Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
БИОФИЗИКА ЧЕЛОВЕКА
Выполнил: Раков Егор
Ученик 10 «А» класса
МБОУ Гимназия №7
Руководитель:
Щапова Тамара Иннокентьевна
Красноярск 2013 год
Содержание:
4) Источники информации – стр. 14
Введение
Цель
Я выбрал эту тему, потому что мне захотелось узнать о теле человеке больше, открыть для себя что-то новое, узнать как устроены слух, дыхание и главная часть опорно-двигательной системы – кости.
«Очень плох человек, ничего не знающий, да и не пытающийся что-нибудь узнать. Ведь в нем соединились два порока» - сказал Платон.
Задачи
Теория
Прочнее гранита
В этой части моего проекта я рассмотрю прочность костей человека в сравнение с другими материалами.
Кости человека очень прочны, они лучше переносят нагрузку на сжатие чем на растяжение. Прочность на сжатие в 1,5 раза выше таковой на растяжение. Это объясняется тем, что на организм постоянно действует земная сила притяжения. [1]
Прочность кости в сравнении с другими прочными материалами:
|
Материал |
Прочность на сжатие, Н/мм2 |
Прочность на растяжение, Н/мм2 |
|
Сталь Кость Гранит Фарфор Дуб Бетон |
552 170 145 552 59 21 |
827 120 4,8 55 117 2,1 |
Виды деформации:
У человека более 200 костей. Самой прочной считается бедренная кость, ее прочность - 132 МПа при растяжении по продольной оси и 58 МПа перпендикулярно ей. При действии сжимающей силы прочность данной кости составляет соответственно 187 МПа и 132 МПа. То есть, потребуется около 3000 кг для того, чтобы раздробить эту кость давлением.
У взрослого здорового человека предел прочность бедренной кости на растяжение такой же, как предел прочности чугуна. Эта кость способна выдержать нагрузку на изгиб до 2500 Н [3]
Очень мало структур может сравниться с костями по прочности и легкости. Все кости построены из твердого материала — матрикса, в котором рассеяны костные клетки (остеоциты). Матрикс состоит из 2 главных компонентов: белок коллаген придает ему известную гибкость, а минеральные соли, главным образом фосфат кальция, — прочность. В сочетании эти 2 компонента делают кость прочной, как сталь, но в 5 раз более легкой.
Матрикс представлен в кости в 2 формах: твердое компактное вещество образует ее наружный слой, а губчатое - внутренний. В длинных трубчатых костях, таких как бедренная, имеется центральная костномозговая полость, заполненная у взрослых людей желтым костным мозгом. В желтом костном мозге откладывается жир. В ребрах, позвонках, грудине, концах трубчатых костей, костях черепа и таза содержится красный костный мозг, вырабатывающий красные и белые кровяные клетки.
Внутренние полости кости содержат мягкую, нежную, богатую клетками и снабжённую кровеносными сосудами массу, называемую костным мозгом. Различают три вида его: слизистый (лишь в некоторых развивающихся костях), красный или лимфоидный (например, в эпифизах трубчатых костей, в губчатом веществе позвонков), и жёлтый или жировой (наиболее распространённый). Основную форму составляет красный костный мозг, в нём наблюдается нежная соединительно-тканная основа, богатая сосудами, очень похожие на лейкоциты костномозговые или лимфатические клетки, клетки, окрашенные гемоглобином и считаемые за переход к красным кровяным тельцам, бесцветные клетки, содержащие внутри красные шарики, и многоядерные крупные («гигантские») клетки, так называемые миэлопласты.
При отложении в клетки основы жира и уменьшении числа лимфатических элементов красный мозг переходит в жёлтый, а при исчезновении жира и уменьшении лимфатических элементов он приближается к слизистому.
Костный мозг не имеет ничего общего с головным и спинным мозгом. Он не относится к нервной системе и не имеет нейронов.[4]
.
Как мы дышим
Дыхание — это физиологический процесс, обеспечивающий нормальное течение метаболизма (обмена веществ и энергии) живых организмов и способствующий поддержанию гомеостаза (постоянства внутренней среды) получая из окружающей среды кислород (О2) и отводя в окружающую среду в газообразном состоянии некоторую часть продуктов метаболизма организма (СО2, H2O и другие. В зависимости от интенсивности обмена веществ человек выделяет через лёгкие в среднем около 5 — 18 литров углекислого газа (СО2), и 50 грамм воды в час.
В течение одного вдоха (в спокойном состоянии) в лёгкие поступает 400—500 мл воздуха. Этот объём воздуха называется дыхательным объёмом (ДО). Такое же количество воздуха поступает из лёгких в атмосферу в течение спокойного выдоха. Максимально глубокий вдох составляет около 2000 мл воздуха. Максимальный выдох также составляет около 2000 мл.
После максимального выдоха в лёгких остаётся воздух в количестве около 1500 мл, называемый остаточным объёмом лёгких. После спокойного выдоха в лёгких остаётся примерно 3000 мл. Этот объём воздуха называется функциональной остаточной ёмкостью (ФОЁ) лёгких.
Благодаря ФОЁ в альвеолярном воздухе поддерживается относительно постоянное соотношение содержания кислорода и углекислого газа, так как ФОЁ в несколько раз больше ДО. Только 2/3 ДО достигает альвеол, который называется объёмом альвеолярной вентиляции.
Взрослый человек (при дыхательном объёме 0,5 литра и частоте 14 дыхательных движений в минуту) пропускает через лёгкие 7 литров воздуха в минуту. В состоянии физической нагрузки минутный объём дыхания может достигать 120 литров в минуту.
Соотношение вдоха и выдоха по времени 1:2 — 1:3.
Без дыхания человек обычно может прожить до 5-7 минут, после чего наступают потеря сознания, необратимые изменения в мозге и смерть.
Дыхание — одна из немногих способностей организма, которая может контролироваться сознательно и неосознанно. При частом и поверхностном дыхании возбудимость нервных центров повышается, а при глубоком — наоборот, снижается. Люди с ослабленной нервной системой дышат на 12 % чаще, чем люди с сильной нервной системой.
«Жизнь – это горение». Эти слова принадлежат знаменитым французским ученым XVIII в. А.Лавуазье и П.Лапласу. Действительно, чем, кроме горения, можно объяснить то, что температура нашего тела постоянна и почти всегда выше температуры окружающей среды? Лавуазье и Лаплас считали, что «печка», обогревающая человека, находится в легких, где углерод живой ткани, как в обычной печке, вступает в химическую реакцию с кислородом воздуха, образуя углекислый газ, в результате чего выделяется необходимое тепло. [5]
На самом деле реакция, в которой участвует кислород, происходит не только в клетках легких, но и во всех клетках организма, куда его доставляет кровь. Кроме того, процесс, протекающий в организме с уча стием кислорода и обеспечивающий нас энергией (и, в частно сти, теплом), не имеет ничего общего с реакцией прямого сгорания углерода, а представляет собой длинную цепь химиче ских реакций, одним из конечных продуктов которой оказы вается СО2.
И все же в некоторых случаях ради простоты можно рассматривать наш организм как «печку», потребляю щую в день около 0,5 кг кислорода и выделяющую за это вре мя почти такое же количество углекислого газа. По теории, предложенной Лавуазье и Лапласом, легким в этой «печке» отводится роль поддувала, через которое поступает кислород, и трубы, предназначенной для выхода углекислого газа. Интересно, что еще в XVII в. известный английский физик Р.Бойль, открывший один из газовых законов, утверждал, что, проходя через легкие, кровь «освобождается от вредных испарений».
Диффузия
Аноксия — это состояние, при котором ткани человеческого организма получают недостаточное количество кислорода.
В 1496 году в замке миланского герцога Лодовико Моро состоялось предновогоднее праздничное шествие под руководством художника и учёного Леонардо да Винчи. Одним из его главных участников был голый сын бедного пекаря, полностью покрытый золотой краской, с крыльями и лавровой ветвью в руке — олицетворение ожидавшегося Золотого века. В разгар представления мальчик должен был вылезти из фигуры лежащего рыцаря, символизировавшего уходящий Железный век.
Праздник был прерван из-за внезапного заболевания жены герцога. Замок опустел. Мальчик целую ночь провёл на каменном полу и заболел. Утром его обнаружил Леонардо да Винчи и отнёс к себе домой, пытаясь вылечить. Однако на четвёртый день ребёнок умер.
«Золотой мальчик» — неизвестный по имени мальчик, гибель которого стала хрестоматийным примером роли кожи в терморегуляции организма.
Таким образом, к смерти «золотого мальчика» привело переохлаждение, вызвавшее снижение защитных функций организма и недостаток кислорода к тканям дермы и эпидермы, следовательно открывшее дорогу опасному заболеванию.[7]
Вред курения
Бернард Шоу сказал: «Сигарета – с одной стороны огонь, с другой стороны дурак»
Никотин воздействует и на железы внутренней секреции, в частности на надпочечники, которые при этом выделяют в кровь гормон - Адреналин, вызывающий спазм сосудов, повышение артериального давления и учащение сердечных сокращений. Пагубно влияя на половые железы, никотин способствует развитию у мужчин половой слабости - ИМПОТЕНЦИИ!!! Поэтому её лечение начинают с того, что больному предлагают прекратить курение.
Особенно вредно курение для детей и подростков. Еще не окрепшие нервная и кровеносная системы болезненно реагируют на табак.
Кроме никотина, отрицательное воздействие оказывают и другие составные части табачного дыма. При поступлении в организм окиси углерода развивается кислородное голодание, за счет того, что угарный газ легче соединяется с гемоглобином, чем кислород и доставляется с кровью ко всем тканям и органам человека.
Курение, а точнее, никотин, блокирует усвоение витамина С. Тем самым провоцируется гиповитаминоз С, последствия которого отражаются на всех органах, особенно подвергаются разрушению оксидантами стенки сосудов.
В дыме среднестатистической сигареты находится до 12 000 различных веществ и химических соединений. Из них 196 — ядовитые и 14 — наркотические.
Болезни, вызываемые курением:
1)Онкологические заболевания:
Слева легкие курильщика, справа – некурящего человека.
Как мы слышим
Почти все, происходящее на Земле, рождает звук. Звук есть везде и проникает повсюду. В отличие от света, звук может «преодолевать» твердые и непрозрачные преграды, а также легко огибать их. Звук, как и свет, может изменяться по интенсивности в огромном диапазоне, стимулируя относи тельно простые слуховые системы.
Прежде чем перейти к анализу механизмов, ле жащих в основе нашей способности слышать, необходимо по знакомиться с основными понятиями науки о звуке — акустики. Что же такое звук?
Простейшим источником звука может слу жить колеблющийся камертон, вибрация ножек которого поро ждает распространяющиеся во все стороны волны давления, воспринимаемые нашим органом слуха. Таким образом, звук можно определить как последовательность распространяющих ся волн сжатия и разрежения в окружающей нас среде.
Следует отметить, что давление в звуковой волне колеблется относи тельно величины среднего атмосферного давления и относи тельная амплитуда этих колебаний обычно не превышает 0,5%. При этом никакого однонаправленного течения молекул возду ха при распространении звуковой волны не происходит.
Основными параметрами звуковой волны являются ее ча стота, амплитуда (или интенсивность) и скорость распространения. Частота звуковой волны полностью определяется характе ристиками источника звука и скоростью его движения относи тельно звукоприемника (эффект Доплера). Амплитуда звука в данной точке зависит не только от мощности источника и расстояния до него, но и от свойств окружающей среды. Ско рость распространения звуковой волны является параметром, зависящим только от характеристик среды, в которой она распространяется.
Схематическое изображе ние уха человека;1-слуховой проход; 2-бара банная перепонка; 3-молоточек; 4-наковальня; 5-стремя; 6 -мембрана овального окна;7-улитка; 8-мембрана круглого окна; 9-евстахиева труба
На рис показано ухо человека в разрезе. Оно состоит из трех частей: наружного, среднего и внутреннего уха. Наружное ухо — это ушная раковина и оканчивающийся в ней наружный слуховой проход. Элементы наружного уха служат для того, чтобы подводить энергию звуковых волн к барабан ной перепонке — мембране, полностью перекрывающей на ружный слуховой проход в самом его конце. Барабанная пере понка и соединенная с ней цепочка из трех слуховых косточек (наковальня, молоточек и стремя) — элементы среднего уха — передают звуковые колебания дальше, в элемент внутреннего уха, называемый улиткой, где они преобразуются в последовательность нервных импульсов, идущих в мозг по слуховомунерву.
Внутреннее ухо представляет собой замкнутую полость в височной кости черепа. Только в области овального и кругло го окон имеются эластичные мембраны, которые могут проги баться. Вся полость внутреннего уха заполнена жидкостью. По следняя из слуховых косточек среднего уха — стремя — прикре плена к мембране овального окна и передает таким образомзвуковые колебания жидкой среде внутреннего уха. Звуковые колебания, распространяющиеся во внутреннем ухе от овально го до круглого окна, деформируют специальные волосковые клетки, возбуждение которых дает начало нашим слуховым ощущениям.
Ухо – необычайно чувствительный орган. В области частот, относящихся к речи (около 1500 Гц), ухо может воспринимать даже звуки силой 10‾¹² Вт/м². Это так называемый порог слышимости. Благодаря большой чувствительностиуха мы можем слышать звук на значительном расстоянии от его источника. Когда сила звука становится равной 10Вт/м², ощущение звука переходит в боль. Значит человек способен различать звуки, отличающиеся по мощности в 10¹³ раз.[6]
На рисунке представлена область слухового восприятия человека в зависимости от интенсивности и частоты звуковых колебаний. Верхняя кривая соответствует громким звукам, нижняя – самым слабым. Между этими кривыми находится область слышимых нами звуков.
Орган слуха одновременно служит и органом равновесия. Внутренняя полость перепончатого лабиринта заполнена жидкостью – эндолимфой в которой взвешены кристаллики углекислой извести. Всякое изменение положение тела приводит их в движение, они раздражают чувствительные клетки внутренних стенок лабиринта. Раздражение передается окончаниям слухового нерва и дальше в мозг. Получив информацию о новом положении тела в пространстве, мозг дает команду мышцам, ответственным за сохранение позы.
Практическая часть
Прочнее гранита
Прекрасной иллюстрацией прочности костей че ловека может служить популярный сейчас вид спортивных упражнений - карате. Изображение каратеиста, разбивающего крепкие бруски дерева или бетона, обошло страницы многих журналов. Тем не менее, тому, кто видит это впервые, кажется, что это мистификация. Однако даже новичок в карате после недолгой тренировки сможет легко разбить голой рукой сначала один брусок дерева, а потом и целую их стопку.
Приемы японского стиля карате, который сейчас практи куется, были разработаны на острове Окинава. Завоевав остров в XVII веке, японцы отобрали у местных жителей все виды оружия, запретили его производство и импорт. Чтобы защи тить себя, окинавцы разработали систему приемов борьбы с помощью пустой (кара) руки (те). Методы карате значительно отличаются от приемов западных видов самообороны без ору жия. Западный боксер передает большой импульс всей массе своего противника, сбивая его с ног, тогда как каратеист кон центрирует свой удар на очень малом участке тела и старается завершить его на глубине не более 1 см, не делая при этом длинных махов руками. Поэтому удар каратеиста легко может разрушать ткани и кости противника, на которые он напра влен. Хорошо натренированный каратеист может в течение не скольких миллисекунд передавать в ударе мощность в несколь ко киловатт. [2]
Возникает вопрос, как может голая рука разбивать такие прочные предметы, как дубовые или бетонные бруски, не ло маясь сама? Чем больше брусок, тем труднее его разорвать. Чем эластичнее материал бруска, тем труднее его разорвать, так как большая энергия тратится на его растяжение. Как правило, в своих показательных выступлениях каратеисты используют бетонные кирпичи размером 0,4х0,2х0,05 м. Для таких брусков энергия, необходимая для разрыва бруска0,55 Дж. Скорость движущейся руки каратеиста составляет приблизительно 12м/с, а ее масса-0,7 кг.
Решим простую задачу. Энергия, переданная рукой каратиста, равна кинетической энергии руки.
W=m*v²/2=0,7*12²/2=50,4Дж.
Эта энергия много больше той, которая необходима для разрыва бруска. Таким образом, рука ка ратеиста обладает достаточным запасом энергии, чтобы разрушить брусок из бетона.
То, что рука каратеиста не ломается при ударе о бетонный брусок, частично объясняется гораздо большей прочностью ко сти по сравнению с бетоном. Высокоскоростная киносъемка ку лака каратеиста в момент удара показала, что его замедле ние при соприкосновении с бруском составляет примерно-4000 м/с2за 0,5 с. Рассчитаем силу, действующую на кулак, во время этого замедления.
Силу можно определить по второму закону Ньютона: F=ma
Ускорение найдем по формуле: a=(v-v0)/ t
Получаем: а= (0-4000 м/с) 0,5 с=8000 м/с²
F=0,7кг*8000 м/с²=5600Н
Ес ли весь кулак в момент удара заменить костью длиной 6 см и диаметром 2 см, фиксированной в двух крайних точках, а удар о брусок моделировать силой, действующей на ее сере дину, то в таких условиях кость может выдержать 25000 Н. Это приблизительно в 4 раза больше, чем сила, действующая на кулак каратеиста при разламывании бетонных брусков.
Однако возможности у руки каратеиста противостоять таким ударам еще больше, так как в отличие от бетонного бруска она не под держивается по краям и удар не приходится точно в середину. Кроме того, между костью и бруском бетона всегда находится эластичная ткань, амортизирующая удар.
Итак, ссылаться на хрупкость наших костей, оправдывая свою нерешительность, мы не вправе. Они не подведут
Второе исследование:
Я взял кость и решил проверить, в каком случае она крепче: при перпендикулярном давлении или продольном.
Рис. 6 Пресс с костью
Итак, при продольном давлении кость оказалась крепче, нежели при перпендикулярном.
Третье исследование:
В домашних условиях я решил проверить: при каком виде деформации кость окажется крепче, при продольном давлении или перпендикулярном.
Итог, кость как и в прошлом эксперименте оказалась крепче при продольном давлении, нежели при перпендикулярном.
Как мы дышим
Дыхательная гимнастика:
Я исследовал моих одноклассников (24 человек) на состояние их легких.
Принцип гимнастики:
Критерий: время, на которое ребята смогут задержать дыхание и есть проверка состояния их легких.
5-10 сек. – слабые, нетренированные легкие
10-15 сек. - сильные, нетренированные легкие
15-20 – сильные, тренированные легкие
Результат:
8 человек – со слабыми, нетренированными легкими - 33,3 %
10 человек - с сильными, нетренированными легкими – 41,6 %
6 человек – с сильными тренированными легкими – 25 %
Имитация курения:
Я решил провести исследование, в котором определял влияние курения на легкие.
Взяв бутылку объёмом 1,5 литра, налив на дно немного воды и вставив вату в горлышко, я имитировал с помощью бутылки легкое курильщика при курении. Вата заменила внутренние ткани, которые впитывают никотин, вода имитировала пары воды, содержащиеся в лёгких.
Рисунок 1- бутылка до эксперимента
Рисунок 2 – бутылка во время эксперимента
Рисунок 3 – после эксперимента
Рисунок 4 – вата до эксперимента
Рисунок 5 – вата после эксперимента
Итак, после имитации курения одной сигареты я получил, что вода потускнела, некоторая часть дыма осталась в бутылке, но через некоторое время этот дым вышел, а на вате остался яркий желтый налет. Это говорит, о том, что дым, проникая в легкие, наносит не только вред самим легким, но и отравляет ткани дыхательных путей, изменяет состав паров воды, которая частично дальше пойдет по организму. Кроме того, дым, оставшийся внутри, отравляет организм. Таким образом, после одной выкуренной сигареты организм получает колоссальный вред. А если представить, что происходит с организмом курильщика, после нескольких лет курения.
Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3
Рис. 4 Рис. 5
Еще одно исследование:
Если в зале 1000 человек, а один человек выкурил сигарету. Сколько попадет дыма в легкие каждого человека?
Будем считать, что дым и пепел от выкуренной сигареты равномерно распределились по всему залу, то есть все присутствующее в зале получают свою дозу в равных количествах.
Типичное значение рабочего объёма лёгких человека составляет около 2 литров.
Типичная площадь зала составляет около 1м21место, а высоту зала можно принять
равной 20м; тогда объём зала составит 1000 м. в квадрате умножить на 20м=20,000м в кубе, а соотношения объёма лёгких и зала-10-7.
Вес сигареты 5 г. А вес каждого атома углерода 2,6*1023г
От одной сигареты образуется 0,5 моля газа СО2, который занимает 10 л.
Доля на каждого человека, сидящего в зале, окажется 10-7.
Получает одну десятимиллионную долю всего дыма и пепла, произведенного одной сигаретой
В каждом моле вещества содержится 6*1023 молекул (число Авогадро).
От одной сигареты образуется 0,5 моля газа СО, который занимает объем около 10 литров.
Пачка сигарет – 200 литров газообразных продуктов сгорания через легкие.
Доля каждого из присутствующих в зале 1017 молекул от той же сигареты.
Много это или мало?
Размеры твердых аэрозольных частиц (кусочков сажи) около 1 микрона, т.е. 10-4 см.
Плотность 1 г/см3, вес каждой 10-12 г., а общее число от сигареты 5*1012 частиц.
В легкие попадает – всего 106
И это от одной сигареты на каждом вдохе в большом зале и только от одного товарища.
А если пачку, и не открывать в комнате окно?
Заключение
В своей работе я затронул, какие механические процессы протекают в человеческом организме на примере строения костей, дыхательной системы и слухового аппарата.
Эти сведения, во-первых, расширили мои знания по биологии, химии и физике; во-вторых, помогли понять как используются в спорте возможности человека
Мне было интересно узнать много нового о современных науках, проводить исследования и наблюдения.
Источники информации: