Министерство сельского хозяйства российской федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ставропольский государственный аграрный университет хащенко А.

.

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Хащенко А.А., Стародубцева Г.П.

Боголюбова И.А.,


ЛЕКЦИОННЫЙ КУРС
по биологической физике
учебное пособие для студентов

факультета Ветеринарной медицины,

обучающихся по специальности 111180.65 «Ветеринария» и направлению 111190.62 «Ветеринарно-санитарная экспертиза»

СТАВРОПОЛЬ-2011

ЛЕКЦИЯ 1

ВВЕДЕНИЕ

План

1.1 Физика и биофизика. Предмет и методы исследования в физике и биофизике.

1.2 Значение физики для биологии.

1.3 Значение физики для медицины.
1.1

Физика – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения.

Изучение физики связано с изучением форм и законов движения тел, так как движение представляет собой форму существования материи.

Перед физикой стоят следующие задачи:

1. исследовать явления природы и найти законы, которым они подчиняются;

2. установить причинно – следственные связи между вновь открытыми явлениями и явлениями, изученными ранее;

3. применить полученные знания для дальнейшего активного воздействия на природу.

Физические методы исследования:

1) наблюдение – изучение явлений в естественной, природной обстановке. Научное наблюдение представляет далеко не простую задачу, так как требует умения совместно сгруппировать ряд родственных явлений, отметив их характерные черты сходства и различия, выяснения факторов, от которых зависит изучаемое явление, и установления влияния каждого фактора в отдельности при сохранении неизменными всех остальных;

2) эксперимент – изучение явления путем его воспроизведения в искусственной, лабораторной обстановке. Эксперимент имеет ряд преимуществ перед наблюдением. Он экономит время, ускоряя возможность изучения явления, так как ученый не ждет, пока это явление произойдет в природе, а искусственно создает его в нужный момент в лаборатории. Эксперимент очень часто расширяет диапазон изучения явлений. Например, в природе происходит колебание температур в очень небольшом интервале, в лаборатории же можно создать температуры очень высокие и очень низкие, приближающиеся к абсолютному нулю. Эксперимент позволяет производить исследования при помощи сложных стационарных приборов, то есть производить их значительно точнее, чем в природных условиях.

Эксперимент позволяет: 1)изолировать исследуемый объект от влияния побочных, несущественных и затемняющих его сущность явлений и изучать его в «чистом» виде; 2)многократно воспроизводить ход процесса в строго фиксированных, поддающихся контролю и учету условиях; 3)планомерно измерять, варьировать, комбинировать различные условия в целях получения искомого результата.

Анализ экспериментальных данных и приводит к установлению физических законов. Именно таким путем был открыт известный закон Ома.

3) создание гипотез – научных предположений, выдвигаемых для объяснения явления. Известны примеры, когда новые физические закономерности были сначала предсказаны теоретически и лишь затем обнаружены экспериментально. К числу таких открытий относится знаменитое соотношение Эйнштейна, связывающее массу и энергию частиц. И в этих случаях эксперимент в физике играет решающую роль. Физическими законами становятся лишь те теоретические предсказания, которые подтверждаются экспериментом.

Объектом изучения физики являются наиболее простые свойства и структура материи. Ученые – физики при проведении экспериментов могут применять мощные физические воздействия и теоретически изучать их, используя методы упрощения систем. Фундаментальные физические законы лежат в основе фундаментальных химических и биологических закономерностей.

Биофизика выделилась в отдельную науку, так как ее объект - живой организм - не допускает ни произвольных гипотез, ни жестких очисток, ни мощных воздействий. Достаточно по примеру физики сделать хотя бы одно допущение, например, что лекарство абсолютно не токсично в любых дозах, - и будут решены почти все проблемы медицины, патология исчезнет, но погибнет и живой организм.

Цель биофизики – познание закономерностей процессов в живом организме, поэтому есть отличие в применяемых методах, что относит биофизику к разделу биологических наук.

Биофизика изучает:

физические явления – биотоки, ток крови, движения животных, диффузию различных веществ в живом организме, то есть биологические формы движения материи;

физические свойства живых тканей – электропроводность, оптическую плотность, поверхностное натяжение, теплоемкость и т.д., дающие возможность расшифровать особенности биологических структур;

первичные физико – химические процессы, происходящие в тканях, клетках.

