Механические параметры человека определение. Дайджест - промышленная безопасность

Элективный курс

«Физика человека»

Пояснительная записка 2

Основное содержание курса 3-4

Тематическое планирование курса 5

Список литературы 6

Пояснительная записка

В курсе физики, изучаемом в современной школе, практически не уделяется внимания на физические параметры, характеризующие человека. Однако в связи с изучением вопросов психологии в школе, моделировании процессов, происходящих в живых организмах, в технике, развитием такой науки как бионика у учащихся всё чаще проявляется повышенный интерес к изучению физики человека.

В ходе изучения данного курса учащиеся не только удовлетворят свои образовательные потребности, но и получат навыки исследовательской деятельности, познакомятся с методами исследования в физике и биологии, получат краткие данные о медицинской и биологической аппаратуре. Навыки, полученные при работе с измерительными приборами, выполнение практических работ и постановка эксперимента пригодятся в дальнейшей научно-технической деятельности. Объяснение отдельных процессов, происходящих в живых организмах, на основе физических законов поможет им установить причинно-следственные связи, существующие в живой и неживой природе, сформирует интерес не только к физике, но и биологии.

Программа курса носит практико-ориентированный характер с элементами научно-исследовательской деятельности.

Изучение элективного курса рассчитано на 17 часов, из них на изучение теоретических вопросов 7,3 ч. (43%), практических занятий (решение задач, выполнение лабораторных работ) -9,7 ч. (57%)

Основные цели курса:

Показать учащимся единство законов природы, применимость законов физики к живому организму, перспективное развитие науки и техники, а также показать в каких сферах профессиональной деятельности им пригодятся полученные на спецкурсе знания.

Создать условия для формирования и развития интеллектуальных и практических умений у учащихся в области физического эксперимента.

Развивать познавательную активность и самостоятельность, стремление к саморазвитию и самосовершенствованию.

Задачи курса:

Способствовать формированию познавательного интереса к физике, развитию творческих способностей у учащихся.

Развивать интеллектуальную компетентность учащихся.

Формировать навыки выполнения практических работ, ведения исследовательской деятельности.

Совершенствовать навыки работы со справочной и научно популярной литературой.

По окончании изучения курса учащиеся должны знать:

Какие физические законы можно использовать при объяснении процессов, происходящих в организме человека.

Особенности своего организма с точки зрения законов физики. уметь:

Работать с различными источниками информации.

Наблюдать и изучать явления, описывать результаты наблюдений.

Моделировать явления, отбирать нужные приборы, выполнять измерения, представлять результаты измерений в виде таблиц, графиков, ставить исследовательские задачи.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

Содержание курса качественно отличается от базового курса физики. На уроках законы физики рассматриваются в основном на неживых объектах. Однако очень важно, чтобы у учащихся постепенно складывались убеждения в том, что, причинно-следственная связь явлений имеет всеобщий характер и что, все явления, происходящие в окружающем нас мире, взаимосвязаны. В курсе рассматриваются вопросы, направленные на развитие интереса к физике, к экспериментальной деятельности, формирование умений работать со справочной литературой. По окончании изучения курса учащиеся составляют "Физический паспорт человека".

Механические параметры человека 9ч.

Физика. Человек. Окружающая среда. Линейные размеры различных частей тела человека, их масса. Плотности жидкостей и твердых тканей, из которых состоит человек. Сила давления и давление в живых организмах.

Скорости проведения нервных импульсов. Законы движения крови в организме человека. Естественная защита организма от ускорения.

Проявление силы трения в организме человека, естественная смазка.

Сохранение равновесия живыми организмами. Центр тяжести тела человека. Рычаги в теле человека. Ходьба человека. Виды суставов. Деформация костей, сухожилий, мышц. Прочность биологических материалов. Строение костей с точки зрения возможности наибольшей деформации.

Тело человека в гравитационном поле Земли. Условия длительного существования человека на космической станции. Меры защиты летчиков и космонавтов от ускорения. Невесомость и перегрузки.

Работа и мощность, развиваемая человеком в разных видах деятельности. «Энергетика» и развитие человека. Применение закона сохранения энергии к некоторым видам движения человека.

Лабораторные работы.

1. Определение объема и плотности своего тела.

2. Определить среднюю скорость движения.

3. Определение времени реакции человека.

4. Градуировка динамометра и определение становой силы человека.

5. Определение коэффициентов трения подошв обуви человека о различные поверхности.

6. Определение мощности, развиваемой человеком.

Колебания и волны в живых организмах 2ч.

Колебания и человек. Происхождение биоритмов. Сердце и звуки, сопровождающие работу сердца и легких, их запись. Стетоскоп и фонендоскоп. Выстукивание - как один из способов определения размеров внутренних органов и их состояния. Радиоволны и человек.

Звук как средство восприятия и передачи информации. Орган слуха. Ультразвук и инфразвук. Область слышимости звука. Голосовой аппарат человека. Характеристики голоса человека. Слуховой аппарат.

Лабораторная работа.

7. Изучение свойств уха.

Тепловые явления 2 ч.

Терморегуляция человеческого организма. Роль атмосферного давления в жизни человека. Осмотическое давление. Изменение кровяного давления в капиллярах. Влажность. Органы дыхания.

Тепловые процессы в теле человека. Человек как тепловой двигатель. Энтропия и организм человека. Второе начало термодинамики и способность к самоорганизации.

Лабораторная работа.

8. Определение дыхательного объема легких человека.

9. Определение давления крови человека.

Электричество и магнетизм 2ч.

Электрические свойства тела человека. Биоэлектричество. Бактерии - первые электрики Земли. Фоторецепторы, электрорецепторы, биоэлектричество сна. Электрическое сопротивление органов человека постоянному и переменному току. Магнитное поле и живые организмы.

Лабораторная работа.

10. Определение сопротивления тканей человека постоянному и переменному электрическому току.

Оптические параметры человека 1ч.

Строение глаза человека. Сила аккомодации глаза. Оптическая сила. Дефекты зрения и способы их исправления. Особенности зрения человека. Разрешающая способность глаза человека. Как получается, что мы видим. Граммофонная пластинка и глаз. Для чего нам два глаза. Спектральная и энергетическая чувствительность глаза.

Лабораторная работа.

11. Наблюдение некоторых психофизиологических особенностей зрения человека.

12. Определение характеристических параметров зрения человека.

Система аттестации учащихся . После окончания изучения курса зачет ставится при выполнении следующих условий:

1. Активное участие в подготовке и проведении семинаров, конференций, выпуске газет, изготовлении моделей.

2. Выполнение не менее половины лабораторных работ.

3. Выполнение не менее одного экспериментального задания исследовательского или конструкторского характера.

4. Составление "Физического паспорта человека".

ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ КУРСА

Тема занятия

Количество часов

всего

теория

практика

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЧЕЛОВЕКА (9 Ч)

Физика. Человек. Окружающая среда.

Кинематика и тело человека.

Законы Ньютона в жизни человека.

Человек в условиях невесомости и

перегрузок

Прямохождение и опорно-двигательная система человека.

Проявление силы трения в организме человека.

Работа и мощность, развиваемая человеком в разных видах деятельности.

Статика в теле человека.

Давление и тело человека.

КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ (2 ч)

Колебания и человек.

ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ (1 Ч)

Тепловые процессы в теле человека.

Второе начало термодинамики.

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ. (2 Ч)

Электрические свойства тела человека

Магнитное поле и живые организмы.

ОПТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЧЕЛОВЕКА (1 Ч)

Глаз и зрение

Конференция.

Итого:

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Агаджанян Н.А. Ритм жизни и здоровье. - М.: Знание, 1975.

2. Безденежных Е.А., Брикман И.С. Физика в живой природе и медицине. - Киев, 1976.

3. Богданов К.Ю. Физик в гостях у биолога. - М., 1986.

5. Беркинблит М.Б. и др. Электричество в живых организмах. - М.: Наука, 1988.

6. Боярова О. и др. С головы и до пят. - М.: Детская литература, 1967.

7. Булат В.А. Оптические явления в природе. - М.: Просвещение, 1974.

8. Гальперштейн Л. Здравствуй физика! - М.: Просвещение, 1973.

9. Газенко О.Г., Безопасность и надежность человека в космических полетах.// Наука и жизнь. -1984 №3.

10. Енохович А.С. Справочник по физике. - М.: Просвещение, 1991.

11. Елькин В.И. Необычные учебные материалы по физике. - М.: Школа-Пресс, 2001.

12.. Ильченко В.Р. Перекрестки физики, химии биологии. - М.: Просвещение, 1986.

13. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. - М.: Просвещение, 1988.

14. Ланина И.Я. Внеклассная работа по физике. - М.: Просвещение, 1977.

15. Ланина И.Я. Не уроком единым. - М.: Просвещение, 1991.

16. Манойлов В.Е. Электричество и человек. -Л: Энергоатомиздат, 1988.

17. Мэрион Дж.Б. Общая физика с биологическими примерами. - М., 1986.

18. Популярная медицинская энциклопедия. - М., 1979.

19. Рыдник В.И. О современной акустике. - М.: Просвещение, 1979.

20. Сергеев Б.А. Занимательная физиология.- М.: Просвещение, 1977.

21. Силин А.А. Трение и мы. - М., 1987.

22. Синичкин В.П. Синичкина О.П, Внеклассная работа по физике. - Саратов: Лицей, 2002.

23. Суорц Кл.Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений, - М., 1986.

24. Хуторской А.В., Хуторская Л.Н. Увлекательная физика. - М.: АРКТИ, 2000.

25. Хрипкова А.Г. Физиология человека. - М.: Просвещение, 1971.

26. Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика. - М.: АСТ, 1998.

27. Мир физики. Занимательные рассказы о законах физики. С.Петербург «МиМ-Экспресс».1995

28. О.П. Спиридонов. СВЕТ. Физика, информация, жизнь. М. «Просвещение». 1993

Чтобы оценить эксплуатационные свойства изделий и определить физические и механические характеристики материалов, используются различные инструкции, ГОСТы и другие регламентирующие и рекомендательные документы. Рекомендуются и методы испытаний на разрушение целой серии изделий или однотипных образцов материала. Это не слишком экономичный метод, но эффективный.

Определение характеристик

Основные характеристики механических свойств материалов следующие.

1. Временное сопротивление или предел прочности - та сила напряжения, которая зафиксирована при наибольшей нагрузке перед разрушением образца. Механические характеристики прочности и пластичности материалов описывают свойства твёрдых тел сопротивляться необратимым изменениям формы и разрушению под влиянием внешних нагрузок.

2. Условным называется напряжение, когда остаточная деформация достигнет 0,2% длины образца. Это наименьшее напряжение в то время, как образец продолжает деформироваться без заметного увеличения нагрузок.

3. Пределом длительной прочности называют наибольшее напряжение, при данной температуре вызывающее в течение определённого времени разрушение образца. Определение механических характеристик материалов ориентируется на предельные единицы длительной прочности - разрушение происходит при 7 000 градусах по Цельсию за 100 часов.

4. Условным пределом ползучести называется напряжение, вызывающее при данной температуре за определённое время в образце заданное удлинение, а также скорость ползучести. Пределом считается деформация металла за 100 часов при 7 000 градусах по Цельсию на 0,2%. Ползучестью называется определённая скорость деформации металлов при постоянном нагружении и высокой температуре в течение длительного времени. Жаропрочность - это сопротивление материала разрушению и ползучести.

5. Пределом выносливости называют наибольшее значение напряжения цикла, когда усталостного разрушения не происходит. Число циклов нагружения может быть заданное или произвольное, в зависимости от того, как запланированы механические испытания материалов. Механические характеристики включают в себя усталость и выносливость материала. Под действием нагрузок в цикле накапливаются повреждения, образуются трещины, приводящие к разрушению. Это усталость. А свойство сопротивления усталости - выносливость.

Растяжение и сжатие

Материалы, которые применяются в инженерной практике, разделяются на две группы. Первая - пластичные, для разрушения которых должны появиться значительные остаточные деформации, вторая - хрупкие, разрушающиеся при очень малых деформациях. Естественно, такое деление весьма условно, потому что каждый материал в зависимости от создаваемых условий может повести себя и как хрупкий, и как пластичный. Это зависит от характера состояния напряжения, от температуры, от скорости деформирования и других факторов.

Механические характеристики материалов при растяжении и сжатии красноречивы и у пластичных, и у хрупких. Например, малоуглеродистую сталь испытывают растяжением, а чугун - сжатием. Чугун - хрупкий, сталь - пластична. Хрупкие материалы имеют большую сопротивляемость при сжатии, при деформации растяжения - хуже. Пластичные имеют примерно одинаковые механические характеристики материалов при сжатии и растяжении. Однако определяется их порог всё-таки растяжением. Именно этими способами можно более точно узнать механические характеристики материалов. Диаграмма растяжения и сжатия представлена в иллюстрациях к данной статье.

Хрупкость и пластичность

Что же такое пластичность и хрупкость? Первое - это способность не разрушаться, получая остаточные деформации в больших количествах. Такое свойство является решающим для важнейших технологических операций. Изгиб, волочение, вытяжка, штамповка и многие другие операции зависят от характеристик пластичности. К пластичным материалам относятся отожжённая медь, латунь, алюминий, малоуглеродистая сталь, золото и тому подобные. Гораздо менее пластичны бронза и дюраль. Совсем слабо пластичны почти все легированные стали.

Характеристики прочности пластичных материалов сопоставляют с пределом текучести, о котором будет сказано ниже. На свойства хрупкости и пластичности большое влияние оказывают температура и скорость нагружения. Быстрое натяжение придаёт материалу хрупкость, а медленное - пластичность. Например, стекло - материал хрупкий, но оно выдерживает длительное воздействие нагрузки, если температура нормальная, то есть показывает свойства пластичности. А пластична, однако при ударной резкой нагрузке проявляется как материал хрупкий.

Метод колебаний

Физико-механические характеристики материалов определяются возбуждением продольных, изгибных, крутильных и других, ещё более сложных а зависимости от размеров образцов, форм, типов приёмника и возбудителя, способов крепления и схем приложения динамических нагрузок. Крупногабаритные изделия тоже подлежат испытаниям с помощью данного метода, если существенно изменить методику применения в способах приложения нагрузки, возбуждения колебаний и регистрации их. Этим же методом определяются механические характеристики материалов, когда нужно оценить жёсткость крупногабаритных конструкций. Однако при локальном определении в изделии характеристик материала этот способ не используется. Практическое применение методики возможно только тогда, когда известны геометрические размеры и плотность, когда возможно закрепление изделия на опорах, а на самом изделии - преобразователей, нужны определённые температурные условия и т.д.

Например, при смене температурных режимов происходит то или иное изменение, механические характеристики материалов при нагревании становятся другими. Практически все тела в этих условиях расширяются, что влияет на их структуру. Любое тело имеет те или иные механические характеристики материалов, из которых оно состоит. Если по всем направлениям эти характеристики не изменяются и остаются одинаковыми, такое тело называют изотропным. Если же физико-механические характеристики материалов изменяются - анизотропным. Последнее является характерной чертой практически всех материалов, просто в разной степени. Но есть, например, стали, где анизотропность весьма незначительна. Наиболее ярко она выражена в таких естественных материалах, как дерево. В производственных условиях определяют механические характеристики материалов посредством контроля качества, где используются различные ГОСТЫ. Оценка неоднородности получается из статистической обработки, когда суммируются результаты испытаний. Образцы должны быть многочисленными и вырезанными из конкретной конструкции. Такой способ получения технологических характеристик считается довольно трудоёмким.

Акустический метод

Акустических методов для того, чтобы определить механические свойства материалов и их характеристики, достаточно много, и все они отличаются способами ввода, приёма и регистрации колебаний в синусоидальном и импульсном режимах. Используются акустические методы при исследовании, например, строительных материалов, их толщины и напряжённости состояния, при дефектоскопии. Механические характеристики конструкционных материалов также определяются с помощью акустических методов. Сейчас уже разрабатываются и серийно выпускаются многочисленные разнообразные электронные акустические приборы, которые позволяют регистрировать упругие волны, параметры их распространения как в синусоидальном, так и в импульсном режиме. На их основе определяются механические характеристики прочности материалов. Если используются упругие колебания малой интенсивности, этот метод становится абсолютно безопасным.

Недостатком акустического метода является необходимость акустического контакта, который далеко не всегда возможен. Поэтому работы эти не слишком производительны, если нужно срочно получить механические характеристики прочности материалов. Огромное влияние на результат оказывает состояние поверхности, геометрические формы и размеры исследуемого изделия, а также среда, где проводятся испытания. Чтобы преодолеть эти сложности, конкретную задачу нужно решать строго определённым акустическим методом или, напротив, использовать их сразу несколько, это зависит от конкретной ситуации. Например, стеклопластики хорошо поддаются такому исследованию, поскольку хорошая скорость распространения упругих волн, а потому широко используется сквозное прозвучивание, когда приёмник и излучатель располагаются на противоположных поверхностях образца.

Дефектоскопия

Методы дефектоскопии применяются для контроля за качеством материалов в различных областях промышленности. Бывают неразрушающие и разрушающие методы. К неразрушающим относятся следующие.

1. Для определения трещин на поверхностях и непроваров применяется магнитная дефектоскопия . Участки, которые имеют такие дефекты, характеризуются полями рассеивания. Обнаружить их можно специальными приборами или же просто наложить слой магнитного порошка на всю поверхность. На местах дефектов расположение порошка будет меняться уже при наложении.

2. Дефектоскопия проводится и с помощью ультразвука . Направленный луч будет по-разному отражаться (рассеиваться), если даже глубоко внутри образца имеются какие-нибудь несплошности.

3. Дефекты в материале хорошо показывает радиационный метод исследования , основанный на разнице в поглощении излучения средой различной плотности. Используется гамма-дефектоскопия и рентген.

4. Химическая дефектоскопия. Если поверхность протравить слабым раствором азотной, соляной кислоты или их смесью (царская водка), то в местах, где есть дефекты, проявляется сеточка в виде чёрных полосок. Можно применить метод, при котором снимаются серные отпечатки. В местах, где материал неоднороден, сера должна менять цвет.

Разрушающие методы

Разрушающие методы здесь уже частично разобраны. Образцы испытывают на изгиб, сжатие, растяжение, то есть применяются статические разрушающие методы. Если же изделие испытывают переменными циклическими нагрузками на ударный изгиб - определяются динамические свойства. Макроскопические методы рисуют общую картину строения материала и в больших объёмах. Для такого исследования нужны специально шлифованные образцы, которые подвергаются травлению. Так, можно выявить форму и расположение зёрен, например, в стали, наличие кристаллов с деформацией, волокона, раковины, пузыри, трещины и прочие неоднородности сплава.

Микроскопическими методами изучается микроструктура и выявляются мельчайшие пороки. Образцы таким же образом предварительно шлифуют, полируют и потом подвергают травлению. Дальнейшее испытание предполагает использование электрических и оптических микроскопов и рентгеноструктурного анализа. Основой этого метода служит интерференция лучей, которые рассеиваются атомами вещества. Контролируется характеристика материала с помощью анализа рентгенограммы. Механические характеристики материалов определяют их прочность, что является главным для построения конструкций надёжных и безопасных в эксплуатации. Поэтому материал проверяется тщательно и разными методами во всех состояниях, какие он способен принять, не потеряв высокий уровень механических характеристик.

Методы контроля

Для проведения неразрушающего контроля за характеристиками материалов большое значение имеет правильный выбор эффективных методов. Наиболее точны и интересны в этом плане методы дефектоскопии - контроль дефектов. Здесь необходимо знать и понимать различия между способами реализации методов дефектоскопии и методов определения физико-механических характеристик, поскольку они принципиально отличаются друг от друга. Если последние основываются на контроле физических параметров и последующей их корреляции с механическими характеристиками материала, то дефектоскопия зиждется на прямом преобразовании излучения, которое отражается от дефекта или проходит контролируемую среду.

Лучше всего, конечно, контроль комплексный. Комплексность заключается в определении оптимальных физических параметров, по которым можно выявить прочностные и прочие физико-механические характеристики образца. А также одновременно разрабатывается и затем осуществляется оптимальный комплекс средств контроля над дефектами структуры. И, наконец, появляется интегральная оценка данного материала: определяется его работоспособность по целому комплексу параметров, которые помогли определить неразрушающие методы.

Механические испытания

С помощью таких испытаний проверяются и оцениваются механические свойства материалов. Этот вид контроля появился очень давно, но до сих пор не потерял своей актуальности. Даже современные высокотехнологичные материалы потребители достаточно часто и ожесточённо критикуют. А это говорит о том, что экспертизы должны проводиться тщательнее. Как уже было сказано, механические испытания можно подразделить на два вида: статические и динамические. Первые проверяют изделие или образец на кручение, растяжение, сжатие, изгиб, а вторые - на твёрдость и на ударную вязкость. Современное оборудование помогает выполнять эти не слишком простые процедуры качественно и выявлять все эксплуатацонные свойства данного материала.

Испытанием на растяжение можно выявить сопротивляемость материала к воздействию приложенного постоянного или возрастающего растягивающего напряжения. Метод старый, испытанный и понятный, используемый очень давно и до сих пор широко. Образец растягивается вдоль по продольной оси посредством приспособления в испытательной машине. Скорость растяжения образца постоянная, нагрузка измеряется специальным датчиком. Одновременно контролируется удлинение, а также соответствие его прилагаемой нагрузке. Результаты таких испытаний чрезвычайно полезны, если нужно содавать новые конструкции, поскольку пока никто не знает, как они себя поведут под нагрузкой. Подсказать может только выявление всех параметров упругости материала. Максимальное напряжение - предел текучести выносит определение максимальной нагрузки, которую данный материал может выдержать. Это поможет вычислить запас прочности.

Испытание твёрдости

Жёсткость материала рассчитывается по Сочетание текучести и твёрдости помогает определить упругость материала. Если в технологическом процессе присутствуют такие операции, как протяжка, прокатка, прессование, то величину возможной пластической деформации знать просто необходимо. При высокой пластичности материал сможет принять любую форму при соответствующей нагрузке. Методом выявления запаса прочности может служить также и испытание на сжатие. Особенно если материал является хрупким.

Твёрдость испытывают с помощью идентора, который выполнен из гораздо более твёрдого материала. Чаще всего проводится по методу Бринеля (вдавливается шарик), Виккерса (идентер в форме пирамидки) или Роквелла (используется конус). В поверхность материала вдавливается идентор с определённой силой в определённый период времени, а потом изучается оставшийся на образце отпечаток. Есть и другие достаточно широко применяемые испытания: на ударную прочность, например, когда оценивается сопротивление материала в момент приложения нагрузки.

В шар земной упираясь ногами,
Солнца шар я держу на руках.
Я – как мост меж Землею и Солнцем,
И по мне Солнце сходит на Землю,
А Земля поднимается к Солнцу.
Так стою...Я, Человек.

Э. Межелайтиc

Человека изучают многие науки: философия, история, антропология, биохимия… и т.д. Но только рассматривая феномен человека целостно, мы сможем сформулировать ответ на вопрос: "Что же есть человек?"

Как устроен наш организм?
Как он работает?
Что полезно для здоровья?

Что опасно для жизни?
Попробуем порыться в литературе и разобраться!
Знаешь ли ты об интересных особенностях нашего организма?

Человеческая ДНК содержит около 80 000 генов.
В Древнем Риме люди жили в среднем не более 23 лет , а в 19 веке в США средняя продолжительность жизни не превышала 40 лет.
Мужчины считаются карликами при росте ниже 130 см, женщины - ниже 120 см.
Тело человека состоит из 639 мышц.
При улыбке у человека "работают" 17 мускулов.
В позвоночнике человека 33 или 34 позвонка.
При рождении в теле ребенка порядка 300 костей, во взрослом возрасте их остается всего 206.
Почти половина всех костей человека находятся в запястьях и ступнях.
Hогти на пальцах руки растут примерно в 4 раза быстрее, чем на ногах.
Кости человека на 50% состоят из воды.
Каждый палец человека за время жизни сгибается примерно 25 миллионов раз.
В состав человеческого организма входит всего 4 минерала: апатит, арагонит, кальцит и кристобалит.
Дети рождаются без коленных чашечек. Они появляются только в возрасте 2-6 лет.
Человеческий глаз способен различать 10 000 000 цветовых оттенков.
Явление, при котором от сильного света человек теряет способность видеть, называется "снежная слепота".
В среднем ты выделяешь 5 миллилитров слез - за год наберется большая бутылка.
Моргая 20 раз в минуту, ты тем самым увлажняешь глаза. В год это составляет более 10 миллионов мускульных сокращений.
Чихнуть с открытыми глазами невозможно.
Женщины моргают примерно в 2 раза чаще, чем мужчины.
Мужчины примерно в 10 раз чаще женщин страдают дальтонизмом.
Люди с голубыми глазами более чувствительны к боли, чем все остальные.
Человек мигает в среднем каждые 6 секунд , это значит, что в течение жизни мы опускаем и поднимаем веки около 250 миллионов раз.

В среднем волосы человека растут со скоростью 12 мм в месяц.
У блондинов борода растет быстрее , чем у брюнетов.
Человеческий волос толще мыльной пленки примерно в 5000 раз .
В спокойном состоянии ты вдыхаешь и выдыхаешь 16 раз в минуту, за это время через легкие проходит 8 литров воздуха. За год таким количеством воздуха можно было бы наполнить два воздушных шара.
Поверхность легких - порядка 100 квадратных метров.
Правое легкое человека вмещает в себя больше воздуха, чем левое.
Взрослый человек делает примерно 23 000 вдохов (и выдохов) в день.
Площадь поверхности человеческих легких примерно равна площади теннисного корта.
Самая сильная мышца в человеческом организме - язык.
В организме человека порядка 2000 вкусовых рецепторов.
Во рту человека около 40 000 бактерий. В среднем мозг человека весит около 1,3кг.
Человеческий мозг генерирует за день больше электрических импульсов, чем все телефоны мира вместе взятые.
С момента рождения в мозгу человека уже существует 14 миллиардов клеток, и число это до самой смерти не увеличивается. Hапротив, после 25 лет оно сокращается на 100 тысяч в день.
За минуту, потраченную вами на чтение страницы, умирает около 70 клеток.
После 40 лет деградация мозга резко ускоряется, а после 50 нейроны (нервные клетки) усыхают и сокращается объем мозга.
В головном мозге человека за одну секунду происходит 100 000 химических реакций.
Человек - единственный представитель животного мира, способный рисовать прямые линии.
Длина волос на голове, отращиваемых в среднем человеком в течение жизни - 725 километров.
Ударяясь головой об стену можно терять 150 калорий в час.
Мелкие кровяные сосуды-капилляры в 50 раз тоньше самого тонкого человеческого волоса.
Средний диаметр капилляра состав­ляет примерно 0,008мм.
В молодой коже содержится невероятное кол-во воды - 8 литров.
Ежедневно ты теряешь через кожу до 2 литров. Поскольку процесс отмирания кожных клеток занимает 120 дней, значит за год ты трижды меняешь кожу.
За время жизни кожа человека сменяется примерно 1000 раз.
Твое сердце в состоянии покоя бьется 80 раз в минуту, перекачивая 5 литров крови.
За год сердце производит 42 миллиона сокра­щений и перекачивает столько крови, что ею можно было бы наполнить несколько бассейнов.
36 800 000 - количество сердцебиений у человека за один год.
Размер сердца человека примерно равен величине его кулака.
Вес сердца взрослого человека составляет 220-260 г. Hервные импульсы в человеческом теле перемещаются со скоростью примерно 90 метров в секунду.
В теле взрослого человека около 75 километров (! ) нервов.
Желудочный сок человека содержит 0,4% соляной кислоты (HCl).
У человека примерно 2 миллиона потовых желез. Средний взрослый человек с каждым литром пота теряет 540 калорий.
Мужчины потеют примерно на 40% больше, чем женщины.
Тонкая кишка человека при жизни имеет длину порядка 2,5 метров.
После его смерти, когда мускулатура стенки кишки расслабляется, ее длина достигает 6 метров.
Общий вес бактерий, живущих в организме человека, составляет 2 килограмма.
Человек способен распознавать только пять запахов: цветочный, специфический (ли­мон, яблоко и т. д.), жженый (кофе и т. п.), гнилой (тухлые яйца, сыр и т. д.) и эфирный (бензин, алкоголь).
Человек, заблудившийся во время густого тумана или пурги, почти всегда ходит по кругу, что объясняется несимметричностью нашего тела, то есть отсутствием полного равновесия между правой и левой половинами тела человека.
Человек, оказывается, дрожит только для того, чтобы согреться.
Человек, который выкуривает пачку сигарет в день, выпивает пол-чашки смолы в год.

Как человек переносит различную высоту над уровнем моря?

Смертельная зона - более 8 км: человек может находиться на этой высоте без дыхательного аппарата лишь короткое время - 3 минуты, а на высоте 16 км - 9 секунд, после чего наступает смерть.
Критическая зона - от 6 до 8 км: серьезные функциональные расстройства жизнедеятельности организма.
Зона неполной компенсации -от4 до 5 км: ухудшение общего самочувствия.
Зона полной компенсации - от 2 до 4 км: некоторые нарушения в деятельности сердца, органов чувств и др. систем благодаря мобилизации резервных сил организма быстро исчезают.
Безопасная зона - от 1,5 до 2 км: не наблюдается существенных сбоев в работе организма человека.

Температуры, являющиеся критическими для человеческого организма
(при нормальном давлении и относительной влажности)

Нормальная температура для большинства людей - от 36,3 до 37С
Критическая температура, сопровождающаяся потерей сознания - выше 42С
Смертельная температура - выше 43С
Температура, приводящая к замедлению процессов мозга - ниже 34С
Критическая температура, соапровождающаяся потерей сознания - ниже 30С
Смертельная температура, возникает фибрилляция сердца, прекращается кровообращение - ниже 27С

Основные физические параметры крови.

Все параметры даны для температуры тела - 37С
Плотность - 1050 кг /куб.м
Вязкость - 0,004 Па.с
Вязкость плазмы крови - 0,0015 Па.с
Коэфф-т диффузии гемоглобина в воде - 0,00000000007 кв.м с
Поверхностное натяжение 0,058 Н/ м
Температура замерзания (плавления) - минус 0,56С
Удельная теплоемкость - 3000 Дж/ кг.К

Электрические характеристики тканей тела человека

Удельное сопротивление:
...мышцы - 1,5 Ом.м
...кровь - 1,8 Ом.м
...кожа - №№0000 Ом.м
...кость - 1000000 Ом.м

...кровь -85,5
...кожа - от 40 до 50
...кость -от 6 до 10

Теплоотдача организма человека

Потеря энергии от общего баланса:
...на дыхание и испарение воды - 13%
...на работу внутренних органов и систем - 1,87%
...на нагрев выдыхаемого воздуха - 1,55%
...на испарение воды с поверхности кожи - 20,7%
...на нагрев окружающего пространства - 30,2%
...на излучение - 43,8%

Механические параметры человека

Средняя плотность человека - 1036 кг куб.м
Средняя скорость движения крови:
...в артериях - от0,2 до 0,5 м с
...в венах - от 0,1 до 0,2 м с
Скорость распространения раздражения по нервам - от 400 до 1000 м с
Сила, развиваемая работающим сердцем:
...в начальной фазе сокращения - 90 Н
...в конечной фазе сокращения - 70Н
Работа сердца за сутки - 86400 Дж
Масса крови, выбрасываемая сердцем за сутки - 5200 кг
Мощность, развиваемая при быстрой ходьбе - 200 Вт

Электрические параметры человека

Удельное сопротивление тканей тела:
...верхнего слоя сухой кожи - 330000 Ом.м
...крови - 1,8 Ом.м
...мышцы - 1,5 Ом.м
Диэлектрическая проницаемость:
...сухой кожи - от 40 до 50
...крови - 85
Сопротивление человека от конца одной руки до конца другой (при сухой коже) - 15000 Ом
Смла тока через тело человека:
...безопасная - меньше 0,001 А
...опасная для жизни - больше 0,05 А
Безопасное электрическое напряжение:
...сухое помещение - меньше 12 В
...сырое помещение - меньше 36 В

Оптические параметры человека

Длительность сохранения глазом зрительного ощущения - 0,14 с
Диаметр глазного яблока взрослого человека - 25 мм
Показатель преломления хрусталика - 1,4
Оптическая сила:
...хрусталика - от 19 до 33 диоптрий
...всего глаза - 60 диоптрий
Диаметр зрачка:
...при дневном освещении - 2 мм
...при ночном освещении - от 6 до 8 мм
Внутриглазное давление - 104 кПа (780 мм рт. ст.)
Число палочек в сетчатке глаза - 130 млн
Число колбочек в сетчатке глаза - 7 млн
Минимальный размер изображения на сетчатке, при котором две точки предмета воспринимаются раздельно - 0,002 мм
Длина волны света к которой глаз ниболее чувствителен - 555 мм

Радиационные параметры человека

Допустимая доза излучения - до 0,25 Гр
Доза излучения, вызывающая лучевую болезнь - от1 до 6 Гр
Смертельная доза излучения - от 6 до 10 Гр

«Все тела, небесный свод, звезды, Земля и ее царства не идут в сравнение с самым низким из умов, ибо ум несет в себе знание обо всем этом, тела же не знают ничего.»

Введение …………………………………………………………… .

I. Физика человека

1.1. Простые механизмы в организме человека …………………

1.2. Деформации в организме человека…………………………..

1.3. Система кровообращения человека………………………….

1.4. Диффузия в организме человека……………………………..

1.5. Приспособление человека к различной температуре……….

1.6. Влажность воздуха и ее роль в организме человека………..

1.7. Закон сохранения и превращения энергии в организме человека ……………………………………………………….

1.8. Электрические явления в организме человека……………...

1.9. Колебания в организме человека…………………………….

1.10. Электромагнитные излучения в организме человека………

II. Исследовательская часть

Заключение …………………………………………………………

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Изучая курс физики, мы, по большей части, рассматриваем неживую природу, а о живой природе говорим вскользь. Но, вместе с тем, живая природа так уникальна и в ней действуют все законы механики, электростатики, оптики, акустики, термодинамики и ядерной физики.

Вот пчела села на цветок и нечаянно задела тычинку, пыльник которой ударил ее по спинке и просыпалась пыльца. Биолог усмотрит в этом примере процесс опыления растения, физик же обратит внимание на характер движения пчелы, издаваемый ею звук, действие рычага – тычинки и свободное падение пыльцы.

А что уже говорить об организме самого человека! Тут столько физический явлений, такое поле деятельности!

Вот хор исполняет песню. Музыкант сразу же обратит внимание на ноты, издаваемые певцами, высоту голосов, громкость и стройность исполнения песни. Физик же узреет в этом колебательное движение голосовых связок, распространение звуковых волн в среде и их интерференцию, а также колебание барабанной перепонки в ухе слушателя.

В своей работе я как раз и хотела рассмотреть организм человека глазами физика, а также изучить, насколько это возможно в рамках школьной физической лаборатории, себя. Моя работа помимо физики будет тесно связана с рядом школьных предметов: биологией, химией, физкультурой и музыкой.

I. ФИЗИКА ЧЕЛОВЕКА

1.1. ПРОСТЫЕ МЕХАНИЗМЫ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА

В организме человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами. Например, кости конечностей, нижняя челюсть, череп (точка опоры - первый позвоночник), фаланги пальцев. Рычажные механизмы скелета обычно рассчитаны на выигрыш в скорости при потере в силе. Соотношение длины плеч рычажного элемента скелета находится в тесной зависимости от выполняемых данным органом жизненных функций. Рассмотрим условия равновесия рычага на примере черепа (рис. 1). Здесь ось вращения рычага О проходит через сочленение черепа с первым позвонком. Спереди от точки опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы R, позади - сила F тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости.

Другим примером работы рычага является действие свода стопы при подъеме на полупальцы (рис. 2). Опорой О рычага, через которую проходит ось вращения, служат головки плюсневых костей.

Преодолеваемая сила R – вес всего тела – приложена к таранной кости. Действующая мышечная сила F, осуществляемая подъем тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости.

В природе распространены гибкие органы, которые могут в широких пределах менять свою кривизну (позвоночник, пальцы). Их гибкость обусловлена или сочетанием большого числа коротких рычагов с системой тяг, или сочетанием элементов, сравнительно гибких, с промежуточными элементами, легко поддающимися деформации. Управление изгибанием достигается системой продольных или косо расположенных тяг (рис.3, 4).

«Колющие орудие» ногти, зубы – по форме напоминают клин (видоизмененная наклонная плоскость). Многие из этих клиньев имеют очень гладкие твердые поверхности (минимум трения), чем и достигается их большая острота (рис. 5)

1.2. ДЕФОРМАЦИИ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА.

Человеческое тело испытывает достаточно большую механическую нагрузку от собственного веса и от мышечных усилий, возникающих во время трудовой деятельности. Интересно, что на примере тела человека можно проследить все виды деформации. Деформации сжатия испытывают позвоночный столб, нижние конечности и покровы ступни; деформации растяжения - верхние конечности, связки, сухожилия, мышцы; деформации изгиба – позвоночник, кости таза, конечностей; деформации кручения – шея при повороте головы, туловище в пояснице при повороте, кисти рук при вращении и так далее.

В таблице отражены пределы прочности различных видов тканей организма человека и веществ на различные виды деформации.

Вид ткани или вещества		Предел прочности на растяжение, Н / м2	Предел прочности на сжатие, Н / м2
Компактное вещество кости
Грубоволокнистая соединительная ткань (сухожилия, связки)
Ткань нервных стволов
Мышечная ткань

Из таблицы видно, что модуль упругости для кости или сухожилия при растяжении очень велик, а для мышц, вен, артерий он очень мал. Предельное напряжение, разрушающее кость плеча, около 8*107 Н\ м 2.

Соединительные ткани в связках, в легких и так далее обладают большой эластичностью, например, затылочная связка может быть растянута более чем вдвое.

Сопротивление кручению очень быстро возрастает с увеличением толщины, поэтому органы, рассчитанные на выполнение крутильных движений, как правило, длинные и тонкие (шея).

При прогибе происходит растяжение материала по выпуклой его стороне и сжатие по вогнутой, средние части заметной деформации не испытывают.

Поэтому в технике сплошные брусья заменяют трубами, балки делают тавровыми или двутавровыми; это экономит материал и уменьшает массу установок. Как известно, трубчатое строение имеют кости конечностей. Балка, сводообразно изогнутая кверху и имеющая надёжные опоры, не допускающие раздвигания её концов (арка), обладает огромной прочностью по отношению к усилиям, действующим на её выпуклую сторону (архитектурные своды, бочки, в организмах – череп грудная клетка).

Строительное искусство природы и людей развивается по одному и тому же принципу – экономии материалов и энергии. Известно, что твердый материал в костях располагается в соответствии с направлениями главных напряжений. Это можно обнаружить, если рассмотреть продольный разрез верхней части бедренной кости (рис. 6) и кривую балку, работающей на изгиб под действием нагрузки, распределённой на некотором участке верхней поверхности. Интересно, что стальная Эйфелева башня напоминает по своему строению трубчатые кости человека (бедренную или берцовую). Имеется подобие и во внешних формах конструкций, и в углах между «перекладинами» и «балками» кости и раскосами башни.

1.3. СИСТЕМА КРОВООБРАЩЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА.

При операциях на сердце часто возникает необходимость временно выключить его из круга кровообращения и оперировать сухое сердце (рис. 7). Аппарат искусственного кровообращения надежно поддерживают на протяжении всего процесса заданный минутный объём кровообращения в организме (порядка 4 - 5 литров для взрослого больного), заданную температуру циркулирующей крови.

Аппарат искусственного кровообращения состоит из двух основных частей: системы насосов и оксигенатора. Насосы выполняют функции сердца – они поддерживают давление циркуляцию крови в сосудах организма во время операции Оксигенатор выполняет функции лёгких и обеспечивает насыщение крови кислородом не ниже 95% и поддерживает парциальное давление СО2 на уровне миллиметров ртутного столба. Венозная кровь из сосудов больного самотеком переливается в оксигенатор, располагающийся ниже уровня операционного стола, где насыщается кислородом, освобождается от избытка углекислоты и далее артериальным насосом нагнетается в кровяное русло больного. АИК на непродолжительное время способен заменять функции сердца и легких. В настоящее время практически все операции на сердце выполняются с помощью АИК. В отдельных случаях операция производится при умеренной гипотермии (снижение температуры) организма, что дает возможность более длительно применять АИК.

В настоящее время ученые-медики и инженеры работают над созданием и применением аппарата «искусственное сердце».

При рассмотрении капиллярных явлений следует подчеркнуть их роль в биологии, так как большинство тканей пронизано громадным числом капиллярных сосудов. Именно в капиллярах происходит основные процессы, связанные с дыханием и питанием организма, вся сложнейшая химия жизни, тесно связанная с диффузионными явлениями.

Приведем некоторые данные для организма человека.

Площадь поперечного сечения аорты 8см2, а общая площадь всех капилляров примерно 3200 см2,то есть площадь капилляров больше площади аорты в 400 раз. Соответственно падает скорость кровотока – от 20 см/с вначале аорты до 0.05 см\с в капилляре.

Диаметр каждого капилляра в 50 раз меньше диаметра человеческого волоса, а длина его менее 0,5мм. В теле взрослого человека имеется 160 млрд. капилляров.

Общая длина капилляров достигает 60-80 тыс. км; через каждый квадратный миллиметр поперечного сечения сердечной мышцы в среднем проходит до 2 тыс. капилляров

Физической моделью сердечно - сосудистой системы может служить система из множества разветвлённых трубок с упругими стенками. По мере разветвления общее сечение трубок возрастает и скорость движения жидкости соответственно уменьшается. Однако вследствие того, что разветвление состоит из множества узких каналов, потери на внутреннее трение при этом сильно возрастает и общее сопротивление движению жидкостей (не смотря на снижение скорости) значительно увеличивается.

1.4. ДИФФУЗИЯ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА

Наибольшее всасывание пищевых продуктов происходит в тонких кишках, стенки которых специально для этого приспособлены. Площадь внутренней поверхности кишечника человека равна 0,65 м2. Она покрыта ворсинками - микроскопическими образованиями слизистой оболочки высотой 0,2-1мм, за счет чего площадь реальной поверхности кишечника достигает 4-5м2, то есть в 2-3 раза больше площади поверхности всего тела. И в процессе всасывания большую роль играет диффузия.

ДЫХАНИЕ - перенос кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы - происходит тем быстрее, чем больше площадь поверхности соприкосновения тела и окружающей среды, и тем медленнее, чем толще и плотнее покровы тела. Отсюда понятно, что малые организмы, у которых площади поверхности велики по сравнению с объемом тела, могут обходиться вовсе без специальных органов дыхания, удовлетворяясь притоком кислорода исключительно через наружную оболочку (если она достаточно тонка и увлажнена). У организмов более крупных дыхание через кожу может оказаться более или менее достаточным только при условии, что покровы чрезвычайно тонки, при грубых покровах необходимы специальные органы дыхания. Основные физические требования к этим органам – максимум поверхности и минимум толщины и увлажненность покровов. Первое достигается многочисленными разветвлениями или складками (легочные альвеолы, бахромчатая форма жабр).

А как же дышит человек? У человека в дыхании принимает участие вся поверхность тела – от самого толстого эпидермиса пяток до покрытой волосами кожи головы. Особенно интенсивно дышит кожа на груди, спине и животе. Интересно, что по интенсивности дыхания эти участки кожи значительно превосходят легкие. С одинаковой по размеру дыхательной поверхности здесь может поглощаться кислорода на 28%, а выделяться углекислого газа даже на 54 % больше, чем в легких. Однако, во всем дыхательном процессе участие кожи ничтожно по сравнению с лёгкими, так как общая площадь поверхности лёгких если развернуть все 700 млн, альвеол, микроскопических пузырьков, через стенки которых происходит газообмен между воздухом и кровью, составляет около 90-100м2, а общая площадь поверхности кожи человека около 90-100м2, то есть в 45-50 раз меньше.

Ритмичное дыхание грудной клетки ещё не есть дыхание, но оно обеспечивает дыхание. При вдохе за счет работы межреберных мышц объём грудной клетки увеличивается. При этом давление воздуха в лёгких падает ниже атмосферного: вследствие образовавшейся разности давления происходит вдох. Затем вследствие расслабления мышц объём грудной клетки уменьшается, давление в лёгких становится выше атмосферного – происходит выдох. На рисунке 8 представлена схема газообмена в лёгких. Здесь показана диффузия кислорода О2 и углекислого газа СО2 через стенки альвеол.

КЕССОННАЯ БОЛЕЗНЬ. Наиболее интенсивно диффузия происходит между газами или между газом и жидкостью. Газы адсорбируются на поверхности жидкости, а затем путем диффузии распространяются по всей её массе, иначе говоря, растворяются в ней. При не слишком высоких давлениях масса газа, растворяющегося в жидкости, прямо пропорциональна парциальному давлению газа над ней. При снижении давления газа над поверхностью жидкости растворённый в ней газ выделяется в форме пузырьков. Это явление лежит в основе кессонной болезни, которой страдают водолазы . Известно, что на глубине под водой водолаз дышит воздухом при повышенном давлении и кровь его насыщается газами воздуха, особенно азотом . В результате резкого снижения давления при возвращении на поверхность воды азот выделяется из крови в виде пузырьков, которые могут попасть в кровеносный сосуд небольшого диаметра. В этом случае может наступить полная закупорка сосудов. Явление это называется газовой эмболией. Закупорка сосудов в жизненно важных органах может иметь серьёзные последствия для организма. Чтобы избежать этого, приходится возвращать водолаза на поверхность очень медленно (после работы на глубине 80 м в течение 1 часа на подъём надо затратить около 9 часов) или же использовать специальные декомпрессионные камеры. В настоящее время разрабатывается устройства с применением гелиево-кислородной смеси, которые дают возможность более быстрого возвращения водолаза на поверхность.

1.5. ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА К РАЗЛИЧНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ.

Из-за свойств цитоплазмы клеток все живые существа способны жить при температуре между 0 и 500 С. Большинство местообитаний на поверхности нашей планеты имеет температуру именно в этих пределах; для каждого вида выход за эти пределы означает гибель либо от холода, либо от жары.

Для того чтобы сохранить температуру тела постоянной, человек должен либо уменьшать потери тепла эффективной защитой, либо увеличить производство тепла. Это достигается весьма разнообразными способами. Прежде всего, важен защитный покров. Защитные одежды человека заключается в том, что они задерживают конвекционные потоки, замедляют испарение, ослабляют или совсем прекращают лучеиспускание. Хорошо известна и защитная роль жира. Существуют различные механизмы для сохранения тепла в незащищённых местах, действующие за счет теплообмена в пучках кровеносных сосудов, где соприкасаются вены и артерии. Оказывается, что уши тем короче, чем холоднее климат. Борьба с перегревом осуществляется в основном путём увеличения испарения. Различные условия, затрудняющие испарение, нарушают регулирование теплоотдачи организма. Так, кожаная, резиновая, клеенчатая, синтетическая одежда затрудняет регулировку температуры тепла. Для терморегуляции организма важную роль играет потоотделение, оно обеспечивает постоянство температуры тела человека или животного. За счет испарения пота уменьшается внутренняя энергия, благодаря этому организм охлаждается.

ПОЧЕМУ МЫ КРАСНЕЕМ В ЖАРУ, А В ХОЛОД БЛЕДНЕЕМ И ДРОЖИМ? Это объясняется следующим образом. Нормальная для человека температура окружающей среды 18-200С. Если она становится выше 250С, то возбуждаются кожные нервные окончания, воспринимающие тепловое раздражение, и благодаря сигналам от центральной нервной системы происходит расширение сосудов кожи. В кожу протекает больше крови из внутренних органов, и она при этом краснеет. При низкой температуре среды организм начинает отдавать большую часть теплоты путем теплопроводности и излучения. Кожа получает тепло главным образом с притекающей кровью. Для уменьшения теплоотдачи сосуды суживаются, поэтому мы бледнеем. Когда нам холодно, в нашем организме увеличивается выделение энергии в мышцах благодаря беспорядочному сокращению отдельных групп мышечных волокон, которые мы называем дрожью.

1.6. ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА И ЕЁ РОЛЬ В ОРГАНИЗМЕ

ЧЕЛОВЕКА.

Нормальным для жизни человека считается воздух с относительной влажностью от 40 до 60%. Когда окружающая среда имеет температуру более высокую, чем тело человека, то происходит усиленное потоотделение. Обильное выделение пота ведёт к охлаждению организма, помогает работать в условиях высокой температуры. Однако такое активное потоотделение является значительной нагрузкой для человека! Если ещё при этом абсолютная влажность высока, то жить и работать становится ещё тяжелее (влажные тропики, некоторые цеха, например красильные).

Относительная влажность ниже 40% при нормальной температуре воздуха тоже вредна, так как приводит к усиленной потере влаги организмом, что ведёт к его обезвоживанию.

1.7. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ

В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА.

При изучении закона сохранения и превращения энергии важно подчеркнуть роль ученого Р. Майера, который первым его сформулировал с позиции врача – естествоиспытателя. Внимание его привлекали явления, происходящие в организме человека. Он заметил разницу в цвете венозной крови в странах умеренного и тропического поясов и пришёл к выводу, что «температурная разница» между организмом и окружающей средой должна находиться в количественном соотношении с разницей в цвете обоих видов крови, то есть артериальной и венозной. Эта разница в цвете является выражением размера потребления кислорода, или интенсивности процесса сгорания, происходящего в организме. Осмысливая эти наблюдения на основе принципа, что «ничего не происходит из ничего и ничто не превращается в ничто и что причина равна действию», уже в 1841г. Майер высказал основную идею закона сохранения и превращения энергии.

Ряд исследований Майера посвящён выявлению энергетических процессов. Майер считал, что источником механических и тепловых эффектов в живом организме служат химические процессы, протекающие в нем в результате поглощения кислорода и пищи

Излагая закон сохранения и превращения энергии, желательно проиллюстрировать его применение превращений одного вида энергии в другой, происходящих в живых организмах. Для этого можно использовать таблицу, в которой показаны разнообразные превращения энергии в живых клетках.

ПРЕВРАЩЕНИЕ	ГДЕ ОНО ПРОИСХОДИТ
	Нервные клетки, головной мозг
Звуковой энергии в электрическую	Внутреннее ухо
Световой энергии в электрическую	Сетчатка глаза
Химической энергии в механическую	Мышечные клетки, реснитчатые эпителии
Химической энергии в электрическую	Органы вкуса и обоняния

Важно отметить, что любой живой организм есть открытая термодинамическая система, далёкая от состояния равновесия. Интересно также сделать расчеты энергетических превращений в живом организме и определить коэффициенты полезного действия некоторых биологических процессов. Мы знаем, что работа может совершаться или за счет изменения внутренней энергии системы, или за счет сообщения системе некоторого количества теплоты.

В живой системе независимо от того, целый это организм или отдельные органы (например, мышцы), работа не может совершаться за счет притока теплоты извне, т. е. живой организм не может работать как тепловая машина. Это можно показать простым расчетом. Известно, что у тепловой машины

где Т1 и Т2 - соответственно температуры источника теплоты и холодильника в абсолютной шкале температур.

Попытаемся определить температуру мышц (Т1), предполагая, что она работает как тепловая машина, при температуре 250С с КПД 30%. Подставляя в формулу температуру холодильника Т2= 298 К и предполагая КПД=1 /3, получим

Т1 – 298 К 1

откуда Т1 = 447К, или 1740С. Таким образом, если бы мышца работала как тепловая машина, она нагрелась бы в этих условиях до температуры 1740С. Это, разумеется, нереально, так как белки, как известно, денатурируют при температуре около 500С. Таким образом, в живом организме работа совершается за счет изменения внутренней энергии системы.

Справедливость первого закона термодинамики для биологии можно доказать, если живой организм изолировать от окружающей среды, изменить количество выделенной им теплоты и сравнить его с тепловым эффектом биохимических реакций внутри организма. С этой целью ещё в 1780 г. Лавуазье и Лаплас помещали морскую свинку в калориметр и измеряли количество выделенной теплоты и углекислого газа. После этого определяли количество теплоты, выделяющейся при прямом сжигании исходных продуктов питания. В обоих случаях получились близкие значения.

Более точные результаты были получены при измерении количеств теплоты углекислого газа, азота и мочевины, выделенных человеком. На основании этих данных вычисляли баланс обмена белков, жиров и углеводов. И здесь совпадение оказалось достаточно хорошим.

В настоящее время калориметрические измерения позволяют делать важные выводы о жизнедеятельности человека, давать направление к диагностике некоторых заболеваний Недавно создан тепловизор – прибор, наглядно показывающий температурные изменения в теле человека. Этот метод позволяет распознать самые разные недуги, связанные с воспалительными процессами, сопровождающимися повышением температуры данного участка тела. Приведём КПД некоторых биологических процессов

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС	КПД %
Свечение бактерий
Сокращение мышц
Фотосинтез

1.8. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА.

Одна из наиболее важных функций живого организма – способность реагировать на изменение окружающей среды, называемая раздражимостью. Например, одноклеточные простейшие способны реагировать на изменение температуры или освещение при помощи механического ответа (амебоидное движение, движение ресничек и жгутиков). Наивысшего развития раздражимость у животных, у которых имеются специализированные клетки, образующие нервную ткань. Нервные клетки – нейроны приспособлены для быстрого и специфического ответа на разнообразные раздражения, поступающие из внешней среды и тканей самого организма. Получение и передача раздражений происходит при помощи электрических импульсов, распространяющихся по определённым путям. В процессе эмбрионального развития из тела нервной клетки вырастает длинный отросток – аксон, образующий нечто вроде телеграфного провода для передачи сообщений (рис. 9). У взрослого человека длина аксона может достигать 1 – 1,5 м при толщине около 0,01мм. Иногда аксоны сравнивают с электрическими проводами, но в действительности электрический сигнал проходит по ним не так, как по проводу. В то время, как в медном проводе ток распространяется, близкой к скорости света, в аксоне импульс движется со скоростью до 100 м/с. У содержимого аксона удельное электрическое сопротивление примерно в 100 млн. раз больше, чем у медной проволоки. Кроме того, изолирующая способность наружной мембраны аксона примерно в 1млн. раз слабее, чем у оболочки хорошего кабеля. Если бы распространение электрического сигнала по аксону зависело только от электропроводности, то введённый в него сигнал затухал бы в пределах нескольких миллиметров

Оболочка аксона разделяет два водных раствора, которые обладают почти одинаковой электропроводностью, но различным химическим составом. Во внешнем растворе более 90% заряжённых частиц представляют собой ионы натрия (Na+) и хлора (Cl-). В растворе внутри клетки основную часть положительных ионов представляют собой ионы калия (К+), а отрицательных – крупные органические ионы. Концентрация ионов натрия (Na+) снаружи клетки в 10 раз выше, чем внутри, а концентрация ионов калия (К+) внутри в 30 раз выше, чем снаружи. Когда мембрана находится в невозбуждённом состоянии, она обладает высокой проницаемостью для калия и лишь незначительно проницаемостью для натрия. Вследствие большого градиента концентрации, ионы калия выходят из аксона наружу. В результате возникает разность потенциалов около 60 мВ, причём внутреннее содержимое клетки заряжено отрицательно по отношению к наружному раствору. Эту разность потенциалов называют потенциалом покоя нервной клетки.

Любое изменение проницаемости мембраны для одного из ионов может привести к изменению потенциала. Именно это и происходит, когда по аксону пробегает электрический импульс. Если раздражать аксон очень слабым электрическим током, он затухает, пройдя по волокну всего несколько миллиметров. Если повышать интенсивность электрического сигнала приложенного к мембране нервной клетки, то, начиная с некоторого уровня сигнала, уже не затухает. Ток снижает потенциал покоя в точке, по которой он проходит, и потенциал покоя падает до нуля; мембрана деполяризуется. В ответ на снижение потенциала проницаемость мембраны для натрия внезапно возрастает. Это ведёт к дальнейшему снижению потенциала. Ионы натрия устремляются из окружающей жидкости внутрь аксона. В результате отрицательный потенциал около 60 мВ сменяется положительным потенциалом около 50 мВ. Это новое состояние означает возникновение потенциала действия. Аксон генерирует свой собственный импульс, который распространяется с постоянной скоростью по всей его длине от одного конца до другого. Сразу после возникновения потенциала действие проницаемости мембраны для натрия снижается, а для калия возрастает, после чего потенциал на этом участке возвращается к уровню покоя.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ . Информация из внешнего и внутреннего мира воспринимается так называемыми рецепторами, которые связаны с центростремительными, или чувствительными, нейронами. Каждый рецептор воспринимает только один вид энергии: рецепторы глаза улавливают световые электромагнитные колебания, рецепторы уха – звук, рецепторы кожи – механические или температурные раздражения. И в коже их функции разделены: одни реагируют только на прикосновения, другие – на давление, третьи – на растяжение и т. д. Температурные рецепторы тоже специализированы: одни реагируют на холод, другие – на тепло.

В результате раздражений возникают нервные импульсы, природа которых одна и та же. Нервный импульс, идущий по слуховому нерву, по своей биофизической природе ничем не отличается от нервного импульса, идущего в мозг от зрительного, обаятельного или тактильного рецептора. Сигналы не смешиваются. Они идут по всем определённым путям и попадают в определённые центры. В восприятии принимают участие не только рецепторы, но и нервы, по которым возбуждение идёт в мозг, которые воспринимают это возбуждение. Вся полученная энергия превращается в поток нервных импульсов, преобразуется в доступную для кодирования форму. Чувствительность анализаторов удивительна. В организмах существуют своего рода «усилители», т. е. приспособления, снижающие порог их чувствительности. Чтобы их действие было понятным, напомним один пример. Когда охотник приводит в действие спусковой механизм оружия, он прилагает небольшое усилие. Но пуля выталкивает газы, которые образуют в результате загорание пороха, кинетическая энергия летящей пули становится значительной! Подобно этому происходит снижение порога чувствительности в организме. Например, глаз способен воспринимать несколько квантов света! Подобные процессы увеличения чувствительности совершаются не только в зрительном, но и в других анализаторах.

РЕГИСТРАЦИЯ БИОПОТЕНЦИАЛОВ . Биопотенциалами называют разности электрических потенциалов, возникающих в клетках, тканях и органах живого организма. Биопотенциалы отдельных клеток, входящих в состав определённой ткани или организма, суммируясь, образуют результирующую разность потенциалов, изменение которой во времени характерно для ткани или органа. Эту разность потенциалов можно измерить или зарегистрировать с помощью определённым образом расположенных электродов. Разность потенциалов от электродов подводится к усилителю, а затем записывается на движущейся ленте регистрирующего устройства.

Поскольку биопотенциалы очень тонко отражают функциональное состояние органов и тканей, то регистрация их с последующим изучением является весьма распространенным приёмом при физиологических исследованиях и при диагностики заболеваний. Наиболее распространена регистрация потенциалов сердца (ЭКГ – электрокардиография), головного мозга (ЭЭГ – электроэнцефалография), а так же периферических нервных стволов и мышц (ЭМГ – электромиография).

Потенциалы, возникающие при работе, сердца регистрируются при помощи электродов, накладываемых в определённых местах на поверхности тела, - там, где при работе сердца образуется набольшая разность биопотенциалов.

Электрокардиограмма представляет собой сложную несимметричную кривую. Периодичность её связана с частотой сокращения сердца и находится в норме в пределах 60 – 80 периодов в минуту. Электрокардиограмма здорового человека показана на рисунке.

Для регистрации биопотенциалов головного мозга служит прибор электроэнцефалограф. Биопотенциалы головного мозга отводятся при помощи электродов, накладываемых в различных точках кожи головы. Частоты колебаний зависят от состояния организма. На рисунке показана электроэнцефалограмма. Определённые нарушения работы мозга вызывают определённые изменения биотоков. Такая зависимость характера токов от состояния организма позволяет учёным изучать процессы, происходящие в мозгу человека. И не только изучать, но иногда и судить о том, здоров он или болен и каков характер заболевания.

НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ БИОПОТАНЦЕАЛОВ . Важным и интересным примером новой медицинской техники является вживляемый под кожу сердечный стимулятор (водитель ритма). Он представляет собой в простейшем варианте генератор кратковременных импульсов с фиксированной частотой и собственным источником питания, смонтированный в корпусе размерами 5*8 см, покрытом биологически инертным полимером. Масса стимулятора 100 г. Стимулятор вживляют под кожу в удобном месте, а провода от него, покрыты силиконовой резиной, подводятся к сердечной мышце и укрепляется на ней с помощью небольших крючочков – зажимов, которые служат электродами. Частота импульсов 60 – 70 в минуту, длительность (в соответствии с параметрами электровозбудимости сердечной мышцы) порядка 1 – 3 см, сила тока в импульсах 3 – 5 мА.

В последнее время больших успехов достигала наука в спасении человека, перешедшего в состояние клинической смерти, - реанимация. Результаты её всё больше и больше применяется в практике работы скорой помощи и в больницах. В состоянии умирания организма электрокардиограмма меняется по форме, амплитуде и интервалам между отдельными циклами. Однако пока сохраняется электрическая активность сердца, борьба за жизнь умирающего продолжается.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТКАНЕЙ . Ткани живых организмов весьма разнородны по составу. Органические вещества, из которых состоят плотные части тканей, представляют собой диэлектрики. Однако жидкости содержат, кроме органических коллоидов , растворы электролитов и поэтому являются относительно хорошими проводниками.

Удельную электропроводность различных тканей организма человека при постоянном токе можно характеризовать ориентировочными данными, приведенными в таблице.

	УДЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ Ом-1*м-1
Спинномозговая жидкость
Сыворотка крови
Внутренние органы
Мозговая и нервная ткани
Жировая ткань
Кожа сухая
Кость без надкостницы

Наибольшую электропроводность имеют спинномозговая жидкость, сыворотка крови; значительно меньше электропроводность внутренних органов, а также мозговой (нервной), жировой и соединительной тканей. Плохими проводниками, которые следует отнести к диэлектрикам, являются роговой слой кожи, сухожилия и особенно костная ткань без надкостницы.

Электропроводность кожи, через которую ток проходит главным образом по каналам потовых и отчасти сальных желез, зависит от толщины и состояния её поверхностного слоя. Тонкая и особенно влажная кожа, а также кожа с повреждённым наружным слоем эпидермиса хорошо проводит ток. Наоборот, сухая огрубевшая кожа – весьма плохой проводник.

Электрический ток, проходят через организм человека, раздражает и возбуждает живые ткани человека. Степень возникающих изменений зависит от силы тока и частоты его. Ток 1 мА считается безопасным для человека. Прохождение по телу человека промышленного тока (частота 50Гц) 3мА вызывает лёгкое покалывание в пальцах, прикасающихся к проводнику. Ток 3 – 5 мА вызывает раздражающее ощущение во всей кисти руки. Токи 8 – 10 мА приводят к непроизвольному сокращению мышц кисти и предплечья. Максимальные токи = 13 мА, при которых человек в состоянии самостоятельно освободиться от контакта с электродами, называются отпускающими токами. Непроизвольные мышечные сокращения при токе порядка 15 мА приобретают такую силу, что разжатие руки становится невозможным (неотпускающий ток). При токах 0,1 – 0,2А наступают беспорядочные сокращения сердечной мышцы, ведущей к гибели человека.

При условиях, ослабляющих изолирующую способность кожи (мокрые руки, ранения, большие поверхности контактов), смертельными могут быть напряжения 100 – 120В и даже меньше. Поэтому в ряде производств для массовых профессий применяется низкое напряжение. Например, при электромонтаже используют паяльники, рассчитанные на напряжение 24 В. В сырых помещениях разрешается работать при напряжении не более 12 В.

1.9. КОЛЕБАНИЯ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА.

В живом организме органы, ткани, клетки работают ритмически. Даже мембрана клетки пропускает ионы в определённом ритме. Нарушение ритма – признак нарушения жизнедеятельности организма. Система ритмов многоярусна. На нижнем ярусе – ритмы клеточные и субклеточные. Более сложные – тканевые ритмы служат основной для ритмической деятельности органов, а последние обусловливают ритмичность организма в целом. Обитатели планеты Земля миллионы лет приспосабливались к движению её вокруг оси, когда день сменяет ночь. Сон бодрствование, принятие пищи, подъём и спад работоспособности определяются движением Земли. Каждый организм подчиняется ещё и сезонной периодичности, которая обусловлена движением Земли вокруг Солнца и наклоном оси вращения Земли к плоскости земной орбиты.

Зачем понадобились «часы» живым организмам? Для наилучшего приспособления к периодическим внешним условиям. Важная особенность колебательных систем – способность к взаимной синхронизации. Только благодаря этому живые системы могут настраиваться правильно, и из множества слабо связанных колебательных процессов возникает гармония периодического явления.

Сердце – пример колебательной системы в живой природе. Сердце – одна из самых совершенных колебательных систем этого рода. Правильность работы сердца определяется синхронной работой целой группы мышц, обеспечивающих переменной сокращение желудочков и предсердий. Синхронизаций этой работы «заведует» специальный орган, так называемый синусный узел, вырабатывающий с определённой частотой синхронизирующие импульсы электрического напряжения. Если синхронный режим сокращения сердечных мышц нарушается, то могут наступить так называемые фибрилляции – хаотические сокращения отдельных волокон сердечной мышцы, которые, если не принять экстренных мер, приводят к гибели организма. Срочные меры заключаются в насильственной синхронизации сердца с помощью особого массажа или с помощью электрических импульсов от специального генератора. В настоящее время миниатюрный электронный генератор синхронизирующих импульсов даже вживляет в организм.

Примером колебаний в организме человека служит барабанная перепонка органа слуха. Колебания воздуха, доходящие до уха человека, вызывают колебания той же частоты барабанной перепонки. Эти колебания передаются посредством молоточка, наковальни и стремечка далее.

1.10. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА.

Роль электромагнитных полей в живой природе чрезвычайно многообразна: это влияние их на жизнедеятельность организмов, электромагнитные связи между организмами, а также ЭМП как средство локации.

Организмы самых различных видов обнаруживают чрезвычайно высокую чувствительность к ЭМП, особенно к тем, которые близки к естественным полям биосферы : к геомагнитному и геоэлектрическому полям, к полям атмосфериков, солнечных вспышек. Под действием ЭМП нарушается ряд физиологических функций – ритм сердца, кровяное давление, обменные процессы, меняется эмоциональное состояние, нарушается осязание, зрение, восприятие звуковых сигналов.

В настоящее время изучается профессиональная вредность разных видов ЭМП. В большей мере исследован вопрос о возможном влиянии на людей ЭМП, создаваемых радио – и телепередатчиками, а также атмосферным радиофоном. Между тем уровень этих полей в последнее время резко возрос.

Очень интересны наблюдения электромагнитных взаимодействий внутри организмов и между организмами. Недавно обнаружены ранее неизвестные электромагнитные колебания, генерируемые сердцем человека; открыта и исследована электромагнитная система регуляции у позвоночника, которая связана со своеобразным распределениями поверхностных потенциалов.

II. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. ФИЗИЧЕСКИЕ И АНТРОПОМЕТРИЧЕСКИЕ

ПОКАЗАТЕЛИ ЧЕЛОВЕКА

Для начала заглянем в Книгу рекордов Гиннеса и поинтересуемся ростом, весом и другими показателями людей.

Великаны:

1.Роберт Першинг Уодлоу (США,) имел рост 272 см, размах

рук 288 см, вес 222,7 кг, обувь – 47 см, длину ладони – 32,4 см.

2. Габриэль Эставао Моньяне (Мозамбик, родился в 19944 г) имеет рост

245 см, вес 189 кг.

Карлики:

1. Полин Мастерс (Голландия,) имела рост 59 см, вес 3,4 кг.

2. Колвин Филипс (США,) имел рост в 19 лет 67 см, вес с одеждой 5,4 кг.

Толстяки:

1. Ион Бровер Миннока (США,) имел рост 185 см. В 1963 г весил 181 кг, в 1966 г – 317 кг, в 1976 г – 442 кг, в марте 1978 г – 625 кг. Чтобы повернуть его на кровати, требовалось 13 человек.

2. Самый тяжелый живущий – Кент Николсон. Он имеет вес 407 кг, объем груди 305 см, талии – 294 см, бедер – 178 см, шеи – 75 см.

Память человека способна вместить столько информации, сколько ее имеется в хранилище самой крупной библиотеки.

А. Македонский знал в лицо каждого из 30 тысяч своих солдат.

Генрих Шлиман за 6-8 недель мог освоить иностранный язык .

Ученый - физик Абраам Федорович Иоффе по памяти пользовался таблицей логарифмов.

Любопытные сведения о человеческом организме можно почерпнуть и из книги «Физика в таблицах» .

Механические параметры	Численное значение
1. Средняя плотность человека 2. Средняя скорость крови - в артериях - в венах 3. Скорость распространения раздражения по нервам 4. Давление в артерии руки взрослого человека - нижнее (в начале фазы сокращения сердца) - верхнее (в конце фазы сокращения сердца) 5. Сила, развиваемая работающим сердцем - в начальной фазе сокращения - в конечной фазе сокращения 6. Работа сердца за сутки 7. Масса крови, выбрасываемая сердцем за сутки 8. Мощность, развиваемая при быстрой ходьбе	1036 кг/м3 0,2 – 0,5 м/с 0,1 – 0,2 м/с 40 – 100 м/с 9,3 кПа (70 мм рт ст) 120 мм рт ст 86 400 Дж 5200 кг 200 Вт
Электрические параметры	Численное значение
1. Удельное сопротивление тканей тела - верхнего слоя сухой кожи - крови - мышцы 2. Диэлектрическая проницаемость - сухой кожи - крови 3. Сопротивление человека от конца одной руки до конца другой 4. Сила тока через тело человека - безопасная - опасная для жизни 5. Безопасное электрическое напряжение - сухое помещение - сырое помещение	3,3*105 Ом*м 1,8 Ом*м 1,5 Ом*м 15 000 Ом 0,001 А
Оптические параметры	Численное значение
Показатель преломления хрусталика Оптическая сила - хрусталика - всего глаза 3. Внутриглазное давление 4. Число палочек в сетчатке глаза 5. Число колбочек в сетчатке глаза 6. Минимальный размер изображения предмета на сетчатке 7. Длительность сохранения глазом зрительного ощущения 8. Длина волны света, к которой глаз наиболее чувствителен 9. Диаметр глазного яблока взрослого человека 10. Диаметр зрачка - при дневном освещении - при ночном освещении	104 кПа (780 мм рт ст) 130 000 000 7 000 000 0,002 мм 555 нм 24-25 мм 2-3 мм 6-8 мм
Акустические параметры	Численное значение
1. Частота звуковых волн, слышимая человеком	17 – 20 000 Гц
Радиационные параметры	Численное значение
1. Допустимая доза облучения 2. Доза облучения, вызываемая лучевую болезнь Смертельная доза облучения	до 0,25 Гр 1-6 гр 6-10 гр

2.2. ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ТЕМА: «Определение ростовых показателей человека».

ЦЕЛЬ: определить рост, обхват груди, талии, бедер, плеча, головы, запястья, шеи, бедра.

ОБОРУДОВАНИЕ: сантиметровая лента.

ХОД РАБОТЫ

№ п/п	Параметр измерения			L + ΔL
				163 + 0,5
	Окружность грудной клетки при вдохе			86 + 0,5
	Окружность грудной клетки при выдохе			80 + 0,5
	Окружность талии			69 + 0,5
	Окружность плеча			25,5 + 0,5
	Окружность бедра			85 + 0,5
	Окружность голени			34 + 0,5
	Окружность запястья			15,5 + 0,5
	Окружность головы			54 + 0,5
	Окружность шеи			35 + 0,5

Вывод: Я измерила свои ростовые показатели и в сравнении с таблицей чехословацких исследователей Шрамковой, Зелезни и Прокопец оказалось, что я имею пропорциональное развитие, но высокой девушкой мне никогда не стать

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБО ТА № 2

ТЕМА: «Определение средней мощности, развиваемой при беге на 30 м,

приседании и взбегании по лестнице».

ОБОРУДОВАНИЕ: весы, линейка, веревка с гирей, секундомер.

ХОД РАБОТЫ

а) мощность при беге на дистанцию 30 метров

1. Измерим массу тела m.

2. Измерим время бега t.

3. Вычислим среднюю мощность Nср по формуле Nср = 2mS2 / t3 с учетом соотношения S=vср t = vt / 2.

Nср = 2 * 55кг * (30м) 2 / (6,19 с)3 = 2583,77Вт

Рассчитаем погрешность.

Nср зависит от m, t и S.

