Биофизика тканей и скелета человека 3 Биофизика дыхания 15
жүктеу/скачать 2.95 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Биофизика тканей и скелета человека
СодержаниеВведение 2 Биофизика тканей и скелета человека 3 Биофизика дыхания 15 Биофизика слухового аппарата 30 Заключение 34 Список использованных источников 35 ВведениеИзучая разные естественные науки, можно задуматься о взаимосвязи этих наук с главным творением природы – человеком. Но самым интересным является то, как физика способна обогатить наши знания о нас самих. Биофизика — это наука, изучающая физические и физико-химические процессы, протекающие в биологических системах на разных уровнях организации и являющиеся основой физиологических явлений. Возникновение и развитие биофизики произошло вследствие прогресса в физических исследованиях: существенный вклад в развитие этой науки вносят математика, химия и биология1. Целью проектной работы является создание буклета о биофизике человека. Для достижение данной цели были поставлены следующие задачи: -рассмотреть некоторые физические процессы, протекающие в человеческом организме и установить межпредметные связи между физикой и биологией; - выяснить, каким образом можно использовать полученные данные разных наук; - создать буклет о биофизике человека. Биофизика тканей и скелета человекаКаркасом тела служит скелет, состоящий приблизительно из 200 костей, большинство из которых (исключение составляют кости черепа и таза) соединено между собой таким образом, что при движении относительное расположение их может изменяться. Кости приводятся в движение скелетными мышцами, каждая из которых прикрепляется к двум различным костям. При возбуждении мышцы ее длина уменьшается и угол между соответствующими костями скелета изменяется. На рис. 1 показаны условия одной из простейших задач биомеханики-задачи, касающейся удержания рукой груза. По известным длинам костей плеча и предплечья и величине груза необходимо найти силу, развиваемую мышцей. Рис. 1. Решение задачи об удержании рукой груза Р (М — сила, развиваемая бицепсом) Если бы перед инженером-механиком поставили задачу сконструировать скелет человека, то он наверняка сразу потребовал бы объяснения, для чего нужна каждая косточка. Действительно, форма, размеры и внутренняя структура кости должны определяться ее функцией в скелете. Как же работают наши кости? Как и любые строительные элементы, кости нашего скелета работают в основном на сжатие и растяжение или на изгиб. Эти два режима работы предъявляют к костям как элементам скелета далеко не одинаковые требования. Каждому ясно, что спичку или соломинку довольно трудно разорвать, растягивая их вдоль оси, и очень легко сломать, изогнув их. Во многих случаях, как в инженерных конструкциях, так и в скелетах животных, желательно сочетание прочности с легкостью. Как добиться максимальной прочности конструкции при заданной ее массе и известной прочности материала? Эта задача довольно проста, если элемент конструкции должен работать либо на продольное растяжение, либо только на сжатие. Пусть, например, надо подвесить некоторый груз на тросе определенной длины. Прочность троса будет равна прочности его самого тонкого участка, поэтому его вес будет наименьшим при одинаковой площади сечения по всей длине. Форма этого сечения не играет роли, так как прочность на разрыв пропорциональна площади поперечного сечения троса. Если элемент конструкции работает также на изгиб (см., например, локтевую кость на рис. 1), то задача поиска максимальной прочности при заданной массе становится более сложной. Предположим, что горизонтальная балка заданной длины должна поддерживать определенный груз (рис 2). В этом случае сопротивление балки изгибу очень сильно зависит от формы ее поперечного сечения. Мы рассмотрим несколько простых профилей этого сечения и попробуем выяснить, при каком из них балка, способная выдержать заданный груз, может иметь наименьший вес. Рис 2. Поиск оптимальной конструкции балки, сопротивляющейся силе F Как показано на рис 2, а, балка изгибается под действием силы так, что ее верхние слои сжимаются, а нижние растягиваются. При этом в середине балки существует слой (а точнее поверхность), длина которого не изменяется при изгибе балки. Этот нейтральный слой на рис 2а отмечен штриховой линией. Материал, находящийся в этом слое, не работает (т. е. не деформируется), а лишь утяжеляет балку. Поэтому часть материала около этого нейтрального слоя можно удалить без большого ущерба для прочности балки, работающей в таких условиях. Вот мы и нашли одно из решений задачи минимизации массы конструкции при сохранении заданной