biofizyka_1.doc

(4744 KB) Pobierz

1 Omów zadania, zakres badań i podział biofizyki oraz wymień kilku prekursorów tego przedmiotu i scharakteryzuj ich zaintereso

1 Omów zadania, zakres badań i podział biofizyki oraz wymień kilku prekursorów tego przedmiotu i scharakteryzuj ich zainteresowania

a)zadania

jest specyficzną interpretacją zjawisk życiowych ,oparta na metodologii badań pochodzącej z nauk fizycznych

b)zakres

jest dyscypliną naukową stanowiącą zasady i metody fizyki oraz innych dyscyplin fizycznych do rozwiązania problemów biologicznych

c)podział

obecnie biofizyka dzieli się na biofizykę czystą i stosowaną. pierwsza z nich zajmuje się problemami podstawowymi a druga zastosowaniem biofizyki do celów praktycznych.Do biofizyki stosowanej można zaliczy również biofizykę medyczną wykorzystującą osiągnięcia biofizyki i fizyki do celów diagnostyki, terapii, profilaktykii, a także do prac badawczych w medycynie.Również często stosowany jest podział na biofizykę matematyczną lub teoretyczną i doświadczalną.Biofizyka matem zajmuje się poszukiwaniem modeli rozważaniami teoretycznymi dotyczącymi procesów biologicznych.Biof doświadczalna stara się wyjaśnić otrzymywanie wyników badań doświadczalnych

d)prekursorzy

1.Athanisus Kicher 1601-1680 uważał że ekstrakt ze świetlików może służyć do oświetlenia domu napisał książkę o bioilumescencji

2.Lugi Galvani 1737-1798 przeprowadził badanie żaby przy użyciu cynku i miedzi.Po dotknięciu mięśni cynkiem a nerwu miedzią zaobserwował ruch

3.Archibald Vivian Hill 1886-1977 zajmował się pracą mięsni, dostał nobla za badania nad wydzielaniem ciepła przez mięśnie

4.Herman Joseph Muller 1890-1967 odkrył że promienie x powodują mutację genów

5.Sir Alan Lloyd Hodkin 1914-1994 odkrył że centralny system nerwowy steruje ciałem

2.Na czym polega i jak dzielimy modele biofizyczne? Opisz trzy różne przykłady wykorzystania modelowania w biofizyce

a)modelem nazywamy konstrukcję geometryczną,mechaniczną,elektryczną,elektroniczną,matematyczną mającą na celu odwzorowanie struktury albo zjawiska oraz wyjaśnienie obserwowanych procesów i zależności. Dobrze e skonstruowany model ma również właściwości heurystyczne pozwalające wykryć nowe fakty i związki między faktami, stawiać nowe hipotezy,sprawdzać je itp.Ze względu na tę właściwość modelowanie ma znaczenie nie tylko w nauce ale i w medycynie praktycznej np. na pods badań matematycznych w opraciu o zebrane info o chorym oraz odpowiednie modele matematyczne można przewidzieć kierunek rozwoju choroby

b)podział

-biologiczne

-fizyczne

-analogiczne

-statyczne

-dynamiczne

c)modele biologiczne-na tych modelach bada się ogólne prawa biologiczne,procesy patologiczne,działanie wpływu czynników fizycznych itp.Do grupy tych modeli zaliczamy zwierzęta doświadczalne, izolowane komórki i tkanki,organelle komórkowe itp.

modele statyczne –jeżeli badamy zależność pomiędzy dwiema wielkościami x i y niezależnymi od czasu oraz uważamy że jest ona liniowa to stosujemy wzór

y=ax+b

x i y znane

a i b parametry

modele dynamiczne-modele te mają postać równań różniczkowych zawierających pochodne względem czasu np. kinetyka prostego procesu zaniku stężenia leku w organizmie po podaniu dożylnym może być opisana wzorem

----= - kc

c-stężenie leku w czasie t

k-stała szybkość zaniku stężenia leku

3.Jakie znasz stany skupienia materii? Jak charakteryzujemy właściwości mechaniczne materiałów? Przedstaw i omów zależność naprężenia od odkształcenia dla materiałów o dużej i małej sprężystości oraz dużej i małej wytrzymałości.

a)stany skupienia

elementy strukturalne materii o różnych poziomach organizacji(atomy cząsteczki makrocząsteczki)przy odpowiedniej temp i ciśnieniu wiążą się w większe kompleksy tworząc różne stany skupienia materii.Różnorodność stanów w których występuje materia zależy od różnorodnej konfiguracji atomów, jonów, cząsteczek oraz ich wzajemnych oddziaływań.Struktura materii zależna jest od stanu skupienia w którym się ona znajduje.Materia może występować w 4 stanach skupienia

-gazowy

-ciekły

-stały

-plazmatyczny-materia znajdująca się w nim w postaci całkowicie zjonizowanej

W biofizyce wyróżnia się jeszcze 2 stany skupienia powierzchniowe i makrocząsteczki.Makrocząsteczki są głównymi składnikami organów żywych.Funkcje ukł biologicznych są zależne od zmian strukturalnych stanów makrocząsteczkowych natomiast stan w którym występuje dana makrocząsteczka zależy głównie od wielkości sił międzycząsteczkowych działających przy danym ciśnieniu i temp.

b)wł. mech

-wytrzymałość-zdolność materiału do przenoszenia obciążeń bez jego zniszczenia

-sprężystość-zdolność mat do uzyskania pierwotnego kształtu i objętości po usunięciu obciążeń

-plastyczność-zdolność mat do uzyskania nowych kształtów i zachowania ich po usunięciu obciążeń

-ciągłość-zdolność mat do dużych odkształceń bez uszkodzeń materiału pod wpływem obciążeń

-wiązkość-zd mat do pochłaniania energii mech związanej z odkszt materiału

-kruchość-zd mat do pęknięć bez odkształceń plastycznych lub przy małych odkszt plastycznych

-twardość-odporność mat na odksz przy działaniu sił skoncentrowanych w jednym miejscu

4. Jak definiujemy naprężenie, a jak odkształcenie?. Jakie są rodzaje naprężeń, a jakie odkształceń? Jak charakteryzujemy właściwości sprężyste materiałów? Przedstaw rysunki i zapisz wzory.

a)Naprężenie, miara sił wewnętrznych powstających w ciele pod wpływem zewnętrznej, odkształcającej siły. W danym punkcie naprężanie określone jest wektorem P=dF/dS, gdzie dF/dS oznacza siłę działającą na nieskończenie mały element powierzchni przekroju ciała. Naprężenie dzieli się na: działające w kierunku prostopadłym do powierzchni przekroju S, nazywane naprężeniem normalnym σ, oraz na działające w kierunku stycznym do powierzchni (naprężenie styczne τ), przy czym zachodzi równość P2=σ2+τ2. Stan naprężenia w danym punkcie wynikający z wszystkich wektorów naprężenia określa tensor naprężeń.

b) Odkształcenie, zmiana wzajemnych odległości pomiędzy punktami ciała, powstająca w wyniku naprężeń spowodowanych przez rozciąganie, ściskanie zginanie lub skręcanie ciał. Wyróżnia się: odkształcenie sprężyste, gdy odkształcenie zanika po ustaniu naprężenia, i odkształcenie plastyczne.

* Sprężyste odkształcenie, odwracalne odkształcenie ciała. W przypadku idealnym po zaprzestaniu działania sił wywołujących sprężyste odkształcenie ciała (Hooke'a prawo) powraca ono samoczynnie do swego pierwotnego kształtu. W przypadku ciał rzeczywistych sprężyste odkształcenie zachodzi tylko w przybliżeniu ze względu na istnienie zjawiska histerezy (sprężystej).

* Odkształcenie plastyczne, odkształcenie trwałe, nie zanikające po usunięciu obciążeń (obciążeni e), które je wywołały. Odkształcenie plastyczne może powstać przez poślizg - przesunięcie jednej części kryształu względem drugiej lub poprzez bliźniakowanie - obrót jednej części kryształu względem drugiej w taki sposób, że obie części kryształu przyjmują symetryczne położenie

c)rodzaje naprężeń

-naprężenie całkowite

-naprężenie normalne

-naprężenie styczne

d)rodzaje odkształceń

-liniowe

-kątowe

5. Zapisz i omów prawo Hookea oraz porównaj na wykresie właściwości sprężyste różnych materiałów. Omów metodą wyznaczania modułu sprężystości objętościowej i postaciowej materiałów przedstaw poznane wzory

a)prawo Hooke’a-przy odkształceniach objętościowych występujących w granicach proporcjonalności słuszne jest prawo Hooke’a

σ=kε k-moduł sprężystości objętościowej

-wyznaczenie sił

QAC=FBC sin β skąd otrzymujemy

QAC

F=-----------

BC sin β

siła F jest wielokrotnie większa od ciężaru Q gdyż AC>BC i sin β <1

-z kolei dla siły Fw mamy

Fw = Fsin β-Q oraz

Fw cons α=F cons β

skąd:

cons β

Fw=------

cons α

υ stal

aluminium

kość

drewno

6.Na czym polega skręcanie a na czym ścinanie a na czym skręcanie? Omów zjawisko na przykładzie pręta o przekroju kołowym i na przykładzie rury. Przedstaw rysunki i zapisz wzory. Podaj przykład występowania ścinania i skręcania w biernym układzie ruchu.

skręcanie- w wytrzymałości materiałów stan obciążenia materiału, w którym na materiał działa moment, nazwany momentem skręcającym, działający w płaszczyźnie przekroju poprzecznego materiału. Powoduje on występowanie naprężeń ścinających w płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny działania momentu. Skręcanie występuje w prętach, którymi najczęściej są wały. Wyróżniamy 2 podstawowe przypadki skręcania:

Skręcanie czyste - w którym do ścianek poprzecznych jednorodnego i izotropowego pręta pryzmatycznego przyłożone jest obciążenie o gęstości q = [0;qvy;qvz], które redukuje się do dwóch przeciwnie skierowanych momentów działających w płaszczyźnie ścianek poprzecznych. Rozwiązanie tego przypadku jest możliwe tylko w przypadku, gdy uda nam się znaleźć funkcję spaczenia ф, charakterystyczną dla przekroju pręta, która jest rozwiązaniem układu następująych równań (rozwiązaniem

Skręcanie proste pręta, które różni się od skręcania "czystego" tym, że obciążenie zastępujemy dwójką przeciwnie skierowanych, równych co do wartości skupionych momentów skręcających. Analityczne rozwiązanie tego przypadku jest praktycznie niemożliwe, dlatego stosujemy zgodnie z zasadą de Saint-Venanta rozwiązanie zagadnienia czystego skręcania

T2 Q1 Q2

r2 r1

Ms=Q1T1+Q2T2=r1F1+r2F2

MsL

O =

GJo

Q-kąt skręcania pręta

Ms-moment skręcający

L-długość pręta

G-moduł sprężystości objętościowej

Jo-biegunowy moment bezwładności przekroju

ścinanie-

wytrzymałości materiałów ogólny przypadek obciążenia, w którym układ sił wewnętrznych udaje się sprowadzić do jednej siły działającej w płaszczyźnie przekroju elementu. Przypadek czystego ścinania występuje w czasie rozciągania połączenia spawanego, gdy siły rozciągające przyłożone są do elementów spawanych. Naprężenia tnące występuje w spoinie na płaszczyznach łączących nią z elementami. Ścinanie najczęściej występuje w połączeniu z innym stanem obciążenia np., wraz z dociskiem, w połączeniach nitowych, klinowych i wpustowych

8.Scharakteryzuj bierny układ ruchu człowieka. Omów jeden z przykładów przenoszenia obciążeń w biernym układzie ruchu człowieka oraz wymień odkształcenia i naprężenia które występują w tym przykładzie.

*tkanka łączna zbita składa się z włókien biegnących w jednym kierunku zwartych i przylegających do siebie. Zbudowana jest z kolagenu który jest wytrzymały. Należą do niej ścięgna, więzadła i torebki stawowe.

*tkanka chrzęstna pełni rolę tkanki podporowej. Należą do niej powierzchnie stawowe i zakończenia żeber, występuje również w nosie i małżowinie usznej

*tkanka kostna składa się z komórek kostnych i twardej zbitej substancji międzykomórkowej przesyconej nieorganicznymi substancjami solami wapnia. Na pow kości subs ta tworzy zwartą istotę zbitą

cd z pytania nr 9

7. Na czym polega zginanie? Omów zjawisko zginania na przykładzie pręta o przekroju kołowym i na przykładzie rury. Jakie rodzaje naprężeń występują podczas zginania? Podaj przykład występowania zginania w biernym układzie ruchu człowieka.

Zginanie:

*podczas zginania występuje jednocześnie po przeciwnych stronach zginanego elementu naprężenie ściskające i rozciągające,

*przy obciążeniach jednokierunkowych optymalnym kształtem jest przekrój dwuteownika,

*przy obciążeniach wielokierunkowych optymalnym kształtem jest przekrój koła z wydrążonym środkiem.

Zginanie (dla rury):

Mg= r*F

Wz=J/y=π(D4-d4)/32D (dla rury)

Sg=Mg/Wz<lub równe kg

Mg- moment grzący

r- ramię działania siły F

kg- naprężenie dopuszczalne na zginanie

Wz- wskaźnik wytrzymałości elementu o danym przekroju na zginanie

J- moment bezwładności przekroju

y- maxymalna odległość od osi obojętnej

J= m*r2

8. Scharakteryzuj bierny układ ruchu człowieka. Omów jeden z przykładów przenoszenia obciążeń w biernym układzie ruchu człowieka oraz wymień odkształcenia i naprężenia występujące w tym przykładzie.

Układ ruchu jest to część organizmu odpowiadająca za wykonywanie ruchów dowolnych.Wyróżniamy bierny układ ruchu składający się z:

*kości

*ruchomych i stałych połączeń międzykostnych(czyli stawy z elementami dodatkowymi).

Czynny układ ruchu:

*mięśnie

*ścięgna

Organizm człowieka stanowi anatomiczną i funkcjonalną całość, jednak w celu usystematyzowania anatomii został podzielony na pewne partie. Przy szczegółowym opisywaniu narządu ruchu rozpatruje się oddzielnie kg, kd, tułów i głowę.

Wybrane przykłady biernego ruchu:

*przedramię jak przykład dźwigni jednostronnej.

Wyznaczanie sił:

QAC=F*BC*sinβ, skąd otrzymujemy:

F=O*AC/BC*sinβ

Siła F jest wielokrotnie większa od ciężaru Q, gdyż AC>BC i sinβ<1

Dla siły Fw mamy:

Fw=Fsinβ-Q oraz Fw cosα=Fcosβ

Fw=Fcosβ/cosα

Staw biodrowy:

Siły działające na staw biodrowy przy uniesionej stopie:

a) rozkład sił w stawie

b) wektorowy układ sił

Wyznaczanie sił:

Q*r=0,4*r*F

Siła równoważąca może być wyznaczona z równania:

R2=F2+Q2-2FQ*cosγ

γ =180°-α i cosγ =-cosα= -cos30°

R= pierwiastek z F²+Q²+FQcos30°

Wyliczenie dla ciała o masie m=75kg. Wartość siły F=1840N, siła R=2504N

a=Vk-Vp/∆t

F=m*a

Bierny układ ruchu zbudowany jest z różnych rodzajów tkanki łącznej:

*tkank łączna zbita składa się z włókien biegnących w jednym kierunku, zwartych i przylegających do siebie. Zbudowana jest z kolagenu(duża wytrzymałość) i elastyna(sprężystość). Należą do niej ścięgna, więzadła i torebka stawowa.

*tkanka ochrzęstna pełni rolę tkanki podporowej. Należą do niej powierzchnie stawowe i zakończenie żeber, występuje w nosie i małżowinie usznej.

*tkanka kostna składa się z komórek kostnych(osteoklastów, osteoblastów) i twardej zbitej substancji międzykomórkowej przesyconej nieorganicznymi solami wapnia. Na powierzchni kości substancja ta tworzy zwartą istotę zbitą.

Dostosowanie kości do obciążeń:

*aparat ruchu człowieka jest układem zoptymalizowanym pod względem wielu kryteriów w tym wytrzymałościowych,

*przekrój przez kości długie często przypomina wydrążony przekrój kołowy,

*kkg są przede wszystkim rozciągane, a kkd ściskane,

*brak gwałtownych zmian przekroju.

Kk. Można traktować jako materiały kompozytowe o zróżnicowanej, hierarchicznej strukturze. Są przystosowane do dużych obciążeń jednorazowych i cyklicznych obciążeń o mniejszej amplitudzie. Kość jako aktywna, żywa tkanka reaguje na obciążenia cykliczne bardziej intensywną cyrkulacją płynów odżywczych zwiększając masy wzrostem grubości. Aktywność fizyczna, a głównie ćw. O charakterze siłowym wpływają regenerująco na tkankę kostną i zapobiegają osteoporozie

9.Na czym polega dostosowanie kości do przenoszenia obciążeń mechanicznych? Omów metodę badania kości na zginanie przedstaw rysunki i zapisz wzory.

-aparat ruchu jest obiektem zoptymalizowanym pod względem wielu kryteriów w tym wytrzymałościowych

-przekrój poprzeczny kości długich często przypomina przekrój kołowy

-kończyny górne są przede wszystkim rozciągnięte a dolne ściśnięte

-brak gwałtownych zmian w przekroju

-kości można traktować jako materiały kompozytowe o zróżnicowanej hierarchicznej strukturze

-są one przystosowane do przenoszenia dużych obciążeń jednorazowych i cyklicznych obciążeń o mniejszej amplitudzie

-kość jako aktywna żywa tkanka reaguje na obciążenia cykliczne bardziej intensywną cyrkulacją płynów odżywczych zwiększeniem masy i wzrostem siłowym

-aktywność fiz a głównie ćw o charakterze siłowym wpływają regenerująco na tk kostną i zapobiegają osteoporozie

*wł strukturalne i mechaniczne kości

-hierarchiczność budowy- kości posiadają wielopoziomową strukturę małe elementy strukturalne w kościach składają się na elementy większe a te z kolei na jeszcze większe itd.

-spiralne ułożenie elementów przestrzennych-na każdym poziomie strukturalnym można wyróżnić elementy których wzajemne ułożenie występuje głównie w tk miękkich ale również w kościach

-zdolność do adaptacji- kości aktywnie reagują na działanie obciażeń i powstające w niej uszkodzenia. Struktura kości dostosowuje się do obciążeń a intensywność przebudowy zależy od obciążeń. Jest to jedna z cech żywych tkanek

-odporność na różnorodne obciążenia- wtrącenia występujące w kościach może blastyfikować jako wtrącenia rozproszone, włókna, a nawet trójwymiarowe kratownice. Struktury takie zwiększają wytrzymałość na działanie naprężeń normalnych i stycznych oraz zapobiegają rozprzestrzenianiu się pęknięć

T1=F/2

T2=F/2