Суставы

Механические параметры человека определение. Элективный курс "физика человека". в артериях

Введение …………………………………………………………… .

I. Физика человека

1.1. Простые механизмы в организме человека …………………

1.2. Деформации в организме человека…………………………..

1.3. Система кровообращения человека………………………….

1.4. Диффузия в организме человека……………………………..

1.5. Приспособление человека к различной температуре……….

1.6. Влажность воздуха и ее роль в организме человека………..

1.7. Закон сохранения и превращения энергии в организме человека ……………………………………………………….

1.8. Электрические явления в организме человека……………...

1.9. Колебания в организме человека…………………………….

1.10. Электромагнитные излучения в организме человека………

II. Исследовательская часть

Заключение …………………………………………………………

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Изучая курс физики, мы, по большей части, рассматриваем неживую природу, а о живой природе говорим вскользь. Но, вместе с тем, живая природа так уникальна и в ней действуют все законы механики, электростатики, оптики, акустики, термодинамики и ядерной физики.

Вот пчела села на цветок и нечаянно задела тычинку, пыльник которой ударил ее по спинке и просыпалась пыльца. Биолог усмотрит в этом примере процесс опыления растения, физик же обратит внимание на характер движения пчелы, издаваемый ею звук, действие рычага – тычинки и свободное падение пыльцы.

А что уже говорить об организме самого человека! Тут столько физический явлений, такое поле деятельности!

Вот хор исполняет песню. Музыкант сразу же обратит внимание на ноты, издаваемые певцами, высоту голосов, громкость и стройность исполнения песни. Физик же узреет в этом колебательное движение голосовых связок, распространение звуковых волн в среде и их интерференцию, а также колебание барабанной перепонки в ухе слушателя.

В своей работе я как раз и хотела рассмотреть организм человека глазами физика, а также изучить, насколько это возможно в рамках школьной физической лаборатории, себя. Моя работа помимо физики будет тесно связана с рядом школьных предметов: биологией, химией, физкультурой и музыкой.

I. ФИЗИКА ЧЕЛОВЕКА

1.1. ПРОСТЫЕ МЕХАНИЗМЫ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА

В организме человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами. Например, кости конечностей, нижняя челюсть, череп (точка опоры - первый позвоночник), фаланги пальцев. Рычажные механизмы скелета обычно рассчитаны на выигрыш в скорости при потере в силе. Соотношение длины плеч рычажного элемента скелета находится в тесной зависимости от выполняемых данным органом жизненных функций. Рассмотрим условия равновесия рычага на примере черепа (рис. 1). Здесь ось вращения рычага О проходит через сочленение черепа с первым позвонком. Спереди от точки опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы R, позади - сила F тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости.

Другим примером работы рычага является действие свода стопы при подъеме на полупальцы (рис. 2). Опорой О рычага, через которую проходит ось вращения, служат головки плюсневых костей.

Преодолеваемая сила R – вес всего тела – приложена к таранной кости. Действующая мышечная сила F, осуществляемая подъем тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости.

В природе распространены гибкие органы, которые могут в широких пределах менять свою кривизну (позвоночник, пальцы). Их гибкость обусловлена или сочетанием большого числа коротких рычагов с системой тяг, или сочетанием элементов, сравнительно гибких, с промежуточными элементами, легко поддающимися деформации. Управление изгибанием достигается системой продольных или косо расположенных тяг (рис.3, 4).

«Колющие орудие» ногти, зубы – по форме напоминают клин (видоизмененная наклонная плоскость). Многие из этих клиньев имеют очень гладкие твердые поверхности (минимум трения), чем и достигается их большая острота (рис. 5)

1.2. ДЕФОРМАЦИИ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА.

Человеческое тело испытывает достаточно большую механическую нагрузку от собственного веса и от мышечных усилий, возникающих во время трудовой деятельности. Интересно, что на примере тела человека можно проследить все виды деформации. Деформации сжатия испытывают позвоночный столб, нижние конечности и покровы ступни; деформации растяжения - верхние конечности, связки, сухожилия, мышцы; деформации изгиба – позвоночник, кости таза, конечностей; деформации кручения – шея при повороте головы, туловище в пояснице при повороте, кисти рук при вращении и так далее.

В таблице отражены пределы прочности различных видов тканей организма человека и веществ на различные виды деформации.

Вид ткани или вещества	Предел прочности на растяжение, Н / м2	Предел прочности на сжатие, Н / м2
Компактное вещество кости
Грубоволокнистая соединительная ткань (сухожилия, связки)
Ткань нервных стволов
Мышечная ткань

Из таблицы видно, что модуль упругости для кости или сухожилия при растяжении очень велик, а для мышц, вен, артерий он очень мал. Предельное напряжение, разрушающее кость плеча, около 8*107 Н\ м 2.

Соединительные ткани в связках, в легких и так далее обладают большой эластичностью, например, затылочная связка может быть растянута более чем вдвое.

Сопротивление кручению очень быстро возрастает с увеличением толщины, поэтому органы, рассчитанные на выполнение крутильных движений, как правило, длинные и тонкие (шея).

При прогибе происходит растяжение материала по выпуклой его стороне и сжатие по вогнутой, средние части заметной деформации не испытывают.

Поэтому в технике сплошные брусья заменяют трубами, балки делают тавровыми или двутавровыми; это экономит материал и уменьшает массу установок. Как известно, трубчатое строение имеют кости конечностей. Балка, сводообразно изогнутая кверху и имеющая надёжные опоры, не допускающие раздвигания её концов (арка), обладает огромной прочностью по отношению к усилиям, действующим на её выпуклую сторону (архитектурные своды, бочки, в организмах – череп грудная клетка).

Строительное искусство природы и людей развивается по одному и тому же принципу – экономии материалов и энергии. Известно, что твердый материал в костях располагается в соответствии с направлениями главных напряжений. Это можно обнаружить, если рассмотреть продольный разрез верхней части бедренной кости (рис. 6) и кривую балку, работающей на изгиб под действием нагрузки, распределённой на некотором участке верхней поверхности. Интересно, что стальная Эйфелева башня напоминает по своему строению трубчатые кости человека (бедренную или берцовую). Имеется подобие и во внешних формах конструкций, и в углах между «перекладинами» и «балками» кости и раскосами башни.

1.3. СИСТЕМА КРОВООБРАЩЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА.

При операциях на сердце часто возникает необходимость временно выключить его из круга кровообращения и оперировать сухое сердце (рис. 7). Аппарат искусственного кровообращения надежно поддерживают на протяжении всего процесса заданный минутный объём кровообращения в организме (порядка 4 - 5 литров для взрослого больного), заданную температуру циркулирующей крови.

Аппарат искусственного кровообращения состоит из двух основных частей: системы насосов и оксигенатора. Насосы выполняют функции сердца – они поддерживают давление циркуляцию крови в сосудах организма во время операции Оксигенатор выполняет функции лёгких и обеспечивает насыщение крови кислородом не ниже 95% и поддерживает парциальное давление СО2 на уровне миллиметров ртутного столба. Венозная кровь из сосудов больного самотеком переливается в оксигенатор, располагающийся ниже уровня операционного стола, где насыщается кислородом, освобождается от избытка углекислоты и далее артериальным насосом нагнетается в кровяное русло больного. АИК на непродолжительное время способен заменять функции сердца и легких. В настоящее время практически все операции на сердце выполняются с помощью АИК. В отдельных случаях операция производится при умеренной гипотермии (снижение температуры) организма, что дает возможность более длительно применять АИК.

В настоящее время ученые-медики и инженеры работают над созданием и применением аппарата «искусственное сердце».

При рассмотрении капиллярных явлений следует подчеркнуть их роль в биологии, так как большинство тканей пронизано громадным числом капиллярных сосудов. Именно в капиллярах происходит основные процессы, связанные с дыханием и питанием организма, вся сложнейшая химия жизни, тесно связанная с диффузионными явлениями.

Приведем некоторые данные для организма человека.

Площадь поперечного сечения аорты 8см2, а общая площадь всех капилляров примерно 3200 см2,то есть площадь капилляров больше площади аорты в 400 раз. Соответственно падает скорость кровотока – от 20 см/с вначале аорты до 0.05 см\с в капилляре.

Диаметр каждого капилляра в 50 раз меньше диаметра человеческого волоса, а длина его менее 0,5мм. В теле взрослого человека имеется 160 млрд. капилляров.

Общая длина капилляров достигает 60-80 тыс. км; через каждый квадратный миллиметр поперечного сечения сердечной мышцы в среднем проходит до 2 тыс. капилляров

Физической моделью сердечно - сосудистой системы может служить система из множества разветвлённых трубок с упругими стенками. По мере разветвления общее сечение трубок возрастает и скорость движения жидкости соответственно уменьшается. Однако вследствие того, что разветвление состоит из множества узких каналов, потери на внутреннее трение при этом сильно возрастает и общее сопротивление движению жидкостей (не смотря на снижение скорости) значительно увеличивается.

1.4. ДИФФУЗИЯ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА

Наибольшее всасывание пищевых продуктов происходит в тонких кишках, стенки которых специально для этого приспособлены. Площадь внутренней поверхности кишечника человека равна 0,65 м2. Она покрыта ворсинками - микроскопическими образованиями слизистой оболочки высотой 0,2-1мм, за счет чего площадь реальной поверхности кишечника достигает 4-5м2, то есть в 2-3 раза больше площади поверхности всего тела. И в процессе всасывания большую роль играет диффузия.

ДЫХАНИЕ - перенос кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы - происходит тем быстрее, чем больше площадь поверхности соприкосновения тела и окружающей среды, и тем медленнее, чем толще и плотнее покровы тела. Отсюда понятно, что малые организмы, у которых площади поверхности велики по сравнению с объемом тела, могут обходиться вовсе без специальных органов дыхания, удовлетворяясь притоком кислорода исключительно через наружную оболочку (если она достаточно тонка и увлажнена). У организмов более крупных дыхание через кожу может оказаться более или менее достаточным только при условии, что покровы чрезвычайно тонки, при грубых покровах необходимы специальные органы дыхания. Основные физические требования к этим органам – максимум поверхности и минимум толщины и увлажненность покровов. Первое достигается многочисленными разветвлениями или складками (легочные альвеолы, бахромчатая форма жабр).

А как же дышит человек? У человека в дыхании принимает участие вся поверхность тела – от самого толстого эпидермиса пяток до покрытой волосами кожи головы. Особенно интенсивно дышит кожа на груди, спине и животе. Интересно, что по интенсивности дыхания эти участки кожи значительно превосходят легкие. С одинаковой по размеру дыхательной поверхности здесь может поглощаться кислорода на 28%, а выделяться углекислого газа даже на 54 % больше, чем в легких. Однако, во всем дыхательном процессе участие кожи ничтожно по сравнению с лёгкими, так как общая площадь поверхности лёгких если развернуть все 700 млн, альвеол, микроскопических пузырьков, через стенки которых происходит газообмен между воздухом и кровью, составляет около 90-100м2, а общая площадь поверхности кожи человека около 90-100м2, то есть в 45-50 раз меньше.

Ритмичное дыхание грудной клетки ещё не есть дыхание, но оно обеспечивает дыхание. При вдохе за счет работы межреберных мышц объём грудной клетки увеличивается. При этом давление воздуха в лёгких падает ниже атмосферного: вследствие образовавшейся разности давления происходит вдох. Затем вследствие расслабления мышц объём грудной клетки уменьшается, давление в лёгких становится выше атмосферного – происходит выдох. На рисунке 8 представлена схема газообмена в лёгких. Здесь показана диффузия кислорода О2 и углекислого газа СО2 через стенки альвеол.

КЕССОННАЯ БОЛЕЗНЬ. Наиболее интенсивно диффузия происходит между газами или между газом и жидкостью. Газы адсорбируются на поверхности жидкости, а затем путем диффузии распространяются по всей её массе, иначе говоря, растворяются в ней. При не слишком высоких давлениях масса газа, растворяющегося в жидкости, прямо пропорциональна парциальному давлению газа над ней. При снижении давления газа над поверхностью жидкости растворённый в ней газ выделяется в форме пузырьков. Это явление лежит в основе кессонной болезни, которой страдают водолазы . Известно, что на глубине под водой водолаз дышит воздухом при повышенном давлении и кровь его насыщается газами воздуха, особенно азотом . В результате резкого снижения давления при возвращении на поверхность воды азот выделяется из крови в виде пузырьков, которые могут попасть в кровеносный сосуд небольшого диаметра. В этом случае может наступить полная закупорка сосудов. Явление это называется газовой эмболией. Закупорка сосудов в жизненно важных органах может иметь серьёзные последствия для организма. Чтобы избежать этого, приходится возвращать водолаза на поверхность очень медленно (после работы на глубине 80 м в течение 1 часа на подъём надо затратить около 9 часов) или же использовать специальные декомпрессионные камеры. В настоящее время разрабатывается устройства с применением гелиево-кислородной смеси, которые дают возможность более быстрого возвращения водолаза на поверхность.

1.5. ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА К РАЗЛИЧНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ.

Из-за свойств цитоплазмы клеток все живые существа способны жить при температуре между 0 и 500 С. Большинство местообитаний на поверхности нашей планеты имеет температуру именно в этих пределах; для каждого вида выход за эти пределы означает гибель либо от холода, либо от жары.

Для того чтобы сохранить температуру тела постоянной, человек должен либо уменьшать потери тепла эффективной защитой, либо увеличить производство тепла. Это достигается весьма разнообразными способами. Прежде всего, важен защитный покров. Защитные одежды человека заключается в том, что они задерживают конвекционные потоки, замедляют испарение, ослабляют или совсем прекращают лучеиспускание. Хорошо известна и защитная роль жира. Существуют различные механизмы для сохранения тепла в незащищённых местах, действующие за счет теплообмена в пучках кровеносных сосудов, где соприкасаются вены и артерии. Оказывается, что уши тем короче, чем холоднее климат. Борьба с перегревом осуществляется в основном путём увеличения испарения. Различные условия, затрудняющие испарение, нарушают регулирование теплоотдачи организма. Так, кожаная, резиновая, клеенчатая, синтетическая одежда затрудняет регулировку температуры тепла. Для терморегуляции организма важную роль играет потоотделение, оно обеспечивает постоянство температуры тела человека или животного. За счет испарения пота уменьшается внутренняя энергия, благодаря этому организм охлаждается.

ПОЧЕМУ МЫ КРАСНЕЕМ В ЖАРУ, А В ХОЛОД БЛЕДНЕЕМ И ДРОЖИМ? Это объясняется следующим образом. Нормальная для человека температура окружающей среды 18-200С. Если она становится выше 250С, то возбуждаются кожные нервные окончания, воспринимающие тепловое раздражение, и благодаря сигналам от центральной нервной системы происходит расширение сосудов кожи. В кожу протекает больше крови из внутренних органов, и она при этом краснеет. При низкой температуре среды организм начинает отдавать большую часть теплоты путем теплопроводности и излучения. Кожа получает тепло главным образом с притекающей кровью. Для уменьшения теплоотдачи сосуды суживаются, поэтому мы бледнеем. Когда нам холодно, в нашем организме увеличивается выделение энергии в мышцах благодаря беспорядочному сокращению отдельных групп мышечных волокон, которые мы называем дрожью.

1.6. ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА И ЕЁ РОЛЬ В ОРГАНИЗМЕ

ЧЕЛОВЕКА.

Нормальным для жизни человека считается воздух с относительной влажностью от 40 до 60%. Когда окружающая среда имеет температуру более высокую, чем тело человека, то происходит усиленное потоотделение. Обильное выделение пота ведёт к охлаждению организма, помогает работать в условиях высокой температуры. Однако такое активное потоотделение является значительной нагрузкой для человека! Если ещё при этом абсолютная влажность высока, то жить и работать становится ещё тяжелее (влажные тропики, некоторые цеха, например красильные).

Относительная влажность ниже 40% при нормальной температуре воздуха тоже вредна, так как приводит к усиленной потере влаги организмом, что ведёт к его обезвоживанию.

1.7. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ

В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА.

При изучении закона сохранения и превращения энергии важно подчеркнуть роль ученого Р. Майера, который первым его сформулировал с позиции врача – естествоиспытателя. Внимание его привлекали явления, происходящие в организме человека. Он заметил разницу в цвете венозной крови в странах умеренного и тропического поясов и пришёл к выводу, что «температурная разница» между организмом и окружающей средой должна находиться в количественном соотношении с разницей в цвете обоих видов крови, то есть артериальной и венозной. Эта разница в цвете является выражением размера потребления кислорода, или интенсивности процесса сгорания, происходящего в организме. Осмысливая эти наблюдения на основе принципа, что «ничего не происходит из ничего и ничто не превращается в ничто и что причина равна действию», уже в 1841г. Майер высказал основную идею закона сохранения и превращения энергии.

Ряд исследований Майера посвящён выявлению энергетических процессов. Майер считал, что источником механических и тепловых эффектов в живом организме служат химические процессы, протекающие в нем в результате поглощения кислорода и пищи

Излагая закон сохранения и превращения энергии, желательно проиллюстрировать его применение превращений одного вида энергии в другой, происходящих в живых организмах. Для этого можно использовать таблицу, в которой показаны разнообразные превращения энергии в живых клетках.

ПРЕВРАЩЕНИЕ	ГДЕ ОНО ПРОИСХОДИТ
	Нервные клетки, головной мозг
Звуковой энергии в электрическую	Внутреннее ухо
Световой энергии в электрическую	Сетчатка глаза
Химической энергии в механическую	Мышечные клетки, реснитчатые эпителии
Химической энергии в электрическую	Органы вкуса и обоняния

Важно отметить, что любой живой организм есть открытая термодинамическая система, далёкая от состояния равновесия. Интересно также сделать расчеты энергетических превращений в живом организме и определить коэффициенты полезного действия некоторых биологических процессов. Мы знаем, что работа может совершаться или за счет изменения внутренней энергии системы, или за счет сообщения системе некоторого количества теплоты.

В живой системе независимо от того, целый это организм или отдельные органы (например, мышцы), работа не может совершаться за счет притока теплоты извне, т. е. живой организм не может работать как тепловая машина. Это можно показать простым расчетом. Известно, что у тепловой машины

где Т1 и Т2 - соответственно температуры источника теплоты и холодильника в абсолютной шкале температур.

Попытаемся определить температуру мышц (Т1), предполагая, что она работает как тепловая машина, при температуре 250С с КПД 30%. Подставляя в формулу температуру холодильника Т2= 298 К и предполагая КПД=1 /3, получим

Т1 – 298 К 1

откуда Т1 = 447К, или 1740С. Таким образом, если бы мышца работала как тепловая машина, она нагрелась бы в этих условиях до температуры 1740С. Это, разумеется, нереально, так как белки, как известно, денатурируют при температуре около 500С. Таким образом, в живом организме работа совершается за счет изменения внутренней энергии системы.

Справедливость первого закона термодинамики для биологии можно доказать, если живой организм изолировать от окружающей среды, изменить количество выделенной им теплоты и сравнить его с тепловым эффектом биохимических реакций внутри организма. С этой целью ещё в 1780 г. Лавуазье и Лаплас помещали морскую свинку в калориметр и измеряли количество выделенной теплоты и углекислого газа. После этого определяли количество теплоты, выделяющейся при прямом сжигании исходных продуктов питания. В обоих случаях получились близкие значения.

Более точные результаты были получены при измерении количеств теплоты углекислого газа, азота и мочевины, выделенных человеком. На основании этих данных вычисляли баланс обмена белков, жиров и углеводов. И здесь совпадение оказалось достаточно хорошим.

В настоящее время калориметрические измерения позволяют делать важные выводы о жизнедеятельности человека, давать направление к диагностике некоторых заболеваний Недавно создан тепловизор – прибор, наглядно показывающий температурные изменения в теле человека. Этот метод позволяет распознать самые разные недуги, связанные с воспалительными процессами, сопровождающимися повышением температуры данного участка тела. Приведём КПД некоторых биологических процессов

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС	КПД %
Свечение бактерий
Сокращение мышц
Фотосинтез

1.8. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА.

Одна из наиболее важных функций живого организма – способность реагировать на изменение окружающей среды, называемая раздражимостью. Например, одноклеточные простейшие способны реагировать на изменение температуры или освещение при помощи механического ответа (амебоидное движение, движение ресничек и жгутиков). Наивысшего развития раздражимость у животных, у которых имеются специализированные клетки, образующие нервную ткань. Нервные клетки – нейроны приспособлены для быстрого и специфического ответа на разнообразные раздражения, поступающие из внешней среды и тканей самого организма. Получение и передача раздражений происходит при помощи электрических импульсов, распространяющихся по определённым путям. В процессе эмбрионального развития из тела нервной клетки вырастает длинный отросток – аксон, образующий нечто вроде телеграфного провода для передачи сообщений (рис. 9). У взрослого человека длина аксона может достигать 1 – 1,5 м при толщине около 0,01мм. Иногда аксоны сравнивают с электрическими проводами, но в действительности электрический сигнал проходит по ним не так, как по проводу. В то время, как в медном проводе ток распространяется, близкой к скорости света, в аксоне импульс движется со скоростью до 100 м/с. У содержимого аксона удельное электрическое сопротивление примерно в 100 млн. раз больше, чем у медной проволоки. Кроме того, изолирующая способность наружной мембраны аксона примерно в 1млн. раз слабее, чем у оболочки хорошего кабеля. Если бы распространение электрического сигнала по аксону зависело только от электропроводности, то введённый в него сигнал затухал бы в пределах нескольких миллиметров

Оболочка аксона разделяет два водных раствора, которые обладают почти одинаковой электропроводностью, но различным химическим составом. Во внешнем растворе более 90% заряжённых частиц представляют собой ионы натрия (Na+) и хлора (Cl-). В растворе внутри клетки основную часть положительных ионов представляют собой ионы калия (К+), а отрицательных – крупные органические ионы. Концентрация ионов натрия (Na+) снаружи клетки в 10 раз выше, чем внутри, а концентрация ионов калия (К+) внутри в 30 раз выше, чем снаружи. Когда мембрана находится в невозбуждённом состоянии, она обладает высокой проницаемостью для калия и лишь незначительно проницаемостью для натрия. Вследствие большого градиента концентрации, ионы калия выходят из аксона наружу. В результате возникает разность потенциалов около 60 мВ, причём внутреннее содержимое клетки заряжено отрицательно по отношению к наружному раствору. Эту разность потенциалов называют потенциалом покоя нервной клетки.

Любое изменение проницаемости мембраны для одного из ионов может привести к изменению потенциала. Именно это и происходит, когда по аксону пробегает электрический импульс. Если раздражать аксон очень слабым электрическим током, он затухает, пройдя по волокну всего несколько миллиметров. Если повышать интенсивность электрического сигнала приложенного к мембране нервной клетки, то, начиная с некоторого уровня сигнала, уже не затухает. Ток снижает потенциал покоя в точке, по которой он проходит, и потенциал покоя падает до нуля; мембрана деполяризуется. В ответ на снижение потенциала проницаемость мембраны для натрия внезапно возрастает. Это ведёт к дальнейшему снижению потенциала. Ионы натрия устремляются из окружающей жидкости внутрь аксона. В результате отрицательный потенциал около 60 мВ сменяется положительным потенциалом около 50 мВ. Это новое состояние означает возникновение потенциала действия. Аксон генерирует свой собственный импульс, который распространяется с постоянной скоростью по всей его длине от одного конца до другого. Сразу после возникновения потенциала действие проницаемости мембраны для натрия снижается, а для калия возрастает, после чего потенциал на этом участке возвращается к уровню покоя.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ . Информация из внешнего и внутреннего мира воспринимается так называемыми рецепторами, которые связаны с центростремительными, или чувствительными, нейронами. Каждый рецептор воспринимает только один вид энергии: рецепторы глаза улавливают световые электромагнитные колебания, рецепторы уха – звук, рецепторы кожи – механические или температурные раздражения. И в коже их функции разделены: одни реагируют только на прикосновения, другие – на давление, третьи – на растяжение и т. д. Температурные рецепторы тоже специализированы: одни реагируют на холод, другие – на тепло.

В результате раздражений возникают нервные импульсы, природа которых одна и та же. Нервный импульс, идущий по слуховому нерву, по своей биофизической природе ничем не отличается от нервного импульса, идущего в мозг от зрительного, обаятельного или тактильного рецептора. Сигналы не смешиваются. Они идут по всем определённым путям и попадают в определённые центры. В восприятии принимают участие не только рецепторы, но и нервы, по которым возбуждение идёт в мозг, которые воспринимают это возбуждение. Вся полученная энергия превращается в поток нервных импульсов, преобразуется в доступную для кодирования форму. Чувствительность анализаторов удивительна. В организмах существуют своего рода «усилители», т. е. приспособления, снижающие порог их чувствительности. Чтобы их действие было понятным, напомним один пример. Когда охотник приводит в действие спусковой механизм оружия, он прилагает небольшое усилие. Но пуля выталкивает газы, которые образуют в результате загорание пороха, кинетическая энергия летящей пули становится значительной! Подобно этому происходит снижение порога чувствительности в организме. Например, глаз способен воспринимать несколько квантов света! Подобные процессы увеличения чувствительности совершаются не только в зрительном, но и в других анализаторах.

РЕГИСТРАЦИЯ БИОПОТЕНЦИАЛОВ . Биопотенциалами называют разности электрических потенциалов, возникающих в клетках, тканях и органах живого организма. Биопотенциалы отдельных клеток, входящих в состав определённой ткани или организма, суммируясь, образуют результирующую разность потенциалов, изменение которой во времени характерно для ткани или органа. Эту разность потенциалов можно измерить или зарегистрировать с помощью определённым образом расположенных электродов. Разность потенциалов от электродов подводится к усилителю, а затем записывается на движущейся ленте регистрирующего устройства.

Поскольку биопотенциалы очень тонко отражают функциональное состояние органов и тканей, то регистрация их с последующим изучением является весьма распространенным приёмом при физиологических исследованиях и при диагностики заболеваний. Наиболее распространена регистрация потенциалов сердца (ЭКГ – электрокардиография), головного мозга (ЭЭГ – электроэнцефалография), а так же периферических нервных стволов и мышц (ЭМГ – электромиография).

Потенциалы, возникающие при работе, сердца регистрируются при помощи электродов, накладываемых в определённых местах на поверхности тела, - там, где при работе сердца образуется набольшая разность биопотенциалов.

Электрокардиограмма представляет собой сложную несимметричную кривую. Периодичность её связана с частотой сокращения сердца и находится в норме в пределах 60 – 80 периодов в минуту. Электрокардиограмма здорового человека показана на рисунке.

Для регистрации биопотенциалов головного мозга служит прибор электроэнцефалограф. Биопотенциалы головного мозга отводятся при помощи электродов, накладываемых в различных точках кожи головы. Частоты колебаний зависят от состояния организма. На рисунке показана электроэнцефалограмма. Определённые нарушения работы мозга вызывают определённые изменения биотоков. Такая зависимость характера токов от состояния организма позволяет учёным изучать процессы, происходящие в мозгу человека. И не только изучать, но иногда и судить о том, здоров он или болен и каков характер заболевания.

НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ БИОПОТАНЦЕАЛОВ . Важным и интересным примером новой медицинской техники является вживляемый под кожу сердечный стимулятор (водитель ритма). Он представляет собой в простейшем варианте генератор кратковременных импульсов с фиксированной частотой и собственным источником питания, смонтированный в корпусе размерами 5*8 см, покрытом биологически инертным полимером. Масса стимулятора 100 г. Стимулятор вживляют под кожу в удобном месте, а провода от него, покрыты силиконовой резиной, подводятся к сердечной мышце и укрепляется на ней с помощью небольших крючочков – зажимов, которые служат электродами. Частота импульсов 60 – 70 в минуту, длительность (в соответствии с параметрами электровозбудимости сердечной мышцы) порядка 1 – 3 см, сила тока в импульсах 3 – 5 мА.

В последнее время больших успехов достигала наука в спасении человека, перешедшего в состояние клинической смерти, - реанимация. Результаты её всё больше и больше применяется в практике работы скорой помощи и в больницах. В состоянии умирания организма электрокардиограмма меняется по форме, амплитуде и интервалам между отдельными циклами. Однако пока сохраняется электрическая активность сердца, борьба за жизнь умирающего продолжается.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТКАНЕЙ . Ткани живых организмов весьма разнородны по составу. Органические вещества, из которых состоят плотные части тканей, представляют собой диэлектрики. Однако жидкости содержат, кроме органических коллоидов , растворы электролитов и поэтому являются относительно хорошими проводниками.

Удельную электропроводность различных тканей организма человека при постоянном токе можно характеризовать ориентировочными данными, приведенными в таблице.

	УДЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ Ом-1*м-1
Спинномозговая жидкость
Сыворотка крови


Внутренние органы
Мозговая и нервная ткани
Жировая ткань
Кожа сухая
Кость без надкостницы

Наибольшую электропроводность имеют спинномозговая жидкость, сыворотка крови; значительно меньше электропроводность внутренних органов, а также мозговой (нервной), жировой и соединительной тканей. Плохими проводниками, которые следует отнести к диэлектрикам, являются роговой слой кожи, сухожилия и особенно костная ткань без надкостницы.

Электропроводность кожи, через которую ток проходит главным образом по каналам потовых и отчасти сальных желез, зависит от толщины и состояния её поверхностного слоя. Тонкая и особенно влажная кожа, а также кожа с повреждённым наружным слоем эпидермиса хорошо проводит ток. Наоборот, сухая огрубевшая кожа – весьма плохой проводник.

Электрический ток, проходят через организм человека, раздражает и возбуждает живые ткани человека. Степень возникающих изменений зависит от силы тока и частоты его. Ток 1 мА считается безопасным для человека. Прохождение по телу человека промышленного тока (частота 50Гц) 3мА вызывает лёгкое покалывание в пальцах, прикасающихся к проводнику. Ток 3 – 5 мА вызывает раздражающее ощущение во всей кисти руки. Токи 8 – 10 мА приводят к непроизвольному сокращению мышц кисти и предплечья. Максимальные токи = 13 мА, при которых человек в состоянии самостоятельно освободиться от контакта с электродами, называются отпускающими токами. Непроизвольные мышечные сокращения при токе порядка 15 мА приобретают такую силу, что разжатие руки становится невозможным (неотпускающий ток). При токах 0,1 – 0,2А наступают беспорядочные сокращения сердечной мышцы, ведущей к гибели человека.

При условиях, ослабляющих изолирующую способность кожи (мокрые руки, ранения, большие поверхности контактов), смертельными могут быть напряжения 100 – 120В и даже меньше. Поэтому в ряде производств для массовых профессий применяется низкое напряжение. Например, при электромонтаже используют паяльники, рассчитанные на напряжение 24 В. В сырых помещениях разрешается работать при напряжении не более 12 В.

1.9. КОЛЕБАНИЯ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА.

В живом организме органы, ткани, клетки работают ритмически. Даже мембрана клетки пропускает ионы в определённом ритме. Нарушение ритма – признак нарушения жизнедеятельности организма. Система ритмов многоярусна. На нижнем ярусе – ритмы клеточные и субклеточные. Более сложные – тканевые ритмы служат основной для ритмической деятельности органов, а последние обусловливают ритмичность организма в целом. Обитатели планеты Земля миллионы лет приспосабливались к движению её вокруг оси, когда день сменяет ночь. Сон бодрствование, принятие пищи, подъём и спад работоспособности определяются движением Земли. Каждый организм подчиняется ещё и сезонной периодичности, которая обусловлена движением Земли вокруг Солнца и наклоном оси вращения Земли к плоскости земной орбиты.

Зачем понадобились «часы» живым организмам? Для наилучшего приспособления к периодическим внешним условиям. Важная особенность колебательных систем – способность к взаимной синхронизации. Только благодаря этому живые системы могут настраиваться правильно, и из множества слабо связанных колебательных процессов возникает гармония периодического явления.

Сердце – пример колебательной системы в живой природе. Сердце – одна из самых совершенных колебательных систем этого рода. Правильность работы сердца определяется синхронной работой целой группы мышц, обеспечивающих переменной сокращение желудочков и предсердий. Синхронизаций этой работы «заведует» специальный орган, так называемый синусный узел, вырабатывающий с определённой частотой синхронизирующие импульсы электрического напряжения. Если синхронный режим сокращения сердечных мышц нарушается, то могут наступить так называемые фибрилляции – хаотические сокращения отдельных волокон сердечной мышцы, которые, если не принять экстренных мер, приводят к гибели организма. Срочные меры заключаются в насильственной синхронизации сердца с помощью особого массажа или с помощью электрических импульсов от специального генератора. В настоящее время миниатюрный электронный генератор синхронизирующих импульсов даже вживляет в организм.

Примером колебаний в организме человека служит барабанная перепонка органа слуха. Колебания воздуха, доходящие до уха человека, вызывают колебания той же частоты барабанной перепонки. Эти колебания передаются посредством молоточка, наковальни и стремечка далее.

1.10. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА.

Роль электромагнитных полей в живой природе чрезвычайно многообразна: это влияние их на жизнедеятельность организмов, электромагнитные связи между организмами, а также ЭМП как средство локации.

Организмы самых различных видов обнаруживают чрезвычайно высокую чувствительность к ЭМП, особенно к тем, которые близки к естественным полям биосферы : к геомагнитному и геоэлектрическому полям, к полям атмосфериков, солнечных вспышек. Под действием ЭМП нарушается ряд физиологических функций – ритм сердца, кровяное давление, обменные процессы, меняется эмоциональное состояние, нарушается осязание, зрение, восприятие звуковых сигналов.

В настоящее время изучается профессиональная вредность разных видов ЭМП. В большей мере исследован вопрос о возможном влиянии на людей ЭМП, создаваемых радио – и телепередатчиками, а также атмосферным радиофоном. Между тем уровень этих полей в последнее время резко возрос.

Очень интересны наблюдения электромагнитных взаимодействий внутри организмов и между организмами. Недавно обнаружены ранее неизвестные электромагнитные колебания, генерируемые сердцем человека; открыта и исследована электромагнитная система регуляции у позвоночника, которая связана со своеобразным распределениями поверхностных потенциалов.

II. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. ФИЗИЧЕСКИЕ И АНТРОПОМЕТРИЧЕСКИЕ

ПОКАЗАТЕЛИ ЧЕЛОВЕКА

Для начала заглянем в Книгу рекордов Гиннеса и поинтересуемся ростом, весом и другими показателями людей.

Великаны:

1.Роберт Першинг Уодлоу (США,) имел рост 272 см, размах

рук 288 см, вес 222,7 кг, обувь – 47 см, длину ладони – 32,4 см.

2. Габриэль Эставао Моньяне (Мозамбик, родился в 19944 г) имеет рост

245 см, вес 189 кг.

Карлики:

1. Полин Мастерс (Голландия,) имела рост 59 см, вес 3,4 кг.

2. Колвин Филипс (США,) имел рост в 19 лет 67 см, вес с одеждой 5,4 кг.

Толстяки:

1. Ион Бровер Миннока (США,) имел рост 185 см. В 1963 г весил 181 кг, в 1966 г – 317 кг, в 1976 г – 442 кг, в марте 1978 г – 625 кг. Чтобы повернуть его на кровати, требовалось 13 человек.

2. Самый тяжелый живущий – Кент Николсон. Он имеет вес 407 кг, объем груди 305 см, талии – 294 см, бедер – 178 см, шеи – 75 см.

Память человека способна вместить столько информации, сколько ее имеется в хранилище самой крупной библиотеки.

А. Македонский знал в лицо каждого из 30 тысяч своих солдат.

Генрих Шлиман за 6-8 недель мог освоить иностранный язык .

Ученый - физик Абраам Федорович Иоффе по памяти пользовался таблицей логарифмов.

Любопытные сведения о человеческом организме можно почерпнуть и из книги «Физика в таблицах» .

*Механические параметры*	*Численное значение*
1. Средняя плотность человека 2. Средняя скорость крови - в артериях - в венах 3. Скорость распространения раздражения по нервам 4. Давление в артерии руки взрослого человека - нижнее (в начале фазы сокращения сердца) - верхнее (в конце фазы сокращения сердца) 5. Сила, развиваемая работающим сердцем - в начальной фазе сокращения - в конечной фазе сокращения 6. Работа сердца за сутки 7. Масса крови, выбрасываемая сердцем за сутки 8. Мощность, развиваемая при быстрой ходьбе	1036 кг/м3 0,2 – 0,5 м/с 0,1 – 0,2 м/с 40 – 100 м/с 9,3 кПа (70 мм рт ст) 120 мм рт ст 86 400 Дж 5200 кг 200 Вт
*Электрические параметры*	*Численное значение*
1. Удельное сопротивление тканей тела - верхнего слоя сухой кожи - крови - мышцы 2. Диэлектрическая проницаемость - сухой кожи - крови 3. Сопротивление человека от конца одной руки до конца другой 4. Сила тока через тело человека - безопасная - опасная для жизни 5. Безопасное электрическое напряжение - сухое помещение - сырое помещение	*3,3105 Омм* *1,8 Омм 1,5 Омм* 15 000 Ом 0,001 А
*Оптические параметры*	*Численное значение*
Показатель преломления хрусталика Оптическая сила - хрусталика - всего глаза 3. Внутриглазное давление 4. Число палочек в сетчатке глаза 5. Число колбочек в сетчатке глаза 6. Минимальный размер изображения предмета на сетчатке 7. Длительность сохранения глазом зрительного ощущения 8. Длина волны света, к которой глаз наиболее чувствителен 9. Диаметр глазного яблока взрослого человека 10. Диаметр зрачка - при дневном освещении - при ночном освещении	104 кПа (780 мм рт ст) 130 000 000 7 000 000 0,002 мм 555 нм 24-25 мм 2-3 мм 6-8 мм
*Акустические параметры*	*Численное значение*
1. Частота звуковых волн, слышимая человеком	17 – 20 000 Гц
*Радиационные параметры*	*Численное значение*
1. Допустимая доза облучения 2. Доза облучения, вызываемая лучевую болезнь Смертельная доза облучения	до 0,25 Гр 1-6 гр 6-10 гр

2.2. ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ТЕМА: «Определение ростовых показателей человека».

ЦЕЛЬ: определить рост, обхват груди, талии, бедер, плеча, головы, запястья, шеи, бедра.

ОБОРУДОВАНИЕ: сантиметровая лента.

ХОД РАБОТЫ

№ п/п	Параметр измерения	L + ΔL
		163 + 0,5
	Окружность грудной клетки при вдохе	86 + 0,5
	Окружность грудной клетки при выдохе	80 + 0,5
	Окружность талии	69 + 0,5
	Окружность плеча	25,5 + 0,5
	Окружность бедра	85 + 0,5
	Окружность голени	34 + 0,5
	Окружность запястья	15,5 + 0,5
	Окружность головы	54 + 0,5
	Окружность шеи	35 + 0,5

Вывод: Я измерила свои ростовые показатели и в сравнении с таблицей чехословацких исследователей Шрамковой, Зелезни и Прокопец оказалось, что я имею пропорциональное развитие, но высокой девушкой мне никогда не стать

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБО ТА № 2

ТЕМА: «Определение средней мощности, развиваемой при беге на 30 м,

приседании и взбегании по лестнице».

ОБОРУДОВАНИЕ: весы, линейка, веревка с гирей, секундомер.

ХОД РАБОТЫ

а) мощность при беге на дистанцию 30 метров

1. Измерим массу тела m.

2. Измерим время бега t.

3. Вычислим среднюю мощность Nср по формуле Nср = 2mS2 / t3 с учетом соотношения S=vср t = vt / 2.

Nср = 2 * 55кг * (30м) 2 / (6,19 с)3 = 2583,77Вт

Рассчитаем погрешность.

Nср зависит от m, t и S.

Δm = 0,1 кг Δt = 0,005 с ΔS = 0,5 см = 0,005 м

ε = Δm / m + 3* Δt / t + 2* ΔS / S = 0,1/55+3*0,005/6,19 + 2*0,005/30 = 0,17

ΔN = Nср * ε = 2583,77 Вт * 0,17 = 448,34 Вт

Вывод: Я определила среднюю мощность, развиваемую при беге на 30 метров, и она оказалась равна

Nср = 2583,77 + 448,34 Вт

б) средняя мощность при приседании

1. Измерим высоту своей поясницы Н

2. Измерим высоту своего тела h в положении «присев»

4. Сделаем n приседаний за время t

5. Вычислим среднюю мощность по формуле N = n*m*g *(Н – 0,5*h) / t

Рассчитаем погрешность.

Nср зависит от m, t, h и Н.

Δm = 0,1 кг Δt = 0,005 с ΔН = 0,5 см = 0,005 м Δh = 0,5 см = 0,005 м

ε = Δm / m + Δt / t + ΔН / Н + Δh/ h = 0,1 / 55 + 0,005 / 10,25 + 0,005 / 1,03 + +0,005 / 1,02 = 0,012

ΔN = Nср * ε = 274,25 Вт * 0,012 = 3,29 Вт

Вывод: Я определила среднюю мощность, развиваемую при приседании, и она оказалась равна

Nср = 274,25 + 3,29 Вт

в) средняя мощность при взбегании по лестнице

1. Измерим высоту лестницы h, спустив гирьку на веревке

2. Определим время t, затраченное на подъем по лестнице

3. Измерим массу своего тела m

4. Вычислим среднюю мощность Nср

Рассчитаем погрешность.

Nср зависит от m, t, h.

Δm = 0,1 кг Δt = 0,005 с Δh = 0,5 см = 0,005 м

ε = Δm / m + Δt / t + Δh/ h = 0,1 / 55 + 0,005 / 3,14+ 0,005 / 5,15 = 0,004

ΔN = Nср * ε = 328,63 Вт * 0,004 = 1,31 Вт

Вывод: Я определила среднюю мощность, развиваемую при взбегании по лестнице, и она оказалась равна

Nср = 328,63 + 1,31 Вт

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБО ТА № 3

ТЕМА: «Силы рук при выполнении упражнения на перекладине».

ОБОРУДОВАНИЕ: весы, ванна с водой, мерная кружка.

ХОД РАБОТЫ

1. Измерим массу тела m.

2. Повиснув на перекладине в спортзале на одной руке, почувствовать напряжение мышц руки.

3. Вычислим силу тяжести, действующую на тело по формуле Fт =mg

4. Определим объем своего тела Vт.

5. Найдем выталкивающую силу, действующую на тело со стороны воздуха по формуле Fа =ρ гgVт, плотность воздуха примем 1, 29 кг/м3.

6. Найдем силу своей руки по формуле F = F т - F а.

Рассчитаем погрешность.

Fт зависит от m и Vт.

Δm = 0,1 кг ΔV= 0,0005 м3

ε = Δm / m + ΔV / V = 0,1 / 55 + 0,0005 / 2,35 = 0,002

ΔF = Fт * ε = 539 Н * 0,002 = 1,08 Н

Вывод: Я определила силу руки в висе на перекладине и она оказалась равна

F = 539 + 1,08 Н

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБО ТА № 4

ТЕМА: «Определение механической работы при прыжке в высоту».

ОБОРУДОВАНИЕ: весы, линейка, планка.

ХОД РАБОТЫ

1. Измерим массу тела m.

2. Измерим высоту своей поясницы Н. (Центр тяжести на уровне поясницы).

3. Измерим высоту планки h, которую я хочу перепрыгнуть.

4. Сделаем прыжок

5. Вычислим совершенную механическую работу А = mg (h – Н).

Рассчитаем погрешность.

А зависит от m, Н и h.

Δm = 0,1 кг ΔН= 0,005 м Δh= 0,005 м

ε = Δm / m + ΔН / Н + Δh /h = 0,1 / 55 + 0,005 / 1,03 + 0,005 / 1,03 = 0,0113

ΔА = А * ε = 10,78 Дж * 0,0113 = 0,12 Дж

Вывод: Я определила механическую работу при прыжке в высоту и она оказалась равна

А = 10,78 + 0,12 Дж

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБО ТА № 5

ТЕМА: «Определение механической работы и мощности рук при лазании по канату».

ОБОРУДОВАНИЕ: весы, линейка, секундомер, канат.

ХОД РАБОТЫ

1. Измерим массу тела m.

2. В спортзале поднимемся по канату без помощи ног и засечем время подъема t.

3. Измерим высоту каната h.

4. Вычислим совершенную механическую работу А = mgh.

5. Вычислим мощность при подъеме N = А / t

Рассчитаем погрешность.

А зависит от m и h.

Δm = 0,1 кг Δh= 0,005 м

ε = Δm / m + Δh / h = 0,1 / 55 + 0,005 / 2,60 = 0,004

ΔА = А * ε = 1401,4 Дж * 0,004 = 5,61 Дж

N зависит от m, t и h.

Δm = 0,1 кг Δh= 0,005 м Δt = 0,005 с

ε = Δm / m + Δh / h + Δt / t = 0,1 / 55 + 0,005 / 2,60 + 0,005 / 9,34 = 0,005

ΔN = N * ε = 150,04 Дж * 0,005 = 0,75 Вт

Вывод: Я определила механическую работу и мощность при подъеме по канату, и они оказалась равны

А = 1401,4 + 5,51 Дж N = 150,04 + 0,75 Вт

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБО ТА № 6

ТЕМА: «Определение давления, оказываемого на пол».

ОБОРУДОВАНИЕ: весы, лист бумаги в «клеточку», карандаш.

ХОД РАБОТЫ

1. Измерим массу тела m.

2. Обведем подошву своей обуви на листе бумаги

3. Сосчитаем количество полных клеточек N1 и количество неполных клеточек N2 и рассчитаем площадь подошвы обуви по формуле

S = (N 1 + 0,25 * N 2) / 4

4. Вычислим давление на пол по формуле Р = mg / (2 * S) .

Рассчитаем погрешность.

Р зависит от m и S.

Δm = 0,1 кг ΔS= 0,0001 м 2

ε = Δm / m + ΔS / S = 0,1 / 55 + 0,0001 / 0,02028 = 0,0023

ΔР = Р * ε = 13289 Па * 0,0023 = 30,56 Па

Вывод: Я определила давление своего тела на пол, и оно оказалось равно

Р = 13289 + 30,56 Па

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

ТЕМА: «Определение жизненной емкости легких».

