Физика ответы на экзаменационные вопросы стомат. 1. Основные понятия биомеханики. Внешние и внутренние силы, напряжения и деформации. Законы упругой
 Скачать 1.47 Mb.
|
|
содержания белков в плазме. Чем больше содержание, тем больше вязкость крови. 3) От концентрации эритроцитов (аналогично) 4) От содержания газов: СО 2 повышает, а О 2 понижает вязкость. 5) От диаметра сосуда. Сказывается при размере диаметра менее 1 мм. В таких сосудах вязкость уменьшается прямо пропорционально укорочению диаметра (эффект Форруса-Линдквиста). Этот эффект связан с образованием у стенки сосуда слоя крови с пониженной концентрацией эритроцитов, т.е. пониженной вязкостью. 6) От температуры. С повышением температуры вязкость уменьшает- ся. 7) Длительная умственная работа понижает, а тяжелая физическая – повышает вязкость крови. 8) При некоторых заболеваниях (гипертония, атеросклероз) вязкость крови повышается. 9. Уравнение неразрывности (вывод). Объёмная и линейная скорость течения. Идеальная жидкость несжимаема и лишена вязкости. Объем жидкости 1 V , проходящий через поперечное сечение 1 S за время t : 1 1 1 L S V , где 1 L - длина пути, который проходит жидкость за время t Линейная скорость t L v / 1 1 – путь, проходимой частицей жид- кости в единицу времени, равен: 1 1 1 1 1 1 v S t L S t m , где 1 – плотность жидкости. Аналогично в сечении 2 S массовый расход равен 2 2 2 v S . По- скольку перенос жидкости через стенки трубки отсутствует, массовые расходы в сечениях 1 S и 2 S одинаковы, т.е. 2 2 2 1 1 1 v S v S Если жидкость несжимаема, то ρ1= ρ2 и уравнение принимает вид 2 2 1 1 v S v S Произведение v S – объемный расход или объемная скорость Q , т.е. объем жидкости, проходящей через данное сечение в единицу вре- мени т.к. Sv t SL t V Ответы на экзаменационные вопросы 31 Таким образом, между объемной и лин ейной скоростя- ми существует следующее соотношение: const Sv Q – уравнение неразрывности. Через любое сечение ст руи в единицу времени проходит одинаковый объем жидкости. Данное уравнение можно применить к рассмотрению движения крови в организме человека. Для кровообращения характерно сплошное течение и условие неразрывности струи в гемодинамике может быть сформулировано следующим образом: в любом сечении сердеч- но-сосудист ой системы объемная скорост ь кровот ока одинакова . Это значит, что объем крови, протекший в единицу вре- мени через аорту или артериальную систему, через артериолы или ка- пилляры, через вены и венулы, одинаков. Так как const Q , а S – площадь общего сечения - меняется, то линейная скорость кровотока должна меняться. Она зависит от общей ширины данного отдела сосудистого русла. Чем больше общая площадь сечения сосудов, тем меньше линейная скорость кровотока. Суммарная площадь сечения капилляров примерно в 700-800 раз больше площади поперечного сечения аорты. Поэтому линейная скорость кровотока в них в 700-800 раз меньше, чем в аорте и составляет около 1 мм/с. В аор- те в покое v = 0,5-1 м/с, а при большой физической нагрузке может со- ставлять до 20 м/с !!! Рис 15 График распределения скорости кровотока в различных сосудах v Аорта Артерия Артериола Капилляры Вены Физика стоматологический факультет 32 10. Работа и мощность сердца. Методы измерения давления крови и скорости кровотока. Сердце переводит химическую энергию АТФ в механическую ра- боту. Сокращение сердечной мышцы создает разность давлений в арте- риальной и венозной системах, благодаря чему возникает движение крови. Фаза сокращения сердца – систола, фаза расслабления – диасто- ла. При каждом сокращении правый и левой желудочки выбрасывают одинаковое количество крови, называемое систолическим объемом (ударным объемом c V ). При физической работе и эмоциях c V увеличи- вается в 2-3 раза. Объем крови, выбрасываемый сердцем в минуту, называют минут- ным объемом кровотока, который равен систолическому объему, ум- ноженному на число сердечных сокращений. От систолического объема зависит работа сердца. Работа, совер- шаемая сердцем, идет на выталкивание крови в магистральные артери- альные сосуды против сил давления и на придание крови кинетической энергии. Первый компонент работы называется статическим (потенци- альным), второй – кинетическим. Статистический компонент работы сердца вычисляется по фор- муле: cт ст ст V Р А , где ст Р – давление, под которым кровь выбрасы- вается в аорту. Кинетический компонент работы сердца рассчитывается сле- дующим образом: 2 2 2 2 v V mv А c кин , где – плотность крови (10 3 кг/м 3 ) v – скорость кровотока в аорте (0,7 м/с) В целом работа левого желудочка за одно сокращение: кин ст ж лев А А А В малом кругу кровообращения кровь встречает меньшее сопро- тивление и поэтому начальное давление в правом желудочке примерно в 5 раз меньше, чем в левом. Начальные скорости кровотока в большом и малом кругах практически раны. Поэтому работа сердца рассчитывается следующим образом: Ответы на экзаменационные вопросы 33 2 2 , 1 2 , 1 2 v V V Р А А А А c c ст ж лев ж прав ж лев сердца Средняя мощность миокарда t A N серд , где t – время одного сокращения желудочков. Методы измерения давления крови и скорости кровотока Методы измерения делят на прямые (кровавые, когда артерия непо- средственно соединяется с измерительным прибором) и непрямые (бес- кровные) методы. Метод Рива-Роччи и Короткова. У человека между плечом и локтем накладывается полая резиновая манжетка и в нее накачивается воздух до тех пор, пока в лучевой арте- рии не прекратится ток крови и не исчезнет пульс. Затем воздух из манжетки с помощью вентиля понемногу выпускают, и давление на ар- терию ослабевает. Когда давление на артерию станет равным систоли- ческому давлению, кровь начинает проталкиваться через сдавленную артерию и в ней создается турбулентный поток, сопровождаемый шу- мами. Систолическое давление по Рива-Роччи определялось пальпатор- но. Коротков описал серию звуковых явлений сопровождающих турбу- лентный поток. Систолическое давление совпадает с появлением то- ков над сосудом и регистрируется по манометру. При дальнейшем сни- жении давления в манжете просвет артерии постепенно восстанавлива- ется, течение крови становится ламинарным, и шумы исчезают. Пока- зание манометра в момент исчезновения шумов соответствует мини- мальному, т.е. диастолическому давлению. Более совершенный метод измерения давления основан на эффекте Доплера – изменение частоты волн, воспринимаемых приемниками, вследствие относительного движения источника волн и приемника. Под манжетку на поверхность тела накладывают излучатель и приемник ультразвука. На артерию направляют ультразвуковую волну. Когда дав- ление в манжетке становится меньше систолического, артерия разжима- ется, ее стенки начинают двигаться и при отражении ультразвуковой волны от движущейся стенки возникает эффект Доплера, т.е. изменение частоты ультразвука, воспринимаемого регистрирующим прибором. Давление в манжетке, когда эффект Доплера прекращается, соответст- вует диастолическому. Методы исследования скорости кровотока могут быть разделены на 4 группы: Физика стоматологический факультет 34 1. Прямое измерение, например, способ счета капель, вытекающих за определенное время из вены изучаемого органа. Но для артериаль- ного кровотока этот метод неприменим. 2. Непрямые физические методы - измерение физических эффектов, пропорциональных величине кровотока, но возникающих вследст- вие термических, электрических или механических воздействий, оказываемых на сосуды извне. 3. Измерение кровотока по количеству и концентрации переносимых кровью веществ. 4. Плетизмографические методы, т.е. методы исследования наполне- ния, части тела кровью, основанные на графической регистрации изменения объема или сопутствующих электрических явлений. 11. Предмет термодинамики. Основные понятия. Первое начало термодинамики и его применение для анализа процессов в биологических системах. Теплообмен, виды теплообмена. Уравнение теплового баланса живого орга- низма. Энерготраты организма. Калориметрия. Предмет термодинамики. Основные понятия. Термодинамика изучает закономерности превращения энергии при ее переносе в форме теплоты и работы между телами. Термодинамика рассматривает только энергетическую сторону процессов. Объект ис- следования – термодинамическая система. Термодинамическая система – часть пространства с материальным содержимым, ограниченная вооб- ражаемой оболочкой и состоящая из очень большого числа структурных единиц. Классификация термодинамических систем: 1. Открытые. Обмениваются с внешней средой энергией и веще- ством. Например, живые организмы. 2. Закрытые. Обмениваются с внешней средой только энергией. Например, планета Земля. 3. Изолированные. Не обмениваются с внешней средой ни энерги- ей, не массой. Например, газ в термостате. Для описания термодинамических систем используют параметры и величины: Внешние . Определяются внешними телами по отношению к системе. Например, объем V. Внутренние . Зависят от положения тел и взаимодействия внутренних частиц системы. Ответы на экзаменационные вопросы 35 Аддитивные (экстенсивные) . Параметры, пропорциональ- ные массе или числу частиц в системе. Например, объем, масса, энергия, энтропия, энтальпия и тд. Эти параметры характеризу- ют систему как целое. Неаддитивные (интенсивные) . Параметры не зависят от массы и числа частиц в системе. Например, давление, темпера- тура, химический потенциал. Параметры могут принимать оп- ределенные значения в каждой точке системы. Функции состояния. В данный момент характеризуют сис- тему. Например, определенная энергия, масса давление и тд. Не функции состояния . Характеризуют процесс, который происходит в системе. Например. работа, количество теплоты, теплоемкость. Свойство транзитивности термодинамического равновесия. Опыт показывает, что если система А находится в равновесии с системой В, а система В находится в равновесии с системой С, то А и С также находятся в равновесии. Нулевое начало термодинамики. Опыт показывает, что любая изолированная система с течением времени приходит в равновесие. Процесс установления термодинамического равновесия – релакса- ция. Время установления термодинамического равновесия – время ре- лаксации. a dt da физически бесконечно медленный процесс a – параметр a – изменение параметра – время релаксации Первый закон термодинамики Первый закон термодинамики устанавливает соотношение между внутренней энергией системы ( U - суммарная энергия теплового дви- жения частиц, составляющих систему), энергией переданной системе в виде тепла и совершенной работой. Экспериментально установлено, что изменение внутренней энергии U в замкнутой системе при ее перехо- де из первого состояния во второе равно A Q U U U 2 1 (1), Физика стоматологический факультет 36 где: Q - количество теплоты, сообщенное системе; A – работа, совершаемая системой [Дж]; U – изменение внутренней энергии системы [Дж] Q и A – функции процесса. Их нельзя выразить в виде двух значений какого-либо параметра в конечном и начальном состоянии. Для бесконечно малых U , Q , A : A Q dU Значения U , Q , A , A Q dU , , могут быть положительными - теплота передается системе внешними телами, внутренняя энергия увеличивает- ся, или отрицательными – теплота отнимается от системы, внутренняя энергия увеличивается. Таким образом, первое начало термодинамики гласит: При изменении состояния термодинамической системы и з- менение внутренней энергии системы определяется кол и- чеством сообщенного системе тепла за вычетом сове р- шенной системой работы Первое начало термодинамики полностью применимо к живым ор- ганизмам. Однако формула (1) не удобна для биологии, так как не отра- жает сути термодинамических процессов, происходящих в живых орга- низмах. Перепишем ее в следующем виде: U Q A Из этого уравнения следует, что работа может совершаться либо за счет изменений внутренней энергии, либо за счет сообщения системе некоторого количества тепла. Однако в живых организмах, например, в мышцах, работа не может совершаться за счет притока тепла извне, то есть живой организм не может работать как тепловая машина. Теплообмен. Виды теплообмена. Теплообмен – необратимый самопроизвольный процесс переноса теплоты, обусловленный градиентом температуры (градиент – это мера возрастания или убывания в пространстве какой-либо физической вели- чины на единицу длины). Вся тепловая энергия, которая образуется в организме человека, уходит из него. На поверхности тела теплообмен осуществляется четырьмя основ- ными способами: 1. теплопроводностью, 2. конвекцией, 3. излучением, 4. испарением. Ответы на экзаменационные вопросы 37 Теплопроводность Теплопроводность – перенос теплоты от более нагретого тела к холодному. При этом перенос энергии осуществляется в результате пе- редачи энергии при соударениях от быстродвижущихся атомов молекул (в более нагретом состоянии) медленно движущимся атомам и молеку- лам холодного тела. То есть теплопроводность – процесс передачи энергии при столкновениях на микроскопическом уровне, но без замет- ного движения вещества. Экспериментально установлено, что количе- ство теплоты т Q , которое переносится путем теплопроводности, дается выражением l Тх Tн kSt Q т где: k – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициен- том теплопроводности, и характеризующий материал, через кото- рый происходит перенос тепла; S – площадь соприкосновения тела со средой; t – время теплообмена; Тх Тн – перепад температур между нагретым и холодным телом, то есть между поверхностью тела человека и окружающей средой; l – толщина слоя, через который происходит перенос тепла. Конвекция Конвекция – это процесс, благодаря которому теплота переносится за счет перемещения большого числа молекул из одного места в другое. Различие между явлениями конвекции и теплопроводности состоит в том, что при теплопроводности молекулы перемещаются на очень ма- лые расстояния (порядка длины свободного пробега) и затем сталкива- ются, а при конвекции молекулы перемещаются на значительные рас- стояния. Различают естественную и вынужденную конвекцию. При естест- венной конвекции перемещение среды может быть вызвано имеющей- ся разностью температур в разных ее частях. Например, вблизи нагрева- теля воздух расширяется, его плотность по сравнению с другими уменьшаются, что приводит к его подъему, а холодный воздух, как бо- лее плотный и тяжелый, опускается вниз. Примером вынужденной конвекции является нагреватель с вентилятором, с помощью которого нагретый воздух вдувается в помещение, то есть в этом случае имеется внешняя сила, приводящая среду в движение. Перенос тепла при кон- векции описывается формулой Тх Тн kSt Q к Физика стоматологический факультет 38 где: k – коэффициент пропорциональности при конвекции. Он не явля- ется постоянным, а зависит от конкретных условий, в которых находит- ся организм (от особенностей действия внешней среды). Излучение Перенос тепла излучением осуществляется путем испускания ин- фракрасных лучей. Существенное отличие излучения от теплопровод- ности и конвекции заключается в том, что оно может протекать при от- сутствии материальной среды, разделяющей поверхности теплообмена, так как электромагнитное излучение распространяется и в вакууме. Для абсолютно черного тела потеря тепла на излучение находится по формуле: Тх Tн t S Q R , где: К м Вт 2 8 10 7 , 5 - постоянная Стефана-Больцмана. Как показали эксперименты, количество теплоты, излучаемое на- гретым телом (кожей человека), также приближенно можно найти по указанной формуле. Так как кожа человека практически полностью по- глощает инфракрасное излучение, и ее можно считать абсолютно чер- ным телом. |