Biofizyka

Wykład 3 – 27.02.2015

dr. Ewa Tarnowska - Sokołow

PRZECIĄŻENIA – ICH RODZAJE I SKUTKI

Z punktu widzenia fizyki wyróżnia się następujące przyczyny pojawienia się przyśpieszeń. Są to zmiany:

• Wartości prędkości liniowej w ruchu prostoliniowym

• Kierunku prędkości w ruchy krzywoliniowym

• Wartości prędkości kątowej

W medycynie lotniczej i fizjologii przyśpieszenie liniowe wyrażone jest jako wielokrotność (n) przyśpieszenia ziemskiego (g)

a = ng

Wpływ przeciążeń na organizm człowieka jest uwarunkowany następującymi czynnikami:

• Wartością przyśpieszenia

• Czasem trwania

• Kierunkiem i zwrotem w stosunku do podłużnej osi ciała

• Szybkością zmian przyśpieszenia

• Kondycją i wcześniejszym treningiem organizmu

Czasowe kategorie przeciążeń:

• Ze względu na czas występowania przyśpieszenia (t) wyróżniamy następujące kategorie

  • Udarowe – t < 0,005s

  • Krótkotrwałe – 0,5s < t < 1s

  • Przedłużone – 1s <t do kilku sekund

  • Przewlekłe – powyżej kilku sekund

Rodzaje przeciążeń ze względu na kierunek wzdłuż różnych osi ciała osi ciała:

• Podłużnej

  • +Gz – od głowy do stóp

  • –Gz – od stóp do głów

• Strzałkowej osi ciała (plecy, mostek)

  • +Gx – od mostka do pleców

  • –Gx – od pleców do mostka

• Poprzecznej osi ciała (lewy – prawy bok)

  • +Gy – od prawej do lewej strony

  • –Gy – od lewej do prawej strony

Czynniki decydujące o znoszeniu przyśpieszenia przez organizm człowieka jest:

• Wartość przyśpieszenia

• Kierunek jego działania

• Czas oddziaływania

• Szybkość jego narastania (jeśli jest zmienne w czasie)

Wytrzymałość na przeciążenie:

• Ze strony organizmu bardzo istotną rolę w odporności na działanie przyśpieszeń odgrywa aktualna kondycja.

• Człowiek wykazuje największą wytrzymałość na przyśpieszenia działające w kierunku plecy – klatka piersiowa (przeciążenie działa w kierunku przeciwnym) i dlatego kosmonauci startując leżą na plecach.

• Również w kierunku odwrotnym tzn. klatka piersiowa – plecy cechuje człowieka duża wytrzymałość.

Działanie przeciążeń:

• W pozycji siedzącej dodatnie przeciążenia wytrzymuje człowiek dobrze, jak w poprzednio wymienionych położeniach.

• Podczas katapultowania się z samolotów pilot znosi zupełnie dobrze przyśpieszenie 18g w ciągu 0,2s

• Maksymalne przeciążenie jakie człowiek może wytrzymać bez urazu w ciągu ułamka sekundy w prawidłowej pozycji siedzącej w fotelu katapultowanym wynosi 25g

Działanie przeciążeń podłużnych:

• Główną przyczyną zaburzeń jest zakłócenie obiegu krwi w organizmie.

• Pierwsze objawy niedokrwienia dotyczą wzroku i centralnego układu nerwowego, gdyż leżą one najwyżej i są wyjątkowo czułe na niedokrwienie.

  • Skutki przeciążenia dodatniego

    • Niedokrwienie siatkówek gałek ocznych powoduje:

      • Zblednięcie i zamglenie obrazu, kolory stają się mniej wyraziste,

      • Pole widzenia zwęża się aż do wystąpienia tgz. Lunetowego widzenia, a następnie znika pole widzenia (czarne widzenie).

      • W tym czasie zachowana jest jeszcze świadomość, choć poważnie ograniczona, oraz słuch.

      • Objawy występują kolejno w granicach od 3 – 6g

    • Oprócz opisanych, ręce, nogi, głowa stają się bardzo ciężkie a wykonywanie ruchów jest poważnie utrudnione a nawet niemożliwe

    • W wyniku dalszego zwiększania przyśpieszenia lub utrzymania poprzedniego dochodzi do utraty świadomości

    • Po ustaniu działania przeciążenia wszystkie funkcje szybko powracają do granic normy, choć pozostaje przez chwilę oszołomienie.

  • Skutki przeciążenia ujemnego

    • Przemieszczenie się krwi w czasie działania przeciążeń ujemnych (a) i dodatnich (b).

