Предмет физики и биофизики

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ижевская государственная сельскохозяйственная академия»

Учебное пособие

для студентов зооинженерных и

ветеринарных специальностей

ФИЗИКА И БИОФИЗИКА

(конспект лекций)

Составитель:

Г.А. Кораблев

Ижевск 2008

УДК 536.075

ББК

Ф50

Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования.

Рассмотрено и рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, протокол №___от______2008г.

Рецензент

Е.И. Трошин - доктор биологических наук, профессор, завкафедрой незаразных болезней и радиологии ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА

Составитель

Г.А. Кораблев - доктор химических наук, профессор кафедры физики ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА

Ф 50 Физика и биофизика. Конспект лекций: учеб. пос./Сост. Г.А. Кораблев. - Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА,2008-54с.

Агентство CIP НБР Удмуртия

Данное учебное пособие систематизирует основные разделы по всему учебному материалу в соответствии с лекционным курсом, может существенно помочь студентам при самостоятельной подготовке как к лабораторным занятиям, так и при изучении лекционного курса.

Адресовано студентам, обучающихся по специальности «Ветеринария» и «Зоотехния» как очного, так и заочного отделения.

УДК

ББК

© ФГОУВПО Ижевская ГСХА,2008

© Кораблев Г.А.,сост.2008

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

1. ПРЕДМЕТ ФИЗИКИ И БИОФИЗИКИ. КИНЕМАТИКА ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

1.1 Любые процессы, происходящие в природе, отражают многообразие форм движения материи и изучаются различными науками

2. ДИНАМИКАПОСТУПАТЕЛЬНОГО И ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ

3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ. ГИДРОДИНАМИКА И ГЕМОДИНАМИКА

4. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

5. ОСНОВЫ БИОАКУСТИКИ. БИОФИЗИКА ЗВУКА

5.1 Акустика

5.2 Слышимый звук

6. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО - КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

6.1 Основные положения молекулярно-кинетической теории

6.2 Теплопроводность

7. РЕАЛЬНЫЕ СРЕДЫ (ГАЗЫ И ЖИДКОСТИ)

8. ТЕРМОДИНАМИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

8.1 Термодинамика

9. ЭЛЕКТРОСТАТИКА. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

9.1 Закон Ома для участка цепи

10. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

10.1 Энергия магнитного поля

11. ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

12. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

13. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ПОЛЕЙ

13.1 Электромагнитное поле

14. ОПТИКА

14.1 Фотометрия

14.2 Сила излучения

15. ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА И МИКРОЧАСТИЦ

16. КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА. ЛАЗЕРЫ

17. РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

18. ЯДРО АТОМА. РАДИОАКТИВНОСТЬ

19. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

20. БИОНИКА

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

ПРЕДИСЛОВИЕ

Успешное развитие ветеринарии и зооинженерии в значительной степени зависит от достижений физических и биофизических наук. Изучение фундаментальных закономерностей этих дисциплин формирует базовые знания будущих специалистов. Согласно учебной программе сельскохозяйственной академии, за два семестра первого года обучения студенты должны получить весь комплекс основных знаний по физике и биофизике.

Разработанное с этой целью данное учебное пособие «Физика и биофизика» систематизирует основные разделы по всему учебному материалу в соответствии с лекционным курсом.

Эти материалы являются дополненным и доработанным вариантом методических разработок («Основы физики и биофизики»), изданных Ижевской ГСХА в 2000 году. В частности добавлены новые разделы, которые могут использоваться при факультативном чтении лекций («Ядро атома», «Радиоактивность», «Элементы квантовой механики», «Бионика»). Переработаны материалы вводной части курса, в разделе 7.9 добавлены сведения о понятии «газовой эмболии», в разделе 15.8 дополнительно рассматриваются вопросы дисперсии света и т.д.

В целом учебное пособие подготовлено в соответствии с Программой ГУ ВУЗ (от 2002 года) для специальностей «Ветеринария» и «Зоотехния».

При отсутствии учебной литературы, оптимально приближенной к Программе ГУ вуз, данное пособие может существенно помочь при самостоятельной подготовке как к лабораторным занятиям, так и при изучении лекционного курса, в особенности студентам заочного отделения.

1. ПРЕДМЕТ ФИЗИКИ И БИОФИЗИКИ. КИНЕМАТИКА ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

1.1 Любые процессы, происходящие в природе, отражают многообразие форм движения материи и изучаются различными науками

Физика - наука об основных, наиболее общих закономерностях природы. Ряд крупных открытий показал универсальность физических законов во всех областях естествознания. Такие законы, как закон сохранения энергии, закон сохранения электрического заряда и начала термодинамики - являются всеобщими закономерностями как для живой, так и для неживой природы. И эти положения используются всеми естественными науками, в том числе химией и биологией.

Животные и растения представляют собой системы, в которых протекают физические, химические и биологические процессы.

Для полного описания и понимания строения и функционирования всех биологических систем необходимо знание основных законов природы.

1.2 Биофизика - наука, изучающая физические и физико-химические закономерности в биологических системах, а также действие физических факторов на живые организмы. Биофизика - наука сравнительно молодая. Бурное развитие биофизики идет в последние десятилетия в связи с достижениями физики и физической химии, так как биофизика использует законы и методы ряда наук - физики, химии, биологии, медицины, математики, кибернетики. Сильный отпечаток на современную биофизику наложило развитие кибернетики и теории информации, так как с помощью математического аппарата этих дисциплин становится возможным анализ процессов, происходящих в центральной нервной системе и в молекулярном механизме закрепления наследственных качеств.

Животные и растения представляют собой саморегулирующиеся биологические системы, в которых протекают разнообразные физические процессы, изучаемые биофизикой - механические, тепловые, электрические и т.д.

1.3 Биофизика включает четыре раздела:

Молекулярная биофизика рассматривает строение и физические свойства макромолекул (белков, нуклеиновых кислот и др.), а также происходящие в этих системах превращения энергии.

Биофизика клетки исследует структуру клетки, происходящие в ней физико-химические процессы.

Биофизика органов чувств изучает механизмы перехода энергии (и информации от внешних раздражителей) в электрические импульсы нервной ткани.

Биофизика сложных систем занимается изучением и моделированием внутренних связей в биологических объектах на всех уровнях.

К биофизике сложных систем относят и биомеханику, исследующую механизмы работы органов кровообращения, дыхания, движения и др.

Биофизика связана с бионикой (раздел кибернетики), в которой рассматриваются вопросы применения принципов действия живых систем и использование биологических процессов для решения инженерных задач.

1.4 Технический уровень производства в значительной степени зависит от состояния науки.

Физика явилась фундаментом, на котором выросли такие новые области техники, как электро- и радиотехника.

Результаты физических исследований все больше находят применение в технике. В свою очередь, техника оказывала и оказывает большое влияние на прогресс физики (и биофизики).

Успехи физики привели к индустриализации физического и биофизического эксперимента, его автоматизации.

1.5 Физические методы и приборы все больше проникают в практику сельского хозяйства. Процессы жизнедеятельности животных в значительной степени определяются физическими условиями среды, в которой развивается животное: освещенность, тепловой, воздушный и водный режим. Задача физики - в изучении этих условий и установлении наиболее благоприятных режимов для развития животных.

1.6 Раздел механики - кинематика изучает механическое движение и величины, его характеризующие, не рассматривая причины, его вызывающие.

Механическое движение - перемещение в пространстве тел или их частей с течением времени.

Положение тел в пространстве может быть определено только по отношению к другим телам.

Система отчета - система координат, связанная с телом отсчета, относительно которого рассматривается и описывается движение.

1.7 Материальная точка - это тело, размеры которого не влияют на описание движения и ими можно пренебречь в данной задаче.

Линия, описываемая точкой при движении, называется траекторией.

По характеру траектории движения бывают прямолинейные и криволинейные.

Путь равен длине траектории, пройденной точкой.

Вектор, соединяющий начальную точку траектории с конечной, называется перемещением.

Различают среднюю путевую и мгновенную скорости.

1.8 Средняя путевая скорость определяется как отношение пройденного пути ко времени, затраченному на его прохождение: .

Вектор мгновенной скорости равен первой производной от перемещения ко времени: .

Вектор скорости направлен по касательной к траектории.

Движения по характеру изменения скорости делятся на равномерные и неравномерные.

Быстрота изменения скорости характеризуется ускорением, которое равно первой производной от скорости по времени: .

Вектор ускорения при криволинейном движении направлен в сторону вогнутости траектории.

1.9 Вектор полного ускорения равен сумме векторов касательного и нормального ускорений.

Касательное ускорение направлено по касательной к траектории.

Касательное ускорение характеризует скорость изменения модуля скорости.

Нормальное ускорение направлено по нормали к траектории к центру ее кривизны.

1.10 Примеры скоростей в живой природе:

Гепард	112 км/ч	Жираф	51 км/ч
Заяц	60 км/ч	Акула	30 км/ч
Борзая	58 км/ч	Пчела	до 18 км/ч

2. ДИНАМИКАПОСТУПАТЕЛЬНОГО И ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ

Слово «динамика» произошло от греческого слова «динамик», что означает «сила». Динамика, рассматривая движение, изучает и причины, вызывающие это движение. В основе динамики лежат законы И.Ньютона.

Первый закон Ньютона (закон инерции) утверждает, что всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока воздействие других тел не выведет его из этого состояния.

Свойство тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инерцией. Свойство тел, заключающееся в невозможности мгновенно изменять свою скорость, называют инертностью.

Количественной мерой инертности является масса.

Согласно второму закону Ньютона, ускорение, приобретаемое телом под действием силы, направлено так же, как сила, а по величине пропорционально силе и обратно пропорционально массе тела:

.

Сила есть физическая величина, количественно характеризующая воздействие тел, в результате которого тела приобретают ускорение и деформацию. Единицей силы в СИ является ньютон. Ньютон (Н) - это сила, которая массе 1 кг сообщает ускорение 1 м/с2.

Согласно третьему закону Ньютона, два взаимодействующих тела действуют друг на друга с силами, равными по величине и противоположными по направлению:

.

Изолированной системой называется группа тел, взаимодействующих друг с другом и не взаимодействующих ни с какими иными телами.

Закон сохранения импульса гласит: в изолированной системе векторная сумма импульсов всех тел есть величина постоянная:

.

Импульс тела (количество движения) равен произведению массы тела на вектор его скорости:

.

2.6 Закон всемирного тяготения устанавливает, что любые тела друг к другу притягиваются с силами, пропорциональными их массам и обратно пропорциональными квадрату расстояния между ними:

.

Взаимодействие между телами осуществляется либо при непосредственном контакте, либо посредством силового поля.

2.7 Сила, с которой тело притягивается Землей, называется силой тяжести. Весом тела называют силу, с которой тело давит на опору или действует на подвес (опору).

Вес может быть как меньше, так и больше силы тяжести. Тела, на которые действует только сила тяготения, находятся в невесомости.

2.8 Абсолютно твердым называется тело, расстояние между любыми точками которого остается неизменным.

Движение тела, при котором любая прямая, соединяющая точки тела, остается параллельной самой себе, называется поступательным.

Вращательным движением называется такое движение, при котором все точки тела движутся по окружности, причем центры всех окружностей расположены на одной прямой, называемой осью вращения. Всякое движение тела можно разложить на поступательное и вращательное.

2.9 Аналогом массы при вращательном движении твердого тела является момент инерции. Моментом инерции материальной точки (j) относительно оси называется произведение ее массы (m) на квадрат расстояния до этой оси: j = mr2. Моментом инерции тела называется сумма моментов инерции всех материальных точек, составляющих тело:

.

2.10 Моментом силы относительно оси называется произведение вращающей составляющей силы на радиус окружности (r), описываемой точкой приложения силы: . Момент силы является векторной величиной, вектор момента вращающей силы направлен по оси вращения.

2.11 Основной закон динамики вращательного движения: момент силы, приложенной к телу, равен произведению момента инерции тела на его угловое ускорение:

.

Момент импульса тела равен произведению момента инерции на угловую скорость: . Закон сохранения момента импульса в изолированной системе: векторная сумма моментов импульса всех тел - величина постоянная, т.е.

.

2.12 Механической работой называется физическая величина, равная произведению модуля силы на модуль перемещения и на косинус угла между ними:

.

Единицей работы является джоуль (Дж), он равен работе, совершаемой силой в 1 Н при перемещении тела на 1 м в напряжении действия силы. Элементарная работа силы определяется скалярным произведением этой силы на элементарное перемещение точки ее приложения: . Полную работу можно определить, суммируя элементарные работы, т.е. . В зависимости от угла между векторами силы и перемещения работа может быть как положительной, так и отрицательной.

2.13 Величина, характеризующая скорость выполнения работы, называется мощностью: . Мощность равна скалярному произведению силы на скорость: . Единицей мощности является ватт (Вт). Это такая мощность, при которой работа в 1 Дж совершается за 1 с.

2.14 Физическая величина, характеризующая способность тел совершать работу, называется энергией.

Энергия определяется величиной максимальной работы, которую при определенных условиях может совершать система. Единицей энергии, так же, как и работы, является джоуль (Дж). Кинетической энергией называется механическая энергия тела, обусловленная его движением. Кинетическая энергия движущегося тела равна половине произведения его массы на квадрат скорости:

.

Кинетическая энергия системы равна сумме кинетических энергий всех тел, составляющих систему.

Потенциальной энергией называется энергия, обусловленная взаимным расположением тел или частиц тела.Потенциальная энергия тела, поднятого над Землей на высоту h, равна работе против силы тяжести , где m - масса тела, g - земное ускорение.

Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе против упругой силы , где К - коэффициент упругости, x - деформация тела.

2.15 Кинетическая энергия вращательного движения твердого тела равна половине произведения момента инерции на квадрат угловой скорости: . Полная кинетическая энергия тела равна сумме кинетических энергий поступательного и вращательного движений: .

2.16 Полная механическая энергия системы определяется суммой ее кинетической и потенциальной энергий: . Энергия не создается и не уничтожается, может превращаться из одних видов в другие (закон сохранения энергии).

2.17 Биоэнергетика - промышленный способ получения энергии за счет живых организмов.

Эргометры - приборы для измерения работы человека; соответствующий раздел измерительной техники называется эргометрией.

3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ. ГИДРОДИНАМИКА И ГЕМОДИНАМИКА

В твердом теле частицы (молекулы, атомы, ионы) расположены в геометрически строго определенном порядке, образуя кристаллическую решетку.

В современной физике твердыми телами считают именно кристаллические тела. Жидкостям свойственно неупорядоченное расположение частиц, поэтому жидкости изотропны.

Полимеры - высокомолекулярные химические соединения. Типичный представитель - пластмассы. Весьма ценным качеством полимеров является их высокая эластичность и прочность.

Некоторые полимеры выдерживают упругое растяжение, в 2-5 раз превышающее первоначальную длину. Природные полимеры, являющиеся структурной основой всех живых организмов и определяющие процессы жизнедеятельности, составляют группу биополимеров. К ним относятся белки, нуклеиновые кислоты (рибонуклеиновая - РНК и дезоксирибонуклеиновая - ДНК) и полисахариды. К полимерным материалам относятся почти все живые и растительные материалы, такие, как шерсть, кожа, рог, волос, шелк, хлопок, каучук и т.п.

Деформация - изменение формы и размеров тела, может быть вызвана внешним воздействием (механическим, электрическим, магнитным) или изменением температуры тела. Деформация называется упругой, если после прекращения действия силы она исчезает. Если же деформация сохраняется и после прекращения внешнего воздействия, то ее называют пластической.

Малые упругие деформации подчиняются закону Гука: . Сила упругости пропорциональна деформации. Здесь k - коэффициент упругости, х - удлинение (деформация). Знак минус указывает на противоположность направлений силы упругости и деформации. Для деформации растяжения стержня закон Гука имеет вид: , где S - площадь сечения стержня, Е - модуль упругости или модуль Юнга. Единица модуля упругости в СИ - паскаль (Па).

Как технический объект биологическая ткань - композиционный материал, он образован объемным сочетанием химически разнородных компонентов. Механические свойства биологической ткани отличаются от механических свойств каждого компонента, взятого в отдельности.

Кость - основной материал опорно-двигательного аппарата животного. Можно считать, что 2/3 массы компактной костной ткани (0,5 объема) составляет неорганический материал, минеральное вещество кости гидроксилапатит. Это вещество представлено в форме микроскопических кристаллов. В остальном кость состоит из органического материала, главным образом, его белка-коллагена, обладающего высокой эластичностью. Плотность костной ткани 2400 кг/м. Ее механические свойства зависят от многих факторов, в том числе от возраста, индивидуальных условий роста организма и, конечно, от участка организма. Композиционное строение кости придает ей нужные механические свойства: твердость, упругость и прочность.

Кожа состоит из волокон коллагена, эластина (так же, как и коллаген - волокнистый белок) и основной ткани - матрицы. Коллаген составляет около 75% сухой массы, а эластин - около 4%. Эластин растягивается очень сильно (до 200-300%), примерно как резина. Коллаген может растягиваться до 10%, что соответствует капроновому волокну. Таким образом, кожа является вязкоупругим материалом с высоко эластичными свойствами, она хорошо растягивается и удлиняется.

В состав мышц входит соединительная ткань, состоящая из волокон коллагена и эластина. Поэтому механические свойства мышц подобны механическим свойствам полимеров. Так, гладкие мышцы могут значительно растягиваться без особого напряжения, что способствует увеличению объема полых органов, например, мочевого пузыря.

Механические свойства кровеносных сосудов определяются главным образом свойствами коллагена, эластина и гладких мышечных волокон. Содержание этих составляющих сосудистой ткани изменяется по ходу кровеносной системы: отношение эластина к коллагену в общей сонной артерии 2:1, а в бедренной 1:2, с удалением от сердца увеличивается доля гладких мышечных волокон, в артериолах они уже являются основной составляющей сосудистой ткани. Механические свойства ткани кровеносного сосуда различаются в зависимости от того, каким образом вырезан образец (вдоль или поперек сосуда). Механические свойства биологических тканей главным образом влияют на технические характеристики сердечно-сосудистой системы, и их необходимо учитывать во многих разделах медицины (космической, спортивной, судебной и т.д.).

Гидродинамикой называется раздел механики, в котором изучают движение жидкостей и явления, происходящие при движении в жидкостях твердых тел.

Раздел биомеханики, использующий законы гидродинамики для описания движения крови в сердечно-сосудистой системе, называется гемодинамикой.

Жидкие среды составляют наибольшую часть организма, их перемещение обеспечивает обмен веществ и снабжение клеток кислородом и энергией. Линии, в каждой точке которых касательная совпадает с вектором скорости движения частиц жидкости, называются линиями тока. Объем жидкости, ограниченный линиями тока, называется трубкой тока. Жидкость, совершенно не обладающая вязкостью, называется идеальной.

Ламинарным называется движение жидкости такое, при которой её слои скользят друг относительно друга, не перемешиваясь. Турбулентным называют течение, при котором происходит взаимное перемешивание слоев жидкости.

Трение, возникающее между слоями жидкости при их движении относительно друг друга, называется вязкостью (внутренним трением).

При стационарном движении скорость жидкости в каждой точке не изменяется во времени. Для данной трубки тока произведение площади поперечного сечения трубки на скорость течения жидкости есть величина постоянная: SV=const (уравнение неразрывности потока).Уравнение Бернулли выражает закон сохранения энергии:

+ gh + P = const.

Величину Р называют статическим давлением, gh - гидравлическим давлением, - динамическим давлением ( - плотность жидкости, V - её скорость).

Согласно уравнению Бернулли, при увеличении (уменьшении) скорости потока его давление уменьшается (увеличивается).

Реальная жидкость вязкая: в движущейся жидкости всегда возникают силы внутреннего трения.

Сила внутреннего трения F - выражается законом Ньютона:

F = - S,

где - - градиент скорости, S - площадь соприкосновения слоев, - коэффициент вязкости жидкости.

Средняя скорость ламинарного течения жидкости по трубе пропорциональна градиенту давления жидкости, квадрату радиуса трубы и обратно пропорциональна вязкости жидкости (закон Пуазейля):

V= -

Благодаря вязкости тело, движущееся в жидкости, испытывает сопротивление со стороны жидкости. Сила сопротивления зависит от скорости движения тела, его размеров и формы.

Для тел шарообразной формы, движущихся с небольшой скоростью, сила сопротивления жидкости пропорциональна вязкости жидкости, радиусу шара и скорости движения (закон Стокса):

F = 6П r V

Как закон Пуазейля, так и закон Стокса находят применение для определения коэффициентов вязкости различных жидкостей.

Скорость Vк, при которой ламинарное течение переходит в турбулентное, называют критической скоростью и определяют ее из так называемого числа Рейнольдса, характеризующего режим течения жидкости. Числом Рейнольдса (Re) называют безразмерную величину

Re = - ,

где Д - диаметр трубы, - плотность жидкости.

Существует критическое число Рейнольдса Reк, при переходе через которое поток жидкости меняет характер движения.

При Re< Reк - течение ламинарное.

При Re >Reк - ламинарное течение переходит в турбулентное.

Критическое значение числа Рейнольдса при движении крови по сосуду Re 2000. При Re < Reк движение крови ламинарное, при резком снижении просвета сосудов течение становится турбулентным, что соответствует патологическому отклонению от нормы.

Кровь выполняет в организме животных важнейшие физиологические функции:

доставляет кислород тканям и органам;

разносит по организму растворенные части продуктов питания;

переносит продукты обмена от клеток к органам выделения (почкам, легким, коже);

выполняет чисто физиологическую функцию: поддерживает постоянство температуры тела у теплокровных животных .

Коэффициент вязкости крови зависит от скорости ее движения в сосудах: в крупных сосудах, где скорость крови велика, ее коэффициент вязкости меньше, чем в капиллярах.

Основную роль в снабжении организма кислородом играют эритроциты. Эритроциты млекопитающих имеют вид двояковогнутых дисков, поверхность эритроцита благодаря его форме в 1,6 раза больше, чем если бы он имел вид шарика при том же объеме. Диаметр эритроцитов млекопитающих примерно 5 мкм, но поскольку их количество очень велико, то общая поверхность эритроцитов превышает поверхность тела животного.

Считая в первом приближении эритроциты сферическими, можно применить к ним закон Стокса и вычислить скорость их оседания (СОЭ). На величину СОЭ влияет вязкость плазмы крови: при воспалительных процессах, беременности и других патологиях СОЭ служит важным диагностическим приемом.

Мембраны эритроцитов обладают значительной прочностью, однако при определенных физико-химических воздействиях они разрушаются. Степень прочности мембран эритроцитов меняется при некоторых патологиях, что может быть использовано в диагностических целях.

При циррозе печени снижается стойкость всей массы эритроцитов. При заболеваниях воспалительного характера (пневмония, мастит, эндометрит) увеличивается скорость разрушения эритроцитов. Эритроциты стриженой овцы менее устойчивы, чем эритроциты овцы, покрытой шерстью. У горных коз стойкость эритроцитов повышена по сравнению с эритроцитами равнинных овец. У особей женского пола прочность эритроцитарных мембран в 1,2 раза меньше, чем у особей мужского пола. Прочность эритроцитов барана после кастрации понижается.

Сердце является основным источником энергии, обеспечивающим движение крови в сосудистой системе. Оно переводит химическую энергию, заключенную в молекулах АТФ (аденозинтрифосфатная кислота), в механическую работу.

Фаза сокращения сердца называется систолой, а фаза расслабления - диастолой.

В отличие от насосов, применяемых в технике, сердце работает без перерыва в течение всей жизни организма, сокращаясь, например,

за 70 лет жизни человека около 2,5 млрд. раз.

Выходя из аорты, кровь движется далее по разветвляющимся элементам кровеносной системы и, попадая в капилляры, выполняет свою основную функцию. Общее сечение капилляров примерно в 600-800 раз больше сечения аорты, скорость течения крови в капиллярах во столько же раз меньше скорости крови в аорте.

Стенки кровеносных сосудов неодинаковы по своему строению. Аорта и крупные артерии имеют эластичные стенки. Течение жидкости по трубкам с эластичными стенками обладает определенной спецификой.

Деформация стенки распространяется вдоль сосудов и образует так называемую пульсовую волну, скорость её:

Vn = ,

где Е - модуль Юнга; - плотность крови, d и Д - диаметры внешней и внутренней стенок сосуда.

Эластичность стенок артерии позволяет поддерживать постоянную скорость кровотока и непрерывность снабжения тканей кислородом. Пульсовая волна характеризуется частотой, соответствующей частоте сердечных сокращений, продолжительностью, напряжением, т.е. давлением, которым можно сдавить артерию до исчезновения пульса.

Пульс отражает работу сердца и кровеносных сосудов. У сельскохозяйственных животных пульс исследуют на определенных артериях: у лошади - на наружной подчелюстной, у коров - на лицевой, у мелких животных - на бедренной.

Работа сердца при однократном сокращении равна:

Работа правого желудочка принимается равной 0,2 работы левого. Здесь: - потенциальная энергия крови (Р - среднее давление, U - ударный объем крови); - кинетическая энергия крови (- скорость движения крови в аорте).

Для крупного рогатого скота

4. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

Регулярно повторяющиеся движения или повторяющиеся изменения состояния называют колебаниями (движение маятника, биение сердца).

Гармоническим называется колебание, при котором отклонение колеблющейся величины от состояния равновесия изменяется со временем по закону синуса (или косинуса):

( - циклическая частота). Отклонение колеблющейся точки от положения равновесия называется смещением (Х).

Максимальное отклонение от положения равновесия называется амплитудой колебания ().

Время одного полного колебания называется периодом колебания (Т).

Число колебаний в секунду называется частотой колебания ().

Фаза колебания определяет положение точки в любой момент времени колебания. Скорость () колебания точки определяется как производная смещения по времени: . Ускорение (а) точки определяется как производная скорости по времени: .

Гармоническое колебание происходит под действием силы, пропорциональной отклонению, она направлена против него:

Период упругих колебаний пропорционален корню квадратному из массы:



Полная энергия данного гармонического колебания постоянна и пропорциональна квадратам амплитуды и частоты:

Затухающие колебания происходят с уменьшающейся амплитудой. Незатухающие (вынужденные) колебания происходят под действием внешней, периодически действующей силы (раскачивание качелей, нож жнейки, косилки, решета веялки, а также колебания, которые распространяются по эластичным кровеносным сосудам в виде пульсовой волны).

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынужденных колебаний к частоте собственных колебаний называется резонансом. Вибрации (вынужденные колебания) оказывают на животных (в том числе и на человека) воздействия как вредные (вибрационная болезнь), так и лечебные (вибротерапия, вибромассаж).

Распространение колебаний в упругой среде называется волновым процессом или механической волной. Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны.

Если частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны, то волна называется продольной.

Уравнение гармонической волны: , где Х - отклонение от положения равновесия; А - амплитуда; - круговая частота; t - время от начала колебания; y - расстояние колеблющейся точки от источника колебаний; - скорость распространения волны.

Длина волны равна расстоянию, на которое распространяется колебание за период Т со скоростью , т.е. , где -- частота волны.

Интенсивностью волны (J) называется плотность потока энергии волны, она равна отношению энергии (W), переносимой волной через поверхность за некоторое время к площади поверхности (S) и времени переноса (t):

.

5. ОСНОВЫ БИОАКУСТИКИ. БИОФИЗИКА ЗВУКА

5.1 Акустика

Акустика - раздел физики, исследующий упругие колебания и волны от самых низких частот до предельно высоких (1012 - 1013 Гц).

В узком смысле под акустикой понимают учение о звуке, т.е. об упругих колебаниях и волнах в газах, жидкостях, твердых телах, воспринимаемых человеческим ухом (частоты от 16 до 20000 Гц). Источник звука: колеблющиеся тела (струны, мембраны). Всякое звучащее тело колеблется. В музыкальных инструментах источником звука являются: колеблющиеся струны (скрипка, гитара, фортепиано), колебания мембраны (барабан), колебания пластин (ксилофон), колебания частей инструмента (колокол, гонг), колебания столба воздуха (флейта, труба, орган).

5.2 Слышимый звук

Слышимый звук - явление субъективного восприятия акустических волн человеком или животным.

Высота тона зависит от частоты звука. Комариный писк соответствует частоте порядка 10 Кгц, мычание быка - 50 Гц, бас - 80 Гц, колоратурное сопрано до 1400 Гц, рекордная высота женского голоса (при пении) 2,35 Кгц. Тембр звука определяется частотным составом, это особое качество звука, его звуковая окраска, характерная для каждого инструмента и голоса.

Энергетической характеристикой звука является интенсивность (см. колебания и волны).

Звуковым или акустическим давлением (Р) называют добавочное (избыточное) над средним давлением окружающей среды, например, над атмосферным, образующееся в участках сгущения в акустической волне. Для плоской волны интенсивность звука связана со звуковым давлением зависимостью:

(2),

где - плотность среды (вещества);

-скорость распространения волны (звука);

- удельное волновое или акустическое сопротивление среды.

Например, едва переносимый человеком звук гудка локомотива создает избыточное давление в 90 Па.

По эмпирическому закону Вебера-Фехнера, прирост силы ощущения пропорционален логарифму отношения интенсивностей двух сравниваемых звуковых раздражений: lg (J J0), где L - громкость звука, К - коэффициент пропорциональности, J0 - порог слышимости.

Если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковые величины).Максимальная интенсивность волн воспринимается субъективно как звук, равна приблизительно 10 Втм2 и вызывает болевые ощущения. Наименьшее значение интенсивности звука, вызывающее звуковое ощущение, называют порогом слышимости

(J0 = 10-12 Втм2).

Шкала уровней интенсивности звука строится следующим образом: значение J0 принимают за начальный уровень шкалы, уровень любой другой интенсивности J выражают через десятичный логарифм отношения J к J0 , т.е. принимается к = 1.

L = lgJ J0

Единицей уровня интенсивности является бел (Б), чаще используется единица в 10 раз меньшая - децибел (дБ). Порог слышимости 0 дБ.

Разговор нормальным голосом 60 дБ, болевой порог 130 дБ, разрыв барабанной перепонки при 160 дБ.

Для оценки субъективного восприятия звука введены понятия громкости (L) и уровня громкости (L), которые учитывают зависимость порога слышимости от частоты. Громкость - субъективная оценка звука, которая характеризует слуховое ощущение. Для двух звуковых волн с одинаковой частотой громкость измеряется в фонах.

Опыт показывает, что наблюдаемая частота зависит от скорости движения источника звука. Это явление получило название эффекта Доплера.

При отражении звука от движущегося тела наблюдателем воспринимается звук повышенной или пониженной частоты. Эта частота называется доплеровской (g).

Частота, регистрируемая наблюдателем, равна: = 0 ±g ,где 0 - частота неподвижного источника.

По эффекту Доплера можно определять ряд параметров кровотока в сосудистой системе; скорость эритроцитов, скорость и направление кровотока, наличие эмболии и т.д.

5.7 Голосовой аппарат имеется не у всех представителей животного мира, и многие из них пользуются для создания звука органами, несущими другие функциональные нагрузки (крылья, ноги и т.п.). У млекопитающих основную роль в общении играют голосовые звуки, создаваемые гортанью, находящейся в верхней части трахеи и представляющей собой хрящевую трубку, открытую с обоих концов. Роль резонатора выполняют гортанные мешки, ротовая и носовая полости и даже легкие.

Шумом называют звук, отличающийся сложной, хаотической, неповторяющейся временной зависимостью (звуки от вибраций машин, аплодисменты, шорохи, скрипы, согласные звуки речи).

В биологической акустике шумом считают любые звуки, затрудняющие правильное восприятие звуковых сигналов, а также раздражающие нервную систему человека ли животных с соответствующими нарушениями нормальных физиологических функций их организма. Для нормальной жизнедеятельности шум не должен превышать определенного - 30 дБ, для большинства учреждений - не больше 55 дБ.

В связи с комплексной механизацией производственных процессов в животноводческих комплексах значительно возросли шумы по сравнению с естественными условиями. Это приводит у коров к нарушениям рубцового пищеварения, снижению лактации, нарушениям кровообращения, терморегуляции тела, поступлению рефлекса к принятию пищи. У свиноматок шумы (70-80 дБ) приводят к прекращению и даже полной потере лактации.

У кур интенсивные шумы (в 90-100 дБ) вызывают резко выраженные изменения в физиологическом состоянии, снижается их яйценоскость, живой вес.

Слабые шумы природного происхождения не только не вредны (например, шум тихого дождя), но даже благотворно влияют на состояние человека и животных.

Полное отсутствие шума тоже может привести к психическим расстройствам.

Колебание и волны, частоты которых лежат выше области восприятия человеческим ухом, называются ультразвуком. Для получения ультразвука используют механические и электрические генераторы. Для регистрации ультразвука применяют пьезоэлектрические преобразователи, в которых акустические колебания преобразуются в электрические.

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона, и распространение ультразвука подчиняется законам, общим для всех акустических волн (законы отражения, преломления, рассеяния и т.д.) На границе воздух - ткань происходит практически полное отражение ультразвука. Некоторые животные, преимущественно ведущие ночной образ жизни, используют для эхолокации как звуки слышимого диапазона (козодои, стрижи - саланганы), так и ультразвук (летучие мыши и дельфины).

Акустические колебания с частотами ниже 16 Гц называются инфразвуком. Инфразвуки распространяются на очень большие расстояния. Обладая большой длиной волны, он огибает препятствия (деревья, здания), кроме того, он приводит в резонансные колебания твердые тела больших размеров (стены, дома, двери), которые сами становятся источниками инфразвука, от которого практически нет защиты. Генераторами незатухающих инфразвуковых волн служат устройства, подобные органным трубам или свисткам. Инфразвук не воспринимается человеческим ухом, т.к. вызываемые им колебания барабанной перепонки слишком медленные. Инфразвук оказывает отрицательное влияние на человека и животных: он вызывает недомогание, усталость, головные боли, нарушается координация движений и зрения, может вызвать также вынужденные колебания различных органов: печени и почек, и др. Под действием инфразвука резонансные колебания сердца могут привести к разрывам кровеносных сосудов. Инфразвук оказывает отрицательное воздействие на молокоотдачу и другие физиологические функции сельскохозяйственных животных.

6. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО - КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

6.1 Основные положения молекулярно-кинетической теории

Основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ):

Все вещества состоят из очень маленьких частиц - молекул;

б) Между молекулами действуют силы притяжения и отталкивания;

Молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

Идеальным газом называют газ, молекулы которого не взаимодействуют на расстоянии, но испытывают упругие столкновения.

Давление газа обусловлено тепловым движением его молекул и проявляется благодаря ударам молекул о стенки.б)

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа утверждает, что давление газа (Р) прямо пропорционально средней кинетической энергии (Wr) поступательного движения молекул и их концентрации (n):

Р = n Wr.

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул идеального газа пропорциональна термодинамической температуре (Т) и зависит только от нее:

Wr =КТ,

где к = 1,3810-23 ДжК - постоянная Больцмана.

Из основного уравнения кинетической теории идеального газа следуют опытные законы:

PV = const - закон Бойля-Мариотта;

VV0 = ТТ0; РР0 = ТТ0

- законы Гей-Люссака (последнее из уравнений иногда называют законом Шарля).

Числом степеней свободы тела называется число независимых координат, определяющих движение тела в пространстве (i). Для одноатомной молекулы идеального газа i = 3, для двухатомной i = 5, для трехатомной и более i = 6.

На каждую степень свободы молекул идеального газа приходится в среднем одинаковая энергия, равная 12 кТ (теорема Больцмана). Внутренняя энергия газа - совокупность кинетической и потенциальной энергии его молекул. Молекула, обладающая i степенями свободы, будет обладать полной энергией Е = кТ. Для N - молекул внутренняя энергия будет равна:

U = NКТ.

Длина свободного пробега молекулы - путь, проходимый ею между двумя последовательными столкновениями, -- средняя длина свободного пробега молекулы.

Явления переноса обусловлены переносом молекулами газа своих физических характеристик: массы - при диффузии, энергии - при теплопроводности, импульса - при внутреннем трении (вязкости).

Общее уравнение переноса:

А = - К ST,

 где А - переносимая физическая величина, к - коэффициент пропорциональности, - градиент данной величины в направлении , S - площадь, t - время. Диффузия заключается в самопроизвольном взаимном проникновении и перемещении частиц двух соприкасающихся газов (жидкостей, твердых тел). Уравнение диффузии:

St,

где - масса, переносимая в результате диффузии, - градиент плотности. Явление диффузии широко проявляется в живом организме, это диффузионные процессы в легких, клеточных мембранах.

6.2 Теплопроводность

Теплопроводность - это процесс распространения теплоты от более нагретых частей к менее нагретым, не сопровождающийся переносом массы вещества или излучением энергии в виде электромагнитных волн. Передачу теплоты путем теплопроводности количественно описывают законом Фурье: количество теплоты Q, переносимой через поверхность перпендикулярно направлению оси , вдоль которой убывает температура, пропорционально площади этой поверхности, времени переноса и градиенту температуры (), т.е.

,

где - коэффициент теплопроводности, он зависит от природы тела и измеряется в Вт(м.К.).

В живом организме ткани имеют различные теплопроводности. Значительная теплопроводность мышечной ткани, в которой находится много кровеносных сосудов, позволяет быстро переносить тепло от внутренних органов к внешним, предохраняя внутренние органы от перегрева. Напротив, при низких температурах слой жировой ткани препятствует быстрой утечке тепла. Животные, живущие в арктических условиях, обладают толстым слоем подкожного жира и имеют более густой волосяной покров.

Конвекция - передача теплоты в жидких и газообразных телах путем перемешивания нагретых и холодных слоев и, следовательно, в отличие от теплопроводности, связана с перемещением массы вещества.

Как процесс теплопроводности, так и конвекция происходят только в направлении уменьшения температуры. Если же температура окружающей среды равна или выше температуры тела животного, то теплопроводность и конвекция создают тепловой поток, направленный внутрь тела, что при определенной длительности приводит к перегреву и гибели животного («тепловой удар»).

Тепловое излучение - атомы и молекулы любого тела излучают электромагнитные волны, уносящие с собой часть внутренней энергии тела, интенсивность излучения повышается при увеличении внутренней энергии, а следовательно и температуры тела. Тепловое излучение свойственно всем без исключения телам при любых температурах, отличных от абсолютного нуля. Теплопередача путем излучения у теплокровных животных доходит до 50-60% от общей теплоотдачи. Излучаемые электромагнитные волны находятся в инфракрасной области спектра, причем максимум излучения приходится на длину волны примерно в 9 мкм.

Значительное количество теплоты выделяется из организма при испарении. Так, человек с выдыхаемым воздухом выделяет в сутки 0,35 кг влаги, а при нормальном потоотделении при комнатной температуре - примерно 0,5 кг пота в сутки. Это составляет около 30% всей теплопродукции организма.

