Definicja parametrów mechanicznych człowieka. Przedmiot do wyboru „Fizyka Człowieka”. w tętnicach

Wstęp…………………………………………………………… .

I.Fizyka człowieka

1.1. Proste mechanizmy w organizmie człowieka…………………

1.2. Deformacje w organizmie człowieka ..................................................

1.3. Układ krążenia człowieka............................................

1.4. Dyfuzja w organizmie człowieka……………………………..

1,5. Adaptacja człowieka do różnych temperatur……….

1.6. Wilgotność powietrza i jej rola w organizmie człowieka............

1.7. Prawo zachowania i przemiany energii w organizmie człowieka …………………………………………………….

1.8. Zjawiska elektryczne w organizmie człowieka............................

1.9. Zmiany w organizmie człowieka…………………………….

1.10. Promieniowanie elektromagnetyczne w organizmie człowieka............

II.Część badawcza

Wniosek…………………………………………………………

Literatura

WSTĘP

Studiując fizykę, przeważnie myślimy o przyrodzie nieożywionej, a o przyrodzie żywej mówimy mimochodem. Ale jednocześnie żywa przyroda jest tak wyjątkowa i obowiązują w niej wszystkie prawa mechaniki, elektrostatyki, optyki, akustyki, termodynamiki i fizyki jądrowej.

Tak więc pszczoła usiadła na kwiatku i przypadkowo dotknęła pręcika, pylnik uderzył go w grzbiet i pyłek się rozsypał. Biolog zobaczy na tym przykładzie proces zapylania rośliny, natomiast fizyk zwróci uwagę na naturę ruchu pszczoły, wydawany przez nią dźwięk, działanie dźwigni - pręcika i swobodne opadanie pyłku .

A co możemy powiedzieć o samym organizmie człowieka! Jest tu tyle zjawisk fizycznych, takie pole działania!

Tutaj chór wykonuje piosenkę. Muzyk od razu zwróci uwagę na nuty produkowane przez śpiewaków, wysokość głosów, głośność i harmonię utworu. Fizyk dostrzeże w tym ruch oscylacyjny strun głosowych, rozchodzenie się fal dźwiękowych w ośrodku i ich interferencję, a także drgania błony bębenkowej w uchu słuchacza.

W swojej pracy chciałam po prostu spojrzeć na organizm ludzki oczami fizyka, a także poznać siebie, w miarę możliwości, w ramach szkolnej pracowni fizycznej. Oprócz fizyki moja praca będzie ściśle związana z szeregiem przedmiotów szkolnych: biologią, chemią, wychowaniem fizycznym i muzyką.

I. FIZYKA CZŁOWIEKA

1.1. PROSTE MECHANIZMY W ORGANIZMIE LUDZKIM

W ludzkim ciele wszystkie kości, które mają pewną swobodę ruchu, są dźwigniami. Na przykład kości kończyn, żuchwy, czaszki (punkt podparcia to pierwszy kręgosłup), paliczków palców. Połączenia szkieletowe są zwykle zaprojektowane tak, aby zwiększać prędkość przy utracie siły. Stosunek długości ramion elementu dźwigniowego szkieletu jest ściśle zależny od funkcji życiowych pełnionych przez ten narząd. Rozważmy warunki równowagi dźwigni na przykładzie czaszki (ryc. 1). Tutaj oś obrotu dźwigni O przechodzi przez połączenie czaszki z pierwszym kręgiem. Przed punktem podparcia, na stosunkowo krótkim ramieniu, działa siła ciężkości głowy R, z tyłu - siła F trakcji mięśni i więzadeł przyczepionych do kości potylicznej.

Innym przykładem działania dźwigni jest działanie łuku stopy podczas podnoszenia na półpalce (ryc. 2). Podporą O dźwigni, przez którą przechodzi oś obrotu, są głowy kości śródstopia.

Na kość skokową przykładana jest siła oporu R – ciężar całego ciała. Efektywna siła mięśniowa F, wykonywana podczas unoszenia ciała, przenoszona jest przez ścięgno Achillesa i przykładana do wypukłości kości piętowej.

Narządy elastyczne są powszechne w przyrodzie i mogą zmieniać swoją krzywiznę w szerokim zakresie (kręgosłup, palce). Ich elastyczność wynika albo z połączenia dużej liczby krótkich dźwigni z systemem prętowym, albo z połączenia elementów stosunkowo elastycznych z elementami pośrednimi, które łatwo ulegają odkształceniom. Kontrolę zginania zapewnia układ prętów podłużnych lub ukośnych (rys. 3, 4).

„Broń wżerowa”: paznokcie i zęby – w kształcie klina (zmodyfikowana pochyła płaszczyzna). Wiele z tych klinów ma bardzo gładkie, twarde powierzchnie (minimalne tarcie), co czyni je bardzo ostrymi (rys. 5).

1.2. DEFORMACJE W ORGANIZMIE LUDZKIM.

Organizm ludzki poddawany jest dość dużym obciążeniom mechanicznym, zarówno własnym ciężarem, jak i wysiłkiem mięśni powstającym podczas pracy. Co ciekawe, na przykładzie ciała ludzkiego można prześledzić wszelkiego rodzaju deformacje. Deformacjom kompresyjnym ulegają kręgosłup, kończyny dolne i osłony stóp; skręcenia – kończyn górnych, więzadeł, ścięgien, mięśni; deformacje zginające – kręgosłupa, kości miednicy, kończyn; deformacje skrętne - szyja podczas obracania głowy, tułów w dolnej części pleców podczas skręcania, ręce podczas obracania się i tak dalej.

Tabela pokazuje granice wytrzymałości różnych typów tkanek ludzkiego ciała i substancji dla różnych rodzajów odkształceń.

Rodzaj tkaniny lub substancji		Wytrzymałość na rozciąganie, N/m2	Wytrzymałość na ściskanie, N/m2
Zwarta substancja kostna
Gruba włóknista tkanka łączna (ścięgna, więzadła)
Tkanka nerwowa
Mięsień

Tabela pokazuje, że moduł sprężystości kości lub ścięgna po rozciągnięciu jest bardzo wysoki, ale w przypadku mięśni, żył i tętnic jest bardzo mały. Maksymalne naprężenie niszczące kość ramienną wynosi około 8 * 107 N\m2.

Tkanki łączne w więzadłach, płucach itp. Mają dużą elastyczność, na przykład więzadło karkowe można rozciągnąć ponad dwukrotnie.

Opór skrętny wzrasta bardzo szybko wraz ze wzrostem grubości, dlatego narządy przeznaczone do wykonywania ruchów skrętnych są zwykle długie i cienkie (szyja).

Podczas odchylania materiał jest rozciągany wzdłuż wypukłej strony i ściskany po wklęsłej części, środkowe części nie ulegają zauważalnym odkształceniom.

Dlatego w technologii belki pełne zastępuje się rurami, belki przekształca się w teowniki lub dwuteowniki; Oszczędza to materiał i zmniejsza ciężar instalacji. Jak wiadomo, kości kończyn mają strukturę rurową. Belka wygięta w górę i posiadająca niezawodne podpory, które nie pozwalają na rozsunięcie się jej końców (łuk), ma ogromną wytrzymałość w stosunku do sił działających na jej wypukłą stronę (sklepienia architektoniczne, beczki, w organizmach - skrzynia czaszkowa).

Sztuka budowania natury i ludzi rozwija się w oparciu o tę samą zasadę – oszczędność materiałów i energii. Wiadomo, że materiał twardy w kościach ułożony jest zgodnie z kierunkami naprężeń głównych. Można to wykryć, jeśli weźmiemy pod uwagę przekrój podłużny górnej części kości udowej (ryc. 6) i zakrzywioną belkę uginającą się pod wpływem obciążenia rozłożonego na pewnym obszarze górnej powierzchni. Co ciekawe, stalowa Wieża Eiffla swoją budową przypomina rurkowate kości człowieka (kość udową lub piszczelową). Podobieństwo widać w kształtach zewnętrznych konstrukcji oraz w kątach pomiędzy „belkami poprzecznymi” i „belkami” kości oraz zastrzałami wieży.

1.3. LUDZKI UKŁAD OKRĄGŁY.

Podczas operacji na sercu często zachodzi potrzeba czasowego wyłączenia go z krążenia i operowania na suchym sercu (ryc. 7). Sztuczny obieg krwi niezawodnie utrzymuje przez cały proces określoną minimalną objętość krwi w organizmie (około 4 - 5 litrów dla dorosłego pacjenta) i określoną temperaturę krążącej krwi.

Płucoserce składa się z dwóch głównych części: układu pompy i oksygenatora. Pompy pełnią funkcję serca - utrzymują ciśnienie i krążenie krwi w naczyniach organizmu podczas operacji. Dotleniacz pełni funkcje płuc i zapewnia nasycenie krwi tlenem na poziomie co najmniej 95% oraz utrzymuje ciśnienie parcjalne CO2. na poziomie milimetrów rtęci. Krew żylna z naczyń pacjenta jest przetaczana grawitacyjnie do oksygenatora zlokalizowanego poniżej poziomu stołu operacyjnego, gdzie zostaje nasycona tlenem, uwolniona od nadmiaru dwutlenku węgla, a następnie pompowana do krwioobiegu pacjenta za pomocą pompy tętniczej. AIK może na krótki czas zastąpić funkcje serca i płuc. Obecnie prawie wszystkie operacje serca wykonywane są z wykorzystaniem bajpasu krążeniowo-oddechowego. W niektórych przypadkach operację przeprowadza się przy umiarkowanej hipotermii (obniżeniu temperatury) ciała, co pozwala na dłuższe stosowanie AIC.

Obecnie naukowcy i inżynierowie zajmujący się medycyną pracują nad stworzeniem i zastosowaniem sztucznego serca.

Poprzez rewizję zjawiska kapilarne Należy podkreślić ich rolę w biologii, gdyż większość tkanek penetruje ogromna liczba naczyń włosowatych. To właśnie w naczyniach włosowatych zachodzą główne procesy związane z oddychaniem i odżywianiem organizmu, a także cała złożona chemia życia, ściśle związana ze zjawiskami dyfuzji.

Przedstawmy kilka danych dla organizmu ludzkiego.

Pole przekroju aorty wynosi 8 cm2, a całkowita powierzchnia wszystkich naczyń włosowatych wynosi około 3200 cm2, czyli powierzchnia naczyń włosowatych jest 400 razy większa niż powierzchnia aorty . W związku z tym zmniejsza się prędkość przepływu krwi – od 20 cm/s na początku aorty do 0,05 cm/s w kapilarze.

Średnica każdej kapilary jest 50 razy mniejsza niż średnica ludzkiego włosa, a jej długość wynosi niecałe 0,5 mm. W organizmie dorosłego człowieka znajduje się 160 miliardów naczyń włosowatych.

Całkowita długość naczyń włosowatych sięga 60–80 tys. Km; Średnio przez każdy milimetr kwadratowy przekroju mięśnia sercowego przechodzi do 2 tysięcy naczyń włosowatych

Fizycznym modelem układu sercowo-naczyniowego może być układ wielu rozgałęzionych rurek o elastycznych ściankach. Gdy się rozgałęziają, całkowity przekrój rurek wzrasta, a prędkość przepływu płynu odpowiednio maleje. Jednakże ze względu na to, że rozgałęzienie składa się z wielu wąskich kanałów, straty spowodowane tarciem wewnętrznym znacznie wzrastają, a ogólny opór ruchu cieczy (pomimo spadku prędkości) znacznie wzrasta.

1.4. DYFUZJA W ORGANIZMIE LUDZKIM

Największe wchłanianie pokarmu następuje w jelicie cienkim, którego ściany są do tego specjalnie przystosowane. Wewnętrzna powierzchnia jelita ludzkiego wynosi 0,65 m2. Pokryty jest kosmkami - mikroskopijnymi formacjami błony śluzowej o wysokości 0,2-1 mm, dzięki czemu rzeczywista powierzchnia jelita sięga 4-5 m2, czyli 2-3 razy większa od powierzchni jelita grubego. całe ciało. W procesie wchłaniania ważną rolę odgrywa dyfuzja.

ODDYCHANIE - przenoszenie tlenu z otoczenia do organizmu przez jego powłoki - zachodzi im szybciej, im większa jest powierzchnia kontaktu ciała z otoczeniem, i im wolniej, im grubsze i gęstsze są powłoki ciało. Z tego jasno wynika, że ​​małe organizmy, w których powierzchnia jest duża w porównaniu z objętością ciała, mogą w ogóle obejść się bez specjalnych narządów oddechowych, zadowalając się przepływem tlenu wyłącznie przez zewnętrzną powłokę (jeśli jest wystarczająco cienkie i nawilżone). W przypadku większych organizmów oddychanie przez skórę może być mniej więcej wystarczające tylko wtedy, gdy powłoka jest wyjątkowo cienka i ma grubą powłokę, konieczne są specjalne narządy oddechowe. Głównymi wymaganiami fizycznymi dla tych narządów są maksymalna powierzchnia i minimalna grubość oraz wilgotność powłoki. Pierwszy osiąga się poprzez liczne rozgałęzienia lub fałdy (pęcherzyki płucne, frędzlowy kształt skrzeli).

Jak oddycha człowiek? U człowieka w oddychaniu bierze udział cała powierzchnia ciała – od najgrubszego naskórka pięt po owłosioną skórę głowy. Szczególnie intensywnie oddycha skóra na klatce piersiowej, plecach i brzuchu. Co ciekawe, te obszary skóry są znacznie intensywniejsze niż płuca pod względem intensywności oddychania. Przy tej samej wielkości powierzchni oddechowej tlen może zostać tu pochłonięty o 28%, a dwutlenek węgla uwolniony nawet o 54% więcej niż w płucach. Jednak w całym procesie oddechowym udział skóry jest znikomy w porównaniu z płucami, ponieważ całkowita powierzchnia płuc, jeśli rozszerzy się wszystkie 700 milionów pęcherzyków płucnych, mikroskopijne pęcherzyki, przez ściany których zachodzi wymiana gazowa pomiędzy powietrzem a krwią wynosi około 90-100 m2, a powierzchnia całkowita Powierzchnia ludzkiej skóry wynosi około 90-100 m2, czyli 45-50 razy mniej.

Rytmiczne oddychanie klatką piersiową jeszcze nie oddycha, ale zapewnia oddychanie. Podczas wdechu, w wyniku pracy mięśni międzyżebrowych, zwiększa się objętość klatki piersiowej. W takim przypadku ciśnienie powietrza w płucach spada poniżej ciśnienia atmosferycznego: z powodu powstałej różnicy ciśnień następuje wdychanie. Następnie w wyniku rozluźnienia mięśni zmniejsza się objętość klatki piersiowej, ciśnienie w płucach staje się wyższe niż ciśnienie atmosferyczne - następuje wydech. Rycina 8 przedstawia schemat wymiany gazowej w płucach. Pokazuje to dyfuzję tlenu O2 i dwutlenku węgla CO2 przez ściany pęcherzyków płucnych.

CHOROBA KAZONOWA. Najbardziej intensywna dyfuzja zachodzi pomiędzy gazami lub pomiędzy gazem i cieczą. Gazy są adsorbowane na powierzchni cieczy, a następnie poprzez dyfuzję rozprzestrzeniają się po całej jej masie, czyli rozpuszczają się w niej. Przy niezbyt wysokich ciśnieniach masa gazu rozpuszczonego w cieczy jest wprost proporcjonalna do ciśnienia cząstkowego gazu nad nią. Kiedy ciśnienie gazu nad powierzchnią cieczy maleje, rozpuszczony w niej gaz uwalnia się w postaci pęcherzyków. Zjawisko to leży u podstaw choroby dekompresyjnej, która dotyka nurków. Wiadomo, że na głębokościach pod wodą nurek oddycha powietrzem o podwyższonym ciśnieniu, a jego krew jest nasycona gazami atmosferycznymi, zwłaszcza azotem. W wyniku gwałtownego spadku ciśnienia po powrocie na powierzchnię wody azot jest uwalniany z krwi w postaci pęcherzyków, które mogą przedostać się do małego naczynia krwionośnego. W takim przypadku może wystąpić całkowite zablokowanie naczyń krwionośnych. Zjawisko to nazywa się zatorowością gazową. Zablokowanie naczyń krwionośnych w ważnych narządach może mieć poważne konsekwencje dla organizmu. Aby tego uniknąć, należy bardzo powoli wyprowadzić nurka na powierzchnię (po 1 godzinie pracy na głębokości 80 m wynurzanie się zajmuje około 9 godzin) lub skorzystać ze specjalnych komór dekompresyjnych. Obecnie trwają prace nad urządzeniami wykorzystującymi mieszaninę helu i tlenu, które umożliwiają nurkowi szybszy powrót na powierzchnię.

1,5. PRZYSTOSOWANIE CZŁOWIEKA DO RÓŻNYCH TEMPERATUR.

Ze względu na właściwości cytoplazmy komórek wszystkie żywe istoty są w stanie żyć w temperaturach od 0 do 500 C. Większość siedlisk na powierzchni naszej planety ma temperaturę w tych granicach; dla każdego gatunku przekroczenie tych granic oznacza śmierć z powodu zimna lub gorąca.

Aby utrzymać stałą temperaturę ciała, człowiek musi albo zmniejszyć utratę ciepła poprzez skuteczną ochronę, albo zwiększyć produkcję ciepła. Osiąga się to na bardzo różne sposoby. Przede wszystkim ważny jest pokrowiec ochronny. Odzież ochronna człowieka polega na tym, że opóźnia prądy konwekcyjne, spowalnia parowanie, osłabia lub całkowicie zatrzymuje emisję promieniowania. Powszechnie znana jest również ochronna rola tłuszczu. Istnieją różne mechanizmy utrzymywania ciepła w niechronionych obszarach, działające na zasadzie wymiany ciepła w wiązkach naczyń krwionośnych, w miejscu styku żył i tętnic. Okazuje się, że im chłodniejszy klimat, tym krótsze uszy. Walka z przegrzaniem odbywa się głównie poprzez zwiększenie parowania. Różne warunki utrudniające parowanie zakłócają regulację wymiany ciepła z organizmu. Dlatego skóra, guma, cerata, odzież syntetyczna utrudniają regulację temperatury ogrzewania. Pocenie się odgrywa ważną rolę w termoregulacji organizmu, zapewnia stałą temperaturę ciała człowieka lub zwierzęcia. W wyniku parowania potu zmniejsza się energia wewnętrzna, dzięki czemu organizm się ochładza.

DLACZEGO PODCZAS UPAŁU BLEDZIMY NA NIEBIESKO CZERWONY, A KIEDY BLERZEJMY I TRZYMAMY SIĘ NA ZIMNIE? Wyjaśniono to w następujący sposób. Normalna temperatura otoczenia dla człowieka wynosi 18-200°C. Jeśli osiągnie temperaturę powyżej 250C, wówczas zakończenia nerwowe skóry odczuwające podrażnienie termiczne ulegają pobudzeniu, a dzięki sygnałom z centralnego układu nerwowego naczynia skórne rozszerzają się. Więcej krwi napływa do skóry z narządów wewnętrznych i zmienia ona kolor na czerwony. W niskich temperaturach otoczenia ciało zaczyna oddawać większość ciepła poprzez przewodzenie i promieniowanie. Skóra odbiera ciepło głównie z przepływającej krwi. Aby ograniczyć przenoszenie ciepła, naczynia krwionośne zwężają się, przez co bledniemy. Kiedy jest nam zimno, nasz organizm zwiększa uwalnianie energii do mięśni w wyniku przypadkowego skurczu poszczególnych grup włókien mięśniowych, co nazywamy dreszczami.

1.6. WILGOTNOŚĆ POWIETRZA I JEJ ROLA W ORGANIZMIE

OSOBA.

Za normalne dla życia człowieka uważa się powietrze o wilgotności względnej od 40 do 60%. Gdy w otoczeniu panuje temperatura wyższa niż temperatura ciała ludzkiego, dochodzi do wzmożonego pocenia się. Nadmierne pocenie prowadzi do wychłodzenia organizmu i ułatwia pracę w wysokich temperaturach. Jednak takie aktywne pocenie się jest dla człowieka sporym obciążeniem! Jeśli jednocześnie wilgotność bezwzględna jest wysoka, życie i praca stają się jeszcze trudniejsze (wilgotne tropiki, niektóre warsztaty, np. farbiarstwo).

Szkodliwa jest także wilgotność względna powietrza poniżej 40% przy normalnej temperaturze powietrza, gdyż prowadzi ona do zwiększonej utraty wilgoci z organizmu, co prowadzi do odwodnienia.

1.7. PRAWO OCHRONY I TRANSFORMACJI ENERGII

W ŻYCIU CZŁOWIEKA.

Badając prawo zachowania i przemiany energii, należy podkreślić rolę naukowca R. Mayera, który jako pierwszy sformułował je z pozycji lekarza-przyrodnika. Jego uwagę przykuły zjawiska zachodzące w organizmie człowieka. Zauważył różnicę w zabarwieniu krwi żylnej w krajach strefy umiarkowanej i tropikalnej i doszedł do wniosku, że „różnica temperatur” pomiędzy ciałem a otoczeniem powinna być ilościowo powiązana z różnicą w barwie obu typów krwi. krew, czyli tętnicza i żylna. Ta różnica w kolorze jest wyrazem ilości zużytego tlenu, czyli intensywności procesu spalania zachodzącego w organizmie. Interpretując te obserwacje w oparciu o zasadę, że „nic nie powstaje z niczego i nic w nic nie zamienia się, a przyczyna równa się skutku”, już w 1841 roku. Mayer wyraził podstawową ideę prawa zachowania i transformacji energii.

Szereg badań Mayera poświęconych jest identyfikacji procesów energetycznych. Mayer uważał, że źródłem oddziaływań mechanicznych i termicznych w żywym organizmie są procesy chemiczne zachodzące w nim w wyniku wchłaniania tlenu i pożywienia

Ustalając prawo zachowania i przemiany energii, pożądane jest zilustrowanie jego zastosowania w przypadku przemiany jednego rodzaju energii w inny, zachodzącej w organizmach żywych. Aby to zrobić, możesz skorzystać z tabeli przedstawiającej różne przemiany energii w żywych komórkach.

TRANSFORMACJA	GDZIE TO SIĘ DZIEJE?
	Komórki nerwowe, mózg
Energia dźwięku na energię elektryczną	Ucho wewnętrzne
Energia świetlna na energię elektryczną	Siatkówka oka
Energia chemiczna na energię mechaniczną	Komórki mięśniowe, nabłonek rzęskowy
Energia chemiczna na energię elektryczną	Narządy smaku i węchu

Należy zauważyć, że każdy żywy organizm jest otwartym układem termodynamicznym, dalekim od stanu równowagi. Interesujące jest także wykonywanie obliczeń przemian energetycznych w organizmie żywym oraz określanie efektywności niektórych procesów biologicznych. Wiemy, że pracę można wykonać albo zmieniając energię wewnętrzną układu, albo przekazując mu pewną ilość ciepła.

W organizmie żywym, niezależnie od tego, czy jest to cały organizm, czy poszczególne narządy (np. mięśnie), ze względu na dopływ ciepła z zewnątrz nie można wykonać pracy, to znaczy organizm żywy nie może pracować jako silnik cieplny. Można to wykazać za pomocą prostych obliczeń. Wiadomo, że silnik cieplny

gdzie T1 i T2 to odpowiednio temperatury źródła ciepła i lodówki w bezwzględnej skali temperatur.

Spróbujmy wyznaczyć temperaturę mięśnia (T1), zakładając, że pracuje on jak silnik cieplny, w temperaturze 250C ze sprawnością 30%. Podstawiając do wzoru temperaturę lodówki T2 = 298 K i zakładając sprawność = 1/3, otrzymujemy

T1 – 298 K 1

skąd T1 = 447K, czyli 1740C. Gdyby więc mięsień pracował jak silnik cieplny, nagrzałby się w tych warunkach do temperatury 1740C. Jest to oczywiście nierealne, ponieważ wiadomo, że białka ulegają denaturacji w temperaturach około 500°C. Zatem w żywym organizmie praca odbywa się poprzez zmianę energii wewnętrznej układu.

Ważność pierwszej zasady termodynamiki dla biologii można wykazać, izolowając żywy organizm od środowiska, zmieniając ilość wydzielanego przez niego ciepła i porównując go z termicznym efektem reakcji biochemicznych zachodzących w organizmie. W tym celu już w 1780 roku Lavoisier i Laplace umieścili świnkę morską w kalorymetrze i zmierzyli ilość wydzielonego ciepła i dwutlenku węgla. Następnie określono ilość ciepła wydzielającego się podczas bezpośredniego spalania oryginalnych produktów spożywczych. W obu przypadkach wartości były zbliżone.

Dokładniejsze wyniki uzyskano mierząc ilość ciepła dwutlenku węgla, azotu i mocznika wydzielanego przez człowieka. Na podstawie tych danych obliczono bilans metabolizmu białek, tłuszczów i węglowodanów. I tutaj zbieg okoliczności okazał się całkiem dobry.

Obecnie pomiary kalorymetryczne pozwalają na wyciąganie ważnych wniosków na temat życia człowieka i wyznaczają kierunek diagnozowania niektórych chorób. Niedawno powstała kamera termowizyjna – urządzenie, które wyraźnie pokazuje zmiany temperatury w organizmie człowieka. Metoda ta pozwala rozpoznać różnorodne dolegliwości związane z procesami zapalnymi, którym towarzyszy wzrost temperatury w danym obszarze ciała. Przedstawmy efektywność niektórych procesów biologicznych

PROCES BIOLOGICZNY	Efektywność %
Blask bakterii
Skurcz mięśnia
Fotosynteza

1.8. ZJAWISKA ELEKTRYCZNE W ORGANIZMIE LUDZKIM.

Jedną z najważniejszych funkcji żywego organizmu jest zdolność reagowania na zmiany w otoczeniu, zwana drażliwością. Na przykład pierwotniaki jednokomórkowe są w stanie reagować na zmiany temperatury lub oświetlenia za pomocą reakcji mechanicznej (ruch ameboidalny, ruch rzęsek i wici). Drażliwość jest najbardziej rozwinięta u zwierząt, które mają wyspecjalizowane komórki tworzące tkankę nerwową. Komórki nerwowe – neurony są przystosowane do szybkiej i specyficznej reakcji na różnorodne podrażnienia pochodzące ze środowiska zewnętrznego i tkanek samego organizmu. Odbiór i przekazywanie podrażnień następuje za pomocą impulsów elektrycznych rozprzestrzeniających się określonymi ścieżkami. Podczas rozwoju embrionalnego z ciała komórki nerwowej wyrasta długi wyrostek – akson, tworząc coś w rodzaju drutu telegraficznego służącego do przesyłania wiadomości (ryc. 9). U osoby dorosłej długość aksonu może sięgać 1–1,5 m przy grubości około 0,01 mm. Aksony są czasami porównywane do przewodów elektrycznych, ale w rzeczywistości sygnał elektryczny przemieszcza się wzdłuż nich inaczej niż przez przewód. Podczas gdy prąd płynie w miedzianym drucie z prędkością bliską prędkości światła, w aksonie impuls przemieszcza się z prędkością do 100 m/s. Zawartość aksonu ma specyficzny opór elektryczny, który jest około 100 milionów razy większy niż drut miedziany. Ponadto zdolność izolacyjna zewnętrznej błony aksonu wynosi około 1 milion. razy słabszy niż osłona dobrego kabla. Gdyby propagacja sygnału elektrycznego wzdłuż aksonu zależała wyłącznie od przewodności elektrycznej, wówczas wprowadzony do niego sygnał tłumiłby się w granicach kilku milimetrów

Osłona aksonu oddziela dwa roztwory wodne, które mają prawie taką samą przewodność elektryczną, ale inny skład chemiczny. W roztworze zewnętrznym ponad 90% naładowanych cząstek stanowią jony sodu (Na+) i chloru (Cl-). W roztworze wewnątrz ogniwa większość jonów dodatnich to jony potasu (K+), a jonów ujemnych to duże jony organiczne. Stężenie jonów sodu (Na+) na zewnątrz komórki jest 10 razy wyższe niż wewnątrz, a stężenie jonów potasu (K+) wewnątrz jest 30 razy wyższe niż na zewnątrz. Gdy membrana jest w stanie niewzbudzonym, jest wysoce przepuszczalna dla potasu i tylko nieznacznie przepuszczalna dla sodu. Ze względu na duży gradient stężeń jony potasu wydostają się z aksonu. W rezultacie powstaje różnica potencjałów wynosząca około 60 mV, a wewnętrzna zawartość ogniwa jest naładowana ujemnie w stosunku do roztworu zewnętrznego. Ta różnica potencjałów nazywana jest potencjałem spoczynkowym komórki nerwowej.

Każda zmiana przepuszczalności membrany dla jednego z jonów może prowadzić do zmiany potencjału. Dokładnie tak się dzieje, gdy impuls elektryczny przemieszcza się wzdłuż aksonu. Jeśli pobudzisz akson bardzo słabym prądem elektrycznym, zaniknie on po przebyciu zaledwie kilku milimetrów wzdłuż włókna. Jeśli zwiększysz intensywność sygnału elektrycznego docierającego do błony komórki nerwowej, wówczas począwszy od pewnego poziomu sygnału, sygnał ten nie zaniknie. Prąd zmniejsza potencjał spoczynkowy w punkcie, przez który przechodzi, a potencjał spoczynkowy spada do zera; membrana ulega depolaryzacji. W odpowiedzi na spadek potencjału przepuszczalność membrany dla sodu gwałtownie wzrasta. Prowadzi to do dalszego zmniejszenia potencjału. Jony sodu przedostają się z otaczającego płynu do aksonu. W rezultacie potencjał ujemny o wartości około 60 mV zostaje zastąpiony potencjałem dodatnim o wartości około 50 mV. Ten nowy stan oznacza pojawienie się potencjału czynnościowego. Akson generuje własny impuls, który rozchodzi się ze stałą prędkością na całej swojej długości od jednego końca do drugiego. Natychmiast po wystąpieniu potencjału zmniejsza się wpływ przepuszczalności błony dla sodu, a zwiększa się dla potasu, po czym potencjał w tym obszarze powraca do poziomu spoczynkowego.

WZMACNIACZE BIOLOGICZNE. Informacje ze świata zewnętrznego i wewnętrznego odbierane są przez tzw. receptory, które są powiązane z neuronami dośrodkowymi, czyli wrażliwymi. Każdy receptor odbiera tylko jeden rodzaj energii: receptory oka odbierają lekkie wibracje elektromagnetyczne, receptory ucha odbierają dźwięk, receptory skóry wykrywają stymulację mechaniczną lub temperaturową. A w skórze ich funkcje są podzielone: ​​niektóre reagują tylko na dotyk, inne na nacisk, inne na rozciąganie itp. Receptory temperatury również są wyspecjalizowane: niektóre reagują na zimno, inne na ciepło.

W wyniku stymulacji powstają impulsy nerwowe, których charakter jest taki sam. Impuls nerwowy przemieszczający się wzdłuż nerwu słuchowego nie różni się pod względem biofizycznym od impulsu nerwowego przemieszczającego się do mózgu z receptora wzrokowego, czuciowego lub dotykowego. Sygnały nie są mieszane. Podążają określonymi ścieżkami i kończą w określonych ośrodkach. W percepcji biorą udział nie tylko receptory, ale także nerwy, przez które pobudzenie trafia do mózgu, który to pobudzenie odbiera. Cała otrzymana energia zamieniana jest na strumień impulsów nerwowych i przekształcana w formę dostępną do kodowania. Czułość analizatorów jest niesamowita. Organizmy posiadają swego rodzaju „wzmacniacze”, czyli urządzenia obniżające ich próg wrażliwości. Aby było jasne ich działanie, przypomnijmy jeden przykład. Kiedy myśliwy pociąga za spust broni, przykłada niewielką siłę. Ale pocisk wypycha gazy, które powodują zapłon prochu, a energia kinetyczna lecącego pocisku staje się znacząca! Podobnie obniża się próg wrażliwości organizmu. Na przykład oko jest w stanie dostrzec kilka kwantów światła! Podobne procesy zwiększania czułości zachodzą nie tylko w analizatorach wizualnych, ale także w innych analizatorach.

REJESTRACJA BIOPOTENCJAŁÓW. Biopotencjały to różnice potencjałów elektrycznych powstające w komórkach, tkankach i narządach żywego organizmu. Biopotencjały poszczególnych komórek tworzących daną tkankę lub organizm, po zsumowaniu, tworzą wynikową różnicę potencjałów, której zmiana w czasie jest charakterystyczna dla tkanki lub narządu. Tę różnicę potencjałów można zmierzyć lub zarejestrować za pomocą specjalnie umieszczonych elektrod. Różnica potencjałów z elektrod jest doprowadzana do wzmacniacza, a następnie rejestrowana na ruchomej taśmie rejestrującej.

Ponieważ biopotencjały bardzo subtelnie odzwierciedlają stan funkcjonalny narządów i tkanek, ich rejestracja w późniejszych badaniach jest bardzo powszechną techniką w badaniach fizjologicznych i diagnozowaniu chorób. Najczęstszymi zapisami są potencjały serca (EKG – elektrokardiografia), mózgu (EEG – elektroencefalografia), a także pni nerwów obwodowych i mięśni (EMG – elektromiografia).

Potencjały powstające podczas pracy serca rejestrowane są za pomocą elektrod umieszczonych w określonych miejscach na powierzchni ciała, gdzie podczas pracy serca powstaje duża różnica biopotencjałów.

Elektrokardiogram jest złożoną asymetryczną krzywą. Jego częstotliwość jest powiązana z tętnem i zwykle mieści się w przedziale 60 – 80 uderzeń na minutę. Na rysunku pokazano elektrokardiogram zdrowej osoby.

Do rejestracji biopotencjałów mózgu wykorzystuje się elektroencefalograf. Biopotencjały mózgu usuwane są za pomocą elektrod umieszczonych w różnych punktach skóry głowy. Częstotliwości oscylacji zależą od stanu ciała. Na rysunku przedstawiono elektroencefalogram. Pewne zaburzenia mózgu powodują pewne zmiany w bioprądach. Ta zależność natury prądów od stanu ciała pozwala naukowcom badać procesy zachodzące w ludzkim mózgu. I nie tylko po to, żeby się uczyć, ale czasami, żeby ocenić, czy jest zdrowy, czy chory i jaka jest natura choroby.

NIEKTÓRE ZASTOSOWANIA BIO-TAŃCA. Ważnym i ciekawym przykładem nowej technologii medycznej jest wszczepiany pod skórę stymulator serca (rozrusznik serca). W najprostszej postaci jest to generator krótkotrwałych impulsów o stałej częstotliwości i własnym źródle zasilania, zamontowany w obudowie o wymiarach 5*8 cm, pokrytej biologicznie obojętnym polimerem. Masa stymulatora wynosi 100 g. Stymulator wszczepia się pod skórę w dogodnym miejscu, a wychodzące z niego druty pokryte gumą silikonową wprowadza się do mięśnia sercowego i mocuje się do niego za pomocą małych haczyków – zacisków, które służą jako elektrody. Częstotliwość impulsów wynosi 60–70 na minutę, czas trwania (zgodnie z parametrami pobudliwości elektrycznej mięśnia sercowego) wynosi około 1–3 cm, natężenie prądu w impulsach wynosi 3–5 mA.

W ostatnim czasie nauka osiągnęła wielki sukces w ratowaniu osoby, która przeszła w stan śmierci klinicznej – reanimacji. Wyniki jego badań coraz częściej wykorzystywane są w praktyce karetek pogotowia i szpitalach. W stanie obumierania organizmu elektrokardiogram zmienia kształt, amplitudę i odstępy pomiędzy poszczególnymi cyklami. Jednak dopóki aktywność elektryczna serca pozostaje, walka o życie umierającego trwa.

WŁAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNE TKANINY. Tkanki organizmów żywych mają bardzo niejednorodny skład. Substancje organiczne tworzące gęste części tkanek są dielektrykami. Jednakże ciecze zawierają oprócz koloidów organicznych roztwory elektrolitów i dlatego są stosunkowo dobrymi przewodnikami.

Specyficzną przewodność elektryczną różnych tkanek ludzkiego ciała przy prądzie stałym można scharakteryzować na podstawie przybliżonych danych podanych w tabeli.

	PRZEWODNOŚĆ WŁAŚCIWA Ohm-1*m-1
Płyn mózgowo-rdzeniowy
Surowica krwi
Narządy wewnętrzne
Mózg i tkanka nerwowa
Tkanka tłuszczowa
Sucha skóra
Kość bez okostnej

Płyn mózgowo-rdzeniowy i surowica krwi mają najwyższą przewodność elektryczną; przewodnictwo elektryczne narządów wewnętrznych, a także mózgu (nerwowego), tkanki tłuszczowej i łącznej jest znacznie mniejsze. Słabymi przewodnikami, które należy zaliczyć do dielektryków, są warstwa rogowa skóry, ścięgna, a zwłaszcza tkanka kostna bez okostnej.

Przewodność elektryczna skóry, przez którą prąd przepływa głównie kanałami gruczołów potowych i częściowo łojowych, zależy od grubości i stanu jej powierzchniowej warstwy. Skóra cienka i szczególnie wilgotna, a także skóra z uszkodzoną zewnętrzną warstwą naskórka, dobrze przewodzi prąd. Wręcz przeciwnie, sucha i szorstka skóra jest bardzo słabym przewodnikiem.

Prąd elektryczny przepływający przez organizm człowieka drażni i pobudza żywą tkankę ludzką. Stopień zachodzących zmian zależy od siły prądu i jego częstotliwości. Za bezpieczny dla człowieka uważa się prąd o natężeniu 1 mA. Przepływ prądu przemysłowego (częstotliwość 50 Hz) 3 mA przez ciało człowieka powoduje lekkie mrowienie w palcach dotykających przewodnika. Prąd o natężeniu 3–5 mA powoduje uczucie podrażnienia na całej dłoni. Prądy o natężeniu 8–10 mA powodują mimowolne skurcze mięśni dłoni i przedramienia. Prądy maksymalne = 13 mA, przy których człowiek jest w stanie samodzielnie uwolnić się od kontaktu z elektrodami, nazywane są prądami wyzwalającymi. Mimowolne skurcze mięśni prądem o natężeniu około 15 mA nabierają takiej siły, że rozluźnienie ręki staje się niemożliwe (prąd nierozluźniający). Przy prądach 0,1 - 0,2 A dochodzi do przypadkowych skurczów mięśnia sercowego, co prowadzi do śmierci osoby.

W warunkach osłabiających właściwości izolacyjne skóry (mokre dłonie, rany, duże powierzchnie kontaktowe) napięcia o wartości 100–120 V lub niższej mogą być śmiertelne. Dlatego w wielu gałęziach przemysłu niskie napięcie wykorzystywane jest w zawodach masowych. Na przykład do instalacji elektrycznych stosuje się lutownice przeznaczone do napięcia 24 V. W wilgotnych pomieszczeniach można pracować przy napięciu nie większym niż 12 V.

1.9. WIBRACJE W CZŁOWIEKU.

W żywym organizmie narządy, tkanki i komórki pracują rytmicznie. Nawet błona komórkowa umożliwia przepływ jonów w określonym rytmie. Zaburzenia rytmu są oznaką zakłócenia funkcji życiowych organizmu. System rytmu jest wielopoziomowy. Na niższym poziomie występują rytmy komórkowe i subkomórkowe. Bardziej złożone rytmy tkankowe stanowią podstawę rytmicznej aktywności narządów, a te ostatnie określają rytm organizmu jako całości. Mieszkańcy planety Ziemia od milionów lat przystosowują się do jej ruchu wokół własnej osi, gdy dzień ustępuje miejsca nocy. Sen, czuwanie, jedzenie, wzrost i spadek wydajności zależą od ruchu Ziemi. Każdy organizm podlega także okresowości sezonowej, którą wyznacza ruch Ziemi wokół Słońca oraz nachylenie osi obrotu Ziemi do płaszczyzny orbity Ziemi.

Dlaczego żywe organizmy potrzebują „zegarów”? Dla najlepszego dostosowania do okresowych warunków zewnętrznych. Ważną cechą układów oscylacyjnych jest zdolność do wzajemnej synchronizacji. Tylko dzięki temu możliwe jest prawidłowe dostrojenie systemów żywych i z mnóstwa słabo sprzężonych procesów oscylacyjnych powstaje harmonia zjawiska okresowego.

Serce jest przykładem układu oscylacyjnego występującego w naturze żywej. Serce jest jednym z najdoskonalszych tego rodzaju układów oscylacyjnych. O prawidłowym funkcjonowaniu serca decyduje synchroniczna praca całej grupy mięśni zapewniających zmienny skurcz komór i przedsionków. Synchronizacją tej pracy „zarządza” specjalny narząd, tzw. węzeł zatokowy, który wytwarza synchronizujące impulsy napięcia elektrycznego o określonej częstotliwości. Jeśli synchroniczny tryb skurczu mięśnia sercowego zostanie zakłócony, mogą wystąpić tak zwane migotania - chaotyczne skurcze poszczególnych włókien mięśnia sercowego, które, jeśli nie zostaną podjęte środki nadzwyczajne, prowadzą do śmierci organizmu. Do pilnych działań należy przymusowa synchronizacja serca za pomocą specjalnego masażu lub impulsów elektrycznych ze specjalnego generatora. Obecnie do organizmu wszczepia się nawet miniaturowy elektroniczny generator impulsów synchronizujących.

Przykładem drgań w organizmie człowieka jest błona bębenkowa narządu słuchu. Wibracje powietrza docierające do ucha człowieka powodują drgania o tej samej częstotliwości w błonie bębenkowej. Wibracje te przenoszone są dalej poprzez młotek, kowadło i strzemiączek.

1.10. PROMIENIOWANIE ELEKTROMAGNETYCZNE

W CZŁOWIEKU.

Rola pól elektromagnetycznych w przyrodzie ożywionej jest niezwykle zróżnicowana: ich wpływ na aktywność życiową organizmów, połączenia elektromagnetyczne między organizmami, a także pole elektromagnetyczne jako środek lokalizacji.

Organizmy wielu różnych gatunków wykazują niezwykle wysoką wrażliwość na pola elektromagnetyczne, zwłaszcza te, które znajdują się blisko naturalnych pól biosfery: pola geomagnetyczne i geoelektryczne, pola atmosferyczne i rozbłyski słoneczne. Pod wpływem pola elektromagnetycznego dochodzi do zaburzenia szeregu funkcji fizjologicznych – rytmu serca, ciśnienia krwi, procesów metabolicznych, zmian stanu emocjonalnego, zmysłu dotyku, wzroku, percepcji sygnałów dźwiękowych.

Obecnie badane są zagrożenia zawodowe związane z różnymi typami pól elektromagnetycznych. W większym stopniu zbadano kwestię możliwego wpływu pól elektromagnetycznych wytwarzanych przez nadajniki radiowe i telewizyjne oraz atmosferycznego tła radiowego na ludzi. Tymczasem poziom tych złóż w ostatnim czasie gwałtownie wzrósł.

Bardzo interesujące są obserwacje oddziaływań elektromagnetycznych wewnątrz organizmów i pomiędzy nimi. Niedawno odkryto nieznane wcześniej oscylacje elektromagnetyczne generowane przez ludzkie serce; Odkryto i zbadano elektromagnetyczny układ regulacji kręgosłupa, który wiąże się ze specyficznym rozkładem potencjałów powierzchniowych.

II. CZĘŚĆ BADAWCZA

2.1. FIZYCZNE I ANTROPOMETRYCZNE

WSKAŹNIKI LUDZKIE

Najpierw spójrzmy na Księgę Rekordów Guinnessa i zainteresujmy się wzrostem, wagą i innymi wskaźnikami ludzi.

Giganci:

1.Robert Pershing Wadlow (USA) miał wzrost 272 cm, rozpiętość

ramiona 288 cm, waga 222,7 kg, buty – 47 cm, długość dłoni – 32,4 cm.

2. Gabriel Estavao Monyane (Mozambik, ur. 19944) wzrost

245 cm, waga 189 kg.

Krasnoludy:

1. Pauline Masters (Holandia) miała wzrost 59 cm, wagę 3,4 kg.

2. Colvin Phillips (USA) w wieku 19 lat miał wzrost 67 cm, wagę z ubraniem 5,4 kg.

Grubi ludzie:

1. Ion Brower Minnoka (USA) miał wzrost 185 cm. W 1963 r. ważył 181 kg, w 1966 r. – 317 kg, w 1976 r. – 442 kg, w marcu 1978 r. – 625 kg. Aby obrócić go na łóżku, potrzeba było 13 osób.

2. Najcięższe życie – Kent Nicholson. Waży 407 kg, klatka piersiowa 305 cm, talia – 294 cm, biodra – 178 cm, szyja – 75 cm.

Pamięć ludzka jest w stanie przechować tyle informacji, ile jest w stanie pomieścić największa biblioteka.

A. Makedonsky znał z widzenia każdego ze swoich 30 tysięcy żołnierzy.

Heinrich Schliemann potrafił opanować język obcy w ciągu 6-8 tygodni.

Naukowiec i fizyk Abraham Fedorowicz Ioffe korzystał z tabeli logarytmów z pamięci.

Interesujące informacje na temat ludzkiego ciała można znaleźć także w książce „Fizyka w tablicach”.

Parametry mechaniczne	Wartość numeryczna
1. Średnia gęstość ludzka 2. Średnia prędkość krwi - w tętnicach - w żyłach 3. Szybkość rozprzestrzeniania się podrażnienia wzdłuż nerwów 4. Ciśnienie w tętnicy ramienia osoby dorosłej - niższy (na początku fazy skurczu serca) - górny (pod koniec fazy skurczu serca) 5. Siła wytworzona przez bijące serce - w początkowej fazie skurczu - w końcowej fazie skurczu 6. Dzienna praca serca 7. Masa krwi wyrzucana przez serce dziennie 8. Moc rozwijana podczas szybkiego chodzenia	1036 kg/m3 0,2 – 0,5 m/s 0,1 – 0,2 m/s 40 – 100 m/s 9,3 kPa (70 mmHg) 120 mmCZ 86 400 J 5200 kg 200 W
Parametry elektryczne	Wartość numeryczna
1. Specyficzna odporność tkanek organizmu - wierzchnia warstwa suchej skóry - krew - mięśnie 2. Stała dielektryczna - sucha skóra - krew 3. Ludzki opór od końca jednego ramienia do końca drugiego 4. Aktualna siła przez ciało ludzkie - bezpieczna - zagrażający życiu 5. Bezpieczne napięcie elektryczne - suchy pokój - wilgotny pokój	3,3*105 omów*m 1,8 oma*m 1,5 oma*m 15 000 omów 0,001 A
Parametry optyczne	Wartość numeryczna
Współczynnik załamania soczewki Moc optyczna - obiektyw - tylko oczy 3. Ciśnienie wewnątrzgałkowe 4. Liczba pręcików w siatkówce 5. Liczba czopków w siatkówce 6. Minimalny rozmiar obrazu obiektu na siatkówce 7. Czas utrzymywania wrażenia wzrokowego przez oko 8. Długość fali światła, na którą oko jest najbardziej wrażliwe 9. Średnica gałki ocznej osoby dorosłej 10. Średnica źrenicy - w świetle dziennym - w oświetleniu nocnym	104 kPa (780 mmHg) 130 000 000 7 000 000 0,002 mm 555 nm 24-25 mm 2-3 mm 6-8 mm
Parametry akustyczne	Wartość numeryczna
1. Częstotliwość fal dźwiękowych słyszanych przez człowieka	17 – 20 000 Hz
Parametry promieniowania	Wartość numeryczna
1. Dopuszczalna dawka promieniowania 2. Dawka promieniowania spowodowana chorobą popromienną Śmiertelna dawka promieniowania	do 0,25 Gy 1-6 g 6-10 gr

2.2. EKSPERYMENT LABORATORYJNY

PRACA LABORATORYJNA nr 1

TEMAT: „Wyznaczanie wskaźników wzrostu człowieka.”

CEL: określenie wzrostu, klatki piersiowej, talii, bioder, ramion, głowy, nadgarstka, szyi, bioder.

WYPOSAŻENIE: miarka.

POSTĘP

NIE.	Parametr pomiarowy			L + ΔL
				163 + 0,5
	Obwód klatki piersiowej wdechu			86 + 0,5
	Obwód klatki piersiowej podczas wydechu			80 + 0,5
	Obwód talii			69 + 0,5
	Obwód ramion			25,5 + 0,5
	obwod uda			85 + 0,5
	Obwód goleni			34 + 0,5
	Obwód nadgarstka			15,5 + 0,5
	Obwód głowy			54 + 0,5
	Obwód szyi			35 + 0,5

Wniosek: Zmierzyłam swój wzrost i w porównaniu z tabelą czechosłowackich badaczy Sramkovej, Zeleznego i Prokopetsa okazało się, że mam proporcjonalny rozwój, ale wysoką dziewczyną nigdy nie będę

PRACA LABORATORYJNA nr 2

TEMAT: „Wyznaczanie średniej mocy rozwijanej podczas biegu na 30 m

kucać i biegać po schodach”.

WYPOSAŻENIE: waga, linijka, lina z ciężarkami, stoper.

POSTĘP

a) moc przy biegu na dystansie 30 metrów

1. Zmierzmy masę ciała m.

2. Zmierzmy czas działania t.

3. Obliczmy moc średnią Nav korzystając ze wzoru Nav = 2mS2 / t3 uwzględniając zależność S=vav t = vt / 2.

Nav = 2 * 55kg * (30m)2 / (6,19 s)3 = 2583,77W

Obliczmy błąd.

Nav zależy od m, t i S.

Δm = 0,1 kg Δt = 0,005 s ΔS = 0,5 cm = 0,005 m

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

ΔN = Nawigacja * ε = 2583,77 W * 0,17 = 448,34 W

Wniosek: Określiłem średnią moc rozwiniętą podczas biegu na 30 metrów i okazała się równa

Nawigacja = 2583,77 + 448,34 W

b) średnia moc podczas przysiadu

1. Zmierz wysokość dolnej części pleców H

2. Zmierz wysokość swojego ciała h w pozycji „przykucniętej”.

4. Zróbmy n przysiadów w czasie t

5. Oblicz moc średnią korzystając ze wzoru N = n*m*g *(N – 0,5*h) / t

Obliczmy błąd.

Nav zależy od m, t, h i H.

Δm = 0,1 kg Δt = 0,005 s ΔH = 0,5 cm = 0,005 m Δh = 0,5 cm = 0,005 m

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 = Nav * ε = 274,25 W * 0,012 = 3,29 W

Wniosek: Określiłem średnią moc rozwiniętą podczas przysiadu i okazała się równa

Nawigacja = 274,25 + 3,29 W

c) średnia moc podczas wchodzenia po schodach

1. Zmierz wysokość drabiny h, opuszczając ciężarek na linie

2. Wyznacz czas t wchodzenia po schodach

3. Zmierzmy masę naszego ciała m

4. Oblicz średnią moc Nav

Obliczmy błąd.

Nav zależy od m, t, h.

Δm = 0,1 kg Δt = 0,005 s Δh = 0,5 cm = 0,005 m

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

ΔN = Nav * ε = 328,63 W * 0,004 = 1,31 W

Wniosek: Określiłem średnią moc rozwiniętą podczas wchodzenia po schodach i okazała się ona równa

Nawigacja = 328,63 + 1,31 W

PRACA LABORATORYJNA nr 3

TEMAT: „Siła ramion podczas wykonywania ćwiczeń na drążku poziomym.”

WYPOSAŻENIE: waga, łaźnia wodna, miarka.

POSTĘP

1. Zmierzmy masę ciała m.

2. Wisząc na drążku na siłowni jedną ręką, poczuj napięcie mięśni ramion.

3. Oblicz siłę ciężkości działającą na ciało korzystając ze wzoru Ft = mg

4. Określ objętość swojego ciała Vt.

5. Wyznaczmy siłę wyporu działającą na ciało z powietrza ze wzoru Fa =ρ ggVt, przyjmijmy, że gęstość powietrza wynosi 1,29 kg/m3.

6. Obliczmy siłę naszej ręki korzystając ze wzoru F = F t - Fa a.

Obliczmy błąd.

Ft zależy od m i Vt.

Δm = 0,1 kg ΔV= 0,0005 m3

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

ΔF = Ft * ε = 539 N * 0,002 = 1,08 N

Wniosek: Określiłem siłę ramienia wisząc na drążku i okazała się równa

F = 539 + 1,08 N

PRACA LABORATORYJNA nr 4

TEMAT: „Wyznaczanie pracy mechanicznej podczas skoku wzwyż.”

WYPOSAŻENIE: waga, linijka, bar.

POSTĘP

1. Zmierzmy masę ciała m.

2. Zmierz wysokość dolnej części pleców H. (Środek ciężkości na poziomie dolnej części pleców).

3. Zmierzmy wysokość drążka h, przez który chcę przeskoczyć.

4. Zróbmy krok naprzód

5. Obliczmy idealną pracę mechaniczną A = mg (h – H).

Obliczmy błąd.

A zależy od m, H i h.

Δm = 0,1 kg ΔН= 0,005 m Δh= 0,005 m

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

ΔA = A * ε = 10,78 J * 0,0113 = 0,12 J

Wniosek: Określiłem pracę mechaniczną podczas skoku wzwyż i okazała się ona równa

A = 10,78 + 0,12 J

PRACA LABORATORYJNA nr 5

TEMAT: „Wyznaczanie pracy mechanicznej i siły ręki podczas wspinania się po linie.”

WYPOSAŻENIE: waga, linijka, stoper, lina.

POSTĘP

1. Zmierzmy masę ciała m.

2. Na sali gimnastycznej będziemy wspinać się po linie bez użycia nóg i notować czas wejścia t.

3. Zmierz wysokość liny h.

4. Obliczmy idealną pracę mechaniczną A = mgh.

5. Oblicz moc podczas podnoszenia N = A / t

Obliczmy błąd.

A zależy od m i h.

Δm = 0,1 kg Δh= 0,005 m

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

ΔA = A * ε = 1401,4 J * 0,004 = 5,61 J

N zależy od m, t i h.

Δm = 0,1 kg Δh= 0,005 m Δt = 0,005 s

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 J * 0,005 = 0,75 W

Wniosek: Wyznaczyłem pracę mechaniczną i moc podczas wspinania się po linie i okazały się one równe

A = 1401,4 + 5,51 JN = 150,04 + 0,75 W

PRACA LABORATORYJNA nr 6

TEMAT: „Wyznaczanie nacisku wywieranego na podłogę.”

WYPOSAŻENIE: waga, papier w kratkę, ołówek.

POSTĘP

1. Zmierzmy masę ciała m.

2. Odrysuj podeszwę butów na kartce papieru

3. Policz liczbę komórek pełnych N1 i liczbę komórek niekompletnych N2 i oblicz pole powierzchni podeszwy buta korzystając ze wzoru

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

4. Oblicz ciśnienie na podłogę, korzystając ze wzoru P = mg / (2 * S).

Obliczmy błąd.

P zależy od m i S.

Δm = 0,1 kg ΔS = 0,0001 m 2

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

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

Wniosek: Określiłem nacisk mojego ciała na podłogę i okazało się, że jest równy

P = 13289 + 30,56 Pa

PRACA LABORATORYJNA nr 9

TEMAT: „Oznaczanie pojemności życiowej płuc.”

CEL: Eksperymentalne określenie objętości wydychanego powietrza

w jednym cyklu.

WYPOSAŻENIE: miarka, okrągła dmuchana piłka.

POSTĘP

1. Wdychaj powietrze i wydychaj je jak najwięcej w nadmuchiwaną gumową kulkę.

2. Zmierz obwód kuli L.

3. Powtórzmy doświadczenie 10 razy. Wyniki pomiarów wpiszemy do tabeli.

4. Oblicz objętość powietrza w kuli, korzystając ze wzoru

V = π * R 3, gdzie R = L / (2 * π)

Wzór ogólny V = L 3 / (8 * π2)

Obliczmy błąd.

V zależy od L.

ε = ΔL / Laver = 0,01 / 0,4154 = 0,024

Δ V = Vav * ε = 0,896 * 0,0024 = 0,022 l

Wniosek: Określiłem pojemność życiową moich płuc i okazała się ona równa V = 0,896 + 0,022 l

WNIOSEK

Po przeprowadzeniu szeregu prostych badań dowiedziałam się jeszcze więcej o swoim organizmie. Okazało się, że mam przeciętne wskaźniki antropometryczne (wzrost 163 cm, waga 55 kg), moje ciało wywiera na podłogę nacisk około 13,5 kPa, badanie funkcjonalne jest w normie, co wskazuje, że nie mam żadnych chorób. Pojemność życiowa moich płuc wynosi nieco mniej niż 1 litr. Określiłem, jaką moc rozwinąłem podczas biegu na dystansie 30 metrów, przysiadu, wbiegania po schodach i wspinania się po linie. Okazało się, że najwięcej mocy rozwijam podczas biegania, a najmniej podczas wspinania się po linie. Wyznaczyłem także pracę mechaniczną wykonaną podczas skoku wzwyż. Okazał się zaskakująco mały, tylko 10,78 J, ponieważ najwyższa wysokość drążka, którą mogę przeskoczyć, to 1 m 5 cm. Ustaliłem także średnią prędkość poruszania się z domu na parking autobusu szkolnego. Było to 1,89 m/s, czyli 6,8 km/h.

Pracując nad esejem, nie tylko zbadałam swoje ciało, ale także nabyłam umiejętności obsługi komputera. Myślę, że jedno i drugie pomoże mi w dalszej nauce na wybranej przeze mnie specjalności.

Na kursie fizyki studiowanym we współczesnych szkołach praktycznie nie zwraca się uwagi na parametry fizyczne charakteryzujące osobę. Jednak w związku z studiowaniem w szkole zagadnień psychologicznych, modelowaniem procesów zachodzących w organizmach żywych, technologią i rozwojem takiej nauki jak bionika, uczniowie wykazują coraz większe zainteresowanie studiowaniem fizyki człowieka.

Studiując ten kierunek, studenci nie tylko zaspokoją swoje potrzeby edukacyjne, ale także zdobędą umiejętności badawcze, zapoznają się z metodami badawczymi z fizyki i biologii oraz otrzymają krótką informację o sprzęcie medycznym i biologicznym. Umiejętności nabyte podczas pracy z przyrządami pomiarowymi, wykonywania prac praktycznych i ustawiania doświadczeń przydadzą się w dalszej działalności naukowo-technicznej. Wyjaśnienie poszczególnych procesów zachodzących w organizmach żywych na podstawie praw fizycznych pomoże im ustalić związki przyczynowo-skutkowe istniejące w przyrodzie ożywionej i nieożywionej oraz wzbudzi zainteresowanie nie tylko fizyką, ale także biologią.

Program zajęć ma charakter praktyczny i zawiera elementy działalności badawczej. Ten przedmiot do wyboru może być wykorzystany do nauczania w klasach o profilu biologicznym, chemicznym lub medycznym.

Nauka przedmiotu fakultatywnego obejmuje 17 godzin, z czego 7,3 godziny (43%) to zajęcia teoretyczne, 9,7 godziny (57%) to zajęcia praktyczne (rozwiązywanie problemów, wykonywanie prac laboratoryjnych).

Główne cele kursu:

• Pokaż studentom jedność praw natury, zastosowanie praw fizyki do żywego organizmu, obiecujący rozwój nauki i technologii, a także pokaż, w jakich obszarach działalności zawodowej wiedza zdobyta na specjalnym kursie będzie przydatna ich.
• Tworzenie warunków do kształtowania i rozwoju umiejętności intelektualnych i praktycznych wśród uczniów w zakresie eksperymentów fizycznych.
• Rozwijaj aktywność poznawczą i niezależność, chęć samorozwoju i samodoskonalenia.

Cele kursu:

• Promowanie kształtowania zainteresowań poznawczych fizyką i rozwoju zdolności twórczych uczniów.
• Rozwijaj kompetencje intelektualne uczniów.
• Rozwijanie umiejętności wykonywania pracy praktycznej i prowadzenia działalności badawczej.
• Doskonalenie umiejętności pracy z literaturą referencyjną i popularnonaukową.

Po ukończeniu kursu studenci muszą

• wiedzieć:
  • jakie prawa fizyczne można wykorzystać do wyjaśnienia procesów zachodzących w organizmie człowieka;
  • cechy Twojego ciała z punktu widzenia praw fizyki.
• móc:
  • pracować z różnymi źródłami informacji;
  • obserwować i badać zjawiska, opisywać wyniki obserwacji;
  • modelować zjawiska, dobierać niezbędne przyrządy, wykonywać pomiary, prezentować wyniki pomiarów w formie tabel, wykresów, wyznaczać zadania badawcze.

Treść dania głównego

Treść kursu różni się jakościowo od podstawowego kursu fizyki. Na lekcjach prawa fizyki omawiane są głównie w obiektach nieożywionych. Bardzo ważne jest jednak, aby uczniowie stopniowo rozwijali w uczniach przekonanie, że związek przyczynowo-skutkowy zjawisk ma charakter uniwersalny i że wszystkie zjawiska zachodzące w otaczającym nas świecie są ze sobą powiązane. W ramach zajęć poruszane są zagadnienia mające na celu rozwijanie zainteresowań fizyką, zajęcia eksperymentalne oraz rozwijanie umiejętności pracy z literaturą. Po ukończeniu kursu studenci tworzą „Paszport Fizyczny Osoby”.

Parametry mechaniczne człowieka- Godzina 10

Fizyka. Człowiek. Badania biofizyczne w fizyce. Wymiary liniowe różnych części ciała człowieka, ich masa. Gęstość płynów i tkanek stałych tworzących człowieka.
Wielkości kinematyczne i ciało człowieka.
Ruch ciała w polu grawitacyjnym. Swobodny spadek. Czas reakcji człowieka. Ruch ciała rzuconego pod kątem do poziomu.
Pierwsze prawo Newtona. Bezwładność w przyrodzie ożywionej. Drugie prawo Newtona. Określenie siły człowieka. Dynamika tkanki mięśniowej. Trzecie prawo Newtona.
Ciało ludzkie w polu grawitacyjnym Ziemi. Warunki długotrwałej egzystencji człowieka na stacji kosmicznej. Środki chroniące pilotów i astronautów przed przyspieszeniem. Nieważkość i przeciążenie.
Postawa wyprostowana a układ mięśniowo-szkieletowy człowieka. Chodzący mężczyzna. Rodzaje stawów. Deformacja kości, ścięgien, mięśni. Wytrzymałość materiałów biologicznych. Budowa kości z punktu widzenia możliwości największych odkształceń.
Przejaw siły tarcia w organizmie człowieka, naturalne smarowanie. Drogi hamowania.
Ciśnienie. Atmosfera i ludzie. Oddech. Ciśnienie płynu. Ciśnienie krwi. Prawa przepływu krwi w organizmie człowieka.
Utrzymywanie równowagi przez organizmy żywe. Środek ciężkości ciała ludzkiego. Dźwignie w ludzkim ciele.
Praca i moc rozwijana przez człowieka w różnych rodzajach czynności. „Energia” i rozwój człowieka. Zastosowanie prawa zachowania energii do niektórych rodzajów ruchu człowieka.
Rola ciśnienia atmosferycznego w życiu człowieka. Ciśnienie osmotyczne. Zmiany ciśnienia krwi w naczyniach włosowatych. Układ oddechowy.
Prace laboratoryjne.

• Przeprowadzanie pomiarów antropologicznych
• Wyznacz średnią prędkość ruchu.
• Wyznaczanie czasu reakcji człowieka.
• Kalibracja dynamometru i określenie siły pleców człowieka.
• Wyznaczanie współczynników tarcia podeszew butów ludzkich o różne powierzchnie.
• Określenie mocy rozwiniętej przez osobę.

Oscylacje i fale w organizmach żywych- 2 godziny

Oscylacje i człowiek. Pochodzenie biorytmów. Serce i dźwięki towarzyszące pracy serca i płuc, ich zapis.
Dźwięk jako środek percepcji i przekazywania informacji. Narząd słuchu. Ultradźwięki i infradźwięki. Zakres słyszalności dźwięku. Aparat głosowy człowieka. Charakterystyka głosu ludzkiego.
Praca laboratoryjna.

• Określanie objętości oddechowej płuc człowieka.
• Przeprowadzanie pomiarów instrumentalnych i testów funkcjonalnych.
• Liczenie pulsu przed i po dozowanym wysiłku fizycznym.
• Badanie właściwości ucha.

Zjawiska termiczne- 1 godzina

Termoregulacja organizmu człowieka. Wilgotność. Układ oddechowy. Procesy termiczne w organizmie człowieka. Człowiek jest jak silnik cieplny. Praca laboratoryjna.

• Obliczanie kosztów energii i określanie spożycia kalorii

Elektryczność i magnetyzm- 2 godziny

Właściwości elektryczne organizmu człowieka. Bioelektryczność. Bakterie są pierwszymi elektrykami na Ziemi. Fotoreceptory, elektroreceptory, bioelektryczność snu. Oporność elektryczna narządów człowieka na prąd stały i przemienny.
Człowiek w świecie promieniowania elektromagnetycznego.
Praca laboratoryjna.

• Oznaczanie odporności tkanek ludzkich na prąd elektryczny stały i przemienny.

Parametry optyczne człowieka – 1 godzina

Struktura ludzkiego oka. Siła akomodacji oka. Moc optyczna. Wady wzroku i sposoby ich korygowania. Cechy ludzkiego wzroku. Zdolność rozdzielcza oka ludzkiego. Jak to jest, że widzimy. Dlaczego potrzebujemy dwojga oczu? Wrażliwość widmowa i energetyczna oka.
Praca laboratoryjna.

• Obserwacja niektórych cech psychofizjologicznych ludzkiego wzroku.
• Wyznaczanie charakterystycznych parametrów wzroku człowieka.
• Wyznaczanie granic widmowych wrażliwości oka ludzkiego.

System certyfikacji studentów. Po ukończeniu kursu zaliczenie następuje po spełnieniu następujących warunków:

• Aktywny udział w przygotowaniu i prowadzeniu seminariów, konferencji, publikacji gazet i produkcji modeli.
• Wykonanie co najmniej połowy prac laboratoryjnych.
• Wykonanie co najmniej jednego zadania eksperymentalnego o charakterze badawczym lub projektowym.
• Sporządzenie „Paszportu Fizycznego Osoby”.

Planowanie zajęć tematycznych

NIE.	Temat lekcji	Liczba godzin
		Całkowity	teoria	ćwiczyć
Parametry mechaniczne człowieka (10 godz.)
1.	Fizyka. Człowiek. Środowisko.
2.	Kinematyka i ciało człowieka.
3.	Ruch ciała w polu grawitacyjnym.
4.	Prawa Newtona w życiu człowieka.
5.	Grawitacja i człowiek.
6.	Postawa wyprostowana a układ mięśniowo-szkieletowy człowieka.
7.	Manifestacja siły tarcia w organizmie człowieka.
8.	Praca i moc rozwijana przez człowieka w różnych rodzajach czynności.
9.	Statyka w organizmie człowieka.
10.	Ciśnienie i organizm ludzki.
Oscylacje i fale w organizmach żywych (2 godz.)
11.	Oscylacje i człowiek.
12.	Dźwięk.
Zjawiska termiczne (1 godz.)
13.	Procesy termiczne w organizmie człowieka.
Elektryczność i magnetyzm. (2 godziny)
14.	Właściwości elektryczne organizmu człowieka
15.	Człowiek w świecie promieniowania elektromagnetycznego.
Parametry optyczne człowieka (1 godz.)
16.	Oko i wzrok
17.	Konferencja.
	Całkowity:

Badając ruchy człowieka, mierzą:

1.ilościowe wskaźniki stanu mechanicznego organizmu

2.funkcje motoryczne organizmu

3. charakter samych ruchów.

Rejestrowane są cechy biomechaniczne ciała: wymiary, proporcje, rozkład masy, ruchomość w stawach itp., ruchy całego ciała i jego części (ogniwa).

Charakterystyka biomechaniczna - są to miary stanu mechanicznego biosystemu i jego zmian (zachowania).

Charakterystyka ilościowa mierzone lub obliczane; mają wartość liczbową i wyrażają związek jednego środka z drugim (prędkość jest przykładem związku pomiędzy przebytą drogą a czasem spędzonym na niej). Badając cechy ilościowe, podają definicję (co to jest) i ustalają metodę pomiaru (czym się to mierzy).

Cechy jakościowe są zwykle opisywane werbalnie, bez dokładnej miary ilościowej (na przykład napięty, swobodny, gładki, gwałtowny).

CHARAKTERYSTYKA KINEMATYCZNA

Kinematyka ruchów człowieka określa geometrię (postać przestrzenną) ruchów i ich zmiany w czasie (charakter) bez uwzględnienia mas i działających sił. Ogólnie rzecz biorąc, daje jedynie zewnętrzny obraz ruchów. Przyczyny występowania i zmiany ruchów (ich mechanizm) ujawnia dynamika.

Charakterystyka kinematyczna ciała człowieka i jego ruchy- są to miary położenia i ruchu człowieka w przestrzeni i czasie: przestrzenne, czasowe i czasoprzestrzenne.

Charakterystyka kinematyczna umożliwia porównanie wymiarów ciała i jego części, a także cech kinematycznych ruchów u różnych sportowców. Indywidualizacja techniki sportowców i poszukiwanie optymalnych dla nich cech ruchowych w dużej mierze polega na uwzględnieniu tych cech.

Systemy odniesienia odległości i czasu

Ruchy człowieka i sprzętu sportowego można mierzyć jedynie poprzez porównanie ich położenia z pozycją ciała wybranego do porównania (ciała referencyjnego), czyli wszystkie ruchy uważa się za względne.

Układ odniesienia (odległości ) - umownie wybrany korpus sztywny, względem którego wyznaczane jest położenie innych ciał w różnych momentach czasu.

Nie ma na świecie ciał całkowicie nieruchomych; wszystkie ciała się poruszają. Ale niektóre z nich poruszają się w taki sposób, że zmiany ich prędkości (przyspieszenia) są nieistotne dla rozwiązania tego problemu i można je pominąć - są to inercyjne układy odniesienia. Ciałami takimi są Ziemia i ciała z nią nieruchomo połączone (ścieżka, tor narciarski, aparatura gimnastyczna). W takim układzie na ciała w spoczynku nie działają siły; Oznacza to, że żaden ruch w nim nie rozpoczyna się bez działania siły.

Inne ciała poruszają się z przyspieszeniami, które w istotny sposób wpływają na rozwiązanie tego problemu - są to nieinercyjne układy odniesienia (płóza ślizgowa, pierścienie wahadłowe) 1. W takich przypadkach metody obliczania i wyjaśniania cech ruchów są już różne, co należy wziąć pod uwagę.

Początek i kierunek pomiaru odległości są powiązane z ciałem odniesienia i ustalane są jednostki odniesienia. Aby dokładnie określić wynik sportowy, regulamin zawodów określa, w którym miejscu (punkcie odniesienia) dokonuje się liczenia (na poziomie wiązań narciarskich, w wystającym miejscu klatki piersiowej sprintera, przy tylnej krawędzi znaku skoczka lądującego), itp.).

Poruszające się ciało traktowane jest albo jako punkt materialny, którego położenie jest określone, albo jako punkty odniesienia (pewny punkt na ciele człowieka). W przypadku ruchu obrotowego wybierz linię odniesienia. Do opisu (zadanie)

ruchy wykorzystują metody naturalne, wektorowe i współrzędne.

W metodzie naturalnej położenie punktu – współrzędna łuku l – liczy się od początku 0, wybranego na znanej wcześniej trajektorii (rys. I, A). W metodzie wektorowej położenie punktu wyznacza się za pomocą wektora promienia G(ryc. 1, B), narysowane od środka 0 danego układu współrzędnych do punktu zainteresowania (A).

Ryż. 1.

System odniesienia odległości:

A - naturalny,6 - wektor, V I G- współrzędne prostokątne: in - na płaszczyźnie, G- W kosmosie

Przy metodzie współrzędnych prostokątnych (na płaszczyźnie i w przestrzeni) za początek przyjmuje się punkt przecięcia wzajemnie prostopadłych osi współrzędnych O (początek współrzędnych) (rys. 1, c, d). Aby określić położenie określonego punktu A(punkt odniesienia) względem początku, znajdź jego rzut (A, A Na , A 7 ) na osi współrzędnych. Odległości od początku do rzutów tych punktów na osie współrzędnych (współrzędne w przestrzeni: OA DO - odcięta, O/4 U - rzędna i OA 7 -applicate) określa położenie punktu A w tym układzie odniesienia 0 xy7. Kiedy punkt A porusza się w przestrzeni, zmieniają się wartości liczbowe współrzędnych.

Ustaw jednostki odległości - liniowe i kątowe. Międzynarodowy układ jednostek (SI) jest systemem podstawowym.

jednostką liniową jest metr (m), jego wielokrotnością jest kilometr (1 km = 1000 m), podjednostką jest centymetr (1 cm = 0,01 m), milimetr (1 mm = 0,001 m) itd. 1. Stosowane są następujące jednostki kąta: a) stopień, minuta, sekunda – przy pomiarze kątów (okrąg = 360°, stopień = 60”, minuta = 60”); b) obrót - z przybliżoną liczbą obrotów wokół osi (obrót = 360°, pół obrotu = 180° itd.); c) radian (do obliczeń przy użyciu wzorów) - kąt zawarty pomiędzy dwoma promieniami okręgu, zakreślający na okręgu łuk o długości równej promieniowi (radian = 57° 17 44",8"; 1° = 0,01745 rad. ).

Systemy rozrządu

System odniesienia czasu obejmuje określone pochodzenie i jednostki odniesienia.

Za początek liczenia czasu przyjmuje się: a) północ – we wszystkich instytucjach, w transporcie, w przedsiębiorstwach komunikacyjnych itp.; b) północ i południe – w zwykłych, codziennych warunkach oraz c) sędziowanie czasu („stopery do zera”) – w warunkach zawodów. W biomechanice za początek czasu przyjmuje się zwykle albo moment rozpoczęcia całego ruchu lub jego części, albo moment rozpoczęcia obserwacji ruchu. Podczas jednej obserwacji stosowany jest tylko jeden system odniesienia czasowego.

Za jednostkę czasu przyjmuje się sekundę (s; 60 s = 1 min; 60 min = 1 godzina), a także ułamki sekundy - dziesiąte, setne, tysięczne (milisekunda). Kierunek przepływu czasu w rzeczywistości wiedzie od przeszłości do przyszłości. Studiując ruch, możesz odliczać czas w przeciwnym kierunku - do przeszłości (0,02 s przed uderzeniem; 0,05 s przed opuszczeniem podpory przez nogę itp.).

Charakterystyka przestrzenna

Charakterystyki przestrzenne umożliwiają określenie pozycji, np. pozycji początkowej ruchu i pozycji końcowej (wg współrzędnych) oraz ruchów (wzdłuż trajektorii).

Ruchy człowieka można badać, rozważając jego ciało (w zależności od zadań) jako punkt materialny, jako jedno ciało stałe lub jako układ ciał.

Ciało ludzkie uważa się za punkt materialny, gdy ruch ciała jest znacznie większy niż jego rozmiar (jeśli nie bada się ruchów części ciała i jego rotacji).

Ciało ludzkie utożsamiane jest z ciałem stałym wtedy, gdy nie można uwzględnić wzajemnych ruchów jego ogniw i deformacji tkanek, gdy istotne jest uwzględnienie jedynie jego wielkości, położenia w przestrzeni i orientacji (w szczególności gdy badanie warunków równowagi i rotacji ciała w stałym położeniu).

Ciało ludzkie jest badane jako układ ciał, gdy inne są ważne

oraz cechy ruchów części ciała, które wpływają na wykonywanie czynności motorycznych.

Dlatego przy określaniu podstawowych cech przestrzennych ruchów człowieka (współrzędnych i trajektorii) z góry wyjaśniają, do jakiego obiektu materialnego (punktu, ciała, układu ciał) utożsamiane jest w tym przypadku ciało ludzkie.

Współrzędne punktu, ciała i układu ciał

Współrzędne punktu- jest to przestrzenna miara położenia punktu względem układu odniesienia. Położenie punktu określa się poprzez pomiar na przykład jego współrzędnych liniowychuh, l-y, g 2; wzór na wymiar: [l]= b.

Współrzędne określają, gdzie znajduje się badany punkt (na przykład punkt odniesienia na ciele człowieka) względem początku. Jak wiadomo, położenie punktu na prostej wyznacza jedna współrzędna, na płaszczyźnie dwie, a w przestrzeni trzy współrzędne. Położenie ciała sztywnego w przestrzeni można określić na podstawie współrzędnych jego trzech punktów (nie leżących na tej samej prostej). Można także określić położenie jednego z punktów ciała (poprzez jego współrzędne liniowe) oraz orientację ciała względem układu odniesienia (poprzez współrzędne kątowe).

Położenie układu ciał (ogniw ciała człowieka), który może zmieniać swoją konfigurację (wzajemne rozmieszczenie ogniw), wyznacza położenie każdego ogniwa w przestrzeni (ryc. 2, a). Wygodnie jest używać współrzędnych kątowych (ryc. 2.6), np. kątów stawów, i na ich podstawie ustalać pozycję ciała jako względną, położenie jego połączeń. W praktyce często łączą one: 1) określenie położenia punktu (na przykład ogólnego środka masy ciała lub punktu podparcia); 2) określenie ułożenia (wzajemny układ ogniw), 3) określenie orientacji organizmie (wzdłuż linii odniesienia, prowadzonej w organizmie).

Badając ruch, musisz określić: 1) pozycję początkową, od której rozpoczyna się ruch 2; 2) położenie końcowe, w którym kończy się ruch; 3) seria natychmiastowych (ciągle zmieniających się) pozycji pośrednich, jakie przyjmuje ciało podczas ruchu.

Materiał filmowy z każdego ćwiczenia pokazuje właśnie takie pozycje. W mechanice opisz ruch (znajdź prawo ruchu) - Oznacza w dowolnym momencie określić położenie dowolnego punktu układu. Innymi słowy, aby w dowolnym momencie określić współrzędne punktów lub linii odniesienia zaznaczonych na ciele, wzdłuż których bada się jego ruch w przestrzeni.

Trajektoria punktu

Trajektoria punktu- jest to przestrzenna charakterystyka ruchu: miejsce geometryczne położeń poruszającego się punktu w rozważanym układzie odniesienia. O trajektorii decyduje jej długość, krzywizna i orientacja w przestrzeni, a także ruch punktu.

Trajektoria to linia ciągła, wyimaginowany ślad poruszającego się punktu 1: daje przestrzenny wzór ruchu punktu (ryc. 3). Odległość wzdłuż trajektorii pokazuje, jaka jest ścieżka punktu 2: = b-

W ruchu prostoliniowym (jego kierunek się nie zmienia) (rys. 4) droga punktu podczas ruchu w jednym kierunku jest równa odległości od położenia początkowego do położenia końcowego. W ruchu krzywoliniowym (zmienia się jego kierunek) droga punktu jest równa odległości po trajektorii w kierunku ruchu od położenia początkowego do położenia końcowego.

Krzywizna trajektorii (k) pokazuje, po jakim kształcie punkt porusza się w przestrzeni. Aby określić krzywiznę trajektorii, zmierz promień krzywizny (DO). Krzywizna jest odwrotnością promienia:

Jeśli trajektoria jest łukiem kołowym, wówczas promień krzywizny jest stały. Wraz ze wzrostem krzywizny jego promień maleje i odwrotnie, wraz ze zmniejszaniem się krzywizny, wzrasta.

Orientacja trajektorii w przestrzeni o tym samym kształcie może być różna. Orientację trajektorii prostoliniowej określają współrzędne punktów pozycji początkowej i końcowej; dla trajektorii zakrzywionej - według współrzędnych tych dwóch punktów i trzeciego punktu, który nie leży z nimi na tej samej linii prostej.

Przesunięcie punktu pokazuje, w jakim kierunku i jak daleko przesunął się punkt. Przemieszczenie (liniowe) oblicza się na podstawie różnicy współrzędnych punktu w momentach początku i końca ruchu (w tym samym układzie odniesienia):

Ruch wyznacza zakres i kierunek ruchu. W przypadku, gdy w wyniku ruchu punkt powrócił do pierwotnego położenia,

przemieszczenie oczywiście wynosi zero. Ruch nie jest samym ruchem, ale jedynie jego końcowym rezultatem, odległością w linii prostej i jej kierunkiem od pozycji początkowej do końcowej.

Rozważmy elementarny ruch(-y) punktu - od danej pozycji do pozycji nieskończenie blisko niego. Suma geometryczna przemieszczeń elementarnych jest równa przemieszczeniu końcowemu z położenia początkowego do położenia końcowego. Na zakrzywionej ścieżce przemieszczenie elementarne uważa się za równe ścieżce.

Przemieszczenie ciała podczas ruchu postępowego i obrotowego mierzy się inaczej. Liniowy ruch ciała (w jego ruchu translacyjnym) można wyznaczyć poprzez liniowy ruch dowolnego jego punktu. Rzeczywiście, w ruchu translacyjnym linia prosta łącząca dowolne dwa punkty ciała, poruszające się (prostoliniowo lub krzywoliniowo), pozostaje równoległa do swojego położenia początkowego. Wszystkie punkty ciała poruszają się w ten sam sposób: po podobnych trajektoriach, z tymi samymi prędkościami i przyspieszeniami. Wystarczy odjąć odpowiednią współrzędną jego położenia początkowego od współrzędnej końcowego położenia dowolnego punktu ciała, aby wyznaczyć przemieszczenie całego ciała.

Ruch kątowy ciała (w jego ruchu obrotowym) wyznaczany jest przez kąt obrotu. Kiedy ciało się obraca, znajduje się w nim linia, której wszystkie punkty pozostają nieruchome (leżą na osi) przez cały czas ruchu. Pozostałe punkty ciała poruszają się po łukach okręgów, których środki leżą na tej stałej linii - osi obrotu (ryc. 4, c). Uwzględniane jest również elementarne przemieszczenie kątowe (s/f) ciała z danego położenia kątowego do położenia nieskończenie bliskiego.

Każdy ruch ciała w przestrzeni można przedstawić jako sumę geometryczną jego ruchów postępowych i obrotowych (względem dowolnego bieguna, w szczególności jego środka masy).

Znacznie trudniej jest określić ruch układu ciał (układu biomechanicznego), który zmienia swoją konfigurację. W najbardziej uproszczonych przypadkach za jego ruch uważa się ruch jednego punktu materialnego – zwykle wspólnego środka masy (GCM). Można wtedy monitorować ruch całego ciała człowieka „jako całość” i w pewnym stopniu oceniać ogólny wynik jego aktywności ruchowej. Nie wiadomo jednak, w wyniku jakich ruchów osiągnięto ruch GCM. Czasami ruch ciała człowieka jest przedstawiany jako ruch konwencjonalnie z nim powiązanej linii (linia odniesienia).

Badanie ruchów części ludzkiego ciała pozwala nam bardziej szczegółowo rozważyć ruch jego ciała. W niektórych przypadkach kilka ruchomych części (na przykład wszystkie kości stopy, dłoni lub przedramienia, a nawet tułowia) uważa się za jedno ogniwo - wtedy można już ogólnie uchwycić cechy ruchów, chociaż nie uwzględnia się wzajemnego ruchu wielu ogniw i pomija się ich odkształcenia. Jednak nadal nie da się uzyskać pełnego obrazu ruchu wszystkich głównych elementów organizmu (w tym narządów wewnętrznych i tkanek płynnych) przy wykorzystaniu istniejących metod badawczych. W każdym badaniu naukowym trzeba uciekać się do mniej lub bardziej znaczących uproszczeń.

W maszynach charakteryzujących się określonymi ruchami istnieje bardzo określone prawo ruchu. W układach biomechanicznych charakteryzujących się niepewnością ruchów w stawach starają się osiągnąć wymaganą pewność, ale możliwości znalezienia prawa ruchu wszystkich części ciała jako całości są bardzo małe. Nieco większe są w sportach, w których kunszt techniczny przejawia się (i to w dużej mierze) właśnie w dokładnym odwzorowaniu z góry określonych, szczegółowych ruchów (np. w gimnastyce, łyżwiarstwie figurowym).

Charakterystyka czasowa

Charakterystyki czasowe ujawniają ruch w czasie: kiedy się rozpoczął i zakończył (punkt w czasie), jak długo trwał (czas trwania ruchu), jak często ruch był wykonywany (tempo), jak były one skonstruowane w czasie (rytm). Wraz z cechami czasoprzestrzennymi określają naturę ruchów człowieka.

Ustalając, gdzie znajdował się punkt w przestrzeni, konieczne jest ustalenie, kiedy się tam znajdował.

Chwila czasu

Moment czasu jest tymczasową miarą położenia punktu ciała i układu. Moment czasu (g) ​​jest określony przez okres czasu, jaki upłynął od początku odliczania.

Moment czasowy wyznaczany jest nie tylko dla początku i końca ruchu, ale także dla innych ważnych chwilowych położeń. Przede wszystkim są to momenty znaczących zmian w ruchu: kończy się jedna część (faza) ruchu i rozpoczyna się następna (np. podniesienie stopy z podpory w biegu jest momentem zakończenia wypchnięcia). faza wyłączenia i początek fazy lotu). Czas trwania ruchu jest określony przez momenty czasu.

Czas trwania ruchu

Czas trwania ruchu- to jest jego miara czasu, mierzona różnicą między momentami zakończenia i początku ruchu:

Czas trwania ruchu to odstęp czasu pomiędzy dwoma momentami czasowymi go ograniczającymi. Same momenty (jako granice pomiędzy dwoma sąsiednimi okresami czasu) nie mają czasu trwania. Oczywiste jest, że przy mierzeniu czasu trwania posługują się tym samym systemem odniesienia czasu. Znając odległość przebytą przez punkt i czas jego ruchu, możesz określić jego prędkość. Znając czas trwania ruchów, określa się także ich tempo i rytm.

Tempo ruchów

W powtarzających się ruchach o tej samej długości tempo charakteryzuje ich postęp w czasie.

Tempo ruchów" - jest to tymczasowa miara ich nawrotu. Mierzy się ją liczbą ruchów powtórzonych w jednostce czasu (częstotliwość ruchu):

Tempo jest odwrotnością czasu trwania ruchów. Im dłuższy czas trwania każdego ruchu, tym wolniejsze tempo i odwrotnie. W powtarzalnych (cyklicznych) ruchach tempo może służyć jako wskaźnik doskonałości techniki. Na przykład częstotliwość ruchów wysoko wykwalifikowanych narciarzy, pływaków i wioślarzy (przy większej prędkości ruchu) jest większa niż w przypadku mniej wytrenowanych. Wiadomo, że wraz ze zmęczeniem zmienia się tempo ruchów: może wzrosnąć (na przykład, gdy kroki są skracane w biegu) lub zmniejszyć (na przykład, jeśli nie jesteś w stanie utrzymać go w ruchu narciarskim).

Rytm ruchów

Rytm ruchów (czasowy) jest tymczasową miarą relacji między częściami ruchów. Określa się go na podstawie stosunku czasu trwania części ruchu:

Rytm ruchów charakteryzuje np. stosunek czasu podparcia do czasu lotu w biegu czy czasu amortyzacji (zginania kolana) do czasu odpychania (prostowania nogi) podczas podparcia. Przykładem związku czasu trwania i części ruchu jest rytm kroku ślizgowego na nartach (stosunek czasu trwania pięciu faz kroku). Wraz ze zmianą tempa kroków zmienia się także ich rytm (ryc. 5). Oprócz czasowych można także określić przestrzenne wskaźniki rytmu (na przykład stosunek długości wypadu w kroku narciarskim do długości ślizgu).

Aby określić rytm (czasowy), wyróżnia się fazy różniące się zadaniem ruchu, jego kierunkiem, prędkością, przyspieszeniem i innymi cechami. Rytm odzwierciedla włożone wysiłki i zależy od ich wielkości, czasu zastosowania i innych cech ruchów. Dlatego po rytmie ruchów można w pewnym stopniu ocenić ich doskonałość. W rytmie szczególnie ważne są akcenty – duże wysiłki i przyspieszenia – ich rozmieszczenie w czasie. Podczas opanowywania ćwiczeń czasami lepiej jest najpierw ustalić rytm, niż szczegółowo opisywać szczegóły ruchów; pomaga to szybko zrozumieć cechy badanego ćwiczenia i jego konstrukcję w czasie.

Każdy ruch składa się z różnych części, takich jak ruchy przygotowawcze i wykonawcze (główne), przyspieszanie i hamowanie. Oznacza to, że w każdym ćwiczeniu można wyznaczyć rytm. Tak zwane ruchy „nierytmiczne” na ogół nie są pozbawione rytmu;

ma ruchu i ruchy z odchyleniami od zadanego racjonalnego rytmu. Innymi słowy, ruchy nierytmiczne to ruchy pozbawione określonego, stałego rytmu lub o rytmie nieprawidłowym, irracjonalnym.

Charakterystyka czasoprzestrzenna

Zgodnie z charakterystyką czasoprzestrzenną określają, w jaki sposób pozycje i ruchy osoby zmieniają się w czasie, jak szybko osoba zmienia swoją pozycję (prędkość) i ruchy (przyspieszenie).

Prędkość punktowa i ciała

Prędkość punktowa- jest to czasoprzestrzenna miara ruchu punktu (szybkości zmiany jego położenia). Prędkość jest równa pierwszej pochodnej odległości w rozpatrywanym układzie odniesienia:

Prędkość punktu zależy od zmiany jego współrzędnych w czasie. Prędkość jest wielkością wektorową; charakteryzuje prędkość ruchu i jego kierunek. Ponieważ prędkość ruchów człowieka najczęściej nie jest stała, ale zmienna (ruch jest nierówny i krzywoliniowy), do analizy ćwiczeń wyznacza się prędkości chwilowe.

Prędkość chwilowa to prędkość w danym momencie lub w danym punkcie trajektorii, podobnie jak prędkość ruchu jednostajnego na bardzo małym odcinku trajektorii w pobliżu danego punktu trajektorii. Szybkość chwilową można sobie wyobrazić jako prędkość, jaką utrzymywałoby ciało od chwili, gdy przestały na nie działać wszystkie siły. Prędkość średnia to prędkość, z jaką punkt poruszający się ruchem jednostajnym pokonałby w tym samym czasie całą rozpatrywaną ścieżkę. Średnia prędkość pozwala na porównanie nierównych ruchów.

Prędkość punktu (liniowego) w ruchu prostoliniowym kierowana jest wzdłuż trajektorii, w ruchu krzywoliniowym jest kierowana stycznie do trajektorii w każdym rozpatrywanym punkcie.

Prędkość ciała zależy od prędkości jego punktów. Podczas ruchu postępowego ciała prędkości liniowe wszystkich jego punktów są jednakowe pod względem wielkości i kierunku. Podczas ruchu obrotowego prędkość kątowa ciała wyznaczana jest jako miara szybkości zmiany jego położenia kątowego. Jest ona równa wielkości pierwszej pochodnej przemieszczenia kątowego:

Im większa odległość punktu ciała od osi obrotu (tj. im większy promień), tym większa jest prędkość liniowa punktu. Prędkość ruchu obrotowego ciała sztywnego (w radianach) jest równa stosunkowi prędkości liniowej każdego punktu do jego promienia (przy stałej osi obrotu). Prędkość kątowa (co) dla wszystkich punktów ciała, z wyjątkiem tych leżących na osi, jest taka sama:

Oznacza to, że prędkość liniowa dowolnego punktu ciała wirującego nie leżącego na osi jest równa jego prędkości kątowej pomnożonej przez promień obrotu tego punktu (odległość od niego do osi obrotu). Prędkości ruchu złożonego ciała sztywnego można wyznaczyć poprzez prędkość liniową dowolnego bieguna i prędkość kątową obrotu ciała względem tego bieguna (np. wokół osi przechodzącej przez środek masy - CM).

Prędkości układu ciał zmieniającego swoją konfigurację nie można wyznaczać w taki sam sposób, jak prędkość kątową ciała sztywnego. W tym przypadku określana jest prędkość liniowa układu. Często wyznacza się prędkości liniowe punktów połączeń ciała (rzuty osi stawów na powierzchnię ciała). Ponadto, gdy zmienia się postawa, określa się prędkości kątowe połączeń ciała względem osi stawowych; prędkości te zwykle zmieniają się w miarę poruszania się pojazdu. Dla biomechanicznego uzasadnienia tej techniki konieczne jest w każdym przypadku wybranie prędkości, dla których ogniw i punktów należy określić.

1 Zawsze należy wskazać prędkość, z jaką badany jest obiekt (np. prędkość biegacza), a nie „prędkość ruchu”.

Przyspieszenie punktu i ciała

Przyspieszenie punktowe- jest to czasoprzestrzenna miara zmiany ruchu punktu (tempo zmiany ruchu).- według wielkości i kierunku prędkości). Przyspieszenie punktu jest równe pierwszej pochodnej prędkości tego punktu w rozpatrywanym układzie odniesienia:

Przyspieszenie punktu zależy od zmiany jego prędkości w czasie. Przyspieszenie jest wielkością wektorową charakteryzującą szybkość zmiany prędkości pod względem jej wielkości i kierunku w danym momencie (przyspieszenie chwilowe) 1 .

Przyspieszenie styczne będzie dodatnie, gdy prędkość punktu wzrośnie, i ujemne, gdy będzie spadać. Jeżeli przyspieszenie styczne wynosi zero, wówczas prędkość ma stałą wielkość. Jeśli normalne przyspieszenie wynosi zero, wówczas kierunek prędkości jest stały.

Przyspieszenie kątowe ciała definiuje się jako miarę szybkości zmiany jego prędkości kątowej. Jest ona równa pierwszej pochodnej po czasie prędkości kątowej ciała:

Rozróżnia się przyspieszenie ciała liniowe (w ruchu postępowym) i kątowe (w ruchu obrotowym). Stosunek przyspieszenia liniowego każdego punktu obracającego się ciała do jego promienia jest równy przyspieszeniu kątowemu (e) w radianach na sekundę do kwadratu. Oznacza to, że przyspieszenie liniowe dowolnego punktu obracającego się ciała jest równe jego przyspieszeniu kątowemu pomnożonemu przez promień obrotu tego punktu:

System przyspieszania ate* zmiana jego konfiguracji jest jeszcze trudniejsza niż prędkość. Przyspieszenie jest dobrym wskaźnikiem jakości zastosowanego wysiłku (ryc. 6).

„Średnie przyspieszenie podczas ruchu, szczególnie w przypadkach, gdy zmienia on znak, zwykle nie jest określane, ponieważ nie charakteryzuje w wystarczającym stopniu szczegółów ruchu.

CHARAKTERYSTYKA DYNAMICZNA

Wszelkie ruchy człowieka i poruszanych przez niego ciał pod wpływem sił zmieniają wielkość i kierunek prędkości. Aby ujawnić mechanizm ruchów (przyczyny ich występowania i przebieg zmian), bada się cechy dynamiczne. Należą do nich cechy inercyjne (cechy ciała człowieka i ciał, którymi się porusza), siła (cechy współdziałania części ciała z innymi ciałami) i energia (stany i zmiany funkcjonowania układów biomechanicznych).

Charakterystyka inercyjna

Własność bezwładności ciał ujawnia pierwsze prawo Newtona: „Każde ciało utrzymuje swój stan spoczynku lub ruch jednostajny i prostoliniowy, dopóki przyłożone siły zewnętrzne nie zmienią tego stanu”. Innymi słowy, każde ciało utrzymuje prędkość, dopóki siły jej nie zmienią.

Pojęcie bezwładności

Każde ciało utrzymuje swoją prędkość na niezmienionym poziomie przy braku wpływów zewnętrznych w ten sam sposób. Proponuje się, aby tę właściwość, która nie ma miary, nazwać bezwładnością 1. Różne ciała zmieniają prędkość pod wpływem sił na różne sposoby. Zatem ta ich właściwość ma miarę: nazywa się ją bezwładnością. Bezwładność jest interesująca, gdy trzeba ocenić, jak zmienia się prędkość.

Bezwładność- właściwość ciał fizycznych objawiająca się stopniową zmianą prędkości w czasie pod wpływem działania sił.

Utrzymanie stałej prędkości (poruszanie się jakby na zasadzie bezwładności) w warunkach rzeczywistych jest możliwe tylko wtedy, gdy wszystkie siły zewnętrzne działające na ciało równoważą się. W innych przypadkach niezrównoważone siły zewnętrzne zmieniają prędkość ciała zgodnie z miarą jego bezwładności.

Masa ciała

Masa ciała- Jest to miara bezwładności ciała podczas ruchu postępowego. Mierzy się go stosunkiem wielkości przyłożonej siły do ​​wywołanego przez nią przyspieszenia:

Pomiar masy ciała opiera się tutaj na drugim prawie Newtona: „Zmiana ruchu jest wprost proporcjonalna do siły zewnętrznej działającej i następuje w kierunku, w którym ta siła jest przyłożona”.

Masa ciała zależy od ilości substancji znajdującej się w ciele i charakteryzuje jego właściwość - w jaki sposób przyłożona siła może zmienić jego ruch. Ta sama siła spowoduje większe przyspieszenie w ciele o mniejszej masie niż w ciele o większej masie 1.

Badając ruchy, często trzeba wziąć pod uwagę nie tylko wielkość masy, ale także, jak mówią, jej rozkład w ciele 2. O rozmieszczeniu punktów materialnych w ciele świadczy położenie środka masy ciała.

W ciele absolutnie sztywnym znajdują się trzy punkty, których położenie pokrywa się: środek masy, środek bezwładności i środek ciężkości. Są to jednak zupełnie różne koncepcje. W CM kierunki sił przecinają się, a każdy z nich powoduje ruch translacyjny ciała. Punkty materialne posiadające masy są rozmieszczone równomiernie względem linii działania tych sił, w związku z czym ruch obrotowy nie występuje. Należy wziąć pod uwagę, że jeśli punkty materialne ciała posiadające masy zostaną odsunięte od tej linii w przeciwnych kierunkach o równe odległości, wówczas położenie środka masy nie ulegnie zmianie. W konsekwencji koncepcja „środka masy” nie odzwierciedla w pełni rozmieszczenia punktów materialnych w ciele. Pojęcia środka bezwładności (jako punktu przyłożenia wypadkowej wszystkich fikcyjnych sił bezwładności) i środka ciężkości (jako punktu przyłożenia wypadkowej wszystkich sił grawitacji) zostaną omówione później.

Moment bezwładności ciała

Moment bezwładności ciała- jest miarą bezwładności ciała podczas ruchu obrotowego. Moment bezwładności ciała względem osi jest równy sumie iloczynów mas wszystkich punktów materialnych ciała przez kwadraty ich odległości.

W odkształcającym się układzie ciał, gdy jego części oddalają się od osi obrotu, moment bezwładności układu wzrasta. Opór bezwładności rośnie wraz z odległością części ciała od osi obrotu proporcjonalnie do kwadratu odległości. Ponieważ punkty materialne w ciele znajdują się w różnych odległościach od osi obrotu, dla szeregu zagadnień wygodnie jest wprowadzić pojęcie „promień bezwładności”.

Promień bezwładności ciała- jest to porównawcza miara bezwładności danego ciała względem jego różnych osi. Mierzy się go pierwiastkiem kwadratowym ze stosunku momentu bezwładności (względem danej osi) do masy ciała:

„Masę zmierzoną w ten sposób nazywa się bezwładną, masę zmierzoną przez ważenie nazywa się ciężką. Są one ilościowo równe sobie i różnią się jedynie sposobami ich wyznaczania.

2 Ponieważ masa ciała nie jest samą substancją, ale jego właściwością, zatem, ściśle rzecz biorąc, nie porusza się ono ani nie rozdziela; ciała z ruchem masowym; cząstki (punkty materialne) ciała o masie są rozłożone.

Znalezwszy doświadczalnie moment bezwładności ciała, możemy obliczyć promień bezwładności, którego wartość charakteryzuje rozkład punktów materialnych w ciele względem zadanej osi. Jeśli mentalnie umieścisz wszystkie materialne punkty ciała w równych odległościach od osi, otrzymasz wydrążony cylinder. Promień takiego walca, którego moment bezwładności jest równy momentowi bezwładności badanego ciała, jest równy promieniowi bezwładności. Umożliwia porównanie różnych rozkładów mas ciała względem różnych osi obrotu. Jest to wygodne, gdy rozważa się bezwładność jednego ciała względem różnych osi.

Znajomość momentu bezwładności jest bardzo ważna dla zrozumienia ruchu, chociaż dokładne ilościowe określenie tej wielkości w konkretnych przypadkach jest często trudne.

Charakterystyka mocy

Wiadomo, że ruch ciała może odbywać się zarówno pod wpływem przyłożonej do niego siły napędowej, jak i bez siły napędowej (przez bezwładność), gdy przyłożona jest jedynie siła hamowania. Nie zawsze stosowane są siły napędowe; Bez sił hamowania nie ma ruchu.

Do praktycznych obliczeń i badań teoretycznych układów ochrony operatora przed drganiami wykorzystuje się modele dynamiczne ciała ludzkiego w postaci zależności analitycznych (np. charakterystyk częstotliwościowych) lub w postaci zastępczych układów mechanicznych (zwykle o kilku stopniach swobody).

Podczas badań eksperymentalnych i testowania układów człowiek-maszyna w ekstremalnych warunkach wykorzystuje się specjalne symulatory (manekiny antropomorficzne), które zastępują człowieka testera w niebezpiecznych warunkach.

Obliczone modele dynamiczne, a także manekiny antropomorficzne muszą odpowiadać ciału ludzkiemu pod względem następujących podstawowych wskaźników: a) wymiarów i kształtów geometrycznych, b) rozkładu mas części ciała (w szczególności położenia środków masy części ciała, wartości tych mas i momentów bezwładności), c) rodzaje połączeń poszczególnych ogniw, d) właściwości sprężyste i tłumiące

Na ryc. 1, a przedstawia przybliżony schemat konstrukcyjny typowego manekina, a na ryc. 1, b - uśrednione dane antropometryczne ciała ludzkiego.

Średnie charakterystyki bezwładnościowe poszczególnych części (segmentów) ciała człowieka przedstawiono na ryc. 2, Wartości mas podawane są jako procent całkowitej masy osoby; wartości momentów bezwładności względem osi przechodzących przez środek masy odcinka; położenie środka masy jest podawane jako procent długości odcinka;

Położenie ogólnego środka masy zależy od postawy przyjętej przez osobę (ryc. 3).

Połączenia pomiędzy poszczególnymi ogniwami ciała człowieka (lub równoważnego manekina) stanowią pary kinematyczne o różnym stopniu ruchomości (w ograniczonych granicach). Wyidealizowane schematy połączeń ogniw ciała przedstawiono w tabeli 1.

(patrz skan)

(kliknij, aby zobaczyć skan)

(patrz skan)

(patrz skan)

(patrz skan)

(patrz skan)

(patrz skan)

(patrz skan)

(patrz skan)

Największe wartości kątów obrotu niektórych części ciała, ze względu na ruchomość odpowiednich stawów, podano w tabeli. 2.

Podstawowe parametry fizyko-mechaniczne niezbędne do budowy modeli ciała człowieka, charakteryzujące właściwości sprężysto-tłumiące tkanek ludzkich, zestawiono w tabeli 3 (wartości średnie).

Ryż. 3. Położenie środka masy ciała osoby siedzącej

(patrz skan)

Zależność naprężeń od względnych odkształceń tkanek biologicznych jest nieliniowa; w tabeli Rycina 4 przedstawia te zależności uzyskane dla próbek ludzkiej tkanki miękkiej i kostnej.

Charakterystykę sztywności skrętnej elementów szkieletu człowieka podano w tabeli. 5 w postaci momentu obrotowego przyłożonego do końcowych odcinków elementu, w zależności od kąta wzajemnego obrotu odcinków.

Kurs do wyboru

„Fizyka człowieka”

Nota wyjaśniająca 2

Treść dania głównego 3-4

Planowanie zajęć tematycznych 5

Referencje 6

Notatka wyjaśniająca

Na kursie fizyki studiowanym we współczesnych szkołach praktycznie nie zwraca się uwagi na parametry fizyczne charakteryzujące osobę. Jednak w związku z studiowaniem w szkole zagadnień psychologicznych, modelowaniem procesów zachodzących w organizmach żywych, technologią i rozwojem takiej nauki jak bionika, uczniowie wykazują coraz większe zainteresowanie studiowaniem fizyki człowieka.

Studiując ten kierunek, studenci nie tylko zaspokoją swoje potrzeby edukacyjne, ale także zdobędą umiejętności badawcze, zapoznają się z metodami badawczymi z fizyki i biologii oraz otrzymają krótką informację o sprzęcie medycznym i biologicznym. Umiejętności nabyte podczas pracy z przyrządami pomiarowymi, wykonywania prac praktycznych i ustawiania doświadczeń przydadzą się w dalszej działalności naukowo-technicznej. Wyjaśnienie poszczególnych procesów zachodzących w organizmach żywych na podstawie praw fizycznych pomoże im ustalić związki przyczynowo-skutkowe istniejące w przyrodzie ożywionej i nieożywionej oraz wzbudzi zainteresowanie nie tylko fizyką, ale także biologią.

Program zajęć ma charakter praktyczny i zawiera elementy działalności badawczej.

Nauka przedmiotu fakultatywnego obejmuje 17 godzin, z czego 7,3 godziny (43%) na studiowanie zagadnień teoretycznych, 9,7 godzin (57%) na zajęcia praktyczne (rozwiązywanie problemów, wykonywanie prac laboratoryjnych).

Główne cele kursu:

Pokaż studentom jedność praw natury, zastosowanie praw fizyki do żywego organizmu, przyszły rozwój nauki i technologii, a także pokaż, w jakich obszarach działalności zawodowej wiedza zdobyta na specjalnym kursie będzie przydatna ich.

Tworzenie warunków do kształtowania i rozwoju umiejętności intelektualnych i praktycznych wśród uczniów w zakresie eksperymentów fizycznych.

Rozwijaj aktywność poznawczą i niezależność, chęć samorozwoju i samodoskonalenia.

Cele kursu:

Promowanie kształtowania zainteresowań poznawczych fizyką i rozwoju zdolności twórczych uczniów.

Rozwijaj kompetencje intelektualne uczniów.

Rozwijanie umiejętności wykonywania pracy praktycznej i prowadzenia działalności badawczej.

Doskonalenie umiejętności pracy z literaturą referencyjną i popularnonaukową.

Po ukończeniu kursu studenci muszą wiedzieć:

Jakimi prawami fizyki można wyjaśnić procesy zachodzące w organizmie człowieka.

Cechy Twojego ciała z punktu widzenia praw fizyki. móc:

Pracuj z różnymi źródłami informacji.

Obserwuj i badaj zjawiska, opisz wyniki obserwacji.

Modeluj zjawiska, dobieraj niezbędne instrumenty, przeprowadzaj pomiary, przedstawiaj wyniki pomiarów w formie tabel, wykresów, stawiaj problemy badawcze.

TREŚCI GŁÓWNE KURSÓW

Treść kursu różni się jakościowo od podstawowego kursu fizyki. Na lekcjach prawa fizyki omawiane są głównie w obiektach nieożywionych. Bardzo ważne jest jednak, aby uczniowie stopniowo rozwijali w uczniach przekonanie, że związek przyczynowo-skutkowy zjawisk ma charakter uniwersalny i że wszystkie zjawiska zachodzące w otaczającym nas świecie są ze sobą powiązane. W ramach zajęć poruszane są zagadnienia mające na celu rozwijanie zainteresowań fizyką, zajęcia eksperymentalne oraz rozwijanie umiejętności pracy z literaturą. Po ukończeniu kursu studenci sporządzają „Paszport Fizyczny Osoby”.

Parametry mechaniczne człowieka 9h.

Fizyka. Człowiek. Środowisko. Wymiary liniowe różnych części ciała człowieka, ich masa. Gęstość płynów i tkanek stałych tworzących człowieka. Siła nacisku i ciśnienie w organizmach żywych.

Szybkość impulsów nerwowych. Prawa przepływu krwi w organizmie człowieka. Naturalna obrona organizmu przed przyspieszeniem.

Przejaw siły tarcia w organizmie człowieka, naturalne smarowanie.

Utrzymywanie równowagi przez organizmy żywe. Środek ciężkości ciała ludzkiego. Dźwignie w ludzkim ciele. Chodzący mężczyzna. Rodzaje stawów. Deformacja kości, ścięgien, mięśni. Wytrzymałość materiałów biologicznych. Budowa kości z punktu widzenia możliwości największych odkształceń.

Ciało ludzkie w polu grawitacyjnym Ziemi. Warunki długotrwałej egzystencji człowieka na stacji kosmicznej. Środki chroniące pilotów i astronautów przed przyspieszeniem. Nieważkość i przeciążenie.

Praca i moc rozwijana przez człowieka w różnych rodzajach czynności. „Energia” i rozwój człowieka. Zastosowanie prawa zachowania energii do niektórych rodzajów ruchu człowieka.

Prace laboratoryjne.

1. Określenie objętości i gęstości ciała.

2. Określ średnią prędkość ruchu.

3. Wyznaczanie czasu reakcji człowieka.

4. Kalibracja hamowni i określenie siły pleców człowieka.

5. Wyznaczanie współczynników tarcia podeszew butów ludzkich o różne podłoża powierzchnie.

6. Określenie mocy rozwiniętej przez człowieka.

Wibracje i fale w organizmach żywych 2 godz.

Oscylacje i człowiek. Pochodzenie biorytmów. Serce i dźwięki towarzyszące pracy serca i płuc, ich zapis. Stetoskop i fonendoskop. Opukiwanie jest jednym ze sposobów określenia wielkości narządów wewnętrznych i ich stanu. Fale radiowe i ludzie.

Dźwięk jako środek percepcji i przekazywania informacji. Narząd słuchu. Ultradźwięki i infradźwięki. Zakres słyszalności dźwięku. Aparat głosowy człowieka. Charakterystyka głosu ludzkiego. Aparat słuchowy.

Praca laboratoryjna.

7. Badanie właściwości ucha.

Zjawiska termiczne 2 godziny.

Termoregulacja organizmu człowieka. Rola ciśnienia atmosferycznego w życiu człowieka. Ciśnienie osmotyczne. Zmiany ciśnienia krwi w naczyniach włosowatych. Wilgotność. Układ oddechowy.

Procesy termiczne w organizmie człowieka. Człowiek jest jak silnik cieplny. Entropia i ciało ludzkie. Druga zasada termodynamiki i zdolność do samoorganizacji.

Praca laboratoryjna.

8. Wyznaczanie objętości oddechowej płuc człowieka.

9. Oznaczanie ciśnienia krwi człowieka.

Elektryczność i magnetyzm 2 godziny.

Właściwości elektryczne organizmu człowieka. Bioelektryczność. Bakterie są pierwszymi elektrykami na Ziemi. Fotoreceptory, elektroreceptory, bioelektryczność snu. Oporność elektryczna narządów człowieka na prąd stały i przemienny. Pole magnetyczne i organizmy żywe.

Praca laboratoryjna.

10. Wyznaczanie odporności tkanek ludzkich na prąd elektryczny stały i przemienny.

Parametry optyczne człowieka 1 godzina.

Struktura ludzkiego oka. Siła akomodacji oka. Moc optyczna. Wady wzroku i sposoby ich korygowania. Cechy ludzkiego wzroku. Zdolność rozdzielcza oka ludzkiego. Jak to jest, że widzimy. Płyta gramofonowa i oko. Dlaczego potrzebujemy dwojga oczu? Wrażliwość widmowa i energetyczna oka.

Praca laboratoryjna.

11. Obserwacja niektórych cech psychofizjologicznych ludzkiego wzroku.

12. Wyznaczanie charakterystycznych parametrów wzroku człowieka.

System oceniania studentów . Po ukończeniu kursu zaliczenie następuje po spełnieniu następujących warunków:

1. Aktywny udział w przygotowaniu i prowadzeniu seminariów, konferencji, publikacji gazet i produkcji modeli.

2. Wykonanie co najmniej połowy prac laboratoryjnych.

3. Wykonanie co najmniej jednego zadania eksperymentalnego o charakterze badawczym lub projektowym.

4. Sporządzenie „Paszportu Fizycznego Osoby”.

PLANOWANIE KURSU TEMATYCZNEGO

Temat lekcji

Liczba godzin

Całkowity

teoria

ćwiczyć

PARAMETRY MECHANICZNE CZŁOWIEKA (9 H)

Fizyka. Człowiek. Środowisko.

Kinematyka i ciało człowieka.

Prawa Newtona w życiu człowieka.

Człowiek w stanie nieważkości i

przeciążenia

Postawa wyprostowana a układ mięśniowo-szkieletowy człowieka.

Manifestacja siły tarcia w organizmie człowieka.

Praca i moc rozwijana przez człowieka w różnych rodzajach czynności.

Statyka w organizmie człowieka.

Ciśnienie i organizm ludzki.

WIBRACJE I FALE W ORGANIZMACH ŻYWYCH (2 godz.)

Oscylacje i człowiek.

ZJAWISKA TERMICZNE (1 H)

Procesy termiczne w organizmie człowieka.

Druga zasada termodynamiki.

ELEKTRYCZNOŚĆ I MAGNETYZM. (2 godziny)

Właściwości elektryczne organizmu człowieka

Pole magnetyczne i organizmy żywe.

PARAMETRY OPTYCZNE CZŁOWIEKA (1 H)

Oko i wzrok

Konferencja.

Całkowity:

BIBLIOGRAFIA

1. Agadzhanyan N.A. Rytm życia i zdrowia. - M.: Wiedza, 1975.

2. Bezdenezhnykh E.A., Brickman I.S. Fizyka w przyrodzie i medycynie. - Kijów, 1976.

3. Bogdanow K.Yu. Fizyk z wizytą u biologa. - M., 1986.

5. Berkinblit M.B. i inne. Elektryczność w organizmach żywych. - M.: Nauka, 1988.

6. Boyarova O. i in. Od stóp do głów. - M.: Literatura dziecięca, 1967.

7. Bulat V.A. Zjawiska optyczne w przyrodzie. - M.: Edukacja, 1974.

8. Galperstein L. Witaj fizyko! - M.: Edukacja, 1973.

9. Gazenko O.G., Bezpieczeństwo i niezawodność człowieka w lotach kosmicznych // Nauka i życie. -1984 nr 3.

10. Enochovich A.S. Podręcznik fizyki . - M.: Edukacja, 1991.

11. Elkin V.I. Niezwykłe materiały edukacyjne z fizyki. - M.: Shkola-Press, 2001.

12.. Ilchenko V.R. Skrzyżowanie fizyki, chemii, biologii. - M.: Edukacja, 1986.

13. Katz Ts.B. Biofizyka na lekcjach fizyki. - M.: Edukacja, 1988.

14. Lanina I.Ya. Praca pozalekcyjna z fizyki. - M.: Edukacja, 1977.

15. Lanina I.Ya. Nie tylko lekcja. - M.: Edukacja, 1991.

16. Manoilov V.E. Elektryczność i człowiek. -L: Energoatomizdat, 1988.

17. Marion J.B. Fizyka ogólna na przykładach biologicznych. - M., 1986.

18. Popularna encyklopedia medyczna. - M., 1979.

19. Rydnik V.I. O współczesnej akustyce. - M.: Edukacja, 1979.

20. Siergiejew B.A. Fizjologia zabawna - M.: Edukacja, 1977.

21. Silin A.A. Tarcie i my. - M., 1987.

22. Sinichkin V.P. Sinichkina O.P. Zajęcia pozalekcyjne z fizyki. - Saratów: Liceum, 2002.

23. Swarts Kl.E. Niezwykła fizyka zjawisk zwyczajnych, - M., 1986.

24. Khutorskoy A.V., Khutorskaya L.N. Fascynująca fizyka. - M.: ARKTI, 2000.

25. Khripkova A.G. Ludzka psychologia. - M.: Edukacja, 1971.

26. Odkrywam świat: Encyklopedia dla dzieci: Fizyka. - M.: AST, 1998.

27. Świat fizyki. Zabawne historie o prawach fizyki. Petersburg „MiM-Express” 1995

28. OP Spiridonow. ŚWIATŁO. Fizyka, informacja, życie. M. „Oświecenie”. 1993