Кинематика поступательного движения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Кинематика поступательного движения

1. Физика. Предмет и методы исследования в физике. Значение физики для биологии

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

Физика стремится расшифровать структуру материи, обнаруживая все более мелкие структурные единицы - атомы, электроны, нуклоны, кварки. Изучение физики связано с изучением форм и законов движения тел, так как движение представляет собой форму существования материи.

Перед физикой стоят следующие задачи:

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

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

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

Физические методы исследования: наблюдение, эксперимент, выдвижение гипотез.

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

2) эксперимент - изучение явления путем его воспроизведения в искусственной, лабораторной обстановке. Эксперимент имеет ряд преимуществ перед наблюдением. Он экономит время, ускоряя возможность изучения явления, так как ученый не ждет, пока это явление произойдет в природе, а искусственно создает его в нужный момент в лаборатории. Эксперимент очень часто расширяет диапазон изучения явлений. Например, в природе происходит колебание температур в очень небольшом интервале, в лаборатории же можно создать температуры очень высокие и очень низкие, приближающиеся к абсолютному нулю.

Эксперимент позволяет:

1) изолировать исследуемый объект от влияния побочных, несущественных и затемняющих его сущность явлений и изучать его в «чистом» виде;

2) многократно воспроизводить ход процесса в строго фиксированных, поддающихся контролю и учету условиях;

3) планомерно измерять, варьировать, комбинировать различные условия в целях получения искомого результата.

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

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

При исследовании явлений или процессов в зависимости от условий конкретной задачи используют различные физические модели. Это позволяет рассмотреть физическое явление таким образом, чтобы можно было абстрагироваться от целого ряда реальных факторов, являющихся второстепенными для конкретного случая.

К физическим моделям относятся следующие:

- материальная точка - точка, характеризующаяся только массой и положением в пространстве. Приближением материальной точки может быть любое тело, размерами и формой которого можно пренебречь в данных условиях (то есть размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с масштабами движения);

- абсолютно твердое тело - тело, расстояние между любыми двумя точками которого всегда остается неизменным;

- абсолютно упругое тело - тело, деформации которого пропорциональны вызывающим их силам, после прекращения действия сил такое тело полностью восстанавливает свои размеры и форму.

В результате обобщения экспериментальных фактов устанавливаются физические законы - устойчиво повторяющиеся объективные закономерности, существующие в природе. Физические законы выражаются в виде математических соотношений между физическими величинами - измеряемыми характеристиками физических объектов и параметрами процессов.

Физические величины разделяются на:

- скалярные - полностью характеризуются численным значением и единицей измерения. Например: время , масса . В расчетах скалярные величины выражаются действительными числами и с ними можно производить все без исключения действия, которые выполняются с действительными числами;

- векторные - полностью характеризуются численным значением, единицей измерения и направлением. Например: скорость , сила . Векторная величина геометрически изображается вектором, т.е. отрезком, имеющим определенные направление и длину. Математические операции над векторными величинами подчиняются особым закономерностям.

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

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

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

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

2. Биофизика как медико-биологическая наука. Методы и направления современной биофизики

Биофизика ? физика явлений жизни (определение М.В. Волькенштейна)

Биофизика - это наука, которая изучает физические и физико-химические явления, которые происходят в живых организмах; структуру и свойства биополимеров; влияние различных физических факторов на живые организмы и живые системы.

Современная биофизика исследует механизмы физических и физико-химических процессов в биологических системах на разных уровнях организации (субмолекулярном, молекулярном, надмолекулярном, клеточном, тканевом, органном и организменном) и являющихся основой физиологических актов.

По природе объектов исследования, биофизика ? типичная биологическая наука. По методам изучения биообъектов и анализа результатов исследований, биофизика является своеобразным разделом физики.

Стремление объяснить процессы жизнедеятельности человека и животных физическими законами было весьма характерно для творчества многих ученых XVII и XVIII вв. (Р. Бойль, Р. Гук, И. Ньютон, П.С. Лаплас, А.Л. Лавуазье, М.В. Ломоносов и многие другие). XIX в. стал веком торжества аналитических методов в исследовании биологических явлений. Эти методы получили наибольшее развитие в физиологии, в недрах которой зародилась современная биофизика. Многие физиологические процессы, вплоть до нервной деятельности, пытались объяснить на основе физических законов. В отличие от аналогичных попыток предшественников, такие объяснения в значительной мере подтверждались экспериментально. Герман Гельмгольц измерил скорость распространения нервного импульса. Эмиль Дюбуа-Реймон изучил биоэлектрогенез почти всех органов и тканей организма. Эрнст Вебер объяснил некоторые свойства гемодинамики на основе физических законов. Выдающиеся открытия были сделаны в области биофизики органов чувств ? достаточно назвать хотя бы закон Вебера-Фехнера.

Вместе с тем XIX в. определил весьма характерную тенденцию в последующем развитии биофизики. Одним из первых ученых, подметивших и утвердивших эту тенденцию, был Иван Михайлович Сеченов - отец русской физиологии. С не меньшими основаниями его можно назвать основоположником отечественной биофизики. Он использовал методы математики и физической химии для исследования дыхания, установил количественные закономерности растворения газов в биологических жидкостях.

Однако только в XX в. биофизика стала самостоятельной наукой. С этих пор она приступила к изучению фундаментальных проблем биологии: наследственности и изменчивости, онтогенеза и филогенеза, метаболизма и биоэнергетики.

Большинство исследователей (биофизиков) XVII?XIX вв. рассматривали живой организм как физическую систему, причем основным методом такого изучения биологических явлений был поиск внешних аналогий. Заметим, что и сейчас подобный прием не без успеха применяется в биофизике. Например, сокращение мышцы можно моделировать обратным пьезоэлектрическим эффектом, амебовидное движение клеток - перемещениями ртутной капли в растворе кислоты, проведение нервного импульса - миграцией царапины по железной проволоке, обработанной азотной кислотой (модель Лилли), и т. п.

Познавательное значение таких моделей довольно ограниченно. Зачастую при моделировании одного и того же биологического явления они сменяют одна другую вслед за появлением новых технических устройств. Например, рефлекторная деятельность рассматривалась во времена Р. Декарта по аналогии с работой паровой машины, в начале прошлого века - телефонной станции, сейчас - электронно-вычислительной машины. Однако и подобные (феноменологические) модели нужны. Они позволяют уточнить некоторые детали уже понятых в принципе явлений, создавать бионические системы, в которых используются закономерности биологической организации для построения сложных технических устройств, например роботов. И все же это полезное направление физического моделирования не является главным в решении кардинальных биофизических задач.

Основная цель биофизического исследования состоит в выяснении внутренних механизмов биологических процессов, а не в рассмотрении внешних аналогий.

Биофизические методы создаются на основе физических и физико-химических методов изучения природы. В них должны сочетаться трудно совместимые свойства: высокая чувствительность и большая точность. Этому условию отвечают, прежде всего, достижения современной электроники. Весьма плодотворно использование оптических методов. Широко применяют различные методы спектроскопии, включая радиоспектроскопию (методы электронного парамагнитного резонанса - ЭПР и ядерного магнитного резонанса - ЯМР). Давно вошли в обиход радиоизотопные методики.

Любое исследование требует, чтобы регистрирующие приборы не вносили искажений в изучаемый процесс.

Если были нарушены важные для дальнейшего нормального существования свойства и процессы клетки, то, соответственно, изменяются и ее физические и химические параметры. При определенных воздействиях клетка может потерять ряд своих способностей (например, способность к поляризации), хотя внешний вид клеток может оставаться неизменным. Но клетка может не только потерять свои способности, но и приобрести так называемые артефакты. Артефакт для биофизики - это вновь образованные структуры и соединения. Главная особенность артефактов заключается в том, что их нет в неповрежденных, т. е. в целых клетках.

Разделы биофизики:

· Молекулярная - изучает строение и физико-химических свойства, биофизику молекул. Основными объектами исследования молекулярной биофизики являются функционально активные вещества и среди них белки и нуклеиновые кислоты.

· Биофизика клетки - изучает особенности строения и функционирования клеточных и тканевых систем. Биофизика клетки имеет дело с надмолекулярными структурами живой клетки, среди которых особое место занимают мембранные структуры клеток и субклеточных структур.

· Биофизика сложных систем - изучает кинетику биопроцессов, поведение во времени разнообразных процессов присущих живой материи и термодинамику биосистем. Биофизика сложных систем рассматривает живые организмы различного уровня организации с позиции физико-математического моделирования. Объектами исследования в этом случае являются сообщества клеток, живые ткани, физиологические системы, популяции организмов.

3. Механическое движение. Системы отсчета

Механика - раздел физики, в котором изучается механическое движение.

Механическое движение - любое изменение взаимного положения материальных тел, происходящее в пространстве с течением времени. Например, перемещения транспортных средств, деталей машин, а так же органов человека и животных.

Кинематика - раздел механики, в котором изучают движения тел, не исследуя причин, вызывающих эти движения.

Описать движение тела - значит задать его положения в пространстве в разные моменты времени в выбранной системе отсчета.

Система отсчета - совокупность тела отсчета (неподвижное тело), координатных осей и часов.

В декартовой системе координат положение материальной точки в данный момент времени по отношению к этой системе определяется тремя координатами или радиус-вектором - вектором, соединяющим начало координат и положение точки в данный момент времени.

Рисунок 1. Определение положения тела в пространстве для случая движения на плоскости

Траектория - линия, по которой движется тело.

Путь - скалярная физическая величина, численно равная расстоянию, пройденному точкой по траектории.

Перемещение - отрезок, соединяющий начальную и конечную точки траектории .

При движении материальной точки ее координаты с течением времени изменяются. В общем случае ее движение определяется тремя уравнениями:

или векторным уравнением .

Перемещение тела будет определяться следующим образом:

1) координатный способ ;

Рисунок 1.2 Определение перемещения тела методом координат

2) векторный способ .

Рисунок 1.3 Определение перемещения тела векторным способом

Исключая время из уравнений движения, получим уравнение траектории движения материальной точки: .

По форме траектории механические движения классифицируются на прямолинейные и криволинейные. Траектория данного механического движения в различных системах отсчета может иметь разную форму.

4. Равномерное прямолинейное движение и его характеристики

Поступательное движение - такое движение тела, при котором любая прямая, соединяющая две любые его точки, остается параллельной самой себе. При таком движении все точки тела движутся по одинаковым траекториям.

Скорость характеризует быстроту и направление перемещения материальной точки.

Рассмотрим движение материальной точки, перемещающейся по прямолинейному участку. Пусть в момент времени координата материальной точки будет , а в момент времени координата будет . Тогда за промежуток времени путь (проекция вектора перемещения точки на ось) будет равен .

Скорость равномерного движения - векторная физическая величина, которая численно равна отношению изменения радиус-вектора к промежутку времени :

Модуль вектора скорости равен

Единица измерения скорости в СИ м/с.

Направление вектора совпадает с направлением вектора .

Если движение равномерное, то средняя скорость одна и та же при любом промежутке времени.

Путь, пройденный телом при равномерном прямолинейном движении за время t, будет равен .

Координата тела при равномерном прямолинейном движении будет изменяться по закону . При этом она может как увеличиваться (если движение происходит по направлению оси) и уменьшаться, если движение происходит против направления оси.

5. Равноускоренное прямолинейное движение и его характеристики

Неравномерное движение - движение, при котором скорость тела с течением времени изменяется.

Средняя скорость неравномерного движения - векторная физическая величина, которая численно равна отношению изменения радиус-вектора к промежутку времени :

Модуль вектора средней скорости равен

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

Мгновенная скорость неравномерного движения - векторная физическая величина, модуль которой численно равен пределу, к которому стремится средняя скорость при бесконечном уменьшении промежутка времени, за который она определяется:

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

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

Ускорение - векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости.

Среднее ускорение - векторная физическая величина, модуль которой численно равен отношению изменения скорости к промежутку времени

Единица измерения ускорения в СИ - м/с 2 .

Направление вектора совпадает с направлением вектора при ускоренном движении и противоположно ему при движении замедленном.

Мгновенное ускорение - векторная физическая величина, модуль которой численно равен пределу, к которому стремится среднее ускорение при бесконечном уменьшении промежутка времени, за который оно определяется:

Таким образом, мгновенное ускорение есть первая производная скорости по времени или вторая производная перемещения по времени.

В случае неравномерного прямолинейного движения скорость материальной точки определяется по формуле

6. Криволинейное поступательное движение и его характеристики

Если материальная точка движется по криволинейной траектории, то ее скорость изменяется не только по величине, но и по направлению и в любой момент времени направлена по касательной к траектории.

Рисунок 4. Направление мгновенной скорости при криволинейном движении

движение биофизика криволинейный равномерный

Вектор ускорения параллелен вектору изменения скорости и может составлять с вектором скорости произвольный угол. Тогда вектор ускорения можно разложить на две составляющие, направленные по касательной и перпендикулярно к вектору скорости.

Рисунок 1.5 Составляющие ускорения при криволинейном движении

1) тангенциальное ускорение - характеризует изменение скорости по величине, совпадает по направлению с вектором скорости и определяется по формуле

2) нормальное ускорение - характеризует изменение скорости по направлению, перпендикулярно вектору скорости

где R - радиус кривизны траектории.

Полное ускорение определяется по формуле

Размещено на Allbest.ru