прочности (рис.2,б). Это решение, однако, приемлемо только для балок с прямоугольным сечением. Кости же скелета имеют, как правило, круглое (или почти круглое) сечение. Для них, очевидно, из этих же соображений, оптимальной конструкцией будет кость с частично отсутствующей «сердцевиной», так как цилиндрический слой около оси кости не претерпевает существенных деформаций при ее изгибе и только увеличивает массу (рис.2,в). Естественно, что и Природа в процессе эволюции использовала такой способ уменьшения массы человека и животных при сохранении прочности их скелета. Посчитаем, достаточно ли прочны наши кости. В табл. 2 приведены значения критических напряжений, при которых нарушается целостность различных материалов, испытанных на сжатие и растяжение. Как это не удивительно, но кость по своей прочности уступает только твердым сортам стали и оказывается гораздо прочнее ставших образцами прочности гранита и бетона. Чем же объясняется такая высокая прочность костного материала? Таблица 2. Механические характеристики различных материалов
Кость - композиционный материал и состоит из двух совершенно различных компонентов - коллагена и минерального вещества. Известным примером композиционного материала служит стеклопластик, представляющий собой смесь стеклянных волокон и смолы. Коллаген, входящий в состав кости, - это один из главных компонентов соединительной ткани (из него в основном состоят все наши сухожилия). Большая часть второго, минерального компонента кости - соли кальция. Атомы кальция составляют 22% общего количества атомов в кости. Следует отметить, что в остальных тканях тела (мышцах, мозге, крови и т. д.) количество атомов кальция близко к 2-3%. Так как кальций - самый тяжелый из химических элементов, содержащихся в нашем организме в больших количествах, то преимущественная локализация его в костях делает их ясно видимыми при исследовании с помощью рентгеновских лучей. Это явление активно используется в медицине для получения рентгеновских снимков костей. Можно легко удалить любой из главных компонентов кости, практически не изменяя ее формы. Если, например, подержать достаточно долго кость в 5 %-ном растворе уксусной кислоты, то весь неорганический компонент (в том числе и соли кальция) в ней растворится. Оставшаяся кость, состоящая в основном из коллагена, станет эластичной, как резиновый жгут, и ее можно будет свернуть в кольцо. Наоборот, если сжечь кость, то весь коллаген сгорит, а неорганический компонент останется. Причиной высокой прочности кости является ее композиционная природа. Многие обычные (некомпозиционные) материалы, обладая большой твердостью, очень хрупки. Каждый видел, как ломается стекло. От места, где по стеклу ударили, разбегаются трещины, которые и раскалывают лист. Если трещины не успевают образоваться, как это происходит при ударе пули, то лист стекла остается целым, за исключением области, куда был нанесен удар. Таким образом, прочность многих материалов была бы гораздо выше, если бы их структура препятствовала возникновению и распространению трещин. Наличие в кости коллагена, обладающего высокой эластичностью, служит преградой для распространения в ней трещин. В то же время твердость кости обеспечивается кристаллами минерального вещества, отложившимися на поверхности коллагеновых нитей. Кость издавна использовали для изготовления самых различных инструментов. Причиной такого широкого применения кости является ее устойчивость к внешним воздействиям. Однако в живом организме кость удивительно изменчива — ведь это живая ткань нашего организма. В течение всей жизни старые костные клетки отмирают, а новые приходят им на смену. Особенно хорошо это заметно в течение первых тридцати лет жизни, когда происходит рост костей нашего скелета. Известно, что кость растет там, где на нее действует нагрузка, и рассасывается там, где ее нет. Наблюдения показали, что пациенты, находящиеся все время в постели без движения, теряют около 0,5 г кальция в день, что говорит об уменьшении массы их костей. В первых космических полетах в условиях невесомости космонавты теряли до 3 г кальция в день, и поэтому многие специалисты сомневались в возможности длительных космических полетов. Однако в дальнейшем были разработаны специальные программы физических тренировок, создающие необходимую нагрузку на костную ткань, которые привели к значительному уменьшению потерь кальция в условиях невесомости. Каким образом кость может изменять свою форму и массу в зависимости от величины действующей нагрузки? Важную роль в этой цепи саморегуляции играют изменения электрического поля в костной ткани. Известно, что кость обладает