- •Одесский национальный медицинский университет
- •Глава 1. Механика вращательного движения Вопросы
- •Содержание темы
- •1.1. Кинематика вращательного движения
- •Динамика вращательного движения.
- •Центрифугирование.
- •Задания для самоконтроля знаний.
- •Глава 2. Основы биомеханики. Вопросы.
- •Содержание темы.
- •2.1. Рычаги и сочленения в опорно-двигательном аппарате человека.
- •2.2. Виды сокращения мышц. Основные физические характеристики мышц.
- •2.3. Принципы двигательной регуляции у человека.
- •Задания для самоконтроля знаний.
- •Раздел 2. Биоакустика
- •Глава 3. Механические колебания Вопросы
- •Содержание темы
- •3.1. Колебательное движение
- •3.2. Гармонические колебания
- •3.3. Сравнительная характеристика различных видов колебаний.
- •3.3.1. Затухающие колебания.
- •3.3.2. Автоколебания
- •3.3.3. Вынужденные колебания
- •3.3.4. Дифференциальные уравнения колебаний
- •3.3.5. Сложное колебание. Гармонический спектр сложного колебания
- •3.4. Колебательные процессы в живом организме и методы их исследования
- •3.4.1. Околосуточные ритмы
- •3.4.2. Околочасовые ритмы
- •3.4.3. Собственные колебания различных органов человека
- •Задания для самоконтроля знаний
- •Глава 4. Механические волны.
- •4.2. Основные величины, характеризующие волновой процесс. Энергетические параметры волны.
- •Единица измерения потока энергии волны в системе си – ватт (Вт).
- •4.3. Уравнение и график плоской волны.
- •4.4. Эффект Доплера.
- •Глава 5. Акустика. Вопросы
- •5.1. Основные понятия акустики.
- •5.2. Физические (объективные) характеристики звука.
- •5.3. Характеристики слухового ощущения (субъективные характеристики звука).
- •5.4. Звуковые методы исследования в медицине.
- •5.5. Ультразвук и инфразвук.
- •5.5.1. Биофизика ультразвука (уз).
- •5.5.2. Применения ультразвука в медицине. Ультразвуковая диагностика.
- •Ультразвуковая терапия.
- •Ультразвуковая хирургия.
- •5.5.3. Новые направления лечебного использования ультразвука.
- •5.5.4. Биофизика инфразвука.
- •Задания для самоконтроля знаний.
- •Экзаменационные вопросы по разделу «биомеханика» курса медицинской и биологической физики и медаппаратуры
Единица измерения потока энергии волны в системе си – ватт (Вт).
Плотность потока энергии волны или интенсивность волны – это поток энергии, переносимый через единицу площади поверхности, перпендикулярную направлению распространения волны.
, или, в векторном виде, (4.6)
Эта величина называется вектором Умова; направление вектора I совпадает с направлением распространения волны. Единица измерения интенсивности в системе СИ – ватт на квадратный метр (Вт/м2).
4.3. Уравнение и график плоской волны.
В общем случае процесс распространения волны в среде описывается дифференциальным уравнением второго порядка в частных производных – т.н. волновым уравнением. Данное уравнение устанавливает в дифференциальной форме зависимость между смещением s точки, ее координатой x и временем t при условии, что волны распространяются вдоль оси OX без затухания так, что амплитуды колебаний всех точек одинаковы и равны А.
Одномерное волновое уравнение имеет вид:
(4.7),
где V – скорость распространения волны.
Решение этого дифференциального уравнения позволяет получить зависимость, называемую уравнением плоской волны, смещения s колеблющейся точки, участвующей в волновом процессе, от координаты ее равновесного положения x и времени t, т.е. s=f(x,t)
(4.8)
График волны внешне похож на график гармонического колебания, но по существу они различны. График колебания представляет зависимость смещения данной частицыот времени, т.е.s=f(t)приx=const.
График волны представляет зависимость смещения всех частицсреды от расстояния до источника колебаний вданный моментвремени т.е. s=f(x)приt=const.Он является как бы «моментальной фотографией» волны.
4.4. Эффект Доплера.
Эффектом Доплера называется изменение частоты колебания (или длины волны), воспринимаемой наблюдателем, при движении источника колебаний и наблюдателя друг относительно друга. Допустим, наблюдатель движется по направлению к источнику, испускающему импульсы (волны) с постоянной частотой . Однако благодаря сложению направленных навстречу друг другу скоростей испущенных волн Vи и наблюдателя Vн, с точки зрения этого наблюдателя соседние волны будут разделены меньшим промежутком времени. Поэтому ему будет казаться, что волны имеют большую частоту (или меньшую длину волны), чем в действительности. И наоборот, если наблюдатель будет удаляться от источника волн, то частота с точки зрения наблюдателя будет меньше, а длина волны – больше. Запишем общую формулу для величины воспринимаемой частоты :
(4.9)
В этой формуле верхние знаки относятся к случаю сближения источника и наблюдателя, и нижние – к случаю их взаимного удаления.
Применительно к звуковым частотам эффект Доплера хорошо заметен для человеческого восприятия: звук сирены быстро приближающегося автомобиля или локомотива кажется нам более высоким (высокочастотным), когда же источник звука проследовал мимо нас и начал удаляться, звук кажется нам заметно более басовым, низким (низкочастотным).
Эффект Доплера используется для определения скорости движения тела в среде, в том числе в медицинских исследованиях – например, для определения скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография), других органов, скорости кровотока. Если источник ультразвука излучает волны с частотой и в неподвижную среду, в которой со скоростью V0 движется исследуемый объект, то этим объектом (как наблюдателем) частота этих волн воспринимается измененной вследствие эффекта Доплера. Затем волна отражается объектом в направлении неподвижного приемника, который также воспринимает уже другую частоту – таким образом, получается разница частот, называемая доплеровским сдвигом частоты
(4.10)
где V – скорость движения ультразвука в данной среде. В исследованиях, проводимых в медицине, эта скорость значительно выше скорости движения исследуемых объектов, что позволяет использовать следующую формулу:
(4.11)
Аналогичным образом этот метод можно применять для обнаружения движения грудной клетки зародыша, дистанционного контроля за сердцебиением плода. Следует заметить, что эффект Доплера лежит в основе метода обнаружения с помощью радара превышения скорости автомобилями (в этом случае используются радиоволны, а не механические волны). Эффект Доплера характерен для волн любой природы.