Задания для самоконтроля знаний

Задание 1. Вопросы для самоконтроля.

Что такое рычаг скорости? рычаг силы? Какой выигрыш дает каждый из них?

Почему кости в своем действии могут быть уподоблены рычагам? Где находятся точки их опоры? Приведите примеры сочленений опорно-двигательного аппарата человека, представляющих собой рычаги скорости и силы.

Какое мышечное сокращение называется изотоническим? изометрическим?

Что такое абсолютная мышечная сила?

Как определить скорость и работу укорочения мышцы?

Какой вид имеет закон сохранения энергии для одиночного изотонического сокращения?

Как определить мощность скелетной мышцы и ее КПД?

Какой вид имеет уравнение Хилла? Как применить данное уравнение для анализа различных видов мышечных сокращений?

Задание 2. Тесты для самоконтроля.

Вставьте пропущенное слово:

Рычаг скорости дает выигрыш в …… , проигрыш в ……..

Кости предплечья являются примером рычага …….

Первая производная величины укорочения мышцы по времени – это …..

КПД мышцы определяется как отношение …….. работы к затраченной.

Первая производная механической работы мышцы по времени - ……..

Найдите правильные ответы:

Свободные оси вращения

А. являются главными осями вращения;

В. проходят через центр вращения;

С. сохраняют направление в пространстве без специального закрепления;

Д. могут изменять направление в пространстве.

7. При неизменной длине мышца развивает усилие, которое называется

А. изометрическим,

В. изотоническим,

С. изотермическим,

Д. ни одним из указанных.

8. При неизменном механическом напряжении мышца развивает усилие, которое называется

А. изометрическим,

В. изотоническим,

С. изотермическим,

Д. ни одним из указанных.

Какой вид деформации характерен для опорно-двигательного аппарате человека?

А. растяжение,

В. сдвиг,

С. кручение,

Д. изгиб.

В формулу полной энергии одиночного мышечного сокращения входят:

А. работа по подъему груза,

В. работа по созданию ускорения,

С. теплота активации,

Д. теплота укорочения мышцы.

Ответы:1 - расстоянии, силе; 2 - скорости; 3 - скорость сокращения мышцы; 4 - полезной; 5 - мощность; 6 - А,В,С; 7 - А; 8 - В; 9 - А,В,С,Д; 10 - А,В,С,Д.

Задание 3. Получите связь между единицами измерения:

теплоты укорочения мышцы ккал и Дж;

энергии мышечного сокращения Эрг и кДж;

мощности скелетной мышцы гВт и Вт

назовите физические величины, единицей измерения которых является джоуль.

Задание 4. Задачи медико-биологического содержания.

Задача №1.

КПД мышц может достигать 40% (данная величина КПД показывает эффективность превращения энергии АТФ в механическую энергию). Можно ли сравнивать мышцу с тепловой машиной, у которой температура холодильника (наименьшая температура) равна температуре тела, т.е. 37⁰С?

Решение:

1) Запишем краткое условие задачи: h=40%; t₂=37⁰С; Т₂=273+37=310 К.

2) КПД идеального теплового двигателя определяется по формуле , где Т₁ – температура нагревателя, Т₂ – температура холодильника. Найдем выражение для Т₁: Т₁/Т₂=1-h, Т₁=Т₂/(1-h).

3) Подставим числовые значения: Т₁=310/(1-0,4)=310/0,6=517 К. Следовательно, КПД тепловой машины может достигать 40% при указанном условии только в том случае, если температура источника теплоты будет равна 517 градусов по шкале Кельвина или 244⁰С.

Ответ:Мышцу нельзя считать тепловой машиной, т.к. в теле человека нет источника столь высокой температуры.

Задача №2.

Системы вытяжки костей, применяемые для сращивания сломанных костей, используются для фиксации поврежденных участков. Различные конструкции систем вытяжек, включающие в себя тросы, грузы и блоки, устраняют силы, которые обычно действуют в месте перелома.На рисунке2.4представлено действие внешней силы на ногу пациента при использовании двух комбинаций грузов и блоков.

Рис. 2.4. Два эквивалентных способа действия силы на ногу пациента.

Две силы натяжения имеют одинаковые значения Т₁ и Т₂ (Т₁= Т₂). Определить силу, действующую на ногу пациента, если каждый трос составляет угол 20⁰ по отношению к горизонтали, а масса груза 5кг.

Решение:

1) Запишем краткое условие задачи: a=20⁰, m=5кг, Т₁= Т₂=Т.

2) Суммарный эффект действия системы вытяжки можно получить, определив векторную сумму двух сил натяжения.

Сила F, действующая на ногу пациента, равна F = 2×T×cosa, Т = m× g, следовательно F=2 × m× g× cosa

3) Подставим числовые значения: F=2×5×9,8×cos 20⁰ = 92 (Н).

Ответ: Сила, применяемая для растяжки, равна 92Н.

Задача №3.

По законам механики шесть степеней свободы исчерпывают все возможные перемещения тела в пространстве. Какое значение имеет для человека наличие семи степеней свободы у кисти руки?

Ответ: Наличие более шести степеней свободы указывает на то, что одно и то же движение конечного звена может совершаться при разных положениях промежуточных звеньев

Задача №4.

В теле человека встречаются рычаги I и II рода. Имеются ли у него рычаги, которые используются как рычаги обоих родов? Каковы причины проигрыша в силе большинства рычагов, входящих в кинематические цепи тела человека?

Ответ:Для разных мышц, прикрепленных в разных местах костного звена, рычаг может быть разного рода. Например, относительно своих сгибателей предплечье представляет рычаг II-го рода, относительно же мышц разгибателей (при удержании груза над головой) – рычаг I-го рода.

Проигрыш в силе рычагов, входящих в кинематические цепи тела человека, обусловлен малыми значениями величин плеч сил. Это связано с тем, что мышцы прикрепляются вблизи точек опор (суставов) и развиваемые ими усилия направлены под углом к рычагу (кости). Кроме того, при больших нагрузках напрягаются все мышцы, окружающие сустав, создавая дополнительное давление между соприкасающимися поверхостями и увеличивая тем самым силу трения между ними.

Задание 5. Заполните таблицы:

Таблица №1.

Метод	Суть метода	Физичес-кий закон, явление	Особен-ности метода
Баллистокар-диография	Метод графической регистрации движений человека, обусловленных сокращением сердца и движением крови в крупных сосудах.
Динамокардио-графия	Регистрация перемещений центра массы грудной клетки, обусловленных сокращениями сердца и движением крови в крупных сосудах.
Динамометрия	Измерение силы, которую развивает какая-либо группа мышц при сокращении.
Пьезодинамо-метрия	Метод измерения силы изометрического сокращения отдельной мыщцы

Задание 6. Заполните ориентировочную карту действия:

Основные задания	Указания	Ответы
Почему в организме человека сокращения мышц никогда не бывают чисто изометрическими или чисто изотоническими?	Проанализируйте причины изменения соотношений плеч рычагов мышц и костей в процессе движения.
Можно ли утверждать, что общая мощность мышцы в физиологических пределах является постоянной величиной, не зависящей от величины нагрузки и скорости сокращения?	Для анализа используйте уравнение Хилла.
Почему в конце прыжка спортсмены опускаются на согнутые ноги?	Сравните силы торможения при приземлении человека, совершающего прыжок с некоторой высоты, на прямые ноги и согнутые ноги.
Почему действие челюсти человека можно считать примером рычага силы?	Рассмотрите силы, действующие на челюсть, и точки их приложения. Примените правило моментов сил.

Раздел 2. Биоакустика

Актуальность темы

Организм человека представляет собой сложную динамическую систему, в которой многие физиологические процессы являются периодическими. Периодичность наблюдается в работе легких, мозга, сердца, кишечника, в изменении температуры тела, кровяного давления и объема легких. Запись и умение производить анализ параметров периодических колебаний, протекающих в организме, являются одними из важных факторов правильной оценки функционального состояния организма, и постановки диагноза.

Изучение закономерностей, свойственных колебательным процессам, необходимо для понимания физики волновых процессов, которые имеют множество важных медико-биологических применений. Наиболее очевидными из них являются звуковые методы, широко применяющиеся в диагностике и терапии, а также собственно физика слуха, т.е. механизм звуковосприятия человеческого организма.

В последние годы активно развиваются ультразвуковые методы диагностики и терапии. Поэтому изучение механизма возникновения, физических свойств и особенностей распространения ультразвука в различных средах представляет большой интерес для медицины. Ультразвук широко применяется для лечения и диагностики. Способность ультразвука оказывать механическое и тепловое действия на ткани лежат в основе ультразвуковой физиотерапии, которая считается одним из наиболее распространенных и высокоэффективных методов современной физиотерапии, используемых в комплексном лечении самых различных заболеваний.

Очень широко ультразвук применяется в хирургии, фармакологии, биохимии, вирусологии, стоматологии. Трудно назвать область медицины, где в настоящее время не используется ультразвук. Поэтому врачу, желающему с наибольшей эффективностью использовать в своей практике данный физический фактор, необходимо иметь четкие представления о физике, биофизике ультразвука, биохимических и биофизических механизмах его действия на живой организм в норме и при патологии.