Медична фізика Шпаргалка: коротко, найголовніше

Безкоштовна технічна бібліотека

КОНСПЕКТИ ЛЕКЦІЙ, ШПАРГАЛКИ
Безкоштовна бібліотека / Довідник / Конспекти лекцій, шпаргалки

Медична фізика Шпаргалка: коротко, найголовніше

Конспекти лекцій, шпаргалки

Довідник / Конспекти лекцій, шпаргалки

Коментарі до статті

Зміст

Медична фізика коротка історія
Основні проблеми та поняття метрології
Медична метрологія та її специфіка
Випадкова величина. Закон розподілу
Розподіл Максвелла (розподіл газових молекул за швидкостями) та Больцмана
Математична статистика та кореляційна залежність
Кібернетичні системи
Поняття про медичну кібернетику
Основи механіки
Основні поняття механіки
Зчленування та важелі в опорно-руховому апараті людини. Ергометрія
Механічні коливання
Механічні водні
Ефект Доплера
Акустика
Фізичні основи звукових методів дослідження у клініці
Фізика слуху
Ультразвук та його застосування в медицині
гідродинаміка
Механічні властивості твердих тіл та біологічних тканин
Механічні властивості біологічних тканин
Фізичні питання гемодинаміки
Робота та потужність серця. Апарат штучного кровообігу
термодинаміка
Другий початок термодинаміки. Ентропія
Стаціонарний стан
Термометрія та калориметрія
Фізичні властивості нагрітих і холодних середовищ, що використовуються для лікування
Фізичні процеси у біологічних мембранах
Фізичні властивості та параметри мембран
Різновид пасивного перенесення молекул та іонів через біологічні мембрани
електродинаміка
Електричний диполь та мультиполь
Фізичні основи електрокардіографії
Електричний струм
Електропровідність біологічних тканин та рідин при постійному струмі. Електричний розряд у газах
Магнітне поле
Напруженість магнітного поля та інші його властивості
Властивості магнетиків та магнітні властивості тканин людини
Електромагнітна індукція. Енергія магнітного поля
Повний опір ((імпеданс) тканин організму. Фізичні основи реографії
Поняття про теорію Максвелла. Струм зміщення
Класифікація частотних інтервалів, прийнята у медицині
Фізичні процеси у тканинах, що виникають при впливі струмом та електромагнітними полями
Вплив змінними (імпульсними) струмами
Вплив змінним магнітним полем
Електроніка
Медична електроніка
Як забезпечується надійність медичної апаратури
Система отримання медико-біологічної інформації
Підсилювачі-генератори
Оптика
Хвильова оптика
Поляризація світла
Оптична система ока та деякі її особливості
Теплові випромінювання тел

1. Медична фізика. коротка історія

Медична фізика - це наука про систему, яка складається з фізичних приладів та випромінювань, лікувально-діагностичних апаратів та технологій.

Мета медичної фізики - вивчення цих систем профілактики та діагностики захворювань, а також лікування хворих за допомогою методів та засобів фізики, математики та техніки. Природа захворювань та механізм одужання у багатьох випадках мають біофізичне пояснення.

Медичні фізики безпосередньо беруть участь у лікувально-діагностичному процесі, поєднуючи фізико-медичні знання, поділяючи з лікарем відповідальність за пацієнта.

Розвиток медицини та фізики завжди були тісно переплетені між собою. Ще в давнину медицина використовувала з лікувальною метою фізичні фактори, такі як тепло, холод, звук, світло, різні механічні впливи (Гіппократ, Авіценна та ін.).

Першим медичним фізиком був Леонардо да Вінчі (п'ять століть тому), який проводив дослідження механіки міграції людського тіла. Найбільш плідно медицина та фізика стали взаємодіяти з кінця XVIII – початку XIX ст., коли були відкриті електрику та електромагнітні хвилі, тобто з настанням ери електрики.

Назвемо кілька імен великих учених, які зробили найважливіші відкриття у різні епохи.

Кінець XIX – середина ХХ ст. пов'язані з відкриттям рентгенівських променів, радіоактивності, теорій будови атома, електромагнітних випромінювань. Ці відкриття пов'язані з іменами В. К. Рентгена, А. Беккереля,

М. Складовської-Кюрі, Д. Томсона, М. Планка, Н. Бора, А. Ейнштейна, Е. Резерфорда. Медична фізика по-справжньому стала стверджуватись як самостійна наука та професія лише у другій половині ХХ ст. - З настанням атомної ери. У медицині стали широко застосовуватися радіодіагностичні гамма-апарати, електронні та протонові прискорювачі, радіодіагностичні гамма-камери, рентгенівські комп'ютерні томографи та інші, гіпертермія та магнітотерапія, лазерні, ультразвукові та інші медико-фізичні технології та прилади. Медична фізика має багато розділів та назв: медична радіаційна фізика, клінічна фізика, онкологічна фізика, терапевтична та діагностична фізика.

Найважливішою подією у сфері медичного обстеження вважатимуться створення комп'ютерних томографів, які розширили дослідження майже всіх органів прокуратури та систем людського організму. ГКТ були встановлені в клініках всього світу, і велика кількість фізиків, інженерів та лікарів працювала в галузі вдосконалення техніки та методів доведення її практично до меж можливого. Розвиток радіонуклідної діагностики є поєднанням методів радіофармацевтики та фізичних методів реєстрації іонізуючих випромінювань. Позитронна емісійна томографія-візуалізація була винайдена в 1951 і опублікована в роботі Л. Ренна.

2. Основні проблеми та поняття метрології

Метрологією називають науку про виміри, методи та засоби забезпечення їх єдності, способи досягнення необхідної точності. Вимірюванням називають знаходження значення фізичної величини досвідченим шляхом за допомогою технічних засобів. Вимірювання дозволяють встановити закономірності природи і є елементом пізнання навколишнього світу. Розрізняють прямі вимірювання, при яких результат виходить безпосередньо з вимірювання самої величини (наприклад, вимірювання температури тіла медичним термометром, вимірювання довжини предмета лінійкою), і непрямі, при яких шукане значення величини знаходять за відомою залежністю між нею і безпосередньо вимірюваними величинами (наприклад, визначення маси тіла при зважуванні з урахуванням сили, що виштовхує, певною в'язкістю рідини по швидкості падіння в ній кульки). Технічні засоби для вимірювання можуть бути різних типів. Найбільш відомими є прилади, в яких вимірювальна інформація подається у формі, доступній для безпосереднього сприйняття (наприклад, температура представлена в термометрі довжиною стовпчика ртуті, сила струму - показанням стрілки амперметра або цифровим значенням).

Одиницею фізичної величини називають фізичну величину, прийняту за згодою як основу для кількісної оцінки відповідної фізичної величини.

Для вираження рівня звукового тиску, рівня інтенсивності звуку, посилення електричного сигналу, виразу частотного інтервалу та іншого зручніше використовувати логарифм відносної величини (на- і більш поширений десятковий логарифм):

lg = а₂/а₁

де а₁ і а₂ - однойменні фізичні величини.

Одиницею логарифмічної величини є білий (Б):

1Б = lg = а₂/а_i,

при а₂ = 10а,

якщо а - енергетична величина (потужність, інтенсивність, енергія тощо), або

якщо а – силова величина (сила, механічна напруга, тиск, напруженість електричного поля тощо).

Досить поширена частка одиниці - децибел (дБ):

1 дБ = 0,1Б.

1дБ відповідає співвідношенню енергетичних величин а₂ = 1,26а:

3. Медична метрологія та її специфіка

Технічні пристрої, що використовуються у медицині, називають узагальненим терміном "медична техніка". Більшість медичної техніки відноситься до медичної апаратури, яка в свою чергу поділяється на медичні прилади та медичні апарати.

Медичним приладом прийнято вважати технічний пристрій, призначений для діагностичних чи лікувальних вимірів (медичний термометр, сфігмоманометр, електрокардіограф та ін.).

Медичний апарат - технічний пристрій, що дозволяє створювати енергетичну дію терапевтичної, хірургічної або бактерицидної властивості, а також забезпечувати з медичною метою певний склад різних субстанцій (апарат УВЧ-терапії, електрохірургії, штучної нирки, вушний протез та ін.).

Метрологічні вимоги до медичних приладів є досить очевидними. Багато медичних апаратів покликані надавати дозуючий енергетичний вплив на організм, тому вони і заслуговують на увагу метрологічної служби. Вимірювання в медицині досить специфічні, тому в метрології виділено окремий напрямок – медична метрологія.

Розглядаючи деякі проблеми, характерні для медичної метрології та частково для медичного приладобудування, слід зазначити: нині медичні виміри здебільшого проводить медичний персонал (лікар, медсестра), який не є технічно підготовленим. Тому доцільно створювати медичні прилади, градуйовані в одиницях фізичних величин, значення яких є кінцевою вимірювальною медичною інформацією (прямі вимірювання).

Бажано, щоб часу виміру аж до отримання корисного результату витрачалося якнайменше, а інформація була якомога повніше. Цим вимогам відповідають обчислювальні машини.

При метрологічному нормуванні медичного пристрою важливо враховувати медичні показання. Лікар повинен визначити, з якою точністю достатньо подати результати, щоб можна було зробити діагностичний висновок.

Багато медичних приладів видають інформацію на реєструвальному пристрої (наприклад, електрокардіограф), тому слід враховувати похибки, характерні для цієї форми запису.

Одна з проблем – термологічна. Відповідно до вимог метрології у назві вимірювального приладу має бути зазначена фізична величина або одиниця (амперметр, вольтметр, частотомір та ін.). Назви для медичних приладів не відповідають цьому принципу (електрокардіограф, фонокардіограф, реограф та ін.). Так, електрокардіограф слід було б назвати мілівольтметром з реєстрацією показань.

У ряді медичних вимірювань може бути недостатньою інформація про зв'язок між безпосередньо вимірюваною фізичною величиною та відповідними медико-біологічними параметрами. Так, наприклад, при клінічному (безкровному) методі вимірювання тиску крові допускається, що тиск повітря всередині манжети приблизно дорівнює тиску крові в плечовій артерії.

4. Випадкова величина. Закон розподілу

Визначення випадкової величини. Багато випадкові події можна оцінити кількісно як випадкові величини. Випадковою називають таку величину, яка набуває значення залежно від збігу випадкових обставин. Розрізняють дискретні та безперервні випадкові величини.

Розподіл дискретної випадкової величини. Дискретна величина вважається заданою, якщо вказано можливі її значення та відповідні їм ймовірності. Позначимо дискретну випадкову величину x, її значення x₁х₂…, ймовірно: Р (х₁) = р₂, Р(х2) = р₂ і т.д.

Сукупність х та Р називається розподілом дискретної випадкової величини.

Оскільки всі можливі значення дискретної випадкової величини становлять повну систему, то сума ймовірностей дорівнює одиниці:

Тут передбачається, що випадкова дискретна величина має n значень. Вираз називається умовою нормування.

У багатьох випадках поряд із розподілом випадкової величини або замість нього інформацію про ці величини можуть дати числові параметри, що отримали назву числових характеристик випадкової величини. Найбільш уживані їх: 1) математичне очікування (середнє значення) випадкової величини є сума творів всіх можливих її значень на ймовірності цих значень;

2) дисперсією випадкової величини називають математичне очікування квадрата відхилення випадкової величини від її математичного очікування.

Для безперервної випадкової величини математичне очікування та дисперсія записуються у вигляді:

де f(x) - густина ймовірності або функція розподілу ймовірностей. Вона показує, як змінюється можливість віднесення до інтервалу dx випадкової величини залежно від значення цієї величини. Нормальний закон розподілу. У теоріях ймовірностей та математичної статистики, у різних додатках важливу роль відіграє нормальний закон розподілу (закон Гауса). Випадкова величина розподілена за цим законом, якщо щільність її ймовірності має вигляд:

де а = М(х) – математичне очікування випадкової величини;

σ – середнє квадратне відхилення; отже;

σ²- Дисперсія випадкової величини. Крива нормального закону розподілу має дзвонову форму, симетричну щодо прямої х = а (центр розсіювання).

5. Розподіл Максвелла (розподіл газових молекул за швидкостями) та Больцмана

Розподіл Максвелла - у рівноважному стані параметри газу (тиск, об'єм та температура) залишаються незмінними, проте мікростану - взаємне розташування молекул, їх швидкості - безперервно змінюються. Через величезну кількість молекул практично не можна визначити значення їх швидкостей у будь-який момент, але можливо, вважаючи швидкість молекул безперервною випадковою величиною, вказати розподіл молекул за швидкостями. Розподіл молекул за швидкостями підтверджено різними дослідами. Розподіл Максвелла можна як розподіл молекул як по швидкостям, а й у кінетичних енергіях (оскільки ці поняття взаємопов'язані).

Виділимо окрему молекулу. Хаотичність руху дозволяє наприклад проекції швидкості Vx молекули прийняти нормальний закон розподілу. У цьому випадку, як показав Дж. К. Максвелл, щільність ймовірності того, що молекула має компонент швидкості Ux, записується наступним чином:

Можна отримати максвелловську функцію розподілу ймовірностей абсолютних значень швидкості (розподіл Максвелла за швидкостями):

Розподіл Больцмана. Якщо молекули перебувають у якомусь зовнішньому силовому полі (наприклад, у гравітаційному полі Землі), можна знайти розподіл за їх потенційним енергіям, т. е. встановити концентрацію частинок, які мають деяким певним значенням потенційної енергії. Розподіл частинок за потенційними енергіями в силових полях - гравітаційному, електричному та ін - називають розподілом Боль-цмана.

Стосовно гравітаційного поля цей розподіл може бути записаний як залежність концентрації n молекул від висоти h над рівнем землі, або потенційної енергії mgh:

Такий розподіл молекул у полі тяжіння Землі можна якісно, в рамках молекулярно-кінетичних уявлень, пояснити тим, що на молекули впливають два протилежні фактори: гравітаційне поле, під дією якого всі молекули притягуються до Землі, та молекулярно-хаотичний рух , що прагне рівномірно розкидати молекули по всьому можливому об'єкту.

6. Математична статистика та кореляційна залежність

Математична статистика - наука про математичні методи систематизації та використання статистичних даних для вирішення наукових та практичних завдань. Математична статистика тісно примикає до теорії ймовірностей і виходить з її поняттях. Проте головним у математичній статистиці не розподіл випадкових величин, а аналіз статистичних даних, і з'ясування, якому розподілу вони відповідають. p align="justify"> Велика статистична сукупність, з якої відбирається частина об'єктів для дослідження, називається генеральною сукупністю, а безліч об'єктів, зібраних з неї, - вибірковою сукупністю, або вибіркою. Статистичне розподіл - це сукупність варіантів і відповідних їм частот (або відносних частот).

Для наочності статистичні розподіли зображують графічно як полігону і гістограми.

Полігон частот - ламана лінія, відрізки якої з'єднують точки з координатами (х₁; п₁), (х₂; п₂)…. або для полігону відносних частот - з координатами (х₁;р₁), (х₂;р₂)….

Гістограма частот - сукупність суміжних прямокутників, побудованих на одній прямій лінії, основи прямокутників однакові і рівні а, а висоти рівні відношенню частоти (або відносної частоти):

Найбільш поширеними характеристиками статистичного розподілу є середні величини: мода, медіана та середня арифметична (або вибіркова середня). Мода (Мо) дорівнює варіанті, якій відповідає найбільша частота. Медіана (Ме) дорівнює варіанті, що розташована в середині статистичного розподілу. Вона поділяє статистичний (варіаційний) ряд на дві рівні частини. Вибіркова середня (ХВ) окреслюється середнє арифметичне значення варіант статистичного ряду.

Кореляційна залежність. Функціональні залежності можна висловити аналітично. Так, наприклад, площа кола залежить від радіусу (S = pr₂), прискорення F тіла - від сили та маси (a = F/m₀). Проте є залежності, які дуже очевидні і виражаються простими і однозначними формулами. Так, наприклад, простежується зв'язок між зростанням людей і масою їхнього тіла, зміна погодних умов впливає на кількість простудних захворювань населення і т. д. Така складніша, ніж функціональна, ймовірнісна залежність є кореляційною (або просто кореляцією). І тут зміна однієї з величин впливає середнє значення інший. Припустимо, що вивчається зв'язок між випадковою величиною Х і випадковою величиною Y. Кожному конкретному значенню Х буде відповідати кілька значень Y: у₁, у₂ і т.д.

Умовним середнім Y_х назвемо середнє арифметичне значення Y, яке відповідає значенню Х = х. Кореляційною залежністю, чи кореляцією Y від Х, називають функцію Y x = f(x). Рівність називають рівнянням регресії Y на Х, а графік функції – лінією регресії Y на Х.

7. Кібернетичні системи

Кібернетичною системою називають упорядковану сукупність об'єктів (елементів системи), що взаємодіють та взаємопов'язані між собою, які здатні сприймати, запам'ятовувати та переробляти інформацію, а також обмінюватися нею. Прикладами кібернетичних систем є колективи людей, мозок, обчислювальні машини, автомати. Відповідно до цього елементами кібернетичної системи можуть бути об'єкти різної фізичної природи: людина, клітини мозку, блоки обчислювальної машини і т. д. кінцеві множини значень. Так, наприклад, температура тіла людини – безперервний параметр, а її стать – дискретний параметр. Функціонування кібернетичної системи описується трьома властивостями: функціями, які враховують зміну станів елементів системи, функціями, що викликають зміни у структурі системи (зокрема і внаслідок зовнішнього впливу), і функціями, визначальними сигнали, передані системою її межі. З іншого боку, враховується початковий стан системи.

Кібернетичні системи розрізняються за своєю складністю, ступенем визначеності та рівнем організації.

Кібернетичні системи поділяються на безперервні та дискретні. У безперервних системах всі сигнали, що циркулюють у системі, і стан елементів задаються безперервними параметрами, в дискретних - дискретними. Існують однак змішані системи, в яких є параметри обох видів. Розподіл систем на безперервні та дискретні є умовним та визначається необхідним ступенем точності досліджуваного процесу, технічними та математичними зручностями. Деякі процеси або величини, що мають дискретну природу, наприклад електричний струм (дискретність електричного заряду: він не може бути меншим, ніж заряд електрона), зручно описувати безперервними величинами. В інших випадках, навпаки, безперервний процес має сенс описувати дискретні параметри.

У кібернетиці та техніці прийнято розподіл систем на детерміновані та імовірнісні. Детерміновані системи, елементи якої взаємодіють певним чином, стан та поведінка її передбачаються однозначно та описуються однозначними функціями. Поведінку імовірнісних систем можна з деякою часткою достовірності.

Система називається замкненою, якщо її елементи обмінюються сигналами лише між собою. Незамкнені, або відкриті системи обов'язково обмінюються сигналами із зовнішнім середовищем.

Для сприйняття сигналів із зовнішнього середовища та передачі їх усередину системи будь-яка відкрита система має рецептори (датчики або перетворювачі). У тварин, як у кібернетичної системи, рецепторами є органи чуття - дотик, зір, слух та інше, у автоматів - датчики: тензометричні, фотоелектричні, індукційні і т.д.

8. Поняття про медичну кібернетику

Медична кібернетика є науковим напрямом, пов'язаним з використанням ідей, методів та технічних засобів кібернетики у медицині та охороні здоров'я. Умовно медичну кібернетику можна подати такими групами.

Обчислювальна діагностика хвороб. Ця частина переважно пов'язана з використанням обчислювальних машин для підготовки діагнозу. Структура будь-якої діагностичної системи складається з медичної пам'яті (сукупного медичного досвіду для цієї групи захворювань) та логічного пристрою, що дозволяє зіставити симптоми, виявлені у хворого на опитування та лабораторне обстеження, з наявним медичним досвідом. Цю ж структуру слідує і діагностична обчислювальна машина.

Спочатку розробляють методики формального опису стану здоров'я пацієнта, проводять ретельний аналіз клінічних ознак, що використовуються у діагностиці. Відбирають головним чином ознаки, які допускають кількісну оцінку.

Крім кількісного вираження фізіологічних, біохімічних та інших характеристик хворого, для обчислювальної діагностики необхідні відомості про частоту клінічних синдромів та діагностичних ознак, про їх класифікацію, залежність, оцінку діагностичної ефективності ознак тощо. Всі ці дані зберігаються в пам'яті машини. Вона зіставляє симптоми хворого із даними, закладеними у її пам'яті. Логіка обчислювальної діагностики відповідає логіці лікаря, який визначає діагноз: сукупність симптомів зіставляється з попереднім досвідом медицини. Нової (невідомої) хвороби машина не встановить. Лікар, який зустрів невідоме захворювання, зможе описати його ознаки. Подробиці про таке захворювання можна встановити лише провівши спеціальні дослідження. ЕОМ у таких дослідженнях може відігравати допоміжну роль.

Кібернетичний підхід до лікувального процесу. Після того, як лікар встановить діагноз, призначається лікування, яке не зводиться до одноразового впливу. Це складний процес, під час якого лікар постійно отримує медико-біологічну інформацію про хворого, аналізує її та відповідно до неї уточнює, змінює, припиняє або продовжує лікувальну дію.

В даний час кібернетичний підхід до лікувального процесу полегшує роботу лікаря, дозволяє ефективніше проводити лікування тяжкохворих, своєчасно вживати заходів при ускладненнях під час операції, розробляти і контролювати процес лікування медикаментами, створювати біоуправлювані протези діагностування захворювань, управління пристроями, що регулюють життєво важливі функції.

У завдання оперативного лікарського контролю входить спостереження за стан тяжкохворих за допомогою систем стеження (моніторних, систем спостереження за станом здорових людей, що знаходяться в екстремальних умовах: стресових станах, у невагомості, гіпербаричних умовах, середовищі зі зниженим вмістом кисню тощо).

9. Основи механіки

Механікою називають розділ фізики, у якому вивчається механічний рух матеріальних тіл. Під механічним рухом розуміють зміну положення тіла або його частин у просторі з часом.

Для медиків цей розділ становить інтерес з таких причин:

1) розуміння механіки руху цілого організму для цілей спортивної та космічної медицини, механіки опорно-рухового апарату людини – для цілей анатомії та фізіології;

2) знання механічних властивостей біологічних тканин та рідин;

3) розуміння фізичних основ деяких лабораторних методик, що використовуються у практиці медико-біологічних досліджень, наприклад центрифугування.

Механіка обертального руху абсолютно твердого тіла

Абсолютно твердим тілом називають таку, відстань між будь-якими двома точками якої незмінна. При русі розміри та форма абсолютно твердого тіла не змінюються. Швидкість обертання тіла характеризується кутовою швидкістю, що дорівнює першій похідній від кута повороту радіус-вектора за часом:

ω = dt/da

Кутова швидкість є вектор, який спрямований по осі обертання та пов'язаний із напрямком обертання. Вектор кутової швидкості на відміну від векторів швидкості та сили є ковзним. Таким чином, завдання вектора w вказує положення осі обертання, напрямок обертання та модуль кутової швидкості. Швидкість зміни кутової швидкості характеризується кутовим прискоренням, що дорівнює першій похідній від кутової швидкості за часом:

З цього видно, що вектор кутового прискорення збігається у напрямку з елементарною, досить малою зміною вектора кутової швидкості dw: при прискореному обертанні кутове прискорення спрямоване так само, як і кутова швидкість, при уповільненому обертанні - протилежно їй. Наведемо формули кінематики обертального руху твердого тіла навколо нерухомої осі:

1) рівняння рівномірного обертального руху:

a = wt + a₀

де а₀ - Початкове значення кута;

2) залежність кутової швидкості від часу в рівномірному обертальному русі:

w = et + W₀,

де w₀ - Початкова кутова швидкість;

3) рівняння рівнозмінного обертального руху:

10. Основні поняття механіки

Момент сили. Моментом сили щодо осі обертання називають векторний добуток радіус-вектора на силу:

M_i = r_i × F_i,

де r_i та F_i - Вектори.

Момент інерції. Мірою інерції тіл під час поступального руху є маса. Інертність тіл при обертальному русі залежить як від маси, а й від розподілу їх у просторі щодо осі.

Моментом інерції тіла щодо осі називають суму моментів інерції матеріальних точок, у тому числі складається тіло:

Момент інерції суцільного тіла зазвичай визначають інтегруванням:

Момент імпульсів тіла щодо осі дорівнює сумі моментів імпульсів точок, з яких складається це тіло:

Кінетична енергія тіла, що обертає. При обертанні тіла його кінетична енергія складається

з кінетичних енергій окремих його точок. Для твердого тіла:

Прирівняємо елементарну роботу всіх зовнішніх сил за такого повороту до елементарної зміни кінетичної енергії:

Mda = Jwdw,

звідки

скорочуємо цю рівність на ω:

звідки

Закон збереження моменту імпульсу. Якщо сумарний момент усіх зовнішніх сил, що діють на тіло, дорівнює нулю, момент імпульсу цього тіла залишається постійним. Цей закон справедливий не лише для абсолютно твердого тіла. Так, для системи, що складається з N тіл, що обертаються навколо загальної осі, закон збереження моменту імпульсу можна записати у формі:

11. Зчленування та важелі в опорно-руховому апараті людини. Ергометрія

Частини механізмів, що рухаються, зазвичай бувають з'єднані частинами. Рухливе з'єднання кількох ланок утворює кінематичну зв'язок. Тіло людини – приклад кінематичного зв'язку. Опорно-рухова система людини, що складається з зчленованих між собою кісток скелета і м'язів, представляє з погляду фізики сукупність важелів, утримуваних людиною у рівновазі. В анатомії розрізняють важелі сили, в яких відбувається виграш у силі, але програш у переміщенні, та важелі швидкості, у яких, програючи у силі, виграють у швидкості переміщення. Хорошим прикладом важеля швидкості є нижня щелепа. Діюча сила здійснюється жувальним м'язом. Протидіюча сила - опір їжі, що роздавлюється, діє на зуби. Плечо діючої сили значно коротше, ніж у сил протидії, тому жувальний м'яз короткий і сильний. Коли треба розгризти щось зубами, зменшується плече сили опору.

Якщо розглядати скелет як сукупність окремих ланок, з'єднаних в один організм, то виявиться, що всі ці ланки при нормальній стійці утворюють систему, яка перебуває у вкрай нестійкій рівновазі. Так, опора тулуба представлена кульовими поверхнями кульшового зчленування. Центр маси тулуба розташований вище за опору, що при кульовій опорі створює нестійку рівновагу. Те саме відноситься і до колінного з'єднання, і до гомілковостопного. Всі ці ланки перебувають у стані нестійкої рівноваги.

Центр маси тіла людини при нормальній стійці розташований якраз на одній вертикалі з центрами кульшового, колінного і гомілковостопного зчленувань ноги, на 2-2,5 см нижче мису крижів і на 4-5 см вище кульшової осі. Таким чином, це найнестійкіший стан нагромаджених ланок скелета. І якщо вся система тримається в рівновазі, то тільки завдяки постійній напрузі м'язів, що підтримують.

Механічна робота, яку здатна зробити людина протягом дня, залежить від багатьох факторів, тому важко вказати якусь граничну величину. Це стосується і потужності. Так, при короткочасних зусиллях людина може розвивати потужність кількох кіловат. Якщо спортсмен масою 70 кг підстрибує з місця так, що його центр маси піднімається на 1 м до нормальної стійки, а фаза відштовхування триває 0,2 с, то він розвиває потужність близько 3,5 кВт. При ходьбі людина здійснює роботу, тому що при цьому енергія витрачається на періодичне невелике підняття кінцівок, головним чином ніг.

Робота перетворюється на нуль, якщо переміщення немає. Тому, коли вантаж знаходиться на опорі чи підставці або підвішений на жердину, сила тяжіння не виконує роботи. Однак, якщо тримати нерухомо на витягнутій руці гирю або гантель, відзначається втома м'язів руки та плеча. Так само втомлюються м'язи спини і поперекової області, якщо сидячій людині помістити на спину вантаж.

12. Механічні коливання

Повторювані рухи (або зміни стану) називають коливаннями (змінний електричний струм, явище маятника, робота серця тощо). Розрізняють:

1) вільні, чи власні, коливання - такі коливання, які у відсутність змінних зовнішніх впливів на коливальну систему і виникають внаслідок будь-якого початкового відхилення цієї системи стану її стійкого рівноваги;

2) вимушені коливання - коливання, в процесі яких система, що коливається, піддається впливу зовнішньої періодично мінливої сили;

3) гармонійні коливання - це коливання, у яких зміщення змінюється згідно із законом синуса чи косинуса залежно від часу. Швидкість та прискорення точки вздовж осі Х рівні відповідно:

де u₀= Aw – амплітуда швидкості;

a₀ = Ой² =u₀w - амплітуда прискорення;

4) затухаючі коливання - коливання зі значеннями амплітуди коливань, що зменшуються в часі, обумовлені втратою коливальної системою енергії на подолання сили опору.

Період загасаючих коливань залежить від коефіцієнта тертя і визначається формулою:

При дуже малому терті (β² <<ω₀²) період загасаючого коливання близький до періоду незатухаючого вільного коливання

Насправді ступінь згасання часто характеризують логарифмічним декрементом згасання s:

де Nl - число коливань, протягом яких амплітуда коливань зменшується в рази. Коефіцієнт згасання та логарифмічний декремент згасання пов'язані досить простою залежністю:

l = bT;

5) вимушені коливання – коливання, що виникають у системі за участю зовнішньої сили. Рівняння руху вимушених коливань має вигляд:

де F - сила, що змушує.

Вимушальна сила змінюється за гармонічним законом F = F₀ coswt.

13. Механічні водні

Механічні хвилі - це обурення, що поширюються у просторі та несуть енергію. Розрізняють два види механічних хвиль: пружні хвилі та хвилі на поверхні рідин.

Пружні хвилі виникають завдяки зв'язкам, що існують між частинками середовища: переміщення однієї частки від положення рівноваги призводить до переміщення сусідніх частинок.

Поперечна хвиля - це хвиля, напрям і поширення якої перпендикулярні до напрямку коливань точок середовища.

Поздовжня хвиля - це хвиля, напрям і поширення якої збігаються з напрямом коливань точок середовища.

Хвильова поверхня гармонійної хвилі - одно-зв'язкова поверхня в середовищі, що представляє собою геометрично або синфазно (в одній фазі) ряд коливальних точок середовища при гармонійній хвилі, що біжить.

Фронт хвилі - найдальша хвилева поверхня, куди дійшла хвиля до цього моменту.

Плоска хвиля - хвиля, фронт якої є площину, перпендикулярну поширенню хвилі.

Сферична хвиля - хвиля, фронт якої представляє сферичну поверхню з радіусом, що збігається із напрямом поширення хвилі.

Принцип Ґюйгенса. Кожна точка середовища, до якої дійшло обурення, стає джерелом вторинних сферичних хвиль. Швидкість поширення хвиль (фазова) – швидкість поширення поверхні рівної фази для гармонійної хвилі.

Швидкість хвилі дорівнює добутку частоти коливань у хвилі на довжину хвилі:

n = l?.

Стояча хвиля - стан середовища, при якому розташування максимумів і мінімумів переміщень точок, що коливаються, не змінюється в часі.

Пружні хвилі - пружні обурення, що поширюються у твердому, рідкому та газоподібному середовищах (наприклад, хвилі, що виникають у земній корі при землетрусі, звукові та ультразвукові хвилі в газоподібних, рідких та твердих тілах).

Ударні хвилі - один із найпоширеніших прикладів механічної хвилі. Звукова хвиля - коливальні рухи частинок пружного середовища, що поширюються у вигляді пружних хвиль (деформації стиснення, зсуву, які переносяться хвилями з однієї точки середовища в іншу) в газоподібному, рідкому та твердому середовищі. Звукові хвилі, впливаючи на органи слуху людини, здатні викликати звукові відчуття, якщо частоти відповідних ним коливань лежать у межах 16 - 2 год 104 Гц (чутні звуки). Пружні хвилі з частотами, меншими за 16 Гц, називаються інфразвуком, а з частотами, більшими за 16 Гц, - ультразвуком. Швидкість звуку - фазова швидкість звукових хвиль у пружному середовищі. Швидкість звуку різна у різних середовищах. Швидкість звуку повітря - 330-340 м/с (залежно стану повітря).

Гучність звуку пов'язана з енергією коливань у джерелі та хвилі і, отже, залежить від амплітуди коливань. Висота звуку - якість звуку, що визначається людиною суб'єктивно на слух і залежить переважно від частоти звуку.

14. Ефект Доплера

Ефектом Доплера називається зміна частоти хвиль, що реєструється приймачем, що відбувається внаслідок руху джерела цих хвиль та приймача. Наприклад, при наближенні до нерухомого спостерігача поїзда, що швидко рухається тон звукового сигналу останнього вище, а при видаленні поїзда - нижче тону сигналу, що подається тим же поїздом, коли він стоїть на станції.

Уявімо, що спостерігач наближається зі швидкістю ін до нерухомого щодо середовища джерела хвиль. При цьому він зустрічає за один і той інтервал часу більше хвиль, ніж за відсутності руху. Це означає, що сприймається частота vy більша за частоту хвилі, що випускається джерелом. Але якщо довжина хвилі, частота та швидкість поширення хвилі пов'язані співвідношенням:

Ефект Доплера можна використовувати визначення швидкості руху тіла у середовищі. Для медицини це має особливе значення. Наприклад, розглянемо такий випадок. Генератор ультразвуку поєднаний із приймачем у вигляді деякої технічної системи.

Технічна система нерухома щодо середовища.

У середовищі зі швидкістю u₀ рухається об'єкт (тіло). Генератор випромінює ультразвук із частотою v₁. Об'єктом, що рухається, сприймається частота v₁, яка може бути знайдена за формулою:

де v – швидкість поширення механічної хвилі (ультразвуку).

У медичних додатках швидкість ультразвуку значно більша за швидкість руху об'єкта

(u > u₀). Для цих випадків маємо:

Ефект Доплера використовується для визначення швидкості кровотоку, швидкості руху клапанів та стінок серця (доплерівська ехокардіографія) та інших органів; потоку енергії хвиль. Хвильовий процес пов'язаний із поширенням енергії. Кількісною характеристикою енергії є потік енергії.

Потік енергії хвиль дорівнює відношенню енергії, що переноситься хвилями через деяку поверхню, до часу, протягом якого ця енергія перенесена:

Одиницею потоку енергії хвиль є ват (Вт).

Потік енергії хвиль, віднесений до площі, орієнтованої перпендикулярно до напряму поширення хвиль, називають щільністю потоку енергії хвиль, або інтенсивністю хвиль.

15. Акустика

Акустика - область фізики, що досліджує пружні коливання та хвилі від найнижчих частот до гранично високих (1012-1013 Гц). Сучасна акустика охоплює широке коло питань, у ній виділяють ряд розділів: фізична акустика, яка вивчає особливості поширення пружних хвиль у різних середовищах, фізіологічна акустика, що вивчає пристрій звукосприймаючих та звукоутворюючих органів у людини та тварин та ін.

Під акустикою розуміють вчення про звук, тобто про пружні коливання і хвилі в газах, рідинах і твердих тілах, що сприймаються людським вухом (частоти від 16 до 20 000 Гц).

Чутка є об'єктом слухових відчуттів, тому оцінюється людиною суб'єктивно. Сприймаючи тони, людина розрізняє їх у висоті.

Висота - суб'єктивна характеристика, зумовлена насамперед частотою основного тону. Значно меншою мірою висота залежить від складності тону та його інтенсивності: звук більшої інтенсивності сприймається як звук нижчого тону.

Тембр звуку майже винятково визначається спектральним складом. Різні акустичні спектри відповідають різному тембру, хоча основний тон і, отже, висота тону однакові.

Гучність характеризує рівень слухового відчуття. Незважаючи на суб'єктивність, гучність може бути кількісно оцінена шляхом порівняння слухового відчуття від двох джерел. У основі створення шкали рівнів гучності лежить психофізичний закон Вебера-Фехнера. Відповідно до цього закону, якщо збільшувати подразнення в геометричній прогресії (тобто в однакове число разів), то відчуття цього роздратування зростає в арифметичній прогресії (тобто на однакову величину). Щодо звуку це означає, що якщо інтенсивність звуку набуває ряду послідовних значень, наприклад а10, а210, а310 (а - деякий коефіцієнт, а > I) і так далі, то відповідне їм відчуття гучності звуку дорівнює Е0, 2Е0, 3Е0 і т.д. д. Математично це означає, що гучність звуку пропорційна логарифму інтенсивності звуку. Якщо діють два звукові роздратування з інтенсивностями I і I₀, причому I₀ - поріг чутності, то підставі закону Вебера-Фехнера гучність щодо нього пов'язані з інтенсивностями так:

де k - деякий коефіцієнт пропорційності, що залежить від частоти та інтенсивності. Метод вимірювання гостроти звуку називають аудіометрією. При аудіометрії спеціальному приладі (аудіометрі) визначають поріг слухового відчуття різних частотах; отримана крива називається аудіограмою. Порівняння аудіограми хворої людини із нормальною кривою порога слухового відчуття допомагає діагностувати захворювання органів слуху.

16. Фізичні основи звукових методів дослідження у клініці

Звук, як і світло, є джерелом інформації, і це головне значення. Звуки природи, мова оточуючих нас людей, шум машин, що працюють, багато що повідомляють нам. Щоб уявити значення звуку в людини, досить тимчасово позбавити себе можливості сприймати звук - закрити вуха. Природно, що звук може бути джерелом інформації про стан внутрішніх органів людини.

Поширений звуковий метод діагностики захворювань – аускультація (вислуховування). Для аускультації використовують стетоскоп або фонендоскоп. Фонендоскоп складається з порожнистої капсули з передає звук мембраною, що прикладається до тіла хворого, від неї йдуть гумові трубки до вуха лікаря. У порожній капсулі виникає резонанс стовпа повітря, внаслідок чого посилюється звучання та покращується аускультація. При аускультації легень вислуховують дихальні шуми, різні хрипи, притаманні захворюванням. По зміні тонів серця та появі шумів можна будувати висновки про стан серцевої діяльності. Використовуючи аускультацію, можна встановити наявність перистальтики шлунка та кишечника, прослухати серцебиття плода.

Для одночасного вислуховування хворого кількома дослідниками з навчальною метою або при консиліумі використовують систему, в яку входять мікрофон, підсилювач та гучномовець або кілька телефонів.

Для діагностики стану серцевої діяльності застосовується метод, подібний до аускультації і званий фонокардіографією (ФКГ). Цей метод полягає у графічній реєстрації тонів та шумів серця та їх діагностичної інтерпретації. Запис фонокардіограми роблять за допомогою фонокардіографа, що складається з мікрофона, підсилювача, системи частотних фільтрів та реєструючого пристрою.

Принципово відмінним від двох викладених вище звукових методів є перкусія. У цьому методі вислуховують звучання окремих частин тіла за її простукування. Схематично тіло людини можна подати як сукупність газонаповнених (легких), рідких (внутрішні органи) та твердих (кістка) обсягів. При ударі поверхні тіла виникають коливання, частоти яких мають широкий діапазон. З цього діапазону одні коливання згаснуть досить швидко, інші ж, що збігаються з власними коливаннями порожнеч, посиляться і через резонанс будуть чутні. Досвідчений лікар за тоном перкуторних звуків визначає стан та розташування (тонографію) внутрішніх органів.

17. Фізика слуху

Слухова система пов'язує безпосередній приймач звукової хвилі із головним мозком.

Використовуючи поняття кібернетики, можна сказати, що слухова система отримує, переробляє та передає інформацію. З усієї слухової системи для розгляду фізики слуху виділяють зовнішнє, середнє та внутрішнє вухо.

Зовнішнє вухо складається з вушної раковини та зовнішнього слухового проходу. Вушна раковина у людини не відіграє суттєвої ролі для слуху. Вона сприяє визначенню локалізації джерела звуку за його розташування - звук від джерела потрапляє у вушну раковину. Залежно від положення джерела у вертикальній площині звукові хвилі по-різному дифрагуватимуть на вушній раковині через її специфічну форму. Це призводить і до різної зміни спектрального складу звукової хвилі, що потрапляє до слухового проходу. Людина навчилася асоціювати зміну спектра звукової хвилі з направленням на джерело звуку.

Різним напрямам на джерело звуку в горизонтальній площині будуть відповідати різниці фаз. Вважають, що людина з нормальним слухом може фіксувати напрями на джерело звуку з точністю до 3 °, цьому відповідає різниця фаз - 6 °. Тому можна вважати, що людина здатна розрізняти зміну різниці фаз звукових хвиль, що потрапляють до її вух, з точністю до 6°.

Крім фазового відмінності, бинауральному ефекту сприяє неоднаковість інтенсивностей звуку в різних вух, і навіть " акустична тінь " від голови до одного вуха.

Довжина слухового проходу у людини дорівнює приблизно 2,3 см; отже, акустичний резонанс виникає при частоті:

Найбільш суттєвими частинами середнього вуха є барабанна перетинка та слухові кісточки: молоточки, ковадло та стремечко з відповідними м'язами, сухожиллями та зв'язками.

Система кісточок на одному кінці молоточком пов'язана з барабанною перетинкою, на іншому – стремечком з овальним вікном внутрішнього вуха. На барабанну перетинку діє звуковий тиск, що зумовлює силу F₁ = P₁ S₁ (P₁ - звуковий тиск, S₁ - Площу).

Система кісточок працює, як важіль, з виграшем у силі з боку внутрішнього вуха в людини у 1,3 разу. Ще одна з функцій середнього вуха – ослаблення передачі коливань у разі звуку великої інтенсивності.

Равлик людини є кістковим утворенням завдовжки близько 3,5 мм і має форму капсулоподібної спіралі з 2-3/4 завитками. Уздовж равлика проходять три канали. Один із них, який починається від овального вікна, називається вестибулярними сходами. Інший канал йде від круглого вікна, він називається барабанними сходами. Вестибулярні та барабанні сходи з'єднані в області купола равлика за допомогою маленького отвору - гелікотреми. Між равликовим каналом і барабанними сходами вздовж равлика проходить основна (базилярна) мембрана. На ній знаходиться кортієвий орган, що містить рецепторні (волоскові) клітини, від равлика йде слуховий нерв.

18. Ультразвук та його застосування в медицині

Ультразвук є високочастотними механічними коливаннями частинок твердого, рідкого або газоподібного середовища, нечутним людським вухом. Частота коливань ультразвуку вище 20 000 в секунду, тобто вище за поріг чутності.

Для лікувальних цілей застосовується ультразвук із частотою від 800 000 до 3 000 000 коливань на секунду. Для генерування ультразвуку використовуються пристрої, які називають ультразвуковими випромінювачами.

Найбільшого поширення набули електромеханічні випромінювачі. Застосування ультразвуку в медицині пов'язане з особливостями його поширення та характерними властивостями. За фізичною природою ультразвук, як і звук, є механічною (пружною) хвилею. Однак довжина хвилі ультразвуку істотно менша за довжину звукової хвилі. Чим більше різні акустичні опори, тим більше відбиття і заломлення ультразвуку межі різнорідних середовищ. Відображення ультразвукових хвиль залежить від кута падіння на зону впливу - що більше кут падіння, то більше вписувалося коефіцієнт відбиття.

В організмі ультразвук частотою 800-1000 кГц поширюється на глибину 8-10 см, а при частоті 2500-3000 Гц - на 1,0-3,0 см. Ультразвук поглинається тканинами нерівномірно: що вища акустична щільність, то менше поглинання.

На організм людини при проведенні ультразвукової терапії діють три фактори:

1) механічний – вібраційний мікромасаж клітин та тканин;

2) тепловий - підвищення температури тканин та проникності клітинних оболонок;

3) фізико-хімічний – стимуляція тканинного обміну та процесів регенерації.

Біологічна дія ультразвуку залежить від його дози, яка може бути для тканин стимулюючої, гнітючої або навіть руйнівної. Найбільш адекватними для лікувально-профілактичних впливів є невеликі дози ультразвуку (до 1,2 Вт/см2), особливо в імпульсному режимі. Вони здатні надавати болезаспокійливу, антисептичну (протимікробну), судинорозширювальну, розсмоктуючу, протизапальну, десенсибілізуючу (протиалергічну) дію.

У фізіотерапевтичній практиці використовуються переважно вітчизняні апарати трьох серій: УЗТ-1, УЗТ-2, УЗТ-3.

Ультразвук не застосовується на ділянку мозку, шийних хребців, кісткові виступи, області кісток, тканини з вираженим порушенням кровообігу, на живіт при вагітності, мошонку. З обережністю ультразвук застосовують на ділянку серця, ендокринні органи.

Розрізняють безперервний та імпульсний ультразвук. Безперервним ультразвуком прийнято називати безперервний потік ультразвукових хвиль. Цей вид випромінювання використовується головним чином для впливу на м'які тканини та суглоби. Імпульсний ультразвук є переривчастим випромінюванням, тобто ультразвук посилається окремими імпульсами через певні проміжки часу.

19. Гідродинаміка

Гідродинаміка - розділ фізики, в якому вивчають питання руху стисливих рідин та взаємодію їх при цьому з оточуючими твердими тілами, вчення про деформації та плинність речовини.

Сукупність методів вимірювання в'язкості називається віскозиметрією, а прилади, що використовуються для таких цілей - віскозиметрами. Найбільш поширений метод віскозиметрії – капілярний – полягає у вимірі часу протікання через капіляр рідини відомої маси під дією сили тяжіння при певному перепаді тисків. Капілярний віскозиметр застосовується визначення в'язкості крові.

Застосовуються також ротаційні віскозиметри, у яких рідина перебуває у зазорі між двома співвісними тілами, наприклад циліндрами. Один із циліндрів (ротор) обертається, а інший малорухливий. В'язкість вимірюється по кутовий швидкості ротора, що створює певний момент сили на нерухомому циліндрі, або по моменту сили, що діє на нерухомому циліндрі, або по моменту сили, що діє на нерухомий циліндр, заданої кутової швидкості обертання ротора. За допомогою ротаційних віскозиметрів визначають в'язкість рідин - мастил, розплавлених силікатів і металів, високов'язових лаків та клеїв, глинистих розчинів.

В даний час у клініці для визначення в'язкості крові використовують віскозиметр Гесса з двома капілярами. У віскозиметрі Гесса об'єм крові завжди однаковий, а об'єм води відраховують по діленням на трубці, тому безпосередньо набувають значення відносної в'язкості крові. В'язкість крові людини в нормі 0,4-0,5 Пас, при патології коливається від 0,17 до 2,23 Пас, що позначається на швидкості осідання еритроцитів (ШОЕ). Венозна кров має дещо більшу в'язкість, ніж артеріальна.

Ламінарна та турбулентна течії. Число Рейнольдса. Перебіг рідини може бути шаруватим, або ламінарним. Збільшення швидкості перебігу в'язкої рідини внаслідок неоднорідності тиску поперечного перерізу труби створює завихрення, і рух стає вихровим або турбулентним.

При турбулентному перебігу швидкість частинок кожному місці хаотично змінюється, рух є нестаціонарним.

Кінематична в'язкість повніше, ніж динамічна, враховує вплив внутрішнього тертя характер течії рідини чи газу. Так, в'язкість води приблизно в 100 разів більша, ніж повітря (при 0 °C), але кінематична в'язкість води в 10 разів менша, ніж повітря, і тому в'язкість сильніше впливає на характер перебігу повітря, ніж води. Характер течії рідини чи газу залежить від розмірів труби.

Течія крові в артеріях в нормі є ламінарною, невелика турбулентність виникає поблизу клапанів. При патології, коли в'язкість буває менше норми, число Рейнольдса може бути вищим від критичного значення, і рух стане турбулентним.

20. Механічні властивості твердих тіл та біологічних тканин

Характерною ознакою твердого тіла є здатність зберігати форму. Тверді тіла можна поділити на кристалічні та аморфні.

Відмінною ознакою кристалічного стану є анізотропія - залежність фізичних властивостей (механічних, теплових, електричних, оптичних) від напряму. Причина анізотропії кристалів полягає в упорядкованому розташуванні атомів або молекул, з яких вони побудовані, що виявляється у правильній зовнішній ограновуванні окремих монокристалів. Однак, як правило, кристалічні тіла зустрічаються у вигляді полікристалів - сукупності множин зрощених між собою, безладно орієнтованих окремих маленьких кристалів (кристалітів). Залежно від природи частинок, що знаходяться у вузлах, та характеру сил взаємодії розрізняють 4 типи кристалічних ґрат: іонні, атомні, металеві та молекулярні. У всіх вузлах металевих грат розташовані позитивні іони металів. Між ними хаотично рухаються електрони.

Головною особливістю внутрішньої будови тіл, що знаходяться в аморфному стані, є строга повторюваність у розташуванні атомів або груп атомів у всіх напрямках вздовж усього тіла. Аморфні тіла в однакових умовах мають більші, ніж кристали, питомий об'єм, ентропію та внутрішню енергію. Аморфний стан властивий речовинам різної природи. При малому тиску та високій температурі речовини в цьому стані дуже рухливі: низькомолекулярні є рідинами, високомолекулярні виявляються у високоеластичному стані. Зі зниженням температури та зростанням тиску рухливість аморфних речовин зменшується, і всі вони стають твердими тілами.

Полімерами називають речовини, молекули яких є довгими ланцюгами, складеними з великої кількості атомів або атомних угруповань, з'єднаних хімічними зв'язками. Особливість хімічної будови полімерів зумовлює та його особливі фізичні характеристики. До полімерних матеріалів відносять майже всі живі та рослинні матеріали, такі як шерсть, шкіра, ріг, волосся, шовк, бавовна, натуральний каучук та інші, а також різноманітні синтетичні матеріали - синтетичний каучук, пластмаси, волокна та ін.

Великий інтерес для медицини являють тканинні клеї (наприклад, алкіл-а-ціанокрилати, п-бутил-а-цинокрилат), що швидко полімеризуються в плівку, які використовують для закриття ран без накладання швів.

Рідкими кристалами називають речовини, які мають властивості і рідин, і кристалів. За своїми механічними властивостями ці речовини схожі на рідини – вони течуть. За характером молекулярної впорядкованості розрізняють нематичні та смектичні рідкі кристали. У нематичних рідких кристалах молекули орієнтовані паралельно, та його центри розташовані безладно. Смектичні кристали складаються з паралельних верств, у яких молекули впорядковані. Особливий клас складають кристали холестеричного типу (їхня будова характерна для сполук, що містять холестерин).

21. Механічні властивості біологічних тканин

Під механічними властивостями біологічних тканин розуміють два їх різновиди. Одна пов'язана з процесами біологічної рухливості: скорочення м'язів тварин, зростання клітин, рух хромосом у клітинах при їхньому розподілі та ін. Ці процеси обумовлені хімічними процесами та енергетично забезпечуються АТФ, їх природа розглядається в курсі біохімії. Умовно вказану групу називають активними механічними властивостями біологічних систем.

Кісткова тканина. Кістка - основний матеріал опорно-рухового апарату. Дві третини маси компактної кісткової тканини (0,5 об'єму) становить неорганічний матеріал, мінеральна речовина кістки - гідроксилантит 3 Са3(РО) х Са(ОН)2. Ця речовина представлена у формі мікроскопічних кристаликів.

Щільність кісткової тканини дорівнює 2400 кг/м3, її механічні властивості залежать від багатьох факторів, у тому числі віку, індивідуальних умов росту організму і, звичайно, від ділянки організму. Будова кістки надає їй необхідних механічних властивостей: твердість, пружність і міцність.

Шкіра. Вона складається з волокон колагену та еластину та основної тканини – матриці. Колаген становить близько 75% сухої маси, а еластин – близько 4%. Еластін розтягується дуже сильно (до 200-300%), приблизно як гума. Колаген може розтягуватись до 10 %, що відповідає капроновому волокну.

Таким чином, шкіра є в'язкопружним матеріалом з високоеластичні властивості, вона добре розтягується і подовжується.

М'язи. До складу м'язів входить сполучна тканина, що складається з волокон колагену та еластину. Тому механічні властивості м'язів подібні до механічних властивостей полімерів. Механічне поведінка скелетного м'яза наступне: при швидкому розтягуванні м'язів певну величину напруга різко зростає, та був зменшується. За більшої деформації відбувається збільшення міжатомних відстаней у молекулах.

Тканина кровоносних судин (судинна тканина). Механічні властивості кровоносних судин визначаються головним чином властивостями колагену, еластину та гладких м'язових волокон. Зміст цих складових судинної тканини змінюється по ходу кровоносної системи: відношення еластину до колагену в загальній сонній артерії 2: 1, а в стегнової артерії - 1: 2. З віддаленням від серця збільшується частка гладких м'язових волокон, в артеріолах вони вже є основною складовою судини тканини.

При детальному дослідженні механічних властивостей судинної тканини розрізняють, як вирізаний з посудини зразок (вздовж або впоперек судини). Можна розглядати деформацію судини в цілому як результат дії тиску зсередини пружний циліндр. Дві половини циліндричної судини взаємодіють між собою перерізами стінок циліндра. Загальна площа цього перерізу взаємодії дорівнює 2hl. Якщо в судинній стінці існує механічна напруга s, то сила взаємодії двох половинок судини дорівнює:

F = x2hl.

22. Фізичні питання гемодинаміки

Гемодинамікою називають область біомеханіки, у якій досліджується рух крові за судинною системою. Фізичною основою гемодинаміки є гідродинаміка.

Існує зв'язок між ударним об'ємом крові (об'ємом крові, що викидається шлуночком серця за одну систолу), гідравлічним опором периферичної частини системи кровообігу Х0 та зміною тиску в артеріях: оскільки кров знаходиться в пружному резервуарі, то її об'єм у будь-який момент часу залежить від тиску р за наступним співвідношенням:

v=v₀ + kp,

де k – еластичність, пружність резервуара;

v₀ - Обсяг резервуара за відсутності тиску (р = 0).

У пружний резервуар (артерії) надходить кров із серця, об'ємна швидкість кровотоку дорівнює Q.

Від пружного резервуару кров відтікає з об'ємною швидкістю кровотоку Q₀ у периферичну систему (артеріоли, капіляри). Можна скласти досить очевидне рівняння:

що показує, що об'ємна швидкість кровотоку із серця дорівнює швидкості зростання обсягу пружного резервуара.

Пульсова хвиля. При скороченні серцевого м'яза (систолі) кров викидається з серця в аорту і артерії, що відходять від неї. Якщо стінки цих судин були жорсткими, то тиск, що виникає в крові на виході із серця, зі швидкістю звуку передалося б до периферії. Систолічний тиск людини в нормі дорівнює приблизно 16 кПа. Під час розслаблення серця (діастол) розтягнуті кровоносні судини спадають, і потенційна енергія, повідомлена ним серцем через кров, переходить у кінетичну енергію струму крові, при цьому підтримується діастолічний тиск приблизно 11 кПа. Пульсова хвиля поширюється зі швидкістю 5-10 м/с і навіть більше. В'язкість крові та пружні властивості стінок судини зменшують амплітуду хвилі. Можна записати наступне рівняння для гармонійної пульсової хвилі:

де р₀ - амплітуда тиску в пульсовій хвилі;

х – відстань до довільної точки від джерела коливань (серця);

t – час;

w – кругова частота коливань;

c - деяка константа, що визначає загасання хвилі.

Довжину пульсової хвилі можна знайти з формули:

де Е – модуль пружності;

р - густина речовини судини;

h-товщина стінки судини;

d-діаметр судини.

23. Робота та потужність серця. Апарат штучного кровообігу

Робота, що здійснюється серцем, витрачається на подолання опору та сполучення крові кінетичної енергії.

Розрахуємо роботу, що здійснюється при одноразовому скороченні лівого шлуночка.

V_у - Ударний об'єм крові у вигляді циліндра. Можна вважати, що серце постачає цей об'єм по аорті перетином S на відстань I при середньому тиску. Робоча робота дорівнює:

A1 = FI = pSI = pV_y.

На повідомлення кінетичної енергії цього обсягу крові витрачено роботу:

де р – щільність крові;

υ – швидкість крові в аорті.

Таким чином, робота лівого шлуночка серця при скороченні дорівнює:

Так як робота правого шлуночка приймається рівною 0,2 від роботи лівого, то робота всього серця при одноразовому скороченні дорівнює:

Ця формула справедлива як спокою, так активного стану організму, але ці стану відрізняються різною швидкістю кровотоку. Фізичні засади хімічного методу вимірювання тиску крові. Фізичний параметр – тиск крові – відіграє велику роль у діагностиці багатьох захворювань.

Систолічний та діастолічний тиск у будь-якій артерії можуть бути вимірювані безпосередньо за допомогою голки, сполученої з манометром. Однак у медицині широко використовується безкровний метод, запропонований М. С. Коротковим. Суть методу: навколо руки між плечем та ліктем накладають манжетку. При накачуванні повітря через шланг в манжетку стискається рука. Потім через цей шланг повітря випускають і за допомогою манометра вимірюють тиск повітря в манжеті. Випускаючи повітря, зменшують тиск у манжеті та м'яких тканинах, з якими вона стикається. Коли тиск дорівнюватиме систолічному, кров буде здатна пробитися через здавлену артерію - виникає турбулентна течія. Характерні тони і шуми, що супроводжують цей процес, прослуховує лікар при вимірюванні тиску, маючи фонендоскоп на артерії нижче манжети (тобто на великій відстані від серця). Продовжуючи зменшувати тиск у манжеті, можна відновити ламінарний перебіг крові, що помітно по різкому ослабленню тонів, що прослуховуються. Тиск у манжеті, що відповідає відновленню ламінарного перебігу в артерії, реєструють як діастолічний. Для вимірювання артеріального тиску застосовують прилади – сфігмоманометр із ртутним манометром, сфігмотонометр із металевим мембранним манометром.

24. Термодинаміка

Під термодинамікою розуміють розділ фізики, що розглядає системи, між якими можливий обмін енергією без урахування мікроскопічної будови тіл, що становлять систему. Розрізняють термодинаміку рівноважних систем (або систем, що переходять до рівноваги) та термодинаміку нерівноважних систем, яка відіграє особливу роль для розгляду біологічних систем.

Основні поняття термодинаміки. Перший початок термодинаміки. Стан термодинамічної системи характеризується фізичними величинами, які називаються параметрами (такими як обсяг, тиск, температура, щільність і т. д.). Якщо параметри системи при взаємодії її з оточуючими тілами не змінюються з часом, стан системи називають стаціонарним. У різних частинах системи, що знаходиться в стаціонарному стані, значення параметрів зазвичай розрізняються: температура в різних ділянках тіла людини, концентрація молекул, що дифундують, в різних частинах біологічної мембрани і т. п. Стаціонарний стан підтримується за рахунок потоків енергії і речовини, що проходять через систему. У стаціонарному стані можуть бути такі системи, які або обмінюються і енергією, і речовиною з навколишніми системами (відкриті системи), або обмінюються тільки енергією (закриті системи).

Термодинамічна система, яка обмінюється з оточуючими тілами ні енергією, ні речовиною, називається ізольованою. Ізольована система згодом входить у стан термодинамічного рівноваги. У цьому вся стані, як й у стаціонарному, параметри системи зберігаються незмінними у часі. Однак суттєво, що в рівноважному стані параметри, які не залежать від маси або числа частинок (тиск, температура та ін), однакові в різних частинах цієї системи. Будь-яка термодинамічна система не буде ізольованою, оскільки її неможливо оточити оболонкою, яка не проводить теплоту.

Ізольовану систему розглядають як зручну термодинамічну модель. Закон збереження енергії для теплових процесів формулюється як початок термодинаміки. Кількість теплоти, передане системі, йде зміну внутрішньої енергії системи і здійснення системою роботи. Під внутрішньою енергією системи розуміють суму кінетичної та потенційної енергії частинок, з яких складається система.

Внутрішня енергія є функцією стану системи і для цього стану має цілком певне значення: DU є різниця двох значень внутрішньої енергії, що відповідають кінцевому і початковому станам системи:

DU = U₂- У₁

Кількість теплоти, як і роботи, є функцією процесу, а чи не стану. Перший початок термодинаміки можна записати у вигляді:

dQ = dU + dA.

Значення Q, A, DU та dQ, dA, dU можуть бути як позитивними (теплота передається системі зовнішніми тілами, внутрішня енергія збільшується), так і негативними (теплота віднімається від системи, внутрішня енергія зменшується).

25. Другий початок термодинаміки. Ентропія

Існує кілька формулювань другого закону термодинаміки: теплота сама по собі не може переходити від тіла з меншою температурою до тіла з більшою температурою (формулювання Клаузіуса), або неможливий вічний двигун другого роду (формулювання Томсона).

Процес називають оборотним, якщо можна здійснити зворотний процес через усі проміжні стани так, щоб після повернення системи у вихідний стан у навколишніх тілах не відбулося будь-яких змін.

Коефіцієнтом корисної дії теплової машини або прямого циклу називають відношення досконалої роботи до кількості теплоти, отриманої робочою речовиною від нагрівача:

Так як робота теплової машини відбувається за рахунок кількості теплоти, а внутрішня енергія робочої речовини за цикл не змінюється (DU = 0), то з першого закону термодинаміки випливає, що робота в кругових процесах дорівнює сумі алгебри кількостей теплоти:

A = Q₁ + Q₂.

отже:

Кількість теплоти Q₁отримане робочою речовиною, позитивно, кількість теплоти Q2, віддане робочою речовиною холодильнику, негативно.

Суму наведених кількостей теплоти для оборотного процесу можна подати як різницю двох значень деякої функції стану системи, яку називають ентропією:

де S₂ і S₁ - ентропія відповідно в кінцевому другому та початковому першому станах.

Ентропія є функція стану системи, різниця значень якої для двох станів дорівнює сумі наведених кількостей теплоти при оборотному переході системи з одного стану до іншого.

Фізичний зміст ентропії:

Якщо система перейшла від одного стану до іншого, то незалежно від характеру процесу зміна ентропії обчислюється за формулою будь-якого оборотного процесу, що відбувається між цими станами:

де Q - повна кількість теплоти, отримана системою в процесі переходу з першого стану в другий стан при постійній температурі Т. Цю формулу використовують при обчисленні зміни ентропії в таких процесах, як плавлення, пароутворення і т.п.

26. Стаціонарний стан

Принцип виробництва ентропії. Організм як відкрита система

Вище було описано спрямованість термодинамічних процесів в ізольованій системі. Однак реальні процеси та стани в природі та техніці є нерівноважними, а багато систем - відкритими.

Ці процеси та системи розглядаються у нерівноважній термодинаміці. Аналогічно як у рівноважної термодинаміці особливим станом є стан рівноваги, і у нерівноважної термодинаміці особливу роль грають стаціонарні стану. Попри те що у стаціонарному стані необхідні процеси, які у системі (дифузія, теплопровідність та інших.), збільшують ентропію, ентропія системи не змінює.

Представимо зміною ентропії DS системи у вигляді суми двох доданків:

DS = DSi + DSl,

де DSi – зміна ентропії, зумовлена незворотними процесами в системі; DSl – зміна ентропії, викликана взаємодією системи із зовнішніми тілами (потоки, що проходять через систему). Необоротність процесів призводить до DSi > 0, стаціонарність стану – до DSi = 0; отже: DSl = DS - DSi < 0. Це означає, що ентропія в продуктах (речовина та енергія), що надходять у систему, менше ентропії у продуктах, що виходять із системи.

Початковий розвиток термодинаміки стимулювався потребами промислового виробництва. На цьому етапі (XIX ст.) основні досягнення полягали у формулюванні законів, розробці методів циклів та термодинамічних потенціалів стосовно ідеалізованих процесів.

Біологічні об'єкти є відкритими термодинамічні системи. Вони обмінюються з навколишнім середовищем енергією та речовиною. Для організму – стаціонарної системи – можна записати dS = 0, S = = const, dS i > 0, dSe < 0. Це означає, що велика ентропія має бути у продуктах виділення, а не в продуктах харчування.

При деяких патологічних станах ентропія біологічної системи може зростати (dS > 0), це пов'язано із відсутністю стаціонарності, збільшенням невпорядкованості. Формула може бути представлена:

або для стаціонарного стану

З цього видно, що при звичайному стані організму швидкість зміни ентропії за рахунок внутрішніх процесів дорівнює швидкості зміни негативної ентропії за рахунок обміну речовин та енергією із навколишнім середовищем.

27. Термометрія та калориметрія

Точні вимірювання температур є невід'ємною частиною науково-дослідних та технічних робіт, а також медичної діагностики.

Методи отримання та вимірювання температур у широкому діапазоні дуже різні. Область фізики, в якій вивчаються методи вимірювання температури та пов'язані з цим питання, називають термометрією. Так як температура визначається за значенням будь-якої характеристики термометричної речовини, то її визначення полягає у вимірі таких фізичних параметрів та властивостей, як об'єм, тиск, електричні, механічні, оптичні, магнітні ефекти тощо. Різноманітність методів вимірювання температури пов'язана з великим кількістю термометричних речовин та властивостей, що використовуються при цьому.

Термометр – пристрій для вимірювання температури – складається з чутливого елемента, в якому реалізується термометрична властивість, та вимірювального приладу (дилатометра, манометра, гальванометра, потенціометра тощо). Необхідна умова вимірювання температури – теплова рівновага чутливого елемента та тіла, температура якого визначається. Залежно від вимірюваних інтервалів температур найбільш поширені рідинний, газовий термометри, термометр опору, термопара як термометри та пірометри.

У рідинному термометрі термометричною характеристикою є об'єм, чутливим елементом – резервуар з рідиною (зазвичай ртуттю чи спиртом). У пірометрах як термометричні властивості використовується інтенсивність випромінювання.

При вимірі наднизьких температур термометричним речовиною служать парамагнетики, а властивістю, що вимірюється - залежність їх намагніченості від температури.

Ртутний термометр, що використовується в медицині, вказує максимальну температуру і називається максимальним термометром. Ця особливість обумовлена його пристроєм: резервуар з ртуттю відокремлений від градуйованого капіляра звуженням, яке дозволяє ртуті при охолодженні термометра повернутися в резервуар. Існують і мінімальні термометри, що показують найменшу температуру, яка спостерігається за тривалий проміжок часу. Для цього служать термостати - прилади, у яких температура підтримується постійної, що здійснюють або автоматичними регуляторами, або використовують при цьому властивість разових переходів протікати за постійної температури.

Для вимірювання кількості теплоти, що виділяється або поглинається у різних фізичних, хімічних та біологічних процесах, застосовують низку методів, сукупність яких становить калориметрію. Калориметричними методами вимірюють теплоємність тіл, теплоти фазових переходів, розчинення, змочування, адсорбції, теплоти, що супроводжують хімічні реакції, енергію випромінювання, радіоактивного розпаду тощо.

Подібні виміри виробляють за допомогою калориметрів.

28. Фізичні властивості нагрітих та холодних середовищ, що використовуються для лікування

У медицині з метою місцевого нагрівання чи охолодження застосовують нагріті чи холодні тіла. Зазвичай для цього вибирають порівняно доступні середовища, деякі з них можуть надавати при цьому і корисну механічну або хімічну дію.

Фізичні властивості таких середовищ зумовлюються їх призначенням. По-перше, необхідно, щоб протягом порівняно тривалого часу було здійснено потрібний ефект. Тому використовувані середовища повинні мати більшу питому теплоємність (вода, бруду) або питому теплоту фазового перетворення (парафін, лід). По-друге, середовища, що накладаються безпосередньо на шкіру, не повинні викликати хворобливих відчуттів. Це з одного боку обмежує температуру таких середовищ, з другого - спонукає вибирати середовища з невеликою теплоємністю. Так, наприклад, вода, що застосовується для лікування, має температуру до 45 °C, а торф і бруду - до 50 °C, оскільки теплообмін (конвекція) у цих середовищах менше, ніж у воді. Парафін нагрівають до 60-70 °C, оскільки він має невелику теплопровідність, а частини парафіну, безпосередньо прилеглого до шкіри, швидко остигають, кристалізуються і затримують приплив теплоти від інших його частин.

Як охолодне середовище, що використовується для лікування, вживається лід. В останні роки досить широке застосування у медицині знайшли низькі температури. При низькій температурі здійснюють таку консервацію окремих органів та тканин у зв'язку з трансплантацією, коли досить довго зберігається здатність до життєдіяльності та нормального функціонування.

Кріогенний метод руйнування тканини при заморожуванні та розморожуванні використовується медиками для видалення мигдаликів, бородавок тощо. Для цієї мети створюють спеціальні кріогенні апарати та кріозонди.

За допомогою холоду, що має анестезуючу властивість, можна знищити в головному мозку клітини ядер, відповідальні за деякі нервові захворювання, наприклад паркінсонізм.

У мікрохірургії використовують примерзання вологих тканин до холодного металевого інструменту для захоплення та перенесення цих тканин.

У зв'язку з медичним застосуванням низької температури з'явилися нові терміни: "кріогенна медицина", "кріотерапія", "кріохірургія" тощо.

29. Фізичні процеси у біологічних мембранах

Важливою частиною клітин є біологічні мембрани. Вони відмежовують клітину від навколишнього середовища, захищають її від шкідливих зовнішніх впливів, керують обміном речовин між клітиною та її оточенням, сприяють генерації електричних потенціалів, беруть участь у синтезі універсальних акумуляторів енергії АТФ у мітохондріях тощо.

Будова та моделі мембран

Мембрани оточують усі клітини (плазматичні та зовнішні клітинні мембрани). Без мембрани вміст клітини просто розтеклося, дифузія призвела до термодинамічного рівноваги, що означає відсутність життя. Можна сказати, що перша клітина з'явилася тоді, коли вона відгородилася довкілля мембраною.

Внутрішньоклітинні мембрани поділяють клітину на ряд замкнутих відсіків, кожен з них виконує певну функцію. Основу структури будь-якої мембрани представляє подвійний ліпідний шар (значною мірою – фосфоліпіди). Подвійний ліпідний шар утворюється з двох моношарів ліпідів так, що гідрофобні "хвости" обох шарів спрямовані всередину. При цьому забезпечується найменший контакт гідрофобних ділянок молекул із водою. Таке уявлення про структуру мембрани не давало відповіді на багато питань.

Надалі була запропонована модель, в основі якої лежить та ж ліпідна біошарова мембрана. Ця фосфоліпідна основа являє собою двомірний розчинник, в якому плавають більш-менш занурені білки. За рахунок цих білків повністю або частково здійснюються специфічні функції мембран - проникність, генерація електричного потенціалу і т. д. Мембрани є нерухомими, спокійними структурами. Ліпіди та білки обмінюються мембранами і переміщуються як уздовж площини мембрани – латеральна дифузія, так і поперек неї – так званий фліп-флоп.

Уточнення будови біомембрани та вивчення її властивостей виявились можливими при використанні фізико-хімічних моделей мембрани (штучних мембран). Найбільшого поширення набули три такі моделі. Перша модель - моношари фосфоліпідів на межі розділів вода - повітря або вода - олія.

Другою широко поширеною моделлю біомембрани є ліпосоми, які є як би біологічною мембраною, повністю позбавленою білкових молекул. Третьою моделлю, що дозволила вивчати деякі властивості біомембран прямими методами, є біоліпідна (біошарова ліпідна) мембрана (БЛМ).

Мембрани виконують дві важливі функції: матричну (тобто є матрицею, основою для утримання білків, що виконують різні функції) та бар'єрну (захищають клітину та окремі компартаменти від проникнення небажаних частинок).

30. Фізичні властивості та параметри мембран

Вимірювання рухливості молекул мембрани та дифузія частинок через мембрану свідчить про те, що біліпідний шар веде себе подібно до рідини. Проте мембрана є упорядкованою структурою. Ці два факти припускають, що фосфоліпіди в мембрані при її природному функціонуванні перебувають у рідкокристалічному стані. При зміні температури у мембрані можна спостерігати фазові переходи: плавлення ліпідів при нагріванні та кристалізацію при охолодженні. Рідкокристалічний стан біошару має меншу в'язкість та більшу розчинність різних речовин, ніж твердий стан. Товщина рідкокристалічного біошару менше, ніж твердого.

Структура молекул у рідкому та твердому станах різна. У рідкій фазі молекули фосфоліпідів можуть утворювати порожнини (кінки), які здатні впроваджуватися молекули диференціюючої речовини. Переміщення кінка в цьому випадку призведе до дифузії молекули впоперек мембрани.

Перенесення молекул (атомів) через мембрани

Важливим елементом функціонування мембран є їхня здатність пропускати або не пропускати молекули (атоми) та іони. Імовірність такого проникнення часток залежить як від напрямку їхнього переміщення (наприклад, у клітину або з клітини), так і від різновиду молекул та іонів.

Явища переносу - це незворотні процеси, у яких у фізичної системі відбувається просторове переміщення (перенесення) маси імпульсу, заряду чи будь-якої іншої фізичної величини. До явищ переносу відносять дифузію (перенесення маси речовини), в'язкість (перенесення імпульсу), теплопровідність (перенесення енергії), електропровідність (перенесення електричного заряду).

На мембрані існує різниця потенціалів, отже, мембрана має електричне поле. Воно впливає на дифузію заряджених частинок (іонів та електронів). Перенесення іонів визначається двома факторами: нерівномірністю їх розподілу (тобто градієнтом концентрації) та впливом електричного поля (рівняння Нернста-Планка):

Рівняння встановлює зв'язок щільності стаціонарного потоку іонів із трьома величинами:

1) проникністю мембран для даного іона, що характеризує взаємодію мембранних структур з іоном;

2) електричним полем;

3) концентрацією іонів у водному розчині, що оточує мембрану.

Явлення переносу відносяться до пасивного транспорту: дифузія молекул та іонів відбувається у напрямку меншої їх концентрації, переміщення іонів - відповідно до напряму сили, що діє на них з боку електричного поля.

Пасивний транспорт не пов'язаний із витратою хімічної енергії, він здійснюється внаслідок переміщення частинок у бік меншого електрохімічного потенціалу.

31. Різновид пасивного перенесення молекул та іонів через біологічні мембрани

Проста дифузія через ліпідний шар живої клітині забезпечує проходження кисню і вуглекислого газу. Ряд лікарських речовин та отрут також проникає через ліпідний шар. Однак проста дифузія протікає досить повільно і не може забезпечити клітину потрібної кількості поживними речовинами. Тому є інші механізми пасивного перенесення речовини в мембрані, до них відноситься дифузія та полегшена дифузія (у комплексі з переносником).

Іноді, або каналом, називають ділянку мембрани, що включає білкові молекули та ліпіди, який утворює в мембрані прохід. Цей прохід допускає проникнення через мембрану як малих молекул, наприклад молекул води, а й великих іонів. Канали можуть виявляти вибірковість по відношенню до різних іонів. Полегшує дифузію перенесення іонів спеціальними молекулами-переносниками.

Потенціал спокою. Поверхнева мембрана клітини неоднаково проникна різних іонів. Крім того, концентрація будь-яких певних іонів різна з різних боків мембрани, всередині клітини підтримується найбільш сприятливий склад іонів. Ці фактори призводять до появи в клітині, що нормально функціонує, різниці потенціалів між цитоплазмою і навколишнім середовищем (потенціал спокою).

Основний внесок у створення та підтримка потенціалу спокою вносять іони Na+, K+, Cl-. Сумарна

щільність потоку цих електронів з урахуванням їх знаків дорівнює:

J = J_NA + J_K + J_CI-.

У стаціонарному стані сумарна щільність потоку дорівнює нулю, тобто число різних іонів, що проходять в одиницю часу через мембрану всередину клітини, дорівнює кількості виходять з клітини через мембрану:

J = 0.

Рівняння Гольдмана-Ходжкіна-Катца (безрозмірний потенціал повертається до електричного):

Різні концентрації іонів усередині та поза клітини створені іонними насосами - системами активного транспорту. Основою внесок у потенціал спокою роблять тільки іони K+ і Cl-.

Потенціал дії та її поширення

При збудженні різниця потенціалів між клітиною та навколишнім середовищем змінюється, виникає потенціал дії.

У нервових волокнах відбувається поширення потенціалу дії. Поширення потенціалу дії нервового волокна відбувається у формі автохвилі. Активним середовищем є збудливі клітини: швидкість розповсюдження збудження по гладких немієлінізованих нервових волокнах приблизно пропорційна квадратному кореню з їхнього радіусу (υ≈√r).

32. Електродинаміка

Електричні та магнітні явища пов'язані з особливою формою існування матерії - електричними та магнітними полями та їх впливом. Ці поля в загальному випадку настільки взаємопов'язані, що говорити про єдине електричне поле.

Електромагнітні явища мають три напрямки медико-біологічних програм. Перше - розуміння електричних процесів, які у організмі, і навіть знання електричних і магнітних властивостей біологічних середовищ.

Другий напрямок пов'язане з розумінням механізму впливу електромагнітних полів на організм.

Третій напрямок - приладове, апаратурне. Електродинаміка є теоретичною основою електроніки та зокрема медичної електроніки.

Енергетичне поле є різновид матерії, з якої здійснюється силовий вплив на електричні заряди, що у цьому полі. Характеристики електричного поля, що генерується біологічними структурами є джерелом інформації про стан організму.

Напруженість та потенціал - характеристики електричного поля. Силовий характеристикою електричного поля є напруженість, що дорівнює відношенню сили, що діє в даній точці поля на точковий заряд, до цього заряду:

E = F/q

Напруженість - вектор, напрямок якого збігається з напрямком сили, що діє у цій точці поля на позитивний заряд. Напруженість електричного поля виражається трьома рівняннями:

E_x = f₁ (x, y, z);

E_y = f₂ (x, y, z);

E_z = f₃(x, y, z),

де Е_х, Є_у та Е_z - проекції вектора напруженості відповідні координатні осі, введені для опису поля. Енергетичною характеристикою електричного поля є потенціал. Різницею потенціалів між двома точками поля називають відношення роботи, що здійснюється силами поля при переміщенні точкового позитивного заряду з однієї точки поля в іншу, до цього заряду:

де Ф₁ і Ф₂ - потенціали в точках 1 та 2 електричного поля. Різниця потенціалів між двома точками залежить від напруженості електричного поля. Поруч із різницею потенціалів як характеристики електричного поля використовують поняття потенціалу. Потенціали у різних точках можна у вигляді поверхонь однакового потенціалу (еквіпотенційних поверхонь). Існуючі вимірювальні прилади розраховані на вимірювання різниці потенціалів, а не напруженості.

33. Електричний диполь та мультиполь

Електричним диполем називають систему, що складається із двох рівних, але протилежних за знаком точкових електричних зарядів, розташованих на певній відстані один від одного (плечо диполя). Основною характеристикою диполя є його електричний (або дипольний) момент - вектор, рівний добутку заряду на плече диполя, спрямований від негативного до позитивного заряду:

p = dl.

Одиницею електричного моменту диполя є кулон-метр.

На диполь в однорідному електричному полі діє крутний момент, що залежить від електричного моменту, орієнтації диполя в полі та напруженості поля. На диполь діє сила, що залежить від його електричного моменту та ступеня неоднорідності поля

dE/dx

Якщо диполь орієнтований в неоднорідному електричному полі не вздовж силової лінії, то додатково діє ще й крутний момент. Вільний диполь майже завжди втягується в область високих значень напруженості поля.

Диполь є окремим випадком системи електричних зарядів, що володіють певною симетрією. Загальна назва подібних розподілів зарядів - електричні мультиполя (I = 0, 1, 2 тощо), число зарядів мультиполя визначається виразом 2¹.

Так, мультиполем нульового порядку (20 = 1) є одиночний точковий заряд, мультиполем першого порядку (21 = 2) – диполь, мультиполем другого порядку (22 = 4) – квадруполь, мультиполем третього порядку (23 = 8) – октуполь тощо. д. Потенціал поля мультиполя зменшується на значних відстанях від нього (R > d, де d - розміри мультиполя)

пропорційно I/R¹⁺¹. Якщо заряд розподілений у певній області простору, то потенціал електричного поля поза системою зарядів можна у вигляді деякого наближеного ряду:

Тут R – відстань від системи зарядів до точки А з потенціалом Ф;

f₁, f₂, f₃…. - деякі функції, що залежать від виду мультиполя, його заряду та від напрямку на точку А.

Перше доданок відповідає монополю, друге - диполю, третє - квадруполю і т. д. У разі нейтральної системи зарядів перший доданок дорівнює нулю.

Дипольний електричний генератор (струмовий диполь) У вакуумі або ідеальному ізоляторі електричний диполь може зберігатися скільки завгодно довго. Однак у реальній ситуації (електропровідному середовищі) під дією електричного поля диполя виникає рух вільних зарядів, і диполь нейтралізується. Сила струму в зовнішньому ланцюгу залишатиметься майже постійною, вона майже не залежить від властивостей середовища. Така двополюсна система, що складається з витоку та стоку струму, називається дипольним електричним генератором, або струмовим диполем.

34. Фізичні основи електрокардіографії

Живі тканини є джерелом електричних потенціалів (біопотенціалів).

Реєстрація біопотенціалів тканин та органів з діагностичною метою отримала назву електрографії. Такий загальний термін вживається порівняно рідко, найбільш поширені конкретні назви відповідних діагностичних методів: електрокардіографія (ЕКГ) - реєстрація біопотенціалів, що виникають у серцевому м'язі при її збудженні; активності головного мозку та ін.

У більшості випадків біопотенціали знімаються електродами не безпосередньо з органу (серця, головного мозку), а з інших сусідніх тканин, в яких електричні поля цим органом створюються.

У клінічному відношенні це суттєво спрощує саму процедуру реєстрації, роблячи її безпечною та нескладною. Фізичний підхід до електрографії полягає у створенні (виборі) моделі електричного генератора, що відповідає картині "знімальних" потенціалів.

Все серце в електричному відношенні представляється як деякий електричний генератор у вигляді реального пристрою і сукупність електричних джерел у провіднику, що має форму людського тіла. На поверхні провідника при функціонуванні еквівалентного електричного генератора буде електрична напруга, що у процесі серцевої діяльності виникає на поверхні тіла людини. Моделювати електричну діяльність серця цілком допустимо, якщо використовувати еквівалентний дипольний електричний генератор. Дипольне уявлення про серце є основою теорії відведень Ейнтхове-на. Відповідно до неї серце є такий диполь з диполь-ным моментом, який повертається, змінює своє становище і точку застосування під час серцевого циклу. В. Ейнтховен запропонував знімати різниці біопотенціалів серця між вершинами рівностороннього трикутника, які наближено розташовані у правій та лівій руці та лівій нозі.

За термінологією фізіологів, різницю біопотенціалів, що реєструється між двома точками тіла, називають відведенням. Розрізняють I відведення (права рука – ліва рука), II відведення (права рука – ліва нога) та III відведення (ліва рука – ліва нога).

За В. Ейнтховеном, серце розташоване в центрі трикутника. Оскільки електричний момент диполя - серця - змінюється з часом, то у відведеннях буде отримано тимчасову напругу, яку називають електрокардіограмами. Електрокардіограма не дає уявлення про просторову орієнтацію. Однак для діагностичних цілей така інформація є важливою. У зв'язку з цим застосовують метод просторового дослідження електричного поля серця, який називається вектор-кардіографією. Вектор-кардіограма - геометричне місце точок, що відповідають кінцю вектора, положення якого змінюється під час серцевого циклу.

35. Електричний струм

Під електричним струмом зазвичай розуміють спрямоване рух електричних зарядів. Розрізняють струм провідності та конвекційний струм. Струм провідності - це спрямований рух зарядів у провідних тілах: електронів - у металах, електронів та дірок - у напівпровідниках, іонів - в електролітах, іонів та електронів - у газах. Конвекційний струм - це рух заряджених тіл та потік електронів або інших заряджених частинок у вакуумі.

Щільність струму - векторна характеристика електричного струму, чисельно рівна відношенню сили струму, що проходить крізь малий елемент поверхні, нормальний до руху заряджених частинок, що утворюють струм, до площі цього елемента:.

j = dl/dS י

Якщо цю формулу помножити на заряд q носія струму, отримаємо щільність струму:

j = qj = qnv.

У векторній формі:

j = qnv.

Вектор j спрямований по дотичній до ліній струму. Для сили струму запишемо такий вираз:

j = dq / dt.

Сила струму є похідною за часом від заряду, що проходить крізь деякий перетин або поверхню.

Для того щоб постійний струм протікав провідником, необхідно на його кінцях підтримувати різницю потенціалів. Це здійснюється джерелами струму. Електрорушійною силою джерела називають величину, чисельно рівну роботі сторонніх сил при переміщенні одиничного позитивного заряду по всьому ланцюгу.

Практично робота сторонніх сил відрізняється від нуля лише всередині джерела струму. Відношення сторонньої сили до одиничного позитивного заряду дорівнює напруженості поля сторонніх сил:

E_CT= F_CT/q

Електрорушійна сила відповідає стрибкоподібній зміні потенціалу в джерелі струму.

Електропровідність електролітів. Біологічні рідини є електролітами, електропровідність яких має подібність до електропровідності металів: в обох середовищах на відміну від газів носії струму існують незалежно від електричного поля.

Напрямок рух іонів в електричному полі можна приблизно вважати рівномірним, при цьому сила qE, що діє на іон з боку електричного поля, дорівнює силі тертя rv:

qE = rv,

звідки отримуємо:

v = bE.

Коефіцієнт пропорційності b називають рухливістю іонів.

36. Електропровідність біологічних тканин та рідин при постійному струмі. Електричний розряд у газах

Біологічні тканини та органи є досить різнорідними утвореннями з різними електричними опорами, які можуть бути змінені при дії електричного струму. Це зумовлює проблеми виміру електричного опору живих біологічних систем.

Електропровідність окремих ділянок організму, що знаходяться між електродами, накладеними безпосередньо на поверхню тіла, істотно залежить від опору шкіри та підшкірних шарів. Усередині організму струм поширюється в основному по кровоносних та лімфатичних судинах, м'язах, оболонках нервових стовбурів. Опір шкіри своєю чергою визначається її станом: товщиною, віком, вологістю тощо.

Електропровідність тканин та органів залежить від їхнього функціонального стану і, отже, може бути використана як діагностичний показник.

Так, наприклад, при запаленні, коли клітини набухають, зменшується перетин міжклітинних сполук та збільшується електричний опір; фізіологічні явища, що викликають пітливість, супроводжуються зростанням електропровідності шкіри тощо.

Газ, що складається лише з нейтральних частинок, є ізолятором. Якщо його іонізувати, він стає електропровідним. Будь-який пристрій, явище, фактор, здатний викликати іонізацію молекул і атомів газу, називають іонізатором. Їм можуть бути світло, рентгенівське випромінювання, полум'я, іонізуюче випромінювання та ін. Електричний заряд у повітрі може утворюватися і при розпорошенні в ньому полярних рідин (балоелектричний ефект), тобто таких рідин, молекули яких мають постійний електричний дипольний момент. Так, наприклад, при дробленні у повітрі вода розпадається на заряджені крапельки. Знак заряду великих крапель (позитивний для твердої води) протилежний за знаком заряду найдрібніших крапель. Більші краплі порівняно швидко осідають, і в повітрі залишаються негативно заряджені частинки води. Таке явище спостерігається біля фонтану.

Електропровідність газу також залежить і від вторинної іонізації. Іонізований потенціал внутрішніх електронів значно вищий.

У земних умовах повітря практично завжди містить деяку кількість іонів завдяки природним іонізаторам, головним чином радіоактивним речовинам у ґрунті та газах та космічному випромінюванню. Іони та електрони, що знаходяться в повітрі, можуть, приєднуючись до нейтральних молекул і завислих частинок, утворити більш складні іони. Ці іони в атмосфері називають аероіонами. Вони відрізняються не тільки знаком, а й масою, їх умовно ділять на легкі (газові іони) і важкі (зважені заряджені частинки - порошинки, частки диму та вологи).

Тяжкі іони шкідливо діють на організм, легкі й переважно негативні аероіони надають сприятливий вплив. Їх використовують для лікування (аероіонотерапія).

37. Магнітне поле

Магнітним полем називають всю матерію, за допомогою якої здійснюється силова дія на електричні заряди, що рухаються, поміщені в поле, та інші тіла, що володіють магнітним моментом. Для магнітного поля, як і електростатичного, є кількісна характеристика - магнітний момент (векторна величина).

Магнітна індукція в деякій точці поля дорівнює відношенню максимального моменту, що обертає, що діє на рамку зі струмом в однорідному магнітному полі, до магнітного моменту цієї рамки. Одиницею магнітного потоку є вебер (Вб):

1Вб = 1Тлм2.

Тл – одиниця магнітної індукції (Тесла). З формули видно, що потік може бути як позитивним, і негативним.

Закон Ампера. Енергія контуру зі струмом у магнітному полі. Одним з головних проявів магнітного поля є його силова дія на електричні заряди, що рухаються, і струми. А. М. Ампером було встановлено закон, визначальний цей силовий вплив.

У провіднику, що знаходиться в магнітному полі, виділимо досить малу ділянку dI, яка розглядається як вектор, спрямований у бік струму. Добуток IdI називають елементом струму. Сила, що діє з боку магнітного поля на елемент струму, дорівнює:

dF = kIB sinb × dl,

де k – коефіцієнт пропорційності; або у векторній формі

dF = ldl × B.

Ці співвідношення виражають закон Ампера.

Сила, що діє відповідно до закону Ампера на провідник зі струмом в магнітному полі, є результатом його впливу на електричні заряди, що рухаються, що створюють цей струм. Сила, що діє на окремий заряд, що рухається, визначається ставленням сили F, прикладеної до провідника зі струмом, до загального числа N носіїв струму в ньому:

f_Л = F / N_(I)

Сила струму дорівнює:

I = jS,

F = jSBL sinb,

де j – щільність струму. Отримуємо:

F = jSBL sin b = qnvSBL sinb2,

де n = N/SI – концентрація частинок.

Підставляючи останній вираз до першого, отримуємо вираз для сили, що діє з боку магнітного поля на окремий електричний заряд, що рухається, і званою силою Лоренца:

Напрямок сили Лоренца можна визначити з векторного запису рівняння

fn = qvB.

38. Напруженість магнітного поля та інші його властивості

Напруженість магнітного поля залежить від якості середовища, а визначається тільки силою струму, що протікає по контуру. Напруженість магнітного поля, створеного постійним струмом, складається з напруженості полів, створюваних його окремими елементами (Закон Біо-Савара-Лапласа):

(dH - напруженість, k - коефіцієнт пропорційності, di та r - вектори). Інтегруючи, знаходимо напруженість магнітного поля, створеного контуром зі струмом або частиною цього контуру:

Круговим називається струм, що протікає по провіднику у формі кола. Цьому струму відповідає електричний заряд, що обертається по колу. Знаючи напруженість магнітного поля та відносну магнітну проникність середовища, можна знайти магнітну індукцію:

B = M + M0H = mNf (2r).

Магнітні властивості речовини

Немає таких речовин, стан яких не змінювалося б при поміщенні їх у магнітне поле. Більше того, перебуваючи у магнітному полі, речовини самі стають джерелами такого поля. У цьому вся сенсі всі речовини прийнято називати магнетиками. Оскільки макроскопічні відмінності магнетиків обумовлені їх будовою, доцільно розглянути магнітні характеристики електронів, ядер, атомів і молекул, і навіть поведінка цих частинок в магнітному полі.

Ставлення магнітного моменту частки моменту її імпульсу називають магнитомеханическим. Співвідношення показують, що між магнітним та механічним (момент імпульсу) моментами існує цілком певний "жорсткий" зв'язок; цей зв'язок проявляється в магнітомеханічних явищах. Магнітомеханічні явища дозволяють визначати магнітомеханічні відносини і на підставі цього робити висновки про роль орбітальних або спінових магнітних моментів у процесах намагнічування. Так, наприклад, досліди Ейнштейна показали, що за намагніченість феромагнітних (залізомагнітних) матеріалів відповідають спінові магнітні моменти електронів.

Ядра, атоми та молекули також мають магнітний момент. Магнітний момент молекули є векторною сумою магнітних моментів атомів, у тому числі вона складається. Магнітне поле впливає на орієнтацію частинок, що мають магнітні моменти, внаслідок чого речовина намагнічується. Ступінь намагнічування речовини характеризується намагніченістю. Середнє значення вектора намагніченості дорівнює відношенню сумарного магнітного моменту Spmi всіх частинок, розташованих в об'ємі магнетика, до цього об'єму:

Отже, намагніченість є середнім магнітним моментом одиниці обсягу магнетика. Одиницею намагніченості служить ампер на метр (А/м).

39. Властивості магнетиків та магнітні властивості тканин людини

Молекули парамагнетиків мають відмінні від нуля магнітні моменти. За відсутності магнітного поля ці моменти розташовані хаотично та його намагніченість дорівнює нулю. Ступінь упорядкованості магнітних моментів залежить від двох протилежних факторів - магнітного поля та молекулярно-хаотичного руху, тому намагніченість залежить як від магнітної індукції, так і від температури.

У неоднорідному магнітному полі у вакуумі частинки парамагнітної речовини переміщуються у бік більшого значення магнітної індукції, як то кажуть, втягуються в поле. До парамагнетиків відносять алюміній, кисень, молібден і т.д.

Діамагнетизм властивий усім речовинам. У парамагнетиках діамагнетизм перекривається сильнішим парамагнетизмом.

Якщо магнітний момент молекул дорівнює нулю або настільки малий, що діамагнетизм переважає над парамагнетизмом, речовини, що складаються з таких молекул, відносять до діамагнетиків. Намагніченість діамагнетиків спрямована протилежно до магнітної індукції, її значення зростає зі зростанням індукції. Частинки діамагнетика у вакуумі у неоднорідному магнітному полі виштовхуватимуться з поля.

Феромагнетики, подібно до парамагнетиків, створюють намагніченість, спрямовану на індукцію поля; їх відносна магнітна проникність набагато більше одиниці. Феромагнітні властивості притаманні не окремим атомам або молекулам, а лише деяким речовинам, що знаходяться в кристалічному стані. До феромагнетиків відносять кристалічне залізо, нікель, кобальт, багато сплавів цих елементів між собою та з іншими неферомагнітними сполуками, а також сплави та сполуки хрому та марганцю з неферомагнітними елементами. Намагніченість феромагнетиків залежить не тільки від магнітної індукції, а й від їхнього попереднього стану, від часу знаходження зразка в магнітному полі. Хоча феромагнетиків і не дуже багато в природі, в основному саме їх використовують як магнітні матеріали у техніці.

Тканини організму значною мірою діамагнітні, подібно до води. Однак в організмі є і парамагнітні речовини, молекули та іони. Феромагнітних частинок в організмі немає. Біоструми, що виникають в організмі, є джерелом слабких магнітних полів. У деяких випадках індукцію таких полів вдається виміряти. Так, наприклад, на підставі реєстрації тимчасової залежності індукції магнітного поля серця (біотуків серця) створено діагностичний метод – магнітокардіографія. Так як магнітна індукція пропорційна силі струму, а сила струму (біострум) згідно із законом Ома пропорційна напрузі (біопотенціал), то загалом магніто-кардіограма аналогічна електрокардіограмі. Однак магнітокардіографія на відміну електрокардіографії є безконтактним методом, бо магнітне поле може реєструватися і на деякій відстані від біологічного об'єкта - джерела поля.

40. Електромагнітна індукція. Енергія магнітного поля

Суть електромагнітної індукції - змінне магнітне поле породжує електричне поле (відкрито М. Фарадеєм 1831 р.). Основний закон електромагнітної індукції При будь-якій зміні магнітного потоку в ньому виникають електрорушійні сили електромагнітної індукції.

де e – електрорушійні сили;

dt – проміжок часу;

dФ – зміна магнітного потоку. Це основний закон електромагнітної індукції, чи закон Фарадея.

При зміні магнітного потоку, що пронизує контур (зміні магнітного поля з часом, наближенні або видаленні магніту, зміні сили струму в сусідньому або дальньому контурі тощо), у контурі завжди виникає електрорушійна сила електромагнітної індукції, пропорційна швидкості зміни магнітного потоку. Зміна магнітного поля спричиняє електричне поле. Так як струм є похідною від заряду за часом, то можна записати:

Звідси випливає, що заряд, що протікає у провіднику внаслідок електромагнітної індукції, залежить від зміни магнітного потоку, що пронизує контур, та його опору. Цю залежність використовують для вимірювання магнітного потоку приладами, що реєструють електричний заряд, що індукується в контурі.

Одним із проявів електромагнітної індукції є виникнення замкнутих індукційних струмів (вихрових струмів, або струмів Фуко) в суцільних провідних тілах, таких як металеві деталі, розчини електролітів, біологічні органи і т. п. Вихрові струми утворюються при переміщенні провідного тіла в магнітному полі зміні з часом індукції поля, а також за сукупної дії обох факторів. Інтенсивність вихрових струмів залежить від електричного опору тіла і, отже, від питомого опору та розмірів, а також від швидкості зміни магнітного потоку. У фізіотерапії розігрів окремих частин тіла людини вихровими струмами призначається як лікувальна процедура, звана індуктотермією.

Електромагнітними коливаннями називають періодичні взаємозалежні зміни зарядів, струмів, напруженостей електричного та магнітного полів. Поширення електромагнітних коливань у просторі відбувається як електромагнітних хвиль. Серед різних фізичних явищ електромагнітні коливання та хвилі займають особливе місце.

Змінний струм - будь-який струм, що змінюється з часом. Однак частіше термін "змінний струм" застосовують до квазістаціонарних струмів, що залежать від часу за гармонійним законом.

41. Повне опір ((імпеданс) тканин організму. Фізичні основи реографії

Тканини організму проводять не тільки постійний, а й змінний струм. В організмі немає таких систем, які б подібні до котушок індуктивності, тому індуктивність його близька до нуля.

Біологічні мембрани (і, отже, весь організм) мають ємнісні властивості, у зв'язку з цим повний опір тканин організму визначається тільки омічним і ємнісним опорами Наявність в біологічних системах ємнісних елементів підтверджується тим, що сила струму випереджає. Частотна залежність імпедансу дозволяє оцінити життєздатність тканин організму, це важливо знати для пересадки (трансплантації) тканин та органів. Імпеданс тканин та органів залежить також і від їх фізіологічного стану Так, при кровонаповненні судин імпеданс змінюється залежно від стану серцево-судинної діяльності.

Діагностичний метод, заснований на реєстрації застосування імпедансу тканин у процесі серцевої діяльності, називають реографією (імпеданс-плетизмографією). За допомогою цього методу отримують рео грами головного мозку (реоенцефалограми), серце (реокардіограми), магістральних судин, легких печінки та кінцівок. Вимірювання зазвичай проводять на частоті 30 кГц. Електричний імпульс і імпульсний струм Електричним імпульсом називається короткочасна зміна електричної напруги або сили струму. У техніці імпульси поділяються на дві великі групи: відео- та радіоімпульси.

Відеоімпульси - це електричні імпульси струму або напруги, які мають постійну складову, відмінну від нуля. Таким чином, відеоімпульс має переважно одну полярність. За формою відеоімпульси бувають прямокутними, пилкоподібними, трапецеїдальними, експоненціальними, дзвоноподібними та ін.

Радіоімпульси – це модульовані електромагнітні коливання.

У фізіології терміном "електричний імпульс" (або "електричний сигнал") позначають саме відеоімпульси. Повторювані імпульси називають імпульсним струмом. Він характеризується періодом (періодом повторення імпульсів) Т – середнім часом між початками сусідніх імпульсів та частотою (частотою повторення імпульсів):

f=1/T.

Сважливістю проходження імпульсів називається ставлення:

Величина, обернена шпаруватості, є коефіцієнт заповнення:

42. Поняття про теорію Максвелла. Струм зміщення

Дж. Максвелл створив у рамках класичної фізики теорію електромагнітного поля. В основі теорії Дж. Максвелла лежать два положення.

1. Будь-яке переміщене електричне поле породжує вихрове магнітне поле. Змінне електричне поле було названо Максвеллом, так як воно, подібно до звичайного струму, викликає магнітне поле. Вихрове магнітне поле породжується як струмами провідності Iпр (рухомими електричними зарядами), так і струмами зміщення (переміщеним електричним полем Е).

Перше рівняння Максвелла

2. Будь-яке переміщене магнітне поле породжує вихрове електричне (основний закон електромагнітної індукції).

Друге рівняння Максвелла:

Воно пов'язує швидкість зміни магнітного потоку крізь будь-яку поверхню та циркуляцію вектора напруженості електричного поля, що виникає при цьому. Циркуляція береться по контуру, який спирається поверхню.

З положень теорії Максвелла випливає, що виникнення будь-якого поля (електричного або магнітного) в деякій точці простору спричиняє цілий ланцюг взаємних перетворень: змінне електричне поле породжує магнітне, зміна магнітного поля породжує електричне.

Взаємне утворення електричних та магнітних полів призводить до електромагнітного поля - поширення єдиного електромагнітного поля у просторі. Швидкість поширення електромагнітних хвиль дорівнює швидкості світла. Це стало основою створення Максвеллом електромагнітної теорії світла. Ця теорія стала дуже важливим етапом у подальшому розвитку медичної фізики.

43. Класифікація частотних інтервалів, прийнята у медицині

З теорії Максвелла випливає, що різні електромагнітні хвилі, у тому числі світлові, мають загальну природу. У зв'язку з цим доцільно уявити всілякі електромагнітні хвилі як єдиної шкали.

Будь-яка шкала умовно поділяється на шість діапазонів: радіохвилі (довгі, середні та короткі), інфрачервоні, видимі, ультрафіолетові, рентгенівські та гамма-випромінювання. Ця класифікація визначається або механізмом утворення хвиль, або можливістю зорового сприйняття їх людиною. Радіохвилі обумовлені змінними струмами у провідниках та електронними потоками (макровипромінювачі).

Інфрачервоне, видиме та ультрафіолетове випромінювання виходять з атомів, молекул та швидких заряджених частинок (мікровипромінювачів). Рентгенівське випромінювання виникає при внутрішньоатомних процесах. Гамма-випромінювання має ядерне походження.

Деякі діапазони перекриваються, оскільки хвилі однієї й тієї ж довжини можуть утворюватись у різних процесах. Так, найбільш короткохвильове ультрафіолетове випромінювання перекривається довгохвильовим рентгенівським. У цьому плані дуже характерна прикордонна область інфрачервоних хвиль і радіохвиль. До 1922 р. між цими діапазонами був пробіл. Найбільш короткохвильове випромінювання цього незаповненого проміжку мало молекулярне атомне походження (випромінювання нагрітого тіла), а найбільше довгохвильове випромінювалося макроскопічними вібраторами Герца. Навіть міліметрові хвилі можуть генеруватися як радіотехнічними засобами, а й молекулярними переходами. З'явився розділ "Радіоспектроскопія", який вивчає поглинання та випромінювання радіохвиль різними речовинами.

У медицині прийнято такий умовний поділ електромагнітних коливань на частотні діапазони (табл. 1).

Таблиця 1

Умовний поділ електромагнітних коливань на частотні діапазони

Часто фізіотерапевтичну електронну апаратуру низької та звукової частоти називають низькочастотною. Електронну апаратуру решти частот називають узагальнюючим поняттям - " високочастотна апаратура " .

44. Фізичні процеси у тканинах, що виникають при впливі струмом та електромагнітними полями

Усі речовини складаються з молекул, кожна їх є системою зарядів. Тому стан тіл істотно залежить від струмів, що протікають через них, і від електромагнітного поля, що впливає. Електричні властивості біологічних тіл складніші, ніж властивості неживих об'єктів, бо організм - це ще й сукупність іонів із змінною концентрацією у просторі.

Первинний механізм впливу струмів та електромагнітних полів на організм – фізичний.

Первинне вплив постійного струму на тканини організму. Гальванізація. Електрофорез лікарських речовин

Людський організм значною мірою складається з біологічних рідин, що містять велику кількість іонів, які беруть участь у різних обмінних процесах. Під впливом електричного поля іони рухаються з різною швидкістю і накопичуються біля клітинних мембран, утворюючи зустрічне електричне поле, зване поляризаційним. Таким чином, первинна дія постійного струму пов'язана з рухом іонів у різних елементах тканин.

Вплив постійного струму на організм залежить від сили струму, тому дуже важливе значення має електричний опір тканин, насамперед шкіри. Волога, піт значно зменшують опір, що навіть при невеликій напрузі може спричинити проходження струму через організм. Безперервний постійний струм напругою 60-80 використовують як лікувальний метод фізіотерапії (гальванізація). Джерелом струму служить двонапівперіодний випрямляч - апарат гальванізації. Застосовують електроди з листового свинцю товщиною 0,3-0,5 мм. Так як продукти електролізу розчину кухонної солі, що містяться в тканинах, викликають припікання, між електродами і шкірою поміщають гідрофільні прокладки, змочені теплою водою.

Постійний струм використовують у лікувальній практиці також для введення лікарських речовин через шкіру або слизові оболонки. Цей метод отримав назву електрофорезу лікарських речовин. Для цієї мети роблять так само, як і при гальванізації, але прокладку активного електрода змочують розчином відповідної лікарської речовини. Ліки вводять з того полюса, зарядом якого воно має: аніони вводять з катода, катіони - з анода.

Гальванізацію та електрофорез лікарських речовин можна здійснювати за допомогою рідинних електродів у вигляді ванн, в які занурюють кінцівки пацієнта.

45. Вплив змінними (імпульсними) струмами

Дія змінного струму організм істотно залежить від його частоти. При низьких, звукових та ультразвукових частотах змінний струм, як і постійний, має подразнюючу дію на біологічні тканини. Це зумовлено усуненням іонів розчинів електролітів, їх поділом, зміною їх концентрації у різних частинах клітини та міжклітинного простору.

Роздратування тканин залежить також і від форми імпульсного струму, тривалості імпульсу та його амплітуди. Так, наприклад, збільшення крутості фронту імпульсу зменшує граничну силу струму, що викликає скорочення м'язів. Це свідчить, що м'язи пристосовуються до зміни сили струму, наступають іонні компенсаційні процеси. Так як специфічна фізіологічна дія електричного струму залежить від форми імпульсів, то в медицині для стимуляції центральної нервової системи (електросна, електронаркоза), нервово-м'язової системи, серцево-судинної системи (кардіостимулятори, дефібрилятори) та іншого використовують струми з різною тимчасовою залежністю.

Впливаючи на серце, струм може спричинити фібриляцію шлуночків, що призводить до загибелі людини. Порогова сила струму, що викликає фібриляцію, залежить від щільності струму, що протікає через серце, частоти та тривалості його дії. Струм або електромагнітна хвиля мають тепловий ефект. Лікувальне прогрівання високочастотними електромагнітними коливаннями має низку переваг перед традиційним і простим способом - грілкою. Прогрівання грілкою внутрішніх органів здійснюється за рахунок теплопровідності зовнішніх тканин - шкіри та підшкірної жирової клітковини. Високочастотне прогрівання відбувається за рахунок утворення теплоти у внутрішніх частинах організму, тобто його можна створити там, де воно потрібне. Прогрівання високочастотними коливаннями зручно і тим, що, регулюючи потужність генератора, можна керувати потужністю тепловиділення у внутрішніх органах, а за деяких процедур можливо і дозування нагріву. Для нагрівання тканин струмами використовуються струми високої частоти. Пропускання струму високої частоти через тканину використовують у фізіотерапевтичних процедурах, які називаються діатермією та місцевою дарсонвалізацією.

При діатермії застосовують струм частотою близько 1 мГц зі слабкими коливаннями, напругою 100-150 В; сила струму становить кілька амперів. Так як найбільший питомий опір мають шкіра, жир, кістки, м'язи, то вони і нагріваються сильніше. Найменше нагрівання в органів, багатих кров'ю або лімфою, це легені, печінка, лімфатичні вузли.

Недолік діатермії - велика кількість теплоти непродуктивно виділяється у шарі шкіри та підшкірній клітковині. Останнім часом діатермія йде з терапевтичної практики та замінюється іншими методами високочастотного впливу.

Струми високої частоти використовуються також і для хірургічних цілей (електрохірургія). Вони дозволяють припікати, "зварювати" тканини (діатермокоагуляція) або розтинати їх (діатермотомія).

46. Вплив змінним магнітним полем

У потужних провідних тілах, що у змінному полі, з'являються вихрові струми. Ці струми можуть використовуватися для прогрівання біологічних тканин та органів. Такий лікувальний метод – індуктотермія – має ряд переваг перед методом діатермії. При індуктотермії кількість теплоти, що виділяється в тканинах, пропорційно квадратам частоти та індукції змінного магнітного поля і обернено пропорційно до питомого опору. Тому сильніше нагріватимуться тканини, багаті на судини (наприклад, м'язи), ніж жирові. Лікування вихровими струмами можливе також за загальної дарсонвалізації. У цьому випадку пацієнта поміщають у клітину-соленоїд, по витках якої пропускають імпульсний струм високої частоти.

Вплив змінним електричним полем. У тканинах, що у змінному електричному полі, виникають струми усунення і струми провідності. Зазвичай з цією метою використовують електричні поля ультрависокої частоти, тому відповідний фізіотерапевтичний метод отримав назву УВЧ-терапії. Прийнято використовувати в апаратах УВЧ частоту 40,58 мГц, при струмах такої частоти діелектричні тканини організму нагріваються інтенсивніше за провідні.

Вплив електромагнітними хвилями. Фізіотерапевтичні методи, засновані на застосуванні електромагнітних хвиль НВЧ-діапазону, залежно від довжини хвилі отримали дві назви: "мікрохвильова терапія" та "ДЦВ-терапія". В даний час найбільш розроблена теорія про тепловий вплив НВЧ-полів на біологічні об'єкти.

Електромагнітна хвиля поляризує молекули речовини та періодично переорієнтує їх як електричні диполі. Крім того, електромагнітна хвиля впливає на іони біологічних систем та викликає змінний струм провідності. Все це призводить до нагрівання речовини.

Електромагнітні хвилі можуть впливати на біологічні процеси, розриваючи водневі зв'язки та впливаючи на орієнтацію макромолекул ДНК та РНК.

При попаданні електромагнітної хвилі на ділянку тіла відбувається її часткове відбиття від поверхні шкіри. Ступінь відбиття залежить від відмінності діелектричних проникностей повітря та біологічних тканин. Глибина проникнення електромагнітних хвиль у біологічні тканини залежить від здатності цих тканин поглинати енергію хвиль, що у свою чергу визначається як будовою тканин (головним чином вмістом води), так і частотою електромагнітних хвиль. Так, сантиметрові електромагнітні хвилі, що використовуються у фізіотерапії, проникають у м'язи, шкіру, біологічні рідини на глибину близько 2 см, а в жир та кістки – близько 10 см.

Враховуючи складний склад тканин, умовно вважають, що за мікрохвильової терапії глибина проникнення електромагнітних хвиль дорівнює 3-5 см від поверхні тіла, а при ДЦВ-терапії - до 9 см.

47. Електроніка

Електроніка - це поняття, поширене нині. Електроніка ґрунтується насамперед на досягненнях фізики. Сьогодні без електронної апаратури неможливі ні діагностика захворювань, ні ефективне лікування.

Термін "електроніка" значною мірою умовний. Найправильніше під електронікою розуміти область науки і техніки, в якій розглядаються робота та застосування електровакуумних, іонних та напівпровідникових пристроїв (приладів). Виділяють фізичну електроніку, маючи на увазі розділ фізики, що розглядає електропровідність тіл, контактні та термоелектронні явища. Під технічною електронікою розуміють ті її розділи, в яких описуються пристрої приладів та апаратів та схеми їх включення. Напівпровідникової електронікою називають те, що стосується застосування напівпровідникових приладів, і т.п.

Іноді всю електроніку поділяють на три великі області: вакуумна електроніка, яка охоплює питання створення та застосування електровакуумних приладів (наприклад, електронні лампи, фотоелектронні пристрої, рентгенівські трубки, газорозрядні прилади); твердотільна електроніка, яка охоплює питання створення та застосування напівпровідникових приладів, у тому числі і інтегральних схем; квантова електроніка - специфічний розділ електроніки, що має відношення до лазерів.

Електроніка – динамічна галузь науки та техніки. На основі нових ефектів (явлень) створюються електронні пристрої, у тому числі й такі, що знаходять застосування в біології та медицині.

Будь-який технічний (радіотехнічний чи електронний) пристрій прагнуть модернізувати, зробити більш малогабаритним і т. п. Однак при цьому виникають труднощі. Так, наприклад, зменшення габаритів виробу може зменшувати його надійність тощо.

Істотним зрушенням у мініатюризації електронних пристроїв було використання напівпровідникових діодів та тріодів, що дозволило довести щільність електронних пристроїв до 2-3 елементів на 1 см3.

p align="justify"> Наступним етапом мініатюризації електроніки, який розвивається і в даний час, є створення інтегральних схем. Це мініатюрний електронний пристрій, у якого всі елементи (або їх частина) неподільно пов'язані конструктивно і електрично з'єднані між собою. Розрізняють два основні типи інтегральних схем: напівпровідникові та плівкові.

Напівпровідникові інтегральні схеми виготовляють із особливо чистих напівпровідників. Шляхом термічної, дифузної та іншої обробки змінюють кристалічну решітку напівпровідника так, що окремі області стають різними елементами схеми. Плівкові інтегральні схеми виготовляють шляхом осадження різних матеріалів у вакуумі відповідні підкладки. Використовують також гібридні інтегральні схеми - поєднання напівпровідникових та плівкових схем.

48. Медична електроніка

Одне з найпоширеніших застосувань електронних пристроїв пов'язане з діагностикою та лікуванням захворювань. Розділи електроніки, у яких розглядаються особливості застосування електронних систем на вирішення медико-біологічних завдань, і навіть пристрої відповідної апаратури, отримали назву медичної електроніки.

Медична електроніка ґрунтується на відомостях з фізики, математики, техніки, медицини, біології, фізіології та інших наук, вона включає в себе біологічну та фізіологічну електроніку.

Нині багато традиційно " неелектричні " характеристики (температуру, усунення тіла, біохімічні показники та інших.) при вимірах прагнуть перетворити на електричний сигнал. Інформацію, подану електричним сигналом, зручно передавати на відстань та надійно реєструвати. Можна виділити такі основні групи електронних приладів та апаратів, які використовуються для медико-біологічних цілей.

1. Пристрої для одержання (схема), передачі та реєстрації медико-біологічної інформації. Така інформація може бути не тільки про процеси, що відбуваються в організмі (у біологічній тканині, органах, системах), а й про стан навколишнього середовища (санітарно-гігієнічне призначення), про процеси, що відбуваються в протезах, і т.д. частина діагностичної апаратури: балі-стокардіографи, фонокардіографи та ін.

2. Електронні пристрої, що забезпечують дозуючий вплив на організм різними фізичними факторами (такими як ультразвук, електричний струм, електромагнітні поля та ін.) з метою лікування: апарати мікрохвильової терапії, апарати для електрохірургії, кардіостимулятори та ін. 3. Кібернетичні електронні пристрої:

1) електронні обчислювальні машини для переробки, зберігання та автоматичного аналізу медико-біологічної інформації;

2) пристрої для управління процесами життєдіяльності та автоматичного регулювання навколишньої людини середовища;

3) електронні моделі біологічних процесів та ін. Одним із важливих питань, пов'язаних з пристроєм

електронної медичної апаратури є її електробезпека як для пацієнтів, так і для медичного персоналу. В електричній мережі та в технічних пристроях зазвичай задають електричну напругу, але вплив на організм або органи надає електричний струм, тобто заряд, що протікає через біологічний об'єкт в одиницю часу.

Опір тіла людини між двома дотиками (електродами) складається з опору внутрішніх тканин та органів та опору шкіри.

Основна та головна вимога - зробити недоступним торкання апаратури, що знаходиться під напругою. Для цього насамперед ізолюють частини приладів та апаратів, що знаходяться під напругою, один від одного та від корпусу апаратури.

49. Як забезпечується надійність медичної апаратури

При проведенні процедур з використанням електродів, накладених на пацієнта, важко передбачити безліч варіантів створення електронебезпечної ситуації, тому слід чітко дотримуватися інструкцій щодо проведення даної процедури, не роблячи будь-яких відступів від неї.

Надійність медичної апаратури Медична апаратура має нормально функціонувати. Здатність виробу не відмовляти у роботі в заданих умовах експлуатації та зберігати свою працездатність протягом заданого інтервалу часу характеризують узагальнюючим терміном - "надійність". Для медичної апаратури проблема надійності особливо актуальна, оскільки вихід приладів та апаратів з ладу може призвести не лише до економічних втрат, а й до загибелі пацієнтів. Здатність апаратури до безвідмовної роботи залежить багатьох причин, врахувати дію яких практично неможливо, тому кількісна оцінка надійності має імовірнісний характер. Так, наприклад, важливим параметром є можливість безвідмовної роботи. Вона оцінюється експериментально ставленням числа працюючих (не зіпсованих) за певний час виробів до загального числа виробів, що випробовувалися. Ця характеристика оцінює можливість збереження виробом працездатності у заданому інтервалі часу. Іншим кількісним показником надійності є інтенсивність відмов. Залежно від можливих наслідків відмови у процесі експлуатації медичні вироби поділяються на чотири класи.

А - вироби, відмова яких становить безпосередню небезпеку життя пацієнта чи персоналу. До виробів цього класу відносяться прилади для спостереження за життєво важливими функціями хворого, апарати штучного дихання та кровообігу.

Б - вироби, відмова яких викликає спотворення інформації про стан організму або навколишнього середовища, що не призводить до безпосередньої небезпеки для життя пацієнта або персоналу, або потребує негайного використання аналогічного за функціональним призначенням виробу, що знаходиться в режимі очікування. До таких виробів належать системи, що стежать за хворим, апарати стимуляції серцевої діяльності.

В - вироби, відмова яких знижує ефективність або затримує лікувально-діагностичний процес у некритичних ситуаціях, або підвищує навантаження на медичний або обслуговуючий персонал, або призводить лише до матеріальних збитків. До цього класу належить більшість діагностичної та фізіотерапевтичної апаратури, інструментарій та ін.

Г - вироби, які містять відмовоспроможних частин. Електромедична апаратура до цього класу не належить.

50. Система отримання медико-біологічної інформації

Будь-яке медико-біологічне дослідження пов'язане з отриманням та реєстрацією відсутньої інформації. Для того щоб отримати та зафіксувати інформацію про стан та параметри медико-біологічної системи, необхідно мати цілу сукупність пристроїв. Первинний елемент цієї сукупності - чутливий елемент засобу вимірювань, званий пристроєм знімання, - неодмінно контактує чи взаємодіє із системою.

У пристроях медичної електроніки чутливий елемент або прямо видає електричний сигнал, або змінює такий сигнал під впливом біологічної системи. Пристрій знімання перетворює інформацію медико-біологічного та фізіологічного вмісту на сигнал електронного пристрою. У медичній електроніці використовуються два види пристроїв знімання: електроди та датчики.

Електроди - це провідники спеціальної форми, що з'єднують вимірювальний ланцюг із біологічною системою. При діагностиці електроди використовуються не тільки для знімання електричного сигналу, але і для підведення зовнішнього електромагнітного впливу (наприклад, реографії). У медицині електроди використовуються також для надання електромагнітного впливу з метою лікування та при електростимуляції.

Багато медико-біологічних характеристик не можна "зняти" електродами, оскільки вони не відбиваються біоелектричним сигналом: тиск крові, температура, звуки серця та багато інших. У деяких випадках медико-біологічна інформація пов'язана з електричним сигналом, у цих випадках використовують датчики (вимірювальні перетворювачі). Датчиком називають пристрій, що перетворює вимірювану або контрольовану величину сигнал, зручний для передачі, подальшого перетворення або реєстрації. Датчики поділяються на генераторні та параметричні.

Генераторні - це датчики, які під впливом сигналу, що вимірювається, безпосередньо генерують напругу або струм. До таких типів датчиків відносяться:

1) п'єзоелектричні;

2) термоелектричні;

3) індукційні;

4) фотоелектричні.

Параметричні - це датчики, у яких під впливом сигналу, що вимірюється змінюється який-небудь параметр.

До таких датчиків відносяться:

1) ємнісні;

2) реостатні;

3) індуктивні.

Залежно від енергії, яка є носієм інформації, розрізняють механічні, акустичні (звукові), температурні, електричні, оптичні та інші датчики.

Біоелектричні потенціали є суттєвим діагностичним показником багатьох захворювань. Тому дуже важливо правильно реєструвати ці потенціали та отримувати необхідну медичну інформацію.

51. Підсилювачі-генератори

Підсилювачами електричних сигналів або електронними підсилювачами називають пристрої, які перетворюють енергію джерел постійної напруги в енергію електромагнітних коливань різної форми.

За принципом роботи розрізняють генератори із самозбудженням та генератори із зовнішнім збудженням, які по суті є підсилювачами потужності високої частоти.

Генератори поділяються за частотою та потужністю коливань. У медицині електронні генератори знаходять три основні застосування: у фізіотерапевтичній електронній апаратурі; у електронних стимуляторах; в окремих діагностичних приладах, наприклад, у реографі.

Всі генератори поділяються на низькочастотні та високочастотні. Медичні апарати - генератори гармонійних та імпульсних низькочастотних електромагнітних коливань поєднують дві великі групи пристроїв, які важко чітко розмежувати: електронні стимулятори (електростимулятори) та апарати фізіотерапії. При невеликих частотах найбільш суттєво специфічна, а не теплова дія струму. Лікування струмом має характер стимулювання будь-якого ефекту, тому має місце як би змішання понять "лікувальний апарат" та "електростимулятор".

Електростимулятори поділяються на стаціонарні, носні та імплантовані (вживлювані).

Кардиостимулятором, що носить і часто імплантується, є імплантований радіочастотний електростимулятор ЕКСР-01. Приймач приймає радіосигнали від зовнішнього передавача. Ці сигнали сприймаються всередині тіла хворого на імплантовану частину і у вигляді імпульсів через електроди подаються на серце. До технічних пристроїв електростимуляції відносяться електроди для підведення електричного сигналу до біологічної системи. У багатьох випадках електростимулювання здійснюється пластинчастими електродами, які накладаються на тіло людини подібно до електродів для електрокардіографії.

Велика група медичних апаратів - генераторів електромагнітних коливань і хвиль - працює у діапазоні ультразвукових, високих, ультрависоких частот і називається узагальнюючим терміном " високочастотна електронна апаратура " .

При УВЧ-терапії частину тіла, що прогрівається, поміщають між дископодібними металевими електродами, покритими шаром ізолятора. При вплив електромагнітними хвилями до тіла наближають випромінювач цих хвиль.

До інших фізіотерапевтичних апаратів відносяться:

1) апарат "Іскра-1" - високочастотний генератор, що працює в імпульсному режимі та використовується для місцевої дарсонвалізації;

2) апарат ІКВ-4 для індуктотермії, що працює на частоті 13,56 мГц;

3) переносний апарат для УВЧ-терапії – УВЧ-66;

4) апарат для мікрохвильової терапії "Промінь-58".

До високочастотної електронної медичної апаратури належать і апарати електрохірургії (високочастотної хірургії).

52. Оптика

Оптика - розділ фізики, в якому розглядаються закономірності випромінювання, поглинання та поширення світла.

Закон прямолінійного поширення світла.

Світло у прозорому однорідному середовищі поширюється прямолінійно.

Світловий промінь - це нескінченно тонкий пучок світла, що розповсюджується прямолінійно, це лінія, що вказує напрямок поширення світлової енергії.

Плоский дзеркало. Якщо паралельні промені, що падають, після відображення від плоскої поверхні залишаються паралельними, то таке відображення називається дзеркальним, а поверхня, що відбиває, є плоским дзеркалом.

Закони заломлення світла. Падаючий і заломлений промені та нормаль до межі поділу середовищ у точці падіння лежать в одній площині.

sin α /sin β = n,

де - кут між падаючим променем і нормаллю; β - кут між заломленим променем та нормаллю. Абсолютний та відносний показники заломлення.

Відносний показник заломлення світла n = n₁/ н₂,

де n₁ та n₂ - абсолютні показники заломлення двох середовищ, рівні відношенню швидкості поширення світла у вакуумі до швидкості поширення світла у середовищі:

n= c/v₁, н₂= c/v₂

Хід променів у призмі. Закон заломлення світла дозволяє розрахувати хід променів у різних оптичних пристроях, зокрема у трикутній призмі.

Повне відхилення променя

d = a₁ + b₂ × w,

w = b₁ + a₂.

Якщо w малий, то:

d = (n-1) ч w,

де n – показник заломлення речовини призми.

Яви повного внутрішнього відображення. Якщо промінь йде з середовища, оптично більш щільного (з великим показником заломлення), в середу, оптично менш щільного, то:

При певному значенні кута падіння a0 заломлений промінь ковзає вздовж межі поділу середовища

β = n/2, тоді sinα₀ = ні₁/ н₂

53. Хвильова оптика

Хвильові властивості світла. Світло - це електромагнітні хвилі в інтервалі частотою 13 х 1014-8 х год 1014 Гц, що сприймаються людським оком, тобто довжина хвиль 380 х 770 нм. Світлану притаманні всі властивості електромагнітних хвиль: відображення, заломлення, інтерференція, дифракція, поляризація.

Електромагнітна природа світла. До середини XIX питання про природу світла залишалося практично невирішеним. Відповідь на нього було знайдено Дж. Максвеллом, який обґрунтував загальні закони електромагнітного поля. З теорії Дж. Максвелла слідував висновок у тому, що світло - це електромагнітні хвилі певного діапазону. Швидкість світла у однорідному середовищі. Швидкість світла визначається електричними та магнітними властивостями середовища. Підтвердженням цього служить збіг швидкості світла у вакуумі з постійною електродинамічною:

(ε₀ - електрична постійна, m₀ - магнітна стала). Швидкість світла в однорідному середовищі, як відомо, визначається показником заломлення середовища п. Швидкість світла в речовині:

υ = c / n

де з - швидкість світла у вакуумі.

З теорії Максвелла випливає:

тобто показник заломлення, а отже, і швидкість у середовищі визначаються діелектричною та магнітною проникністю середовища:

Інтерференцією називається складання хвиль від двох або кількох джерел, коли в результаті додавання порушується принцип суперпозиції інтенсивностей.

Щільність енергії в електромагнітній хвилі пропорційна квадрату амплітуди хвилі та визначає інтенсивність світлової хвилі, яку людське око оцінює як освітленість. Дифракція світла - явища відхилення світла від прямолінійного спрямування під час проходження біля краю перешкоди.

Дифракція хвиль - сукупність явищ, що спостерігаються під час проходження хвиль у неоднорідних середовищах, що призводять до відхилення хвиль від первісного прямолінійного поширення.

Принцип Ґюйгенса-Френеля. Кожна точка поверхні, якої досягла в даний момент хвиля, служить точковим джерелом вторинних сферичних хвиль, які є когерентними: хвильова поверхня в будь-який момент часу є не просто загальним вторинних хвиль, а результат їх інтерференції.

Метод зон Френеля. Для точкового джерела в однорідному та ізотропному середовищі хвильові поверхні мають сферичну форму. Френель запропонував розбивати хвильову поверхню на окремі ділянки, звані зонами Френеля, так, щоб коливання, що надходять від двох сусідніх зон в точку спостереження, при складанні гасили один одного.

54. Поляризація світла

Світло є поперечними електромагнітними хвилями. Поляризація світла - упорядкування в орієнтації векторів напруженостей електричного та магнітного полів світлової хвилі у площині, перпендикулярній світловому променю. Природне світло (сонячний, лампи розжарювання) неполяризоване, тобто всі напрямки коливань електричного та магнітного векторів перпендикулярні до світлових променів, рівноправні. Існують пристрої, звані поляризаторами, які мають здатність пропускати через себе світлові промені з одним напрямом коливань електричного вектора Е, так що на виході поляризатора світло стає плоско (лінійно) поляризованим. При довільному куті між напрямками аналізатора і поляризатора амплітуда світлових коливань, що виходять з аналізатора, дорівнює:

Ea = En cos a,

де En-амплітуда коливань на виході з поляризатора.

В електромагнітній хвилі щільність енергії (інтенсивність) пропорційна квадрату амплітуди коливань Е, тобто I_n -E²_n і I_a -E²_a.

На підставі цього отримуємо:

I_a = I_n cos2 a.

Це співвідношення називається законом Малюса.

Ступінь поляризації світла (максимальна та мінімальна) дорівнює інтенсивності частково поляризованого світла, що пропускається аналізатором.

Поляризація відбувається і межі двох ізотропних діелектриків. Якщо падаюче світло природне, то заломлене і відбите промені частково поляризоване, причому переважний напрям коливань електричного вектора заломленої хвилі лежить у площині падіння, а відбитий - перпендикулярно їй. Ступінь поляризації залежить від показника заломлення другого середовища щодо першого:

n₂₁ = ні₂/n₁

і від кута падіння а, причому при куті падіння аБ, для якого tg а_Б = ні₂₁ (Закон Брюстера), відбитий промінь поляризований практично повністю, а ступінь поляризації заломленого променя максимальна.

Подвійним променезаломленням називається здатність деяких речовин, зокрема кристалів, розщеплювати падаючий світловий промінь на два промені - звичайний (О) і незвичайний (Е), які поширюються в різних напрямках з різною фазовою швидкістю і поляризовані у взаємно перпендикулярних площинах.

При проходженні світла через деякі речовини, які називають оптично активними, площина поляризації світла повертається навколо напрямку променя. Кут повороту f площині поляризації пропорційний шляху I, пройденому світлом в оптично активній речовині:

де а - постійна обертання, яка залежить від властивостей

f = aI,

речовини та довжини світлової хвилі

55. Оптична система ока та деякі її особливості

Око людини є своєрідним оптичним приладом, який займає оптику особливе місце. Для медиків очей не тільки орган, здатний до функціональних порушень та захворювань, а й джерело інформації про деякі неочісні хвороби. Зупинимося коротко на будові ока людини.

Власне оком є очне яблуко, що має не зовсім правильну кулясту форму. Стінки ока складаються з трьох концентрично розташованих оболонок: зовнішньої, середньої та внутрішньої. Зовнішня білкова оболонка – склера – у передній частині ока перетворюється на прозору опуклу рогову оболонку – рогівку. За оптичними властивостями рогівка - найбільше заломлююча частина ока. Вона є ніби вікном, через яке в око проходять промені світла. Зовнішній покрив рогівки перетворюється на кон'юнктиву, прикріплену до століть.

До склер прилягає судинна оболонка, внутрішня поверхня якої вистелена шаром темних пігментних клітин, що перешкоджають внутрішньому дифузному розсіянню світла в оці. У передній частині ока судинна оболонка переходить у райдужну, в якій є круглий отвір - зіниця. Безпосередньо до зіниці з внутрішнього боку ока примикає кришталик - прозоре і пружне тіло, подібне до двоопуклої лінзи. Діаметр кришталика 8-10 мм, радіус кривизни передньої поверхні в середньому 10 мм, задньої – 6 мм. Показник заломлення речовини кришталика дещо більший – 11,4. Будова кришталика нагадує шарувату структуру цибулі, причому показник заломлення шарів неоднаковий. Між рогівкою та кришталиком розташована передня камера ока, вона заповнена вологою – рідиною, близькою за оптичними властивостями до води. Вся внутрішня частина ока від кришталика до задньої стінки зайнята прозорою драглистою масою, яка називається склоподібним тілом. Показник заломлення склоподібного тіла такий самий, як у водянистої вологи.

Розглянуті вище елементи ока в основному відносяться до його світлопровідного апарату.

Зоровий нерв входить у очне яблуко через задню стінку; розгалужуючись, він переходить у самий внутрішній шар ока - сітківку, або ретину, що є світлосприймаючим (рецепторним) апаратом ока. Сітківка складається з декількох шарів і неоднакова за своєю товщиною та чутливістю до світла, в ній знаходяться світлочутливі зорові клітини, периферичні кінці яких мають різну форму. У місці входження зорового нерва знаходиться не чутлива до світла сліпа пляма.

Око може бути представлене як центрована оптична система, утворена рогівкою, рідиною передньої камери і кришталиком (чотирма поверхнями, що заломлюються) і обмежена спереду повітряним середовищем, ззаду - склоподібним тілом. Головна оптична вісь проходить через геометричні центри рогівки, зіниці та кришталика.

Крім того, виділяють ще зорову вісь ока, яка визначає напрямок найбільшої світлочутливості і проходить через центри кришталика та жовтої плями.

56. Теплові випромінювання тіл

З усього різноманіття електромагнітних випромінювань, видимих чи невидимих людським оком, можна назвати одне, властиве всім тілам. Це випромінювання нагрітих тіл або теплове випромінювання. При тепловому випромінюванні енергія переноситься від одного тіла до іншого завдяки випромінюванню та поглинанню електромагнітних хвиль. Теплове випромінювання нагрітих тіл виникає за будь-яких температур, тому випускається всіма тілами.

Рівноважне (чорне) випромінювання - це випромінювання, що у термодинамічному рівновазі з тілами, мають певну температуру. Абсолютно чорне тіло - це тіло, яке повністю поглинає електромагнітне випромінювання, що падає на його поверхню незалежно від температури тіла.

Для абсолютно чорного тіла поглинальна здатність (відношення поглиненої енергії до енергії падаючого випромінювання) дорівнює одиниці.

За своїми характеристиками таке випромінювання підпорядковується закону випромінювання Планка, що визначає випромінювальну здатність та енергетичну яскравість чорного тіла. Він висловив гіпотезу, з якої випливало, що чорне тіло випромінює та поглинає енергію не безперервно, а певними порціями, квантами.

Закон Кірхгора встановлює кількісний зв'язок між випромінюванням та поглинанням – при однаковій щільності енергетичної світності до монохроматичного коефіцієнта поглинання світла для будь-яких тіл, у тому числі й для чорних. Закон Кірхгора встановлює, що відношення випромінювальної здатності r тіла до його поглинальної здатності абсолютно чорного тіла f(w, Т) при тих же значеннях температури та частоти:

де w – частота хвилі.

Закон Стефана-Больцмана: енергетична інтегральна світність R(T) абсолютно чорного тіла пропорційна четвертому ступеню абсолютної температури:

R(T) = QT₄.

Числове значення постійної Q, яка називається постійною Стефана-Больцмана, дорівнює:

Закон усунення Віпа - довжина lm, на яку припадає максимум енергії випромінювання абсолютно чорного тіла, обернено пропорційна абсолютній температурі Т.

Значення постійної Віпа 2,898 × 10^-3 μК.

μК - постійна Віпа. Цей закон виконується і для сірих тіл.

Прояв закону Віпа відомий із звичайних спостережень. При кімнатній температурі теплове випромінювання тіл переважно посідає інфрачервону область і людським оком не сприймається. Якщо температура підвищується, то тіла починають світитися темно-червоним світлом, а за дуже високої температури - білим з блакитним відтінком, зростає відчуття нагрітості тіла.

Автор: Подколзіна В.А.

Рекомендуємо цікаві статті розділу Конспекти лекцій, шпаргалки:

▪ Корпоративне право. Шпаргалка

▪ Вітчизняна історія. Шпаргалка

▪ Інформатика та інформаційні технології. Конспект лекцій

Дивіться інші статті розділу Конспекти лекцій, шпаргалки.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Новий спосіб управління та маніпулювання оптичними сигналами 05.05.2024

Сучасний світ науки та технологій стрімко розвивається, і з кожним днем з'являються нові методи та технології, які відкривають перед нами нові перспективи у різних галузях. Однією з таких інновацій є розробка німецькими вченими нового способу керування оптичними сигналами, що може призвести до значного прогресу фотоніки. Нещодавні дослідження дозволили німецьким ученим створити регульовану хвильову пластину всередині хвилеводу із плавленого кремнезему. Цей метод, заснований на використанні рідкокристалічного шару, дозволяє ефективно змінювати поляризацію світла через хвилевід. Цей технологічний прорив відкриває нові перспективи розробки компактних і ефективних фотонних пристроїв, здатних обробляти великі обсяги даних. Електрооптичний контроль поляризації, що надається новим методом, може стати основою створення нового класу інтегрованих фотонних пристроїв. Це відкриває широкі можливості для застосування. ...>>

Приміальна клавіатура Seneca 05.05.2024

Клавіатури – невід'ємна частина нашої повсякденної роботи за комп'ютером. Однак однією з головних проблем, з якою стикаються користувачі, є шум, особливо у випадку преміальних моделей. Але з появою нової клавіатури Seneca від Norbauer & Co може змінитися. Seneca – це не просто клавіатура, це результат п'ятирічної роботи розробників над створенням ідеального пристрою. Кожен аспект цієї клавіатури, починаючи від акустичних властивостей до механічних характеристик, був ретельно продуманий і збалансований. Однією з ключових особливостей Seneca є безшумні стабілізатори, які вирішують проблему шуму, характерну для багатьох клавіатур. Крім того, клавіатура підтримує різні варіанти ширини клавіш, що робить її зручною для будь-якого користувача. І хоча Seneca поки не доступна для покупки, її реліз запланований на кінець літа. Seneca від Norbauer & Co є втіленням нових стандартів у клавіатурному дизайні. Її ...>>

Запрацювала найвища у світі астрономічна обсерваторія 04.05.2024

Дослідження космосу та її таємниць - це завдання, яка привертає увагу астрономів з усього світу. У свіжому повітрі високих гір, далеко від міських світлових забруднень, зірки та планети розкривають свої секрети з більшою ясністю. Відкривається нова сторінка в історії астрономії із відкриттям найвищої у світі астрономічної обсерваторії – Атакамської обсерваторії Токійського університету. Атакамська обсерваторія, розташована на висоті 5640 метрів над рівнем моря, відкриває нові можливості для астрономів у вивченні космосу. Це місце стало найвищим для розміщення наземного телескопа, надаючи дослідникам унікальний інструмент вивчення інфрачервоних хвиль у Всесвіті. Хоча висотне розташування забезпечує більш чисте небо та менший вплив атмосфери на спостереження, будівництво обсерваторії на високій горі є величезними труднощами та викликами. Однак, незважаючи на складнощі, нова обсерваторія відкриває перед астрономами широкі перспективи для дослідження. ...>>

Випадкова новина з Архіву

Штучна шкіра для астронавтів 14.12.2018

Європейське космічне агентство (ESA) почало працювати над технологією 3D-друку штучної шкіри та органів для астронавтів.

Астронавти місячної місії "Аполлон" здійснили свій 12-денний політ зі скромною аптечкою, в якій були лише бинти, антибіотики та аспірин. Майбутнім космічним мандрівникам, які будуть проводити далеко від Землі місяці і навіть роки, знадобиться більш просунута медична підтримка.

Саме тому ESA запускає масштабний науковий проект під назвою "3D-друк живої тканини для дослідження космосу". Працюватимуть над ним кілька європейських університетів. Проект спрямований на вивчення перспектив використання 3D-біодруку як медичної допомоги під час тривалих космічних польотів та перебування на марсіанських чи місячних базах.

"У разі виникнення невідкладної медичної проблеми швидке повернення додому буде неможливим. Пацієнтам доведеться лікуватися на місці", - наголошує глава проекту Сандра Подхайскі.

Наприклад, у разі серйозного опіку теоретично можливо виростити нову шкіру зі своїх клітин пацієнта, та був пересадити її.

Так само, як стандартні 3D-принтери для друку тривимірних об'єктів використовують полімери або метали, 3D-біопринтери використовують "біо-чорнила" на основі клітин людини, а також поживні речовини та спеціальні каркаси, необхідні для вибудовування правильної структури шкірної, кісткової або хрящової тканини. . У найближче десятиліття вчені сподіваються навчитися друкувати цілі органи.

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Параметри радіодеталей. Добірка статей

▪ стаття Міні-електрокалоріфер. Поради домашньому майстру

▪ стаття Яку протяжність має найдовший тролейбусний маршрут у світі та де він проходить? Детальна відповідь

▪ стаття Експедитор із перевезення вантажів. Типова інструкція з охорони праці

▪ стаття Сплави, які використовуються в магнітопроводах. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Фокус з перевертання карт. Секрет фокусу

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages of this page

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт