAMIKROELEMENTY) PIERWIASTKI ŚLADOWE mniej niż 0,0000001% suchej masy;:Złoto (Au), Srebro (Ag) i Rad (Ra) -ich rola biologiczna nie jest do końca poznanaSelen (Se) zawarty w enzymach erytrocytów zapobiega ich rozpadowi, stabilizując błony komórkowe;Chrom (Cr) przeciwdziała spadkowi ciśnienia krwi. Ilość pierwiastka nie decyduje o jego znaczeniu w organizmie: brak lub niedobór niektórych pierwiastków występujących w małych ilościach może być przyczyną nieprawidłowego funkcjonowania organizmu, a nawet jego śmierciUWAGA: porównanie udziału ilościowego pierwiastków występujących w wodach oceanicznych oraz płynach ciała zwierząt wykazało duże podobieństwo składu pierwiastkowego jednych i drugich; potwierdza to hipotezę o powstaniu życia w środowiskupierwotnego oceanu a także o pokrewieństwie wszystkich organizmów żywych

Modele matematyczne w fizyce

Pod pojęciem modelu rozumiemy zespół założeń upraszczających opis danego obiektu fizycznego, procesu lub zjawiska ujmującego najważniejsze własności obiektu badań i przedstawiający go w ten sposób, że pewien obiekt, proces lub zjawisko, które na ogół w rzeczywistości nie istnieje, ma cechy dostatecznie zbliżone do rzeczywistego obiektu badań Encyklopedia Fizyki

Rodzaje modeli

modele rzeczywiste-badania w kontrolowanych warunkach i badania w skali

modele analogowe -analogia między zachowaniem się różnych obiektów lub przebiegiem różnych procesów

modele fenomenologiczne-prowadzenie obserwacji układu makroskopowego, bezpośrednie pomiary wielkości charakteryzujących ten układ i próba znalezienia relacji między tymi wielkościami.

modele fizyczno-matematyczne -opisują za pomocą równań (najlepiej konstytutywnych) modelowany proces; zastosowanie metody numerycznej;

1.Określenie wszystkich możliwych czynników wpływających na modelowany proces i wyrażenie tego wpływu za pomocą równań

2.Eliminacja czynników (elementów) modelu w celu jego uproszczenia do praktycznego korzystania z zachowaniem wymaganej dokładności

Kiedy stosujemy badania modelowe ?

Badany obiekt jest zbyt mały lub zbyt duży,

Badany proces jest zbyt szybki lub zbyt powolny,

Badany obiekt lub proces jest bardzo skomplikowany

Niemożliwa jest realizacja badań ze względów technicznych lub ekonomicznych

Encyklopedia Fizyki Współczesnej

Dlaczego modelujemy ?

Aby w sposób ilościowy opisać badany obiekt lub przebieg zachodzących procesów,

Aby przewidywać zachowanie się badanego obiektu lub przebieg zachodzących procesów,

Aby poznać prawa rządzące obiektem i/lub badanymi procesami

Determinizm i probabilistykaWspółczesna fizyka dysponuje dwoma obrazami świata, ogólną teorią względności, która dobrze opisuje wszechświat w jego makroskali, i teorią kwantów, która równie dobrze opisuje świat subatomowy. Teorie te są diametralnie różne, np. pierwsza jest deterministyczna, a druga probabilistyczna, i wydaje się niewyobrażalne, by mógł istnieć między nimi związek. Powszechnie się nawet uważa, że teoria kwantowa jest nieredukowalnie probabilistyczna.

Teoria chaosuSkąd się biorą prawdopodobieństwa? Czy nie są to pewnego rodzaju schematy ukrywające głębszą strukturę w sensie teorii chaosu? Istnienie dobrze określonych schematów statystycznych dowodzi istnienia pewnego porządku, który staje się widoczny dopiero po uśrednieniu po dłuższym czasie. Gdyby układ był naprawdę losowy, to dlaczego jest on taki statystycznie regularny?

Podejście deterministyczne

Fizyka klasyczna

Ogólna teoria względności

Termodynamika

fenomenologiczna

Podejście probabilistyczne

Fizyka kwantowa

Termodynamika

statystyczna

Teoria chaosuSkoro atom promieniotwórczy ulega rozpadowi w taki sposób, że daje się zauważyć pewne statystyczne regularności, to skąd się te regularności biorą? Stwierdzenie, że ich charakter jest fundamentalnie statystyczny i poprzestanie na tym jest po prostu postulowaniem pewnego schematu, który powinien być wyjaśniony. Jeżeli nasz Układ Słoneczny jest chaotyczny, to jeszcze przez pięć miliardów lat możemy spać spokojnie

Teoria chaosuTeoria chaosu pozwala na sensowne stawianie takich i podobnych pytań, otwierających niezwykłe perspektywy przed dalszym rozważaniem świata modo mathematico. Można bez obawy większego ryzyka przewidywać, że główny wysiłek matematyki w XXI wieku będzie skupiony na badaniu chaosu.

WYKŁAD 3 Właściwości biomechaniczne tkanek

Spis zagadnień:

•Zjawiskosprężystości;

•PrawoHooke'a;Charakterystykanaprężenie-odkształcenie;

•Odkształcenielinioweosiowe;Odkształceniepostaciowe(kątowe);Odkształcenieobjętościowe;

•Właściwościmechaniczneciałporowatych.

•Rozciąganieiściskanietkanek,

•Skręcanieizginanie,złamaniakości.

•Pomiarnaprężeńwkościachpodczaspróbwytrzymałościowych.

•Dostosowaniebiernegoukładuruchudoprzenoszeniaobciążeńmechanicznych

Zjawiskosprężystościpoleganatym,żeciałopodziałaniunaniesiłąodkształcasięnietrwale.Gdysiłaprzestajedziałaćciałowracadoswojegopoprzedniegokształtu.

Sprężystość objętościowa

gazy i ciecze

Sprężystość postaciowa

ciała stałe:

-Odkształcenie sprężyste

-Odkształcenie plastyczne (trwałe)

Odkształcenia proste: rozciąganie, ściskanie, zginanie, skręcanie oraz ścinanie (przesunięcie proste)

Przedmiot wytrzymałości materiałów

•Wytrzymałośdmateriałówzajmujesiębadaniemsiłwewnętrznychwciałach,abyodpowiedziednapytanie,czypodwpływemdanychobciążeowjakimśobszarzeciałasiływewnętrznenieosiągnązbytdużychwartościczyciało„wytrzyma”daneobciążenie.

•Drugą,równieważnądziedzinąbadaowytrzymałościmateriałówjestanalizaodkształceociałikonstrukcji

Siły zewnętrzne i wewnętrzne

•Pod nazwą sił zewnętrznych rozumiemy siły czynne, czyli obciążenia, oraz siły bierne, czyli reakcje działające z zewnątrz na dane ciało. Mogą to byd siły skupione, siły powierzchniowe (np. ciśnienia) lub siły objętościowe (np. siły przyciągania ziemskiego.

•Siły wewnętrzne to siły z jakimi jedne cząstki położone wewnątrz ciała działają na drugie.

Odkształcenia

•Ciała ulegają odkształceniom pod wpływem działających na nie sił zewnętrznych. Odkształcenia mogą mied charakter:

•Sprężysty -po ustąpieniu siły odkształcenia ustępują, ciało przybiera pierwotną formę,

•Plastyczny -po ustąpieniu siły ciało nie powraca do pierwotnej formy,

•Niszczące -dochodzi do zniszczenia struktury, naruszona zostaje spoistośd ciała.

Ciała ulegają odkształceniom pod wpływem działających na nie sił zewnętrznych. Odkształcenia mogą mied charakter:

•Sprężysty -po ustąpieniu siły odkształcenia ustępują, ciało przybiera pierwotną formę,

•Plastyczny -po ustąpieniu siły ciało nie powraca do pierwotnej formy,

•Niszczące -dochodzi do zniszczenia struktury, naruszona zostaje spoistośd ciała.

Ciała ulegają odkształceniom pod wpływem działających na nie sił zewnętrznych. Odkształcenia mogą mied charakter:

•Sprężysty -po ustąpieniu siły odkształcenia ustępują, ciało przybiera pierwotną formę,

•Plastyczny -po ustąpieniu siły ciało nie powraca do pierwotnej formy,

•Niszczące -dochodzi do zniszczenia struktury, naruszona zostaje spoistośd ciała.

Właściwości ciał

•Jeżeli właściwości elementarnej kostki „wyciętej” z ciała są jednakowe niezależnie od kierunku, to materiał, z którego zbudowane jest ciało nazywamy izotropowym (równokierunkowym) np. metale, plastiki.

•Istnieją również materiały anizotropowe (różnokierunkowe), to znaczy takie których właściwości zależą od orientacji względem płaszczyzn lub kierunków np kierunku słojów (drewno) kierunku zbrojeo i sposobu ułożenia warstw (materiały kompozytowe) czy względem kierunków anatomicznych (kości).

Definicja naprężenia

Jeżeli na nieskończenie małym przekroju dS wypadkowa sił międzycząsteczkowych wynosi dF, to iloraz siły dF przez pole dS nazywamy naprężeniem σ.

Jednostki

•1N = 1kg·1m/s2 niuton (jednostka siły)

•1N·m = 1N·1m niutonometr (jednostka momentu siły)

•1Pa = 1N/m2paskal (jednostka naprężenia)

•1MPa = 1MN/m2= 106N/m2= 1N/mm2

Prawo Hooke'a

•W wyniku obserwacji rozciąganych prętów pryzmatycznych Robert Hook (1676) stwierdził, że wydłużenie Δl pręta pryzmatycznego (pręt -długośd jest znacznie większa od pozostałych wymiarów poprzecznych) jest wprost proporcjonalne do siły rozciągającej F i do długości początkowej l pręta, a odwrotnie proporcjonalne do pola S przekroju poprzecznego pręta.

Współczynnik proporcjonalności E - moduł sprężystości przy rozciąganiu (Moduł Younga, 1807)

Wytrzymałośd narozciąganie

•Największe naprężenia, jakie mogła przenieśd badana próbka, nazywamy wytrzymałością na rozciąganie lub wytrzymałością doraźną materiału i oznaczamy Rm. Wytrzymałośd na rozciąganie Rmjest więc ilorazem maksymalnej siły Fmaxprzez pole S przekroju początkowego próbki

Naprężenia dopuszczalne

W celu zabezpieczenia się przed zniszczeniem konstrukcji (złamaniem kości) należy przyjąd pewną nieprzekraczalną wartośd naprężenia zwaną naprężeniem dopuszczalnym kr.

•Obliczone naprężenia badanego elementu muszą spełniad warunek:

•nm= współczynnik bezpieczeostwa dla rozciągania

Wytrzymałośd kości

•Właściwości mechaniczne kości i innych tkanek zależą istotnie od wieku.

•Wytrzymałośd kości jest największa w wieku 30-40 lat, a następnie maleje.

•Wytrzymałośd kości jest większa na ściskanie niż na rozciąganie.

•Wytrzymałośd kości na zginanie jest większa niż na skręcanie.

Wytrzymałośd kości udowej

•Średnia wytrzymałośd części zbitej ludzkiej kości udowej u ludzi dorosłych wynosi:

•Na rozciąganie 107 MPa

•Na ściskanie 139 MPa

•Na zginanie 160 MPa

•Na skręcanie 53 MPa

Wydłużenie graniczne

•Maksymalne wydłużenie względne w zależności od rodzaju kości wynosi 1,4 -1,5 %.

•Wraz z wiekiem wartośd ta zmniejsza się co oznacza, że kości osób starszych są bardziej kruche i mniej wytrzymałe.

Inne tkanki

•Wytrzymałośd mięśni na rozciąganie

0,1-0,3 MPa.

•Wytrzymałośd kości gąbczastej na rozciąganie 1-2 MPa.

•Wytrzymałośd chrząstki szklistej 1-40 MPa.

•Wytrzymałośd ścięgien 40-100 MPa

Zginanie

•W pręcie zginanym największe naprężenia występują w wyniku, z jednej strony rozciągania, a z drugiej ściskania jego zewnętrznych warstw leżących po przeciwnych stronach przekroju.

•O maksymalnych naprężeniach, podobnie jak w przypadku skręcania decyduje kształt i rozmiar przekroju.

•W przypadku belek obciążonych zawsze w tym samym kierunku optymalny (wytrzymały i zapewniający małą masę belki) jest przekrój dwuteowy.

•W przypadku, gdy kierunek obciążenia może się zmieniad optymalny jest przekrój kołowy z wydrążonym środkiem

Dostosowanie kości do obciążeo

•Aparat ruchu człowieka jest obiektem zoptymalizowanym pod względem wielu kryteriów w tym wytrzymałościowych.

•Przekrój poprzeczny kości długich często przypomina wydrążony przekrój kołowy.

•Kooczyny górne są przede wszystkim rozciągane, a dolne ściskane.

•Brak gwałtownych zmian przekroju

Dostosowanie kości do obciążeo

•Bierne elementyukładu ruchu zbudowane są z różnych rodzajów tkanki łącznej.

•Tkanka łącznazbita składa się z włókien biegnących w jednym kierunku, zwartych i przylegających do siebie. Duża wytrzymałośd (ścięgna, więzadła, torebki stawowe) zbudowana z kolagenu i elastyny zapewniającej sprężystośd.

•Tkanka chrzęstnapełni rolę tkanki podporowej (powierzchnie stawowe, zakooczenia żeber, w nosie i małżowinie usznej.

•Tkanka kostna składa się z komórek kostnych (osteocyty, osteoblasty i osteoklasty) i twardej, zbitej substancji międzykomórkowej przesyconej nieorganicznymi solami wapnia. Na powierzchni kości substancja ta tworzy zwartą istotę zbitą

Budowa kości

•Z punktu widzenia mechaniki kości można traktowad jako materiały kompozytowe o zróżnicowanej, hierarchicznej strukturze. Ich wewnętrzna budowa przystosowana jest zarówno do przenoszenia dużych obciążeo jednorazowych, jak i cyklicznych obciążeo o mniejszej amplitudzie. Na obciążenia cykliczne kośd, jako aktywna, żywa, tkanka reaguje dzięki zintensyfikowanej cyrkulacji płynów odżywczych, zwiększeniem masy i wzrostem grubości. Wykazano, że aktywnośd fizyczna, a w szczególności dwiczenia o charakterze siłowym, wpływają regenerująco na tkankę kostną i zapobiegają osteoporozie

Fenomen budowy kości

•Hierarchicznośd budowy. Istotną cechą kości jest wielopoziomowośd jej wewnętrznej struktury. Najdrobniejsze elementy strukturalne składają się na elementy większe, z których z kolei, zbudowane są elementy jeszcze większe itd.

•Spiralne ułożenie elementów przestrzennych. Na każdym poziomie strukturalnym można wyróżnid elementy, których wzajemne ułożenie przypomina przenikające się spirale. Chod dotyczy to szczególnie tkanek miękkich to skręcanie struktur obserwowane jest również w kościach.

Fenomen budowy kości cd.

•Zdolnośd do adaptacji. Kośd aktywnie reaguje na działające obciążenia i pojawiające się uszkodzenia struktury. Następuje wewnętrzna przebudowa (procesy remodellingu), której intensywnośd zależy od przykładanych obciążeo. Zdolnośd ta w największym stopniu odróżnia żywe tkanki od innych materiałów.

•Odpornośd na różnorodne obciążenia. Kości, jako materiały kompozytowe, zawierają różnego rodzaju wtrącenia, które, z technicznego punktu widzenia, można sklasyfikowad jako rozproszone wtrącenia, włókna, warstwy lub nawet trójwymiarowe kratownice. Zapewniają one wytrzymałośd na działanie naprężeo stycznych i normalnych, a szczególny sposób zapobiega propagacji pęknięd.

•Optymalna kombinacja własności mechanicznych. Z technicznego punktu widzenia, własności tkanki kostnej są dalece zoptymalizowane pod względem kryterium odporności na działanie różnorodnych, zewnętrznych czynników mechanicznych. Spełnione zostają przy tym również warunki pozwalające na wypełnienie przez tkankę kostną innych funkcji biologicznych, nie związanych bezpośrednio z przenoszeniem obciążeo.

WYKŁAD 4 Mechanika płynów, układ krwionośny i oddechowy

Spis zagadnień:

Ciśnienie i gęstość; Zmiany ciśnienia wewnątrz nieruchomego płynu; Prawo Pascala i prawo Archimedesa; Pomiar ciśnienia; Ogólny opis przepływu płynów; Równanie Bernoulliego; Liczba Reynoldsa; Wzór Stokesa; Dynamiczna siła nośna; Obliczanie oporów aero-i hydrodynamicznych oraz parametrów przepływu. Biofizyka układu krążenia (budowa układu krążenia, opis transportu w układzie krwionośnym, właściwości biomechaniczne i geometryczne naczyń krwionośnych); Biofizyka układu oddechowego (mechanizm wentylacji płuc, praca i moc układu oddechowego);

Przedmiot mechaniki płynów. Pojęcia podstawoweNazwa PŁYN obejmuje ciecze i gazy, które mają wspólna cechęBRAKU ZDOLNOŚCI UTRZYMYWANIA WŁASNEGO KSZTAŁTU.

Z tego wynika duża łatwość zmian wzajemnego położenia poszczególnych elementów płynu wobrębie danej jego masy.

Jest to istotna cecha, która odróżnia PŁYNY OD CIAŁ STAŁYCH.

Płyny przybierają zatem kształt zbiornika, w którym się znajdują lub w którym płyną.

Z kolei , między CIECZAMIi GAZAMIwystępuje też istotna różnica, polegająca na tym, że gaz zawsze wypełnia całą objętość zbiornika, natomiast ciecz -tylko część objętości zbiornika, jeśli objętość cieczy jest mniejsza od objętości zbiornika.

Z tego wynika formowanie się tzw. „SWOBODNEJ POWIERZCHNI CIECZY” , której cieniutka warstewka stanowi tzw. BŁONKĘ POWIERZCHNIOWĄ, rządzącą się odrębnymi prawami niż cała pozostała część cieczy.

Inną istotną cechą, która odróżnia gazy od cieczy, jest bardzo duża ŚCIŚLIWOŚĆ GAZÓW, gdy ciecze praktycznie są nieściśliwe.

W zagadnieniach mechaniki płynów ciecze możemy praktycznie traktować jako nieściśliwe, natomiast gazy -tylko w bardzo ograniczonym zakresie.

Pomimo molekularnej struktury każdej materii , w zagadnieniach mechaniki ciecze i gazy, tj. płyny, traktujemy jako „OŚRODKI CIĄGŁE”.

Założenie ciągłości wprowadza pewne ograniczenie dotyczące najmniejszej masy płynu, dla której obowiązują jeszcze ogólne prawa MAKRO MECHANIKI.

PŁYNY RZECZYWISTE I DOSKONAŁE

Rozpatrywanie zagadnień mechaniki płynów wymaga, zwłaszcza gdy mamy do czynienia ze złożonym procesem, zaniedbywanie pewnych właściwości fizycznych płynu, które w danych warunkach nie mają istotnego wpływu na przebieg rozważanego procesu.Dlatego wtedy proces ten rozpatrujemy w oparciu o MODEL PŁYNUDOSKONAŁEGO,tj. umownie pozbawionego pewnych cech fizycznych.W mechanice płynów ograniczenia te dotyczą głównie zaniedbywania ściśliwości i lepkości, co można zapisać jako:ρ= constμ= 0Uwzględniając to, można wyróżnić następujące zasadnicze modele płynów:-płyn lepki i ściśliwy, tj. płyn rzeczywisty,-płyn nielepki i nieściśliwy,-płyn nielepki ściśliwy,-płyn lepki nieściśliwy.W zależności od dziedzin mechaniki płynów mówimy o hydromechanice, aerodynamice, mechanice przepływów, mechanice gazów, mechanice przepływów plastycznych, reologii płynów, mechanice cieczy newtonowskich i nienewtonowskich, mechanice cieczy tiksotropowychlub reopeksyjnychi o innych dziedzinach.

Przepływ cieczy

Ruch płynu nazywamy przepływem

Przepływ laminarny-ruch płynu w którym wektory prędkości w wyróżnionych warstwach płynu są równolegle do kierunku przepływu, nie występuje mieszanie się sąsiednich warstw cieczy

Przepływ turbulentny-ruch płynu w którym występuje mieszanie się poszczególnych warstw płynu, w ruchu tym dla różnych warstw dv/dtjest różne od zera

Jeżeli w danym punkcie przestrzeni prędkość przepływu nie zależy od czasu to przepływ nazywamy ustalonymlub stacjonarnym

Hydrostatyka

•Prawo Pascala: Ciśnienie rozchodzi się we wszystkich kierunkach jednakowo, także w cieczach nieściśliwych i nieważkich

•Ciśnienie hydrostatyczne: ph= ρchg

•Ciśnienie na pewnej głębokości h jest większe od ciśnienia zewnętrznego pzo ciężar słupa cieczy o wysokości h

•Ciśnienie rośnie liniowo z głębokością i nie zależy od kształtu naczynia

Ciśnienie całkowite

•pc= pz+ ρchg

•pc-ciśnienie całkowite [Pa]

•pz-ciśnienie zewnętrzne [Pa]

•ρc-gęstośd cieczy [kg/m3]

•h -wysokośd słupa cieczy [m]

•g -przyspieszenie ziemskie [kgm/s2]

Ciśnienie aerostatyczne

•Ciśnienie powietrza zmienia się wykładniczo wraz z wysokością h

•Podstawa logarytmów naturalnych e ≈2,718…

•ρ0-gęstośd powietrza w 273 K

•Ciśnienie normalne p0= 1,013251·105N/m2

Siły aero-i hydrodynamiczne

•Siły aero-i hydrodynamiczne wynikają z lepkości płynu opływającego przeszkodę -opór tarciaoraz z różnicy ciśnieo przed i za przeszkodą powstającej w wyniku opływu turbulentnego -opór ciśnienia

•O tym który rodzaj oporu przeważa, decyduje kształt i położenie ciała względem kierunku ruchu

Siła oporu aero-i hydrodynamicznego

Ra,h=½ρCx(α)Sv2gdzie:ρ-gęstość płynu [kg/m3]Cx(α) -współczynnik kształtu zależny od kierunku opływu [-]S -pole powierzchni przekroju czołowego [m2]v -prędkość płynu względem obiektu

Siła i moc oporuaero-i hydrodynamicznegoRa,h= ½ρCx(α)Sv2

Dla tego samego obiektu poruszającego się w określonym płynie siła oporu zależy od kwadratu prędkości natomiast moc od prędkości w trzeciej potędze:

Ra,h= kv2 Pa,h = kv3

Prawo ArchimedesaNa ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu równa ciężarowi cieczy wypartej przez to ciało

•Q = Vρg (ciężar ciała) ρ-gęstośd ciała

•W = Vρ0g (siła wyporu) ρ0-gęstośd cieczy

•R = W -Q (siła wypadkowa)

•ρ> ρ0; R < 0 ciało tonie

•ρ=ρ0; R=0 ciało pływa na dowolnej głębokości

•ρ< ρ0; R>0 ciało pływa częściowo zanurzone

Miary przepływu

•Strumieo masy Φm= m/t [kg/s]

•Strumieo objętości ΦV= V/t [m3/s]

•Strumieo energii ΦE= E/t [J/s]

Przepływ cieczy rzeczywistej - LEPKOŚD DYNAMICZNA

Lepkość to właściwość płynów (cieczy, gazów) polegająca na powstawaniu w nich naprężeń stycznych, zależnych od prędkości odkształcenia elementu płynu; jest uwarunkowana ruchami cieplnymi i oddziaływaniami międzycząsteczkowymi. Lepkość wiąże się z transportem pędu w poprzek przepływu na skutek termicznego ruchu cząstek (stąd często stosowana nazwa lepkość molekularna). Ilościowo lepkość (współczynnik lepkości) ujmuje zależność między naprężeniem stycznym a prędkością odkształcenia. W mechanice płynów lepkość dynamiczną μ definiuje wzór Newtona: vx   ∂  ∂ gdzie:  — naprężenie styczne ∂v/∂x — gradient prędkości w kierunku normalnym do przepływu ; Współczynnik proporcjonalności  nazwano dynamicznym współczynnikiem lepkości. W układzie SI jednostką dynamicznego współczynnika lepkości jest Ns/m2. Dynamiczny współczynnik lepkości płynu równy jest 1 Ns/m2, gdy pod działaniem naprężenia stycznego wynoszącego 1 N/m2, prędkość ścinania przyjmuje jednostkową wartość, tj. ∂v/∂x = 1 s-1.

