Биофизика тканей и скелета человека 3 Биофизика дыхания 15



бет2/6
Дата19.08.2023
өлшемі2.95 Mb.
#476127
түріРеферат
1   2   3   4   5   6
Проект Биофизика человека

W=m*v²/2=0,7*12²/2=50,4Дж.
Эта энергия много больше той, которая необходима для разрыва бруска. Таким образом, рука ка­ратеиста обладает достаточным запасом энергии, чтобы разрушить брусок из бетона.
То, что рука каратеиста не ломается при ударе о бетонный брусок, частично объясняется гораздо большей прочностью ко­сти по сравнению с бетоном. Высокоскоростная киносъемка ку­лака каратеиста в момент удара показала, что его замедле­ние при соприкосновении с бруском составляет примерно-4000 м/с2 за 0,5 с. Рассчитаем силу, действующую на кулак, во время этого замедления.
Силу можно определить по второму закону Ньютона: F=ma
Ускорение найдем по формуле: a=(v-v0) / t
Получаем: а= (0-4000 м/с) 0,5 с=8000 м/с²
F=0,7кг*8000 м/с²=5600Н
Ес­ли весь кулак в момент удара заменить костью длиной 6 см и диаметром 2 см, фиксированной в двух крайних точках, а удар о брусок моделировать силой, действующей на ее сере­дину, то в таких условиях кость может выдержать 25000 Н. Это приблизительно в 4 раза больше, чем сила, действующая на кулак каратеиста при разламывании бетонных брусков.
Однако возможности у руки каратеиста противостоять таким ударам еще больше, так как в отличие от бетонного бруска она не под­держивается по краям и удар не приходится точно в середину. Кроме того, между костью и бруском бетона всегда находится эластичная ткань, амортизирующая удар.
Многие из тех движений, которые мы совер­шаем, бывают периодическими. К ним относятся ходьба, бег, катание на лыжах, коньках, приседания и т. д. Во время этих движений различные части тела движутся неравномерно.
Например, при беге или ходьбе каждая из ног попеременно уменьшает свою скорость до нуля, соприкасаясь с землей и тормозя при этом перемещение тела (рис. 5, а).



Рис. 5. Направление силы (обозначено стрелкой), действующей со стороны бегуна на землю, в различные фазы бега: а- фаза торможения, б- равномер­ное движение; в- фаза ускорения
В последующем та же нога, отталкиваясь от земли, ускоряет это переме­щение (рис. 5, в). Для того чтобы заставить автомобиль дви­гаться подобным образом, нам нужно было бы с частотой около 1Гц нажимать то на акселератор, то на тормоз. Есте­ственно, что расход горючего при таком импульсном характере движения резко возрастает, так как часть кинетической энергии автомобиля при торможении переходит в тепло.
Неужели бег человека и животных так же неэкономичен, как движение этого гипотетического автомобиля? Конечно, нет. Были проведены эксперименты, в которых ис­пытуемый бежал по специальной тензометрической платформе, позволяющей регистрировать все составляющие сил, действую­щих на него. Из этих данных и одновременной киносъемки бегa можно было оценить энергетические затраты бегуна, пред­полагая, что потери кинетической энергии, происходящие в фазе торможения, полностью переходят в тепло. С другой стороны, истинные энергетические затраты можно было вычислить, измеряя скорость потребления бегуном кисло­рода, так как известно, сколько энергии выделяется в организ­ме при потреблении 1 г кислорода.
Когда получили обе эти оценки, оказалось, что истинные энергетические затраты во время бега в 2-3 раза меньше тех, которые были вычислены по результатам тензометрических измерений. Таким образом, предположение, что вся кинетическая энергия в фазе торможе­ния полностью переходит в тепло, несправедливо. Часть этой энергии в течение отрезка времени а- б (см.рис.5) хранится в эластичных тканях ног в виде потенциальной энергии их де­формации и переходит опять в кинетическую в фазе в, подобно тому, как это происходит при отскакивании резинового мяча от стены. Тканями, которые играют роль своеобразных пружин и могут запасать механическую энергию, являются мышцы конеч­ностей и сухожилия, соединяющие их с костями.
Сухожилия и большей степени, чем мышцы, годятся для хранения потен­циальной энергии, так как силы внутреннего трения в них очень малы, и около 90% этой энергии может быть обратно преобразовано в кинетическую энергию. Кроме того, сухожилия обладают большей жесткостью, чем мышцы, и могут быть растянуты на 6% своей исходной длины без заметного повре­ждения, в то время как мышцы — только на 3%. Все эти свой­ства сухожилий делают их основными запасниками механиче­ской энергии во время бега и других циклических движений.
Каждый может сам легко убедиться, что механическая энер­гия действительно запасается в наших ногах, как в пружинах. Для этого попробуйте приседать, сильно сгибая колени. Вы сразу заметите, что подниматься гораздо легче, если выпря­млять ноги сразу, чем если задерживаться на секунду и более в положении с согнутыми ногами. Это можно объяснить тем, что при сгибании колен часть мышц напряжена, контролируя движение вниз, и их сухожилия растянуты. Если перед подъемом сухожилиям не дать возможность укоротиться, запасенная в них потенциальная энергия перейдет в кинетическую. Если же позволить им укоротиться еще до подъема, то эта энергия перейдет в тепло.
Такие же опыты были поставлены на испы­туемых, у которых измеряли потребление кислорода. Их заста­вляли в одном случае приседать и распрямляться сразу после полного сгибания колен, а в другом - после полуторасекундной задержки. Результаты подтвердили субъективное впечатление: в первом случае испытуемый потреблял кислород на 22% меньше.
В скелете человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами. Например, кости конечностей, нижняя челюсть, череп (точка опоры – первый позвонок), фаланги пальцев.
Рычажные механизмы скелета обычно рассчитаны на выигрыш в скорости при потере в силе.
Рассмотрим условие равновесия рычага на примере черепа (рис. 6а.). Ось вращения рычага О проходит через сочленение черепа с первым позвонком. Спереди от точки опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы R, позади – сила F тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости.



Рис. 6. Другим примером работы рычага является действие свода стопы на полупальцы (рис.6б). Опорой О рычага, через которую проходит ось вращении, служат головки плюсневых костей.




Достарыңызбен бөлісу:
1   2   3   4   5   6




©dereksiz.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет