1.Означення інфразвуку.

2.Джерела інфразвуку.

3.Дія інфразвуку на людину.

Теоретичні відомості.

Інфразвук.

Інфразвук (від лат. infra — нижче, під) — пружні хвилі, аналогічні звуковим, але з частотами нижче рівня сприйняття людського вуха (від 0,001 Гц до 16 Гц). Цей частотний діапазон використовується в сейсмографах для визначення землетрусів. Інфразвукові хвилі характеризуються можливістю долати великі відстані та оминати об'єкти з малим поглинанням.

Джерела інфразвуку

Природні джерела

Виникає під час землетрусу, бурі, урагану та інших стихійних лих.

Штучні джерела

Техногенним джерелом інфразвуку може бути потужне обладнання, транспорт, гірничі розробки за допомогою вибухів. Забруднення інфразвуком навколишнього середовища необхідно враховувати при будівництві вітрових електростанцій. Виробничий інфразвук виникає за рахунок тих же процесів що і шум чутних частот. Найбільшу інтенсивність інфразвукових коливань створюють машини і механізми, що мають поверхні великих розмірів, що роблять низькочастотні механічні коливання (інфразвук механічного походження) чи турбулентні потоки газів і рідин (інфразвук аеродинамічного гідродинамічного походження).

З музичних інструментів інфразвук можна відтворити на орга́ні. В одному зі старовинних лондонських театрів ставили п'єсу в середині якої дія переносилась із сучасності у далеке минуле. Режисерові-постановнику не вдавалось створити необхідну таємність дії. Відомий фізик Роберт Вуд, що знаходився на репетиції, запропонував діяти на глядачів низькочастотним нечутним звуком. Наступного дня до театру привезли трубу великих розмірів та приладнали її до органу. Незадовго до спектаклю Вуд провів короткочасний дослід по впливу інфразвуку на людей. Коли він привів у дію генератор, нічого не чекавших глядачів охопила турбота, безпричинний страх, вони стали сумно переглядатися, дивитися по сторонах, а декотрі встали зі стільців і пішли до виходу. Ніякого звуку не було чути, але кришталеві підвіски старовинного канделябра затремтіли. Навіть на вулиці почалась паніка.

Розповсюдження інфразвуку

Оскільки інфразвук слабо поглинається, він розповсюджується на великі відстані та може попереджати про стихійне лихо.

Фізіологічна дія інфразвуку

Не сприймається людським вухом. Внутрішні органи людини мають власну частоту коливань в межах від 3 до 12 Гц. В лежачому положенні - 6-12 Гц, грудної клітки - 5-8 Гц, черевної порожнини - 3-4 Гц. При дії на організм даної частоти виникає резонанс, який супроводжується неприємними відчуттями і розривом органів. Інфразвук невеликої потужності діє на барабанну перетинку вуха, викликає біль. Інфразвук є основною причиною швидкої втомлюваності при роботі в цехах, шахтах, де працюють двигуни. Інфразвук частотою від 2 до 12 Гц сповільнює зорову реакцію. Люди стають неуважні, порушується робота організму, негативний вплив відбувається на слуховий і вестибулярний аналізатори, центральну нервову та серцево-судинні системи. Тривала дія інфразвуку викликає зміни клітин міокарду і судин. Великі зміни спостерігаються в судинах кори головного мозку:капіляри судин розширюються, порушується гомеостаз. При дії 16 Гц і інтенсивності 110-120 дБ відбуваються зміни ( деформації ) ядер в клітині і зміни в цитоплазмі, порушується обмін мікроелементів; порушуються функції зовнішнього дихання, функціональний стан нервової системи, біоенергетичних процесів. Біологічна дія інфразвуку пояснюється дією на паренхіму внутрішніх органів внаслідок трансформації механічної енергії в енергію біохімічних і біомембранних процесів.

.

Тема №2.

«Основні поняття біореології

та гемодинаміки»

Лекція №2

Тема: «Основи біореології та гемодинаміки».

Л-ра: Ш: 11, 13, 14, 39, 40, 41, 50, 51

М. 2.3.1 – 2.3.6, 2,1,1 – 2,1,3

ст.134 – 141 ст.116 – 124

Озн. Реологією називається розділ механіки, який вивчає текучість і деформації рідин, газів і твердих тіл. Біореологія займається дослідженням біологічних тканин.

Деформаційні властивості біологічних тканин.

Озн. Деформація – зміна об’єму або розмірів тіла. Існує 2 класифікації:

Пружні – ті, що повністю зникають після завершення дії зовнішніх сил;

Пластичні – не зникають повністю після завершення дії зовнішніх сил.

Діляться на види:

стискання, розтягнення, згиб, зсув, закручення.

Деформація розтягнення і стискання характеризується:

абсолютне видовження:

Δ ℓ = ℓ – ℓ_о (м; + -)

- відносне видовження:

έ = (б.в.; + -)

- механічна напруга – відношення модуля сили пружності до площі поперечного перерізу:

σ = (Па)

Закон Гука: для пружніх деформацій

σ = Е , Е – модуль пружності або Юнга, (Па).

Фізичний смисл Е: кількісно дорівнює σ , якщо = 1, тобто довжина тіла зростає в 2 р.

Графік – діаграма розтягнення.

σ _п– границя пропорційності,

σ_пр– границя пружності (залишкові деформації < 0,1 %),

СД –тікучість матеріалу,

σ_т– межа текучості (видовження зростає

без збільшення напруження) – плинність матеріалу,

значення σ в т.Е-межа міцності.

Деформація біологічних тканин:

М. ст.120

а) Кістки – функції підтримки та захисту м’язових тканин, 18% від m тіла.

Основні матеріали – гідроксил апатит 3Са₃ (РО)₂ · Са (ОН)₂ і колаген. Кристалики гідроксил апатиту розташовані між колагеновими волокнами.

густина – 2,4 · 10³ кг/м³(як у кремнія)

модуль пружності Е = 10¹⁰ Па(у сталі 2 · 10¹¹Па , у бетона 1,2 · 10⁸ Па)

бедренна кістка (вертик.) витримує 15000 Н

велика берцова – до 18000 Н.

б) м’язова тканина – відноситься до еластомерів – речовин з великою еластичністю. До їх складу входить сполучна тканина, що складається з волокон колагену і еластину.

Мех.властивості подібні до полімерів. Деформації в’язко-пружні, Е ~ 10⁷ Па.

Еластичність різна в спокої і активному стані, тому потрібна розминка;

σ_м - як у дерева.

в) шкіра – складається з волокон колагену і еластину, розташованих в основній матриці. Це пружній матеріал з високоекопластичними властивостями;

г) судинна тканина – механічні властивості визначаються, головним чином, властивостями гладких м’язових волокон, еластину і колагену

зовн. шар– з’єдн. тканина колаген

середн. – пружній еластин, колаген і

гладком’язова тканина

внутр. – колаген, всередині ендотелій

В артеріолах – м’язових тканин 60% об’єма, в венах - 20%, артеріоли забезпечують судинний тонус.

Будова рідин. Поверхневий натяг.

Будова: відстані трохи більше діаметра молекул, молекули весь час коливаються і перестрибують. Молекули з поверхні втягуються всередину – на поверхні -мінімальна кількість молекул – вільна поверхня скорочується – Лапласівський тиск:

Δp = ( R – радіус кривизни мениска)

Явища в рідинах:

капілярність

змочування

поверхневий натяг.

F_н = σℓ, σ– коефіцієнт поверхневого натягу – газова емболія.

В’язкість.

Озн. В’язкість – це властивість тікучих тіл виявляти опір переміщенню однієї їх частини відносно іншої за рахунок сил міжмолекулярної взаємодії, а також коефіцієнт в законі Ньютона.

Існує 2 види течії:

Ламінарна – рідина рухається без перемішування шарів, максимальна швидкість посередині :

v = 0

Турбулентна – в рідині виникають завихрення, що супроводжуються звуком.

Ламінарна переходить у турбулентну при деякій швидкості.

Число Рейнольдса:

R_с = , ή- в’язкість,d – діаметр.

R_с < 2300 – ламінарна,

R_с > 2300 – турбулентна.

В дузі аорти на піку систоли R_с = 6000, тобто короткочасно може бути турбулентність, але, в основному, плин крові ламінарний.

Закон Ньютона: при ламінарній течії сила внутрішнього тертя пропорційна площі дотику шарів S, різниці їх швидкостей Δυ і обернено пропорційна відстані між ними ℓ:

F = ,

ή - коефіцієнт в’язкості або в’язкість.

Ф.с.: дорівнює силі тертя між шарами площею S = 1 м², що рухаються на відстані 1 м з відносною швидкістю 1 м/с. Чим більше ή, тим більше тертя.

