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 drgań rezonansowych.

Parametry ultradźwięków:

• Częstotliwość 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.

• Prędkość fal 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.

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

• Natężenie fali (gęstość 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 częstotliwość, a więc krótsza jest długość fali.

Efekty oddziaływania ultradźwięków:

Efekt mechaniczny. Na skutek drgań ośrodka (rozrzedzeń i zagęszczeń) może dojść do kawitacji (szczególnie przy częstotliwościach zbliżonych do 100 kHz), czyli powstawania miejscowej próżni. Możliwe jest również (zjawisko tyksotropowe) powodowanie przechodzenia żelu w zol i uzyskiwanie emulsji cieczy nie mieszających się

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

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

• Działanie na organizm: Ultradźwięki o dużym natężeniu > 10kW/m2 mogą powodować uszkodzenia tkanek i narządów oraz poparzenia. W przypadku ultradźwięków o umiarkowanym natężeniu w komórkach maleje pH, zmienia się aktywność 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 być 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 powodować rezonans narządów wewnętrznych. Wywołują bóle głowy, mdłości, bezsenność, obniżenie nastroju, trwogę i nerwice. Przy dużych natężeniach mogą powodować 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 powodować rezonans narządów. Szczególnie niebezpieczne są wibracje o częstotliwościach 4 - 18 Hz. Mogą powodować bóle klatki piersiowej, zaburzenia oddechowe, zmiany ciśnienia krwi. Długotrwałe oddziaływanie wibracji prowadzi do choroby wibracyjnej objawiającej się zaburzeniem krążenia, wzmożonym drżeniem kończyn i bólami o różnej lokalizacji.

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

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

• Trudno wskazać epidemiologiczne lub fizjologiczne przyczyny tych dolegliwości.

• Szkodliwe efekty wibracji zależą od ich częstotliwości i natężenia.

Wpływ wibracji:

• Długotrwałe wibracje powodują bóle stawów, grzbietu oraz części lędźwiowej kręgosłupa. Dolegliwości te pojawiają się u kierowców samochodów ciężarowych, rolników, operatorów maszyn drogowych po 30-40 latach.

• Wibracje < 2 Hz wywołują chorobę komunikacyjną (jednym z jej typów jest choroba morska) z nudnościami, wymiotami. Objawy nasilają się przy koncentrowaniu wzroku na przedmiotach, które znajdują się w pobliżu i również się poruszają.

• Wibracje 5 Hz powodują zmniejszenie ostrości widzenia poprzez rezonans oraz kłopoty z koordynacją przedniego odcinka oka, utrudniają akomodację.

• Wibracje 5 do 15 Hz mają wpływ na układ oddechowy. Mięśnie oddechowe dostosowują swoją pracę do wibracji i oddychanie jest utrudnione.

• Wibracje od 10 do 30 Hz powodują drgania pola widzenia (na przykład drgania 18 Hz w helikopterach utrudniają odczytanie podziałki na wskaźnikach pokładowych).

Dolegliwości wywołane wstrząsami Drgania < 40 Hz (młoty pneumatyczne):

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

• Choroba Kienbocha

• Choroba Kohlera

• Bóle reumatyczne typu zapalnego

• Urazy nadkłykci

• Zespół cieśni kanału nadgarstka

• Dolegliwości angioneurotyczne

Dolegliwości wywołane wstrząsami Drgania od 40 do 300 Hz (maszyny do wykopów i odwiertów):

• Problemy angioneurotyczne

• Zespół Raynaud

• Rogowacenie skóry

• Zniesienie czucia

Wibracje powyżej 300 Hz (urządzenia trzymane w rękach):

• Uczucie palenia w kończynie górnej obejmujące ręce do ramienia

• Nadciśnienie mięśniowe

• Zaczerwienienie lub zasinienie skóry rąk, obrzęki

Zastosowanie wibracji (whole body vibration) w sporcie i medycynie:

• W 1949 przedstawiono pracę, w której zauważono pozytywny wpływ zastosowania drgających łóżek na pacjentów z opatrunkiem gipsowym.

• W wielu pracach stwierdzono poprawę siły i gibkości.

• Podczas ćwiczeń na platformie wibracyjnej wzrasta ciśnienie krwi w mięśniach łydek i ud.

• Zmniejszenie bólu u chorych z chronicznym bólem krzyża.

• Stwierdzono poprawę wyskoków pionowych.

• Wpływają na aktywność bioelektryczną mięśni.

• Częstotliwość wibracji ma wpływ na aktywację mięśni.

Mechanizmy fizjologiczne zmian adaptacyjnych wywołanych wibracją:

• Drgania powodują wzrost obciążeń w wyniku dużych przyspieszeń przenoszonych na ciało. Sinusoidalny przebieg bodźca wibracyjnego determinuje szybkie i krótkotrwałe zmiany długości zespołu mięsień ścięgno. Zakłócenie to podrażnia receptory czuciowe, co moduluje aktywność mięśni w celu tłumienia fal sinusoidalnych. Wibracje działające na mięsień lub ścięgna powodują odruchowe napięcie mięśni, nazywane odruchem skurczowym na wibrację (tonic vibration reflex TVR).

• Odpowiedź na wibracje może być przypisywana nie tylko pobudzeniu wrzecion, ale i reakcji wszystkich innych receptorów czuciowych.

• Wibracje powodują specyficzne reakcje hormonalne, zwiększenie testosteronu i hormonu wzrostu (podobnie jak trening siłowy).

Zastosowanie wibracji:

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

• Nie wolno stosować 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.

Rodzaje skurczów mięśni szkieletowych:

• auksotoniczny

• izometryczny

• izotoniczny

• izokinetyczny

• ekscentryczny

Cechy skurczu izotonicznego:

Cechy skurczu izotonicznego:

TERMODYNAMIKA

przedmiot badań

Układ termodynamiczny:

dowolnie wyodrębniony z otoczenia

wycinek świata materialnego

- zbiornik z gazem, cieczą

- gaz elektronowy w metalu,

- istota żywa,

- gromada gwiazd, galaktyka,

- jądro atomowe

Opis układu termodynamicznego:

Makroskopowe parametry stanu układu:

- masa (m), gęstość (d), objętość (V),

ciśnienie (p), temperatura (T),

natężenie pola elektrycznego (E), ...

Podział parametrów stanu:

- zewnętrzne/wewnętrzne,

- intensywne/ekstensywne

Intensywne - niezależne od ilości materii

w układzie:

- gęstość, ciśnienie, temperatura

Ekstensywne (addytywne) - proporcjonalne

do ilości materii w układzie:

- objętość, masa

Opis układu termodynamicznego

Termodynamiczne funkcje stanu układu:

- energia wewnętrzna (U)

- entalpia (H),

- entropia (S),

- energia swobodna (F),

- entalpia swobodna (G)

Wielkości mikroskopowe związane

z elementami układu (cząsteczkami, atomami, itp..):

- średnia prędkość cząsteczek (<v>),

- średnia energia kinetyczna cząsteczek (<Ek>),

- masa cząsteczki (m')

Realizacja procesu termodynamicznego

Określenie tzw. ściany układu:

- diatermiczna (umożliwia przepływ ciepła),

- adiabatyczna (izoluje cieplnie),

- sztywna (uniemożliwia zmianę objętości)

- nieprzepuszczalna (uniemożliwia wymianę

masy)

- selektywna (umożliwia wymianę określonych

składników)

- przepuszczalna (umożliwia wymianę masy)

Określenie układu:

- odosobniony (izolowany) - ściany

adiabatyczne, sztywne, nieprzepuszczalne

- otwarty - ściany diatermiczne, niesztywne,

przepuszczalne

Praca i ciepło są PROCESAMI, które zmieniają

STAN układu termodynamicznego.

Nie są one „FORMAMI ENERGII”!!!

Praca jest związana z siłami działającymi między

układem i jego otoczeniem oraz jego kształtem

i objętością.

Ciepło jest procesem związanym z różnicą tempe-

ratur układu i jego otoczenia.

Praca (W)

- jednostką pracy jest dżul (J)

praca jednostkowa to praca wykonana przez

siłę 1N na drodze 1m.

Ciepło (Q)

- jednostką ciepła jest kaloria (cal)

ilość ciepła, która zmienia temperaturę 1g

wody o 1oC

Znając jedynie efekt procesu, tj. tylko stan

początkowy i końcowy układu nie można

rozstrzygnąć w jaki sposób proces został

zrealizowany.

Twierdzenie Joule'a:

Efekt procesu termodynamicznego osiągnięty

wykonaniem pracy W=1J można zrealizować

na drodze cieplnej, przy czym, niezależnie od

efektu tego procesu Q=0.24 cal.

1 J = 0.24 cal

lub

1 cal=4,19 J

I ZASADA TERMODYNAMIKI

Sumę ciepła i pracy procesu termodynamicznego

nazywamy zmiana energii wewnętrznej układu

w tym procesie:

DU = Q + W

Niezależnie od sposobu realizacji danego procesu

DU = const.

Zmiana energii wewnętrznej układu zależy jedynie

od początkowego i końcowego stanu układu.

Wydajność (sprawność) przemiany energetycznej:

DU =W+Q

W=Wi+We

h=W/DU=1-Q/DU

Biokalorymetria:

• Bezpośrednia

• cykloergometry, kalorymetry, bomby kalorymetryczne

• Pośrednia

• Metody alimentarne

• Metody oddechowe

Przemiana podstawowa (podstawowa prędkość metabolizmu):

• Organizm pozbawiony pożywienia

• Stała temperatura zewnętrzna

• Warunki termoneutralne

• Energia przemiany podstawowej służy do podtrzymania procesów życiowych i wiąże się ze spoczynkową czynnością wszystkich komórek i narządów.