    • Ujemne przeciążenia (ku głowie) organizm ludzki znosi znacznie gorzej niż dodatnie

    • Człowiek w swym rozwoju na przestrzeni tysięcy lat wyrósł pod działaniem dodatniego przyśpieszenia ziemskiego oraz często ulegał przeciążeniom dodatnim np.:

      • Przy zeskakiwaniu z małych nawet wysokości

      • Podczas biegu

    • Organizm mógł wykształcić pewien zespół reakcji kompensacyjnych. Natomiast przeciążeniom ujemnym organizm ludzkich nie miał okazju ulegać, nie wytworzył więc odpowiednich reakcji.

    • Przeciążenie ujemne powoduje sztuczne zwiększenia ciśnienia w tętnicy szyjnej, zwolnienie akcji serca i zmniejsza dopływ świeżej krwi do mózgu.

    • W czasie działania przeciążeń ujemnych pilot czuje przykre rozpieranie w całej głowie i wysadzanie oczu.

    • W polu widzenia pojawiają się czerwone plamy ( czerwone widzenie), a pod spojówką oka powstają nieraz krwawe wybroczyny.

    • Najprawdopodobniej wybroczyny powstają również w mniejszym stopniu w innych miejscach w głowie. Dowodem tego jest pojawienie się „muszek” w polu widzenia u pilotów zajmujących się intensywnie odwróconą akrobacją.

Skutki przeciążeń poprzecznych:

• Człowiek prawidłowo zabezpieczony i unieruchomiony jest w stanie znieść bardzo duże przeciążenia boczne.

• Ze względu na komfort jazdy pasażer nie może być całkowicie unieruchomiony, co skutecznie obniża wytrzymałość na przeciążenia tego typu do ok. 2g. powyżej tej wartości może dochodzić do uszkodzeń kręgosłupa.

Przeciążenie poprzeczne w osi strzałkowej

• Człowiek jest dość wytrzymały na przeciążenia poprzeczne, zwłaszcza te przy przyśpieszaniu.

• Typowym objawem dużego przyśpieszenia jest uczucie wgniecenia w oparcie fotela a nawet trudności w złapaniu oddechu.

• Przy hamowaniu jest uczucie wypchnięcia do przodu, a w skrajnych przypadkach może dojść do przekrwienia gałek ocznych, krwawienia z oczu i nosa.

Przykłady przeciążeń z ich wartością i zwrotem.:

• Stojąc na głowie -1G

• Spacerując po ulicy +1G

• Zabawa na huśtawce 2,5G

• Jazda na roller –coasterze 4G

• Normalne hamowanie bolidu F1 4G

• Ewolucje Red Bull Air Race 10G

• Katapultowanie się z myśliwca 12-14G

CIEPŁO – PRZEPŁYW I SKUTKI

Ciepło:

• Skutki adsorpcji / oddawania ciepła

  • Zmiana temperatury, pojemność cieplna

  • Zmiany fazowe

• Procesy transportu ciepła

• Współczynnik Vant Hoffa a procesy zachodzące w organizmie żywym.

Ciepło informacje podstawowe:

• Jest to energia, która przepływa pomiędzy ciałami o różnej temperaturze.

• Jednostką ciepła w SI jest dżul (J)

• W użyciu jest też jednostka kaloria (kal) – 1kal=4,16 J

Skutki absorbcji /oddawania ciepła

Q = mcT

Gdzie :  m − masa,  T − zmiana temperatury,  c − cieplo wlasciwe

• Ciepło właściwe (c) jest to ilość energii (ciepła) wymieniany przez jednostkową masę substancji potrzebna do zmiany temperatury o 1C (1K)

• Pojemność cieplna – stosunek ilości ciepła (Q) dostarczonego do układu do odpowiadającego mu przyrostu temperatury (T)

$$\frac{Q}{T} = mc$$

Dlaczego gorąca woda parzy a powietrze o tej samej temperaturze nie ?

$$C_{\text{woda}} = 1\frac{\text{cal}}{g*}$$

$$C_{\text{pow}} = 0,25\frac{\text{cal}}{g*}$$

Przemiany fazowe:

W trakcie przemiany fazowej, na skutek wymiany ciepła z otoczeniem dochodzi do zmiany wewnętrznej konfiguracji cząsteczek substancji a nie do zmiany temperatury.

Energia (Q) dostarczona do układu (oddana przez układ) w trakcie przemiany fazowej substancji o masie (m) . L – ciepło przemiany

Q = mL

Rozszerzalność termiczna:

Rozszerzalność cieplna substancji jest skutkiem zmian średnich odległości pomiędzy atomami i cząsteczkami substancji spowodowanej rosnącą amplitudą oscylacji atomów i cząsteczek w wyższych temperaturach.