Таким образом, биофизика – наука о наиболее простых и фундаментальных взаимодействиях, лежащих в основе биологических явлений.

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

1.2

Рассмотрим значение физики для биологии. Известно, что живая ткань обладает определенными физическими параметрами: электрической проводимостью, удельной теплоемкостью, устойчивостью к механическим деформациям и другими. При изменении биологических функций организма меняются и его физические характеристики, что используется в диагностике заболеваний. Так, при воспалительных процессах наблюдается повышение температуры, при туберкулезе понижается прозрачность легких, при некоторых заболеваниях нервной системы растет артериальное давление. Кроме того, в живых организмах неразрывно сочетаются физические, химические, биологические и другие факторы. Например, глаз представляет собой сложную систему, содержащую оптическую часть (хрусталик), электрохимический преобразователь световой энергии (сетчатка), автоматическое устройство (механизм аккомодации, сужения и расширения зрачка) и др.

Или взять процессы, протекающие в нервной системе. Часто употребляется выражение: «Из коры головного мозга сигнал передается на нервные окончания». Какой сигнал? Как передается? Ответы на эти вопросы являются чисто «физическими». Нервные волокна – это, упрощенно говоря, тоненькие трубочки, стенки которых представляют собой своего рода конденсатор. При возбуждении они способны пропускать ионы, что приводит к разрядке данного конденсатора на каком-то участке. Этот конденсатор разряжается. Процесс переходит на соседние участки, и по трубочке пробегает волна «разрядки» - электрический потенциал возбуждения, заметно превышающий потенциал покоя. В следующее мгновение первоначальное состояние нерва восстанавливается.

В конечном счете, на основе физики можно объяснить все процессы в живом организме вплоть до работы механизма наследственности.

1.3

В своем развитии медицина опирается на химию и физику. В теории медицины получили отражение физико-химические процессы, происходящие в живом организме, особенно при взаимодействии его с внешней средой.

Большое практическое значение для медицины имеют прикладная физики и биофизика, которые охватывают широкий круг вопросов, связанных с физическими явлениями, лежащими в основе устройства и действия ряда органов и систем организма. (В первую очередь органов слуха и зрения. Сюда же относятся, например, вопросы строения и механических свойств опорных элементов организма, кинематика и динамика двигательного аппарата, гидродинамика кровообращения, энергетический баланс и терморегуляция, биоэлектрические явления в тканях и органах и т.п.)

К прикладной биофизике относится также весьма обширная область физических методов исследования различных функций организма.

Необходимо остановиться вкратце также на значении для медицины физики как основы медицинской техники.

Каждое открытие физики обогащает медицину новыми приборами и аппаратами, дающими возможность усовершенствовать существующие или ввести в практику новые методы диагностики и лечения. Достаточно вспомнить, какой переворот в микробиологии и эпидемиологии в свое время произвело применение оптического микроскопа, а затем электронного микроскопа. Трудно переоценить значение метода диагностики и лечения заболеваний, которое дало медицине открытие рентгеновских лучей. Целый ряд тонких объективных диагностических методик, как, например, электрокардиография, электроэнцефалография и др., медицина получила только в связи с развитием электронно-усилительной техники. Развитие техники высоких и ультравысоких частот обогатило физиотерапию целым рядом новых эффективных методик, таких, например, как диатермия, индуктометрия, УВЧ-терапия.

В настоящее время нет такой области медицины, которая не пользовалась бы какими-либо физическими приспособлениями и не применяла бы физических методов исследований и лечения. Следовательно, физика и особенно биофизика имеют исключительно важное значение для медицины.
Вопросы для самоконтроля.

1. Дайте определение физики как науке.

2. Перечислите задачи, которые решает физика.

3. Перечислите физические методы исследования.

4. Что такое наблюдение и что оно дает для науки?

5. Что такое эксперимент и чем он отличается от наблюдения?

6. В чем отличие физики и биофизики?

7. Дайте определение биофизики как науки.

8. В чем заключается значение физики для биологии?

9. В чем заключается значение физики для медицины?
ЛЕКЦИЯ 2

МЕХАНИКА ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

План

2.1 Механическое движение. Система отсчета.

2.2 Скорость и ускорение как производные.

2.3 Криволинейное движение. Составляющие ускорения.

2.4 Законы Ньютона.

2.5 Импульс. Закон сохранения импульса.

2.1

Механическим движением называется любое изменение взаимного положения материальных тел или их частей, происходящее в пространстве с течением времени.

Поступательным называется движение твердого тела, при котором любая прямая, связанная с телом, перемещается параллельно самой себе.

Механикой называется раздел физики, в котором изучается механическое движение; например, перемещение транспортных средств, деталей машин, а так же органов человека и животных.

Биомеханикой называют раздел биофизики, в котором рассматривают механические свойства тканей и органов, а также механические явления, происходящие в живых организмах в процессе их жизнедеятельности. Материальная точка – это тело, размерами и формой которого в пределах данной задачи можно пренебречь. Дело здесь не в абсолютных размерах тела, а в отношении его размеров к расстояниям, характерным для данной задачи.

Перемещение тела в пространстве можно рассматривать только относительно другого тела, которое мы принимаем за неподвижное (абсолютно неподвижных тел в природе не существует). Такое тело называют телом отсчета, и с ним совмещают начало системы координат. Наблюдение за положением тела в разные моменты времени производят с помощью часов. Тело отсчета, координатные оси и часы образуют систему отсчета.


Рисунок 1.2 - Путь и перемещение материальной точки

на плоскости в системе координат XY.
Линию, по которой движется материальная точка, называют траекторией.

Расстояние, пройденное точкой по траектории, есть путь S, а отрезок, соединяющий начальную и конечную точки траектории, называют перемещением .

Определить положение тела в любой момент времени можно, зная уравнение движения или в случае прямолинейного движения по уравнению .

2.2

Рассмотрим движение эритроцита, перемещающегося вместе с потоком крови по прямолинейному участку артерии. В условиях данной задачи его можно принять за материальную точку. Пусть в момент времени координата материальной точки будет , а в момент времени координата будет . Тогда за промежуток времени перемещение точки будет . Отношение пройденного перемещения к промежутку времени , за который это перемещение было пройдено, называют средней скоростью материальной точки:

. (2.1)

Основная единица измерения скорости в СИ - м/с.

Если движение равномерное, то средняя скорость одна и та же при любом промежутке времени. Однако при неравномерном движении тело за одинаковые промежутки времени проходит неодинаковые расстояния. Следовательно, при таком движении величина средней скорости зависит от выбора промежутка времени. Для определения мгновенной скорости в данной точке траектории необходимо выбрать промежуток времени настолько малым, чтобы движение тела в течение этого промежутка времени можно было считать равномерным.

Мгновенной скоростью неравномерного движения тела в данной точке траектории (или в данный момент времени) называют предел, к которому стремится средняя скорость при бесконечном уменьшении промежутка времени, за который она определяется:

. (2.2)

При движении тела его координата изменяется с течением времени, то есть является функцией времени , где - функция, а - аргумент. Из математики известно, что предел отношения функции к приращению аргумента есть производная функции по этому аргументу, то есть

. (2.3)

Таким образом, мгновенная скорость есть производная перемещения (или координаты) по времени.

Путь, пройденный телом за время dt, будет равен . Для определения всего пути, пройденного за время t, это выражение надо проинтегрировать, то есть

. (2.4)

Быстроту изменения скорости характеризует величина, называемая ускорением. Если за промежуток времени скорость изменилась на величину , то среднее ускорение за этот промежуток времени численно равно отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого оно было совершено

. (2.5)

Основная единица измерения ускорения в СИ – .

Мгновенным ускорением называют предел, к которому стремится среднее ускорение при бесконечном уменьшении промежутка времени, за который оно определяется:

(2.6)

При неравномерном движении скорость тела изменяется с течением времени, то есть является функцией времени . Из математики известно, что предел отношения функции к приращению аргумента есть производная функции по этому аргументу, то есть мгновенное ускорение равна первой производной скорости по времени или второй производной перемещения по времени:

. (2.7)

Многие биологические процессы протекают крайне неравномерно. Таково, например, движение клапанов сердца. Таким образом, для изучения и диагностики многих физиологических процессов необходимо измерять мгновенные скорости и ускорения некоторых органов.