Сочинение – рассуждение «Физические законы в работе организма человека»

Сочинение – рассуждение

«Физические законы в работе организма человека»

Старый Оскол 2012 г

 Выявление физических законов в работе организма человека

Опорно-двигательная система и закон механики

Костная система человеческого организма устроена таким образом, что при наибольшей легкости она представляет наибольшую прочность и способна противодействовать влиянию толчка и сотрясения. Длинные кости имеют трубчатое строение. Известно, что трубка обладает большей прочностью, чем стержень такой же массы. Также существует закономерность в расположении пластинок губчатого вещества, из которого образованы головки длинных костей. Пластинки губчатого вещества кости располагаются так, что противостоят растяжению и сжатию, часто пересекаются под углом 90˚. При этом происходит разложение сил на две составные, являющиеся сторонами параллелограмма сил, по диагонали которого действуют силы сжатия и растяжения. Поскольку перекладины опираются на компактное вещество кости, возникает жесткая и прочная конструкция, в которой нагрузка равномерно распределяется на всю кость.

В организме человека многие кости выполняют функцию рычага.

Рычаг обладает очень важным свойством, обусловившим его широкое распространение в природных механизмах, таких, например, как скелеты человека и животных. Это свойство - очень высокий коэффициент полезного действия, достигающий 98-100%. Высокий КПД рычага определяется тем, что в нем малы потери на трение.

Рычажными механизмами в скелете человека являются почти все кости, имеющие некоторую свободу движения: кости конечностей, нижняя челюсть, череп (точка опоры -первый позвонок), фаланги пальцев.

Главные кости и мышцы руки человека показаны на рисунке 2. Кисть посредством лучезапястного сустава крепится к лучевой кости, которая, в свою очередь, прикрепляется к локтевой кости посредством локтевого сустава. При помощи плечевого сустава рука крепится к лопатке.

Основными рабочими мышцами руки, отвечающими за перемещение предплечья, являются бицепс (двуглавая мышца) и трицепс (трехглавая мышца). Как все мышцы, они не могут создавать толкающих усилий - они могут только тянуть. Когда человек поднимает одной рукой предмет, бицепс сокращается, а трицепс удлиняется.

Когда человек опускает предмет, происходит противоположное, в чем нетрудно убедиться на опыте:

(Силы, действующие на мышцы и кости, схематично показаны на рисунке 2)

F1 – сила, действующая со стороны плеча и суставов;

F2 – сила, действующая со стороны бицепса на локтевой сустав;

 – сила тяжести, действующая на систему рука-кисть;

 – вес груза;

r2 – расстояние от локтя (точка О) до центра присоединения бицепса (обычно 4 см);

r3 – расстояние от точки О до центра масс системы рука-кисть;

r4 – расстояние от точки О до центра масс груза (считается, что он совпадает с центром масс руки).

Если предположить, что человек, удерживающий груз, имеет массу 80 кг и рост 1,83 м, то величины, характеризующие руку как рычаг, могут быть такими: r4=0,35 м; r3=0,19 м; F3=24 H; F4=98 H.

Решая уравнения сил и моментов (∑=0; ∑=0) получаем: F2-( F1+ F2- F4)=0

r1 F1+ r2 F2- r3 F3=0

Окончательно имеем: F2=968 Н; F1=847 Н (Эти силы значительно больше веса груза, удерживаемого рукой.)

Таким образом, чтобы удержать груз некоторой массы, необходимо усилие мышцы, почти в 10 раз превышающее силу   тяжести, действующую на груз.

Рисунок 2

Строение и работа сустава также подчиняется  законам механики и связана с такими физическими явлениями как трение, давление и растяжение.

Суставы устроены просто. Каждый из них включает покрытые гладким хрящом (2) суставные поверхности сочленяющихся костей, суставную сумку (4) и  суставную полость (3). Изнутри суставная сумка покрыта влажной синовиальной оболочкой (1), которая вырабатывает синовиальную жидкость (3). Она служит смазкой сочленяющимся костям. Синовиальная жидкость весьма вязкая, но с увеличением скорости движения вязкость уменьшается (сила сопротивления прямо пропорциональна скорости движения).

Полость сустава по объему очень мала из-за точного соответствия сочленяемых костей друг другу: зазор между ними и суставной сумкой практически отсутствует. Это обеспечивает отрицательное давление в полости сустава. Оно необходимо, чтобы мышцы не растянули сочленяемые кости в разные стороны.

Движение крови и законы гидродинамики

Основной причиной движения крови является работа сердца,  благодаря которому в артериях создается давление. При сокращении сердечной мышцы давление крови в левом желудочке доходит до 140 – 150 мм рт. ст. Под таким давлением кровь поступает в аорту, где давление ее уже несколько ниже: 130 – 140 мм рт. ст. И чем дальше движется кровь, тем ниже и ниже  становится давление. В артериях  оно составляет 120 – 130 мм рт. ст., в меньших артериях – до 60 – 70 мм рт. ст., а в капиллярах – до 30 – 40 мм рт. ст. В меньших венах давление 5 – 10 мм рт. ст., а в крупных венах оно может быть даже отрицательным.

За счет разности давления крови в сосудах, она устремляется в область более низкого давления, т.е. течет от артерий к венам. Скорость движения крови в сосудах обратно пропорционально общей площади их поперечного сечения. В аорте скорость движения максимальна (50 см/с), минимальная – в капиллярах (0,05 – 0,06 см/с). Это объясняется тем, что поперечное сечение аорты – 5 см, длина – несколько сантиметров, а площадь ее поверхности примерно 15 – 20 см2. Поперечное же сечение всех капилляров – 2200 см2, а их общая поверхность – 6300 м2. Эти цифры говорят о том, что в капиллярной сети кровь встречает сопротивление в несколько тысяч раз больше, чем в аорте. Поэтому большая часть давления и тратится на то, чтобы преодолеть это сопротивление в капиллярах. Такая разность в скорости движения крови обеспечивает более качественный обмен веществ между клетками тканей и кровью.

Суммарная концентрация минеральных солей, белков, глюкозы, мочевины и других веществ, растворенных в плазме крови, создает осмотическое давление. Явления осмоса возникают везде, где имеется два раствора различной концентрации, разделенной полупроницаемой мембраной, через которую легче проникает растворитель (вода), но не проникают молекулы растворенного вещества. В этих условиях растворитель движется в сторону раствора с большой концентрацией растворенного вещества.

Благодаря осмотическому давлению, происходит проникновение жидкости через клеточные оболочки, что обеспечивает обмен воды между кровью и тканью.

Постоянство осмотического давления крови имеет важное значение для жизнедеятельности клеток организма.

Газообмен в легких, тканях и парциальное давление

При изучении легочного дыхания и обмена газов между кровью и тканями мы знаем, что кислород из воздуха, находящийся в альвеолах, переходит в кровь, а углекислота покидает кровь и переходит в альвеолярный воздух. Почему это происходит?

Каждый газ растворяется в жидкости в зависимости от своего парциального давления. Атмосферное давление равно 760 мм рт. ст. Следовательно, если воздух оказывает давление, равное 760 мм рт. ст., то парциальное давление О2 составит 20,94% от общего давления и будет равно 159 мм рт. ст., углекислого газа (СО2) содержится мало (0,03%), поэтому и его парциальное давление будет приблизительно 0,2 мм рт. ст.

(Парциальное давление – это давление, которое имел бы этот газ, если бы он один занимал весь объем смеси.)

Если парциальное давление газа в окружающей среде выше, чем его давление в жидкости, то газ будет растворяться в жидкости, пока не установится равновесие.

Парциальное давление О2 в альвеолярном воздухе составляет 110 мм рт. ст., а в венозной крови – 44 мм рт. ст.; этого достаточно, чтобы кислород мог переходить из альвеолярного воздуха в кровь. Кислород вступает в химическую связь с гемоглобином, образуя непрочное соединение – оксигемоглобин. В таком виде О2 от легких кровью перегоняется к тканям. Здесь парциальное давление О2 низкое, и оксигемоглобин диссоциирует, высвобождая кислород. Так обеспечивается снабжение тканей кислородом.

В концентрации СО2 в крови и его парциальным давлением в альвеолярном воздухе тоже есть достаточная разность. Она составляет 6-7 мм рт. столба, что обеспечивает переход СО2 из крови в альвеолярный воздух.

Мы снова убедились в том, что газообмен в легких и тканях осуществляется по законам физики.

Регуляция температуры тела и законы термодинамики

Летом, в жару и зимой, в холод температура нашего тела не меняется.

Терморегуляция организма человека основана на законах термодинамики.

У человека существует четыре механизма теплоотдачи:

1. теплопередача – передача тепла между телами при их соприкосновении;
2. теплоизлучение -  отдача телом тепла в виде инфракрасного излучения;
3. конвекция – передача тепла от организма окружающей среде через воздух;
4. испарение влаги с кожи и со слизистых оболочек в дыхательных путях.

Но во всех случаях скорость отдачи тепла зависит от разности температур между внутренними областями тела и его поверхностью, и между кожей и окружающей средой.

Теплоотдача может расти или уменьшаться в зависимости от скорости образования тепла и от внешней температуры.

Рисунок 7

Уменьшению теплоизлучению во внешнюю среду способствует теплорегуляция между внутренней областью тела и окружающей средой. Теплоизоляция тела обеспечивается прослойкой неподвижного воздуха над поверхностью кожи (пограничный слой), а затем кожным и подкожным жиром. В этом процессе участвует кровь, а регуляция осуществляется головным мозгом.Центр терморегуляции в гипоталамусе контролирует потерю и образование тепла организмом через кожу (рис.7). Перегрев (А) вызывает увеличение притока крови к подкожным кровеносным сосудам (1) для рассеивания тепла и усиливает потоотделение через потовые железы (2) для его отдачи. Падение температуры (В) приводит к спазму поверхностных кровеносных сосудов, останавливает потоотделение и вынуждает выпрямляющие мышцы (3) сокращаться, из-за чего волоски (4) поднимаются вертикально, улавливая воздух и образуя теплоизолирующий слой. Одежда человека сохраняет пограничный слой, а поскольку воздух – плохой проводник тепла, он уменьшает теплоотдачу.

Орган слуха и законы механики

Ухо человека состоит из наружного(1), среднего(2) и внутреннего (3). К наружному уху относится ушная раковина (4) и слуховой проход (5).

Воронковидная ушная раковина способна улавливать и концентрировать звуковые волны. Слуховой проход прекрасно усиливает звуковые волны, из-за чего интенсивность звука у барабанной перепонки(6) повышается. С физической точки зрения это объясняется резонансными свойствами прохода, прежде всего низкой жесткостью его стенок, что обуславливает малое отражение и большое поглощение всепроникающего звука. Звуковые волны вызывают колебания барабанной перепонки. Чтобы провести звук дальше, природа создала цепочку из трех косточек, которые находятся в среднем ухе. Это механизм, где молоточек (8) и наковальня (9) – рычаги, а стремя (10) – своеобразный поршень. Все эти косточки связаны между собой прочными сочленениями и поддерживаются на весу двумя мышцами. Одна соединена с барабанной перепонкой, другая – со стременем. Звуковая волна, проходя систему среднего уха, многократно усиливается за счет двух законов механики – закона разницы площадей и закона рычага. Звуковые колебания через овальное окно (11) передаются к внутреннему уху, где находятся волосковые слуховые клетки (12). Стоит возникнуть колебаниям в жидкости улитки (13), в волосках слуховых клеток возникают электрические импульсы различной силы. Слуховой нерв (14) улавливает эти импульсы и передает в слуховую зону головного мозга (15).

Таким образом, работа органа слуха основана на преобразовании звуковой энергии в электрическую.

Орган зрения – физический прибор

Большую часть (до 80%) информации об окружающем мире мы получаем через глаза.

Человеческий глаз имеет форму шара. В центре его переднего отдела находится чуть выпуклый прозрачный слой, или роговица. Она соединена с белком, или склерой, охватывающей почти всю внешнюю поверхность глаза. Роговица - первая линза, через которую проходит световой луч. У нее неподвижный фокус, и она никогда не меняет ни позиции, ни формы. Под роговицей находится радужная оболочка. По сути, радужная оболочка представляет собой мышечный диск с отверстием в центре. Это отверстие и есть зрачок, через который свет попадает внутрь глаза.

Позади радужки находится задняя камера глазного яблока, в центре которой расположен хрусталик. С точки зрения оптики он, как и роговица, является прозрачной биологической линзой, а его назначение заключается в том, чтобы еще более точно фокусировать световые лучи.

Согласно законам физики, собирательная линза переворачивает изображение предмета. И роговица, и хрусталик являются собирательными линзами, поэтому на сетчатку глаза изображение также попадает в перевернутом виде.

Коротко работу глаза можно описать так: поток света, содержащий информацию о предмете, попадает на роговицу, затем через переднюю камеру проходит сквозь зрачок, потом сквозь хрусталик и стекловидное тело, проецируется на сетчатку, светочувствительные нервные клетки которой превращают оптическую информацию в электрические импульсы и по зрительному нерву посылают их в мозг. Приняв этот закодированный сигнал, мозг обрабатывает его и превращает в сознательное восприятие, в результате чего человек видит предметы такими, какие они есть.

Каждый глаз видит предметы под несколько иным углом, направляя в мозговой сигнал. Наш мозг еще в самом раннем детстве "учится" сводить вместе оба изображения так, чтобы мы не видели двойных контуров. Наложенные друг на друга изображения позволяют увидеть объем предметов, и то, что один предмет находится впереди или позади другого. Это явление известно как трехмерность изображения, или "3-D". Таким образом, строение глаза человека наиболее ярко характеризуется выполнением оптических законов физики.