Przepływ cieczy rzeczywistej -LEPKOŚD KINEMATYCZNAStosunek dynamicznego współczynnika lepkości do gęstości cieczy nazwano kinematycznym współczynnikiem lepkości .

Nazwa współczynnika wynika z faktu, że jego wymiar stanowią wielkości kinematyczne, tj. długość i czas. W układzie SI jednostką tego współczynnika jest m2/s. Wartość współczynnika wynosi 1 m2/s dla płynu o dynamicznym współczynniku lepkości wynoszącym 1 Ns/m2i gęstości 1 kg/m3. Współczynnik lepkości zależy od ciśnienia i temperatury.

Lepkośd płynówPłyny, dla których jest słuszny wzór Newtona, nazywają się płynami newtonowskimi. Ze wzrostem ciśnienia lepkość dynamiczna cieczy igazów rośnie (wyraźne zmiany występują przy zmianach ciśnienia rzędu kilkudziesięciu atmosfer), natomiast ze wzrostem temperatury lepkość cieczy maleje, agazów rośnie (znajomość lepkości cieczy —np. smarów, olejów —ijej zależność od temperatury ma podstawowe znaczenie wwielu zagadnieniach techniki). W płynach newtonowskich (np. woda, roztwory org., sole iszkła wstanie płynnym) μnie zależy od prędkości przepływu ani od jej gradientu, wpłynach nienewtonowskich (np. roztwory koloidalne, farby olejne, oleje maszyn. wniskich temperaturach) taka zależność zachodzi. W przepływach turbulentnych występuje lepkość turbulentna. Do pomiaru lepkości stosuje się lepkościomierze, najczęściej kapilarne, kulkowe, wibracyjne, ultradźwiękowe, rotacyjne i rurowe.

Liczba Reynoldsa

gdzie: l -wymiar charakterystyczny (np. dla przepływu przez rurę będzie to jej średnica), v -prędkość charakterystyczna płynu, -lepkość dynamiczna

Bezwymiarowe przedstawienie równań ruchu cieczy nieściśliwej prowadzi do wniosku, że charakter ruchu cieczy jest określony przez wartość tylko jednej liczby: liczby Reynoldsa, oznaczanej Re:Re< 2000 (2300)przepływ laminarnyRe> 3000przepływ turbulentny2000 (2300)< Re< 3000charakter nieustalony

Podstawowa czynnośd układu krążenia to UTRZYMANIE PRZEPŁYWU KRWI tzn. wprawienie jej w ruch pod wpływem różnicy ciśnieo

Funkcje:

•Transportuje substraty i 02do wszystkich komórek ciała

•Odbiera z tkanek CO2i inne produkty przemiany materii

•Reguluje skórny przepływ krwi w kooczynach w celu zwiększenia lub zmniejszenia wymiany ciepła z otoczeniem.

•Transportuje hormony

•Uczestniczy w reakcjach immunologicznych

Elementy składowe układu krążenia:SERCE -siła napędowa układu krążeniaTĘTNICE -naczynia zaopatrujące organizmMIKROKRĄŻENIE -łącznie z włośniczkami, służy jako rejon wymianyŻYŁY -stanowią zbiorniki krwi powracającej do serca

Krew

•Krew stanowi zawiesinę erytrocytów (krwinki czerwone), leukocytów (krwinki białe) i trombocytów (płytki krwi) w plazmie i jest środowiskiem zapewniającym transport różnorodnych substancji w organizmie. Krew rozprowadza przede wszystkim gazy oddechowe : tlen i dwutlenek węgla

Temperatura a lepkośd krwi

•Lepkośd krwi podobnie jak innych płynów wykładniczo zależy od temperatury

•W temperaturze 0oC krew jest 2,5 razy bardziej lepka niż w temperaturze 37oC

Serce

•Rytmiczne skurcze i rozkurcze serca wymuszają ruch krwi w układzie krążenia

•Serce stanowi rodzaj pompy, która nie zużywa energii do napełniania (przedsionki i komory napełniają się w sposób bierny), serce zużywa energię podczas opróżniania

•Nie jest pompą ssąco-tłoczącą, nie wytwarza podciśnienia podczas napełniania. Ciśnienie w komorach jest zawsze dodatnie

Fala tętna

•Rytmiczne skurcze serca wprowadzają do układu tętniczego zarówno dużego jak i płucnego, w odstępach około 0,8 s, takie same objętości krwi około 70 cm3(pojemnośd wyrzutowa serca w spoczynku). Dzięki dużemu oporowi obwodowemu krew ta nie od razu zostaje włączona w obieg krążenia, lecz rozciąga podatne ściany tętnicy głównej, dzięki czemu tuż za sercem tworzy się wybrzuszenie, które rozchodzi się w kierunku obwodowym w postaci fali tętna

Na energie potencjalną składa się ciśnienie hydrostatyczne (Ph), które jest wynikiem działania siły ciążenia na układ wypełniony płynem. Ciężar płynu stanowi źródło określonej siły, która jest proporcjonalna do wysokości słupa cieczy.Ph=ρxh xg

Ciśnienie hydrostatyczne krwi(wg. Jaroszyka)

U człowieka leżącego na plecach efekt hydrostatyczny nie ma znaczenia, ponieważ cały układ znajduje się na jednym poziomie.W pozycji stojącej efekt hydrostatyczny powoduje przemieszczenie płynów do dolnych partii ciała i zmniejszenie ilości krwi powracającej do sercaBRAK mechanizmów kompensacyjnych -omdlenie

Całkowita energia w danym punkcie jest równa sumie Energii potencjalnej (ciśnienie) i kinetycznejEnergia kinetycznastanowi energię nadającą określonej masie krwi (m) prędkośd (v)

Przepływ -(Q, litr/min) jest określony objętością płynu przepływającego w jednostce czasuQ jest równy iloczynowi pola przekroju naczynia i prędkości przepływu krwi w tym miejscu naczynia

Układ tętniczy -odpowiada za utrzymanie ciągłego przepływu krwi mimo impulsowo pracującej pompy -sercaUkład żylny-funkcja pojemnościowa, gromadzenie znacznej części krążącej krwi

Całkowity przepływ przez ściany naczynia odbywa się dziękisile filtracjiJest to wypadkowaciśnienia tętniczego krwi oraz ciśnienia osmotycznego (stężenie białek w osoczu)

Czynnośd mechaniczna serca

1.Skurcz przedsionków

2.Izowolumetryczny skurcz komór

3.Izotoniczny skurcz komór faza szybkiego wyrzutu

4.Izowolumetryczny rozkurcz komór

5.Napełnianie komór

Prawo Franka -Starlinga

Mówi, że energia wytworzona przez serce w czasie skurczu jest funkcją koocowo-rozkurczowego rozciągnięcia włókien mięśniowych

Jednym z głównych czynników decydujących o sile skurczu jest początkowa długośd włókien mięśniowych czyli obciążenie wstępne (preload

WYKŁAD 5 Zmysł słuchu

Spis zagadnień:

•Fizycznepodstawydrgańifalakustycznych(energiaruchuharmonicznegoprostego,drganiaswobodne,tłumioneiwymuszone,rezonansakustyczny,mocabsorbowana,składaniedrgańharmonicznych,dudnienie-modulacjaamplitudy,zasadaHuygensa,dyfrakcjafal,interferencjafal,falestojące,równanieruchufalowego,zjawiskoDopplera);

•Mechanizmdziałaniaukładusłuchowego;

•Analizadźwiękuwukładziesłuchowym;Wadysłuchuiichkorekcja;

Fala -przestrzenne zaburzenie materii ośrodka, w postaci odchyleń od położenia równowagi cząsteczek, z przenoszeniem energii.

Zależność wychylenia (położenia ciała) od czasu można przedstawić równaniem:x = Acos(ωt +f)gdzie Ajest największym wychyleniem , a ωnazywana jest częstością kołową.T -okres jednego pełnego drgania

Drgania harmoniczne (ruch harmoniczny)

Niech x(t)jest położeniem punktu materialnego w chwili t

Ruch jest okresowy wtedy i tylko wtedy gdy:

x(t)=x(t+T)

Gdzie T jest okresem drgań

Ruch harmoniczny - drgania swobodne

Ogólnie równanie ruchu harmonicznego punktu materialnego w myśl II zasady dynamiki Newtona można zapisać:

czyli:

Jest to ogólna postać równania drgań oscylatora harmonicznego

Ruch harmoniczny -drgania swobodne

Szukamy postaci rozwiązania takiego równania:

Z teorii równań różniczkowych wynika że rozwiązaniem takiego równania jest funkcja cykliczna sinus lub cosinus lub kombinacja liniowatych funkcji Rozwią za nie tego równania ma postać:

Ruch harmoniczny - drgania tłumione Załóżmy, że drgania harmoniczne odbywają się w ośrodku materialnym: ciecz, gaz itp.

Niech siła tłumiąca będzie proporcjonalna do prędkości drgań (jest to spełnione dla małych prędkości):

II zasadę dynamiki Newtona można zapisać w postaci:

Ruch harmoniczny - drgania tłumione

Szukamy rozwiązania takiego równania:

Z teorii równań różniczkowych wynika że rozwiązanie takiego równania jest kombinacją funkcji cyklicznej i tłumiącej:

Drgania złożone

Rozważmy dwa drgania równoległe (wzdłuż osi x) o tej samej częstości

W wyniku złożenie takich dwóch drgań otrzymamy

Stosując odpowiednie związki trygonometryczne taką superpozycje można sprowadzić do wyrażenia

Jeśli zaburzeniejest drganiem harmonicznym prostym, mającym miejsce w punkcie A, to w oddalonym od tego punktu punkcie B drganie to pojawi się po pewnym czasie:x = xo sin ω( t -t')t' = y/v, gdzie y -droga między punktami A i B, a v -prędkość rozchodzenia się zaburzenia.

Fala-zaburzenie rozprzestrzeniające się w ośrodku lub przestrzeni. Fale przenoszą energię z jednego miejsca do drugiego bez transportu jakiejkolwiek materii.

W przypadku fal mechanicznych cząstki ośrodka, w którym rozchodzi się fala, oscylują wokół położenia równowagi.Zbiór punktów, w których drganie znajduje się w tej samej fazie nazywamy powierzchnią falową

Fale możemy podzielić ze względu na ich kształt i sposób rozchodzenia się.Podział ze względu na kształt:

•fale kuliste

•fale płaskiePodział ze względu na sposób rozchodzenia się:

•fale podłużne

•fale poprzeczne

Fala akustyczna -to rozchodzące się w ośrodku zaburzenie gęstości (i ciśnienia) w postaci fali podłużnej, któremu towarzyszą drgania cząsteczek ośrodka.

Falą akustyczną nazywa się zarówno falę, która powoduje wrażenie słuchowe (dźwięk), jak i fale o częstotliwościach i amplitudach przekraczających zakres ludzkich zmysłów, ponieważ właściwości fizyczne tych fal są bardzo podobne.

Źródłem dźwięków słyszalnych są ciała wprawione w drgania, których energia jest dostateczna, aby wywołać w naszym organie słuchu (uchu), najsłabsze wrażenia słuchowe. Oznacza to, że natężenie dźwięków słyszalnych musi przekraczać próg słyszalności.

Wysokość dźwięku zależy od częstotliwości; (im większa częstotliwość fali, tym wyższy dźwięk)

•Głośność dźwięku zależy od natężenia; (jeśli rośnie natężenie fali, dźwięk jest głośniejszy, choć zależność między natężeniem a głośnością nie jest liniowa)

•Barwa zależy od składu widmowego fali akustycznej. Pozwala np. odróżniać dźwięki wytwarzane przez różne źródła.

PODZIAŁ FAL AKUSTYCZNYCH ZE WZGLĘDU NA CZĘSTOTLIWOŚĆ

Dźwięki ze względu na częstotliwość f dzielimy na:

* infradźwięki (f < 16 Hz)

* dźwięki słyszalne (16 Hz < f < 20 kHz)

* ultradźwięki (f > 20 kHz)

* hiperdźwięki (f > 1 GHz)

PODZIAŁ DŹWIĘKÓW ZE WZGLĘDU NA WIDMO FALI Dźwięki można klasyfikować ze względu na widmo:1. O widmie dyskretnym

•proste -dźwięki, których częstotliwość, a zatem i wysokość, jest ściśle określona

•harmoniczne -składające się z wielu tonów prostych, przy czym widmo to ma charakter okresowy (np. mowa, śpiew, muzyka); ich wysokość jest również ściśle określona i zgodna z wysokością tonu podstawowego2. O widmie ciągłym -szum, hałas

Energia fali

•Natężenie fali w danym jej punkcie

Moc przypadająca na jednostkę powierzchni czoła fali.

•Aby dźwięk mógł zostad odebrany musi mied minimalną częstotliwośd oraz minimalne natężenie tzw. natężenie progowe.

•Poziom natężenia dźwięków (głośności) określa związek

MECHANIZM SŁYSZENIA

CECHY FIZYCZNE:

•Częstotliwość

•Struktura widmowa

•Natężenie

CECHY FIZJOLOGICZNE (SUBIEKTYWNE):

•Wysokość

•Barwa

•Głośność

Analiza fali głosowej w uchuUcho zewnętrzne:

•Małżowina

•Przewód słuchowy

•Bębenek

Ucho środkowe:

•Młoteczek

•Kowadełko

•Strzemiączko

Ucho wewnętrzne:

•Ślimak

•Kanały półkoliste

Ucho zewnętrzne* Kierunek dźwięku:

•z przodu lub z tyłu -sekwencja czasowa wywołana bezpośrednim i wtórnym pobudzeniem kanału słuchowego zmienia się,

•z lewej lub z prawej strony -przesunięcie czasowe pomiędzy sygnałami (nie większe ni 500 ms)* Ucho zewnętrzne stanowi komorę o częstotliwości rezonansowej ok. 2,5 kHz, wzmacniającą dźwięki o częstotliwości fw zakresie 2-5 kHzdo 15-20 dB* Kanał słuchowy -natężenie drgań słupa powietrza maksymalne gdyl równa sie 4 długościom kanału:l= c/f, czyli fmax= c/4l, to jest fmax= 3173 HzDlatego dla tej długości jest najniższy próg czułości, a efekt wzmocnienia wynosi 15 dBi wynika z długości kanału oraz z tego, że ljest porównywalna z rozmiarami czaszki

1. Młoteczek (przyczepiony swą rękojeścią do błony bębenkowej)

2. Kowadełko

3. Strzemiączko (zamyka okienko owalne ślimaka ucha wewnętrznego)

ZADANIA:

1. WYRÓWNANIE (DOPASOWANIE) IMPEDANCJI

2. ZABEZPIECZENIE ŚLIMAKA PRZED DŹWIĘKAMI O ZBYT DUŻYCH

NATĘŻENIACH I MAŁYCH CZĘSTOTLIWOŚCIACH

Ucho środkowe

•ODRUCH STRZEMIĄCZKOWY występuje dla dźwięków 70-90 dB powyżej progu słyszalności. Obniżenie natężenia dźwięku odbywa się za pomocą dwóch mięśni: naprężacza błony bębenkowej i mięśnia strzemiączkowego. Ich napięcie ogranicza drgania kosteczek słuchowych i zmniejsza amplitudę drgań.

•Skręcające ruchy strzemiączka przy dużych siłach.

•Ciśnienie W JAMIE BĘBENKOWEJ MUSI równać się ciśnieniu NA ZEWNĄTRZ ORGANIZMU. Służy temu TRĄBKA EUSTACHIUSZA-otwór łączący jamę bębenkową z gardłem, której światło otwiera się podczas ziewania, połykania i wymawiania głosek: u, e, i, p, k. Gdy element jest niedrożny -upośledzone słyszenie, jeśli stale otwarty -głośne słyszenie własnego głosu

Ucho wewnętrzne -I

1.Ślimak kostny to zwężająca się, uformowana z kości czaszki rurka, zwinięta w formie skorupy ślimaka o 2,75 skrętach

2.Przez całą jego długość przebiegają 2 błony: PRZEDSIONKOWA (REISSNERA) i PODSTAWNA, które dzielą go na 3 komory: SCHODY BĘBENKA, PRZEDSIONKA, PRZEWÓD (KANAŁ) ŚLIMAKA.

3.Schody przedsionka i ślimaka są połączone i wypełnione tą samą cieczą PERYLIMFĄ, podczas gdy przewód ślimaka -ENDOLIMFĄ.

4.Schody bębenka są oddzielone od ucha środkowego OKIENKIEM OKRĄGŁYM.

5.Szparka osklepka -miejsce kontaktu perylimfy schodów przedsionka i bębenka

ZAMIANA SYGNAŁU MECHANICZNEGO NAELEKTRYCZNYBUDOWA NARZADU SPIRALNEGOWewnętrzne komórki rzęskowe

•Właściwe detektory ruchu błony podstawnej

•Ok.3 500 (w 1 rzędzie), każda 40 rzęsek formujących

•do każdej 20 neuronów aferentnych

•zmiany ich potencjału odbierane są przez synapsy włókien neuronowych

Zewnętrzne komórki rzęskowe

•Potrzebne do wzmocnienia odpowiedzi WKZ

•Ok. 25 000 (w 5 rzędach) po 140 rzęsek każda

•1 włókno zasila kilkanaście komórek.

•Transmiterem eferentnym jest acetylocholina.

•Ich rzęski są wtopione w błonę nakrywkowa

Czułośd ucha ludzkiego

•Większośd ludzi słyszy w zakresie częstotliwości od fmin= 16 Hzdo fmax= 20 kHz gdy natężenie wynosi I = 10-3W/m2

dźwięki o częstotliwości od103do 5·103Hz są słyszalne gdy ich natężenie nie jest mniejsze niż I = 10-12W/m2

I0= 10-12W/m2-natężenie poziomu zerowego

Skala subiektywnego natężenia dźwięku

•L = ηlogI/I0 η= 1[bel]; η= 10[decybel]

•Subiektywne odczuwalne natężenie dźwięku (poziom natężenia) można ocenid na podstawie prawa Webera -Fechnera: próg spostrzegania zmian bodźca (np. natężenia jest proporcjonalny do wartości (natężenia) tego bodźca.

Wady słuchu i ich przyczyny

•Wady słuchu występują u co najmniej 10 % populacji krajów uprzemysłowionych. Przyczyny:

•Zapalenie ucha środkowego

•Przebywanie w hałasie

•Dziedzicznośd

•Choroby około porodowe

•Starzenie się

•Stosowanie leków ototoksycznych

•Nowotwory

WYKŁAD 6 Biofizyka zmysłu wzroku

Spis zagadnień:

Własności światła; Odbicie i załamanie światła; Współczynnik załamania i droga optyczna; Zasada Fermata; Warunki stosowalności optyki geometrycznej; Zasada Huyghensa; Załamanie światła na powierzchni sferycznej; Soczewki; Dyspersja światła -pryzmat; Interferencja -doświadczenie Younga, Interferencja światła w cienkich warstwach; Zastosowanie interferencji światła w metrologii; Dyfrakcja światła; Prawo Bragga; Polaryzacja światła;

Budowa układu optycznego oka; Energetyka procesu widzenia; Okulary i mikroskop;

Podział optykiOgólnie optykę można podzielić na:

•optykę geometryczną,

•optykę falową

•optykę kwantową

Optyka geometryczna -załamanie, odbicie, soczewki, zwierciadłaOptyka falowa -interferencja, dyfrakcja, polaryzacja, optyka cienkich warstw; spektroskopia -badanie widm fal świetlnych;Optyka kwantowa -foton opisywany jest jako cząstka (kwant energii); efekty kwantowe, zjawisko fotoelektryczne; Optyka atomowa i jądrowa -widma atomoweholografia; optyka kryształów; optyka nieliniowa; optyka statystyczna; optyka fourierowska; optyka dyfrakcyjna; optyka falowodów; optyka zintegrowana; optyka cienkich warstw Działy szczegółowe optyki:

Pomiar prędkości światła

Komórka Kerra -przezroczyste naczynie wypełnione cieczą, w którym znajdują się dwie elektrody. Podłączenie napięcia pod elektrody (tym samym powstanie pola elektrycznego) powoduje wywoływane w ośrodku zjawiska dwójłomnośći.

Współczynnik załamania i droga optycznaŚwiatło rozchodzi się w próżni z prędkością c. Natomiast, jak pokazują wyniki doświadczeń, w ośrodkach materialnych prędkość światła jest mniejsza. Jeżeli w jednorodnym ośrodku światło przebędzie w czasie tdrogę l1= vtto droga ljaką w tym samym czasie światło przebyłoby w próżni wynosigdzie n=c/vnosi nazwę bezwzględnego współczynnika załamania . Natomiast iloczyn drogi geometrycznej l1i współczynnika załamania nnosi nazwę drogi optycznej.

Odbicie i załamanie światła

Prawo odbicia:Promień padający, promień odbity i normalna do powierzchni granicznej wystawiona w punkcie padania promienia leżą w jednej płaszczyźnie i kąt padania równa się kątowi odbicia.

Prawo załamania:Stosunek sinusa kata padania do sinusa kąta załamania jest równy stosunkowi bezwzględnego współczynnika załamania ośrodka drugiego n2do bezwzględnego współczynnika załamania ośrodka pierwszego n1, czyli współczynnikowi względnemu załamania światła ośrodka drugiego względem pierwszego

REGUŁA ZNAKÓW

Odległość przedmiotowąprzedmiotu rzeczywistego przyjmuje się jako dodatnią.

