биофизика

1.Физика – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения. Изучение физики связано с изучением форм и законов движения тел, так как движение представляет собой форму существования материи. Перед физикой стоят следующие задачи: 1. исследовать явления природы и найти законы, которым они подчиняются; 2. установить причинно – следственные связи между вновь открытыми явлениями и явлениями, изученными ранее; 3. применить полученные знания для дальнейшего активного воздействия на природу. Физические методы исследования: 1) наблюдение – изучение явлений в естественной, природной обстановке. Научное наблюдение представляет далеко не простую задачу, так как требует умения совместно сгруппировать ряд родственных явлений, отметив их характерные черты сходства и различия, выяснения факторов, от которых зависит изучаемое явление, и установления влияния каждого фактора в отдельности при сохранении неизменными всех остальных; 2) эксперимент – изучение явления путем его воспроизведения в искусственной, лабораторной обстановке. Эксперимент имеет ряд преимуществ перед наблюдением. Он экономит время, ускоряя возможность изучения явления, так как ученый не ждет, пока это явление произойдет в природе, а искусственно создает его в нужный момент в лаборатории. Эксперимент очень часто расширяет диапазон изучения явлений. Например, в природе происходит колебание температур в очень небольшом интервале, в лаборатории же можно создать температуры очень высокие и очень низкие, приближающиеся к абсолютному нулю. Эксперимент позволяет производить исследования при помощи сложных стационарных приборов, то есть производить их значительно точнее, чем в природных условиях. Эксперимент позволяет: 1)изолировать исследуемый объект от влияния побочных, несущественных и затемняющих его сущность явлений и изучать его в «чистом» виде; 2)многократно воспроизводить ход процесса в строго фиксированных, поддающихся контролю и учету условиях; 3)планомерно измерять, варьировать, комбинировать различные условия в целях получения искомого результата. Анализ экспериментальных данных и приводит к установлению физических законов. Именно таким путем был открыт известный закон Ома. 3) создание гипотез – научных предположений, выдвигаемых для объяснения явления. Известны примеры, когда новые физические закономерности были сначала предсказаны теоретически и лишь затем обнаружены экспериментально. К числу таких открытий относится знаменитое соотношение Эйнштейна, связывающее массу и энергию частиц. И в этих случаях эксперимент в физике играет решающую роль. Физическими законами становятся лишь те теоретические предсказания, которые подтверждаются экспериментом. ^ Объектом изучения физики являются наиболее простые свойства и структура материи. Ученые – физики при проведении экспериментов могут применять мощные физические воздействия и теоретически изучать их, используя методы упрощения систем. Фундаментальные физические законы лежат в основе фундаментальных химических и биологических закономерностей. Биофизика выделилась в отдельную науку, так как ее объект - живой организм - не допускает ни произвольных гипотез, ни жестких очисток, ни мощных воздействий. Достаточно по примеру физики сделать хотя бы одно допущение, например, что лекарство абсолютно не токсично в любых дозах, - и будут решены почти все проблемы медицины, патология исчезнет, но погибнет и живой организм. ^ Цель биофизики – познание закономерностей процессов в живом организме, поэтому есть отличие в применяемых методах, что относит биофизику к разделу биологических наук. Биофизика изучает: физические явления – биотоки, ток крови, движения животных, диффузию различных веществ в живом организме, то есть биологические формы движения материи; физические свойства живых тканей – электропроводность, оптическую плотность, поверхностное натяжение, теплоемкость и т.д., дающие возможность расшифровать особенности биологических структур; первичные физико-химические процессы, происходящие в тканях, клетках. Таким образом, биофизика – наука о наиболее простых и фундаментальных взаимодействиях, лежащих в основе биологических явлений.

В ходе последующего развития биофизика подразделилась на теоретическую биофизику, предметом изучения которой являются общие законы, управляющие физико-химическими превращениями в живых тканях, и прикладную биофизику, задачей которой является практическое использование биофизических закономерностей в различных специальных областях знаний.

7. Законы Ньютона играют исключительную роль в механике и являются обобщением результатов огромного человеческого опыта. Первый закон Ньютона: существуют системы отсчета, относительно которых тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние. Стремление тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью. Из опыта известно, что при одинаковых воздействиях различные тела неодинаково изменяют скорость своего движения, то есть приобретают различные ускорения. Таким образом, ускорение тела зависит не только от величины воздействия, но и от свойств тела. ^ Масса тела – физическая величина, определяющая его инертные и гравитационные свойства. Основная единица измерения массы в СИ – кг. , где ρ – плотность вещества – масса единицы объема. Сила – это векторная физическая величина, являющаяся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение или деформируется. Основная единица измерения силы в СИ – Н. ^ Второй закон Ньютона: ускорение тела прямо пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе тела: .

Если на тело действует несколько сил, то во втором законе Ньютона под понимают равнодействующую силу. ^ Третий закон Ньютона: тела действуют друг на друга с силами, равными по величине и противоположными по направлению. Силы, о которых говорится в третьем законе Ньютона, приложены к разным телам и являются силами одной природы. Иллюстрацией третьего закона Ньютона является движение рыб и пиявок, которые в процессе движения отталкивают воду назад, а сами движутся вперед. Плывущая пиявка отгоняет воду назад волнообразными движениями тела, а рыба - взмахами хвоста.

4Механическим движением называется любое изменение взаимного положения материальных тел или их частей, происходящее в пространстве с течением времени. ^ Поступательным называется движение твердого тела, при котором любая прямая, связанная с телом, перемещается параллельно самой себе. Механикой называется раздел физики, в котором изучается механическое движение; например, перемещение транспортных средств, деталей машин, а так же органов человека и животных. Биомеханикой называют раздел биофизики, в котором рассматривают механические свойства тканей и органов, а также механические явления, происходящие в живых организмах в процессе их жизнедеятельности. Материальная точка – это тело, размерами и формой которого в пределах данной задачи можно пренебречь. Дело здесь не в абсолютных размерах тела, а в отношении его размеров к расстояниям, характерным для данной задачи. Перемещение тела в пространстве можно рассматривать только относительно другого тела, которое мы принимаем за неподвижное (абсолютно неподвижных тел в природе не существует). Такое тело называют телом отсчета, и с ним совмещают начало системы координат. Наблюдение за положением тела в разные моменты времени производят с помощью часов. Тело отсчета, координатные оси и часы образуют систему отсчета.

Рисунок 1.2 - Путь и перемещение материальной точки на плоскости в системе координат XY. Линию, по которой движется материальная точка, называют траекторией. Расстояние, пройденное точкой по траектории, есть путь S, а отрезок, соединяющий начальную и конечную точки траектории, называют перемещением . Определить положение тела в любой момент времени можно, зная уравнение движения или в случае прямолинейного движения по уравнению .

8. Импульсом тела называется векторная физическая величина, численно равная произведению массы тела на его скорость. . Основной единицей импульса тела в СИ является .

^ Закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы тел остается неизменным при любых движениях и взаимодействиях тел системы. Реактивное движение происходит по закону сохранения импульса. Некоторые животные передвигаются по принципу реактивного движения, например кальмары, осьминоги, каракатицы. Морской моллюск-гребешок, резко сжимая створки раковины, рывками может двигаться вперед за счет реактивной силы струи воды, выброшенной из раковины. Приблизительно так же передвигаются и некоторые другие моллюски. Личинки стрекоз набирают воду в заднюю кишку, а затем выбрасывают ее и прыгают вперед за счет силы отдачи. Так как в этих случаях толчки отделены друг от друга значительными промежутками времени, то большая скорость движения не достигается.

10.Мерой инертности тела при вращении является физическая величина, называемая моментом инерции тела относительно оси. ^ Момент инерции материальной точки с массой , находящейся на расстоянии R от центра вращения, численно равен произведению массы МТ на квадрат расстояния: .Основной единицей измерение момента импульса в СИ является - . Для вычисления момента инерции какого – либо тела его разделяют на множество достаточно малых по массе элементов, каждый из которых может быть представлен как материальная точка. Для каждого элемента вычисляют момент инерции и затем находят их сумму

Тонкий стержень длиной
Тонкостенное кольцо (обруч) со средним радиусом
Диск (цилиндр) радиуса
Шар радиуса

Момент инерции тел, имеющих сложное несимметричное строение, определяют экспериментально. При решении задач для определения момента инерции тела относительно оси, не проходящей через центр масс, используют теорему Штейнера: момент инерции тела I относительно некоторой оси равен сумме момента инерции тела I₀ относительно параллельной оси, проходящей через центр масс тела, и произведения массы тела на квадрат расстояния между осями d.

11. Вращательное движение имеет место в локомоторном аппарате живых существ, ноги и крылья которых совершают вращательные движения, хотя и поворачиваются на небольшие углы. Моменты инерции конечностей в первом приближении можно вычислить по формуле момента инерции стержня: . Особенностью движения конечностей является то, что в конце каждого акта движения их надо остановить, а затем направить в обратную сторону. При этом необходимо сначала отнять у конечности кинетическую энергию, а затем вновь сообщить ей энергию при движении в обратную сторону. При остановке кинетическая энергия конечности переходит в энергию упругой деформации мышцы и рассеивается в виде тепла : . Чем больше момент инерции конечности, тем больше энергии ей требуется сообщить, а момент инерции тем больше, чем больше расстояние от соответствующего участка конечности до оси вращения. Поэтому для уменьшения необходимой для движения кинетической энергии выгоднее, чтобы обладающая значительной массой мускулатура была расположена не по всей длине конечности, а ближе к бедру или плечу. У млекопитающих, способных к быстрому бегу, много мышечной ткани находится в проксимальных (ближних) частях конечностей и мало – в дистальных (дальних) частях.

12.^ Моментом силы относительно оси вращения называется векторная величина, численно равная произведению силы на длину перпендикуляра, опущенного из центра вращения на направление силы, называемого плечом силы. . Основной единицей измерения момента силы в СИ является – . Направление этого вектора определяется по правилу буравчика. Таким образом, угловое ускорение прямо пропорционально моменту силы, действующей на тело и обратно пропорционально моменту инерции – второй закон Ньютона для вращательного движения: .

15. Это выражение называется уравнением Бернулли.

Рассмотрим вспаханное поле, которое можно представить как систему чередующихся борозд и валов. Пусть ветер дует перпендикулярно к направлению борозд. При этом приземной слой представляет собой трубку тока переменного сечения, ограниченную снизу поверхностью земли, а сверху – ближайшей горизонтальной поверхностью, образованной невозмущенными линиями тока. Из уравнения неразрывности струи и уравнения Бернулли следует, что давление воздуха над бороздами больше, чем над валами, поскольку . Поэтому в поверхностном слое почвы возникает движение почвенного воздуха, которое направлено от оснований борозд к вершинам валов. В результате этого обеспечивается аэрация (газообмен между почвой и атмосферой). Аэрация обогащает почвенный воздух кислородом, а приземный воздух – углекислотой, создавая тем самым благоприятные условия для развития растений. При сильном ветре скорость воздуха в почве становится настолько интенсивной, что может вызвать размельчение почвенных частиц. Таким образом, создается мелкокомковая структура почвы.

20.Для того чтобы звуковая волна создала ощущение звука, необходимо, чтобы сила звука превышала некоторую минимальную величину. Порогом слышимости называется наименьшая сила звука данной частоты, которая еще воспринимается ухом. Значение порога слышимости различно для разных частот. Наиболее чувствительно человеческое ухо для колебаний с частотами в пределах 1-3 кГц. Для этих частот порог слышимости у наиболее чувствительного уха имеет величину порядка . Ощущение громкости не поддается точному количественному измерению. Однако оценку интенсивности слухового ощущения можно произвести на основе психофизического закона Вебера – Фехнера, согласно которому изменение интенсивности ощущения пропорционально логарифму отношения энергий раздражителей, вызывающих эти ощущения. В применении к звуку закон Вебера – Фехнера позволяет дать определение силы звукового ощущения как величины, пропорциональной логарифму отношения силы звука к силе звука той же частоты на пороге слышимости. Уровень интенсивности звука определяется соотношением: ,где k- коэффициент пропорциональности, зависящий от единиц измерения. Если k=1, то единицей измерения уровня интенсивности звука является бел. Так же используются единицы, в 10 раз меньшие, называемые децибелами, тогда . Порог слухового ощущения соответствует уровню интенсивности звука 0 дБ. Уровень громкости, соответствующий разговорной речи, примерно равен 60 дБ. Это означает, что при этом сила звука в 10⁶ раз превышает пороговую. Уличный шум соответствует уровню громкости 70-80 дБ, резкий крик – 110 дБ. Следует еще раз отметить, что уровень громкости только дает возможность сравнения двух звуков по их громкости и не дает возможности точной количественной оценки самой громкости, которая, к тому же, связана с субъективными ощущениями человека. Так, например, один и тот же уровень громкости в 30 дБ, хорошо ощущаемый нормальным ухом, может оказаться ниже порога слышимости для тугоухого человека. Порог слышимости зависит от утомления уха внешними раздражителями, от патологических изменений уха и т.п.

17.С физической точки зрения кровеносная система – это совокупность последовательного и параллельного соединения труб разной длины и разного радиуса: аорта, артерии, артериолы, капилляры, венулы и вены. По формуле Пуазейля объем жидкости, протекшей через горизонтальный капилляр, равен где r, l – радиус и длина капилляра, η – коэффициент динамической вязкости жидкости, Δр – падение давления на концах капилляра, t – время протекания жидкости через капилляр.

Перепишем это уравнение в виде . Из этого уравнения следует, что через трубу в единицу времени протекает тем больше жидкости, чем меньше ее вязкость и больше радиус трубы. Введем обозначения - объем жидкости, протекающий через трубу в единицу времени, и - гидравлическое сопротивление. Получим, - падение давления вдоль отдельной трубы при фиксированном объеме протекающей жидкости зависит от гидравлического сопротивления. В кровеносной системе падение давления вдоль кровотока будет зависеть от гидравлического сопротивления разветвления У здорового человека физиологические механизмы способствуют равномерному распределению крови по организму. Однако при патологии гидростатическое давление может способствовать застою крови в венах нижних конечностей. Поэтому при кровотечении из конечностей рекомендуется располагать их как можно выше. Изменение распределения крови в организме при перегрузках может оказать существенное влияние на функционирование органов, поэтому важно, чтобы в этих условиях тело человека располагалось определенным образом. Движение крови по кровеносной системе происходит за счет работы сердца как механического жидкостного насоса. Этот насос работает в пульсовом режиме, что создавало бы в кровеносной системе резко пульсирующее во времени давление. Но этого не происходит из-за сглаживающего влияния упругих стенок артерий, состоящих из эластина – растягивающегося на 200%, мышечных волокон – на 50%, коллагена – на 20%. В момент максимального давления стенки артерий растягиваются. Энергия сокращения сердца при систоле в значительной части переходит в потенциальную энергию упругой деформации – растяжения стенок артерий. Расширение вмещает часть крови и «сглаживает» максимальное давление при систоле. При диастоле давление со стороны сердца уменьшается, но упругие стенки артерий сокращаются, их потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию движения крови, расширяя следующий участок сосуда. По сосуду распространяется волна повышенного давления с его деформацией. Расширение и сокращение стенок артерий сглаживают большие неравномерности давления, создаваемые сокращением сердца, обеспечивают более равномерное течение крови по сосудам и способствует более экономному расходу энергии на продвижение крови.

32.Если проводнику сообщить электрический заряд, то под действием кулоновских сил отталкивания он распределится по поверхности проводника так, что у концов проводника возникают заряды противоположного знака, называемые индуцированными зарядами. Явление разделения зарядов в нейтральном проводнике, помещенном в электрическое поле, называется электростатической индукцией. Проводник обладает следующим свойством. Отношение заряда, сообщенного проводнику, к потенциалу, который приобретает этот проводник, есть величина постоянная: . Величина «С» называется электрической емкостью проводника. В системе СИ единицей измерения емкости является фарад. В общем случае емкость зависит от размера и формы проводника, а также от расположения окружающих предметов. Диэлектрики ведут себя в электрическом поле иначе, чем проводники. В диэлектриках ни положительные, ни отрицательные электрические заряды не могут перемещаться свободно. Они способны лишь незначительно сдвигаться относительно друг друга. Этот процесс называется поляризацией.

Если сблизить два проводника, например, металлические пластины, настолько, что электрическое поле будет сосредоточено только между ними, то емкость такого устройства, называемого конденсатором, уже не будет зависеть от окружающих предметов. Величина, измеряемая отношением заряда одной из пластин конденсатора к разности потенциалов между ними, называется электроемкостью конденсатора: . Электроемкость плоского конденсатора определяется по формуле: , где - электрическая постоянная, S – площадь поверхности пластин, d – расстояние между ними.

Конденсаторы можно соединять друг с другом. При параллельном соединении емкость батареи конденсаторов определится по формуле: , а при последовательном: .

26. Первое начало термодинамики: теплота, подведенная к системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение ею работы против внешних сил: . Второе начало термодинамики имеет несколько формулировок, которые можно свести к следующей: в изолированных системах энтропия не может уменьшаться ни при каких процессах или для любых процессов - уравнение Клаузиуса (закон неубывания энтропии). Организм животных и человека также является энергетической системой, в которой энергия, освобождающаяся при окислении веществ, принятых в форме пищи, превращается в различные другие виды энергии, необходимые для жизнедеятельности организма. При этом они способны сохранять стационарное состояние, когда прирост энтропии в системе равен нулю: , то есть живые организмы имеют тенденцию сопротивляться установлению термодинамического равновесия со средой. Например, температура человеческого тела остается постоянной в достаточно большом интервале температур окружающей среды. Более того, жизнь создает и добавочную упорядоченность, проявляющуюся в определенном строении живых организмов. Следовательно, жизнь – это наименее вероятное состояние материи и сама по себе она не может существовать длительное время. Это состояние поддерживается за счет поступления энергии за поступления энергии извне (главным образом, от Солнца). Изменения энтропии открытой системы складывается из изменения энтропии и за счет процессов, протекающих внутри самой системы () и за счет процессов обмена энергией и веществом с окружающей средой . Скорость поступления в организм химических продуктов, необходимых для поддержания жизнедеятельности организма, равна скорости выделения из него продуктов метаболизма и тепловой энергии. ^ Формула Пригожина: , где - скорость изменения энтропии внутри организма и - скорость изменения энтропии между организмом и внешней средой. Таким образом, стационарное состояние живого организма, характеризуемое постоянным уровнем энтропии (), осуществляется путем потребления организмом пищевых продуктов и осуществления за счет этого процессов выведения из организма деструктурированных продуктов метаболизма и непосредственной отдачи тепла во внешнюю среду. То есть - при обычном состоянии организма скорость изменения энтропии за счет внутренних процессов равна скорости изменения отрицательной энтропии за счет обмена вещества и энергией с окружающей средой. Иными словами, для поддержания в равновесии такой упорядоченной системы, как живой организм, требуется добавочное

разупорядочение материи в другой системе. При энергообмене, например, происходит расщепление глюкозы до и , которое характеризуется возрастанием энтропии. При некоторых патологических состояниях энтропия биологической системы может возрастать, это связано с отсутствием стационарности, увеличением неупорядоченности. После гибели живого организма происходит распад высокомолекулярных соединений и энтропия увеличивается.

31.Вне тела млекопитающего можно обнаружить наличие электростатического поля. Электростатическое поле тела млекопитающего обусловлено главным образом зарядами, возникающими на поверхности тела вследствие трения волосяного покрова о какие-либо диэлектрические предметы; у людей – трение кожи об одежду. Подобные заряды называют трибозарядами. Обычно трибозаряды создают на отдельных участках поверхности тела электрический потенциал порядка нескольких вольт. Накопившиеся заряды периодически стекают с поверхности кожи на незаряженные участки кожи, на окружающие незаряженные предметы, на землю. Стеканию трибозарядов способствует увлажнение поверхности кожных и волосяных покровов, влажный воздух, мокрый пол в помещении, наличие металлических предметов. Процессы стекания трибозарядов и их накопления носят периодический характер с периодом 100-1000 с. Таким образом, электростатическое поле организма, обусловленное трибозарядами, не является постоянным.