Biofizyka - dziedzina naukowa z pogranicza fizyki i biologii zajmującą się badaniem procesów fizycznych w układach biologicznych (komórkach, tkankach, organach, organizmach i całych biocenozach), opisem struktur cząsteczek i badaniem ich funkcji w komórkach. W zakresie badania organicznych struktur cząsteczkowych biofizyka zazębia się z biochemią i trudne staje się ustalenie ścisłej granicy między tymi dwoma dyscyplinami naukowymi. Biofizyka zajmuje się również badaniem wpływu czynników fizycznych na przebieg procesów w układach biologicznych. Jest to dyscyplina naukowa stosująca prawa, zasady i metody fizyki do rozwiązywania problemów biologicznych.

Wiek biofizyki - biofizyka jest nauką bardzo młodą i dopiero kształtuje się jako samodzielna dyscyplina naukowa. Istnieją nawet pewne trudności w podaniu ścisłej definicji biofizyki. Uważa się, że biofizyka jako odrębna dyscyplina naukowa narodziła się w latach 50-siatych 20-tego wieku. Związek z innymi dyscyplinami Zajmowanie się biofizyką wymaga gruntownej znajomości matematyki, fizyki, chemii, biochemii, a nawet niektórych dziedzin techniki, takich jak elektronika i informatyka. Tym tłumaczy się dużą różnorodność problemów objętych programem nauczania przedmiotu biofizyka. Obecnie biofizyka jest jednym z podstawowych przedmiotów kształcenia studentów na uczelniach o profilu medycznym, ogólno przyrodniczym i fizycznym.

Opis ilościowy i jakościowy Biofizyka jest dyscypliną naukową powstałą w wyniku przyjęcia przedmiotu badań z biologii i metod badań z fizyki. Przedmiotem badań biologii jest materia ożywiona, natomiast przedmiotem

badań fizyki jest materia nieożywiona. W naukach biologicznych stosuje się przede wszystkim opis jakościowy rozważanych układów, procesów i zjawisk. Fizyka natomiast posługuje się głównie opisem ilościowym . Zastosowanie do badań biologicznych mikroskopu elektronowego lub innych metod fizycznych nie jest jeszcze biofizyką. W biofizyce chodzi bardziej o interpretacje fizyczne wyników doświadczeń na podstawie praw fizyki. Odkrywane pomiędzy wielkościami fizycznymi zależności funkcyjne pozwalają na sformułowanie praw ilościowych, wyrażonych za pomocą odpowiednich wzorów matematycznych.

Prekursorzy biofizyki • Luigi Galvani (1737-1798) • Thomas Young (1773-1829) • Julius Robert von Mayer (1814-1878) • Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894)

Bardzo szybki rozwój biofizyki obserwuje się dopiero w ostatnich kilku dziesięcioleciach. Wyprzedziła w tym względzie biofizykę biochemia wskutek tego, że chemia znacznie wcześniej i intensywniej weszła na usługi nauk biologicznych.

Fizyka medyczna (biofizyka medyczna) – prekursorem jest Herman von Helmholtz. Zajmuje się zastosowaniem metod fizycznych w medycynie (np. radiodiagnostyka, radioterapia, fizykoterapia, dozymetria).

Modelowanie biofizyczne

Złożoność układów biologicznych Nawet najprostsze układy biologiczne i zachodzące w nich procesy, są niezwykle złożone, przez co niemożliwe jest ich równoczesne szczegółowe badanie. Dlatego też w praktyce zachodzi konieczność wyboru uproszczonego sposobu postępowania umożliwiającego rozwiązanie konkretnego problemu badawczego, diagnostycznego lub terapeutycznego. Tego rodzaju uproszczenia są przedmiotem modelowania

biofizycznego. Model biofizyczny - konstrukcja geometryczna, mechaniczna, elektryczna, elektroniczna lub matematyczna mającą na celu odwzorowanie struktury albo przebiegu zjawiska dla unaocznienia, zrozumienia

oraz wyjaśnienia obserwowanych procesów i zależności.

Właściwości heurystyczne modelu Dobrze skonstruowany model ma również właściwości heurystyczne pozwalające wykryć nowe fakty i związki między faktami, stawiać nowe hipotezy, sprawdzać je itp. Ze względu na tą własność modelowanie ma znaczenie nie tylko w nauce, ale również w medycynie praktycznej. Na przykład na podstawie badań matematycznych w oparciu o zebrane informacje o chorym oraz o odpowiednie modele matematyczne można przewidywać kierunki rozwoju choroby itp.

Rodzaje modeli:

Modele biologiczne Na tych modelach bada się ogólne prawa biologiczne, procesy patologiczne, działanie różnych środków chemicznych, leków, wpływu czynników fizycznych itp. Do grupy tych modeli zaliczamy zwierzęta doświadczalne, izolowane komórki i tkanki, organelle komórkowe itp.

Modele fizyczne Są to modele zawierające układy elementów mechanicznych, hydraulicznych, elektrycznych, elektronicznych itp. Umożliwiają one naśladowanie określonych procesów biologicznych przez procesy fizyczne, dzięki czemu uzyskuje się łatwość obserwacji oraz analizy. Przykładem jest model hydrauliczny obiegu krwi

(serce, tętnica, żyły itp.) zastępuje się odpowiednimi układami w postaci pompy, przewodów elektrycznych, itp.

Analogowe modele fizyczne i matematyczne W modelach tych układ rzeczywisty zastępuje się układem innego

rodzaju, przy czym nowy układ opisuje się takimi samymi równaniami matematycznymi jak układ rzeczywisty. Z kolei

parametry równań dla układu analogowego są odpowiednio proporcjonalne do parametrów równań dla układu rzeczywistego. W skład modelu analogowego wchodzą elementy elektryczne, elektroniczne, itp. Odpowiednie maszyny analogowe pozwalają bezpośrednio obserwować przebiegi czasowe tych wielkości oraz badać zależność ich przebiegów od odpowiednich parametrów. Dzięki temu można sprawdzać przyjęte założenia początkowe,

szczegółowo opisać przebieg badanego zjawiska oraz przewidzieć nowe fakty – trudne lub wręcz niemożliwe do zaobserwowania na obiekcie rzeczywistym. Na przykład zjawiska związane z przepływem krwi możemy badać na modelu złożonym z obwodu RLC.

Analogowy model elektryczny przepływu krwi przez tętnicę.

U – zmienne napięcie (siła elektromotoryczna) zastępuje zmianę ciśnienia w komorach serca,

R – zastępuje opór hydrodynamiczny krwi,

L – zastępuje bezwładność krwi,

C – zastępuje pojemność hydrodynamiczną tętnicy.

Napięcie U zadajemy w taki sposób aby jego zmiana przybliżała

zmianę ciśnienia w komorze serca.

Opór elektryczny R opisujemy wzorem na opór hydrodynamiczny

krwi wynikający z prawa Poisseuille’a , czyli $R = \frac{8 \bullet \pi \bullet n}{S^{2}}$

gdzie ƞ jest współczynnikiem lepkości krwi, natomiast S – polem przekroju poprzecznego tętnicy.

Indukcyjność opisujemy wzorem: $L = \frac{\rho}{S}$

gdzie ρ jest gęstością krwi.

Źródłem indukcyjności hydrodynamicznej jest bezwładność krwi w jej ruchu pulsacyjnym, zachodzącym pod wpływem zmian ciśnienia napędowego, podobnie jak w obwodzie prądu zmiennego źródłem indukcyjności elektrycznej jest bezwładność elektronów. Pojemność elektryczna C zastępuje w układzie krążenia pojemność hydrodynamiczną naczyń krwionośnych związaną z ich właściwościami geometrycznymi i biomechanicznymi. Jest ona wyrażona wzorem: $C = \frac{2 \bullet r \bullet S}{E \bullet h}$ , gdzie r jest promieniem naczynia krwionośnego, h grubością ścianki naczynia, E modułem sprężystości.

Modele matematyczne Są to układy równań matematycznych, które wiążą ze sobą różne zmienne zależne od parametrów badanego układu i czasu. Zmiennymi mogą być na przykład stężenia składników biochemicznych krwi i innych cieczy ustrojowych, liczebność populacji i wszelkie wielkości charakteryzujące badane obiekty biologiczne.

Przy tworzeniu modeli matematycznych wykorzystuje się prawa opisujące dany proces. Modelowanie matematyczne ma wiele ważnych zalet. Na przykład zależności ilościowe, przedstawione w postaci wykresów oraz wzorów, pozwalają w sposób ekonomiczny i dokładny analizować otrzymane wyniki badań.

Prawidłowo skonstruowany model matematyczny pozwala zaoszczędzić czas badań i ograniczyć liczbę doświadczeń. Ponadto ułatwia programowanie przebiegu różnych procesów, takich jak proces leczniczy, postępowanie terapeutyczne, wybór wariantu leczenia, wybór odpowiedniego leku, itp. W modelach matematycznych można analizować zależności niezależne i zależne od czasu. W pierwszym przypadku mówimy o modelach statycznych , a w drugim o modelach dynamicznych . W modelach dynamicznych badamy często kinetykę przebiegu określonego

procesu, na przykład zmianę stężenia leku we krwi w czasie przy różnych sposobach częstotliwości podawania.

Modele statyczne Jeżeli badamy zależność pomiędzy dwoma wielkościami x i y niezależnymi od czasu oraz uważamy, że jest ona liniowa to stosujemy wzór: y = ax + b, gdzie x i y są zmiennymi, natomiast a i b parametrami. W następnym etapie sprawdzamy doświadczalnie czy założona zależność jest spełniona.

Modele dynamiczne Modele te mają postać równań różniczkowych zawierających pochodne względem czasu.

Przykład: Kinetyka prostego procesu zaniku stężenia leku w organizmie po podaniu dożylnym może być opisana równaniem:$\frac{\text{dc}}{\text{dt}} = - kc$ , w którym c oznacza stężenie leku w czasie t , natomiast k jest stałą szybkości zaniku stężenia leku.

Po scałkowaniu powyższego równania otrzymujemy:c = c0e gdzie c₀ jest stężeniem leku w organizmie bezpośrednio po podaniu, czyli w czasie t = 0, e jest podstawą logarytmów naturalnych (e=2.72…). W oparciu o otrzymany wzór możemy wyznaczyć wykres zależności stężenia leku c od czasu t .

Cyfrowe modele fizyczne i matematyczne Przykładem cyfrowych modeli fizycznych i matematycznych mogą być

sieci neuronowe wykorzystywane w technice komputerowej i sterowaniu maszyn. Są to układy połączeń elektronicznych zbudowane na wzór połączeń neuronów w organizmach zwierzęcych. Tworzą one tzw. sztuczną inteligencję, gdyż sieci takie same mogą się uczyć podczas działania. Podobnie jak w przypadku układu nerwowego u zwierząt pobudzenie pojedynczego neuronu jest możliwe tylko bodźcem ponadprogowym, natomiast bodźce

niższe od bodźca progowego nie wywołują pobudzenia neuronu. Tak więc mamy do czynienia z dwoma stanami neuronu: stan niepobudzony i stan pobudzony podobnie jak w przypadku najprostszych bramek w technice cyfrowej.

Sieć neuronowa ( sztuczna sieć neuronowa ) to ogólna nazwa struktur matematycznych i ich programowych lub sprzętowych modeli, realizujących obliczenia lub przetwarzanie sygnałów poprzez rzędy elementów, zwanych sztucznymi neuronami, wykonujących pewną podstawową operację na swoim wejściu. Inspiracją opracowania takiej

struktury była budowa naturalnych neuronów oraz układów neuronów, w szczególności mózgu.

Istnieją dwa zasadnicze procesy dostarczające energii żywym układom:

·utlenianie substancji,

·fotosynteza.

W komórkach heterotroficznych źródłem energii jest utlenianie produktów pokarmowych pochodzących z procesów fotosyntezy odbywających się w komórkach autotroficznych. Krążenie energii w świecie roślin i zwierząt związane jest zawsze z krążeniem węgla i tlenu.

Procesy oksydoredukcyjne Reakcja składająca się z reakcji utleniania i reakcji redukcji nazywa się reakcją utleniająco - redukcyjną lub oksydoredukcyjną . Reakcja utleniania sprowadza się do oddawania elektronów przez

substraty utlenione. Przykład: Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻ (reakcja utleniania)

W reakcji tej jon dwuwartościowy żelazawy zostaje utleniony do trójwartościowego jonu żelazowego z uwolnieniem jednego elektronu.

Reakcje utleniania zachodzą zazwyczaj w obecności innych substratów. Stąd też uwolniony w reakcji utleniania elektron może być przyjęty przez inny jon np. jon wodorowy (H⁻), który ulega redukcji. Tak więc reakcjom utleniania towarzyszą zwykle reakcje redukcji.

Reakcja redukcji sprowadza się do przyjmowania elektronów przez substraty zredukowane.

Przykład: $H^{+} + e^{-} \rightarrow \frac{1}{2}H_{2}$ (reakcja redukcji).

Jeżeli reakcje utleniania i redukcji zachodzą jednocześnie wówczas mamy do czynienia z reakcją utleniająco - redukcyjną czyli oksydoredukcyjną . Reakcje te są zazwyczaj odwracalne.

Utlenienie określonego substratu (oderwanie elektronów) wymaga wykonania pracy elektrycznej. Praca wykonana na układzie n moli utlenionego substratu powiększy jego entalpię swobodną Δ G zgodnie ze wzorem: G = z • n • F • E, gdzie z • n • F oznacza łączny ładunek elektryczny powstający w procesie utleniania, n – liczbę moli substratu utlenianego, F – stałą Faradaya, z – liczbę elektronów biorących udział w pojedynczej reakcji utleniania czy redukcji, E – potencjał oksydoredukcyjny opisany wzorem: $E = E^{0} + \frac{R \bullet T}{z \bullet F} \bullet ln\frac{C_{\text{ox}}}{C_{\text{sd}}},$ w którym E⁰ oznacza standardowy potencjał oksydoredukcyjny (w temperaturze 298 K , ciśnieniu 101320 Pa, pH = 0 i jednakowych stężeniach substratu w stanie ox lub sd ).

Zwykle mówimy, że w procesach oksydoredukcyjnych przenoszone są atomy wodoru od zredukowanych substratów na atomy tlenu lub przenoszone są elektrony z układów o niskim potencjale oksydoredukcyjnym na tlen. Procesy utleniania odbywają się w mitochondriach (organellach o kształcie zbliżonym zwykle do elipsoidalnego i wymiarach rzędu kilku mikrometrów). Mitochondria otoczone są dwoma warstwami błon lipidowo-białkowych, z których wewnętrzna ma charakterystyczne uwypuklenia (grzebienie mitochondrialne) sięgające głęboko do jego wnętrza i powierzchnia błony wewnętrznej jest wielokrotnie większa od powierzchni błony zewnętrznej. Na błonie wewnętrznej osadzone są kompleksy enzymów katalizujących procesy utleniania i sprzężone z nimi procesy fosforylacji ADP do ATP. Proces fosforylacji pozwala na zachowanie części energii procesów utleniania w postaci nadającej się do wykorzystania dla prowadzenia innych przemian w żywej komórce.

Warunkiem niezbędnym dla zaistnienia sprzężenia utlenień z fosforylacją jest odpowiednie rozmieszczenie przestrzenne cząsteczek substratów i enzymów biorących udział w tych procesach. Rozmieszczenie to jest zapewnione przez związanie czynnych elementów z błoną mitochondrialną.

Potencjał oksydoredukcyjny najbardziej zredukowanych substratów w organizmach wynosi około -0,66 mV. Potencjał substratów, od którego zaczynają się procesy utleniania w mitochondriach, wynosi około -0,30

mV. Przeniesienie pary elektronów od takiego potencjału do +0,82 mV (potencjał oksydoredukcyjny tlenu) odpowiada zmianie entalpii swobodnej o –218 kJ·mol.

Wydajności energetyczna opisanych wyżej procesów utleniania, dostarczających komórce energii są rzędu 20-30%. Pozostała część energii wydzielana jest w postaci ciepła towarzyszącego reakcjom chemicznym i zostaje rozproszona w otoczeniu. Z punktu widzenia termodynamiki procesy oksydoredukcyjne są przemianami zwiększającymi entropię, mogą więc przebiegać samorzutnie. Powiązanie ich z tworzeniem ATP przez fosforylację ADP jest przykładem sprzężenia termodynamicznego zachodzącego w układzie otwartym, jakim jest żywa komórka lub żywy organizm.

Zużytkowanie energii przez komórkę Energia uzyskiwana przez komórkę w drodze procesów oksydoredukcyjnych

bądź fotosyntezy jest przejściowo magazynowana w związkach wysokoenergetycznych (głównie ATP), a następnie wykorzystywana do wykonania „pracy”.

Wyróżnia się 4 zasadnicze rodzaje pracy wykonywanej przez komórki oraz ciepło przemian metabolicznych.

Praca biosyntezy (praca chemiczna) Synteza wielu związków w komórce jest procesem endoergicznym

wymagającym dostarczania energii swobodnej. Przykładem może być synteza wiązania peptydowego, dla której zmiana entalpii swobodnej wynosi około 17 kJ na wiązanie 1 mola. Tego samego rzędu są energie syntezy diestrowych wiązań w kwasach nukleinowych i glikozydowych wiązań w polisacharydach.

Obliczono, że w komórce bakterii Eschericha coli w ciągu sekundy dokonuje się synteza około 10 cząsteczek RNA, 1400 cząsteczek białek, 30 cząsteczek polisacharydów i 12000 cząsteczek lipidów. Ponadto w ciągu swego 20-minutowego cyklu życia, komórka syntetyzuje 2 cząsteczki DNA o masie cząsteczkowej 2 ·10⁶. Procesy te wymagają zużycia (hydrolizy) około 2,5 · 10⁹ cząsteczek ATP. Warto zaznaczyć, że w danym momencie w komórce E.coli znajduje się około 1·10⁶ cząsteczek ATP. Widać więc, że ilość tego związku musi się kilkakrotnie odnawiać w ciągu sekundy. Odbywa się to wskutek tlenowej przemiany glukozy, która jest głównym źródłem energii dla E.coli.

Praca osmotyczna (praca transportu) Wykorzystywana jest do utrzymania właściwego stężenia jonów i innych

składników w komórce. Bezpośrednim źródłem energii dla utrzymania różnego stężenia jonów jest pompa jonowa wykorzystująca energię ATP. Zjawiska elektryczne zachodzące w komórce są także konsekwencją pracy transportu.

Praca elektryczna Jest związana z transportem ładunków elektrycznych uwolnionych w procesie utleniania w polu elektrycznym. Utlenianie określonego substratu (oderwanie elektronów) wymaga wykonania pracy elektrycznej.

Praca mechaniczna Najbardziej zauważalnym przykładem wykonania pracy mechanicznej przez żywy organizm jest skurcz mięśni. Jednakże z podobnymi lub analogicznymi procesami mamy do czynienia w każdej komórce. Innym przykładem jest ruch protoplazmy w komórce. Jest to zazwyczaj ruch powolny, o prędkości rzędu mikrometra na minutę. W niektórych komórkach ruch ten może być znacznie intensywniejszy, prowadzący do uwypukleń błony komórkowej i zmian położenia komórki. Tak poruszają się ameby. Podobnie mogą przemieszczać się krwinki białe. Istota tego ruchu jest analogiczna do zjawisk ruchu w komórkach mięśniowych.

Ciepło Każdej z wyżej opisanych przemian energetycznych towarzyszy dodatkowo zamiana części energii na ciepło i rozpraszanie tego ciepła do otoczenia. Jednakże wyższe organizmy zwierzęce wykorzystują częściowo nawet tę

„odpadową” część energii na utrzymania określonej temperatury ciała, zapewniającej optymalny przebieg procesów życiowych.

Sprężystość i wytrzymałość

Stany skupienia materii Elementy strukturalne materii o różnych poziomach organizacji (atomy, cząsteczki, makrocząsteczki) przy odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu wiążą się w większe kompleksy tworząc różne stany skupienia materii. Różnorodność stanów, w których występuje materia zależy od różnorodnej konfiguracji atomów, jonów i cząsteczek oraz ich wzajemnych oddziaływań. Struktura materii zależna jest od stanu skupienia, w którym się ona znajduje. Materia może występować w czterech stanach skupienia: gazowym, ciekłym,

stałym i plazmowym. Stan plazmowy – materia znajduje się w nim w postaci całkowicie zjonizowanej. W biofizyce wyróżnia się jeszcze dwa stany skupienia: stany powierzchniowe i makrocząsteczki. Makrocząsteczki są głównymi składnikami organizmów żywych (komórek, tkanek i narządów).

Funkcje układów biologicznych są zależne od zmian strukturalnych stanów makrocząsteczkowych, natomiast stan, w którym występuje dana makrocząsteczka zależy głównie od wielkości sił międzycząsteczkowych działających przy danym ciśnieniu i temperaturze. Podziału materii na stan gazowy, ciekły i stały dokonuje się głównie ze względu właściwości sprężyste danej substancji i jej budowę strukturalną.

Właściwości sprężyste substancji opisuje się za pomocą odpowiednich współczynników, wyrażających odporność substancji na siły wywołujące ich odkształcanie. Współczynniki te noszą nazwę modułów sprężystości.

Wyróżnia się:

·proste odkształcenie objętości,

· proste odkształcenie postaci (kształtu)

·odkształcenia złożone występujące przy wydłużaniu, skręcaniu i zginaniu.

Proste odkształcenie objętości występuje wówczas gdy na ciało działa ciśnienie rozłożone równomiernie ze wszystkich stron. Ciśnienie to nosi nazwę naprężenia normalnego σ i określone jest wzorem: $\sigma = \frac{F}{S}$ , gdzie F oznacza wypadkową wszystkich sił działających na element powierzchni ΔS.

Miarą odkształcenia objętości jest wielkość ε określona wzorem: $\varepsilon = \frac{V}{V_{0}} = \frac{V - V_{0}}{V_{0}}$ , gdzie V₀ jest objętością początkową ciała (przed odkształceniem), natomiast V objętością końcową ciała (po odkształceniu).

W przypadku odkształcenie liniowego mamy: $\varepsilon = \frac{l}{l_{0}} = \frac{l - l_{0}}{l_{0}}$ , gdzie l₀ jest długością początkową ciała (przed odkształceniem), natomiast l długością końcową ciała (po odkształceniu).

Proste odkształcenie postaci występuje wówczas gdy na ciało działa siła skierowana stycznie do powierzchni. Ciśnienie to nosi nazwę naprężenia stycznego τ i określone jest wzorem: $\tau = \frac{F}{S}$ , gdzie F jest wypadkową wszystkich sił stycznych do elementu powierzchni ΔS.