Fizyczne procesy transportu ciepła

• Przewodnictwo cieplne - energia cieplna w formie ustawicznych, chaotycznych ruchów cząsteczek materii, jest przekazywana poprzez bezpośredni kontakt między cząsteczkami.

$$\frac{\mathbf{Q}}{\mathbf{}\mathbf{t}}\mathbf{= \ }\frac{\mathbf{K}_{\mathbf{c}}\mathbf{A}}{\mathbf{L}}\mathbf{(}\mathbf{T}_{\mathbf{h}}\mathbf{-}\mathbf{T}_{\mathbf{c}}\mathbf{)}$$

gdzie : Kc − wspolczynnik przewodnictwa,  A − pole przekroju podstawy,  L − dlugosc krawedzi dlugiej,  Lh i Lc − temperatura koncow. 

• Konwekcja – to ruch (przemieszczanie się) cząsteczek w cieczach i gazach. Przemieszczanie się cząsteczki unoszą się ze sobą energię cieplną.

$$\frac{\mathbf{Q}}{\mathbf{t}}\mathbf{=}\mathbf{K}_{\mathbf{c}}\mathbf{A}\mathbf{T}$$

K − wspolczybnnik konwekcji

• Promieniowanie cieplne – to promieniowanie elektromagnetyczne emitowane z powierzchni każdego obiektu o temperaturze wyższej od 0K.

Produkcja energii przez ludzkie ciało

Energia którą uzyskujemy w procesie utleniania składników pożywienia zamieniana jest na zewnętrzną pracę mięśni oraz utrzymanie metabolizmu.

Normalna temperatura: 37

Denaturacja białek: 45

Zatrzymanie akcji serca <28

Transport ciepła wewnątrz ciała:

• Unoszenie się (konwekcja) poprzez krew

• Przewodzenie ciepła przez skórę

Nadmiar ciepła – transport z ciała:

• Konwekcja do otoczenia

• Promieniowanie

• Inne procesy fizjologiczne

Zależność temperatury od otoczenia

Ciepło przepływa od ciała cieplejszego do zimniejszego

T _pow > T_skóry

+

• Konwekcja Q > 0

• Promieniowanie Q > 0 

-

• Parowanie Q < 0

• Oddychanie <0 

Ilość wyparowywanej cieczy zależ od:

• Ruchu powietrza

• Temperatury powietrza

• Względnej wilgotności powietrza

T _pow < T_skóry

• Konwekcja Q < 0

• Promieniowanie Q < 0 

• Parowanie Q < 0

• Oddychanie <0 

Temperatura i jej wpływ na szybkość procesów w organizmie człowieka

Temperatura jest wyższym czynnikiem fizycznym, mającym wpływ na procesy biologiczne. Od niej zależy bowiem wiele zachodzących w ustroju żywym procesów fizycznych i chemicznych.

Wielkości zależne od temperatury:

• Współczynnik dyfuzji i lepkości

• Ciśnienie osmotyczne

• Potencjały elektrochemiczne i chemiczne

• Trwałość związków biochemicznych i wiele innych

Dla wyrażenia wpływu temperatury na procesy biologiczne wprowadza się współczynnik Vant Hoffa (zwany współczynnikiem Q₁₀)

Współczynnik Q₁₀ jest to stosunek szybkości przebiegu procesu w temperaturze (T + 10K) do jego szybkości w temperaturze T:

$$\mathbf{Q}\mathbf{10}\mathbf{=}\frac{\mathbf{V}_{\mathbf{T + 10}}}{\mathbf{V}_{\mathbf{T}}}$$

Wartości współczynnika Vant Hoffa

• Dla procesów zachodzących w organizmie żywym wartość Q₁₀ wynosi ok. 1-4

• Dla procesów o charakterze fizycznym np. dyfuzji, potencjałów błonowych wynosi 1,03< Q₁₀<3

• Dużą ponad 4 wartość Q₁₀ wykazuje lepkość olejów i lipidów odpowiedzialnych za właściwości błon pobudliwych

• Dla procesów o charakterze chemicznym 2< Q₁₀<3 dla enzymatycznych Q₁₀<2

Rozkład temperatury w organizmie człowieka

• W przybliżeniu stałą temperaturę utrzymuje tylko wnętrze ciała ludzkiego

• Ciepło wytworzone w narządach o dużym metabolizmie (wątroba, serce, nerki, mózg, mięśnie) jest rozprowadzane po organizmie przez krew.