Потоотделение зависит как от температуры внешней среды, так и от ее влажности. Для наземных животных нормальная влажность среды 40-50%. При большей влажности процесс испарения с поверхности тела замедляется, а следовательно, замедляется тепловыделение, что ведет к перегреву организма. По этой причине человеку труднее жить во влажных субтропиках или работать в цехах с повышенной влажностью. Влажность менее 40% приводит к усилению потери влаги организмом, к его обезвоживанию.

Потери тепла, связанные с испарением, зависят также от активности физиологических процессов. Так, корова с суточным удоем 12 л выделяет с 1 м2 поверхности тела в час 190 г пота, а при суточном удое 25 л - 290 г. Скорость испарения регулируется различными способами, например, верблюда от потери влаги спасает в определенной степени густой волосяной покров на спине (у стриженого верблюда потоотделение возрастает на 50%).

7. РЕАЛЬНЫЕ СРЕДЫ (ГАЗЫ И ЖИДКОСТИ)

Молекулы реального газа имеют конечный размер и связаны между собой силами притяжения. Чтобы получить уравнение состояния реального газа, голландский физик Я.Д. Ван-дер-Ваальс в 1873 году ввел в уравнение Клапейрона-Менделеева поправки на конечный объем молекул и на действие сил притяжения между ними. Уравнение Ван-дер-Ваальса для моля газа:

где - постоянные Ван-дер-Ваальса, - давление газа, - молярный объем.

Уравнение Ван-дер-Ваальса для любой массы газа (m):

где R - универсальная газовая постоянная, Т - термодинамическая температура.

Изотерма Ван-дер-Ваальса для моля газа при низких температурах имеет вид:

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Критической температурой называется такая температура, выше которой газ нельзя превратить в жидкость никаким изменением давления, а ниже которой газ можно превратить в жидкость при некотором давлении, тем меньшем, чем ниже температура. При критической температуре исчезает различие между жидкостью и газом, коэффициент поверхностного натяжения обращается в нуль. Газ, находящийся при температуре меньше критической, называется паром.

Пар, находящийся в равновесии с поверхностью жидкости, называется насыщенным. Давление насыщенного пара возрастает с повышением температуры. Любой газ можно превратить в жидкость путем сжатия с предварительным охлаждением до температуры, меньшей критической.

Жидкий воздух сохраняют в сосудах Дьюара. Сжижение воздуха используется для его разделения на составные части. Жидкий газ применяется в сельском хозяйстве (животноводстве), например, для хранения спермы.

Количество водяных паров, содержащихся в воздухе (влажность), оказывает большое влияние на жизнь растений и животных.

Абсолютная влажность воздуха - количество водяного пара в 1 м3 воздуха. Относительная влажность воздуха - отношение давления пара, содержащегося в воздухе, к давлению насыщающего пара при той же температуре, выраженное в процентах. Для определения влажности воздуха пользуются гигрометром и психрометром.

Люди и животные весьма восприимчивы к влажности воздуха. При высокой влажности, особенно в жаркий день, испарение влаги с поверхности кожи уменьшается, а это испарение является одним из важнейших биологических механизмов регулирования температуры тела. Очень низкая влажность, напротив, высушивает кожу и слизистые оболочки. Необходимо поддерживать соответствующую влажность в помещениях (в т.ч. в животноводческих) при конструировании систем их обогрева.

На молекулу внутри жидкости действуют силы притяжения соседних молекул, равнодействующая которых равна нулю. На поверхностные молекулы действует равнодействующая сила, направленная внутрь жидкости и сжимающая слой жидкости под ней. Напряженное состояние поверхностного слоя жидкости называется поверхностным натяжением.

Если выделить на поверхности жидкости контур, то сумма сил притяжения, действующих на контур, ограничивающий поверхность жидкости, называется силой поверхностного натяжения, она пропорциональна длине контура , где - коэффициент поверхностного натяжения. В Международной системе единица коэффициента Н/м (или Дж/м2). Вещества, уменьшающие коэффициент поверхностного натяжения, называются поверхностно-активными. Для воды такими веществами являются мыло, эфир, нефть. Некоторые вещества увеличивают коэффициент поверхностного натяжения, по отношению к воде это - соль, сахар. Для поверхностно-активных веществ сила взаимодействия между молекулами самого вещества больше, чем между молекулами вещества и молекулами жидкости.

У веществ, увеличивающих поверхностное натяжение, сила взаимодействия между молекулами вещества и жидкости больше, чем между молекулами жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения уменьшается также при нагревании жидкости, т.к. увеличивается среднее расстояние между молекулами.

При растяжении поверхности жидкости ее потенциальная энергия увеличивается, при сокращении - уменьшается. Та часть потенциальной энергии поверхности жидкости, которая может перейти в работу по изотермическому сокращению поверхности жидкости, называется поверхностной энергией жидкости:

Энергия всей поверхности жидкости равна произведению коэффициента поверхностного натяжения на площадь этой поверхности. Примеры использования поверхностного натяжения в природе. В водоемах по поверхностной пленке воды свободно бегают и прыгают насекомые «водомерки». Улитка «прудовик», имеющая массу до 50 г, ползает по нижней стороне поверхностной пленки воды, как муха по потолку.

Под искривленной поверхностью жидкости, помимо внутреннего давления, создается еще дополнительное давление, обусловленное кривизной поверхности. Поскольку поверхностный слой подобен растянутой пленке, выпуклая поверхность, стремясь сократиться и принять плоскую форму, будет оказывать на жидкость дополнительное давление , которое увеличивает внутреннее давление.

Под вогнутой поверхностью дополнительное давление уменьшает внутреннее давление.

Под плоской поверхностью дополнительного давления не будет. Величина дополнительного давления для сферической поверхности вычисляется по формуле Лапласа:

...