ЦЕЛЬ: Опытным путем определить объем выдыхаемого воздуха

за один цикл.

ОБОРУДОВАНИЕ: сантиметровая лента, надувной шарик округлой формы.

ХОД РАБОТЫ

1. Вдохнем воздух и максимально возможно выдохнем его в надувной резиновый шарик.

2. Измерим окружность шарика L.

3. Повторим опыт 10 раз. Результаты измерений занесем в таблицу.

4. Вычислим объем воздуха в шарике по формуле

V = π * R 3, где R = L / (2 * π)

Общая формула V = L 3 / (8 * π2)

Рассчитаем погрешность.

V зависит от L.

ε = ΔL / Lср = 0,01 / 0,4154 = 0,024

Δ V = Vср * ε = 0,896 * 0,0024 = 0,022 л

Вывод: Я определила жизненную емкость своих легких, и она оказалась равна V = 0,896 + 0,022 л

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведя рад несложных исследований, я еще больше узнала свой организм. Оказалось, что у меня средние антропометрические показатели (рост 163 см, вес 55 кг), мое тело оказывает на пол давление около 13,5 кПа, функциональная проба нормальная, что свидетельствует об отсутствии у меня заболеваний. Жизненная емкость моих легких чуть меньше 1 литра. Я определила мощности, развиваемые мною при беге на дистанции 30 метров, приседании, взбегании по лестнице и лазании по канату. Оказалось, что наибольшую мощность я развиваю при беге, а наименьшую – при лазании по канату. Также я определила механическую работу, совершаемую при прыжке в высоту. Она оказалась на удивление мала, всего 10,78 Дж, так как наибольшая высота планки, которую я могу перепрыгнуть, составляет 1 м 5 см. Была определена мною и средняя скорость движения из дома к месту стоянки школьного автобуса. Она составила 1,89 м/с или 6,8 км/ч.

В ходе работы над рефератом я не только исследовала свой организм, но и приобрела навыки работы на компьютере. Думаю, что и то и другое поможет мне в дальнейшей учебе по выбранной специальности.

В курсе физики, изучаемом в современной школе, практически не уделяется внимания на физические параметры, характеризующие человека. Однако в связи с изучением вопросов психологии в школе, моделировании процессов, происходящих в живых организмах, в технике, развитием такой науки как бионика у учащихся всё чаще проявляется повышенный интерес к изучению физики человека.

В ходе изучения данного курса учащиеся не только удовлетворят свои образовательные потребности, но и получат навыки исследовательской деятельности, познакомятся с методами исследования в физике и биологии, получат краткие данные о медицинской и биологической аппаратуре. Навыки, полученные при работе с измерительными приборами, выполнение практических работ и постановка эксперимента пригодятся в дальнейшей научно-технической деятельности. Объяснение отдельных процессов, происходящих в живых организмах, на основе физических законов поможет им установить причинно-следственные связи, существующие в живой и неживой природе, сформирует интерес не только к физике, но и биологии.

Программа курса носит практико-ориентированный характер с элементами научно-исследовательской деятельности. Данный элективный курс может быть использован для преподавания в классах с биолого-химическим или медицинским профилями.

Изучение элективного курса рассчитано на 17 часов, из них на изучение теоретических вопросов 7,3 ч. (43%), практических занятий (решение задач, выполнение лабораторных работ) –9,7 ч. (57%)

Основные цели курса:

Показать учащимся единство законов природы, применимость законов физики к живому организму, перспективное развитие науки и техники, а также показать в каких сферах профессиональной деятельности им пригодятся полученные на спецкурсе знания.
Создать условия для формирования и развития интеллектуальных и практических умений у учащихся в области физического эксперимента.
Развивать познавательную активность и самостоятельность, стремление к саморазвитию и самосовершенствованию.

Задачи курса:

Способствовать формированию познавательного интереса к физике, развитию творческих способностей у учащихся.
Развивать интеллектуальную компетентность учащихся.
Формировать навыки выполнения практических работ, ведения исследовательской деятельности.
Совершенствовать навыки работы со справочной и научно популярной литературой.

По окончании изучения курса учащиеся должны

знать:
- какие физические законы можно использовать при объяснении процессов, происходящих в организме человека;
- особенности своего организма с точки зрения законов физики.
уметь:
- работать с различными источниками информации;
- наблюдать и изучать явления, описывать результаты наблюдений;
- моделировать явления, отбирать нужные приборы, выполнять измерения, представлять результаты измерений в виде таблиц, графиков, ставить исследовательские задачи.

Основное содержание курса

Содержание курса качественно отличается от базового курса физики. На уроках законы физики рассматриваются в основном на неживых объектах. Однако очень важно, чтобы у учащихся постепенно складывались убеждения в том, что, причинно-следственная связь явлений имеет всеобщий характер и что, все явления, происходящие в окружающем нас мире, взаимосвязаны. В курсе рассматриваются вопросы, направленные на развитие интереса к физике, к экспериментальной деятельности, формирование умений работать со справочной литературой. По окончании изучения курса учащиеся составляют “Физический паспорт человека”.

Механические параметры человека – 10 ч.

Физика. Человек. Биофизические исследования в физике. Линейные размеры различных частей тела человека, их масса. Плотности жидкостей и твердых тканей, из которых состоит человек.
Кинематические величины и тело человека.
Движение тела в поле силы тяжести. Свободное падение. Время реакции человека. Движение тела, брошенного под углом к горизонту.
Первый закон Ньютона. Инерция в живой природе. Второй закон Ньютона. Определение силы человека. Динамика мышечной ткани. Третий закон Ньютона.
Тело человека в гравитационном поле земли. Условия длительного существования человека на космической станции. Меры защиты летчиков и космонавтов от ускорения. Невесомость и перегрузки.
Прямохождение и опорно-двигательная система человека. Ходьба человека. Виды суставов. Деформация костей, сухожилий, мышц. Прочность биологических материалов. Строение костей с точки зрения возможности наибольшей деформации.
Проявление силы трения в организме человека, естественная смазка. Тормозной путь.
Давление. Атмосфера и человек. Дыхание. Давление жидкости. Давление крови. Законы движения крови в организме человека.
Сохранение равновесия живыми организмами. Центр тяжести тела человека. Рычаги в теле человека.
Работа и мощность, развиваемая человеком в разных видах деятельности. «Энергетика» и развитие человека. Применение закона сохранения энергии к некоторым видам движения человека.
Роль атмосферного давления в жизни человека. Осмотическое давление. Изменение кровяного давления в капиллярах. Органы дыхания.
Лабораторные работы.

Проведение антропологических измерений
Определить среднюю скорость движения.
Определение времени реакции человека.
Градуировка динамометра и определение становой силы человека.
Определение коэффициентов трения подошв обуви человека о различные поверхности.
Определение мощности, развиваемой человеком.

Колебания и волны в живых организмах – 2 ч.

Колебания и человек. Происхождение биоритмов. Сердце и звуки, сопровождающие работу сердца и легких, их запись.
Звук как средство восприятия и передачи информации. Орган слуха. Ультразвук и инфразвук. Область слышимости звука. Голосовой аппарат человека. Характеристики голоса человека.
Лабораторная работа.

Определение дыхательного объема легких человека.
Проведение инструментальных измерений и функциональных проб.
Подсчет пульса до и после дозированной нагрузки.
Изучение свойств уха.

Тепловые явления – 1 ч.

Терморегуляция человеческого организма. Влажность. Органы дыхания. Тепловые процессы в теле человека. Человек как тепловой двигатель. Лабораторная работа.

Подсчет энергетических затрат и определение калорийности рациона

Электричество и магнетизм – 2 ч.

Электрические свойства тела человека. Биоэлектричество. Бактерии – первые электрики Земли. Фоторецепторы, электрорецепторы, биоэлектричество сна. Электрическое сопротивление органов человека постоянному и переменному току.
Человек в мире электромагнитных излучений.
Лабораторная работа.

Определение сопротивления тканей человека постоянному и переменному электрическому току.

Оптические параметры человека – 1 ч.

Строение глаза человека. Сила аккомодации глаза. Оптическая сила. Дефекты зрения и способы их исправления. Особенности зрения человека. Разрешающая способность глаза человека. Как получается, что мы видим. Для чего нам два глаза. Спектральная и энергетическая чувствительность глаза.
Лабораторная работа.

Наблюдение некоторых психофизиологических особенностей зрения человека.
Определение характеристических параметров зрения человека.
Определение спектральных границ чувствительности человеческого глаза.

Система аттестации учащихся. После окончания изучения курса зачет ставится при выполнении следующих условий:

Активное участие в подготовке и проведении семинаров, конференций, выпуске газет, изготовлении моделей.
Выполнение не менее половины лабораторных работ.
Выполнение не менее одного экспериментального задания исследовательского или конструкторского характера.
Составление “Физического паспорта человека”.

Тематическое планирование курса

№ п/п	Тема занятия	Количество часов
№ п/п	Тема занятия	всего	теория	практика
Механические параметры человека (10 ч)
1.	Физика. Человек. Окружающая среда.
2.	Кинематика и тело человека.
3.	Движение тела в поле силы тяжести.
4.	Законы Ньютона в жизни человека.
5.	Гравитация и человек.
6.	Прямохождение и опорно-двигательная система человека.
7.	Проявление силы трения в организме человека.
8.	Работа и мощность, развиваемая человеком в разных видах деятельности.
9.	Статика в теле человека.
10.	Давление и тело человека.
Колебания и волны в живых организмах (2 ч)
11.	Колебания и человек.
12.	Звук.
Тепловые явления (1 ч)
13.	Тепловые процессы в теле человека.
Электричество и магнетизм. (2 ч)
14.	Электрические свойства тела человека
15.	Человек в мире электромагнитных излучений.
Оптические параметры человека (1 ч)
16.	Глаз и зрение
17.	Конференция.
	*Итого:*

Исследуя движения человека, измеряют:

1.количественные показатели механического состояния тела

2.двигательной функции тела

3.характер самих движений.

Регистрируют биомеханические характеристики тела: размеры, пропорции, распределение масс, подвижность в суставах и др., движений всего тела и его частей (звеньев).

Биомеханические характеристики - это меры механического состояния биосистемы и его изменения (поведения).

Количественные характеристики измеряются, или вычисляются; они имеют численное значение и выражают связи одной меры с другой (скорость - пример связи пройденного пути со временем, затраченным на него). Изучая количественные характеристики, дают определение (что это такое) и устанавливают способ измерения (чем измеряется).

Качественные характеристики описываются обычно словесно, без точной количественной меры (например, напряженно, свободно, плавно, рывком).

КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Кинематика движений человека определяет геометрию (пространственную форму) движений и их изменения во времени (характер) без учета масс и действующих сил. Она дает в целом только внешнюю картину движений. Причины же возникновения и изменения движений (их механизм) раскрывает уже динамика.

Кинематические характеристики тела человека и его движений - это меры положения и движения человека в пространстве и во времени: пространственные, временные и пространственно-временные.

Кинематические характеристики дают возможность сравнивать размеры тела и его звеньев, а также кинематические особенности движений у разных спортсменов. От учета этих характеристик во многом зависит индивидуализация техники спортсменов, поиск оптимальных именно для них особенностей движений.

Системы отсчета расстояния и времени

Движения человека и спортивных снарядов можно измерить только сравнивая их положения с положением выбранного для сравнения тела (тело отсчета), т. е. все движения рассматриваются как относительные.

Система отсчета (расстояния ) - условно выбранное твердое тело, по отношению к которому определяют положение других тел в разные моменты времени.

В мире не существует абсолютно неподвижных тел, все тела движутся. Но одни из них движутся так, что изменения их скорости (ускорения) несущественны для решения данной задачи и ими можно пренебречь, - это инерциальные системы отсчета. Такие тела - Земля и тела, связанные с нею неподвижно (дорожка, лыжня, гимнастический снаряд). В подобной системе покоящиеся тела не испытывают действия сил; значит, в ней ни одно движение не начинается без действия силы.

Другие тела движутся с ускорениями, которые существенно влияют на решение данной задачи, - это неинерциальные системы отсчета (скользящая лыжа, раскачивающиеся кольца) 1 . В таких случаях способы расчета и объяснения особенностей движений уже иные, что надо обязательно учитывать.

С телом отсчета связывают начало и направление измерения расстояния и устанавливают единицы отсчета. Для точного определения спортивного результата правила соревнований предусматривают, по какой точке (пункт отсчета) ведется отсчет (по уровню лыжных креплений, по выступающей точке грудной клетки спринтера, по заднему краю следа приземляющегося прыгуна и т. п.).

Движущееся тело рассматривают либо как материальную точку, положение которой определяют, либо на нем выделяют пункты отсчета (определенная точка на теле человека). В случае вращательного движения выбирают линию отсчета. Для описания (задания)

движения применяют естественный, векторный и координатный способы.

При естественном способе положение точки - дуговую координату л - отсчитывают от начала отсчета 0, выбранного на заранее известной траектории (рис. I , а). При векторном способе положения точки определяют радиус-вектором г (рис. 1, б), проведенным из центра 0 данной системы координат к интересующей точке (А).

Рис. 1.

Система отсчета расстояний:

а - естественная, 6 - векторная, в и г - прямоугольных координат: в - на плоскости, г - В пространстве

При способе прямоугольных координат (на плоскости и в пространстве) точку пересечения взаимно перпендикулярных координатных осей О (начало координат) принимают за начало отсчета (рис. 1, в, г). Чтобы определить положение некоторой точки А (пункт отсчета) относительно начала отсчета, находят ее проекции (А„ , А у , А 7 ) на оси координат. Расстояния от начала координат до проекций этих точек на осях координат (координаты в пространстве: ОА К - абсцисса, О/4 У - ордината и ОА 7 -аппликата) определяют положение точки А в данной системе отсчета 0 ху7 . Когда точка А перемещается в пространстве, то изменяются численные значения координат.

Устанавливают единицы измерения расстояния - линейные и угловые. В международной системе единиц (СИ) принята основная.

линейная единица - метр (м), кратная ей - километр (1 км= 1000 м), дольные - сантиметр (1 см = 0,01 м), миллиметр (1 мм = 0,001 м) и др 1 . Из угловых единиц применяются: а) градус, минута, секунда - при измерении углов (окружность = 360°, градус = 60" , минута = 60"); б) оборот - при приближенном подсчете поворотов вокруг оси (оборот = 360°, пол-оборота = 180° и т.д.); в) радиан (для расчетов по формулам) - угол между двумя радиусами круга, вырезающими на окружности дугу, равную по длине радиусу (радиан =57° 17 44",8"; 1° = 0,01745 рад.).

Системы отсчета времени

В систему отсчета времени входят определенное начало и единицы отсчета.

За начало отсчета времени принимают: а) полночь - во всех учреждениях, на транспорте, на предприятиях связи и т. п.; б) полночь и полдень - в обычных житейских условиях и в) судейское время («секундомеры на ноль») - в условиях соревнований. В биомеханике за начало отсчета времени обычно принимается либо момент начала всего движения или его части, либо момент начала наблюдения за движением. В течение одного наблюдения пользуются только одной системой отсчета времени.

За единицу отсчета времени принимают секунду (с; 60с=1 мин; 60 мин = 1 час), а также доли секунды - десятая, сотая, тысячная (миллисекунда). Направление течения времени в действительности - от прошлого к будущему. Исследуя движение, можно отсчитывать время и в обратном направлении - к прошлому (за 0,02 с до удара; 0,05 с до отрыва ноги от опоры и т. д.).

Пространственные характеристики

Пространственные характеристики позволяют определять положения, например исходное для движения и конечное (по координатам), и движения (по траекториям).

Движения человека можно изучать рассматривая его тело (в зависимости от поставленных задач) как материальную точку, как одно твердое тело или как систему тел.

Тело человека рассматривают как материальную т о ч -к у, когда перемещение тела намного больше, чем его размеры (если не исследуют движения частей тела и его вращение).

Тело человека приравнивают к твердому телу, когда можно не принимать во внимание взаимные перемещения его звеньев и деформации тканей, когда важно учитывать лишь его размеры, расположение в пространстве и ориентацию (в частности, при изучении условий равновесия, вращения тела в постоянной позе).

Тело человека изучают как систему тел, когда важны еще

и особенности движений звеньев тела, влияющие на выполнение двигательного действия.

Поэтому, определяя основные пространственные характеристики движений человека (координаты и траектории), заранее уточняют, к какому материальному объекту (точке, телу, системе тел) приравнивают в данном случае тело человека.

Координаты точки, тела и системы тел

Координаты точки - это пространственная мера местоположения точки относительно системы отсчета. Местоположение точки определяют измеряя, например, ее линейные координаты ух, л- у, г 2 ; формула размерности" : [л]= Ь.

По координатам определяют, где находится изучаемая точка (например, пункт отсчета на теле человека) относительно начала отсчета. Как известно, положение точки на линии определяет одна координата, на плоскости - две, в пространстве - три координаты. Положение твердого тела в пространстве можно определить по координатам трех его точек (не лежащих на одной прямой). Можно также определить местоположение одной из точек тела (по ее линейным координатам) и ориентацию тела относительно системы отсчета (по угловым координатам).

Положение системы тел (звеньев тела человека), которая может изменять свою конфигурацию (взаимное расположение звеньев), определяют по положению каждого звена в пространстве (рис. 2, а). Удобно использовать при этом угловые координаты (рис. 2,6), например суставные углы, и по ним, устанавливать позу тела как взаимное, расположение его звеньев. Практически нередко сочетают: 1) определение " местоположения какой-либо точки (например, общего центра масс тела или точки опо-)ы); 2) определение позы (взаимного расположения звеньев), 3) опре-;еление ориентации тела (по линии отсчета, проведенной в теле).

Изучая движение, нужно определить: 1) исходное положение, из оторого движение начинается 2 ; 2) конечное положение, в котором вижение заканчивается; 3) ряд мгновенных (непрерывно сменяющихся) ромежуточных положений, которые принимает тело при движении.

Кинокадры какого-либо упражнения показывают как раз такие положения. В механике описать движение (найти закон движения) - значит определить положение любой точки системы в любой момент времени. Иначе говоря, определить в любой момент времени координаты пунктов или линий отсчета, отмеченных на теле, по которым изучают его движение в пространстве.

Траектория точки

Траектория точки - это пространственная характеристика движения: геометрическое место положений движущейся точки в рассматриваемой системе отсчета. На траектории определяют ее длину, кривизну и ориентацию в пространстве, а также перемещение точки.

Траектория - это непрерывная линия, воображаемый след движущейся точки 1: она дает пространственный рисунок движения точки (рис. 3). Расстояние по траектории показывает, каков путь точки 2: = Ь-

В прямолинейном движении (направление его не изменяется) (рис. 4) путь точки при движении в одну сторону равен расстоянию от начального положения до конечного. В криволинейном движении (направление его изменяется) путь точки равен расстоянию по траектории в направлении движения от начального положения до конечного.

Кривизна траектории (к) показывает, какова форма движения точки в пространстве. Чтобы определить кривизну траектории, измеряют радиус кривизны (К). Кривизна - величина, обратная радиусу:

Если траектория является дугой окружности, то ее радиус кривизны постоянный. С увеличением кривизны ее радиус уменьшается, и наоборот, с уменьшением - увеличивается.

Ориентация траектории в пространстве при одной и той же ее форме может быть разная. Ориентацию для прямолинейной траектории определяют по координатам точек начального и конечного положений; для криволинейной траектории - по координатам этих двух точек и третьей точки, не лежащей с ними на одной прямой линии.

Перемещение точки показывает, в каком направлении и на какое расстояние сместилась точка. Перемещение (линейное) находят по разности координат точки в моменты начала и окончания движения (в одной итой же системе отсчета оасстояния):

Перемещение определяет размах и направление движения. В случае, когда в результате движения точка вернулась в исходное положение,

перемещение, естественно, равно нулю. Перемещение - это не само движение, а лишь его окончательный результат, расстояние по прямой и ее направление от начального до конечного положения.

Рассматривают элементарное перемещение (ей) точки - из данного положения в положение, бесконечно близкое к нему. Геометрическая сумма элементарных перемещений равна конечному перемещению из начального положения в конечное. На криволинейной траектории элементарное перемещение считают равным пути.

Перемещение тела при поступательном и вращательном движении измеряется различно. Перемещение тела линейное (в поступательном его движении) можно определить по линейному перемещению любой его точки. Ведь в поступательном движении прямая, соединяющая две любые точки тела, перемещаясь (прямолинейно либо криволинейно), остается параллельной своему начальному положению. Все точки тела движутся одинаково: по подобным траекториям, с одинаковыми скоростями и ускорениями. Достаточно из координаты конечного положения любой точки тела вычесть соответствующую координату ее начального положения, чтобы определить перемещение всего тела.

Перемещение тела угловое (во вращательном его движении) определяют по углу поворота. При вращательном движении тела в нем имеется линия, все точки которой остаются во время всего движения неподвижными (лежат на оси). Остальные же точки тела движутся по дугам окружностей, центры которых лежат на этой неподвижной линии - оси вращения (рис. 4, в). Рассматривают также элементарное угловое перемещение (с/ф) тела из данного углового положения в положение, бесконечно близкое к нему.

Любое движение тела в пространстве можно представить как геометрическую сумму его поступательного и вращательного (относительно любого полюса, в частности его центра масс) движений.

Перемещение системы тел (биомеханической системы), изменяющей свою конфигурацию, определить намного сложнее. В самых упрощенных случаях движение ее рассматривают как движение одной материальной точки - обычно общего центра масс (ОЦМ). Тогда можно проследить за перемещением всего тела человека «в целом», оценить в известной мере общий результат его двигательной деятельности. Но останется неизвестным, в результате каких именно движений достигнуто перемещение ОЦМ. Иногда перемещение тела человека представляют в виде перемещения условно связанной с ним линии (линия отсчета).

Изучение движений звеньев тела человека позволяет более подробно рассмотреть перемещение его тела. В некоторых случаях несколько подвижных частей (например, все кости стопы, кисти или предплечья, даже туловища) рассматриваются как одно звено - тогда уже можно в общих чертах уловить особенности движений, хотя взаимное движение многих звеньев не учитывается и их деформациями пренебрегают. Однако получить полную картину перемещений всех основных элементов тела (включая и внутренние органы, и жидкие ткани) при существующих методах исследования пока еще невозможно. В любом научном исследовании приходится прибегать к более или менее значительному упрощению.

В машинах, характеризующихся определенностью движений, имеется вполне определенный закон движений. В биомеханических системах, характеризующихся неопределенностью движений в сочленениях, стараются добиваться требуемой определенности, но возможности найти закон движения всех звеньев тела в целом очень невелики. Они несколько больше в видах спорта, где техническое мастерство проявляется (и в значительной мере) именно в точном воспроизведении заранее заданных, детально определенных движений (например, в гимнастике, фигурном катании на коньках).

Временные характеристики

Временные характеристики раскрывают движение во времени: когда оно началось и закончилось (момент времени), как долго длилось (длительность движения), как часто выполнялось движение (темп), как они были построены во времени (ритм). Вместе с пространственно-временными характеристиками они определяют характер движений человека.

Определяя, где была точка в пространстве, необходимо определить, когда она там была.

Момент времени

Момент времени - это временная мера положения точки тела и системы. Момент времени (г) определяют промежутком времени до него от начала отсчета..

Момент времени определяют не только для начала и окончания движения, но и для других важных мгновенных положений. В первую очередь это моменты существенного изменения движения: заканчивается одна часть (фаза) движения и начинается следующая (например, отрыв стопы от опоры в беге - это момент окончания фазы отталкивания и начала фазы полета). По моментам времени определяют длительность движения.

Длительность движения

Длительность движения - это его временная мера, которая измеряется разностью моментов времени окончания и начала движения:

Длительность движения представляет собой промежуток времени между двумя ограничивающими его моментами времени. Сами моменты (как границы между двумя смежными промежутками времени) длительности не имеют. Ясно, что, измеряя длительность, пользуются одной и той же системой отсчета времени. Узнав расстояние, пройденное точкой, и длительность ее движения, можно определить ее скорость. Зная длительность движений, определяют также их темп и ритм.

Темп движений

В повторных движениях одинаковой длительности темп характеризует их протекание во времени.

Темп движений " - это временная мера их повторности. Он измеряется количеством движений, повторяющихся в единицу времени (частота движений):

Темп - величина, обратная длительности движений. Чем больше длительность каждого движения, тем меньше темп, и наоборот. В повторяющихся (циклических) движениях темп может служить показателем совершенства техники. Например, частота движений у лыжников, пловцов, гребцов высокой квалификации (при более высокой скорости передвижения) больше, чем у менее подготовленных. Известно, что с утомлением темп движений изменяется: он может повышаться (например, при укорочении шагов в беге) или понижаться (например, при неспособности поддерживать его в лыжном ходе).

Ритм движений

Ритм движений (временной) - это временная мера соотношения частей движений. Он определяется по соотношению длительности частей движения:

Ритм движений характеризует, например, отношение времени опоры к времени полета в беге или времени амортизации (сгибания колена) к времени отталкивания (выпрямления ноги) при опоре. Примером соотношения длительности и частей движения может служить ритм скользящего шага на лыжах (соотношение длительности пяти фаз шага). С изменением темпа шагов изменяется и их ритм (рис. 5). Кроме временных можно определить еще пространственные показатели ритма (например, отношение длины выпада в шаге на лыжах к длине скольжения).

Чтобы определить ритм (временной), выделяют фазы, которые различаются по задаче движения, по его направлению, скорости, ускорению и другим характеристикам. Ритм отражает прилагаемые усилия, зависит от их величины, времени приложения и других особенностей движений. Поэтому по ритму движений можно в известной мере судить об их совершенстве. В ритме особенно важны акценты - большие усилия и ускорения - их размещение во времени. При овладении упражнениями иногда лучше сначала задать ритм, чем подробно описывать детали движений; это помогает быстрее понять особенности изучаемого упражнения, его построение во времени.

В каждом движении есть различающиеся части, например подготовительные и исполнительные (основные) движения, разгон и торможение. Значит, ритм можно определить в каждом упражнении. Так называемые «неритмичные» движения - это не вообще лишенные рит-

ма движения, а движения с отклонениями от заданного рационального ритма. Иначе говоря, неритмичные движения - это движения без определенного постоянного ритма или с неправильным, нерациональным ритмом.

Пространственно-временные характеристики

По пространственно-временным характеристикам определяют, как изменяются положения и движения человека во времени, как быстро человек изменяет свои положения (скорость) и движения (ускорение).

Скорость точки и тела

Скорость точки - это пространственно-временная мера движения точки (быстроты изменения ее положения). Скорость равна первой производной по времени от расстояния в рассматриваемой системе отсчета:

Скорость точки определяется по изменению ее координат во времени. Скорость - величина векторная, она характеризует быстроту движения и его направление. Так как скорость движений человека чаще всего не постоянная, а переменная (движение неравномерное и криволинейное), для разбора упражнений определяют мгновенные скорости.

Мгновенная скорость - это скорость в данный момент времени или в данной точке траектории, как бы скорость равномерного движения на очень малом участке траектории около данной точки траектории. Мгновенную скорость можно себе представить как такую, которую сохранило бы тело с того момента, когда все силы перестали на него действовать. Средняя же скорость - это такая скорость, с которой точка в равномерном движении за то же время прошла бы весь рассматриваемый путь. Средняя скорость позволяет сравнивать неравномерные движения.

Скорость точки (линейная) в прямолинейном движении направлена по траектории, в криволинейном - по касательной к траектории в каждой рассматриваемой ее точке.

Скорость тела определяют по скорости его точек. При поступательном движении тела линейные скорости всех его точек одинаковы по величине и направлению. При вращательном движении определяют угловую скорость тела как меру быстроты изменения его углового положения. Она равна по величине первой производной по времени от углового перемещения:

Чем больше расстояние от точки тела до оси вращения (т. е. чем больше радиус), тем больше линейная скорость точки. Скорость вращательного движения твердого тела (в радианах) равна отношению линейной скорости каждой точки к ее радиусу (при постоянной оси вращения). Угловая скорость (со) для всех точек тела, кроме лежащих на оси, одинакова:

Значит, линейная скорость любой точки вращающегося тела, не лежащей на оси, равна его угловой скорости, умноженной на радиус вращения этой точки (расстояние от нее до оси вращения). Скорости сложного движения твердого тела можно определить по линейной скорости любого полюса и угловой скорости вращения тела относительно этого полюса (например, вокруг оси, проходящей через центр масс - ЦМ).

Скорость системы тел, изменяющей свою конфигурацию, нельзя определить таким же образом, как угловую скорость твердого тела. В этом случае определяют линейную скорость ОЦМ системы. Часто определяют линейные скорости точек звеньев тела (проекций осей суставов на поверхность тела). Кроме того, при изменениях позы определяют угловые скорости звеньев тела относительно суставных осей; эти скорости обычно изменяются по ходу движедия. Для биомеханического обоснования техники нужно в каждом случае выбрать, какие скорости каких звеньев и точек следует определить.

1 Надо всегда указывать, скорость какого объекта определяется (например, скорость бегуна), а не «скорость движения».

Ускорение точки и тела

Ускорение точки - это пространственно-временная мера изменения движения точки (быстрота изменения движения - по величине и направлению скорости). Ускорение точки равно первой производной по времени от скорости этой точки в рассматриваемой системе отсчета:

Ускорение точки определяется по изменению ее скорости во времени. Ускорение - величина векторная, характеризующая быстроту изменения скорости по ее величине и направлению в данный момент (мгновенное ускорение) 1 .

Касательное ускорение будет положительным, когда скорость точки увеличивается, и отрицательным, когда она уменьшается. Если касательное ускорение равно нулю, то скорость по величине постоянная. Если нормальное ускорение равно нулю, то направление скорости постоянное.

Угловое ускорение тела определяется как мера быстроты изменения его угловой скорости. Оно равно первой производной по времени от угловой скорости тела:

Различают ускорение тела линейное (в поступательном.движении) и угловое (во вращательном движении). Отношение линейного ускорения каждой точки вращающегося тела к ее радиусу равно угловому ускорению (е) в радианах в секунду в квадрате. Значит, линейное ускорение любой точки вращающегося тела равно по величине его угловому ускорению, умноженному на радиус вращения этой точки:

Ускорение системытел* изменяющей свою конфигурацию, определяется еще сложнее, чем скорость. Ускорение служит хорошим показателем качества приложенных усилий (рис. 6).

" Среднее ускорение за время движения, особенно в тех случаях, когда оно меняет знак, обычно не определяют, поскольку оно не характеризует достаточно подробности (детали) движения.

ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Все движения человека и движимых им тел под действием сил изменяются по величине и направлению скорости. Чтобы раскрыть механизм движений (причины их возникновения и ход их изменений), исследуют динамические характеристики. К ним относятся инерционные характеристики (особенности тела человека и движимых им тел), силовые (особенности взаимодействия звеньев тела и других тел) и энергетические (состояния и изменения работоспособности биомеханических систем).

Инерционные характеристики

Свойство инертности тел раскрывается в первом законе Ньютона: «Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы не изменят это состояние». Иначе говоря, всякое тело сохраняет скорость, пока ее не изменят силы.

Понятие об инертности

Любые тела сохраняют скорость неизменной при отсутствии внешних воздействий одинаково. Это свойство, не имеющее меры, и предлагается называть инерцией 1 . Разные тела изменяют скорость под действием сил по-разному. Это их свойство, следовательно, имеет меру: его называют инертностью. Именно инертность и представляет интерес, когда надо оценить, как изменяется скорость.

Инертность - свойство физических тел, проявляющееся в постепенном изменении скорости с течением времени под действием сил.

Сохранение скорости неизменной (движение как бы по инерции) в реальных условиях возможно только тогда, когда все внешние силы, приложенные к телу, взаимно уравновешены. В остальных случаях неуравновешенные внешние силы изменяют скорость тела в соответствии с мерой его инертности.

Масса тела

Масса тела - это мера инертности тела при поступательном движении. Она измеряется отношением величины приложенной силы к вызываемому ею ускорении.:

Измерение массы тела здесь основано на втором законе Ньютона: «Изменение движения прямо пропорционально извне действующей силе и происходит по тому направлению, по которому эта сила приложена».

Масса тела зависит от количества вещества тела и характеризует его свойство - как именно приложенная сила может изменить его движение. Одна и та же сила вызовет большее ускорение у тела с меньшей массой, чем у тела с большей массой 1 .

При исследовании движений часто бывает необходимо учитывать не только величину массы, но и, как говорится, ее распределение в теле 2 . На распределение материальных точек в теле указывает местоположение центра масс тела.

В абсолютно твердом теле имеются три точки, положения которых совпадают: центр масс, центр инерции и центр тяжести. Однако это совершенно различные понятия. В ЦМ пересекаются направления сил, любая из которых вызывает поступательное движение тела. Материальные точки, имеющие массы, расположены равномерно относительно линии действия таких сил, и поэтому вращательного движения не возникает. Следует учитывать, что если материальные точки тела, обладающие массами, отдалять от этой линии в противоположные стороны на равные расстояния, то положение центра масс от этого не изменится. Следовательно, понятие «центр масс» не полностью отражает распределение материальных точек в теле. Понятия о центре инерции (как точке приложения равнодействующей всех фиктивных сил инерции) и центре тяжести (как точке приложения равнодействующей всех сил тяжести) будут рассмотрены позже.

Момент инерции тела

Момент инерции тела - это мера инертности тела при вращательном движении. Момент инерции тела относительно оси равен сумме произведений масс всех материальных точек тела на квадраты их расстояний.

В деформирующейся системе тел, когда ее части отдаляются от оси вращения, момент инерции системы увеличивается. Инерционное сопротивление увеличивается с отдалением частей тела от оси вращения пропорционально квадрату расстояния. Поскольку материальные точки в теле расположены на разных расстояниях от оси вращения, для ряда задач удобно вводить понятие «радиус инерции».

Радиус инерции тела - это сравнительная мера инертности данного тела относительно его разных осей. Он измеряется корнем квадратным из отношения момента инерции (относительно данной оси) к массе тела:

" Масса, измеренная таким образом, называется инертной, измеренная путем взвешивания - тяжелой. Они количественно равны одна другой и отличаются только способами их определения.

2 Так как масса тела не само вещество, а его свойство, то, строго говоря, она не перемещается и не распределяется; перемещаются тела, обладающие массой; распределяются частицы (материальные точки) тела, обладающие массой.

Найдя опытным путем момент инерции тела, можно рассчитать радиус инерции, величина которого характеризует распределение материальных точек в теле относительно данной оси. Если мысленно расположить все материальные точки тела на одинаковых расстояниях от оси, получится полый цилиндр. Радиус такого цилиндра, момент инерции которого равен моменту инерции изучаемого тела, равен радиусу инерции. Он позволяет сравнивать различные распределения масс тела относительно разных осей вращения. Это удобно, когда рассматривают инертность одного тела относительно разных осей.

Знать о моменте инерции очень важно для понимания движения, хотя точное количественное определение этой величины в конкретных случаях нередко затруднено.

Силовые характеристики

Известно, что движение тела может происходить как под действием приложенной к нему движущей силы, так и без движущей силы (по инерции), когда приложена только тормозящая сила. Движущие силы приложены не всегда; без тормозящих же сил движения не бывает.

Для практических расчетов и теоретических исследований систем виброзащиты оператора используют динамические модели тела человека в виде аналитических соотношений (например, частотных характеристик) или в виде эквивалентных механических систем (как правило, с несколькими степенями свободы).

При экспериментальных исследованиях и испытаниях систем «человек-машина» в экстремальных условиях применяют специальные имитаторы (антропоморфные манекены), заменяющие человека-испытателя в опасных для него условиях.

Расчетные динамические модели, а также антропоморфные манекены должны быть эквивалентными телу человека по следующим основным показателям: а) геометрическим размерам и формам, б) распределению масс частей тела (в частности, по расположению центров масс частей тела, значениям этих масс и моментов инерции), в) видам соединений отдельных звеньев, г) упругим и демпфирующим свойствам

На рис. 1, а представлена примерная схема конструкции типичного манекена, а на рис. 1,б - усредненные антропометрические данные тела человека.

Усредненные инерционные характеристики отдельных частей (сегментов) тела человека приведены на рис. 2, Значения масс даны в процентах от общей массы человека; значения моментов инерции относительно осей, проходящих через центр масс сегмента, расположение центра масс указано в процентах от длины сегмента.

Положение общего центра масс зависит от позы, принимаемой человеком (рис. 3).

Соединения между отдельными звеньями тела человека (или эквивалентного манекена) представляют собой кинематические пары, обладающие различными степенями подвижности (в ограниченных пределах), Идеализированные схемы соединений Звеньев тела приведены в табл, 1.

(см. скан)

(кликните для просмотра скана)

(см. скан)

Наибольшие значения углов поворота некоторых частей тела, обусловленных подвижностью соответствующих суставов, даны в табл. 2.

Нужные для построения моделей тела человека основные физико-механические параметры , характеризующие упругодемпфирующие свойства тканей человека, триведены в табл, 3 (средние значения).

Рис. 3. Положение центра масс тела сидящего человека

(см. скан)

Зависимости напряжений от относительных деформаций для биологических тканей имеют нелинейный характер; в табл. 4 приведены эти зависимости, полученные для образцов мягких и костных тканей человека .

Характеристики крутильной жесткости элементов скелета человека приведены в табл. 5 в виде крутящего момента приложенного к торцовым сечениям элемента, в зависимости от угла взаимного поворота сечений .

Элективный курс

«Физика человека»

Пояснительная записка 2

Основное содержание курса 3-4

Тематическое планирование курса 5

Список литературы 6

Пояснительная записка

Программа курса носит практико-ориентированный характер с элементами научно-исследовательской деятельности.

Основные цели курса:

Показать учащимся единство законов природы, применимость законов физики к живому организму, перспективное развитие науки и техники, а также показать в каких сферах профессиональной деятельности им пригодятся полученные на спецкурсе знания.

Создать условия для формирования и развития интеллектуальных и практических умений у учащихся в области физического эксперимента.

Развивать познавательную активность и самостоятельность, стремление к саморазвитию и самосовершенствованию.

Задачи курса:

Способствовать формированию познавательного интереса к физике, развитию творческих способностей у учащихся.

Развивать интеллектуальную компетентность учащихся.

Формировать навыки выполнения практических работ, ведения исследовательской деятельности.

Совершенствовать навыки работы со справочной и научно популярной литературой.

По окончании изучения курса учащиеся должны знать:

Какие физические законы можно использовать при объяснении процессов, происходящих в организме человека.

Особенности своего организма с точки зрения законов физики. уметь:

Работать с различными источниками информации.

Наблюдать и изучать явления, описывать результаты наблюдений.

Моделировать явления, отбирать нужные приборы, выполнять измерения, представлять результаты измерений в виде таблиц, графиков, ставить исследовательские задачи.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

Содержание курса качественно отличается от базового курса физики. На уроках законы физики рассматриваются в основном на неживых объектах. Однако очень важно, чтобы у учащихся постепенно складывались убеждения в том, что, причинно-следственная связь явлений имеет всеобщий характер и что, все явления, происходящие в окружающем нас мире, взаимосвязаны. В курсе рассматриваются вопросы, направленные на развитие интереса к физике, к экспериментальной деятельности, формирование умений работать со справочной литературой. По окончании изучения курса учащиеся составляют "Физический паспорт человека".

Механические параметры человека 9ч.

Физика. Человек. Окружающая среда. Линейные размеры различных частей тела человека, их масса. Плотности жидкостей и твердых тканей, из которых состоит человек. Сила давления и давление в живых организмах.

Скорости проведения нервных импульсов. Законы движения крови в организме человека. Естественная защита организма от ускорения.

Проявление силы трения в организме человека, естественная смазка.

Сохранение равновесия живыми организмами. Центр тяжести тела человека. Рычаги в теле человека. Ходьба человека. Виды суставов. Деформация костей, сухожилий, мышц. Прочность биологических материалов. Строение костей с точки зрения возможности наибольшей деформации.

Тело человека в гравитационном поле Земли. Условия длительного существования человека на космической станции. Меры защиты летчиков и космонавтов от ускорения. Невесомость и перегрузки.

Работа и мощность, развиваемая человеком в разных видах деятельности. «Энергетика» и развитие человека. Применение закона сохранения энергии к некоторым видам движения человека.

Лабораторные работы.

1. Определение объема и плотности своего тела.

2. Определить среднюю скорость движения.

3. Определение времени реакции человека.

4. Градуировка динамометра и определение становой силы человека.

5. Определение коэффициентов трения подошв обуви человека о различные поверхности.

6. Определение мощности, развиваемой человеком.

Колебания и волны в живых организмах 2ч.

Колебания и человек. Происхождение биоритмов. Сердце и звуки, сопровождающие работу сердца и легких, их запись. Стетоскоп и фонендоскоп. Выстукивание - как один из способов определения размеров внутренних органов и их состояния. Радиоволны и человек.

Звук как средство восприятия и передачи информации. Орган слуха. Ультразвук и инфразвук. Область слышимости звука. Голосовой аппарат человека. Характеристики голоса человека. Слуховой аппарат.

Лабораторная работа.

7. Изучение свойств уха.

Тепловые явления 2 ч.

Терморегуляция человеческого организма. Роль атмосферного давления в жизни человека. Осмотическое давление. Изменение кровяного давления в капиллярах. Влажность. Органы дыхания.

Тепловые процессы в теле человека. Человек как тепловой двигатель. Энтропия и организм человека. Второе начало термодинамики и способность к самоорганизации.

Лабораторная работа.

8. Определение дыхательного объема легких человека.

9. Определение давления крови человека.

Электричество и магнетизм 2ч.

Электрические свойства тела человека. Биоэлектричество. Бактерии - первые электрики Земли. Фоторецепторы, электрорецепторы, биоэлектричество сна. Электрическое сопротивление органов человека постоянному и переменному току. Магнитное поле и живые организмы.

Лабораторная работа.

10. Определение сопротивления тканей человека постоянному и переменному электрическому току.

Оптические параметры человека 1ч.

Строение глаза человека. Сила аккомодации глаза. Оптическая сила. Дефекты зрения и способы их исправления. Особенности зрения человека. Разрешающая способность глаза человека. Как получается, что мы видим. Граммофонная пластинка и глаз. Для чего нам два глаза. Спектральная и энергетическая чувствительность глаза.

Лабораторная работа.

11. Наблюдение некоторых психофизиологических особенностей зрения человека.

12. Определение характеристических параметров зрения человека.

Система аттестации учащихся . После окончания изучения курса зачет ставится при выполнении следующих условий:

1. Активное участие в подготовке и проведении семинаров, конференций, выпуске газет, изготовлении моделей.

2. Выполнение не менее половины лабораторных работ.

3. Выполнение не менее одного экспериментального задания исследовательского или конструкторского характера.

4. Составление "Физического паспорта человека".

ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ КУРСА

Тема занятия

Количество часов

всего

теория

практика

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЧЕЛОВЕКА (9 Ч)

Физика. Человек. Окружающая среда.

Кинематика и тело человека.

Законы Ньютона в жизни человека.

Человек в условиях невесомости и

перегрузок

Прямохождение и опорно-двигательная система человека.

Проявление силы трения в организме человека.

Работа и мощность, развиваемая человеком в разных видах деятельности.

Статика в теле человека.

Давление и тело человека.

КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ (2 ч)

Колебания и человек.

ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ (1 Ч)

Тепловые процессы в теле человека.

Второе начало термодинамики.

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ. (2 Ч)

Электрические свойства тела человека

Магнитное поле и живые организмы.

ОПТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЧЕЛОВЕКА (1 Ч)

Глаз и зрение

Конференция.

Итого:

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Агаджанян Н.А. Ритм жизни и здоровье. - М.: Знание, 1975.

2. Безденежных Е.А., Брикман И.С. Физика в живой природе и медицине. - Киев, 1976.

3. Богданов К.Ю. Физик в гостях у биолога. - М., 1986.

5. Беркинблит М.Б. и др. Электричество в живых организмах. - М.: Наука, 1988.

6. Боярова О. и др. С головы и до пят. - М.: Детская литература, 1967.

7. Булат В.А. Оптические явления в природе. - М.: Просвещение, 1974.

8. Гальперштейн Л. Здравствуй физика! - М.: Просвещение, 1973.

9. Газенко О.Г., Безопасность и надежность человека в космических полетах.// Наука и жизнь. -1984 №3.

10. Енохович А.С. Справочник по физике. - М.: Просвещение, 1991.

11. Елькин В.И. Необычные учебные материалы по физике. - М.: Школа-Пресс, 2001.

12.. Ильченко В.Р. Перекрестки физики, химии биологии. - М.: Просвещение, 1986.

13. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. - М.: Просвещение, 1988.

14. Ланина И.Я. Внеклассная работа по физике. - М.: Просвещение, 1977.

15. Ланина И.Я. Не уроком единым. - М.: Просвещение, 1991.

16. Манойлов В.Е. Электричество и человек. -Л: Энергоатомиздат, 1988.

17. Мэрион Дж.Б. Общая физика с биологическими примерами. - М., 1986.

18. Популярная медицинская энциклопедия. - М., 1979.

19. Рыдник В.И. О современной акустике. - М.: Просвещение, 1979.

20. Сергеев Б.А. Занимательная физиология.- М.: Просвещение, 1977.

21. Силин А.А. Трение и мы. - М., 1987.

22. Синичкин В.П. Синичкина О.П, Внеклассная работа по физике. - Саратов: Лицей, 2002.

23. Суорц Кл.Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений, - М., 1986.

24. Хуторской А.В., Хуторская Л.Н. Увлекательная физика. - М.: АРКТИ, 2000.

25. Хрипкова А.Г. Физиология человека. - М.: Просвещение, 1971.

26. Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика. - М.: АСТ, 1998.

27. Мир физики. Занимательные рассказы о законах физики. С.Петербург «МиМ-Экспресс».1995

28. О.П. Спиридонов. СВЕТ. Физика, информация, жизнь. М. «Просвещение». 1993