Iloraz oddechowy:

(respiratory quotient)

RQ=VCO2(out) /V02(in)

Właściwości energetyczne wybranych składników pokarmowych:

Rodzaj składnika	Ciepło spalania		Wykorzystanie w organizmie		Iloraz oddechowy
Węglowo-dany	4.1 kcal/g	17.2 106 J/kg	4.0 kcal/g	16.7 106 J/kg	1.000
Białka	5.6 kcal/g	23.4 106 J/kg	4.0 kcal/g	16.7 106 J/kg	0.807
Tłuszcze	9.3 kcal/g	39.0 106 J/kg	9.0 kcal/g	37.8 106 J/kg	0.707

Maksymalna wydajność pracy fizycznej:

Czynność	Wydajność [%]
Praca łopatą	3
Podnoszenie ciężaru	9
Obrót ciężkiego koła	13
Wchodzenie po drabinie	19
Wchodzenie po schodach	23
Jazda na rowerze	25
Wchodzenie pod górę	30

Szybkość przemiany materii (na kilogram masy ciała osoby dwudziestoletniej):

Czynność	W/kg
Sen	1.1
Leżenie	1.2
Siedzenie	1.5
Stanie	2.6
Spacer	4.3
Drżenie	7.6
Jazda rowerem	7.6
Odśnieżanie	9.2
Pływanie	11.0
Rąbanie drzewa	11.0
Jazda na nartach	15.0
Bieg	18.0

Przewodzenie ciepła - procesem termodynamicznym dotyczącym praktycznie tylko i wyłącznie ciał stałych, w których to nie ma możliwości przemieszczania się cząsteczek. Ciepło płynie tylko wtedy, gdy występuje różnica temperatur od temperatury wyższej do temperatury niższej. Przewodzenie ciepła opisuje równanie różniczkowe Fouriera:

Dla nieustalonego przewodzenia ciepła w kierunku osi x:

Q = -λ*A*dT/dx
gdzie:
Q - natężenie przepływu ciepła (ilość ciepła wymieniona w jednostce czasu)
λ - współczynnik przewodzenia ciepła
A - powierzchnia wymiany ciepła
T - temperatura

Konwekcja - proces przenoszenia ciepła wynikający z ruchu materii w objętości dowolnego płynu, np. powietrza, wody, piasku itp. Czasami przez konwekcję rozumie się również sam ruch materii związany z różnicami temperatur, który prowadzi do przenoszenia ciepła. Ruch ten precyzyjniej nazywa się prądem konwekcyjnym

Konwekcja jako proces przenoszenia ciepła

Konwekcja jest najwydajniejszym sposobem przekazywania ciepła, ale jednocześnie silnie zależnym od substancji i warunków w jakich zachodzi. Konwekcja w atmosferze i wodzie ma duże znaczenie w kształtowaniu klimatu i pogody na Ziemi.

Wyróżnia się:

Konwekcję swobodną - ruch cieczy lub gazu jest wywołany różnicami gęstości substancji znajdującej się w polu grawitacyjnym.

Konwekcję wymuszoną - ruch cieczy lub gazu wywoływany jest działaniem urządzeń wentylacyjnych, pomp itp.

Ilość przekazanego ciepła przez konwekcję zależy od szybkości ruchu płynu, dlatego w celu zwiększenia przekazywania ciepła w komputerach, chłodnicach samochodowych itp. stosuje się wentylatory zwiększające szybkość przepływu powietrza.

Promieniowanie cieplne (termiczne) to promieniowanie, które wytwarza ciało mające temperaturę większą od zera bezwzględnego. Promieniowanie to jest falą elektromagnetyczną o określonym widmie częstotliwości.

Promieniowanie większości ciał, z wyjątkiem rozrzedzonych gazów i barwników, jest do siebie zbliżone posiadając wiele wspólnych cech. Fizycy wprowadzili pojęcie ciało doskonale czarne którego emisja w danej temperaturze jest największa ze wszystkich ciał.

Promieniowanie tła też charakteryzuje się widmem bliskim do tego uzyskanego dla promieniowania cieplnego.

Ciepło właściwe to energia potrzebna do podniesienia temperatury jednej jednostki masy ciała o jedną jednostkę temperatury.
W układzie SI ciepło właściwie podaje się w dżulach na kilogram i kelwin (J/(kg*K)).

Ciepło właściwe (c) wprowadza się jako współczynnik proporcjonalności w prawie fizycznym mówiącym, że:Zmiana energii wewnętrznej (ΔE) ciała jest proporcjonalna do masy ciała (m) i zmiany temperatury (Δt).

Prawo to jest prawem doświadczalnym i spełnione jest z pewnym przybliżeniem oraz pod warunkiem, że ciało nie zmienia stanu skupienia lub fazy.

Ciepło molowe lub molowe ciepło właściwe to ilość ciepła (energii cieplnej) którą należy dostarczyć 1 molowi substancji aby jej temperatura wzrosła o 1 K (zmiana temperatury ΔT = 1 K = 1°C = Δt).

lub

Molowe ciepło właściwe jest w prosty sposób związane z ciepłem właściwym:

Cm = cM

1

---