Опорно-руховий апарат людини

Вступ

Біофізика - це наука, яка вивчає фізичні та фізико-хімічні закономірності життєвих явищ.

Сучасну біофізику можна розділити на теоретичну та прикладну.

Теоретична біофізика вивчає загальні закони, які керують фізико-хімічними перетвореннями в живих тканинах.

Прикладна біофізика вивчає практичне використання біофізичних закономірностей, які мають зв'язок із будовою ряду органів та систем організму.

Наприклад: Процес кровообігу має зв'язок з розділами фізики; гідродинаміка, яка вивчає течію рідини; коливання і хвилі - розповсюдження пружних коливань по судинам; механіка - механічна робота серця та таке інше.

Як і в загальній фізиці у біофізиці використовуються такі методи досліджень; спостереження та експеримент.

Більшість процесів у живих тканинах та організмі проходять у вигляді складних явищ, які потребують об’єднання цих методів.

Біофізика будується на точних одиницях кожного положення, експериментах, кількісних описів явищ, використанні сучасної апаратури та методів досліджень, моделюванні складних процесів, що відбуваються в організмі людини.

Біофізика складається із таких розділів:

Біологічна термодинаміка.

Квантова біофізика.

Біомеханіка та біоакустика.

Молекулярна фізика біологічних систем.

Біофізика мембранних процесів.

Основи медичної електроніки.

Оптичні методи досліджень біологічних систем.

Математична обробка медично-біологічних даних.

В практичній діяльності лікар постійно має діло з кількісними показниками - температура тіла хворого, артеріальний тиск крові, дозування ліків та таке інше. Тому необхідно знати, як одержані ці величини, яка їх точність, в яких одиницях вони представлені.

Важливе значення має і обробка результатів вимірів, вміння користуватись обчислювальною технікою.

Технічні пристрої, які використовуються в медицині, узагальнюються терміном медична техніка.

Значна частина медичної техніки відноситься до медичної апаратури, яка в свою чергу розділяється на медичні прилади та медичні апарати.

Медичним приладом вважають технічний пристрій для діагностичних або лікувальних вимірювань(кардіограф, термометр).

Медичним апаратом вважають технічний пристрій, який дає змогу створювати енергетичну дію терапевтичного, хірургічного або бактерицидного  напрямку (УВЧ -терапія, електрохірургія, штучна нирка та таке інше).

Медично-біологічні дослідження мають специфічні труднощі:

· Медичний персонал недостатньо підготовлений, тому медичні прилади, які використовують у дослідженнях повинні виконувати прямі вимірювання.

· Час вимірювань показників повинен бути мінімальним, а інформативність показників максимальна.

· Дія медичних апаратів на організм має бути дозованою.

· Дослідження проведені в лабораторних умовах не завжди відповідають за параметрами процесам в організмі людини.

· Дослідження органів та живих тканин необхідно проводити тільки в динаміці, а не в статичному стані.

Ви нещодавно закінчили вивчення шкільного курсу механіки, розгля­даючи в основному технічні аспекти її різнобічних застосувань. Але як майбутнім фахівцям з біології та медицини вам не лише цікаво, а й по­трібно знати, як “працюють” закони механіки в живій природі та як і де вони використовуються для діагностики захворювань і лікування хворих.

 

 

Елементи біомеханіки

Швидкість і прискорення

Зусіх відомих форм руху матерії найпростішим і найпоширенішим у природі є механічний рух — зміна положення тіла або його окремих частин відносно інших тіл.

Механічні рухи здійснюють кінцівки людини під час ходьби й бігу, виконання різних технологічних операцій і гімнастичних вправ. Від першого й до останньо­го подиху б’ється наше серце, рухається кров і лімфа в судинах. Складні механічні рухи здійсню­ють кишки при переміщенні їжі травним кана­лом. Внаслідок механічних рухів плеври й діаф­рагми змінюється об’єм легень і відбувається процес дихання. Постійно переміщуються іони та електрони з міжклітинного середовища всере­дину клітин і навпаки. Механічний рух є не­від’ємною складовою безлічі біологічних процесів, що відбуваються в живих організмах.

Лінія, яку описує матеріальна точка під час свого руху, називається траєкторією руху. Залежно від форми траєкторії розрізняють прямолінійні й кри­волінійні рухи.

Довжина траєкторії, яку описує ма­теріальна точка під час руху, називається шляхом. Шлях s — величина скалярна. Спрямований відрізок r, що з’єднує по­чаткове А й кінцеве В положення тіла на траєкторії, називають переміщенням (мал. 4, а). Переміщення — величина вектор­на. При криволінійному русі модуль вектора переміщення |r| і довжина шля­ху s неоднакові: пряма завжди коротша від кривої. Довжина шляху й модуль пе­реміщення збігаються лише під час пря­молінійного руху (мал. 4, б).

 

 

 

 

Незалежно від форми траєкторії механічні рухи можуть бути рівномірними й нерівномірними. Рух, при якому тіло за однакові проміжки часу здійснює одна­кові переміщення, називається рівномірним.

Величина, що вимірюється переміщенням, яке здійснює тіло за одиницю часу, називається швидкістю руху тіла:

 

                                                     (1.1)

Швидкість руху — величина векторна. Піц час прямолінійного руху напрям вектора швидкості v збігається з напрямом переміщення r (мал. 4, б). У випадку криволінійного руху швидкість тіла V спрямована по дотичній до траєкторії руху в даній її точці (див. мал. 4, а).                                                                 s

Якщо тіло рухається прямолінійно й рівномірно, то |r| = s, а тому v =  t, звідки

s = vt.    (1.2)

 

Припустимо, що при переміщенні тіла з точки А в точку В (див. мал. 4, а) його швидкість змінюється від v ₀ до v. Отже, приріст швидкості ∆ v = v - v ₀. Визначимо приріст швидкості, що відбувається за одиницю часу;

                                                            

(1.3)

Величина, що вимірюється зміною швидкості, яка відбувається за одиницю часу, називається прискоренням.

Прискорення — векторна величина. Напрям прискорення збігається з напря­мом зміни швидкості Av, що відбувається за досить малий проміжок часу.

Одиницею прискорення в СІ є 1 м/с², а в системі СГС — 1 см/с².

Якщо тіло рухається прямолінійно з постійним прискоренням, то такий рух називають прямолінійним рівноприскореним рухом. Шлях, пройдений тілом при прямолінійному рівноприскореному русі, та його кінцеву швидкість визначають за формулами:                                                       (1.4)

                                          (1.5)   

Співвідношення (1.4) і (1.5) називають рівняннями прямолінійного рівноприско- реного руху.

 

 

Ергометрія

Механічна робота, яку здатен зробити людина протягом дня,, залежить від багатьох факторів, тому важко вказати яку-небудь граничну величину. Це зауваження стосується і потужності. Так, при короткочасних зусиль людина може розвивати потужність порядку декількох кіловат. Якщо спортсмен масою 70 кг підстрибує з місця так, що його центр мас піднімається на 1 м по відношенню до нормальної стійці, а фаза відхилення триває 0,2 с, то він розвиває потужність близько 3,5 кВт.

При ходьбі людина здійснює роботу, так як при цьому енергія витрачається на періодичне невелике підняття тіла і на прискорення і уповільнення кінцівок, головним чином ніг.

Людина масою 75 кг При ходьбі зі швидкістю 5 км/год розвиває потужність близько 60 Вт. Із зростанням швидкості ця потужність швидко збільшується, досягаючи 200 Вт при швидкості 7 км/ч. При їзді на велосипеді положення центру мас людини змінюється набагато менше, ніж при ходьбі, а прискорення ніг теж менше. Тому потужність, що витрачається при їзді на велосипеді, значно менше: 30 Вт при швидкості 9 км/год, 120 Вт при 18 км/ч.

Робота звертається в нуль, якщо переміщення немає. Тому, коли вантаж знаходиться на опорі або підставці, або підвішений на нитці, сила тяжіння не здійснює роботи. Однак кожному з нас знайома втому м'язів руки і плеча, якщо нерухомо тримати на витягнутій руці гирю або гантель. Точно так само втомлюються м'язи спини і поперекової області, якщо сидячому помістити на спину вантаж. В обох випадках вантаж нерухомий і роботи немає. Втому ж свідчить про те, що м'язи здійснюють роботу. Таку роботу називають статичному роботою м'язів.

Статики (нерухомості) такою, як її розуміють в механіці, насправді немає. Відбуваються дуже дрібні і часті непомітні оку скорочення і розслаблення, і при цьому відбувається робота проти сил тяжіння. Таким чином, статична робота людини насправді є звичайною динамічною роботою. Для вимірювання роботи людини застосовують прилади, які називаються ергометрами. Відповідний розділ вимірювальної техніки називається ергометрією.

Прикладом ергометра служить гальмівний велосипед (велоергометр).

Через обід обертового колеса 1 перекинута сталева стрічка 2. Сила тертя між стрічкою та ободом колеса вимірюється

динамометром 3. Вся робота випробуваного витрачається на подолання сили тертя (іншими видами робіт нехтуємо). Помноживши довжину окружності колеса на силу тертя, знайдемо роботу, чинену при кожному обороті, а знаючи число обертів і час випробування, визначимо повну роботу і середню потужність.

 

Звукові хвилі

Звук — коливання частинок пружного середовища, які поширюються у вигляді хвиль і сприймаються органами слуху людини (частота від 16 до 20000 Гц).

Звуки поділяють на музичні тони, шуми та звукові удари. Музичний звук — це складне коливання, яке можна розкласти на прості гармонійні коливання, частоти яких у ціле число разів більші за частоту основного тону. Тоном називається коливання зі сталою частотою, або з частотою, яка закономірно змінюється в часі.

Швидкість поширення звукових хвиль залежить від властивостей середовища. У повітрі швидкість звуку за нормальних умов становить 332 м/с. Під час зростання температури повітря швидкість звуку збільшується приблизно на 0,6 м/с на кожен градус. У тканинах людського організму швидкість поширення звуку становить приблизно 1500 м/с.

Фізичні основи слуху

Приймачем звуку в людини є вухо. Механічна енергія звукової хвилі збуджує слухові рецептори і збудження через слуховий нерв доходить до кори головного мозку, де формуються звукові відчуття. Орган слуху людини складається з трьох частин: зовнішнього, середнього та внутрішнього вуха (рис. 1.2). Зовнішнє і середнє вухо розділені барабанною перетинкою (1). У порожнині середнього вуха розміщені три слухові кісточки: молоточок (2), ковадло (3) та стременце (4), сполучені між собою та з барабанною перетинкою. Зовнішнє і середнє вухо складають звукопровідну частину слухового апарату людини. Звукові хвилі збираються вушною раковиною (5), поширюються вздовж слухового проходу (6), досягають барабанної перетинки. Власна (резонансна) частота коливань зовнішнього слухового проходу становить близько  3 кГц; це означає, що коефіцієнт підсилення інтенсивності звуків має максимальне значення саме для цієї частоти. Підсилення інтенсивності звуків на резонансній частоті помітно на частотно-пороговій кривій слуху і становить близько 10 дБ. Коливання барабанної перетинки дуже швидко затухають. Це затухання залежить від її пружності, яка змінюється під час скорочення або розслаблення м'язів перетинки, і тому не дає жодного спотворення форми звукової хвилі.

 

Коливання від барабанної перетинки передаються слуховими кісточками до середнього вуха. У середньому вусі разом з передачею звуку відбувається і наростання інтенсивності звукової хвилі.

Це пояснюється тим, що поверхня перетинки майже у 22 рази більша від поверхні стременця (площа перетинки становить 66-69,5 мм², має форму конуса з вершиною, яка спрямована у порожнину середнього вуха), і енергія звукової хвилі концентрується на площі майже у 22 рази меншій, ніж площа барабанної перетинки, завдяки чому відповідно зростає інтенсивність звуку. Крім того, слухові кісточки працюють як важіль, довге плече якого приблизно у 2,5 раза більше від короткого, внаслідок чого звукові коливання ще більше підсилюються та передаються у внутрішнє вухо — лабіринт.

Лабіринт — кісткова порожнина, заповнена ендолімфою, має завиток (7) та три напівкруглих канали (8), які утворюють вестибулярний апарат людини. У завитку розміщений кортієв орган у формі спіралі. Внутрішня порожнина завитка розділена двома мембранами на три частини. Товсту мембрану називають основною. На ній і розміщений кортієв орган. Поперек основної мембрани, добре натягнутої вздовж усього завитка, розміщено близько 24000 еластичних волокон різної довжини.

Коливання стременця викликають коливання ендолімфи, що оточує основну мембрану. Коливання ендолімфи передаються основній мембрані, разом з якою коливаються і усі волокна, причому, кожне з них резонує на коливання з певною частотою. Амплітуда коливань різних волокон при цьому неоднакова; вона максимальна в тих волоскових клітинах, частота власних коливань яких співпадає з частотою звуків, що сприймаються. Виникає резонанс. Цим пояснюється здатність вуха сприймати складний звук у цілому, хоча кожен окремо простий звук резонує з однією волосковою клітиною. Під час резонансу збуджуються закінчення слухового нерва, який і передає інформацію в мозок.

Існує ще одна можливість сприйняття звуку — через кістки черепа. Для прослуховування звуку таким шляхом кісткам черепа (зубам, чолу або кісточці за вухом) необхідно надати механічних коливань — звукових вібрацій. Це можна зробити, приклавши до одного з цих місць джерело вібрацій, наприклад, спеціальний кістковий телефон, ніжку камертона. Це кісткова провідність. При цьому способі сприйняття звукові вібрації досягають завитка і зумовлюють деформацію його частин, внаслідок чого відбувається зміщення текторальної мембрани. У результаті слухові рецептори зазнають такого ж подразнення, як і при звичайному сприйнятті звуку (при повітряній провідності).

Звукові методи діагностики

Робота серця, легенів та інших органів супроводжується звуковими явищами. Прослуховування цих звуків використовують у медицині для діагностики захворювань, а також для визначення меж розташування того чи іншого органу. Так прослуховують звуки, що виникають під час роботи серця, легенів; під час вдоху та видоху; у суглобах під час руху кісток; під час руху газів та рідин по кишківнику. Знаючи, якими повинні бути ці звуки при нормальному функціонуванні органів і тканин, можна визначити характер захворювання або пошкодження органа при тому чи іншому захворюванні.

Прослуховування і аналіз тонів та шумів, що виникають під час функціонування внутрішніх органів, називається аускультацією. Для прослуховування звуків використовують фонендоскоп (рис. 1.3).

Іншим методом звукового клінічного дослідження є перкусія.

 

Перкусія — це аналіз перкуторних звуків, що виникають при постукуванні молоточком по плесиметру або кінчиком зігнутого пальця однієї руки по фаланзі пальця другої руки, прикладеної до певної ділянки тіла хворого. При постукуванні резонують порожнини всередині організму, по-різному реагують на звук молоточка або пальця м’які, пружні, тверді та порожнисті органи. При ударі по пружних тканинах або тканинах, що оточують порожнини тіла, заповнені повітрям, внутрішній звук підсилюється і стає дзвінким (тимпанічним). Якщо черевна порожнина містить багато рідини (водянка), перкуторний звук буде коротким і глухим.

Добрий резонанс дають порожнини тіла, заповнені повітрям, кістки та еластичні перетинки (ясний звук).

Для діагностики серцевих захворювань використовують метод фонокардіографії (ФКГ). Цей метод полягає у графічній реєстрації тонів та шумів серця.

Втрату слуху досліджують методом аудіометрії.

 

Утворення голосу людини

Джерелом голосу людини є гортань з голосовими зв'язками, розмі­щеними на межі голосових щілин. Повітря з легенів викликає рух голосових зв'язок, а їх коливання спричинює зміну густини повітряного потоку; ця зміна поширюється у вигляді поздовжніх хвиль.

Ці коливання будуть згасаючими за рахунок енергії повітряного потоку (автоколивання). Висота звуку залежатиме від напруження голосових зв’язок, їх форми, довжини коливної частини і дещо від тиску повітряного потоку.

Інтенсивність звуку залежить від частоти та інтервалів коливань голосових зв'язок, а це, в свою чергу, залежить від тиску повітря, що виходить. Тембр голосу створюється в порожнинах глотки, рота, носа, в грудній порожнині і гортані. Ці порожнини діють як резонатори при утворенні звуку; вони, в залежності від об’єму та форми, підсилюють обертони з певними частотами і, таким чином, впливають на тембр голосу. Механізм розмови і співу однаковий, хоча вони сприймаються нами по-різному. Інтервал частот чоловічої розмови — 100—200 Гц, жіночих голосів — 150 — 300 Гц, а інтервал частот при співі 60—1600 Гц. Коефіцієнт корисної дії при утворенні голосу людини малий, лише 0,001 частина енергії переходить у звукову.

Ультразвук

Інфразвук, вібрації

Звуки з частотою, меншою від 16 Гц, називають інфразвуками. Інфразвук негативно діє на організм людини. У межах частот 2—15 Гц з інтенсивністю 105 дБ на 10% сповільнюється зорова рецепція. Інфразвук викликає головний біль, підвищує втомлюваність, знижує працездатність. Інфразвук з частотою 7 Гц негативно діє на серце.

З'ясувалося, що частота зміни біопотенціалів у слуховому нерві збігається з частотою діючого звуку. Це означає, що будь-яке коливання, що надходить в органи слуху, потрапляє і в мозок. Низькочастотні сигнали, ймовірно, змінюють нормальні ритми мозку і тому пригнічують психіку.

Вібрації — це коливання твердого тіла біля положення рівноваги, їх характеризують частотою й амплітудою. Коливання, які поширюються у тілі, зумовлюють у тканинах організму змінні напруження (стиск, розтяг, зсув, прогин, кручення). Внаслідок тривалої дії вібрацій порушуються фізіологічні функції, виникає "вібраційна хвороба" — судинні порушення (капілярний кровообіг), функціональні порушення центральної нервової системи, кісткові пошкодження, порушення функцій внутрішніх органів тощо.

Вивчаючи реакцію організму на силову дію, тіло людини розглядають як механічну систему, в якій маса ототожнюється з масою працюючих структур, а пружність — з пружністю м'язів (тіло масою m підвішене на пружині з коефіцієнтом пружності k). Якщо коливна система ізольована, то на неї діють лише внутрішні сили (сила інерції та пружна сила), тобто;

k х + m а=0, 1.6

де k х — пружна сила, а ma — сила інерції. Підставивши х і а будемо мати:

 

х= Asinωt, a = x = -ω²Asinωt,

 

kAsinωt-mω²Asinωt= 0,  1.7

де k = mω², а

Це свідчить про те, що частота коливань системи, виведеної з рівноваги, залежить від k і m. Таку частоту називають власною. Будь-яка складна система (тіло людини) має багато власних частот і за певних умов (рівність частот власних і вимушених коливань — резонанс) деякі з цих частот можуть чинити істотну біологічну дію.

Якщо на коливну систему діє зовнішня періодична сила F = F_A sin ω t, то коливання будуть здійснюватись з частотою цієї сили. Якщо частота зовнішньої сили зрівнюється з частотою власних коливань системи, то настає резонанс (амплітуда різко зростає, виникає небезпека для міцності системи). Наприклад, резонансні коливання голови при частотах 8—27 Гц можуть стати причиною зменшення гостроти зору внаслідок зміщення зображення об'єкта відносно сітківки ока. При дослідженні вібрацій, зумовлених зовнішніми механічними збуреннями, тіло людини розглядають як систему механічних елементів, які мають інерційні, пружні та демпферуючі властивості. Вид і характер рівнянь, які описують коливальний рух тіла людини та окремих його частин, виводяться з основних фізичних законів коливальних явищ. Створення ефективних систем для віброізоляції людини вимагає врахування динамічних характеристик її тіла у цілому, а іноді й окремих його сегментів. Основні резонансні частоти тіла людини є меншими від 20 Гц. Відповідно слід підбирати і власну частоту системи віброізоляцій, щоб статичне зміщення людини було невеликим (наприклад, сидіння оператора).

Для людей різних спеціальностей, де спостерігається дія вібрацій, необхідно також враховувати параметри, що характеризують функціональний стан людини і характер її механічних та фізіологічних реакцій на вібраційне збудження.

Запам'ятайте

1. Звук — коливання частинок пружного середовища, які поширюються у виді хвиль і сприймаються органами слуху людини (частота у межах 16 Гц — 20 кГц).

2. Фізичними (об'єктивними) характеристиками звуку є інтенсивність (сила), частота, акустичний спектр, звуковий тиск.

3. Характеристиками слухового відчуття (суб’єктивними) є гучність, висота і тембр. Поріг чутності (при V = 1 кГц) чисельно дорівнює I₀ = 10^-12 Вт/м², поріг больового відчуття —     I₆ = 10 Вт/м²,

4. Закон Вебера-Фехнера. Якщо сила дії подразника зростає у геометричній прогресії, то сприйняття звуку — в арифметичній:

 

5. Порогова тональна аудіометрія — це метод визначення гостроти слуху.

6. Аудіограма — графік, який відображає поріг чутності при різних частотах. Втрата слуху — це різниця рівнів гучності в децибелах між нормою та патологією.

7. Звукові методи діагностики — це аускультація, перкусія, фоно­кардіографія.

8. Ультразвук — це коливання з частотою, більшою від 20 кГц.

9. Дія ультразвуку на біологічні об'єкти — механічна, хімічна, теплова. У медицині використовують ультразвук з інтенсивністю до 3 Вт/см². Ультразвук малої інтенсивності використовують для діагностики (ехо-метод). Цей метод ґрунтується на відбиванні ультразвукових хвиль від неоднорідностей у середовищі.

Ультразвук середньої інтенсивності використовують у фізіотерапії, а великої — в хірургії для руйнування пухлин, розтину та сполучення кісткової тканини.

Вступ

Біофізика - це наука, яка вивчає фізичні та фізико-хімічні закономірності життєвих явищ.

Сучасну біофізику можна розділити на теоретичну та прикладну.

Теоретична біофізика вивчає загальні закони, які керують фізико-хімічними перетвореннями в живих тканинах.

Прикладна біофізика вивчає практичне використання біофізичних закономірностей, які мають зв'язок із будовою ряду органів та систем організму.

Наприклад: Процес кровообігу має зв'язок з розділами фізики; гідродинаміка, яка вивчає течію рідини; коливання і хвилі - розповсюдження пружних коливань по судинам; механіка - механічна робота серця та таке інше.

Як і в загальній фізиці у біофізиці використовуються такі методи досліджень; спостереження та експеримент.

Більшість процесів у живих тканинах та організмі проходять у вигляді складних явищ, які потребують об’єднання цих методів.

Біофізика будується на точних одиницях кожного положення, експериментах, кількісних описів явищ, використанні сучасної апаратури та методів досліджень, моделюванні складних процесів, що відбуваються в організмі людини.

Біофізика складається із таких розділів:

Біологічна термодинаміка.

Квантова біофізика.

Біомеханіка та біоакустика.

Молекулярна фізика біологічних систем.

Біофізика мембранних процесів.

Основи медичної електроніки.

Оптичні методи досліджень біологічних систем.

Математична обробка медично-біологічних даних.

В практичній діяльності лікар постійно має діло з кількісними показниками - температура тіла хворого, артеріальний тиск крові, дозування ліків та таке інше. Тому необхідно знати, як одержані ці величини, яка їх точність, в яких одиницях вони представлені.

Важливе значення має і обробка результатів вимірів, вміння користуватись обчислювальною технікою.

Технічні пристрої, які використовуються в медицині, узагальнюються терміном медична техніка.

Значна частина медичної техніки відноситься до медичної апаратури, яка в свою чергу розділяється на медичні прилади та медичні апарати.

Медичним приладом вважають технічний пристрій для діагностичних або лікувальних вимірювань(кардіограф, термометр).

Медичним апаратом вважають технічний пристрій, який дає змогу створювати енергетичну дію терапевтичного, хірургічного або бактерицидного  напрямку (УВЧ -терапія, електрохірургія, штучна нирка та таке інше).

Медично-біологічні дослідження мають специфічні труднощі:

· Медичний персонал недостатньо підготовлений, тому медичні прилади, які використовують у дослідженнях повинні виконувати прямі вимірювання.

· Час вимірювань показників повинен бути мінімальним, а інформативність показників максимальна.

· Дія медичних апаратів на організм має бути дозованою.

· Дослідження проведені в лабораторних умовах не завжди відповідають за параметрами процесам в організмі людини.

· Дослідження органів та живих тканин необхідно проводити тільки в динаміці, а не в статичному стані.

Ви нещодавно закінчили вивчення шкільного курсу механіки, розгля­даючи в основному технічні аспекти її різнобічних застосувань. Але як майбутнім фахівцям з біології та медицини вам не лише цікаво, а й по­трібно знати, як “працюють” закони механіки в живій природі та як і де вони використовуються для діагностики захворювань і лікування хворих.

 

 

Елементи біомеханіки

Швидкість і прискорення

Зусіх відомих форм руху матерії найпростішим і найпоширенішим у природі є механічний рух — зміна положення тіла або його окремих частин відносно інших тіл.

Механічні рухи здійснюють кінцівки людини під час ходьби й бігу, виконання різних технологічних операцій і гімнастичних вправ. Від першого й до останньо­го подиху б’ється наше серце, рухається кров і лімфа в судинах. Складні механічні рухи здійсню­ють кишки при переміщенні їжі травним кана­лом. Внаслідок механічних рухів плеври й діаф­рагми змінюється об’єм легень і відбувається процес дихання. Постійно переміщуються іони та електрони з міжклітинного середовища всере­дину клітин і навпаки. Механічний рух є не­від’ємною складовою безлічі біологічних процесів, що відбуваються в живих організмах.

Лінія, яку описує матеріальна точка під час свого руху, називається траєкторією руху. Залежно від форми траєкторії розрізняють прямолінійні й кри­волінійні рухи.

Довжина траєкторії, яку описує ма­теріальна точка під час руху, називається шляхом. Шлях s — величина скалярна. Спрямований відрізок r, що з’єднує по­чаткове А й кінцеве В положення тіла на траєкторії, називають переміщенням (мал. 4, а). Переміщення — величина вектор­на. При криволінійному русі модуль вектора переміщення |r| і довжина шля­ху s неоднакові: пряма завжди коротша від кривої. Довжина шляху й модуль пе­реміщення збігаються лише під час пря­молінійного руху (мал. 4, б).

 

 

 

 

Незалежно від форми траєкторії механічні рухи можуть бути рівномірними й нерівномірними. Рух, при якому тіло за однакові проміжки часу здійснює одна­кові переміщення, називається рівномірним.

Величина, що вимірюється переміщенням, яке здійснює тіло за одиницю часу, називається швидкістю руху тіла:

 

                                                     (1.1)

Швидкість руху — величина векторна. Піц час прямолінійного руху напрям вектора швидкості v збігається з напрямом переміщення r (мал. 4, б). У випадку криволінійного руху швидкість тіла V спрямована по дотичній до траєкторії руху в даній її точці (див. мал. 4, а).                                                                 s

Якщо тіло рухається прямолінійно й рівномірно, то |r| = s, а тому v =  t, звідки

s = vt.    (1.2)

 

Припустимо, що при переміщенні тіла з точки А в точку В (див. мал. 4, а) його швидкість змінюється від v ₀ до v. Отже, приріст швидкості ∆ v = v - v ₀. Визначимо приріст швидкості, що відбувається за одиницю часу;

                                                            

(1.3)

Величина, що вимірюється зміною швидкості, яка відбувається за одиницю часу, називається прискоренням.

Прискорення — векторна величина. Напрям прискорення збігається з напря­мом зміни швидкості Av, що відбувається за досить малий проміжок часу.

Одиницею прискорення в СІ є 1 м/с², а в системі СГС — 1 см/с².

Якщо тіло рухається прямолінійно з постійним прискоренням, то такий рух називають прямолінійним рівноприскореним рухом. Шлях, пройдений тілом при прямолінійному рівноприскореному русі, та його кінцеву швидкість визначають за формулами:                                                       (1.4)

                                          (1.5)   

Співвідношення (1.4) і (1.5) називають рівняннями прямолінійного рівноприско- реного руху.

 

 

Опорно-руховий апарат людини

Дія сили на тіло, що має вісь обертання, залежить не лише від модуля цієї сили, а й від того, до якої точки тіла прикладена сила. Загальновідомо, що двері значно легше відчинити, узявшись за ручку, й досить важко, коли натис­куємо на двері біля їх петель. Дія сили на тіло, що має вісь обертання, залежить від того, як далеко проходить лінія дії сили від осі (центра) обертання.

Найкоротша відстань l від осі (центра) обертання до лінії дії сили називається плечем сили (мал. 1). Величина, що дорівнює добутку сили F на її плече l, називається моментом сили:

M = F ^. l.

 

 

З формули (1.30) видно, що в СІ одиницею моменту сили є 1 Нм — ньютонметр.

Будь-яке тверде тіло, що має вісь або точку обертання (точку опори), нази­вається важелем. Залежно від розміщення сил відносно осі обертання розрізня­ють важелі першого й другого роду. У важеля першого роду діючі на нього сили F ₁ і F ₂ прикладені по різні боки від точки опори (осі обертання) й мають однаковий напрям (мал. 13, а). У важеля другого роду діючі на нього сили прикладені по один бік від осі обертання й мають різний напрям (мал. 13, б). Як видно з мал. 13 а, момент сили F ₂ обертає важіль за годинниковою стрілкою (його вважають додат­ним), а момент сили F ₁ обертає важіль проти годинникової стрілки (його вважа­ють від’ємним).

Важіль перебуває в стані рівноваги, якщо алгебрична сума моментів сил, що діють на нього, дорівнює нулю'.

М₁+М₂+М₃+...+Mn= 0.           (1.31)

Опорно-руховий апарат людини, з погляду механіки, являє собою своє­рідну систему важелів. Він складається з кісток скелета, з’єднаних між собою зв’язками й суглобовими сумками. В опорно-руховому апараті людини нарахову­ють приблизно 200 різних важелів.

 

Ергометрія

Механічна робота, яку здатен зробити людина протягом дня,, залежить від багатьох факторів, тому важко вказати яку-небудь граничну величину. Це зауваження стосується і потужності. Так, при короткочасних зусиль людина може розвивати потужність порядку декількох кіловат. Якщо спортсмен масою 70 кг підстрибує з місця так, що його центр мас піднімається на 1 м по відношенню до нормальної стійці, а фаза відхилення триває 0,2 с, то він розвиває потужність близько 3,5 кВт.

При ходьбі людина здійснює роботу, так як при цьому енергія витрачається на періодичне невелике підняття тіла і на прискорення і уповільнення кінцівок, головним чином ніг.

Людина масою 75 кг При ходьбі зі швидкістю 5 км/год розвиває потужність близько 60 Вт. Із зростанням швидкості ця потужність швидко збільшується, досягаючи 200 Вт при швидкості 7 км/ч. При їзді на велосипеді положення центру мас людини змінюється набагато менше, ніж при ходьбі, а прискорення ніг теж менше. Тому потужність, що витрачається при їзді на велосипеді, значно менше: 30 Вт при швидкості 9 км/год, 120 Вт при 18 км/ч.

Робота звертається в нуль, якщо переміщення немає. Тому, коли вантаж знаходиться на опорі або підставці, або підвішений на нитці, сила тяжіння не здійснює роботи. Однак кожному з нас знайома втому м'язів руки і плеча, якщо нерухомо тримати на витягнутій руці гирю або гантель. Точно так само втомлюються м'язи спини і поперекової області, якщо сидячому помістити на спину вантаж. В обох випадках вантаж нерухомий і роботи немає. Втому ж свідчить про те, що м'язи здійснюють роботу. Таку роботу називають статичному роботою м'язів.

Статики (нерухомості) такою, як її розуміють в механіці, насправді немає. Відбуваються дуже дрібні і часті непомітні оку скорочення і розслаблення, і при цьому відбувається робота проти сил тяжіння. Таким чином, статична робота людини насправді є звичайною динамічною роботою. Для вимірювання роботи людини застосовують прилади, які називаються ергометрами. Відповідний розділ вимірювальної техніки називається ергометрією.

Прикладом ергометра служить гальмівний велосипед (велоергометр).

Через обід обертового колеса 1 перекинута сталева стрічка 2. Сила тертя між стрічкою та ободом колеса вимірюється

динамометром 3. Вся робота випробуваного витрачається на подолання сили тертя (іншими видами робіт нехтуємо). Помноживши довжину окружності колеса на силу тертя, знайдемо роботу, чинену при кожному обороті, а знаючи число обертів і час випробування, визначимо повну роботу і середню потужність.