Лекція №1
ВСТУП. ОСНОВИ БІОМЕХАНІКИ ТА БІОАКУСТИКИ
План
1. Предмет і методи біофізики, зв’язок з іншими науками. Основні розділи біофізики.
2. Основні поняття механіки поступального та обертального рухів. Рівняння руху, закони збереження.
3. Елементи біомеханіки. Опорно-руховий апарат людини. Динамічна та статична робота людини при різних видах її діяльності. Ергометрія. Методи та прилади для вимірювання біомеханічних характеристик.
4. Звукові хвилі. Ефект Допплера. Фізичні характеристики звуку.
5. Характеристика слухового відчуття. Фізичні основи слуху. Утворення голосу людини.
6. Аудіометрія. Звукові методи діагностики.
7. Ультразвук та інфразвук.
1. Предмет і методи біофізики, зв’язок з іншими науками. Основні розділи біофізики.
Біофізика − галузь науки, яка вивчає фізичні та фізико-хімічні явища зародження, формування, життєдіяльність, відтворення життя на всіх рівнях, починаючи з молекул, клітин, органів та тканин, закінчуючи організмами та біосфери в цілому.
Сучасна біофізика поділяється на кілька підрозділів.
Молекулярна біофізика вивчає фізико-хімічні властивості й функціональну роль біологічних макромолекул (біополімерів) та молекулярних комплексів (ультраструктур) живих організмів, які створюють функціональні одиниці клітин;
Біофізика клітини вивчає фізико-хімічні основи функціонування клітини, будову й основні функції біологічних мембран (поверхневої плазматичної мембрани та мембран внутрішньоклітинних органоїдів);
Біофізика органів чуття з'ясовує молекулярні фізико-хімічні механізми рецепції, вивчає процеси трансформації енергії зовнішніх стимулів у специфічні реакції нервових клітин і механізмів кодування інформації в органах чуття;
Біофізика складних систем досліджує явища та механізми системо генезу та функціонування живих організмів, проблеми регулювання й саморегулювання на клітин, органів, організмів та біоценозів і біосфери в цілому;
Теоретична і математична біофізика розглядає теоретичні основи біофізики, зокрема питання кінетики і термодинаміки, здійснює математичне моделювання біологічних процесів, структури та властивостей окремих макромолекул і субклітинних утворень (макромолекулярних комплексів).
2. Основні поняття механіки поступального та обертального рухів. Рівняння руху, закони збереження.
Поступальний рух − рух, при якому всі точки тіла або системи матеріальних точок переміщаються паралельними траекторіями.
В класичній механіці поступальний рух задовільняє рівнянню
dP/dt = F,
де P = ∑ pi − сумарний імпульс усіх тіл механічної системи, F = ∑Fi − сумарна сила.
Обертання − вид руху, при якому одна точка механічної системи, що називається центром обертання залишається непорушною.
Для замкнутої механічної системи, для якої виконується закон збереження імпульсу, будь-який рух можна розділити на поступальний рух центра інерції і обертання навколо цього центру.
При обертанні замкнутої механічної системи виконується закон збереження моменту імпульсу.
В загальному випадку незамкненої механічної системи центр обертання може не співпадати з центром інерції.
Матеріальна точка із масою m здійснює обертання навколо центру, рухаючись по коловій траекторії з радіусом R під дією сталої за абсолютною величиною сили, яка завжди направлена від точки до центру обертання. Приклад такого руху − обертання тягарця на мотузці. Траекторія точки лежить в площині, яку називають площиною обертання. Якщо v − швидкість матеріальної точки, то вона рухається з прискореннямhttp://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%B8%D1%81%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D1%8F
a = - ((v2/R2)·R).
Звідси можна знайти зв'язок між швидкістю й прикладеною силою
.
При такому обертанні миттєва швидкість матеріальної точки завжди направлена вздовж дотичної до траекторії.
Якщо розглядати матеріальну точку і в'язь, яка сполучає її з центром обертання, як єдину механічну систему, то можна ввести кутову швидкість обертання.
ω = v/R.
Кутова швидкість загалом є вектором, направленим вздовж перпендикуляра до площини обертання. Цей напрям задає вісь обертання. Рівняння руху записується через кутову швидкість у вигляді
F = -mω2R.
Енергія матеріальної точки, що рухається по колу,
E = K = mv2/2 = Iω2/2
де I = mR2 − момент інерції матеріальної точки. Сила, під дією якої точка рухається по колу направлена перпендикулярно до швидкості і не виконує роботи.
Момент інерції матеріальної точки направлений вздовж вектора кутової швидкості
M = Iω.