Odległość obrazową przyjmuje się jako dodatnią dla obrazu rzeczywistego i jako ujemną dla obrazu pozornego. Obraz jest rzeczywisty gdy leży po tej samej stronie zwierciadła co przedmiot i gdy energia świetlna dochodzi do obszaru obrazu. Gdy obraz leży po przeciwnej stronie zwierciadła, wtedy tylko wydaje się, że światło osiąga jego obszar i obraz ten jest pozorny.

Ogniskowesą dodatnie dla układów skupiających i ujemne dla układów rozpraszających.

Promień krzywizny zwierciadła, tak jak ogniskowa, jest dodatni dla zwierciadła wklęsłego (skupiającego) i ujemny dla zwierciadła wypukłego (rozpraszającego

ZWIERCIADŁA ASFERYCZNEZwierciadło paraboloidalne -jego powierzchnia utworzona jest przez obrót paraboli y2=-2Rx. Światło równoległe do osi optycznej dociera do ogniska w punkcie F(-R/2, 0)

Zwierciadło elipsoidalne -umożliwia bardziej efektywne skupianie światła ze źródła punktowego (kolektor świetlny). Może być realizowane jako zwierciadło o zmiennych ogniskowych.

MOC OPTYCZNAMoc optyczną (zdolność skupiającą, zdolność zbierającą) powierzchni definiuje się jako stosunek współczynnika załamania ośrodka do ogniskowej (wyrażonej w metrach)

Powiększenie kątowe -stosunek rozmiaru kątowego obrazu do rozmiaru kątowego przedmiotu

Aberracja sferyczna - zjawisko zachodzące wtedy, gdy promienie przechodzące przez różne strefy soczewki, lub odbite od różnych stref zwierciadła, dochodzą do różnych ognisk

Aberracja chromatyczna

Współczynnik załamania każdego ośrodka przezroczystego zmienia się wraz z długością flali. Dlatego pojedyncza soczewka ma różne ogniskowe dla różnych barw światła.

2. Aparat ochronny oka.

Oko umieszczone jest w oczodole-kostnym zagłębieniu czaszki. Chroni go to przed urazami mechanicznymi. Oczodół wyścielony jest tkanką tłuszczową, która niweluje tarcie w czasie ruchu gałki

ocznej. Kolejną barierę ochronną stanowią powieki z rzęsami. Powieki osłaniają oczy przed działaniem czynników chemicznych np. dymu oraz rozprowadzają płyn łzowymający działanie bakteriobójcze. Łzy wydzielane są przez narządy łzowe umieszczone w kącikach oczu od strony nosa. Brwipodobnie jak rzęsy maja za zadanie wychwytywad pył, kurz i pot.

Gałka oczna ma kształt kulisty. Zaopatrzona jest w mięśnie poruszające gałka oczną.

4. Funkcje części oka:

a.Twardówka, rogówka i spojówka są to zewnętrzne błony otaczające oko pełniące funkcje ochronne. Twardówka ma barwę biała, rogówka jest przezroczysta.

b.Naczyniówka jest błoną środkową, która w przedniej części oka przechodzi w tęczówkę. Naczyniówka jest silnie ukrwiona; dostarcza tlen i substancje odżywcze. Tęczówka może mied różne zabarwienie.

c.Źrenicajest to otwór w tęczówce zmieniający swoją wielkośd w zależności od natężenia światła.

d.Soczewkazałamuje promienie świetlne wpadające do oka kierując je na siatkówkę.

e.Ciało szkliste jest to przezroczysta, galaretowata substancja wypełniająca gałkę oczną przez którą przenikają promienie.

f.Siatkówkajest wewnętrzną błoną światłoczułą pokrytą receptorami odbierającymi bodźce świetlne.

5. Mechanizm widzenia. Promienie świetlne przechodząc przez soczewkę ulęgają załamaniu i podrażniają receptory rozmieszczone na siatkówce. Znajdują się tu dwa rodzaje komórek światłoczułych:

•pręciki -są to komórki wrażliwe na zmianę natężenia światła (odbierają obraz czarno -biały)

•czopki komórki odpowiedzialne za widzenie barw. Czopki zawierają trzy rodzaje barwników wrażliwych na różne barwy światła: czerwone, zielone i niebieskie.

promienie świetlne

plamka żółtaplamka ślepa

Największe skupisko czopków leży w osi optycznej oka -jest to tzw. plamka żółta, miejsce najlepszego widzenia. Z kolei w miejscu gdzie od siatkówki odchodzi nerw wzrokowy nie ma receptorów i miejsce to jest niewrażliwe na bodźce świetlne -plamka ślepa.Obraz powstający na siatkówce oka człowieka jest pomniejszony, odwrócony i rzeczywisty. Obraz z jednego oka jest dwuwymiarowy i płaski. Widzenie dwuoczne pozwala nam na otrzymanie obrazu przestrzennego (trójwymiarowego)Obraz z siatkówki jest następnie przekazywany nerwem wzrokowym do ośrodka wzrokowego w płacie potylicznym mózgu. To nasz mózg tak naprawdę odpowiada za to co widzimy. Mózg dziecka w ciągu pierwszych tygodni życia „uczy się” prawidłowo widzied obrazy.

6. Akomodacja i adaptacja oka.

a.Adaptacja oka -jest to zdolnośd widzenia w różnych warunkach oświetlenia. Zjawisko to jest możliwe dzięki rozszerzaniu się i zwężaniu źrenicy. Przy słabym oświetleniu źrenica oka ma średnicę 7 -8 mm, a w jasnym świetle zwęża się do 2 -3 mm.

b.Akomodacja oka -jest to zdolnośd widzenia przedmiotów z bliska i z daleka. Odbywa się to poprzez zmianę wypukłości soczewki.

AKOMODACJA OKAA -przedmiot znajduje się daleko -soczewka spłaszczonaB -przedmiot znajduje się blisko -soczewka wypukła

7. Wady wzroku.

a.Krótkowzrocznośd -obraz powstaje przed płaszczyzną siatkówki. Przedmioty dalekie widziane są niewyraźnie. W celu korygowania tej wady należy używad okularów z soczewką wklęsłą.

b.Dalekowzrocznośd-obraz powstaje za płaszczyzną siatkówki. Nieostro widziane są przedmioty z bliska. Wadę tę koryguje się soczewkami wypukłymi.

c.Astygmatyzm -polega na zniekształceniu widzianego obrazu. Przyczyną jest nieprawidłowa krzywizna soczewki lub rogówki. Do korekcji tej wady stosuje się szkła cylindryczne.

c.Zez -jest to odchylenie gałek ocznych od równoległego położenia. Wadę tę leczy się poprzez odpowiednie szkła i dwiczenia.

d.Daltonizm-polega na zaburzeniu prawidłowego rozpoznawania kolorów.Jest to choroba genetyczna, częściej występująca u mężczyzn. Dotyczy najczęściej nierozpoznawania koloru czerwonego i zielonego. Do diagnozy wykorzystuje się karty z kolorowymi cyframi.

e.Zadma (katarakta) -jest to choroba polegająca na zmętnieniu soczewki, co powoduje upośledzenie wzroku. Zadmę można leczyd poprzez wszczepienie sztucznej soczewki.

f.Ślepota -całkowity lub częściowy brak widzenia może byd wywołany wieloma czynnikami np. urazem, odwarstwieniem siatkówki czy wadą genetyczną. Ludzie niewidomi posługują się tekstami pisanymi specjalnym wypukłym alfabetem Braille`a.

PRZYRZĄDY OPTYCZNE

Teleskopy -refraktory astronomiczne, lunety ziemskie, teleskopy zwierciadlane

LUNETA ASTRONOMICZNA

Mikroskopy

Rodzaje mikroskopów

•mikroskop elektronowy

•mikroskop holograficzny

•mikroskop jonowy

•mikroskop konfokalny

•mikroskop metalograficzny

•mikroskop operacyjny

•mikroskop optyczny

•mikroskop polaryzacyjny

•mikroskop pomiarowy

•mikroskop porównawczy

•mikroskop sił atomowych

•mikroskop świetlny

•mikroskop warsztatowy

•skaningowy mikroskop tunelowy

WYKŁAD 7 czynników mechanicznych na żywy organizm

Spis zagadnień:

•Generacjaultradźwiękówiichrozchodzeniesięwżywychorganizmach;

•Ocenaszkodliwościultradźwiękównażywyorganizm;

•Litotrypsja;

•Ultrasonografia;

•Wpływprzyspieszeńpodłużnychipoprzecznychnażywyorganizm;

•Stannieważkości;

ULTRADŹWIĘKI

•Ultradźwiękami nazywamy fale mechaniczne rozchodzące się w ośrodkach gazowych, ciekłych i stałych mające charakter fal dźwiękowych, o częstotliwościach wyższych od górnej granicy słyszalności ucha ludzkiego: f>16 kHz (20 kHz)

•Psy, myszy, szczury słyszą do 40 kHz

•Ultradźwięki wydają delfiny i nietoperze -echolokacja

GENEROWANIE ULTRADŹWIĘKÓW

Generowanie ultradźwięków odbywa się zwykle za pomocą odwrotnego zjawiska piezoelektrycznego -za pomocą zmiennego potencjału elektrycznego pobudza się płytkę kwarcu do drgao rezonansowych.

PARAMETRY ULTRADŹWIĘKÓW

•Częstotliwośd fal (f) jest stała dla danego generatora i nie zmienia się przy przechodzeniu fal przez różne ośrodki.

•W diagnostyce stosuje się fale o częstotliwościach 1 do 15 MHz, a w terapii od 0.8 MHz do 1.2 MHz.

PARAMETRY ULTRADŹWIĘKÓW

•Prędkośdfal ultradźwiękowych jest różna w różnych ośrodkach: w powietrzu wynosi ~340 m/s, a w wodzie 1500 m/s, w kościach czaszki 3400 m/s, w tkance tłuszczowej 1440 m/s, w mięśniach 1580 m/s.

•Długośd fali ultradźwiękowej zależy od częstotliwości i prędkości rozchodzenia się fali: λ= v/f.

PARAMETRY ULTRADŹWIĘKÓW

•Natężenie fali (gęstośd mocy): I = P/S, gdzie P -moc [W], S powierzchnia [m2].

•Natężenie fali maleje wraz z odległością od źródła, i to tym szybciej im wyższa jest częstotliwośd, a więc krótsza jest długośd fali.

PARAMETRY ULTRADŹWIĘKÓW

•Natężenie fali (gęstośd mocy): I = P/S, gdzie P -moc [W], S powierzchnia [m2].

•Natężenie fali maleje wraz z odległością od źródła, i to tym szybciej im wyższa jest częstotliwośd, a więc krótsza jest długośd fali.

EFEKTY ODDZIAŁYWANIA ULTRADŹWIĘKÓW

•Efekt mechaniczny. Na skutek drgao ośrodka (rozrzedzeo i zagęszczeo) może dojśd do kawitacji (szczególnie przy częstotliwościach zbliżonych do 100 Hz), czyli powstawania miejscowej próżni. Możliwe jest również (zjawisko tyksotropowe) powodowanie przechodzenia żelu w zol i uzyskiwanie emulsji cieczy nie mieszających się.

EFEKTY ODDZIAŁYWANIA ULTRADŹWIĘKÓW

•Efekt termiczny. Energia fal przekształca się w ciepło, szczególnie na granicy ośrodków o różnej prędkości przewodzenia dźwięków. Efekt ten jest wykorzystywany w terapii.

EFEKTY ODDZIAŁYWANIA ULTRADŹWIĘKÓW

•Efekt chemiczny.Ultradźwięki mogą powodowad rozpad cząsteczek białka i jonizację roztworów wodnych. Zwiększają dyfuzję przez błony półprzepuszczalne.

EFEKTY ODDZIAŁYWANIA ULTRADŹWIĘKÓW

•Działanie na organizm: Ultradźwięki o dużym natężeniu > 10kW/m2mogą powodowad uszkodzenia tkanek i narządów oraz poparzenia. W przypadku ultradźwięków o umiarkowanym natężeniu w komórkach maleje pH, zmienia się aktywnośd enzymów i przemiana materii, rośnie temperatura, poprawia się ukrwienie. Ultradźwięki o odpowiednim natężeniu mają działanie przeciwbólowe, przeciwskurczowe i przeciwzapalne.

INFRADŹWIĘKI

•Infradźwiękami nazywamy fale mechaniczne rozchodzące się w ośrodkach gazowych, ciekłych i stałych mające charakter fal dźwiękowych (wibracje powietrzne), lecz o częstotliwościach niższych od dolnej granicy słyszalności ucha ludzkiego, f < 16 Hz (20 Hz).

POWSTAWANIE INFRADŹWIĘKÓW

•Źródłami infradźwięków mogą byd uderzenia piorunów, wiatry fenowe (mistral, halny), wstrząsy tektoniczne. W wyniku działalności człowieka infradźwięki powstają podczas pracy dużych wentylatorów, silników wysokoprężnych, są obecne w halach fabrycznych, na statkach. Infradźwięki, jak wszystkie fale o niskiej częstotliwości rozchodzą się na duże odległości.

DZIAŁANIE INFRADŹWIĘKÓW NA ORGANIZM

•Infradźwięki, podobnie jak wibracje, mogą powodowad rezonans narządów wewnętrznych. Wywołują bóle głowy, mdłości, bezsennośd, obniżenie nastroju, trwogę i nerwice. Przy dużych natężeniach mogą powodowad omdlenia, krwotoki, a nawet zatrzymanie akcji serca.

WIBRACJE

•Wibracje przenoszone są na organizm przez bezpośredni kontakt z układami drgającymi. Ich oddziaływanie zależy od amplitudy i częstotliwości. Drgania o pewnych częstotliwościach mogą powodowad rezonans narządów. Szczególnie niebezpieczne są wibracje o częstotliwościach 4 -18 Hz.Mogą powodowad bóle klatki piersiowej, zaburzenia oddechowe, zmiany ciśnienia krwi. Długotrwałe oddziaływanie wibracji prowadzi do choroby wibracyjnej objawiającej się zaburzeniem krążenia, wzmożonym drżeniem kooczyn i bólami o różnej lokalizacji.

WIBRACJE

•Człowiek jak i zwierzęta źle znosi wibracje ziemi. W czasie zagrożenia trzęsieniem ziemi ludzie wpadają w panikę a zwierzęta wykazują nadmierną nerwowośd.

•Wibracjom towarzyszą różne objawy chorobowe: neurowegetatywne, gastryczne, zmiany ciśnienia, zmiany w EKG.

•Trudno wskazad epidemiologiczne lub fizjologiczne przyczyny tych dolegliwości.

•Szkodliwe efekty wibracji zależą od ich częstotliwości i natężenia.

WIBRACJE

•Człowiek jak i zwierzęta źle znosi wibracje ziemi. W czasie zagrożenia trzęsieniem ziemi ludzie wpadają w panikę a zwierzęta wykazują nadmierną nerwowośd.

•Wibracjom towarzyszą różne objawy chorobowe: neurowegetatywne, gastryczne, zmiany ciśnienia, zmiany w EKG.

•Trudno wskazad epidemiologiczne lub fizjologiczne przyczyny tych dolegliwości.

•Szkodliwe efekty wibracji zależą od ich częstotliwości i natężenia.

DOLEGLIWOŚCI WYWOŁANE WSTRZĄSAMI DRGANIA < 40 HZ (MŁOTY PNEUMATYCZNE)

•Bóle stawów przedramienia, ramienia, nadgarstka (dotyczy 50 % ludzi narażonych na takie wibracje)

•Choroba Kienbocka

•Choroba Kohlera

•Bóle reumatyczne typu zapalnego

•Urazy nadkłykci

•Zespół cieśni kanału nadgarstka

•Dolegliwości angioneurotyczne

ZASTOSOWANIE WIBRACJI

•Odpowiednio zastosowane wibracje zwiększają efekt treningowy zawodników uprawiających dyscypliny siłowo-szybkościowe.

•Nie wolno stosowad wibracji poniżej 20 Hz.

•Zbyt długa wibracja powoduje zmęczenie.

•Wiele efektów wibracji nie jest dokładnie zbadanych, a przede wszystkim jej wpływ na koordynację mięśniowo-nerwową.

PRZYSPIESZENIA

•Oddziaływanie przyspieszeo związane jest z występowaniem sił bezwładności oddziałujących w całej objętości ciała na każdy jego punkt. Przyspieszenia *m/s2] często wyraża się w wielokrotnościach normalnego przyspieszenia ziemskiego g

•Na przykład: 7g = 68,67 m/s2

•Alarmowe zatrzymanie windy a = 2,5g; t = 1s,

•Lądowanie na spadochronie a = 3-4g; t = 0,1-0,2s,

•Katapultowanie z samolotu a = 10-15g; t = 0,25s,

•Zderzenie samolotu możliwe do przeżycia a = 20-100g; t = 0,1s.

ODDZIAŁYWANIE PRZYSPIESZEO

•Skutek działania przyspieszeo zależy od wartości, czasu ich występowania i kierunku działania względem ciała.

•Przyspieszenia krótkotrwałe: oddziaływanie przyspieszeo (ułamki sekund) może nie wywoład ujemnych skutków, ale przyspieszenia rzędu dziesiątek i setek g mogą spowodowad poważne uszkodzenia ciała, a nawet śmierd na skutek przemieszczania i rozerwania tkanek.

•Bardzo duże przyspieszenia występują podczas wypadków komunikacyjnych.

ODDZIAŁYWANIE PRZYSPIESZEO

•Przyspieszenia o średnim i długim czasie trwania.Efekt ich działania zależy głównie od kierunku.

•Przyspieszenia podłużne, równoległe do osi długiej ciała powodują przede wszystkim przemieszczanie krwi i narządów wewnętrznych. Lepiej tolerowane jest przyspieszenie w kierunku głowy to jest przeciążenie w kierunku stóp. Powoduje spadek ciśnienia krwi w górnej części ciała. Kilkusekundowe przeciążenie rzędu 6g prowadzi do zaburzeo widzenia i utraty przytomności -czarna zasłona, krew odpływa z głowy.

•Przyspieszenie w kierunku stóp powoduje gwałtowny ból głowy, zaburzenia czynności serca, krwotoki i utratę przytomności -czerwona zasłona.

•Człowiek wytrzymuje: 3g do 3600 s; 4g do 1200 s; 5g do 480 s; 8g do kilku s; -3g około 30 s; -4,5g około 5 s; -5g około 2 s; -10g mniej niż 1s.

ODDZIAŁYWANIE PRZYSPIESZEO

•Przyspieszenia poprzeczne: przód-tył lub na boki są lepiej znoszone od podłużnych, ale powyżej 12 g może dojśd do zatrzymania oddechu.

Ciśnienie

•Spadek ciśnieniapowoduje rozprężanie gazów w uchu, jelitach i ubytkach zębowych co wiąże się z wystąpieniem bólów, wzdęd i kolek jelitowych.

•Nagła dekompresja może prowadzid do poważnych uszkodzeo tkanek. Uwalnianie gazów (azotu) z krwi prowadzi do pojawienia się zatorów gazowych. Najniebezpieczniejsze dla żywego organizmu jest niedotlenienie. Długotrwałe przebywanie pod wpływem niskich ciśnieo w wyniku niedotlenienia (hipoksji) prowadzi do zmian adaptacyjnych zwiększenia liczby czerwonych ciałek i hemoglobiny oraz niekorzystnych zmian trawienia, koordynacji ruchów i zmian psychicznych (halucynacje, agresja itp.). Silne niedotlenienie powoduje utratę przytomności, a nawet śmierd (deterioracja).

Ciśnienie

•Podwyższone ciśnienie: Gwałtowne zwiększenie ciśnienia powoduje objawy bólowe związane z wyrównywaniem ciśnieo wewnątrz ciała. Najgroźniejsze jest jednak ponowne zmniejszenie ciśnienia. W wyniku saturacji (nasycenie cieczy gazem) azotu we krwi pod wpływem zwiększonego ciśnienia, jego zmniejszenie powoduje pojawienie się pęcherzyków tego gazu we krwi -choroba kesonowa. Dochodzi do wystąpienia duszności, porażeo kooczyn i utraty przytomności, a w skrajnym przypadku do śmierci. Oddychanie tlenem pod zwiększonym ciśnieniem może wywoład zatrucie tlenowe -toksyczne zmiany w organizmie, drgawki, utratę przytomności, uszkodzenie wzroku. Oddychanie powietrzem zawierającym azot może wywoład narkozę azotową -halucynacje, niezbornośd ruchową i utratę przytomności.

WYKŁAD 8 Wpływ pola elektrycznego i magnetycznego oraz promieniowania jonizującego i niejonizującego na żywy organizmSpis zagadnień:

•Właściwościelektryczneimagnetyczneciał;Podstawowerównaniaelektromagnetyzmu;Indukowanepolemagnetyczne;Zjawiskorezonansumagnetycznego;Prądprzesunięcia;RównaniaMaxwella;Działaniepólelektromagnetycznychnażywyorganizm;Ogólnezasadyochronyprzedpromieniowaniemelektromagnetycznym;

•Źródłapromieniowaniajonizującego(promieniowanieX,promieniowaniegamma;radionukleidynaturaln,obiektyjądrowe);Wzajemneoddziaływaniecząsteknałądowanychimaterii;Charakterystykapromieniowanianiejonizującegoijegoabsorpcjaprzezatomyicząstki;Fotoluminescencja;Biologicznereakcjefotochemiczne;Wpływpromieniowanialaserowegonatkanki;Wolnerodnikiworganiźmie;

TEORIE ELEKTROMAGNETYZMUKLASYCZNA TEORIA ELEKTROMAGNETYZMU -zajmuje się ładunkami elektrycznymi, prądami oraz ich oddziaływaniami, przy założeniu, że wszystkie wielkości mogą być zmierzone z dowolną dokładnością. Podstawę stanowią równania MaxwellaELEKTRODYNAMIKA KWANTOWA -oparta o prawa mechaniki kwantowej, dotyczy obiektów o rozmiarach < 10-8m

Porażenie prądem elektrycznym

•Napięcie dotykowe-jest to napięcie między dwoma punktami nie należącymi do obwodu elektrycznego, z którymi mogą zetknąd się jednocześnie ręce lub ręka i stopy, albo inne części ciała człowieka UD= (0,5RP+ RC)JR

•Napięcierażeniowe -jest to spadek napięcia na drodze przepływu prądu przez ciało człowiekaUR= RCJC

Porażenie prądem elektrycznym

•Najbardziej niebezpieczny jest dla człowieka prąd przemienny o częstotliwości 50 -60 Hz

•Stwierdzono, że ludzie są mniej wrażliwi na działanie prądu stałego niż przemiennego. Dotyczy to natężeo do 20 mA

•Przy prądzie przemiennym 50 -60 Hzwyprostowanie palców i samodzielne oderwanie ich od przewodu możliwe jest przy natężeniu prądu: dla kobiet ≤ 10,5 mA, dla mężczyzn ≤ 16 mA

Porażenie prądem elektrycznym

•Zatrzymanie krążenia krwi na czas dłuższy niż 3-5 minut prowadzi nieodwołalnie do śmierci. Spowodowane jest ono zawsze wstrzymaniem lub niedostateczną pracą serca, albo też migotaniem (fibrylacją) komór sercowych. Migotanie komór polega na niesynchronicznych skurczach poszczególnych części mięśnia sercowego dokonujących się z częstotliwością 300-500 skurczów na minutę.

