Устройство и принцип работы установки

Определение скорости звуковой волны проводиться на установке, представленной на рис. 3, состоящей из генератора звуковых колебаний (ГЗ), телефона (Т) и стеклянного цилиндрического сосуда с краном (К). Если к отверстию сосуда поднести источник звука - телефон, то в столбе воздуха, находящегося в сосуде возникнут колебания с частотой, создаваемой источником звука. Звуковая волна от телефона и волна, отраженная от поверхности воды складываются, образуя стоячую волну в столбе воздуха над водой (рис. 4).

 

Рис. 3. Рис. 4.

 

Если уровень воды (расстояние у₁, или у₂, или у₃ и т.д.) таков, что возникают стоячие волны с узлом на поверхности воды и пучностью у открытого конца сосуда, то интенсивность звука, идущего в пространстве, максимальна. При понижении уровня воды в цилиндрическом сосуде, например с уровня у₁, звук ослабляется, а при достижении уровня у₂ вновь усиливается и т.д. Таким образом звук вновь усиливается, когда уровень воды смещается на расстояние Δу = λ/2 = λ_ст. В этом случае вновь у верхнего конца сосуда образуется пучность, а на поверхности воды – узел.

Длина звуковой волны и скорость звука определяются по формулам:

λ= 2 λ_ст = 2 Δу_ср и υ = λν = 2 Δу_срν, (1, 2)

где ν – задаваемая генератором частота звуковых волн.

Вопросы для самоконтроля

1. Механические волны.

2. Основные виды механических волн.

3. Уравнение плоской волны. Фаза волны. Фронт волны. Скорость волны. Длина волны.

4. При каких условиях возникают стоячие волны? Что такое узлы и пучности стоячей волны? Чему равно расстояние между ними?

5. Поток энергии волн. Вектор Умова.

6. Ударные волны.

Приборы и принадлежности:

Звуковой генератор, телефон, стеклянный циллиндрический сосуд с регулируемым уровнем жидкости.

Схема работы:

Последовательность действий	Способ выполнения задания
1. Изучение установки для определения скорости звука методом стоячих волн.	1. Ознакомьтесь с устройством и принципом работы установки (см. раздел Устройство и принцип работы установки).
2. Определение скорости звука в воздухе.	1. Наполните стеклянный цилиндрический сосуд водой почти до верха. 2. Установите телефон над сосудом. Включите звуковой генератор и подайте звуковой сигнал с частотой ν = 1500 Гц. 3. При помощи крана медленно понизьте уровень воды в сосуде и по всей длине сосуда отметьте мелом уровни (y1, y2, y3 и т.д.) резкого усиления звука (рис.). 4. Измерьте расстояние между отметками (Δy1, Δy2, Δy3…). Измерения проведите 3 раза. Результаты измерений занесите в таблицу 1. 4. Проведите аналогичные опыты с частотой звуковой волны ν = 2000Гц. Результаты измерений занесите в таблицу, аналогичную таблице 1. Таблица 1
№	ν = 1500 Гц	λст	λ	υ	Δυ
	Δy1= Δy2= Δy3= Δyср1=
	Δy1= Δy2= Δy3= Δyср2=
	Δy1= Δy2= Δy3= Δyср3=
ср	-
3. Обработка результатов измерений	1. По формулам (1,2) рассчитайте среднюю скорость звука. Рассчитайте относительную погрешность в каждом эксперименте. Результаты занесите в таблицу. 2. Проанализируйте полученные результаты и сформулируйте выводы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Изучение физической основы аускультативного метода ИЗМЕРЕНИя АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ КРОВИ

Измерение величины давления крови в системе артериального кровообращения имеет большое значение в диагностике, поэтому врачу необходимо знать непрямые методы измерения давления, которые применяются во врачебной практике.

ЦЕЛЬ занятия:

Изучить физические основы аускультативного метода (метода Н.С. Короткова) измерения артериального давления крови у человека.

Исходные знания:

1. Понятие давления, единицы измерения.

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

1. Физические факторы, создающие давление крови.

2. Основные биофизические свойства кровеносных сосудов.

3. Изменение величины давления крови по ходу сосудистого русла.

4. Колебания давления крови в разных сосудах. Периферическое сопротивление сосудов.

5. Методика определения артериального давления по методу Н.С. Короткова.

6. Принцип работы сфигмоманометра.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 9. с.150-160

3. В.Ф. Антонов и др. Биофизика, М., 2000, гл. 9, с. 181-210.

4. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл. 2. с. 33-41.

Теоретические предпосылки работы:

Основное назначение сердечно-сосудистой системы - обеспечение кровообращения, т. е. постоянной циркуляции крови в замкнутой системе сердце - сосуды. Движущей силой кровотока является энергия, задаваемая сердцем потоку крови в сосудах, и градиент давления - разница давлений между различными отделами сосудистого русла.

Давлением Р называется величина, численно равная отношению силы F, действующей перпендикулярно на поверхность, к площади S этой поверхности:

Р = F/S

Единица измерения давления в СИ — паскаль (Па), внесистемные единицы: миллиметр ртутного столба (1 мм рт. ст. = 133 Па), сантиметр водяного столба, атмосфера, бар и т. д.

Кровь течет от области высокого давления к области низкого давления. Поэтому из аорты (где среднее давление составляет 100 мм рт. ст.) кровь течет через систему магистральных артерий (80 мм рт. ст.) и артериол (40-60 мм рт. cm.) в капилляры (15-25 мм рт. ст.), откуда поступает в венулы (12-15 мм рт. ст.), венозные коллекторы (3-5 мм рт. ст.) и полые вены (1-3 мм рт. ст.).

При сокращении сердечной мышцы в аорту, уже заполненную кровью, под соответствующим давлением, выталкивается так называемый ударный объем крови, равный 65—70 мл. Поступивший в аорту дополнительный объем крови повышает давлений в ней и, соответственно, растягивает ее стенки. Волна повышенного давления, которое называется систолическим, передается к периферии сосудистых стенок, артерий и артериол в виде упругой волны. Эта волна давления называется пульсовой волной. Скорость ее распространения зависит от упругости сосудистых стенок и равна 6-8 м/с.

Во время расслабления сердечной мышцы (диастола), растянутые кровеносные сосуды спадаются, сообщая энергию току крови. Количество крови, протекающее через поперечное сечение участка сосудистой системы в единицу времени, называется объемной скоростью кровотока (л/мин.).

Эта величина зависит от разности давлений в начале и конце участка и его сопротивления току крови. На рис. 1 приведен график изменения давления крови в основных отделах сосудистой системы большого круга кровообращения.

Рис. 1.

 

Гидравлическое (гемодинамическое) сопротивление сосудов прямо пропорционально вязкости жидкости η, длине сосуда l и обратно пропорционально радиусу r сосудов в четвертой степени. Оно находится из уравнения:

w = 8 η l /πr⁴

Физический параметр давления крови играет большую роль в диагностике заболеваний. Давление в жидкостях и газах измеряется с помощью манометров, которые бывают жидкостными и металлическими.

В медицине широко применяется бескровный способ измерения артериального давления по Н. С. Короткову, основанный на выслушивании звуков, возникающих при прохождении крови через сжатую плечевую артерию.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. Что называют давлением крови?

2. В каких единицах измеряется давление крови?

3. При каких условиях наблюдается ламинарный характер течения жидкости?

4. В чем состоит отличие турбулентного характера течения от ламинарного? При каких условиях наблюдается турбулентное течение жидкости?

5. Объясните физические основы аускультативного метода измерения АД. 6.Что такое пульсовое давление и как оно определяется?

7. Что такое систолическое артериальное давление?

8. Что называется диастолическим артериальным давлением?

9. Как изменяется давление человека по кровеносному руслу?

10. Чему равно нормальное давление человека?

11. Что такое пульсовая волна?

12. Что такое среднее артериальное давления для центральных артерий и как оно определяется?

13. Что такое среднее артериальное давления для периферических артерий и как оно определяется?

14. Запишите формулу гидравлического сопротивления сосудов.

15. Где происходит наибольшее падение давления? Чем оно обусловлено?

16. Каково давление в венозных сосудах, крупных венах?

17. Чем обусловлено появление звуков при определении артериального давления крови?

18. В какой момент времени показание прибора соответствует систолическому, когда - диастолическому давлению крови?

 

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ:

Сфигмоманометр, фонендоскоп.

Схема работы:

Последовательность действий	Способ выполнения задания
1. Проверить систему на герметичность	Созданное давление не должно меняться в течение 3-х минут
2. Определить систолическое и диастолическое давления на правой и левой руках по методу Н.С. Короткова	1. Измерения проведите 3 раза, показания занесите в таблицу (см. ниже). 2. Метод Короткова заключается в следующем: накладывают манжету на обнаженное плечо, находят на локтевом сгибе пульсирующую лучевую артерию и устанавливают над ней (не надавливая сильно) фонендоскоп. Создают давление в манжете, превышающее максимальное, а затем, слегка открыв винтовой клапан, выпускают воздух, что приводит к постепенному снижению давления в манжете. При определенном давлении раздаются первые слабые кратковременные тоны. Давление в этот момент принимается за систолическое артериальное давление. При дальнейшем снижении давления в манжете тоны становятся громче и, наконец, резко заглушаются или исчезают. Давление воздуха в манжете в этот момент принимается за диастолическое. 3. Время, в течение которого производится измерение давления по Короткову Н.С., должно длиться не более 1 мин.
3. Определить систолическое и диастолическое давления по методу Н.С. Короткова после физической нагрузки	1. Произведите 10 приседаний. 2. Произведите измерение давления на левой руке. 3. Показания занесите в таблицу.
4. Определить систолическое и диастолическое давления состоянии покоя	1. Повторите измерение давления на левой руке через 3 мин. 2. Показания занесите в таблицу. 3. Повторите измерение давления после нагрузки и после отдыха еще 2 раза, показания занесите в таблицу.
№№	Норма (мм рт. ст.)	После нагрузки	После отдыха
сист. давл.	диаст. давл.	сист. давл. (лев. р.)	диаст. давл. (лев. р.)	сист. давл. (лев. р.)	диаст. давл. (лев. р.)
пр. р.	лев. р.	пр. р.	лев. р.
1. 2. 3. ср.
5. Оформление лаб. работы	1. Сравните полученные результаты с нормальным давлением крови. 2. Сделайте вывод о состоянии сердечно-сосудистой системы.

 

Лабораторная работа

Исследование ЗАВИСИМОСТИ вязкости от концентрации.

 

Вязкость — одна из основных физических характеристик жидкости. Коэффициент вязкости жидкости, в том числе и биологических (крови), широко используется в медицине как один из важнейших показателей сердечно-сосудистой системы в норме, и патологии. Будущим врачам необходимо знать методы измерения коэффициента вязкости и иметь навыки его определения.

 

ЦЕЛЬ занятия:

1. Научиться определять вязкость жидкости.

2. Исследовать зависимость вязкости раствора от концентрации.

3. Ознакомиться с практической значимостью определения вязкости биологических жидкостей в медицине.

ИСХОДНЫе ЗНАНИя:

1. Знать особенности молекулярного строения жидкости.

2. Знать характер течения жидкости по трубам.

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

1. Понятие внутреннего трения в реальной жидкости. Градиент скорости. Формула Ньютона.

2. Коэффициент внутреннего трения, его физический смысл, единицы измерения.

3. Ламинарное и турбулентное течение жидкости. Число Рейнольдса.

4. Течение вязкой жидкости по трубам. Закон Пуазейля.

5. Методы определения коэффициента вязкости. Капиллярный метод определения вязкости жидкостей.

 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 7, с. 113—123.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.2. с. 26-33.

3. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 67—72.