ФИЗИКА. Вопросы по дисциплине Общая физики и биофизика
 Скачать 1.38 Mb.
|
|
Вопросы по дисциплине «Общая физики и биофизика» 1. Что такое биомеханика, сила и момент силы. Биомеханика — это наука, изучающая движения живых существ. Происхождение этого понятия исходит из Греции: bios (жизнь) и mexane (механизм). Сила — это мера механического действия одного тела на другое. Численно она определяется произведением массы тела на его ускорение, вызванное данной силой: Измерение силы, так же, как и массы, основано на втором закон! Ньютона. Сила, приложенная к данному телу, вызывает его ускорение Источником силы служит другое тело; следовательно, взаимодействуют два тела. Таким образом, имеется «действие» второго тела на первое и «противодействие» первого тела, приложенное ко второму; поскольку действие и противодействие приложены к разным телам их нельзя складывать, заменять равнодействующей. Момент силы — это мера вращающего действия силы на тело; он определяется произведением модуля силы на ее плечо: Момент силы считают положительным, когда сила вызывает поворот тела против часовой стрелки, и отрицательным при повороте тела по часовой стрелке (со стороны наблюдателя). 2. Дайте определение рычага. Что такое рычаг первого рода и где он встречается в организме. Рычаг – простейший механизм, представляющий собой перекладину, вращающуюся вокруг точки опоры. Рычаг первого рода – это точка опоры, которая располагается между точками приложения сил, а сами силы направлены в одну сторону. В организме встречается как крепление черепа к позвоночнику. 3. Что такое рычаг второго рода и где он встречается в организме. Движения конечностей происходят преимущественно по закону рычагов II рода – рычагов, у которых силы, приложенные к ним, расположены по одну сторону от точки опоры или оси вращения и направлены в разные стороны. Эти рычаги имеют две разновидности в зависимости от того, какая сила (сила тяжести или мышечная) будет расположена ближе к точке опоры (оси вращения). Если сила тяжести находится ближе к точке опоры и плечо ее рычага меньше плеча рычага мышечной силы, то такой рычаг II рода называется «рычагом силы». Если мышечная сила расположена ближе к точке опоры и плечо ее рычага меньше, чем плечо рычага силы тяжести, то такой рычаг II рода называется «рычагом скорости». Движение стопы во время подъема на носки — пример движения по закону «рычага силы». В этом движении точкой опоры служат головки плюсневых костей, сила тяжести тела проходит через тазобедренные суставы, кости бедра, голени, и давит вниз, а мышцы задней поверхности голени противодействуют силе тяжести и стремятся удержать тело в состоянии равновесия при его положении стоя на носках. Рычажными механизмами в скелете человека являются почти все кости, имеющие некоторую свободу движения: кости конечностей, нижняя челюсть, череп (точка опоры – первый позвонок), фаланги пальцев. 4. Что такое рычаг третьего рода и где он встречается в организме. При изучении физиологии человека существуют три различных типа рычагов, называемых рычагами первого класса, второго класса или третьего класса. В теле не очень много рычагов первого класса, но у него есть несколько типов второго класса. Наиболее часто встречающиеся рычаги в организме человека — это рычаги третьего класса. Важно понимать биологию человека и то, как работает каждый из различных рычагов, поскольку такая информация оказалась полезной для выявления пороков развития и тех рычагов, которые не функционируют должным образом. Среди специалистов, которые должны глубоко знать анатомию человека и, в частности, как работают рычаги, есть врачи и физиотерапевты, которые часто работают над восстановлением поврежденных рычагов в организме человека. Тренеры и спортсмены также изучают системы организма человека, чтобы понять, как он работает, чтобы избежать травм в будущем. Рычаг может быть определен как часть тела, которая вращается вокруг определенной точки, чтобы позволить этой части тела вращаться и двигаться наиболее эффективно. Одним из примеров различных типов рычагов в организме человека являются те, которые поддерживают тяжелый вес, например, голова. В этой форме, идентифицируемой как первый класс или тип, ось рычага расположена между его точкой сопротивления и его силой. Он также наиболее близок к естественной точке сопротивления. Второй из трех типов рычагов в организме человека характеризуется как сопротивление, которое