•Czynnikiem decydującym o wystąpieniu migotania jest obok wartości natężenia prądu czas przepływu. Przy czasach krótszych od 0.2s możliwośd wystąpienia migotania jest niewielka

Objawy działania prądu przemiennego 50 -60 Hz na człowieka przy przepływie na drodze ręka -ręka lub noga -ręka. Wartośd skuteczna prądu *mA+

•0 -0,5Prąd niewyczuwalny

•0,6 -1,6Prąd wyraźnie wyczuwalny (swędzenie łaskotanie)

•1,6 -3,5Cierpnięcie dłoni i przegubów, lekkie sztywnienie rąk

•3,5 -15Silne sztywnienie rąk, ból przedramion, skurcze dłoni i drżenie rąk; przy wzroście wartości prądu coraz silniejsze skurcze mięśni palców i ramion, zaciskanie się rąk obejmujących przedmiot i niemożnośd samodzielnego oderwania się

•15 -25Niekontrolowane skurcze, utrudniony oddech, wzrost ciśnienia krwi; prąd nie powoduje groźnych następstw przy czasie przepływu nie dłuższym niż kilkanaście sekund

•25 -50 Bardzo silne skurcze mięśni rąk i klatki piersiowej; nieregularnośd pracy serca, przy dłuższym działaniu prądu w górnym zakresie -migotanie komór sercowych

•50 -70Migotanie komór sercowych, porażenie mięśni oddechowych, przy dłuższym działaniu śmierd przez uduszenie

•> 70 Przy dłuższym działaniu zwykle kooczy się śmiercią

Oddziaływanie pól elektromagnetycznych

•Istnienie pól magnetycznych jest traktowane jako objaw wtórny, jako skutek ruchu ładunków elektrycznych.

•Ziemia jest wielkim magnesem.

•Indukcję magnetyczną Bdefiniuje się wykorzystując siłę oddziaływania pola magnetycznego na poruszający się ładunek próbny q0:

•F = q0(v¤B)

•B = Fmax/q0v [T]

Indukcja magnetyczna

•1T-duża jednostka *N/Am+

•10 T-uzyskuje się w laboratoriach

•100 T-bardzo krótko

•B = 10-4T -na powierzchni Ziemi

•Prąd 100 mA w odległości 1 cm B = 2·10-3T

•Układ nerwowy w okolicy klatki piersiowej B = 10-11T

Oddziaływanie pól elektromagnetycznych

•Pola elektromagnetyczne powstają: wokół stacji nadawczych radiowych i TV, radarów, urządzeo przemysłowych, zgrzewarek, pieców indukcyjnych, silników, telewizorów…

•Długotrwałe przebywanie powoduje: bóle i zawroty głowy, zaburzenia snu, zaburzenia pamięci, dolegliwości sercowe, szybkie męczenie, choroby oczu (zadma).

Oddziaływanie pól elektromagnetycznych

•Efekty termiczne-częśd energii jest pochłonięta i zamieniona na ciepło. Progowa gęstośd mocy wynosi około 10mW/cm2..

•Ze wzrostem długości fali wartości te wyraźnie wzrastają co wiąże się z zależnością współczynnika pochłaniania energii elektromagnetycznej od częstotliwości.

Oddziaływanie pól elektromagnetycznych

•Efekty termiczne w tkankach wywołane przepływem prądów wysokiej częstotliwości są wykorzystywane w praktyce medycznej jako diatermia.

•Obecnie prawie wyłącznie stosowane są aparaty krótkofalowe i mikrofalowe.

•Zastosowanie diatermii: przewlekłe stany zapalne mięśni, tkanki łącznej, stawów i nerwów.

Oddziaływanie pól elektromagnetycznych

•Doświadczenia wykazały, że promieniowanie elektromagnetyczne wpływa na przebieg wielu procesów biologicznych nawet znacznie poniżej efektu termicznego (10 mW/cm2)

Oddziaływanie pól elektromagnetycznych

•Zmiany morfologiczne

•Oparzenia, martwice tkanek, degeneracja komórek

•Najwrażliwsze są tkanki obwodowego i ośrodkowego UN

•Zmiany w układzie sercowo-naczyniowym

•Działanie mutagenne

•Zmniejszenie płodności

Metody ochrony

•Bierne: organizacja pracy, automatyzacja, skracanie czasu pracy, zakaz pracy poniżej 18 l., kobiet w ciąży, okresowe badania lekarskie.

•Czynne: Ekranowanie za pomocą blach, siatek, anteny, odzież ochronna konstrukcja urządzeo.

•Widmo fal elektromagnetycznych dzieli się na cztery zakresy -w zależności od częstotliwości i dla każdego zakresu określa się dopuszczalny czas przebywania w zależności od występującego w danej strefie natężenia

Biopotencjały

•Funkcjonowaniu żywych narządów towarzyszy występowanie potencjałów elektrycznych. Różnice potencjałów występuje pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną stroną błony komórkowej.

•Różnica ta w zależności od rodzaju komórki wynosi około 40-100 mV.

•Dla większości neuronów wynosi ona od -40 do -75 mV.

Metody badania biopotencjalów

•Elektrokardiografia EKG -metodarejestrowania zmian prądów i różnic potencjałów czynnościowych wytwarzanych przez układ bodźcotwórczo-przewodzący w mięśniu sercowym w czasie jego czynności.

•Elektroencefalografia EEG -metoda badania polegająca na odbiorze prądów czynnościowych mózgu z różnych okolic czaszki lub mózgu.

•Elektromiografia EMG-metoda badania i rejestracji zjawisk bioelektrycznych (prądów czynnościowych) zachodzących w mięśniach podczas ich pracy.

Metody badania biopotencjalów

•Elektrokardiografia EKG -metodarejestrowania zmian prądów i różnic potencjałów czynnościowych wytwarzanych przez układ bodźcotwórczo-przewodzący w mięśniu sercowym w czasie jego czynności.

•Elektroencefalografia EEG -metoda badania polegająca na odbiorze prądów czynnościowych mózgu z różnych okolic czaszki lub mózgu.

•Elektromiografia EMG-metoda badania i rejestracji zjawisk bioelektrycznych (prądów czynnościowych) zachodzących w mięśniach podczas ich pracy.

Promieniowanie jonizującePromieniowanie jonizującejest to promieniowanie korpuskularne lub elektromagnetyczne, które oddziaływując z materią powoduje powstanie w niej jonów.

Rodzaje promieniowania

•Promieniowanie elektromagnetyczne(prom. X i γ)

•Promieniowanie korpuskularne-to elektrony, promieniowanie beta, protony, neutrony, cząstki alfa

ŹRÓDŁA NATURALNE

•Promieniowanie kosmiczne (słooce i kosmos) 10%·

•Promieniowanie od gruntu i budynków (materiały budowlane) 14%

•Substancje promieniotwórcze w organizmie człowieka(pochodzące z żywności i powietrza) 12%

•Promieniotwórczy gaz radon z ziemi 51%

Razem87%

ŹRÓDŁA SZTUCZNE

•Źródła medyczne 12,0%

•Odpady promieniotwórcze 0,2%

•Opad promieniotwórczy 0,7%

•TV i inne zastosowania 0,1%

Razem13%

Cząstki promieniowania korpuskularnego mają dużą energie kinetyczną co umożliwia im :

•jonizację tj. oderwanie przynajmniej jednego elektronu od atomuulub cząsteczki albo wybicie go ze struktury krystalicznej.

•wzbudzenie atomów ośrodka pochłaniającego. Wzbudzone atomy emitująkwanty promieniowaniaelektromagnetycznego.

Ponieważ jonizacja atomów jest spowodowana zderzeniami cząsteczek promieniowania z atomami promieniowanie korpuskularne nazywamy -promieniowaniem jonizującym bezpośrednio.

LET-liniowe przenoszenie energii

•Zdolność danego ośrodka do pochłaniania promieniowania jonizującego podajemy przez podanie ilości energii traconej przezpromieniowanie na jednostkę długości przebywanej przez nie drogi

•dla promieniowania korpuskularnego stosujemy wzór Bethego

Fotony -kwanty promieniowania elektromagnetycznego -oddziaływają z materią na wiele sposobów.

Trzy z nich odgrywają zasadniczą rolę: zjawisko fotoelektryczne, efekt Comptona i produkcja par elektron-pozyton.

•Zjawisko fotoelektryczne, czyli pochłonięcie fotonu przez atom i emisja elektronu z jednej z orbit atomu ośrodka pochłaniającego.

•Wybite elektrony posiadają znaczną Energię kinetyczną, która jest równa różnicy między energia pochłoniętego kwantu (hv) i energia

EfektComptona, czyli rozproszenie fotonu na quasi-swobodnym elektronie. Zachodzi przy odpowiedniej wartości od 105eV do 107eV).Energia przekazana elektronowi, a więc i tracona przez foton zależy wtedy od kąta pomiędzy kierunkami padającego i rozpraszanego fotonu.

Tworzenie par pozyton -elektron

1.Energia kwantu promieniowania przekracza wartośd 1,02 MeV.

2mec2= 1,02 MeV

2.Zamiana energii fotonu na masę negatonu i pozytonu.

mn= mp

3.Nadmiar energii fotonu staje się energią kinetyczną utworzonych cząstek.

Prawdopodobieostwo wystąpienia efektu zależy od:

•energii pochłanianego promieniowania,

•rodzaju substancji pochłaniającej.

Prawo absorpcji promieniowania:

I = I0 e-μx

gdzie:

I -natężenie wiązki promieniowania przechodzącej przez absorbent,

I0-natężenie wiązki padającej,

μ -liniowy współczynnik pochłaniania,

x -grubośd warstwy absorbenta

Prawo absorpcji promieniowania:

I = I0 e-μx

gdzie:

I -natężenie wiązki promieniowania przechodzącej przez absorbent,

I0-natężenie wiązki padającej,

μ -liniowy współczynnik pochłaniania,

x -grubośd warstwy absorbenta

Masowy współczynnik pochłaniania (μ / ρ):

•charakteryzuje ośrodek pochłaniający,

•pozwala uniknąć zależności od gęstości absorbującego ośrodka,

•odpowiada zdolności absorpcyjnej warstwy absorbentu o masie 1 kg i powierzchni 1 m2.

PROMIENIOWANIE NIEJONIZUJĄCE

Promieniowanie:

radiowe i mikrofalowe

podczerwone

widzialne (laserowe)

nadfioletowe

PROMIENIOWANIEM NIEJONIZUJĄCYM nazywamy promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu optycznej części widma tego promieniowania, to znaczy:-promieniowanie nadfioletowe (UV)-światło-promieniowanie podczerwone

Promieniowanie widzialneodgrywa najistotniejszą rolę w postępowaniu i rozwoju żywych organizmów podstawy wszystkich procesów zachodzących na Ziemi ,leży zjawisko fotosyntezy. Również u człowieka jest ona najistotniejszym synchronizatorem okołodobowej rytmiki funkcji fizjologicznych.

Promieniowanie widzialneodgrywa najistotniejszą rolę w postępowaniu i rozwoju żywych organizmów podstawy wszystkich procesów zachodzących na Ziemi ,leży zjawisko fotosyntezy. Również u człowieka jest ona najistotniejszym synchronizatorem okołodobowej rytmiki funkcji fizjologicznych.

PROMIENIOWANIE LASEROWE TO:

Spójne (koherentne) o bardzo małej rozbieżności wiązki w zakresie od nadfioletu przez światło widzialne do podczerwieni.

Promieniowanie laserowe może wywołać w tkankach: efekty fotobiochemiczne:

1.Wzrost szybkości wymiany elektrolitów między komórką, a otoczeniem

2.Działanie antymutagenne

3.Przyspieszenie mitozy

4.Zmiany struktury błon biologicznych

5.Wzrost aktywności enzymów

6.Zwiększenie syntezy ATP i DNA

efekty biostymulacyjne:

1.Poprawa mikrokrążenia krwi

2.Poprawa angiogenezy

3.Działanie immunomodulacyjne

4.Wzrost potencjałów czynnościowych włókien nerwowych

5.Zwiększenie stężenia hormonów, kinin i autokoidów

6.Działanie hipokoagulacyjneefekty fotochemicznezwiązane ze wzrostem temperatury tkanek

Szkodliwość działania promieniowania laserów wyraża się uszkodzeniem struktur gałki ocznej i skóry

•najgroźniejsze w skutkach jest uszkodzenie siatkówki w wyniku wniknięcia promieni laserowych do gałki ocznej

•w obrębie skóry może powodować zmiany od rumienia do martwicy i zwęglenia, ma też działanie rakotwórcze

•praca z laserami wymaga przestrzegania zasad bezpieczeństwa, przede wszystkim unikania patrzenia bezpośrednio w wiązkę promieniowania

PROMIENIOWANIE NADFIOLETOWE:

•W zależności od działania biologicznego ,UV podzielono na następujące rodzaje:

•Jest rodzajem promieniowania optycznego o krótszej długości fali i większej energii niż światło widzialne

Wywołuje rumień skóry (221-396 nm)

Działające bakteriobójczo(221-396 nm)

Pobudzające syntezę wit.A i D w org.(281-389 nm)

Działające szkodliwie na oko(221-398 nm)

Skutki narażenia dotyczą:

SKÓRY:

Po narażeniu ostrym-rumień, poparzenia ze zmianami pęcherzowymi i łuszczenie się skóry

Przyśpieszone „starzenie się skóry”

wzrost ryzyka nowotworów skóry, np. czerniak

GAŁKI OCZNEJ

Zapalenie rogówki i spojówki

Przejściowe zaburzenia widzenia

Zaćma

Wzrost ryzyka nowotworów oka

PROMIENIOWANIE PODCZERWONE

ŹRÓDŁA:

Termiczne

Luminescencyjne

WŁAŚCIWOŚCI:

Promieniowanie to ma charakter liniowy lub pasmowy

Promieniowanie podczerwone nie wnika do głębszych warstw skóry, zatem skutkiemjego działania jest podgrzanie skóry i tkanek znajdujących się bezpośrednio pod nią

SZKODLIWE DZIAŁANIE PROMIENIOWANIA PODCZERWONEGO DOTYCZY :skóry i narządu wzroku.

1.Skóra:

•Pieczenie

•Ból

•Zaczerwienie w miejscach nieosłoniętych

•Oparzenia

PROMIENIOWANIE RADIOWE(PR):OBEJMUJE PRZEDZIAŁ CZĘSTOTLIWOŚCI OD 30 kHzDO 300 MHz, AMIKROFALE (MF)ZAWARTE SĄ WZAKRESIE OD 30 MHz DO 300 GHz

Źródła:

Urządzenia radarowe

Urządzenia telekomunikacyjne

Sieć radiowa i telewizyjna

Urządzenia przemysłowe

Urządzenia domowe (kuchenki mikrofalowe)

WYKŁAD 9 Podstawy bioenergetyki i termokinetyki

Spis zagadnień:

•Procesy oksydoredukcyjne;

Zarys teorii chemioosmotycznejMitchella;

Mechanizmy transportu ciepła;

•Prawa promieniowania ciała doskonale czarnego;

Teoria Plancka; Wzór Wiena;

Wzór Rayleigha-Jeansa;

Wzór Plancka; Ciała rzeczywiste;

Zastosowanie praw promieniowania w termometrii; Temperatura organizmów żywych;

Wpływ temperatury na kinetykę procesów biologicznych;

•Zasada termografii i jej wykorzystanie w badaniach biofizycznych.

Oddychanie biologiczne:

•Przeniesienie atomów wodoru z substratów na atomy tlenu,

•Zlokalizowane głównie w mitochondriach,

•Odpowiednie rozmieszczenie przestrzenne cząsteczek substratów i enzymów, zapewniające sprzężenie oddychania z fosforylacją, gwarantowane jest odpowiednim związkiem czynnych elementów z wewnętrzną błoną mitochondrialną

Struktura i funkcje mitochondrium

Utlenianiu biologicznemu zaczynającemu się od substratów o potencjale -0,30mV i kończącemu na tlenie (+82mV)towarzyszy G = -218 kJ ·mol-1

Potencjał redoks najbardziej zredukowanych substratów występujących w organizmach wynosi od

-0,60 do -0,50 mV

Reakcje redoks w komórkach

Reakcje redoks zwiększają entropię, są więc potencjalnie, a często także faktycznie, samorzutne

W komórkach żywych, stanowiących układ otwarty, reakcje redoks pozostają w powiązaniu z fosforylacją, która obniża entropię

Zużytkowywanie energii:

•Chemiczna praca (biosyntezy),

•Praca osmotyczna (transportu),

•Praca mechaniczna

Bioenergetyka w ujęciu globalnym c.d.

•Roczna produkcja wszystkich substancji organicznych przez organizmy fotosyntetyzujące na Ziemi wymaga ok. 1018J energii,

•Po uwzględnieniu strat energetycznych fotosyntezy otrzymuje się 1021J (0,001 energii słonecznej docierającej rocznie do Ziemi),

•Biorąc pod uwagę powyższe dane oraz fakt, że procesy wzrostu i rozmnażania się żywych organizmów zmniejszają entropię, można sądzid, że żywe organizmy nie stosują się do II zasady termodynamiki,

Bioenergetyka w ujęciu globalnym c.d.

•Organizmy żywe nie są jednak układami zamkniętymi, bowiem jednym z warunków życia jest ciągłą wymiana materii i energii z otoczeniem, co z kolei kolei zwiększa entropię,

•Procesy kataboliczne (zwiększające entropię) i metaboliczne (zmniejszające entropię) są w organizmach żywych sprzężone termodynamicznie.

Wymiana ciepła pomiędzy ciałami przebiega na trzy różne sposoby:

•poprzez przewodzenie,

•konwekcję

•promieniowanie termiczne. Promieniowanietermiczneciałaznajdującegosięwtemperaturzewyższejodzerabezwzględnegopoleganazamianieenergiikinetycznejbezładnegorchucząstekciałanafaleelektromagnetyczne.Dziękitemumożnamierzyćbezkontaktowostrumieńenergiitegopromieniowania.

PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Jest on funkcją czwartej potęgi temperatury termodynamicznej badanego obiektu. Dla ciała doskonale czarnego ujmuje tę zależność prawo Stefana-Boltzmanna: całkowita energia W emitowana przez jednostkę powierzchni ciała doskonale czarnego w jednostce czasu wyraża się wzorem:

Zgodnie z prawem Wiena maksimum energii wypromieniowywanej przez ciało wraz ze wzrostem temperatury przesuwa się w kierunku fal krótszych.

Założenie ciągłości procesu promieniowania fal elektromagnetycznych i zasady ekwipartycji energii (prawa równomiernego rozkładu energii na stopnie swobody przyjętego w fizyce klasycznej) otrzymano teoretycznie dwa wzory na zdolność emisyjną ciała doskonale czarnego: Wzór Wiena

Wzór Reyleigha-Jeanse'a:

Na ilość energii promienistej docierającej do detektora, oprócz rozkładu widmowego, ma wpływ rozkład geometryczny. Prawo Lamberta mówi, że intensywność promieniowania powierzchni płaskiej (gęstość strumienia emisji przypadająca na jednostkę kąta bryłowego) zmienia się wraz z kątem odchylenia (b) od kierunku prostopadłego do powierzchni emitującej odpowiednio wg wzoru: gdzie Ib - intensywność promieniowania dla kąta b [W·m-2sr-1], In - intensywność promieniowania w kierunku normalnym do powierzchni wysyłającej promieniowanie [W·m-2sr-1]. Wynika stąd, że przy kącie b=0 między osią termowizora a powierzchnią emitującą, sygnał rejestrowany przez detektor jest najsilniejszy.

Ciałodoskonaleczarnecharakteryzujesiętym,żepochłaniacałąenergiępromieniowanianańpadającego(absorpcyjnośća=1).Wciałachrzeczywistychczęśćenergiipromieniowaniapadającegojestodbijana(refleksyjność-r),częśćzostajeprzepuszczona(przepuszczalność-p),aresztazaabsorbowana.Takwięc:Wśródciałrzeczywistychwyróżniasię:ciałabiałe(r=1),ciałaprzezroczyste(p=1),ciałanieprzezroczyste(p=0)iciałaszare(a<1).1apr

Pomiar temperatury

Bezkontaktowy:

radiometry podczerwieni, pirometry -uśredniona temperatura fragmentu powierzchni łanu;

urządzenia termograficzne -części nadziemne rośliny, pojedyncza roślina lub łan roślin;

skanery wielokanałowe z zakresem podczerwieni termalnej zobrazowania dużych obszarów pól uprawnych;

Zalety

pomiar zdalny i bezinwazyjny (nieniszczący);

urządzenia termograficzne -otrzymuje się mapę rozkładu temperatury (wiele punktów pomiarowych jednocześnie)

duża rozdzielczość geometryczna i radiometryczna;

możliwość badania szybkozmiennych procesów;

można stosować metody analizy obrazu w celu wydobycia specyficznych informacji;

Ograniczenia

pomiar wyłącznie rozkładu temperatury na powierzchni obiektu;

konieczność uwzględnienia współczynnika emisyjności;

cena;

Radiometry podczerwieni

Radiometr C I M E LE l e c t r o n i q u e(Francja)SPECYFIKACJAZakres temperatur: -80 do +60°CRozdzielczość temperaturowa: 50 mKw20°CCzas Odpowiedzi: 1sRejestruje oddzielnie w kilku zakresach spektrumw przypadku radiometru czterozakresowego:8 -13,8.2 -9.2 μm10.3 -11.3, 11.5 -12.5 μmRadiometr ApogeeInstruments (USA)

SPECYFIKACJA

Zakres temperatur: -55do+80°C

Rozdzielczość temperaturowa: 50 mKw20°C

Czas Odpowiedzi: <1s

Rejestruje w jednym zakresie spektrum 8 -14μmTermometr podczerwieni: Everest Interscience(USA)

SPECYFIKACJA

Zakres temperatur: -40do+100°C

Rozdzielczość temperaturowa: 0,1°C

Czas Odpowiedzi: 1s

Rejestruje w jednym zakresie spektrum 8 -14μm

Termografiaobejmujemetodybadawczepolegającenazdalnejibezdotykowejocenierozkładutemperaturynapowierzchnibadanegociała.Metodatajestopartanaobserwacjiizapisierozkładupromieniowaniapodczerwonego,wysyłanegoprzezkażdeciało,któregotemperaturajestwyższaodzerabezwzględnego,iprzekształceniutegopromieniowanianaświatłowidzialne.(GrzegorzRudowski)-bliska podczerwień =0.75 -3m, -pośrednia podczerwień =3 -10m, -daleka podczerwień =10 -30m, -bardzo daleka podczerwień =30 -1000m.

---