Mechaniczne właściwości materiałów:

·Wytrzymałość – zdolność materiału do przenoszenia obciążeń bez jego zniszczenia

·Sprężystość – zdolność materiału do uzyskania pierwotnego kształtu i objętości po usunięciu obciążeń

·Plastyczność – zdolność materiału do uzyskania nowych kształtów i zachowania ich po usunięciu obciążeń

·Ciągliwość – zdolność materiału do uzyskiwania dużych odkształceń bez uszkodzeń materiału po wpływem obciążeń

·Wiązkość – zdolność materiału do pochłaniania energii mechanicznej związanej z odkształceniem materiału

· Kruchość – zdolność materiału do pęknięć bez odkształceń plastycznych lub przy małych odkształceniach plastycznych

·Twardość – odporność materiału na odkształcenia przy działaniu sił skoncentrowanych w jednym miejscu.

Prawo Hooke’a

Przy odkształceniach objętościowych występujących w granicach proporcjonalności słuszne jest prawo Hooke’a:

σ = Kε , gdzie K jest modułem sprężystości objętościowej.

Wielkość k określona wzorem: $k = \frac{l}{K}$ , nosi nazwę współczynnika sprężystości objętościowej (współczynnika

ściśliwości).

Przy odkształceniach postaci występujących w granicach proporcjonalności słuszne jest prawo Hooke’a opisane wzorem: σ = Gγ , gdzie G jest modułem sprężystości postaciowej.

W przypadku odkształcenia liniowego prawo Hooke’a przybiera postać: $\sigma = E\varepsilon = E\frac{l}{l_{0}}$ , gdzie E jest modułem Younga.

Ciała stałe charakteryzują się dużymi wartościami modułów sprężystości objętościowej i postaciowej.

Ciecze charakteryzują się dość dużymi wartościami modułów sprężystości objętościowej lecz znikomo małymi wartościami modułów sprężystości postaciowej.

Gazy posiadają małą sprężystość objętości i prawie zerową sprężystość postaci.

Stosunek względnego wydłużenia poprzecznego ε_d do względnego wydłużenia podłużnego ε_p nazywa się współczynnikiem Poissona μ. $\mu = \frac{\varepsilon_{d}}{\varepsilon_{p}}$ , Dla większości ciał współczynnik μ przyjmuje wartości 0.25 < μ < 0.5,

dla tkanek miękkich wynosi około 0.5, a dla membran może mieć wartość 1.

Wartości modułów K , G i E możemy wyznaczyć ze wzorów: $\vartheta\bot = \ \sqrt{\frac{G}{\rho}}$ , gdzie ϑ_˔ jest prędkością fal poprzecznych w ośrodku, natomiast ρ jest gęstością ośrodka.

Z uwagi na małą wartość modułów sprężystości K poprzeczne fale mechaniczne nie rozchodzą się w cieczach i gazach. W cieczach i gazach rozchodzą się jedynie podłużne fale mechaniczne.

Bierny układ ruchu

Układ ruchu jest to częścią organizmu odpowiadająca za wykonywanie ruchów dowolnych.

Wyróżniamy:

·bierny układ ruchu składający się z

- kości,

- ruchomych i stałych połączeń międzykostnych (czyli stawów wraz z elementami dodatkowymi),

·czynny układ ruchu składający się z

- mięśni,

- ścięgien.

Organizm człowieka stanowi anatomiczną i funkcjonalną całość, jednak w celu usystematyzowania anatomii został podzielony na pewne partie.

Przy szczegółowym opisywaniu narządu ruchu rozpatruje się oddzielnie kończynę górną, kończynę dolną, tułów i głowę.

Bierny układ ruchu zbudowany jest z różnych rodzajów tkanki łącznej:

·Tkanka łączna zbita składa się z włókien biegnących w jednym kierunku, zwartych i przylegających do siebie. Zbudowana jest z kolagenu (duża wytrzymałość) i elastyna (duża sprężystość). Należą do niej ścięgna, więzadła i torebki stawowe.

·Tkanka chrzęstna pełni rolę tkanki podporowej. Należą do niej powierzchnie stawowe i zakończenia żeber, występuje również w nosie i małżowinie usznej.

·Tkanka kostna składa się z komórek kostnych (osteocytów, osteoblastów i osteoklastów) i twardej, zbitej substancji

międzykomórkowej przesyconej nieorganicznymi solami wapnia. Na powierzchni kości substancja ta tworzy zwartą istotę zbitą.

Dostosowanie kości do obciążeń

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

·Przekrój poprzeczny kości długich często przypomina wydrążony przekrój kołowy.

·Kończyny górne są przede wszystkim rozciągane, a dolne ściskane.

·Brak gwałtownych zmian przekroju.

Kości można traktować jako materiały kompozytowe o zróżnicowanej, hierarchicznej strukturze. Są one przystosowane do przenoszenia dużych obciążeń jednorazowych i cyklicznych obciążeń o mniejszej

amplitudzie. Kość jako aktywna, żywa, tkanka reaguje na obciążenia cykliczne bardziej intensywną cyrkulacją płynów odżywczych, zwiększeniem masy i wzrostem grubości. Aktywność fizyczna, a głównie ćwiczenia o charakterze siłowym, wpływają regenerująco na tkankę kostną i zapobiegają osteoporozie.

Właściwości strukturalne i mechaniczne kości

·Hierarchiczność budowy. Kości posiadają wielopoziomową strukturę. Małe elementy strukturalne w kościach składają się na elementy większe a te z kolei na jeszcze większe itd.

·Spiralne ułożenie elementów przestrzennych. Na każdym poziomie strukturalnym można wyróżnić elementy, których wzajemne ułożenie przypomina przenikające się spirale. Takie ułożenie występuje głownie w tkanek miękkich ale również i w kościach.

· Zdolność do adaptacji. Kość aktywnie reaguje na działające obciążenia i powstające w niej uszkodzenia. Struktura kości dostosowuje się do obciążeń a intensywność przebudowy zależy od przykładanych obciążeń. Jest to jedna z cech żywych tkanek.

·Odporność na różnorodne obciążenia. Wtrącenia występujące w kościach można klasyfikować jako wtrącenia rozproszone, włókna, warstwy a nawet trójwymiarowe kratownice. Struktury takie zwiększają wytrzymałość na działanie naprężeń normalnych i stycznych i zapobiegają rozprzestrzenianiu się pęknięć.

·Optymalna kombinacja własności mechanicznych i biologicznych. Własności tkanki kostnej są bardzo odporne na działanie różnorodnych, zewnętrznych czynników mechanicznych. Jednocześnie pozwalają na pełnienie przez tkankę kostną innych ważnych funkcji biologicznych, nie związanych bezpośrednio z przenoszeniem obciążeń.

Wpływ czynników fizycznych na organizm

Wpływ fal mechanicznych Falami nazywamy zaburzenia ośrodka, rozchodzące się w nim ze skończoną prędkością i niosące energię – definicja słuszna dla wszystkich rodzajów fal). Fale mechaniczne wytwarzane są poprzez wprowadzenie w drgania pewnych obszarów ośrodka materialnego i oddziaływanie sprężyste tych obszarów z otaczającą ich materią.

W zależności od częstotliwości drgań ośrodka materialnego fale mechaniczne dzielimy na:

·infradźwięki – częstotliwość (0.1-20) Hz

·dźwięki – częstotliwość (0.02-20) kHz

·ultradźwięki – częstotliwość większa od 20 kHz

Wibracjami nazywamy drgania o częstotliwości mniejszej od 20 Hz przenoszone przez bezpośredni kontakt określonego obiektu (organizmu) z układem drgającym.

Wpływ wibracji Z wibracjami spotykamy się przy pracy z drgającymi narzędziami (wiertarki udarowe, młoty pneumatyczne, sprężarki, szlifierki, ciągniki, kombajny, samochody ciężarowe, koparki, duże obrabiarki i inne maszyny przemysłowe, samoloty). Występują w masażach leczniczych wykorzystujących urządzenia do masaży, które mają bezpośredni kontakt z ciałem pacjenta.

Działanie biologiczne wibracji zależy głównie od amplitudy i częstotliwości. Częstotliwości wibracji są często zgodne częstotliwościami drgań własnych niektórych narządów co może prowadzić do zjawiska rezonansu i oddziaływania na ten narząd.

Częstotliwości rezonansowe niektórych narządów:

- klatki piersiowej i jamy brzusznej - (4-10) Hz,

- pęcherza moczowego – (10-18) Hz.

Objawy wibracji (są skutkiem oscylacyjnego rozciągania i przemieszczania tkanek):

· zaburzenia oddechowe,

·zmiany naczyniowe,

·zmiany hormonalne i biochemiczne,

·choroba wibracyjna (zmiany w układzie kostno-stawowym, trawiennym, zaburzenia naczynioruchowe, bóle o różnej lokalizacji).

Zapobieganie - stosowanie odpowiednich rękawic, izolacji i podkładek tłumiących drgania.

Wpływ infradźwięków

W naturze przyczyną infradźwięków są trzęsienia Ziemi, ruchy wody (fale morskie, wodospady, rzeki, żyły wodne), ruchy powietrza (wiatry wokół skał, budynków i dużych obiektów) oraz wyładowania atmosferyczne. Infradźwięki towarzyszą wybuchom jądrowym, wystrzeliwaniu rakiet, transportowi lotniczemu, kolejowemu i helikopterom.

Infradźwięki są słabo tłumione w środowisku, bardzo łatwo przenikają przez ściany budynków i rozchodzą się zwykle na duże odległości. Zabezpieczenie się przed działaniem infradźwięków jest bardzo trudne. Ze względu na małą częstotliwość infradźwięków mogą one wywołać rezonans dużych narządów (zwykle naczyń krwionośnych).

Objawy

·u zwierząt stwierdzono pękanie naczyń krwionośnych, krwotoki i zatrzymania akcji serca,

· u ludzi obserwowano bóle głowy, niepokój, mdłości, nerwice i omdlenia.

Oddziaływanie infradźwięków na organizm ludzki zależy od poziomu ich natężenia:

·poniżej 120 dB, przy krótkim działaniu infradźwięki nie wywołują wrażeń przykrych i nie są szkodliwe.

·między 120 a 140 dB przebywanie w polu infradźwiękowym może powodować lekkie zakłócenie procesów fizjologicznych i uczucie nadmiernego zmęczenia,

·między 140 a 160 dB już po 2 min działania infradźwięków występują nieprzyjemne objawy fizjologiczne (zakłócenia zmysłu równowagi, wymioty) a dłuższe działanie może powodować trwałe uszkodzenia,

·powyżej 170 dB stwierdzono na zwierzętach śmiertelne działanie infradźwięków spowodowane przeważnie przekrwieniem płuc.

Wpływ dzwięków

Dźwięki wytwarzane są głównie przez struny i membrany, wprawiające następnie w drgania cząsteczki otaczającego je środowiska (powietrza, cieczy lub ciała stałego). Duże natężenia fal dźwiękowych mogą wpływać niekorzystnie na organizm ludzki przyczyniając się do zmęczenia lub uszkodzenia narządu słuchu.

-Natężenie dźwięków nie wywołujących uszkodzeń

-0 dB – szept ledwo słyszalny,

-10-20 dB – szelest liści,

-około 40 dB – zwykła rozmowa,

- 60-70 dB – głośna rozmowa, hałas w samochodzie,

- 80-90 dB – hałas ulicy wielkiego miasta,

- 90-100 dB – fortissimo orkiestry,

- 90-110 dB – hałas hali fabrycznej,

Natężenia dźwięków wywołujących uszkodzenia narządu słuchu zależą od ich częstotliwości. Przy częstotliwościach z zakresu 1-2 kHz (przy których najbardziej czułe jest ucho ludzkie) odczuwamy ból gdy natężenie dźwięków przekroczy 120 dB, natomiast przy innych częstotliwościach próg bólu występuje przy niższych natężeniach dźwięków.

Wpływ ultradźwięków

W zależności od natężenia ultradźwięków mówimy o ich czynnym lub biernym działaniu na organizm człowieka.

-Oddziaływanie czynne występuje przy natężeniach ultradźwięków 0,5-20 kW/m²(0,05-2 W/cm²).

- Oddziaływanie bierne występuje przy natężeniach ultradźwięków mniejszych od 10 kW/m²(1 W/cm²)

Oddziaływanie czynne prowadzi do efektów:

-mechanicznego ,

-cieplnego ,

-chemicznego .

Efekt mechaniczny

Działanie mechaniczne wywołuje:

-złożone ruchy i przemieszczenia się struktur wewnątrz komórek,

-działanie sił i momentów skrętnych związanych z mikroprzepływami,

-powstawanie kawitacji.

Cząsteczki ośrodka wykonują drgania uzależnione od częstotliwości i amplitudy fal ultradźwiękowych, które prowadzą do lokalnych zmian ciśnienia w ośrodku materialnym i niszczenia jego struktury.

Występuje zjawisko kawitacji polegające na oddziaływaniu fali ultradźwiękowej z mikroskopijnymi pęcherzykami gazu. Zachowanie się pęcherzyków gazu zależy od częstotliwości i

amplitudy fali ultradźwiękowej. Pęcherzyki kawitacyjne gazu mogą zbliżać się do siebie i łączyć

w większe. Powiększone pęcherzyki gazu wpadają w rezonans z drganiami fali ultradźwiękowej i gdy osiągną dużą amplitudę drgań mogą prowadzić do uszkodzeń mechanicznych pobliskich struktur biologicznych. Gwałtowny wzrost ciśnienia we wnętrzu pęcherzyków powoduje ich pękanie i powstawanie hydrodynamicznej fali uderzeniowej

niszczącej struktury biologiczne znajdujące się w pobliżu. Zjawisko kawitacji odpowiedzialne jest za efekty działania

mechanicznego.

Efekt cieplny

Część energii fal ultradźwiękowych zostaje przekształcona w ciepło.

Zjawisko to występuje głównie na granicach ośrodków o różnej impedancji (oporności) akustycznej.

Wzrost temperatury na granicy mięsień-kość jest od 2 do 4 razy większy niż w samych mięśniach przy tych samych

warunkach ekspozycji.

Lokalnie wyższa temperatura występuje również w miejscach zapadania się pęcherzyków kawitacyjnych.

Efekty lecznicze zależą od podwyższonej temperatury tkanek.

Ilość ciepła wydzielona w wyniku absorpcji fal zależy od:

-natężenia ultradźwięków,

-przestrzennego rozkładu ultradźwięków,

- częstotliwości,

- rodzaju ekspozycji (ciągła czy impulsowa),

- kierunku rozchodzenia się fal w materiale anizotropowym,

- prędkości przepływu krwi w obrębie tkanki,

- konwekcji cieplnej.

Efekt chemiczny

Zostają przyśpieszone reakcje chemiczne, następuje rozpad dużych cząsteczek (np. białek), zwiększa się

jonizacja i wzrasta dyfuzja przez błony półprzepuszczalne. Pod wpływem fal ultradźwiękowych zwiększa się szybkość reakcji chemicznych, zmianie ulega pH oraz zachodzi depolaryzacja makromolekuł.

Działanie chemiczne prowadzi do:

-reakcji utleniania – powstaje nadtlenek wodoru,

-zmiany stężenia jonów wodorowych,

- jonizacji ośrodka.

Ocena szkodliwości działania ultradźwięków

-Rozróżnia się oddziaływanie pierwotne i wtórne.

-Oddziaływanie pierwotne powoduje bezpośrednie zmiany fizyczne i chemiczne. Oddziaływanie wtórne to reakcja tkanek i narządów na oddziaływanie pierwotne, jak również reakcja całego ustroju.

-W medycynie stosuje się ultradźwięki o częstotliwościach Z zakresu od 0,8 MHz do 30 MHz. Przy obsługiwaniu urządzeń ultradźwiękowych zaleca się unikać kontaktów z przetwornikami generującymi ultradźwięki przez ciecz lub przez ciało.

Ultradzwięki niskiej mocy

Ultradźwięki o natężeniu niższym od 1 kW/m2

można uznać za nieszkodliwe, jeżeli czas ich działania jest rzędu kilku minut.

W przypadku urządzeń pracujących impulsowo przy natężeniach impulsów dochodzących do 10³-10⁴kW/m2

należy ograniczyć maksymalnie kontakt z tymi urządzeniami pomimo, że uśrednione w czasie natężenie ultradźwięków może być niższe od 1 kW/m2. Działanie takich ultradźwięków może być szkodliwe dla zdrowia.

Ultradzwieki dużej mocy

Ultradźwięki o natężeniu wyższym od 1 kW/m2uważa się za szkodliwe dla organizmu. Dla tych dźwięków zostały

opracowane normy dopuszczalnego natężenia dla częstotliwości z zakresu od 20 kHz do 60 kHz. W urządzeniach przemysłowych dużej mocy również w powietrzu mogą występować wysokie natężenia ultradźwięków. W niewielkich odległościach od tych urządzeń mogą występować natężenia szkodliwe dla zdrowia.

Głębokość penetracji tkanek i szkodliwość działania ultradźwięków zależy od ich częstotliwości.

Dotychczas nie ustalono jeszcze wzajemnej relacji dawka-reakcja organizmu na ultradźwięki.

- Przy ocenie efektu biologicznego stosowania ultradźwięków należy brać pod uwagę dwa czynniki:

- efekty biologiczne występują powyżej pewnych progowych poziomów nadźwiękowienia,

- efekty biologiczne nie są wprost proporcjonalne do natężenia bądź czasu działania ultradźwięków.

Wpływ przyspieszeń

Podczas przemieszczania się środkami transportu organizm człowieka doznaje wielu różnych przyśpieszeń. Przyśpieszenia te występują w normalnym procesie przemieszczania się oraz podczas różnych wypadków.

Przyczynami powstawania przyśpieszeń są zmiany:

- wartości prędkości podczas ruchu,

- kierunku prędkości ruchu (np. w ruchu krzywoliniowym),

- wartości prędkości kątowej.

W lotnictwie, kosmonautyce i fizjologii wartości doznawanych przyśpieszeń wyraża się w jednostkach przyśpieszenia ziemskiego (g). a = ng, gdzie n jest pewną liczbą.

Z punktu widzenia patofizjologii wpływ przyśpieszeń na organizm człowieka uwarunkowany jest następującymi

czynnikami:

-wartością przyśpieszenia,

- czasem trwania,

- kierunkiem i zwrotem w stosunku do osi ciała,

- szybkością zmian przyśpieszenia,

- kondycją i wcześniejszym treningiem organizmu.

Działanie przyśpieszeń prowadzi do:

- zwiększonego lub zmniejszonego ciśnienia krwi w określonych częściach ciała w zależności od kierunku działania przyspieszenia,

-zmniejszonej lub zwiększonej pojemności oddechowej płuc na skutek przemieszczania się narządów wewnętrznych.

Podczas dużych przyspieszeń może dochodzić do pękania naczyń krwionośnych (w mózgu, siatkówce oka), spadku

nasycenia krwi tlenem i spadku akcji serca.

Wpływ nieważkości

Odczuwamy:

- zaburzenie orientacji przestrzennej,

-spada zdolność do wysiłków.

Stwierdzono:

- zmniejszenie maksymalnej wentylacji płuc,

- wzrost różnicy między ciśnieniem skurczowym i rozkurczowym,

- wzmożone wydalania płynów z organizmu,

- wzrost stężenia wapnia we krwi i moczu (nawet do 300%),

-odwapnianie kości,

- tworzenie się kamieni nerkowych,

-spadek pracy mięśni zaburza funkcjonowanie podstawowych układów regulacyjnych organizmu, w tym również ośrodkowego układu nerwowego.

Wpływ ciśnienia atmosferycznego i hydrostatycznego

W warunkach naturalnych na organizm człowieka działa ciśnienie atmosferyczne. Ciśnienie to ulega jednakże

zawsze pewnym zmianom zależnym od warunków atmosferycznych i wysokości nad poziomem morza.

Wraz ze wzrostem wysokości wzrasta również procentowy udział pary wodnej w porównaniu z innymi składnikami

powietrza.

Zależność ciśnienia atmosferycznego, p , od wysokości, h , nad poziomem morza opisana jest wzorem:

p = p₀ • e^α • h, gdzie e =2,72 jest stałą (podstawą logarytmu naturalnego), p₀ ciśnieniem powietrza na poziomie morza, natomiast α określone jest równaniem: α = g • ρ₀/p₀ . Symbolem g oznaczono przyśpieszenie ziemskie, natomiast ρ₀ wyraża gęstość powietrza na poziomie morza.

Dla temperatury t = 20^oC, α = 1,16×10^-4m^-1.

Oprócz przypadku obniżonego ciśnienia człowiek narażony jest na podwyższone ciśnienie podczas nurkowania.

Wyróżniamy:

- hiperbarię – p jest większe niż normalne (1.0132×105Pa),

- hipobarię – p jest mniejsze niż normalne.

Ciśnienie różne od normalnego wywiera na organizm człowieka działanie biochemiczne i mechaniczne.

Działanie biochemiczne zależy od ciśnień cząstkowych gazów wchodzących w skład mieszaniny a nie od ich procentowej zawartości. Zmiana ciśnienia prowadzi więc do zmian ciśnień cząstkowych poszczególnych gazów i innego ich oddziaływania na tkanki organizmu.

Działanie mechaniczne (fizyczne) wynika ze zmian ciśnień poszczególnych gazów znajdujących się w organizmie według przemiany izotermicznej (przy stałej temperaturze). Zmiany zachodzą z pewnym przybliżeniem według tej przemiany gdyż tkanki ograniczają rozprężanie bądź sprężanie tych gazów oraz część z nich powstaje i wydalana jest podczas procesów fizjologicznych.

Wpływ obniżonego ciśnienia

Działanie biochemiczne Wywołane jest niedotlenieniem. Niedotlenienie związane jest zwykle ze wzrostem wysokości i nosi nazwę hipoksji . Zmniejsza się wówczas ilość tlenu związanego z hemoglobiną i dostarczanego z krwią tkankom. Hipoksja wywołuje zmiany w organizmie, głównie o charakterze adaptacyjnym, przez różne reakcje nerwowe. Objawy chorobowe zależą od wysokości, szybkości przemieszczania się w górę, czasu pobytu na określonej wysokości, temperatury otoczenia, aktywności fizycznej, właściwości osobniczych (wrodzonej tolerancji na hipoksję), wydolności fizycznej i przebytej uprzednio aklimatyzacji.

Działanie mechaniczne

-Obniżone ciśnienie wywołuje rozprężanie gazów zawartych w przewodzie pokarmowym, uchu środkowym, niedokładnie wypełnionych ubytkach w zębach. Prowadzi to do wzdęć, kolek jelitowych, bólu uszu oraz zębów. Gwałtowny spadek ciśnienia może doprowadzić do uszkodzeń tkanki płucnej.