находится между осью и точкой силы. Один из таких примеров этого типа включает в себя подушечку стопы, которая помогает поднять тело, позволяя выполнять такие действия, как бег или ходьба. С этим типом рычага, большой вес может быть перемещен с приложением очень маленькой силы. Рычаги класса три в организме человека встречаются гораздо чаще, чем любой другой тип. Примером такого рода может быть рука, которая использует локоть в качестве точки поворота. Рычаги третьего класса в теле человека — это те, где сила, необходимая для выхода, находится дальше от оси, чем сила, используемая для ввода. Люди, которые изучают морфологию человека, обнаружили, что рычаги третьего класса наиболее полезны для увеличения скорости, связанной с использованием различных частей тела третьего класса. 5. Что такое деформация. Виды и способы деформации. Деформацией (от лат. deformatio искажение) называют любое изменение размеров и формы тела. Деформации бывают разных видов: растяжения, сжатия, сдвига, изгиба, кручения. Все перечисленные виды деформации возможны в твердых телах. В жидкостях и газах возможны только деформации объемного сжатия и растяжения, т. к. эти среды не обладают упругостью формы, а только объема (как известно, жидкость принимает форму сосуда, в котором находится, а газ занимает весь предоставленный ему объем). Деформация называется упругой, если она возникает и исчезает одновременно с внешним воздействием. Деформация, которая не исчезает после прекращения внешнего воздействия, называется пластической. 6. Что такое упругость, прочность и твердость материала. Сила, возникающая в теле в результате его деформации и стремящаяся вернуть тело в исходное положение, называется силой упругости. Сила упругости возникает и при растяжении (например, если подвесить гирю на нить), и при изгибе, и при других видах деформации. Прочность твёрдых тел, в широком смысле — свойство твёрдых тел сопротивляться разрушению (разделению на части), а также необратимому изменению формы (пластической деформации) под действием внешних нагрузок. В узком смысле — сопротивление разрушению. В зависимости от материала, вида напряжённого состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др.) и условий эксплуатации (температура, время действия нагрузки и др.) в технике приняты различные меры П. (предел текучести, временное сопротивление, предел усталости и др.). Разрушение твёрдого тела — сложный процесс, зависящий от перечисленных и многих др. факторов, поэтому технические меры П. — условные величины и не могут считаться исчерпывающими характеристиками. Твердость — это способность материала сопротивляться вдавливанию в него другого, более твердого тела: режущего инструмента, бойков молота, штампа и т. п. Твердость характеризует возможность обработки металла на станках, в штампах, ручным инструментом. Определяется она несколькими способами. 7. Закон Гука для упругой деформации. Модуль Юнга. Зако́н Гу́ка — утверждение, согласно которому деформация, возникающая в упругом теле (пружине, стержне, консоли, балке и т. д.), пропорциональна приложенной к этому телу силе. Открыт в 1660 году английским учёным Робертом Гуком. Закон Гука выполняется только при малых деформациях. При превышении предела пропорциональности связь между силой и деформацией становится нелинейной. Для многих сред закон Гука неприменим даже при малых деформациях. Сила упругости – это сила, возникающая в теле в результате его деформации и стремящаяся вернуть тело в исходное положение. Деформация – изменение формы или размеров тела, происходящее из-за неодинакового смещения различных частей одного и того же тела в результате воздействия другого тела. Виды деформаций: сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг, кручение. Сила упругости – сила, возникающая при деформации любых тел, а также при сжатии жидкостей и газов. Она противодействует изменению формы тел. Мы можем наблюдать несколько видов деформаций: сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг, кручение. При деформации растяжения межмолекулярные расстояния увеличиваются. Такую деформацию испытывают струны в музыкальных инструментах, различные нити, тросы, буксирные тросы. При деформации сжатия межмолекулярные расстояния уменьшаются. Под такой деформацией находятся стены, фундаменты сооружений и зданий. При деформации изгиба происходят неординарные изменения, одни межмолекулярные слои увеличиваются, а другие уменьшаются. Такие деформации испытывают перекрытия в зданиях и мостах. При кручении – происходят повороты одних молекулярных слоёв относительно других. Эту деформацию испытывают: валы, витки цилиндрических пружин, столярный бур, свёрла по металлу, валы при бурении нефтяных скважин. Деформация среза тоже является разновидностью деформации сдвига. Роберт Гук установил, что при малых деформациях растяжения или сжатия тела абсолютное удлинение тела прямо пропорционально деформирующей силе. F упр = k ·Δℓ = k · Iℓ−ℓ0I закон Гука. k− коэффициент пропорциональности, жёсткость тела. ℓ0 - начальная длина. ℓ - конечная длина после деформации. Δℓ = I ℓ−ℓ₀ I- абсолютное удлинение пружины. - единица измерения жёсткости в системе СИ. Модуль Юнга (модуль упругости) — физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению/сжатию при упругой деформации. Назван в честь английского физика XIX века Томаса Юнга. В динамических задачах механики модуль Юнга рассматривается в более общем смысле — как функционал среды и процесса. В Международной системе единиц (СИ) измеряется в ньютонах на метр в квадрате или в паскалях. Модуль Юнга рассчитывается следующим образом: где: E — модуль упругости, F — сила, S — площадь поверхности, по которой распределено действие силы, l — длина деформируемого стержня, x — модуль изменения длины стержня в результате упругой деформации (измеренного в тех же единицах, что и длина l). Через модуль Юнга вычисляется скорость распространения продольной волны в тонком стержне: где — плотность вещества. 8. Механические свойства различных биологических тканей. Роль коллагена и эластина. Отличия в значении модуля Юнга. Под механическими свойствами биологических тканей понимают две их разновидности. Одна связана с процессами биологической подвижности: сокращение мышц животных, рост клеток, движение хромосом в клетках при их делении и др. Эти процессы обусловлены химическими процессами и энергетически обеспечиваются АТФ, их природа рассматривается в курсе биохимии. Условно указанную группу называют активными механическими свойствами биологических систем. Другая разновидность — пассивные механические свойства биологических тел. Рассмотрим этот вопрос применительно к биологическим тканям. Как технический объект биологическая ткань — композиционный материал, он образован объемным сочетанием химически разнородных компонентов. Механические свойства биологической ткани отличаются от механических свойств каждого компонента, взятого в отдельности. Методы определения механических свойств биологических тканей аналогичны методам определения этих свойств у технических материалов. Эластин — белок межклеточного матрикса, являющийся неотъемлемой составляющей соединительной ткани человека, который присутствует в эпидермисе, стенках кровеносных сосудов, костно-суставных соединениях, хрящах, связках, мышечных фасциях и оболочке внутренних органов. Наряду с другими белками (коллагеном) эластин формирует трехмерную сеть белковых волокон, обуславливая прочность ткани. Модуль Юнга является очень ценным свойством материи и используется для характеристики жесткости материала. Модуль Юнга — это отношение давления на объект (напряжение) к деформации объекта. Поскольку деформация безразмерна, единицы измерения модуля Юнга равны единицам давления, что составляет ньютон на квадратный метр. Для некоторых материалов модуль Юнга постоянен в некотором диапазоне напряжений. Эти материалы подчиняются закону Гука и, как говорят, являются линейными материалами. Материалы, которые не имеют постоянного модуля Юнга, известны как нелинейные материалы. Необходимо четко понимать, что модуль Юнга является свойством материала, а не объекта. Различные объекты, сделанные из одного и того же материала, будут иметь одинаковый модуль Юнга. Модуль Юнга назван в честь физика Томаса Янга. Модуль Юнга также может быть определен как давление, необходимое для удельного напряжения материала. Хотя единицами модуля Юнга являются Паскаль, он широко не используется. Большие единицы, такие как Mega Pascal или Giga Pascal, являются полезными единицами. 9. Чем обусловлена вязкость жидкости? Что называют динамической вязкостью (вязкостью) жидкости? Вя́зкость (вну́треннее тре́ние) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В результате макроскопическая работа, затрачиваемая на это перемещение, рассеивается в виде тепла. Твёрдые тела (стекло, металлы, полупроводники, диэлектрики, ферромагнетики) также могут обладать вязкостью, но внутреннее трение в твёрдых телах в силу специфики явления обычно рассматривается отдельно в теории упругости и пластичности. Вязкость чаще всего зависит от давления, температуры. Вязкость жидкостей в общем случае с повышением давления незначительно увеличивается, а с повышением температуры уменьшается. Механизм внутреннего трения в жидкостях и газах заключается в том, что движущиеся молекулы переносят импульс из одного слоя в другой, что приводит к выравниванию скоростей — это описывается введением силы трения. Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно. Динамическая вязкость η (η= „Eta“) — это единица измерения вязкости или вязкотекучести жидкости (жидкость: жидкая, текучая субстанция). Чем выше значение параметра вязкость, тем более тягучая (вязкая) жидкость; чем меньше вязкость, тем он более жидкий (текучий). 10. Запишите уравнение Ньютона для силы внутреннего трения в жидкости? Вязкостью называется способность жидкости оказывать сопротивление сдвигающим усилиям. Это свойство жидкости проявляется лишь при ее движении. 11. Какие жидкости называют ньютоновскими и неньютоновскими? Приведите примеры. Ньютоновские жидкости – в этих жидкостях вязкость не зависит от градиента скорости. Они подчиняются уравнению Ньютона (вода, водные растворы, низкомолекулярные органические соединения - этиловый спирт, ацетон). Когда коэффициент вязкости вещества определяется его природой и температурой, и не имеет зависимости от условий его течения, то такое вещество вправе считаться ньютоновским. Примером таковых жидкостей могут служить вода, масло, глицерин, бензин. Это жидкости с постоянной вязкостью. Неньютоновские жидкости – это жидкости, для которых вязкость зависит от режима течения и градиента скорости. Это высокомолекулярные органические соединения, суспензии, эмульсии. Неньютоновские жидкости наделены свойством переменной вязкости, и соответственно, переменной зависимостью скорости сдвига и напряжения сдвига. Значительная группа природных жидкостей, таковых как вода, водные растворы, нефть и нефтепродукты, считаются ньютоновскими жидкостями. 12. Какое течение жидкости называется ламинарным? Какое движение жидкости называется турбулентным? Ламинарное (слоистое) течение – это такое течение, при котором слои жидкости текут, не перемешиваясь, скользя друг относительно друга. Ламинарное течение является стационарным, т. е. скорость течения в каждой точке пространства остается постоянной. Турбулентное (вихревое) течение – это такое течение, при котором скорости частиц жидкости в каждой точке беспорядочно меняются. Турбулентное течение — это хаотическое, крайне нерегулярное, неупорядоченное течение жидкости. Элементы жидкости совершают движение по сложным неупорядоченным траекториям, что приводит к перемешиванию слоев и образованию местных завихрений. Турбулентное течение связано с дополнительной затратой энергии при движении жидкости: часть энергии расходуется на беспорядочное движение, направление которого отличается от основного направления потока. Понятия ламинарности и турбулентности применимы как к течению жидкости по трубам, так и к обтеканию ею различных тел. В обоих случаях характер течения зависит от скорости течения, свойств жидкости и характерного линейного размера трубы или обтекаемого тела. 13. Дайте определение силы поверхностного натяжения. По какой формуле определяется сила поверхностного натяжения? Сила поверхностного натяжения- сила, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно линии, ограничивающей эту поверхность, и стремится сократить её до минимума. 14. Дайте определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Единица поверхностного натяжения в СИ? Коэффициент поверхностного натяжения — это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и численно равна отношению поверхностной энергии к площади свободной поверхности жидкости. В СИ он измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м2) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м2). 15. Что представляет собой звук? Укажите физические характеристики звука. Звук - упругие колебания и волны, распространяющиеся в газообразных, жидких и твердых веществах; в узком смысле - явление, субъективно воспринимаемое органами слуха человека и животных. В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Однако с возрастом верхняя граница этого диапазона уменьшается. |