пьезоэлектрическими свойствами, и поэтому ее деформация сопровождается возникновением электрического поля. При этом растягиваемая поверхность кости всегда заряжается положительно по отношению к сжимаемой. Если кость работает на изгиб, как это изображено на рис.3, то вогнутая ее поверхность заряжается отрицательно, а выпуклая - положительно. Данные клинических наблюдений указывают на то, что при длительных деформациях, аналогичных той, которая изображена на рис.3, кость способна изменять свою форму, «достраивая» костную ткань в вогнутых участках и разрушая в выпуклых. В результате кость выпрямляется. Рис. 3. Электрические заряды, возникающие на поверхности кости при ее деформации Сопоставление этих данных с упомянутыми выше результатами электроизмерений привело к гипотезе о влиянии электрического поля на процесс новообразования костной ткани. Эта гипотеза была проверена сначала в экспериментах на животных. Оказалось, что при длительном (несколько месяцев) пропускании электрического тока через кость масса костного вещества увеличивается вблизи отрицательного электрода. Необходимая для этого напряженность поля близка к той, которая возникает при естественных деформациях кости. Действие электрического поля на рост костной ткани можно объяснить следующим образом. Известно, что в процессе образования кости сначала появляются новые коллагеновые нити, которые потом обрастают кристаллами минерального вещества. Было показано, что ориентация коллагеновых нитей и их слипание может ускоряться в электрическом поле; при этом слипшиеся под действием внешнего поля нити ориентируются перпендикулярно к его силовым линиям вблизи отрицательного электрода. Процесс слипания и ориентация коллагеновых нитей становятся заметными уже через 5 минут после включения электрического поля при токах, сравнимых с теми, которые были обнаружены в деформированной кости. Поэтому очевидно, что электрическое поле, возникающее при деформации кости вследствие пьезоэффекта, способно ориентировать образующиеся коллагеновые нити и вызывать рост костной ткани. С 1971 г. в некоторых клиниках стали успешно применять электрическое поле для лечения костных переломов у людей. Так как этот метод связан с вживлением под кожу специальных электродов (рис. 4), его применяют только в тех случаях, когда обычное лечение (с фиксацией) не дает положительного эффекта в течение нескольких лет. Результаты электролечения превзошли все ожидания. У 84% больных пропускание постоянного тока (10-20 мкА) через 3 месяца приводило к интенсивному срастанию кости в месте перелома. Рис.4.Электролечение переломов костей Прекрасной иллюстрацией прочности костей человека может служить популярный сейчас вид спортивных упражнений - карате. Изображение каратеиста, разбивающего крепкие бруски дерева или бетона, обошло страницы многих журналов. Тем не менее тому, кто видит это впервые, кажется, что это мистификация. Однако даже новичок в карате после недолгой тренировки сможет легко разбить голой рукой сначала один брусок дерева, а потом и целую их стопку. Приемы японского стиля карате, который сейчас практикуется, были разработаны на острове Окинава. Завоевав остров и XVII веке, японцы отобрали у местных жителей все виды оружия, запретили его производство и импорт. Чтобы защитить себя, окинавцы разработали систему приемов борьбы с помощью пустой (кара) руки (те). Методы карате значительно отличаются от приемов западных видов самообороны без оружия. Западный боксер передает большой импульс всей массе своего противника, сбивая его с ног, тогда как каратеист концентрирует свой удар на очень малом участке тела и старается завершить его на глубине не более 1 см, не делая при этом длинных махов руками. Поэтому удар каратеиста легко может разрушать ткани и кости противника, на которые он направлен. Хорошо натренированный каратеист может в течение нескольких миллисекунд передавать в ударе мощность в несколько киловатт. Возникает вопрос, как может голая рука разбивать такие прочные предметы, как дубовые или бетонные бруски, не ломаясь сама? Чем больше брусок, тем труднее его разорвать. Чем эластичнее материал бруска, тем труднее его разорвать, так как большая энергия тратится на его растяжение. Как правило, в своих показательных выступлениях каратеисты используют бетонные кирпичи размером 0,4х0,2х0,05 м. Для таких брусков энергия, необходимая для разрыва бруска0,55 Дж. Скорость движущейся руки каратеиста составляет приблизительно 12м/с, а ее масса-0,7 кг. Решим простую задачу. Энергия, переданная рукой каратиста, равна кинетической энергии руки. жүктеу/скачать 2.95 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|