- Powstają zatory gazowe zwane emboliami . Są one wynikiem uwalniania się nadmiaru gazów (zwłaszcza azotu) w postaci pęcherzyków z wewnętrznych organów i tkanek organizmu, które przy dostatecznie szybkim i dużym spadku ciśnienia (o ponad 50%) zatykają małe naczynia krwionośne, tworząc zatory gazowe tak zwane embolie . Uwalniane gazy znajdują się w cieczach ustrojowych i tkankach, przewodzie pokarmowym, układzie oddechowym, zatokach przynosowych i uchu środkowym.

- Na dużych wysokościach występuje zjawisko wrzenia zwane ebulizacją . Na wysokości 19,2 km panuje ciśnienie tak niskie, że temperatura wrzenia wody wynosi zaledwie 37 ^oC, co odpowiada temperaturze ciała człowieka. Tak więc na dużej wysokości może dojść do wrzenia płynów ustrojowych. Zjawisko to obserwowano w komorach próżniowych u zwierząt doświadczalnych. Ochronę przed ebulizacją u lotników i kosmonautów zapewniają specjalne ubiory kompensacyjne (kombinezony).

Wpływ podwyższonego ciśnienia

Z podwyższonym ciśnieniem spotykamy się głównie podczas nurkowania i podczas prac podwodnych. Ciśnienie rośnie o około 101,3 kPa przy wzroście głębokości wody o każde 10 m. Zmiana ciśnienia w otoczeniu człowieka powoduje zmianę ciśnień cząstkowych składników mieszaniny oddechowej, czego następstwem jest zakłócenie istniejącej uprzednio równowagi między środowiskiem gazowym a tkankami ustroju. Zmienia się przy tym ilość gazu obojętnego (He, N₂, H₂) rozpuszczonego w ustroju, a zawartość tlenu decyduje o hiperoksycznym (kompresyjnym) oddziaływaniu mieszaniny.

Inne zaburzenia występują podczas wzrostu i utrzymywania się podwyższonego ciśnienia a inne w czasie zmniejszania się ciśnienia (dekompresji) w trakcie wynurzania. Wzrost ciśnień cząstkowych gazów wchodzących w skład mieszaniny oddechowej może wywoływać zmiany toksyczne związane z chemicznymi właściwościami tych gazów.

Przy podwyższonym ciśnieniu w środowisku zewnętrznym występuje:

-działanie mechaniczne,

- działanie biochemiczne.

Działanie biochemiczne podwyższonego ciśnienia może prowadzić do zatrucia tlenem , zatrucia azotem, zatrucia CO₂

i wystąpieniem choroby kesonowej (dekompresyjnej).

-Zatrucie tlenem – ujawnia się na głębokości większej od 10 m. Prężność tlenu jest wówczas blisko 10 razy wyższa niż w warunkach normalnych, a dwukrotny wzrost prężności tlenu jest już szkodliwy. Objawami zatrucia tlenem jest: porażenie dróg oddechowych i tkanki płucnej, szum w uszach, drżenie mięśni, objawy dychawicy, ślinotok i drgawki, pogorszenie ostrości widzenia oraz upośledzenie zdolności rozróżniania barw.

-Zatrucie azotem – zwiększone ciśnienie powoduje wnikanie azotu do krwi, gdzie wiąże się z nią szybko. Następuje również nasycenie tkanki nerwowej co powoduje powstawanie halucynacji wzrokowych i słuchowych oraz euforii przy jednoczesnym obniżeniu zdolności umysłowych i fizycznych.

- Zatrucie CO₂– w czystym powietrzu występuje w ilości 0.03-0.04%. Przy ilościach CO₂w powietrzu większych od 2% pojawia się ból głowy, ogólne zmęczenie, trudności oddechowe, zawroty, nudności, zaburzenia psychiczne.

- Dekompresja – uwalniane są gazy w postaci pęcherzyków na skutek obniżania się ciśnienia. Ryzyko zachorowania zależy od: głębokości, czasu nurkowania, wysiłku fizycznego, hipotermii, wieku, odwodnienia, adaptacji, kondycji fizycznej, nadwagi, profilu nurkowania. Choroba ta występuje w postaci ostrej i przewlekłej, zwanej dysbaryczną martwicą kości. Przypuszcza się, że powstaje ona na skutek zablokowania odżywczych naczyń krwionośnych podczas dekompresji. Ostrej chorobie ciśnieniowej towarzyszą: bóle stawów, niewydolność krążeniowo-oddechowa, zaburzenia czucia, porażenie aż do utraty przytomności włącznie.

Działanie mechaniczne – zatoki przynosowe, uszy i płuca zawierają przestrzenie wypełnione gazami. Podczas szybkiego spadku ciśnienia rozprężające się gazy mogą wywoływać urazy uszu, zatok przynosowych, zgniecenia, zatory gazowe. Możliwe są również urazy mechaniczne spowodowane wyrzuceniem nurka na powierzchnię wody.

Wpływ temperatury i wilgotności

-Temperatura wpływa na szybkość procesów fizycznych, biologicznych i chemicznych. Temperatura wpływa na lepkość, dyfuzję, osmozę, transport masy i ładunków elektrycznych, procesy metabolizmu i trwałość struktur makrocząsteczkowych.

- Od wilgotności powietrza otaczającego żywy organizm uzależnione są natomiast warunki wymiany ciepła organizmu z otoczeniem. Gęstość strumienia ciepła traconego na drodze parowania zmniejsza się w miarę jak para wodna zawarta w powietrzu jest bliższa stanu nasycenia.

Wpływ temperatury

-Przy zbyt wysokich temperaturach otoczenia może dojść do stanu hipertermii . Wówczas ilość ciepła oddawanego do otoczenia jest zbyt mała i nie może zbilansować ciepła wytworzonego w organizmie.

- Przy zbyt niskiej temperaturze otoczenia może wystąpić stan hipotermii –wówczas ilość ciepła oddawanego do otoczenia przeważa nad ilością ciepła wytwarzanego w organizmie.

-Odchylenia temperatury wewnętrznej organizmu od temperatury około 37 ^oC o ±2 ^oC są przez organizm tolerowane. Wzrost temperatury do 41-42 ^oC wprowadza zakłócenia w funkcjonowaniu ośrodka centralnego, co prowadzi do wyłączenia termoregulacji. Wówczas wzmożone zostają procesy metaboliczne (zgodnie z prawem Arheniusa) i wzrost wytwarzanego ciepła. Sprzężenie zwrotne staje się dodatnie i układ termoregulacji zamiast

zmniejszać te skutki zaczyna je wzmacniać. Przy temperaturze wewnętrznej 44-45 ^oC zachodzą w organizmie zmiany nieodwracalne kończące się śmiercią osobnika.

-Obniżenie temperatury wewnętrznej poniżej 33 ^oC wprowadza zaburzenia w sprawności działania termoregulacji, a przy 30 ^oC całkowicie ją wyłącza. Przy 28 ^oC pojawia się zagrażające życiu zakłócenie rytmu serca.

- Organizm ludzki jest bardziej odporny na hipotermię niż hipertermię. Pod ścisłą kontrolą można na krótki czas obniżyć temperaturę wewnętrzną do 24 ^oC. Przywrócenie stanu normalnego wymaga wtedy „dogrzania” ciała

do temperatury umożliwiającej ponowne włączenie się termoregulacji. Ten rodzaj hipotermii klinicznej stosowany jest przy zabiegach chirurgicznych na sercu.

Wpływ wilgotności

-Zmiana wilgotności otoczenia ma decydujący wpływ na udział mechanizmu parowania w stratach cieplnych organizmów żywych. Im bliżej stanu nasycenia jest para wodna zawarta w powietrzu tym gorsze są warunki parowania.

- Od wilgotności powietrza otaczającego żywy organizm uzależnione są natomiast warunki wymiany ciepła organizmu z otoczeniem. Gęstość strumienia ciepła φ_p traconego na drodze parowania zmniejsza się w miarę jak para wodna zawarta w powietrzu jest bliższa stanu nasycenia. $\phi_{p} = k_{p} \bullet S_{p}\left( 1_{s} - \frac{p_{p}}{p_{s}} \right)$, gdzie wyrażenie p_p/ p_s

jest w przybliżeniu równe wilgotności względnej powietrza czyli prężności p_p pary wodnej znajdującej się w powietrzu do prężności p_n pary nasyconej w tej samej temperaturze.

- Przy temperaturach niższych od 30 ^oC nie stwierdza się istotnego wpływu wilgotności względnej na temperaturę skóry. Natomiast wilgotność wpływa na tak zwany komfort klimatologiczny żywego organizmu. Przyjmuje się, że optymalny komfort występuje wówczas, gdy wilgotność względna jest zawarta w granicach 40-75%, a zakres

temperatur otoczenia wynosi 25-35 ^oC.

- Przy temperaturach skóry niższych od temperatury otoczenia i wysokich wilgotnościach względnych parowanie staje się niemożliwe. Oznacza to, że organizm takiej sytuacji nie toleruje.

-W wysokich temperaturach (nawet do 120 ^oC), ale w całkowicie suchym powietrzu i w stanie spoczynku temperatura organizmu nie ulega zmianie – gdy czas przebywania jest krótszy od 15 min.

- Na warunki wymiany ciepła z otoczeniem wpływa również ruch powietrza. Wzrost szybkości powietrza obniża temperaturę skóry.

- Jeżeli ciało człowieka zanurzone jest w wodzie to głównymi mechanizmami odpowiedzialnymi za straty cieplne organizmu są przewodnictwo cieplne i konwekcja.

Wpływ prądu elektrycznego, pola elektrycznego i magnetycznego na organizm żywy

Prąd elektryczny i pole elektromagnetyczne znalazły szerokie zastosowanie w medycynie do celów diagnostycznych, terapeutycznych i badawczych. Stosowanie prądu elektrycznego i pól elektrycznych i magnetycznych nie jest obojętne dla organizmu człowieka. Działanie stałych i wolnozmiennych pól elektrycznych może wywołać ruch ładunków elektrycznych (przepływ prądu elektrycznego) oraz polaryzację:

-elektronową,

- atomową,

- jonową.

Przepływ prądu elektrycznego może aktywować lub dezaktywować kanały jonowe i wpływać na transport jonów. Polaryzacja elektronowa, atomowa i jonowa może wpływać na ruch jonów i przebieg reakcji biochemicznych w organizmie. Natężenia pól elektrycznych wewnątrz organizmu są jednak zwykle małe z uwagi na znacznie większą przewodność elektryczną tkanek od przewodności powietrza.

Działanie stałych i wolnozmiennych pól magnetycznych o dużej indukcji magnetycznej może wywoływać efekty:

-magnetomechaniczne (translację cząsteczek – w polach niejednorodnych lub porządkowanie dipoli magnetycznych),

- działanie na poruszające się ładunki,

- działanie na błony komórkowe,

- działanie na sieci neuronowe.

Zmienne pola magnetyczne indukują w tkankach prądy wirowe, które mogą wywoływać efekty rezonansowe w postaci otwierania i zamykania kanałów jonowych. Tak tłumaczy się na przykład zwiększenie wypływu wapnia z komórek nerwowych mózgu eksponowanych na pole elektromagnetyczne (147 MHz) modulowane częstotliwością 6-29 Hz oraz 60 Hz.

Badania nad wpływem pól magnetycznych o częstotliwości 50-60 Hz dla poziomów natężeń nie wywołujących wzrostu temperatury ciała o ponad 1^oC nie potwierdziły hipotezy o promocji nowotworów. Potwierdziły one natomiast wzrost ryzyka rozwoju tych chorób w grupach ludzi mieszkających przez dłuższy czas w pobliżu linii energetycznych.

Wpływ pól elektromagnetycznych wysokiej częstotliwości na organizm żywy

Podstawowym skutkiem oddziaływania pól elektromagnetycznych wysokiej częstotliwości jest wydzielanie się ciepła.

- W zakresie fal radiowych – ciepło wydziela się w wyniku strat przewodzenia (konwekcji ładunków elektrycznych).

- W zakresie mikrofalowym – ciepło wydziela się w wyniku obrotu dipoli elektrycznych w ośrodku lepkim.

Jako miarę wpływu wyznacza się progowe wartości gęstości mocy promieniowania lub natężenia pola elektrycznego, przy których temperatura organizmu wzrasta o 1 ^oC. W zakresie mikrofalowym (λ= 0,1 m) progowa wartość mocy wynosi 100 W/m2.

Całkowita moc pochłonięta i jej rozkład przestrzenny w ciele zależą od kilku parametrów. Należą do nich:

- częstotliwość pola elektromagnetycznego,

- orientacja ciała w stosunku do natężenia pola elektrycznego,

- przewodność i przenikalność dielektryczna tkanek,

- polaryzacja pola,

- wzajemne położenie ciała i źródła,

- obecność innych obiektów w otoczeniu.

Stosowanie pól elektromagnetycznych nie jest obojętne dla organizmu człowieka. Objawami działania tych pól mogą być :

-bóle i zawroty głowy,

- zaburzenie pamięci,

- dolegliwości sercowe,

- szybkie zmęczenie.

- mogą sprzyjać powstawaniu nowotworów.

Reakcje organizmu zależą od:

-ilości pochłoniętej energii,

-przebiegu częściowych ekspozycji,

- miejsca pochłonięcia energii,

- zakresu częstotliwości.

Głębokość wnikania pola elektrycznego do tkanek zależy od częstotliwości zmian tego pola. Pole w mniejszej częstotliwości wnika głębiej w tkanki niż pole o częstotliwości większej.

Zagrożenia wtórne

Związane są z emisją promieniowania przez przypadkowe anteny (metalowe budynki, maszty, żurawie, rynny,

ogrodzenia), które pobierają energię fal elektromagnetycznych z otoczenia.

Diatermia

Efekty cieplne wywołane przepływem prądów wysokiej częstotliwości są wykorzystywane w medycynie jako metoda lecznicza zwana diatermią.

Obecnie w diatermii prawie zawsze stosowane są aparaty krótkofalowe i mikrofalowe z lampowymi generatorami drgań niegasnących. Obiekt nagrzewany umieszcza się między izolowanymi elektrodami połączonymi odpowiednimi przewodami z przyrządem. Ciepło wytwarzane jest wewnątrz tkanek. Optymalne przegrzanie poddawanej zabiegowi tkanki uzyskuje się dobierając odpowiednie rozmiary elektrod, odpowiednie rozmieszczenie względem ciała pacjenta oraz trafny dobór czasu trwania zabiegu.

Zabieg prowadzi do rozszerzenia naczyń krwionośnych, zmniejszenie pobudliwości nerwowo-mięśniowej, zmniejszenie napięcia mięśni, przyśpieszenie procesów wchłaniania tkankowego, działanie przeciwbólowe i inne.

Proces słyszenia

Zadania zmysłu słuchu Za pośrednictwem zmysłu słuchu otrzymujemy informacje o otaczającym nas świecie.

Nośnikiem informacji jest fala dźwiękowa zwana również falą akustyczną.

Fala dźwiękowa dostarcza informacji tylko wówczas kiedy odbiorca może przypisać jej pewne znaczenie. Informacje te muszą więc być zakodowane w stanach fali dźwiękowej (amplitudzie, częstotliwości, składzie widmowym itd.). Zadaniem ucha jest odbieranie informacji zakodowanych w fali dźwiękowej i przetwarzanie ich w układ impulsów bioelektrycznych przekazywanych do ośrodkowego układu nerwowego i zrozumiałych przez ten układ. Ucho pełni zatem rolę przekaźnika informacji i jednocześnie dokonuje wstępnej analizy informacji.

Tor informacyjny zmysłu słuchu

Na tor informacyjny procesu słyszenia składają się:

- źródło drgań – źródło informacji,

- fala dźwiękowa – nośnik informacji (kanał),

-ucho – przetwornik i wstępny analizator sygnałów (informacji),

- ciąg impulsów bioelektrycznych w nerwie słuchowym – nośnik informacji (kanał),

- układ ośrodkowy – odbiorca (analizator) informacji.

Peryferyjny układ słuchu Zanim zaburzenie ośrodka wywoła wrażenie słuchowe odbierane jako dźwięk musi przebyć drogę do kory mózgowej przez peryferyjny układ słuchowy składający się z ucha zewnętrznego, ucha środkowego, ucha wewnętrznego i nerwu słuchowego.

Ucho zewnętrzne

W skład ucha zewnętrznego wchodzą:

- małżowina uszna,

- przewód słuchowy zewnętrzny,

- błona bębenkowa.

Ucho zewnętrzne tworzy komorę rezonansową o częstotliwości około 2,5 kHz wzmacniającą dźwięki z przedziału 1-4 kHz o około 10 dB. Małżowina uszna wzmacnia dźwięki o częstotliwościach 4-7 kHz o około 5-7 dB.

Całkowite wzmocnienie wzmocnienia kanału słuchowego zewnętrznego i małżowiny usznej wraz z uwzględnieniem kształtu głowy osiąga wartość 15-20 dB dla częstotliwości 2-5 kHz.

Ucho zewnętrzne odgrywa również rolę w lokalizacji źródeł dźwięku o częstotliwościach większych od 1,5 kHz.

Ucho środkowe

Ucho środkowe znajduje się w wypełnionej powietrzem jamie bębenkowej i zawiera łańcuch kosteczek słuchowych:

- młoteczek (przyczepiony rękojeścią do błony bębenkowej),

- kowadełko,

- strzemiączko (zamykające okienko owalne ucha wewnętrznego).

Błona bębenkowa wraz z młoteczkiem wprawiana jest w drgania przez falę dźwiękową. Drgania młoteczka przekazywane są przez kowadełko do strzemiączka. Ruch podstawy strzemiączka zamykającej okienko owalne jest złożony z ruchu tłokowego, wahadłowego i obrotowego.

Zadania ucha środkowego:

- Przeniesienie informacji od ucha zewnętrznego do wewnętrznego,

- dopasowanie impedancji fali dźwiękowej rozchodzącej się w powietrzu

do impedancji fali dźwiękowej rozchodzącej się w cieczach ślimaka,

- ochrona ucha wewnętrznego przed dźwiękami o zbyt dużym natężeniu.

Mechanizm dopasowania impedancji w uchu środkowym

Powierzchnia błony bębenkowej jest około 30-40 razy większa od powierzchni okienka owalnego w uchu wewnętrznym.

Ramię młoteczka jest 1,2-1,4 razy dłuższe od ramienia kowadełka.

Brak dopasowania impedancji oznaczałby, że zaledwie 1% energii fali akustycznej byłoby transmitowane do cieczy ślimaka. Dopasowanie impedancji jest najlepsze w zakresie częstotliwości 1-4 kHz i dlatego ucho jest w tym zakresie najbardziej czułe.

Człowiek pozbawiany ucha środkowego słyszałby sygnały akustyczne gdyby były podwyższone o 50 dB w stosunku do sygnałów słyszanych przez ucho nieuszkodzone o ile pozostałe elementy ucha zewnętrznego i wewnętrznego funkcjonowałyby normalnie.

Mechanizm chroniące ucho wewnętrzne

W uchu środkowym działają mechanizmy chroniące ucho wewnętrzne przed dźwiękami o zbyt dużym natężeniu.

Przy dużych natężeniach dźwięku strzemiączko nie uciska okienka owalnego z większą siłą lecz wykonuje ruchy skręcające.

W uchu środkowym znajdują się dwa małe mięśnia, jeden zaczepiony do bębenka, a drugi do strzemiączka. Przy zbyt dużych ciśnieniach akustycznych (75÷95 dB), drogą sprzężenia zwrotnego, mięśnie te otrzymują dodatkowe informacje i kurcząc się napinają bębenek oraz usztywniają układ kostek słuchowych, wprowadzając dodatkowe tłumienie (odruch strzemiączkowy). Odruch strzemiączkowy występuje przy dźwiękach o częstotliwościach niższych od 2000 Hz. Objawia się on jednak z pewnym opóźnieniem i nie chroni ślimaka przed dźwiękami impulsowymi takimi jak wystrzał z broni palnej.

Ucho środkowe może prawidłowo funkcjonować gdy w jamie bębenkowej jest takie samo ciśnienie jak na zewnątrz organizmu. Ciśnienie w jamie bębenkowej wyrównywane jest poprzez trąbkę słuchową (trąbkę Eustachiusza), łączącą jamę bębenkową z gardłem. Trąbka Eustachiusz jest normalnie zamknięta i otwiera się tylko podczas

ziewania, połykania lub wymawiania niektórych zgłosek takich jak u, e, i, p, k.

Ucho wewnętrzne Zasadniczym elementem ucha wewnętrznego jest ślimak kostny.

Ślimak jest zwężającą się rurką uformowaną z kości czaszki, która występuje w formie skorupy ślimaka i ma 2,5-2,75 zwoja. W ślimaku można wyróżnić trzy kanały, oddzielone od siebie blaszką spiralną (na której leży błona podstawna ) oraz błoną przedsionkową (Reissnera).

Główny kanał ucha wewnętrznego nosi nazwę schodów przedsionka . Od strony ucha środkowego jest on zamknięty okienkiem owalnym przylegającym do strzemiączka . Poniżej znajduje się przewód ślimakowy zwany schodami bębenka . Schody bębenka są oddzielone od ucha środkowego okienkiem okrągłym , zbudowanym z błony bębenkowej wtórnej.

W szczytowej części ślimaka znajduje się szparka osklepka, poprzez którą roztwory elektrolitu w schodach przedsionka i bębenka (zwane perylimfą ) kontaktują się. Roztwór elektrolitu występujący w przewodzie ślimakowym nosi nazwę endolimfy i ma inny skład chemiczny niż perylimfa. W endolimfie występuje bardzo wysokie stężenie jonów K⁺.

Transmisja dźwięku w uchu środkowym

- Strzemiączko wykonując ruchy posuwisto-zwrotne wprawia w ruch okienko owalne

- Okienko owalne wtłacza lub zasysa perylimfę ze schodów przedsionka a także poprzez szparkę osklepka również ze schodów bębenka

- Perylimfa jako ciecz jest nieściśliwa więc ruchowi okienka owalnego w kierunku do wnętrza schodów przedsionka towarzyszy ruch okienka okrągłego w kierunku na zewnątrz schodów bębenka.

- Zmienne ciśnienie w perylimfie wywołane ruchem okienka owalnego przenosi się również poprzez błonę przedsionkową do endolimfy

- Ruch perylimfy prowadzi dalej do ruchu błony podstawnej leżącej na blaszce spiralnej oddzielającej przewód ślimakowy od schodów bębenka

- W narządzie spiralnym ślimaka leżącym na błonie podstawnej dochodzi do aktywacji komórek zmysłowych i przekształcenia drgań mechanicznych na sygnał elektryczny.

Analiza dźwięku w narządzie spiralnym

1. Teoria rezonansowa Helmholtza

- Błona podstawna staje się coraz szersza w miarę zbliżania się do szczytu ślimaka, czyli do szpary osklepka

- Błona podstawna stanowi zbiór napiętych włókien na podobieństwo do strun fortepianu

- Dłuższe włókna maja niższą częstotliwość rezonansową niż włókna krótsze

- Włókna błony podstawnej są sprzężone z włóknami nerwowymi i podczas drgań przenoszą informacje do CUN

- Teoria Helmholtza zakłada, że odpowiednie miejsca na błonie podstawnej są odpowiedzialne za analizę sygnałów o określonej częstotliwości.

Argumenty przeciwko teorii Helmholtza

- Błona podstawna nie składa się z żadnych włókien lecz jest tworem galaretowatym

- Błona podstawna nie jest napięta lecz spoczywa dość luźno na blaszce podstawnej

- Przy przyjęciu stanu napięcia błony siły napinające musiałyby zmaleć steki tysięcy razy w miejscu najszerszym błony w porównaniu do miejsca najwęższego.

2. Teoria fali wędrującej Bekesy’ego

- Wytworzona ruchem błony okienka owalnego fala hydrodynamiczna wytwarza na błonie podstawnej falę wędrującą (podobną do fal windsurfingowych na oceanie), w której maksimum wychylenia przemieszcza się w kierunku szparki osklepka

- Chwilowo powstające maksima wychylenia zmieniają swoja wartość w zależności od odległości od okienka owalnego

- Największe wartości maksimów wychylenia fali przypadają w różnych miejscach błony podstawnej i zależą od częstotliwości padającego dźwięku

- Ton o określonej częstotliwości pobudza do drgań określone miejsce na błonie podstawnej co jest również zgodne z założeniem teorii Helmholtza

Obie teorie, zarówno Helmholtza, jak i Bekesy’ego są teoriami miejsca.

Wzmacniacz ślimakowy

Drgania błony podstawnej są zamieniane na potencjały czynnościowe (impulsy neuronowe) w organie Cortiego usytuowanym wzdłuż błony podstawnej.

Zasadniczym elementem tego organu Cortiego są komórki rzęskowe(rzęsate) wewnętrzne i zewnętrzne umieszczone po obu stronach tzw. tunelu Cortiego, oraz błona pokrywkowa znajdująca się nad tym organem.

Wewnętrzne komórki rzęskowe umieszczone są w jednym rzędzie, po wewnętrznej stronie tunelu Cortiego. Jest ich około 3500, a każda z nich ma około 40 tak zwanych rzęsek formujących proste rzędy. Do każdej z nich dochodzi około 20 neuronów aferentnych przekazujących impulsy ze ślimaka na wyższe piętra drogi słuchowej.

Rzęski tych komórek nie mają najprawdopodobniej styczności z błoną pokrywkową, która jest utwierdzona po swej wewnętrznej stronie. Ruchy błony podstawnej w górę i w dół powodują cykliczne zbliżanie organu Cortiego i błony pokrywkowej oraz powstawanie pomiędzy nimi sił ściskających. Dzięki temu rzęski przeginają się raz w jedną a raz w

drugą stronę. Przeginanie to połączone jest z cyklicznym otwieraniem i zamykaniem kanałów jonowych znajdujących się w rzęskach, którymi do ujemnie spolaryzowanych komórek rzęskowych mogą napływać dodatnie jony potasu z endolimfy wypełniającej kanał ślimakowy.

Zewnętrzne komórki rzęskowe pełnią zupełnie inną funkcję. Uporządkowane są one w pięciu rzędach po zewnętrznej stronie tunelu Cortiego. Jest ich około 25 000, a każda z nich ma około 140 rzęsek uformowanych w kształcie litery V. Do komórek tych dochodzi około 1800 neuronów eferentnych, tj. takich, które przekazują sygnały z

mózgu. Komórki te charakteryzują się kurczliwością pod wpływem zmiany potencjału: wzrost potencjału powoduje ich skrócenie. Kurczliwość, która obserwuje się dla bodźców o częstotliwości do kilkunastu kHz, stanowi podstawę wzmacniacza ślimakowego.

Ruch błony podstawnej ku górze połączony jest z otwieraniem kanałów jonowych, dzięki czemu dodatnie jony z endolimfy napływają do zewnętrznych komórek rzęskowych. Jony te powodują wzrost potencjału komórek, a w związku z ich kurczliwością – również ich skrócenie. Skrócenie to jest największe w szczytowym wychyleniu błony podstawnej, kiedy kanały jonowe są maksymalnie otwarte.

Skrócenie zewnętrznych komórek rzęskowych prowadzi do lepszego zbliżenia błony pokrywkowej i wewnętrznych komórek rzęskowych, a więc do znacznie bardziej intensywnego stymulowania ich. Kurczliwość zewnętrznych komórek rzęskowych ma zasadnicze znaczenie zwłaszcza w przypadku najcichszych dźwięków.

Przy braku kurczliwości zewnętrznych komórek nie można wygenerować impulsu we włóknach dochodzących do wewnętrznych komórek rzęskowych wymagałaby znacznie większego wychylenia błony podstawnej, a więc i większego natężenia dźwięku.

Zanik elektromotorycznych cech zewnętrznych komórek rzęskowych oznacza upośledzenie wzmacniacza ślimakowego i prowadzi do tzw. odbiorczego uszkodzenia słuchu podwyższającego próg słyszalności utrudniającego rozumienie mowy prezentowanej na tle szumu.

Proces widzenia

Elementy mechaniki płynów

Porównanie właściwości sprężystych ciał stałych, cieczy i gazów.

Ciała stałe - duże moduły sprężystości objętościowej i postaciowej

Ciecze - mniejszy moduł sprężystości objętościowej i bardzo mały moduł sprężystości postaciowej

Gazy - mały moduł sprężystości objętościowej i prawie zerowy moduł sprężystości postaciowej

Tak więc o cieczach możemy powiedzieć, że zmieniają kształt pod wpływem bardzo małych sił, nie posiadają sprężystości postaci i posiadają sprężystość objętościową.

Płyny doskonałe Wiele praw opisujących zachowanie się cieczy pod wpływem działających sił podana jest dla przypadku płynów doskonałych.

Model płynu doskonałego – płynem doskonałym nazywa się płyn nieściśliwy i nielepki, a więc płyn o nieskończenie dużym module sprężystości objętościowej i zerowym module sprężystości postaciowej.

Podstawowe określenia dotyczące przepływów.

- Ruch płynów nazywamy przepływem

- Przepływ jest stacjonarny, gdy w określonym punkcie przestrzeni prędkość przepływu jest stała i niezależna od czasu

- Przepływ płynu (lub gazu) jest laminarny gdy wszystkie cząsteczki płynu (lub gazu) poruszają się po torach równoległych do siebie

- Przepływ płynu (lub gazu) jest turbulentny (wirowy) gdy część cząsteczek nie porusza się po torach równoległych do siebie

Hydrostatyka i hydrodynamika

- Hydrostatyka zajmuje się opisem zachowania płynów pozostających w spoczynku

-Hydrodynamika zajmuje się zachowaniem się płynów znajdujących się w ruchu

Podstawowe prawa hydrostatyki

Prawo Pascala - Ciśnienie pochodzące od sił zewnętrznych działających na płyn nieściśliwy i nieważki jest we wszystkich punktach płynu jednakowe. Płyn nieściśliwy i nieważki nazywany jest również często modelem

Pascala, ciałem Pascala lub cieczą Pascala.

Ciśnienie hydrostatyczne p w cieczach określone jest wzorem: p = ρgh, $\left\lbrack p \right\rbrack = \frac{N}{m^{2}} = Pa\ (pascal)$

gdzie ρ jest gęstością cieczy, h – głębokością na której zanurzone jest ciało, natomiast g = 9. 81 m/s² jest przyśpieszeniem ziemskim.

Ze wzoru na ciśnienie hydrostatyczne wynika, że ciśnienie p rośnie liniowo wraz z wzrostem głębokości zanurzenia w cieczy i nie zależy od kształtu naczynia.

Ciśnienie całkowite p_c w cieczach określone jest wzorem: p_c = p_z + ρgh, $\left\lbrack p \right\rbrack = \frac{N}{m^{2}} = Pa\ (pascal)$

gdzie p_z jest ciśnieniem zewnętrznym.

Ciśnienie aerostatyczne p_a – jest to ciśnienie powietrza na danej wysokości nad poziomem morza.

Ciśnienie aerostatyczne jest często ciśnieniem zewnętrznym działającym na ciecz.

$p_{a} = e - \frac{\text{ρg}h_{\text{npm}}}{p_{0}},$ $\left\lbrack p \right\rbrack = \frac{N}{m^{2}} = Pa\ (pascal)$

gdzie e = 2.72…, ρ jest gęstością cieczy, h_npm – wysokością nad poziomem morza, natomiast p₀= 1,013251·10⁵Pa ciśnieniem atmosferycznym nad poziomem morza.

Ze wzoru na ciśnienie aerostatyczne wynika, że maleje ono wykładniczo wraz ze wzrostem wysokości h_npm.

Prawo Archimedesa – siła wyporu W działająca na ciało zanurzone w cieczy jest równa ciężarowi cieczy wypartej przez to ciało W = ρgV, [W] = N

gdzie ρ jest gęstością cieczy, g = 9.81 m/s²przyśpieszeniem ziemskim, V objętością części ciała zanurzonej w cieczy.

Podstawowe prawa hydrodynamiki

Pojęcie strumienia przepływu

Strumień masy: Φ_m = m / t , [Φ_m] = kg/s,

Strumień objętości Φ_V = V / t , [ Φ_V] = m³/s,

Strumień energii Φ_E = E / t , [ Φ_E] = J/s = W.

Prawo Bernoulliego Suma energii kinetycznej, potencjalnej i ciśnienia jednostki masy (lub objętości) ustalonego

przepływu cieczy doskonałej jest wielkością stałą

Ciecze i gazy rzeczywiste - lepkość cieczy i gazów

Ciecze rzeczywiste różnią się od cieczy doskonałych tym, że wykazują zjawisko tarcia wewnętrznego, czyli lepkości.

Wyjątkiem są bardzo nieliczne ciecze – np. ciekły hel - wykazujące tzw. nadciekłość w temperaturach bliskich zera bezwzględnego. Nadciekłość polega na całkowitym zaniku lepkości.

Tarcie wewnętrzne jest zjawiskiem międzycząsteczkowym. W zjawisku tym sąsiednie warstwy cieczy działają na siebie podczas przepływu. Siły oddziaływań sprawiają, że od strony warstwy poruszającej się szybciej działa na warstwę poruszającą się wolniej siła przyśpieszająca. Odwrotnie – warstwy poruszające się wolniej hamują ruch warstw poruszających się szybciej.

Wzór Newtona (równanie transportu pędu)

$T = - F = - \eta S\frac{\Delta\vartheta}{\Delta h}$, gdzie:

T – siła lepkości,

F – siła wprawiająca w ruch warstwę o powierzchni S ,

Δh – odległość między warstwami o różnej prędkości ϑ₁i ϑ₂,

ƞ – współczynnik lepkości cieczy w paskalosekundach (Pa · s)

Ponieważ wzór Newtona możemy przekształcić do postaci $T = \frac{\text{dp}}{\text{dt}} = - \eta S\frac{\Delta\vartheta}{\Delta h}$

gdzie p jest pędem, więc nosi on również nazwę równania transportu pędu.

Ciecze stosujące się do prawa Newtona nazywamy cieczami newtonowskimi.

Krew jest cieczą newtonowską.

Lepkość cieczy zależy od temperatury

$\eta = B \bullet e\frac{E_{a}}{k \bullet T}$, gdzie B jest pewnym współczynnikiem, ΔE_a– energią aktywacji, k = 1.38·10^-23J/K jest stała Boltzmanna, T – temperaturą bezwzględną.

Przepływ laminarny - wzór Poiseuille’a

$\vartheta_{\text{sr}} = \frac{pR^{2}}{8\eta L}$, gdzie:

ϑ_sr– średnia prędkość przepływu cieczy przez rurkę kapilarną,

Δp – różnica ciśnień po obu stronach rurki,

R – promień rurki kapilarnej ,

ƞ – współczynnik lepkości cieczy w Pa·s,

L – długość rurki kapilarnej.

Liczba Reynoldsa

W pewnych warunkach przepływ laminarny przechodzi w turbulentny. Warunki te można ocenić na podstawie znajomości liczby Reynoldsa R_e określonej wzorem: $R_{e} = \frac{\text{ρdϑ}}{\eta}$, gdzie:

ρ – jest gęstością cieczy (lub gazu),

d – średnicą rury przez którą płynie ciecz,

ϑ – prędkością przepływu cieczy,

ƞ – współczynnikiem lepkości cieczy.

Przy liczbach Reynoldsa R_e< 2300 mamy przepływ laminarny, przy liczbach R_e> 3000 przepływ turbulentny,

natomiast gdy 2300 < R_e< 3000 to nie można ustalić charakteru przepływu (przepływ może być laminarny albo turbulentny).

Prędkość krytyczna

$\vartheta_{k} = \frac{R_{\text{ek}}\eta}{\text{ρd}}$ , gdzie R_ek jest krytyczną wartością liczby Reynoldsa, przy której zmienia się charakter przepływu cieczy.

Dla wody płynącej przez naczynie o średnicy 2,3 cm przepływ staje się burzliwy przy prędkościach większych od 0,1 m/s.

Układ krwionośny

Układ krwionośny człowieka jest układem zamkniętym. Krew krąży w systemie naczyń krwionośnych a serce pełni rolę pompy wymuszającej przepływ krwi.

Układ ten wraz z układem limfatycznym tworzą układ krążenia.

Krew jest zawiesiną erytrocytów, leukocytów i trombocytów w plazmie.

Podczas krążenia:

- krew dostarcza komórkom tlenu i substancji odżywczych, a odprowadza dwutlenek węgla,

- rozprowadza ciepło w organizmie (bierze udział w procesie termoregulacji),

- transportuje hormony, witaminy, enzymy i komórki fagocytów.

Przepływ hormonów wraz z krwią można uznać za przepływ informacji gdyż kontrolują one i integrują czynności całego ustroju, natomiast przepływ enzymów za transport substancji katalizujących i kontrolujących przebieg reakcji chemicznych.

Z biofizycznego punktu widzenia krew jest cieczą o współczynniku lepkości ƞ = 2.084 · 10^-3[Pa·s] i gęstości ρ= 1.059·10³[kg·m^-3].

Układ krążenia składa się z serca, systemu naczyń krwionośnych, krwi.

Serce działa jak pompa ssąco-tłocząca przetłaczając krew w dwu obiegach: dużym i małym.

Praca serca

Niech cykl pracy serca rozpoczyna się rozkurczem komory prawej (faza rozkurczu serca). Wówczas przez prawy przedsionek wpływa do serca pozbawiona tlenu krew z żyły głównej obiegu dużego. Zastawka trójdzielna jest wówczas otwarta, a zastawka płucna zamknięta. W fazie skurczu serca, prawa komora kurczy się i zastawka trójdzielna zamyka się wówczas a otwiera się zastawka płucna. Krew tłoczona jest do tętnicy płucnej i systemu krwionośnego płucnego zwanego obiegiem małym. Z obiegu tego krew wpływa do lewego przedsionka serca.

W fazie rozkurczania się serca krew wpływa z przedsionka lewego do lewej komory serca. Zachodzi to przy zamkniętej zastawce aorty i otwartej zastawce dwudzielnej. W następnym etapie lewa komora kurczy się i przy zamkniętej zastawce dwudzielnej, a otwartej zastawce aorty, krew wtłaczana jest do aorty. Stąd poprzez zespoły tętnic i naczyń włoskowatych rozprowadzana jest po całym organizmie. Następnie dopływa do systemów żylnych i poprzez żyłę główną obiegu dużego powraca do serca.

Z fizycznego punktu widzenia przepływ krwi odbywa się dzięki energii skurczu mięśni serca. Podczas wzrostu ciśnienia krew wtłaczana jest do aorty i tętnicy płucnej. Wszystkie tętnice i tętniczki są naczyniami sprężystymi i przy wyższych ciśnieniach rozszerzają się sprężyście. Dzięki temu w chwili gdy serce kurczy się a zastawki aorty i tętnicy

płucnej są zamknięte, krew tłoczona jest dalej pod wpływem ciśnienia pochodzącego od sił sprężystości kurczących się tętnic. Proces ten trwa aż do chwili ponownego aktu kurczenia się serca. W ten sposób, mimo że serce tłoczy krew jedynie podczas skurczu, w tętnicach, naczyniach włoskowatych i żyłach płynie ona w sposób ciągły.

Ciągły przepływ krwi ma duże znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania centralnego układu nerwowego i mózgu.

Można więc powiedzieć, że przemieszczanie się krwi jest wynikiem rytmicznego kurczenia się zarówno serca, jak i całego systemu tętnic.

Właściwości sprężyste naczyń krwionośnych

- Naczynia krwionośne są sprężyste o module sprężystości zależnym od naprężenia i szybkości zmian ciśnienia krwi.

- Wzrost modułu sprężystości wraz ze wzrostem naprężenia zapobiega nadmiernemu rozszerzaniu się naczyń.

- Rozszerzanie się naczyń zmienia opór naczyniowy.

- Tętnice pełnią rolę powietrzni, natomiast żyły rolę zbiornika.

Fala tętna

- Podczas wtłaczania krwi do tętnicy ulega ona rozszerzeniu z uwagi na jej właściwości sprężyste.

- Powstałe odkształcenie przemieszcza się wzdłuż tętnicy tworząc fale tętna.

- Prędkość ϑ fali tętna (5-8 m/s) jest większa od prędkości krwi (0.5 m/s).

- Długość fali tętna wynosi około 4 m.

$\vartheta = \sqrt{\frac{\text{Eh}}{2\rho r}}$ , gdzie:

E – moduł Younga ścian naczynia,

h – grubość ścian naczynia,

ρ– gęstość,

r – promień przekroju poprzecznego.

Rozszerzenie tętnicy (fala tętna) zasysa krew i umożliwia jej dalszy ruch w chwili gdy serce jest w fazie rozkurczu.

Przepływ krwi

Szybkość przepływu krwi w czasie wyrzutu z lewej komory osiąga wartość do 140 cm/s (w aorcie wstępującej – przepływ turbulentny). W miarę oddalania się od serca krew zaczyna płynąć bardziej równomiernie (przepływ ciągły i laminarny w tętniczkach).

Opór naczyniowy

Zakładając, że przepływ krwi w naczyniach krwionośnych jest laminarny należy przyjąć, że strumień objętości, φ_V, krwi przepływającej przez poprzeczny przekrój naczynia krwionośnego jest określony wzorem: $\phi_{V} = \frac{V}{t} = \frac{\pi R^{4}\Delta p}{8\eta L}$ , $\phi_{V} = \frac{\Delta p}{R_{\text{lep}}}$, $R_{\text{lep}} = \frac{8\eta L}{\pi R^{4}}$ , gdzie:

R_lep jest oporem hydrodynamicznym (naczyniowym) przepływu krwi w naczyniach krwionośnych.

Opór naczyniowy R_n pochodzący od n równolegle połączonych tętniczek o promieniu r_i, i = 1,2,3,…, n wynosi R_n = n • R , gdzie R jest oporem naczyniowym tętnicy o polu przekroju poprzecznego równym sumie pól przekrojów poprzecznych wszystkich tętniczek małych.

Praca i moc serca

Praca wykonywana przez mięsień serca zużywana jest na przepompowywanie pewnej objętości krwi, Δ V , oraz na nadanie tej objętości krwi pewnej prędkości ϑ $W = p_{\text{sr}} \bullet V + \frac{1}{2}\rho\vartheta^{2}V$, gdzie p_sr jest średnią różnicą ciśnienia w komorach i przedsionkach serca, natomiast ρ jest gęstością krwi.

-Dla komory lewej W_L= 0.924 + 0.006 [J/skurcz]

- Dla komory prawej W_P= 0.139 + 0.006 [J/skurcz]

- Całkowita moc serca P = 1.4 [W]

Wpływ ciśnienia hydrostatycznego na ciśnienie krwi w naczyniach krwionośnych

Efekt hydrostatyczny nie ma wpływu na krążenie. Wpływa natomiast na wartości ciśnienia w partiach ciała położonych powyżej i poniżej serca.

Napięcie powierzchniowe

Warstwa powierzchniowa cieczy jest napięta przez niezrównoważone oddziaływania międzycząsteczkowe.

Praca, W , potrzebna na powiększenie powierzchni cieczy o Δ S jest proporcjonalna do ΔS i wyraża się wzorem

W = σS

gdzie σ jest współczynnikiem napięcia powierzchniowego cieczy.

Współczynnik napięcia powierzchniowego

Współczynnik napięcia powierzchniowego σ zależy od rodzaju cieczy i temperatury.

Dla wody w temperaturze pokojowej σ= 0.072 N/m, dla alkoholu etylowego σ = 0.022 N/m.

Wartości współczynnika σ dla wody są bardzo duże w porównaniu do innych cieczy.

Układ oddechowy

Jest odpowiedzialny za utrzymanie stałej wymiany gazów między organizmem a środowiskiem.

Oddychanie jest jedną z najważniejszych czynności życiowych i podstawowym przejawem życia.

Wdychany tlen jest wykorzystywany przez komórki jako paliwo do produkcji energii, a wydychany dwutlenek węgla jest pozostałością tego procesu (jego nadmiar jest w organizmie toksyczny).

Układ oddechowy składa się z:

- dróg doprowadzających powietrze (nos, gardło, krtań, tchawica, oskrzela),

- płuc,

- narządów pomocniczych umożliwiających wprowadzanie powietrza do płuc i wyprowadzanie powietrza z płuc.

Wymiana powietrza w płucach

W płucach ciśnienie wewnątrzpłucne, p_w, jest niższe od atmosferycznego, p_a. Równowaga jest utrzymywana dzięki sprężystości pęcherzyków płucnych.

Równowaga w płucach jest utrzymywane dzięki sprężystości pęcherzyków płucnych. Siły sprężystości pęcherzyków płucnych wytwarzają ciśnienie p_S.

Podczas wdechu pęcherzyki płucne ulegają rozciągnięciu gdyż ciśnienie p_S maleje poniżej atmosferycznego.

Podczas wydechu sprężystość pęcherzyków powoduje skurczenie się ich. Właściwości sprężyste pęcherzyków uzupełniane są działaniem sulfakantów.

Napięcie powierzchniowe sulfakantu zależy od grubości jego warstwy w pęcherzyku. Dla warstw grubych wynosi 0.05 N/m, natomiast dla cienkich 0.5 N/m.

Potencjał elektryczny komórki