Министерство образования, науки и молодежи Республики Крым

Малая академия наук «Искатель»

Отделение: физика и астрономия

Секция: экспериментальная физика

«ФИЗИКА О СЕРДЦЕ»

Работу выполнил:

Кайгородцева Софья Сергеевна,

ученица 7 класса средней общеобразовательной школы Федерального бюджетного образовательного учреждения «Международный детский центр «Артек»

Научный руководитель:

Стелянидий Наталья Владимировна, учитель физики средней общеобразовательной школы Федерального бюджетного образовательного учреждения «Международный детский центр «Артек»

г.  Ялта – 2018

ТЕЗИСЫ

Тема работы: «Физика в организме человека».

Автор работы: Кайгородцева Софья Сергеевна, обучающийся 7 класса, СОШ ФГБОУ «МДЦ «Артек», г. Ялта, пгт. Гурзуф.

Научный руководитель: Стелянидий Наталья Владимировна, учитель физики СОШ ФГБОУ «МДЦ «Артек», г. Ялта, пгт. Гурзуф.

Цель: выявление законов и процессов, связанных с физикой в человеческом организме.

Задачи: собрать, изучить и проанализировать материал по вопросу физических процессов в организме человека в литературе и Интернет-ресурсах; изучить теоретические аспекты работы органов человека с точки зрения физики; провести анкетирование одноклассников по вопросу знания физических явлений в организме человека; создать макеты, отражающие работу сердца, легких; исследовать эффективность работы сердца и легких у подростков.

Актуальность исследования: понимание сущности физических явлений в организме является важным для каждого человека и позволяет осознанно относиться к своему организму, сохранению и улучшению здоровья.

Гипотеза: процессы, которые протекают в организме человека можно объяснить с помощью законов физики.

Объект исследования: физика человеческого организма.

Предмет исследования: процессы дыхания и работы сердца в человеческом организме.

Методы исследования:

1. теоретические: сбор, изучение и анализ собранного материала из различных источников (литература, Интернет – ресурс);
2. эмпирические: анкетирования обучающихся, эксперимент, моделирование;
3. математические: статистика и расчёты

Результаты исследования подтвердили и установили, что физические процессы, происходящие в организме человека, основываются и описываются с помощью законов физики.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ        4

РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА        6

1.1.  Давление, сила трения, сила сопротивления в работе сердца и сосудов        6

1.2. Давление воздуха в работе дыхательной системы        11

РАЗДЕЛ 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СЕРДЦА И ЛЕГКИХ        14

2.1. Моделирование работы сердца и легких        14

2.2.  Анкетирование учащихся и его результаты.        17

2.3. Исследование эффективности работы сердца и легких        19

ВЫВОДЫ        22

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ        23

ВВЕДЕНИЕ

С детства мы слышим пословицу «В здоровом теле здоровый дух». И это неспроста. От здоровья зависит качество жизни человека, и заботиться о нём нужно с детства. Оказывается, в организме человека многое подчиняется законам физики. Работа двигательной системы организма, сердечнососудистой системы, зрительного и слухового аппаратов, а также перистальтика желудка, кишечника, сокращение лёгких – все это  физика.  

Гипотеза исследования: процессы, которые протекают в организме человека  можно объяснить с помощью законов физики.

Цель исследования: выявление  законов и процессов, связанных с физикой в человеческом организме.

Задачи:
1. Собрать, изучить и проанализировать  материал по вопросу физических процессов в организме человека в литературе и Интернет-ресурсах.

2. Изучить теоретические аспекты работы органов человека с точки зрения физики.

3. Провести анкетирование одноклассников по вопросу знания физических явлений в организме человека.

4. Создать макеты, отражающие работу сердца, легких.

5. Исследовать эффективность работы сердца и легких у подростков.

Объект исследования – физика человеческого организма.

Предмет исследования –   процессы дыхания и работы сердца в человеческом организме.

Методы исследования: 

1. теоретические: сбор, изучение и анализ собранного материала из различных источников (литература, Интернет – ресурс);
2. эмпирические: анкетирования обучающихся, эксперимент, моделирование;
3. математические: статистика и расчёты.

Актуальность и практическая значимость: понимание сущности физических явлений в организме является важным для каждого человека и позволяет осознанно относиться к своему организму, сохранению и улучшению здоровья.

РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА

1.1.  Давление, сила трения, сила сопротивления в работе сердца и сосудов.

Наше сердце – это насос, устройство которого можно сравнить с работой поршневого жидкостного насоса (Рис.1.1).

Насос состоит из цилиндра, внутри которого ходит вверх и вниз плотно прилегающий к стенкам поршень 1.

                              Рис. 1.1

В нижней части цилиндра и в самом поршне установлены клапаны 2, открывающиеся только вверх. При движении поршня вверх вода под действием атмосферного давления входит в трубу, поднимает нижний клапан и движется за поршнем. При движении поршня вниз вода, находящаяся под поршнем, давит на нижний клапан, он закрывается. Одновременно под давлением воды открывается клапан внутри поршня, и вода переходит в пространство над поршнем. При последующем движении поршня вверх вместе с ним поднимается и находящаяся над ним вода, которая и выливается в отводящую трубу. Одновременно за поршнем поднимается новая порция воды, которая при последующем опускании поршня окажется над ним и т. д.

Аналогично происходит работа сердца. Сердце располагается в грудной полости. Размеры сердца – примерно с кулак.  Сердце находится в грудной клетке почти посередине, немного сдвинуто влево. В минуту у взрослого человека происходит около 70 сокращений мышц сердца, а за жизнь сердце делает их 2,5 миллиарда раз. 

Сердце образовано особой мышечной тканью, которая способна ритмично сокращаться. Сердце состоит из четырёх камер – двух предсердий и двух желудочков (рис.2).

                          Рис. 1. 2

Правая и левая части сердца разделены сплошной перегородкой.  Предсердия и желудочки каждой половины сердца сообщаются между собой. На границе перед ними имеются створчатые клапаны. Они устроены так, что пропускают кровь только в сторону желудочков, препятствуя обратному кровотоку. Благодаря этому кровь может двигаться только в одном направлении – из предсердий в желудочки. Между предсердиями и артериями находятся полулунные клапаны. Они также обеспечивают ток крови только в одном направлении – из желудочков в артерии. Сердце прокачивает кровь по сосудам тела. Делает оно это с помощью сокращений - как насос "проталкивая" порции крови по кровеносным сосудам.

Так как сердце состоит из двух частей и имеет две кровеносные системы: правая половина сердца качает кровь по сосудам по всему телу, до конечностей, левая через легкие, для обогащения крови кислородом, то всю эту систему можно назвать насос и сообщающиеся сосуды.

Принцип работы основан на   законе гидродинамики в сообщающихся сосудах, жидкость течет из сосуда с большим давлением с сосуд с меньшим давлением. 

Работа сердца характеризуется циклом, который состоит из двух этапов:

1. Фаза сокращения предсердий и желудочков.

В правое предсердие поступает обедненная кислородом кровь из всего тела, а в левое – обогащенная кровь из легких. Мышцы стенок предсердий сокращаются, и через клапаны кровь выталкивается в желудочки.  Мышечное сокращение стенок желудочков выталкивает кровь в артерии. Из правого – в легочную артерию, а из левого – в артерии, разносящие кровь по телу.

2. Фаза расслабления  предсердий и желудочков.

Этот процесс сопровождается расправлением полостей этих камер сердца. Естественно, что этот процесс приводит к понижению давления в желудочках, что вызывает обратный ток крови, однако  клапаны захлопываются, препятствуя этому обратному движению. При расслаблении камер сердца происходит их кровенаполнение – в желудочки кровь поступает из предсердий, а в предсердия из малого и большого круга кровообращения. 
Сердце работает на протяжении всей жизни человека – во время работы отдыха, сна. Автоматизм сердца – это способность сердца ритмически сокращаться без внешних раздражений, под влиянием импульсов, возникающих в нем самом.

Интересные факты:

В среднем взрослое человеческое тело содержит 5,5 литра крови.  В сутки сердце делает 100 тысяч ударов, за год – почти 40 миллионов. Общая работа желудочков за одну минуту составляет133,5 Дж, а за сутки 192240 Дж. Она достаточна, чтобы поднять человека массой 64 кг на высоту 300 метров. В течение жизни сердце выбрасывает в аорту столько крови, что ею можно было бы заполнить канал длиной в 5 км, по которому прошел бы большой волжский теплоход. В среднем за удар сердце выталкивает 60 см3 крови, при физической работе - 200 см3 . Сердце может работать в 6-8 раз сильнее, чем в покое, и за 1 час перегонять до 35 л. крови. За 8,5 часов лыжного пробега на 100 км  сердце спортсмена перекачивает 35 тонн крови – целую железнодорожную цистерну.

Силы, действующие на кровь при ее движении, - сила давления и сила сопротивления (трения)

Сила трения – сила, возникающая при соприкосновении поверхностей двух тел и препятствующая их перемещению относительно друг друга. Одной из причин возникновения силы трения является шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. Другая причина – взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел.

Таким образом, при движении крови по сосудам возникает сила трения, которая препятствует перемещению крови, в результате скорость ее течения становится меньше. На жидкости, как и на все тела на Земле, действует сила тяжести. Поэтому каждый слой крови в сосудах своим весом создает давление на другие слои. Это давление по закону Паскаля передается по всем направлениям одинаково. Следовательно, на кровь при ее движении действуют силы давления и трения. Какова же роль самих сосудов? Сосуды образуют пульсовые волны.

Сердце – это насос, который работает в импульсивном режиме. Длительность импульса 0,25 с., за это время сердце взрослого человека выталкивает из себя в аорту около 0,1 л крови. После каждого сокращения сердца вдоль артерии от сердца идет волна деформации, подобно тому, как идут волны от удара камня о воду. Эти удары волн мы ощущаем, приложив палец у основания большого пальца на запястье – это пульс.

Пульс (от лат. pulsus — удар, толчок)  – это колебания стенок сосудов, вызванные изменением давления крови в результате работы сердца. Измеряют пульс за 1 минуту. Нормы звука пульса известны (таблица 1):

Таблица 1.

Сердце, как любая мышца, может увеличить размер под воздействием тренировок и растёт в детстве. Поэтому в состоянии покоя у «аэробных» спортсменов (марафонцев, лыжников, велосипедистов, пловцов) для прокачки того же объёма крови требуется меньше сердечных сокращений, чем сердцу нетренированного человека. Также у детей - сердце меньше и минимальный пульс выше. Частота пульса может быть использована для контроля здоровья сердца и уровня физической подготовки вообще. Обычно, чем пульс ниже, - тем лучше, но в случае брадикардии это может быть опасно. Тревожными симптомами при низком пульсе являются слабость и обмороки. Пульс – является основным показателем здоровья.

1.2. Давление воздуха в работе дыхательной системы

Рис. 1. 3

Дыхание – это совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода, использование его в биологическом окислении органических веществ и удаление из организма углекислого газа.

Систему органов дыхания образуют дыхательные пути и лёгкие (рис.3). Когда мы дышим, воздух сначала поступает в носовую полость. В носовой полости воздух очищается, увлажняется и согревается. Из носовой полости воздух через носоглотку и глотку поступает в гортань. В гортани расположены голосовые связки с голосовой щелью. Гортань принимает участие в проведении воздуха и голосообразовании. Из гортани воздух поступает в трахею. В трахее воздух не задерживается при любых движениях шеи. Нижняя часть трахеи делится на два главных бронха. Крупные бронхи разветвляются на меньшие. Они образуют бронхиальное дерево и заканчиваются в лёгких альвеолами (лёгочными пузырьками).

Лёгких у человека два. Они расположены в грудной полости тела и покрыты оболочкой – лёгочной плеврой. Каждое лёгкое находится в герметично замкнутом пространстве. В лёгких кровь освобождается от углекислого газа и насыщается кислородом.

Дыхательные движения происходят благодаря работе дыхательных межреберных мышц. Легкие мышц не имеют, но следуют за движением грудной клетки.

Ритмичное движение грудной клетки еще не есть дыхание, но оно обеспечивает дыхание. При вдохе объем грудной клетки и легких увеличивается, а давление в них понижается и воздух входит в легкие. При выдохе объем грудной клетки и легких уменьшается, давление в легких повышается, и воздух с избытком углекислого газа выходит наружу.

        Диафрагму называют «вторым сердцем» человека потому как она подобно куполу парашюта, полностью покрывает внутренние органы брюшной полости, отделяя её от грудной клетки.

Интересные факты о дыхательной системе

 При дыхании носом мы получаем на 15% больше кислорода, нежели дыша ртом. Через легкие за 1 минуту проходит 100 литров воздуха. Снаружи легкие покрыты легочной плеврой; грудная полость покрыта пристеночной плеврой, между ними находится плевральная полость, не содержащая воздуха. Она заполнена жидкостью, что уменьшает трение при дыхании.

Многие люди дышат слишком часто (а норма – 16 вдохов в минуту в спокойном состоянии) и неглубоко, время от времени задерживая вдох и выдох. Такой тип дыхания называется поверхностным. В результате легкие не успевают как следует проветриться – свежий воздух поступает только в наружные отделы, большая же часть объема легких остается как бы невостребованной, то есть воздух в ней не обновляется. А вирусам и бактериям только этого и надо. Полное дыхание – это соединение нижнего, среднего и верхнего дыхания. Человек, постоянно практикующий полное дыхание, будет иметь широкую грудь – и любой узкогрудый человек может развить свою грудную клетку до нормальных размеров. Если вы делаете менее 14 вдохов в минуту – замечательно. Так дышат обычно хорошо тренированные и выносливые люди. Можете по праву гордиться собой. Вбирая воздух полной грудью, вы даете легким расправиться, прекрасно вентилируете их, то есть делаете вашу дыхательную систему почти неуязвимой для возбудителей инфекции. Неплохим результатом считается от 14 до 18 вдохов в минуту. Именно так дышит большинство практически здоровых людей, которые могут болеть гриппом или ОРВИ не более 2 раз в сезон. Более 18 вдохов в минуту – это уже серьезный повод для беспокойства. При поверхностном и частом дыхании в легкие попадает лишь половина вдыхаемого воздуха. Для постоянного обновления легочной атмосферы этого явно недостаточно.

РАЗДЕЛ 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СЕРДЦА И ЛЕГКИХ

2.1. Моделирование работы сердца и легких.

Для наиболее наглядного представления процессов работы сердца и легких создаются модели. Мной была проделана работа по созданию и проектирования моделей сердца и легких.

Создание модели сердца:

1. Отрезать от шарика нижнюю часть и зафиксировать ее на кусочке соломинки.

 2. Прорезать отверстие в воронке, чтобы вставить туда соломинку и приклеить ее.

3. Прорезать отверстие в крышке контейнера, вставить и приклеить туда воронку. Затем поместить внутрь воронки шарик. Накрыть воронку оставшейся частью воздушного шарика и хорошо натянуть оболочку.

4. Наполнить контейнер водой и закрыть его крышкой. Затем несколько раз нажать на оболочку. Вода поднимается в воронку и вытекает через соломинку. Искусственное сердце функционирует.

Каким же образом будут работать клапаны?

Шарик и нижняя часть воздушного шарика на построенной модели служат клапаном, который пропускает жидкость в одном направлении, как и клапаны сердца. Натянутый воздушный шарик, на который надавливаешь, -это сердечный мускул, который сжимается и разжимается ритмично, и в результате кровь под давлением течет ко всем органам (рис. 2.1., рис. 2.2).

              Рис. 2.1                                                           Рис. 2.2

Создание модели легких

1. Отрезать дно пластиковой  бутылки. С помощью резинки прикрепить маленькой воздушный шарик к трубке от шариковой ручки.

2. Установить трубку с шариком внутри бутылки и закрыть горлышко пластилином.

3. Прикрепить бечевку к большому шарику. Разрезать шарик пополам и закрыть той половиной, к которой прикреплена бечевка, дно бутылки. Хорошенько натянуть оболочку. Потянуть за бечевку, чтобы легкое работало.

Наши легкие работают по такому же принципу. Бутылка символизирует прочную грудную клетку. Оболочка – это диафрагма, а прикрепленный внутри шарик – это легкие. Когда оболочка растягивается, давление в бутылке уменьшается, и маленький шарик надувается - это вдох (рис. 2.3).

И, напротив, ослабляя оболочку, давление заставляет шарик выпустить воздух. Это выдох (рис.2.4).

                 Рис. 2.3 «Вдох»                                     Рис. 2.4  «Выдох»

2.2.  Анкетирование учащихся и его результаты.

В ходе экспериментального исследования было проведено анкетирование обучающихся 7 и 9 классов на тему «Физика вашего организма». В анкетировании приняли участие 24 ученика 7 класса и 23 ученика 9 класса, всего - 47 обучающихся. Анкета состояла из пяти вопросов. Результаты анкетирования можно увидеть на диаграмме 1.

Диаграмма 1.

На основе полученный ответов можно сделать следующие выводы.

• На 1-й вопрос анкеты «Как вы думаете, есть ли в организме человека такие функции, которые связаны с физикой?» 100% обучающихся 7 класса ответили «да», 1 обучающийся 9 класса ответил «не знаю».
• На 2-й вопрос анкеты «Насколько они важны для человека» 1 человек 7 класса - «не важны», 2 человека 7 класса – «важны на 50%», 1 человек 9 класса – «не знаю», 4 человека «важны на 50%». Остальные (69%) отметили важность этих функций.
• На 3-й вопрос «Назовите хотя бы один пример, показывающий физику в организме человека».  22 человека 7 класса (92%) назвали один и более примеров (диффузия, сила трения, давление, сообщающиеся сосуды), 2 человека (8%) не дали ответа, 13 человек 9 класса (56%) не дали ответ, либо ответ был неверным (магнитное поле, кишечник, зубы), 10 человек (44%) привели примеры.
• На 4-й вопрос «Возможна ли жизнь человека без физики» 100% обучающихся 7 класса ответили «нет», 18 человек 9 класса (78%) также с этим согласны, 3 человека ответили «да»  -  (13%), 2 человека 9% - не знают.
• 5-й вопрос «Может ли измениться ваше отношение к дисциплине «Физика», если вы узнаете о физике вашего тела?» вызвал затруднения у обучающихся. Ответы были разные. В обоих класса половина обучающихся ответили «да», половина – «нет» или «не знаю», пояснение прозвучало лишь в одном ответе «да, станет интереснее изучать этот предмет».

Таким образом, можно сделать вывод, что обучающиеся имеют представление о физических процессах, которые происходят в организме человека. И большинство из опрашиваемых могут обосновать их с точки зрения физики, ссылаясь на изученные законы и явления.

2.3. Исследование эффективности работы сердца и легких

Определение степени тренированности сердца.

В исследовании участвовали учащиеся 8 класса, в составе 16 человек. Суть данного исследования состояла в следующем: необходимо было определить степень тренированности сердца и пронаблюдать число сердечных сокращений в зависимости от физической нагрузки.

Экспериментальная работа выполнялась следующим образом:

1.  Измерить пульс в положении сидя за 1 минуту (А)

2.  Измерить пульс после 15 приседаний (В)

3. Подсчитать экономичность работы сердца (степень тренированности сердца) по формуле:

Э = (В – А) /В*100%, где А – пульс за одну минуту, В - пульс за одну минуту после физической нагрузки.

Если результат не превышает 30%, то сердце работает экономично, т.е. хорошая тренированность сердца. Если результат в пределах 31% - 45%, то тренированность сердца недостаточная. Если больше 45%, то тренированность сердца низкая.

По результатам данного исследования был сделан следующий вывод.

19% из опрашиваемых обладали хорошей тренированностью сердца; у 50% - тренированность сердца является недостаточной; 31% - обладает низкой тренированностью сердца. (Диаграмма 2)

Диаграмма 2

Также было установлено, что при нагрузках число сердечных сокращений увеличивается. Большинство опрашиваемых обосновали данное явление следующим образом. Частота пульсовых сокращений при физических нагрузках увеличивается из-за повышения воздействия на мышцу сердца, в связи с этим сердце работает быстрее и показатели пульса возрастают. У спортсменов после нагрузки изменения в ЧСС практически незаметны. У здорового человека занятия спортом всегда будут сопровождаться изменением в сокращениях сердца, однако это не принесет вреда, если нагрузка на организм возрастает постепенно. Если же у человека есть проблемы с сердечно-сосудистой системой, интенсивные тренировки следует заменить на лечебную гимнастику.

Таким образом, пульсовая частота зависит от таких факторов:

1. Вес и рост человека. Лишний вес является причиной учащенного пульса в состоянии покоя, также отмечено, что у людей с низким ростом допустимый пульс выше, нежели у высоких.
2. Заболевания и неспокойное психическое состояние. Стрессы и переживания вызывают учащенное пульсовое давление. Многие заболевания характеризуются сбоем в ЧСС, например, сахарный диабет вызывает повышение пульса.
3. Возраст. Отмечено, что с возрастом показатели пульсовых сокращений изменяются, особенно это заметно в преклонном возрасте.
4. Физические нагрузки. Пульс после физической нагрузки возрастает, часто это случается у неподготовленных людей, которым после тренировок приходится долго восстанавливаться. При регулярных занятиях спортом эти скачки уменьшаются.

Определение жизненной емкости легких

Экспериментальное исследование проводилось следующим образом:

1. Надуть круглый воздушный шарик за N спокойных выдохов так, чтоб вдох осуществлялся через нос, а выдох через рот. При этом, когда делается следующий вдох, воздух из шарика не должен выходить.

2. Измерить окружность шарика L, вывести зависимость объема шарика от длины окружности и рассчитать его объём.

Объем шара   Vш  =  4/3 * πR 3 . Длина окружности L = 2 πR, отсюда R= L / 2π, тогда объем шара      Vш = L3 / 6π2

3. Вычислить дыхательный объем  легких по формуле:

V = Vш / N, где  N- число вдохов. Результаты представлены в табл.2:

Таблица 2

ВЫВОДЫ

Тело человека — невероятно сложная и запутанная система, которая до сих пор ставит в тупик докторов и исследователей, несмотря на то, что ее изучают уже не одну сотню лет. 

Рассматривая организм человека как объект изучения физики, пришли к выводу, что многие действия, происходящие в человеческом организме, полностью подчиняются законам физики. 

Значение физики в организме человека настолько велико, что жизнь человека невозможна в её отсутствии: движение человека (рычаги и шарниры, сокращение и растяжение мышц);
работа сердца и сосудов (качающий насос и сообщающиеся сосуды);
работа лёгких (увеличение и уменьшение объёма лёгких: механические колебания); работа желудка и кишечника (перистальтика кишечника: механические колебания); зрительный аппарат (глаз: оптический прибор); 
голосовой аппарат (вибрация – колебания голосовых связок); 
слуховой аппарат (сообщающиеся сосуды).

Моя работа была посвящено работе сердца и легких. Были проведены эксперименты, созданы модели на основе которых я подробно изучила и рассмотрела работу сердца и легких. обосновав все наблюдаемые явления и процессы с точки зрения физики.

Результаты наших исследований подтвердили выдвинутую нами гипотезу и показали, что процессы, происходящие в организме человека можно обосновать с точки зрения физики.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Богданов К.Ю. Физик в гостях у биолога. Богданов К.Ю. – М.: Наука. Гл. ред.физ.- мат.лит.,1986. – 144 с. – ( Б-чка «Квант» Вып.49.)
2. Занимательные опыты и эксперименты /[Ф. Ола и др.]. – М.: Айрис-пресс, 2007. – 128.: ил.
3. Физика.7 кл.: учебник /А.В.Перышкин. – 6-е изд.,стереотип. – М.: Дрофа, 2017. – 224 с.: ил.