Одиниці:

в СЈ: - Па · с

в СГС: 1 Пуаз - 1 Пз

1 Па · с = 10 Пз

для води при 20^оС - ή= 0,01 Пз = 1с Пз, цитоплазма - 2 – 50с Пз, кров - 4 – 5с Пз, у чоловіків в’язкість крові ή= (4,3 -5,3) ·сПз, у жінок ή= (3,9- 4,9 ) сПз.

При пневмонії, бронхіальній астмі, гіпертонічних хворобах, перитоніті тощо - ή↑, при туберкульозі, анемії - ή↓.

Озн. Ньютонівські рідини – це такі, у яких в’язкість залежить від природи рідини і t^о (вода, сеча, низькомолекулярні органічні рідини),

неньютонівські ή - залежить від υ, тиску, режиму течії (кров, нафта, суспензії).

Закони для Ньютонівських рідин.

Озн. Рух рідини називається стаціонарним, якщо швидкість руху всіх її частинок не змінюється з часом.

Рівняння неперервності (нерозривності струменя): через будь-який переріз за рівні проміжки часу проходять, однакові об’єми:

V₁ = V₂

S₁υ₁Δt = S₂υ₂Δt

↓

S₁υ₁ = S₂υ₂:

чим тонша труба, тим швидкість більша.

Озн. Об’ємна швидкість рідини – це об’єм рідини, який проходить через деякий поперечний переріз труби за 1с: Q.

Q = Sυ, υ – лінійна шв., S – площа п.п.

Закон Пуазейля: об'єм рідини, що протікає через поперечний переріз за 1с:

Q = ^{-перепад тисків на кінцях труби}

Осн. рівняння динаміки рідин Q = , W = - гідравлічний опір

Прилади для вимірювання в’язкості застосовуються віскозиметри (с-р).

Рівняння Бернуллі:

Р₁ + ρgh₁ + = Р₂ + ρgh₂ +

Р – статичний тиск

ρgh – гідростатичний тиск

– динамічний тиск.

При h₁ = h₂: Р + = const., тобто у місцях звуження, де

υ більше, там р менше.

Може утворитись аневризма – розширення ділянки судини; при пошкодженні судини може відбутись всмоктування повітря - газова емболія.

Система кровообігу людини.

Кров – неньютонівська рідина.

В стані спокою із еритроцитів утворюються монетні стовпчики або агрегати. Ці структури створюють неправильну просторову реш1тку – це гель (тверде тіло).

Озн. Ударний об'єм крові – це об'єм, який виштовхується в уже заповнену аорту або легеневий стовбур при скороченні лівого та правого шлуночків:

V = 60 – 70 мл.

Озн. Фаза скорочення м’яза серця – систола, розслаблення – діастола. В систолу кров вштовхується в аорту, в діастолу – аорта, скорочуючись, проштовхує кров далі.

Озн. Систолічний тиск – це максимальний тиск і аорті після подання в неї ударного об’єму крові:

СТ = 120 мм рт. ст.

Діастолічний тиск – тиск в аорті, перед вштовхуванням ударного об’єму:

ДТ = 80 мм рт. ст.

120/80 – артеріальний тиск.

Метод Короткова (1905 р.). На плече надівають манжетку, нагнітають повітря до стискання аорти, плин крові припиняється. Краном повільно випускають повітря з манжети. Коли тиск досягає систолічного – кров починає пробиватись через аорту і виникає складне явище – флаттер (сумісні автоколивання стінок і потоку крові), що викликає звук, який фіксується фонендоскопом.

При досягненні діастолічного тиску автоколивання припиняються.

Сфігмотонометр – з мембранним манометром;

сфігмоманометр – з ртутним манометром.

Озн. Пульсова хвиля – це розповсюдження вздовж артерій коливань тиску, які виникають в аорті після викидання в неї ударного об’єму крові.

υ = , h – товща стінок сосудів,

d – їх внутрішній діаметр,

ρ – густина крові,

Е – модуль пружності.

З віком Е зростає, а швидкість зменшується, за швидкістю можна встановити Е.

Швидкість пульсової хвилі 6-12 м/с, в 20-40 разів більше швидкості кровоплину (0,3 - 0,5 м/с). Так, пульсова хвиля досягає стопи за 0,2 с., а частинки крові за цей час дойдуть до кінця аорти.

Цікаво:

У людини 100 – 160 млрд. капілярів, їх загальна довжина 60-80 тис. км.

При підсиленій роботі ударний об'єм 200 мл (стакан).

У спокої серце перекачує 6 л крові за 1 хвилину, за 1 рік – 3 млн. л (1400 автоцистерн), за життя 150 – 250 тис.т крові.

При бігі – за 1 хвилину 35 - 40 л – 3 – 4 відра.

В’язкість крові (доповнення).

Коли кров плине, то чим більше швидкість, тим стовпчики сильніше руйнуються, в’язкість зменшується, кров наближається до ньютонівсько1 рідини.

Самий малий переріз судинної системи – в ділянці аорти, самий великий – в області капілярів.

У тоненьких судинах d ≈ d капіл. Еритроцити збираються ближче до вісі потока, а біля стінок тече плазма, в’язкість якої менша, крім того зменшується тертя між агрегатами – в артеріолах в’язкість крові зменшується - ⅔η в аорті.

В капілярах з d ≈ 5 мкм еритроцити згинаються і проштовхуються, в’язкість як би зростає в 10 – 100 р. забезпечується гарний контакт з стінками капіляра.

Лабораторна робота №2.

Тема: «Одержання діаграм розтягу та стиснення біологічних тканин»

Мета роботи: Одержання діаграм розтягу та стиснення біологічних тканин. Дослідження в’язко-пружних властивостей біологічних тканин.

Обладнання: штатив, волосина, динамометр, мікрометр, лінійка.

пропорційна модулю відносного поздовження;

б) ділянка АВ -закон Гука вже не виконується;

в) ділянка ВС – текучість матеріалу;

1. Для ряду зразків (колаген, волосина, кістка, шкіра ) при збільшенні деформацій жорсткість при розтягненні зменшується, тобто модуль Юнга зменшується. Межа пружніх деформацій порядка 5%, після чого матеріал починає «текти» без помітного збільшення напруження у зразку (а).

2. Для інших (еластин, м’яз, стінка судини) жорсткість при розтягненні різко збільшується, а Е зростає, такий характер зміни спостерігається аж до руйнації зразка. Руйнування може відбутись при видовженні зразка більше ніж в два рази ( для еластину), або на 15 – 20% (для судин). Зона текучості на таких діаграмах проявляється слабо (б).

Діаграми деформацій, отримані в діапазоні фізіологічних змін довжин, як правило, нелінійні. За браком часу визначіть модуль Юнга для одного зі значень відносної деформації за формулою:

Е = σ/ε = 4Fl/𝜋d²(l – l₀) (1)

Межа міцності σ_max визначається величиною максимального напруження, при якому відбувається руйнування матеріалу.

Практичні завдання.

1.Закріпіть в лапці штатива волосину.

2.Нанесіть на волосину дві позначки на певній відстані (наприклад, l₀ = 4 см).

3.Розтягніть волосину з певною силою за допомогою динамометра, вимірюючи одночасно силу F.

4.Виміряйте при цьому значенні сили відстань між позначками l.

5.Виміряйте діаметр d волосини мікрометром.

6.За формулою (1) визначіть модуль Юнга.

7.Побудуйте діаграму розтягнень, вимірявши кілька разів необхідні параметри.

8.Розтягуючи волосину динамометром, спостерігайте текучість волосини , виміряйте максимальну силу, за якої відбувається розрив волосини.

9.Визначіть σ_max за формулою:

σ_max = F_max/S.

Контрольні запитання.

1.Дайте означення деформації, які ви знаєте види деформацій?

2.Що таке механічна напруга? абсолютна і відносна деформації?

3.Сформулюйте закон Гука.

4.Що характеризує модуль Юнга?

5.У яких границях діаграми розтягу діє закон Гука?

6.Назвіть пружні біологічні матеріали.

7.Задача. Стегнова кістка собаки має довжину 25см і переріз 3см². Визначіть силу пружності при стисканні кістки на 0,5мм, якщо модуль Юнга дорівнює

2 ∙ 10¹⁰ Па.(12кН)

8.Задача. За стосувавши попередні дані, визначіть роботу, що виконується пристисканні стегнової кістки собаки (робота буде дорівнювати зміні потенціальної єнергії кістки, що знаходиться за формулою ΔW = E∙S∙(Δl)²/2l ). (3Дж)

Лабораторна робота №3.