Δm = 0,1 кг Δt = 0,005 с ΔS = 0,5 см = 0,005 м

ε = Δm / m + 3* Δt / t + 2* ΔS / S = 0,1/55+3*0,005/6,19 + 2*0,005/30 = 0,17

ΔN = Nср * ε = 2583,77 Вт * 0,17 = 448,34 Вт

Вывод: Я определила среднюю мощность, развиваемую при беге на 30 метров, и она оказалась равна

Nср = 2583,77 + 448,34 Вт

б) средняя мощность при приседании

1. Измерим высоту своей поясницы Н

2. Измерим высоту своего тела h в положении «присев»

4. Сделаем n приседаний за время t

5. Вычислим среднюю мощность по формуле N = n*m*g *(Н – 0,5*h) / t

Рассчитаем погрешность.

Nср зависит от m, t, h и Н.

Δm = 0,1 кг Δt = 0,005 с ΔН = 0,5 см = 0,005 м Δh = 0,5 см = 0,005 м

ε = Δm / m + Δt / t + ΔН / Н + Δh/ h = 0,1 / 55 + 0,005 / 10,25 + 0,005 / 1,03 + +0,005 / 1,02 = 0,012

ΔN = Nср * ε = 274,25 Вт * 0,012 = 3,29 Вт

Вывод: Я определила среднюю мощность, развиваемую при приседании, и она оказалась равна

Nср = 274,25 + 3,29 Вт

в) средняя мощность при взбегании по лестнице

1. Измерим высоту лестницы h, спустив гирьку на веревке

2. Определим время t, затраченное на подъем по лестнице

3. Измерим массу своего тела m

4. Вычислим среднюю мощность Nср

Рассчитаем погрешность.

Nср зависит от m, t, h.

Δm = 0,1 кг Δt = 0,005 с Δh = 0,5 см = 0,005 м

ε = Δm / m + Δt / t + Δh/ h = 0,1 / 55 + 0,005 / 3,14+ 0,005 / 5,15 = 0,004

ΔN = Nср * ε = 328,63 Вт * 0,004 = 1,31 Вт

Вывод: Я определила среднюю мощность, развиваемую при взбегании по лестнице, и она оказалась равна

Nср = 328,63 + 1,31 Вт

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБО ТА № 3

ТЕМА: «Силы рук при выполнении упражнения на перекладине».

ОБОРУДОВАНИЕ: весы, ванна с водой, мерная кружка.

ХОД РАБОТЫ

1. Измерим массу тела m.

2. Повиснув на перекладине в спортзале на одной руке, почувствовать напряжение мышц руки.

3. Вычислим силу тяжести, действующую на тело по формуле Fт =mg

4. Определим объем своего тела Vт.

5. Найдем выталкивающую силу, действующую на тело со стороны воздуха по формуле Fа =ρ гgVт, плотность воздуха примем 1, 29 кг/м3.

6. Найдем силу своей руки по формуле F = F т - F а.

Рассчитаем погрешность.

Fт зависит от m и Vт.

Δm = 0,1 кг ΔV= 0,0005 м3

ε = Δm / m + ΔV / V = 0,1 / 55 + 0,0005 / 2,35 = 0,002

ΔF = Fт * ε = 539 Н * 0,002 = 1,08 Н

Вывод: Я определила силу руки в висе на перекладине и она оказалась равна

F = 539 + 1,08 Н

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБО ТА № 4

ТЕМА: «Определение механической работы при прыжке в высоту».

ОБОРУДОВАНИЕ: весы, линейка, планка.

ХОД РАБОТЫ

1. Измерим массу тела m.

2. Измерим высоту своей поясницы Н. (Центр тяжести на уровне поясницы).

3. Измерим высоту планки h, которую я хочу перепрыгнуть.

4. Сделаем прыжок

5. Вычислим совершенную механическую работу А = mg (h – Н).

Рассчитаем погрешность.

А зависит от m, Н и h.

Δm = 0,1 кг ΔН= 0,005 м Δh= 0,005 м

ε = Δm / m + ΔН / Н + Δh /h = 0,1 / 55 + 0,005 / 1,03 + 0,005 / 1,03 = 0,0113

ΔА = А * ε = 10,78 Дж * 0,0113 = 0,12 Дж

Вывод: Я определила механическую работу при прыжке в высоту и она оказалась равна

А = 10,78 + 0,12 Дж

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБО ТА № 5

ТЕМА: «Определение механической работы и мощности рук при лазании по канату».

ОБОРУДОВАНИЕ: весы, линейка, секундомер, канат.

ХОД РАБОТЫ

1. Измерим массу тела m.

2. В спортзале поднимемся по канату без помощи ног и засечем время подъема t.

3. Измерим высоту каната h.

4. Вычислим совершенную механическую работу А = mgh.

5. Вычислим мощность при подъеме N = А / t

Рассчитаем погрешность.

А зависит от m и h.

Δm = 0,1 кг Δh= 0,005 м

ε = Δm / m + Δh / h = 0,1 / 55 + 0,005 / 2,60 = 0,004

ΔА = А * ε = 1401,4 Дж * 0,004 = 5,61 Дж

N зависит от m, t и h.

Δm = 0,1 кг Δh= 0,005 м Δt = 0,005 с

ε = Δm / m + Δh / h + Δt / t = 0,1 / 55 + 0,005 / 2,60 + 0,005 / 9,34 = 0,005

ΔN = N * ε = 150,04 Дж * 0,005 = 0,75 Вт

Вывод: Я определила механическую работу и мощность при подъеме по канату, и они оказалась равны

А = 1401,4 + 5,51 Дж N = 150,04 + 0,75 Вт

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБО ТА № 6

ТЕМА: «Определение давления, оказываемого на пол».

ОБОРУДОВАНИЕ: весы, лист бумаги в «клеточку», карандаш.

ХОД РАБОТЫ

1. Измерим массу тела m.

2. Обведем подошву своей обуви на листе бумаги

3. Сосчитаем количество полных клеточек N1 и количество неполных клеточек N2 и рассчитаем площадь подошвы обуви по формуле

S = (N 1 + 0,25 * N 2) / 4

4. Вычислим давление на пол по формуле Р = mg / (2 * S) .

Рассчитаем погрешность.

Р зависит от m и S.

Δm = 0,1 кг ΔS= 0,0001 м 2

ε = Δm / m + ΔS / S = 0,1 / 55 + 0,0001 / 0,02028 = 0,0023

ΔР = Р * ε = 13289 Па * 0,0023 = 30,56 Па

Вывод: Я определила давление своего тела на пол, и оно оказалось равно

Р = 13289 + 30,56 Па

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

ТЕМА: «Определение жизненной емкости легких».

ЦЕЛЬ: Опытным путем определить объем выдыхаемого воздуха

за один цикл.

ОБОРУДОВАНИЕ: сантиметровая лента, надувной шарик округлой формы.

ХОД РАБОТЫ

1. Вдохнем воздух и максимально возможно выдохнем его в надувной резиновый шарик.

2. Измерим окружность шарика L.

3. Повторим опыт 10 раз. Результаты измерений занесем в таблицу.

4. Вычислим объем воздуха в шарике по формуле

V = π * R 3, где R = L / (2 * π)

Общая формула V = L 3 / (8 * π2)

Рассчитаем погрешность.

V зависит от L.

ε = ΔL / Lср = 0,01 / 0,4154 = 0,024

Δ V = Vср * ε = 0,896 * 0,0024 = 0,022 л

Вывод: Я определила жизненную емкость своих легких, и она оказалась равна V = 0,896 + 0,022 л

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведя рад несложных исследований, я еще больше узнала свой организм. Оказалось, что у меня средние антропометрические показатели (рост 163 см, вес 55 кг), мое тело оказывает на пол давление около 13,5 кПа, функциональная проба нормальная, что свидетельствует об отсутствии у меня заболеваний. Жизненная емкость моих легких чуть меньше 1 литра. Я определила мощности, развиваемые мною при беге на дистанции 30 метров, приседании, взбегании по лестнице и лазании по канату. Оказалось, что наибольшую мощность я развиваю при беге, а наименьшую – при лазании по канату. Также я определила механическую работу, совершаемую при прыжке в высоту. Она оказалась на удивление мала, всего 10,78 Дж, так как наибольшая высота планки, которую я могу перепрыгнуть, составляет 1 м 5 см. Была определена мною и средняя скорость движения из дома к месту стоянки школьного автобуса. Она составила 1,89 м/с или 6,8 км/ч.

В ходе работы над рефератом я не только исследовала свой организм, но и приобрела навыки работы на компьютере. Думаю, что и то и другое поможет мне в дальнейшей учебе по выбранной специальности.

Для практических расчетов и теоретических исследований систем виброзащиты оператора используют динамические модели тела человека в виде аналитических соотношений (например, частотных характеристик) или в виде эквивалентных механических систем (как правило, с несколькими степенями свободы).

При экспериментальных исследованиях и испытаниях систем «человек-машина» в экстремальных условиях применяют специальные имитаторы (антропоморфные манекены), заменяющие человека-испытателя в опасных для него условиях.

Расчетные динамические модели, а также антропоморфные манекены должны быть эквивалентными телу человека по следующим основным показателям: а) геометрическим размерам и формам, б) распределению масс частей тела (в частности, по расположению центров масс частей тела, значениям этих масс и моментов инерции), в) видам соединений отдельных звеньев, г) упругим и демпфирующим свойствам

На рис. 1, а представлена примерная схема конструкции типичного манекена, а на рис. 1,б - усредненные антропометрические данные тела человека.

Усредненные инерционные характеристики отдельных частей (сегментов) тела человека приведены на рис. 2, Значения масс даны в процентах от общей массы человека; значения моментов инерции относительно осей, проходящих через центр масс сегмента, расположение центра масс указано в процентах от длины сегмента.

Положение общего центра масс зависит от позы, принимаемой человеком (рис. 3).

Соединения между отдельными звеньями тела человека (или эквивалентного манекена) представляют собой кинематические пары, обладающие различными степенями подвижности (в ограниченных пределах), Идеализированные схемы соединений Звеньев тела приведены в табл, 1.

(см. скан)

(кликните для просмотра скана)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

Наибольшие значения углов поворота некоторых частей тела, обусловленных подвижностью соответствующих суставов, даны в табл. 2.

Нужные для построения моделей тела человека основные физико-механические параметры , характеризующие упругодемпфирующие свойства тканей человека, триведены в табл, 3 (средние значения).

Рис. 3. Положение центра масс тела сидящего человека

(см. скан)

Зависимости напряжений от относительных деформаций для биологических тканей имеют нелинейный характер; в табл. 4 приведены эти зависимости, полученные для образцов мягких и костных тканей человека .

Характеристики крутильной жесткости элементов скелета человека приведены в табл. 5 в виде крутящего момента приложенного к торцовым сечениям элемента, в зависимости от угла взаимного поворота сечений .