С точки зрения физики человеческий организм

Что такое человек с точки зрения физики?

Смотря какую отрасль физики иметь в виду.

С точки зрения механики организм человека представляется собой сравнительно малопроизводительную (КПД мышцы 20%) машину.

С точки зрения термодинамики человек представляет собой постоянный источник тепла, разными способами передаваемого в окружающую среду.

С точки зрения оптики и акустики интерес представляет лишь ничтожная по объёму часть человека.

Ядерная физика, физика высоких энергий и физика теории относительности никак не рассматривают человека. Аэродинамически он весьма несовершенен.

Также может быть представлен в виде таблицы физических параметров (масса, средняя плотность, спектр поглощения излучения, скорость передвижения, потребляемая энергия и энергия производимой работы, громкость и частотный диапазон испускаемого звука и тому подобное).

С точки зрения физики человек представляет собой те же молекулы, что и любые другие материальные тела. Значит, в нашем теле также присутствуют все эти протоны, электроны и прочие микрочастицы. Причём, правила их жизни в человеческом теле ничем не отличаются от правил их жизни в других телах.

Более того, один гений-физик, имя которого Василий Янчилин, основываясь на законах жизни микромира, в котором электроны ведут себя то как частицы, то как волны, выдвинул очень любопытную гипотезу о происхождении жизни.

Согласно этой гипотезы все люди связаны между собой одним электроном, который в виде волны присутствует одновременно в каждом человеке. Он приводит такой пример, что, если вдруг всё человечество на Земле моментально погибнет, то космонавты, находящиеся где-нибудь далеко от планеты, погибнут в тот же самый момент.

Разделы: Физика

Цель образовательная: показать применение законов механики при рассмотрении строения и функций организма человека, закрепление материала по механике.

Развивающая цель: развитие мышления.

Воспитательная цель: формирование познавательного интереса у учащихся: познай себя, и ты познаешь мир.

Оборудование: таблицы «Кровообращение», «Мышцы человека», скелет человека, кинофрагменты.

I. Организационный момент. Цели, план проведения.

Учитель: Как к живой, так и не живой природе применимы физические законы, но они не исчерпывают сложность поведения живой природы. Если рассматривать все знания, накопленные человечеством за 100%, то 95 % — знания о мире, космосе – знания о костном, т.е. неживом веществе планеты. 5% — знания о живом веществе, 0,05% — знания о человеке.

Сегодня на уроке – конференции мы попробуем взглянуть на себя со стороны, основываясь на знаниях, полученных в курсе механики.

1. Сообщение: «Гулливер и лилипуты. Это возможно?»

Не погрешил ли Свифт против физики в своих путешествиях Гулливера великанов и лилипутов? Да, погрешил. Его великаны в 12 раз больше нормального человека. По законам механики человекоподобное существо высотой более 20м должно было бы иметь столь массивный скелет, что, по всей вероятности, оно попросту сломалось бы под его тяжестью. Галилей высказал мысль, что увеличение размеров привело бы к тому что, тело было бы раздавлено или сломано тяжестью своего собственного веса. Человек огромных размеров должен быть толстым и неповоротливым. Растет потребность в пище пропорционально объему тела, а возможность ее добывания уменьшается, вследствие понижения подвижности.

Законы физики определяют некоторый предел размерам животных и человека. Имеются ли у физики возражения против лилипутов? С точки зрения законов механики здесь все в порядке, но возникает вопрос теплообмена. Если у нас в теле выделяется излишняя теплота, мы потеем – т.е. включаем дополнительный механизм охлаждения. Люди – лилипуты Свифта ростом немного больше 10 см вряд ли могли бы существовать. Им приходилось бы много дышать, непрерывно питаться, все время находиться в быстром движении и при этом кутаться в теплые одежды. Так что для человеческого организма существующие размеры являются не только оптимальными, но и, по сути дела единственно возможными.

Учитель: Итак, особенно крупные животные не бывают грациозными, при возрастании размеров произойдет недопустимое возрастание механических нагрузок на организм. Как позаботилась природа о человеке?

2. Сообщение: «Скелет человека» кинофрагмент.

Как же работают наши кости? Как и строительные элементы, они работают в основном на сжатие – растяжение и на изгиб. Оптимальной конструкцией является кость с частично отсутствующей сердцевиной – трубчатые кости. Развитию костной системы в процессе эволюции привело к уменьшению массы человека примерно на 25% при сокращении прочности скелета. Достаточно ли прочны наши кости? Причиной высокой прочности костей является их композиционная природа. Именно она одновременно обеспечивает и большую твердость костей скелета, и их эластичность.

Кости нашего скелета по прочности превосходят и гранит, и бетон. Однако, чтобы избежать разрушения тела, возникающие в нем механические напряжения не должны превышать предел прочности больше допустимого напряжения, это называется запасом прочности.

На примере человека можно проследить все виды деформации. Деформации сжатия испытывают позвоночный столб, нижние конечности и покровы ступней. Деформации растяжения – верхние конечности, связки, сухожилия, мышцы. Изгиба – позвоночник, кости таза; кручения – шея при повороте головы, туловище в пояснице при повороте, кисти рук при вращении и т.д.

Бедренная кость, поставленная вертикально, может выдержать давления груза в полторы тонны (автомобиль «Волга»). Какие бы нагрузки не прикладывались, кость никогда не работает на излом, а только на растяжение и сжатие. Прекрасной иллюстрацией прочности костей человека может служить скелет каратиста. Каратист концентрирует свой короткий удар на очень малом участке тела, не делая при этом длинных махов руками. Поэтому удар каратиста может разрушать ткани и кости противника, на которые он направлен. Хорошо тренированный каратист может в течение нескольких миллисекунд нанести удар в несколько киловатт. Рука каратиста не ломается при ударе даже о бетонный брусок, который частично объясняется большей прочностью кости по сравнению с бетоном. Кроме того, между костью и бруском бетона всегда находится эластичная ткань, амортизирующая удар.

Учитель: наш организм создан природой с учетом знаменитого «золотого правила механики».

3. Сообщение: «Рычаги в организме человека»

В скелете животных и человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами. Например, у человека – кости конечностей, нижняя челюсть, череп, фаланги пальцев. Рычажные механизмы скелета обычно рассчитаны на выигрыш в скорости при потери в силе. Рассмотрим условия равновесия рычага на примере черепа (приложение №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 , позади – сила тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости. Рука тоже представляет собой совершенный рычаг, точка опоры которого находится в локтевом суставе. Действующей силой является сила двуглавой мышцы (бицепс), которая прикрепляется к бугорку лучевой кости, преодолеваемым сопротивлением является груз , приложенный к кисти. Под действием силы рычаг – рука поднимает груз, находящийся на ладони. Чертёж показывает этот момент вращения мышечной силы (произведение силы на её плечо) равен в данном случае Момент вращения груза M будет равен .Если пренебречь массой лучевой кости, то в состоянии равновесия =

Точка приложения силы находится на расстоянии =3 см (т.е. плечо силы =3 см), а плечо силы тяжести =30 см, отсюда следует

Таким образом, чтобы удержать груз M, необходимо усилие мышцы, в десять раз превышающую величину груза (приложение №2). То, что проигрываем здесь в силе, не имеет особого значения, — мышца обладает достаточно большой силой. Зато очень важно то, что, проигрывая в силе, мы выигрываем в других отношениях. Небольшое сокращение длины мышцы позволяет в данном случае осуществить значительное перемещение ладони с грузом (мы можем поднять груз даже к плечу). Кроме того, мы выигрываем в скорости перемещения. Мышцы не могут очень быстро сокращаться; к счастью, при таком рычаге этого не требуется: скорость перемещения ладони с грузом оказывается в 10 раз больше скорости сокращения мышцы. Другими словами, проигрывая в 10 раз силе, мы во столько же раз выигрываем в длине и скорости перемещения груза. Другим примером работы рычага является действие свободы стопы при подъеме на полупальцы. Опорой О рычага, через которую проходит ось вращения, служат головки плюсневых костей. Преодолеваемая сила – вес всего тела – приложена к таранной кости. Действующая мышечная сила осуществляющая подъем тела, передаётся через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости (приложение №3).

Почему вытянутой рукой нельзя удержать такой же груз, как согнутой? Когда рука вытянута, то направление действия мышечной силы составляет малый угол с продольной осью вращения рычага (приложение №4). Чтобы в этом случае удержать груз такой же, как и при согнутой руке, нужно значительно увеличить мышечное усилие. При одном и том же мышечном усилии вытянутой рукой можно удержать значительно меньший груз, чем согнутой.

Учитель: Поражает исключительная целесообразность устройства нашей опоры – двигательной системы. Форма костей и суставов, как мы выяснили, обеспечивает человеку наиболее выгодные условия для движения. Ещё сложнее строение и взаимоотношение мышц – двигателей нашего тела.

4. Сообщение: «Мышцы и движение» кинофрагмент.

Одни из самых сильных мышц у человека те, что расположены по обе стороны рта и отвечают за сжатие челюстей. Они способны развивать усилие до 700H! Согласно исследованиям у плачущего человека задействованы 43 мышцы лица, в то время, как у смеющегося всего 17 таким образом смеяться энергетически выгодно. Если бы все мышцы человека напрягались, они бы вызвали силу давления, примерно равную 250 кН.

Строение и форма мышц зависит от той работы, которую приходится им чаще всего выполнять. Сила, развиваемая мышцей, является геометрической суммой сих отдельных волокон. Поэтому, чем толще мышца, тем она сильнее — например икроножная мышца. Она может поднять груз массой до 130 кг. В среднем же мышцы человека на каждый 1 см 2 сечения развивают силу 160 Н. Эта сила может изменяться, т.к. определяется не только ЦНС, но и внешними механическими условиями, нагрузкой.

Если вы подняли гирю в несколько килограммов и держите её на весу, то с точки зрения механики вы совершили работу только при поднятии груза, но держать гирю на весу не на много легче, чем поднять её вверх, хотя А=О. Это объясняется тем, что мышцы приводящие в движении руки или ноги, способны к быстрым сокращениям, но каждое сокращение длится малое время. Сокращение мышцы вызывается сигналом, поступающим к ней по нервам головного мозга. Если длительное время держать груз на весу, такие сигналы непрерывно друг за другом поступают к мышце. Когда приходит очередной сигнал, мышца сокращается, но тут же сама по себе расслабляется впредь до получения следующего сигнала. В результате груз, который вы держите, испытывает малые колебания вверх и вниз. Рука дрожит, что особенно заметно, если гирю держать достаточно долго. Скелетные мышцы не способны удерживать груз в строго определенном положении. При периодическом поднятии груза на малые расстояния работа будет совершаться. Поэтому рука устает, не только когда вы поднимаете груз, но и когда держите его на весу.

Учитель: Основой основ для жизни человека является кровь и система кровообращения. Можем ли мы применить закон механики к движению крови в организме человека?

5. Сообщение: «Движение крови по сосудам. Закон Бернулли».

Сосуды пронизывают все участки нашего тела. Сердце – это насос, нагнетающий кровь в артериальную систему. Кровь течет по разветвляющимся артериям до капилляров. Их общая длина 100 тыс. км. Сокращаясь, мышца давит на стенки вен, которые сжимаются и выдавливают кровь по направлению к сердцу, т.к. клапаны, находящиеся выше, открываются, а находящиеся ниже – закрываются.. Чем объяснить, что давление крови с удалением от левого желудка сердца падает? По различным участкам кровеносного русла кровь течет с разной скоростью. Причина? Данное явление не связано с силами трения, а связано с уравнением Бернулли.

Чем больше сечение, тем скорость течения жидкости по ней меньше. Сердце работает частотой 60 Гц, следовательно, струя должна быть прерывистой, а она непрерывна. Пульсация сглаживается т.к. кровеносные сосуды эластичны. Поэтому когда кровь поступает в аорту, та расширяется до тех пор, пока приток крови не прекратится. После этого силы упругости растянутой стенки, стремясь вернуть её к первоначальным размерам, выжимают кровь в более удаленный от сердца участок артерии. Этот участок артерии растягивается, и все начинается сначала.

В результате после каждого сокращения сердца вдоль артерии в направлении от сердца к периферии пробегает волна деформации, подобна тому, как распространяются волны на поверхности воды от брошенного в неё камня. И если на артерию, находящуюся вблизи поверхности тела (например – у запястья), наложить пальцы, то можно ощутить эти волны в виде толчков пульса. Удивительный двигатель – сердце, в среднем за сутки сокращается 100 тыс. раз и перекачивает при этом 10 тыс. литров крови.

6. Сообщение: «Равновесие. Центр тяжести. Человек.»

Центр тяжести (так называют точку притяжения силы тяжести) существует у любого тела. Иногда точку приложенной силы тяжести называют центром масс. Это ни какая-нибудь выделенная точка, она ничем не отличается от других и, более того, может вообще находиться вне тела как у бублика или стула. Давайте рассмотрим несколько ситуаций, в которых мы были или можем быть:

1. Может ли человек, упершийся правой ногой и правым плечом в стену, поднять левую ногу и не потерять равновесие? (нет, так как вертикальная линия, проходящая, через центр тяжести, будет так же проходить через ступню правой ноги);
2. Почему человек, несущий груз на спине, наклоняется вперед? (груз изменяет положение центра тяжести, и человек, находящийся в неустойчивом положении наклоняется, чтобы вертикаль, проходящая через центр тяжести, прошла через центр опоры);
3. Почему трудно стоять на одной ноге? (площадь опоры мала. Поэтому человеку, стоящему на одной ноге, трудно удержать равновесие).
4. Почему при ходьбе люди размахивают руками? (когда человек перемещает ногу вперед, вперед смещается центр тяжести. Чтобы сохранить первоначальное положение центра тяжести, руку отводят назад, такое чередование повторяется при каждом шаге).

Учитель: Человеку было недостаточно просто ходить, ему захотелось бегать, прыгать; ставить рекорды, летать и возникла новая проблема – действие ускорения на человека.

7. Сообщение: «Вестибулярный аппарат. Действие ускорений»

Изучая законы Ньютона, мы много говорили об ускорении.

Рассмотрим, как влияют ускорения на организм человека. Нервные импульсы, сигнализирующие о пространственном перемещении тела, в том числе и головы, поступают в специальный орган – вестибулярный аппарат. Вестибулярный аппарат информирует головной мозг об изменении скорости движения. Характеристика пороговых величин раздражений вестибулярного аппарата, доходящих до сознания человека, а также средние ускорения при разных движениях, следующие: карусель, а = (3-4) м/с 2 ; лифт а = 2 м/с 2 выполнение фигур высшего пилотажа а = (20-80) м/с 2 ; разбег спортсмена на старте а = (8-10) м/с 2 ; катапультирование из самолета а = 200 м/с 2 . Каковы воздействия ускорений?

Если на человека действует ускорение в направлении от головы к ногам, численно равное 2g, то ощущается давление всего тела на сиденье, напряжение мышц, но нарушений самочувствия не наблюдается. При а = (2-4)g требуется большие усилия для удержания головы в вертикальном положении, ощущается затруднительность дыхания, неприятные, а подчас болезненные ощущения смещения внутренних органов. Уменьшается точность движений, увеличивается число ошибок при оценке показаний приборов самолета, из-за смещения подвижных участков кожи на лице меняется внешний облик человека. При а = (4-5)g помимо этих явлений часто возникают зрительные нарушения («серая пелена») при дальнейшем увеличении ускорений а = (5-6)g свыше 5 сек. Могут возникнуть нарушения сознания. Все эти воздействия носят временный характер. Ещё К.Э.Циолковский предлагал для повышения выносливости человека к действию ускорений помещать его тело в жидкость одинаковой с ним плотности. Подобная защита достаточно широко распространена в природе. Так защищается зародыш в яйце, так предохраняется плод в утробе матери.

Учитель: Кому принадлежат слова: «Человечество не останется вечно на земле, но в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе околосолнечное пространство».

8. Сообщение: «Невесомость и человек»

Слова «антигравитация», «антигравитационный» долгое время казались выходцами из фантастики. А между тем мы буквально на каждом шагу только тем и занимаемся, что преодолеваем земное притяжение. Кровь в наших жилах притягивается Землей и понятно, что есть в организмах человека и животного специальные механизмы, обеспечивающие равномерное распределение крови по телу. Есть знаменитая древняя формула: лучше сидеть, чем стоять, лучше лежать, чем сидеть. Физический смысл этого изречения, при желании, можно отнести к снабжению организма кровью. Ведь когда лежащий человек встает или стоящий ложится, он коренным образом меняет свое положение в поле земного тяготения. В легких человека находятся особые пузырьки – альвеолы, через их стенки кислород поступает в кровь. В верхние отделы легких крови поступает меньше чем в нижние, это связано только с тем, что в распределение крови по организму важную роль играет гравитация. У лежащего на спине человека легкие заполняются кровью более равномерно. Зато, как показали эксперименты, жизненная емкость легких у сидящего человека больше, чем у лежащего, и еще больше она у стоящего. Уровень обмена энергии у человека при стоянии на 10-18% больше, чем когда он лежит на спине.

Каков реальный срок безвредного пребывания в невесомости? По мнению многих специалистов, такой срок должен существовать и считаться с этим необходимо. Тренировки, тренировки и еще раз тренировки. Мышцы, во всяком случае, большинство из них можно так поддерживать в работоспособном и здоровом состоянии. Хуже дело обстоит с костями скелета. Ноги несут обычно на себя тяжесть всего тела. Как вернуть им в этом отношении хотя бы ощущение нагрузки? В невесомости ткани обескровливаются, а кровь, наоборот, становится сильно разбавлена тканевой жидкостью. Расширяются центральные вены и предсердия, чтобы пропускать избыток крови (увы, кажущийся) и удалять его через почки. С жидкостью из организма уходит и кальций.

К невесомости не приспособлен механизм снабжения органов тела кровью через артерии. Все космонавты говорили о временных приливах крови к голове, видели, как у товарищей по кабине космического корабля становятся одутловатыми лица и даже морщины разглаживаются. Это организм гонит кровь в голову с силой, преодолевать – то в невесомости нечего.

Учитель: Существует старинная притча о мудреце и юноше. Юноша спросил: «ты знаешь намного больше, чем я; почему же, отвечая на вопрос, ты сомневаешься чаще, чем я?» и тогда мудрец нарисовал палкой на песке два круга; малый внутри большого, «Посмотри, — сказал он юноше, — внутри малого круга заключено все, что знаешь ты, а в большом – все, что знаю я. Разве не ясно, что чем больше круг, тем длиннее ограничивающая его окружность, а значит, и больше соприкосновение с областью неопознанного?»

Не только поэты, но и физики сомневались временами в познаваемости природы. Однако подобные кризисы неизбежно преодолевались, завершаясь, раз новым качественным скачком в процессе научного познания.

Физика человеческого организма

ЦОР выполнила ученица 9 класса Сергиенко Ксения. Используется на уроках физики в 7, 9 и 10 классах при изучении темы «Законы Ньютона, «Вес. Невесомость», «Законы сохранения импульса и энергии», «Рычаги»

Предварительный просмотр:

Подписи к слайдам:

ФИЗИКА ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ОРГАНИЗМА ВЫПОЛНИЛА Ученица 9 класса Сергиенко Ксения Руководитель: учитель физики Даневич Н.А.

ЗАКОНЫ НЬЮТОНА И ЧЕЛОВЕК Если рассматривать человека как объект изучения физики, то мы видим, что многие привычные нам действия полностью подчиняются законам механики. К нему, так же как и ко всем физическим телам применимы законы Ньютона.

Если на тело не действуют другие тела, или действие тел скомпенсировано, то тело находится в покое или движется с постоянной скоростью. Такое движение называют движением по инерции. I закон Ньютона

Типичным случаем использования инерции в живом мире являются прыжки: тело человека находится под действием силы, развиваемой мышцами ног , лишь в начале прыжка, пока ноги не отделил о сь от земли. В дальнейшем никакого двигательного усилия уже не нужно: тело движется вперед, преодолевая сопротивление воздуха и частично силу тяжести, исключительно вследствие инерции.

II ЗАКОН НЬЮТОНА СИЛА – ПРИЧИНА УСКОРЕНИЯ. Ускорение прямо пропорционально действующей на тело силе F и обратно пропорционально массе тела m.

Растягивая динамометр двумя руками, человек может развить силу, равную по меньшей мере 100 Н. Упираясь ногами в петлю, он сможет тянуть веревку вверх с силой около 1000 Н. Развиваемая при этом сила называется становой.

Но есть способы, с помощью которых можно увеличить значение силы, развиваемой человеком. Нам на помощь приходит II закон Ньютона. Человек сможет развить большую силу, если будет двигаться с ускорением. Поэтому, чтобы прыгнуть дальше, спортсмен разгоняется. Сильнее получатся и удар, если он сделан с размаха.

Мышечная ткань обладает свойством сокращаться и растягиваться, ей присущи эластичность и упругость, то есть способность восстанавливать свою форму после прекращения действия деформирующего усилия. При этом упругие характеристики мышечной ткани выше, чем такие же показатели искусственных материалов. «Источником» силы в теле человека являются мышцы. В теле человека их насчитывается около 600.

III ЗАКОН НЬЮТОНА Оказывается и третий закон Ньютона оказывается справедливым, если его рассматривать, применительно к человеку. C ила действия, равна силе противодействия.

СИЛА ТЯЖЕСТИ, ВЕС, НЕВЕСОМОСТЬ Силой тяжести называется сила, с которой любое тело притягивается Землей. Ускорение свободного падения для всех точек на поверхности Земли постоянно g =9,82 м/с 2 . Весом тела называется сила, с которой тело, действует на подставку, или растягивает подвес . Хотя вес возникает в результате притяжения тела Землей, он НЕ ВСЕГДА равен силе тяжести. Явление, при котором вес тела равен нулю называется невесомостью .

В физиологии вес определяют как величину, пропорциональную силе, действующей со стороны жидкости в полукружных каналах внутреннего уха человека на нервные окончания. Возрастание ускорения по сравнению с ускорением свободного падения g , которое человек испытывает, находясь на Земле, называется перегрузкой. Большие перегрузки опасны для человека.

Уже при ускорениях несколько больших, чем g , у человека нарушается зрение, и появляются галлюцинации. При перегрузках происходит замедление кровообращения. При ускорении 5 g , направленном вдоль тела в направлении ноги – голова, кровь утяжеляется настолько, что сердце не может гнать ее к голове. Человек испытывает ощущение «черной пелены» перед глазами и теряет сознание. Если ускорение направлено в противоположную сторону (голова – ноги), перед глазами встает «красная пелена» и наступает потеря сознания от прилива крови к голове.

Перегрузку в 10 g человек выдерживает не более 1 секунды. Возникновение перегрузок связывают со стартами космических кораблей, при этом космонавт испытывает перегрузки, равные 7 – 9 g . Большие перегрузки (до 10 g ) возникают при раскрытии парашюта, управляемом спуске космического аппарата, резком маневрировании на скоростном самолете, автомобильной аварии. Методы борьбы с опасными перегрузками предложил К.Э. Циолковский. Один из них заключается в расположении тела космонавта так, чтобы ускорение было направлено перпендикулярно человеческо му тел у . В горизонтальном положении тренированный человек способен переносить без вреда для здоровья нагрузку до 30 g .

НЕВЕСОМОСТЬ На практике в земных условиях состояние невесомости наблюдают: а) при иммерси и , т.е. погружени и тела в жидкость с плотностью, равной плотности тела. В этом случае вес тела уравновешивается архимедовой силой, тело становится «невесомым», приобретая способность свободно перемещаться в любом направлении. В невесомости у человека наруш ается вестибулярн ый аппарат, зрени е , кожн ая и мышечн ая чувствительност ь . Человек начинает такое ощущение, как будто он падает или совершает полет вниз головой .

При невесомости происходит перераспределение массы циркулирующей крови: из нижней части тела она устремляется в верхнюю. Возрастающий поток крови к сердцу воспринимается нервными окончаниями, которые контролируют объем и давление крови; почки выделяют повышенное количество воды. Одновременно уменьшается чувство жажды, устанавливается отрицательный водный баланс.

Еще одно действие невесомости : К ости и мышцы лишаются весовой нагрузки. Весь характер двигательной активности приобретает новые черты: человек не ходит, а плавает в космическом корабле. Для перемещения как внутри корабля, так и вне его, большие преимущества приобретают руки, а не ноги. Мышцы начинают атрофироваться, меняется . Для того чтобы не допустить детринерованности, космонавты провод ят специальные комплексы тренировок.

СИЛА УПРУГОСТИ И ОПОРНОДВИГАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ЧЕЛОВЕКА Ходьба в вертикальном положении обусловила ряд серьезных механических недостатков организма человека. Это возрастание нагрузок на позвоночник. Для удержания мышц и обеспечения подвижности позвоночник человека приобрел сложную S – образную форму, для поддержания которой, в свою очередь требуются большие нагрузки на мышцы и связки тела.

Позвоночник человека имеет сложное строение. Костная ткань собрана в нем в валики, по форме напоминающие маленькие барабаны, — позвонки. Между ними имеются межпозвонковые диски, состоящие из мягкой соединительной ткани и позволяющие позвонкам совершать смещения.

Как правило, позвоночный столб подвергается общему сжатию как под воздействием веса тела, которое на нем держится, так и под воздействием натяжения различных мышц и сухожилий.

Изменения позвоночного столба начинаются у человека уже с 18-летнего возраста, поэтому говорят, что позвоночник – наиболее рано стареющий орган тела человека .

СИЛА ТРЕНИЯ В СУСТАВАХ Суставы человека похожи на шарниры: шаровой и цилиндрический . Вся поверхность сустава, испытывающего трение, покрыто особой хрящеватой тканью, пропитанной синовиальной жидкостью.

СРАВНЕНИЕ УДАРОВ СПОРТСМЕНОВ Оба они развили обычные человеческие способности к нанесению спортивных ударов специальны ми тренировками. В обоих случаях сила удара возникает за счет изменения импульса стоящего человека, ускоряющего наносящую удар руку из состояния покоя до некоторой скорости, на пути, равном размаху человека. С равни м сил ы ударов двух спортсменов боксера и каратиста.

График и зависимости силы удара спортсменов от времени F, 10 3 Н 3 3000Н  0,01с= 2 =30Нс 1 3000 Н 0 0,01 0,02 0,03 t, c 0,01 c F, 10 3 Н 3 300Н  0,1с=30Нс 2 1 300 H 0 0,02 0,1 c 0,012 t,c

Боксер передает большой импульс, массе противника, сбивая его с ног. Каратист концентрирует свой удар на очень маленьком участке тела и старается завершить его на небольшой глубине. Поэтому каратист легко может своим ударом разрушить ткани и кости противника.

МЕХАНИЧЕСКАЯ РАБОТА Механическая работа – физическая величина, равная произведению силы, действующей на тело, на перемещение, которое совершило тело под действием этой силы . С точки зрения физики, человек, удерживающий в руках груз, работу не совершает. Так ли это на самом деле?

Мозг непрерывно посылает волокнам мышц руки, удерживающей груз, электрические импульсы – управляющие сигналы. Получившая сигнал мышца сокращается, а затем расслабляется. При работе мышцы в нее сплошным потоком идут нервные импульсы и пока одни волокна сокращаются, другие – отдыхают. Получившая сигнал мышца сокращается, а затем расслабляется.

При работе мышцы в нее идут нервные импульсы и пока одни волокна сокращаются, другие отдыхают. Н апряжени е мышц требует непрерывного расходования энергии, приводящего к усталости мышц. К огда рука устает, она начинает дрожать. При накоплении мышечной усталости человек может уронить груз, упасть, потерять сознание. Человек тер яет энерги ю . Е сли расходуется энергия, то совершается работа . То есть, человек совершает работу, просто удерживая груз, не перемещая его на какое-либо расстояние.

СТАТИКА В ТЕЛЕ ЧЕЛОВЕКА СТАТИКА занимается изучением сил, действующих на тела, находящиеся в равновесии. Значение сил, действующих в суставах и мышцах человека, очень важно для медицины (и прежде всего для лечения травм), не менее важно для научного подхода к занятиям спортом.

Пример рычага в руке человека В теле человека много рычагов. Очень интересно свойство этих рычагов – у них очень высокий коэффициент полезного действия, достигающий 98 – 100%. Это объясняется тем, что в нем малы потери на трение .

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

ВЫВОДЫ В своей работе я не рассматривала вопросы, связанные с электрическими и электромагнитными явлениями в организме человека. Мне кажется, что очень интересно изучить и биоритмы природы и человека. Не описаны мною также тепловые свойства и законы тепловых явлений , процесс зрения, то есть связи человеческого организма с оптическими явлениями. Интересны вопросы, связанные с обменом веществ и влиянием радиоактивных явлений на наш организм.

Презентация «Физика в теле человека»

за привлеченного слушателя на курсы профессиональной переподготовки

Описание презентации по отдельным слайдам:

Муниципальное учреждение «Управление образования администрации Питерского района Саратовской области» «Физика в теле человека » Исследовательский проект Автор проекта: Ивченко Валентина Анатольевна учитель физики МОУ«СОШ с.Мироновка Питерского района Саратовской области» Мироновка 2017

Оглавление Введение Цели и задачи проекта Органы человека с точки зрения физики Скелет Деформация Сообщающиеся сосуды Глаз Дыхательная система Энергия человека Статическое электричество Законы физики в организме человека Литература Интернет-ресурсы

Введение Человек — достаточно загадочное и уникальное создание. Из каких органов и систем мы состоим, примерно знает каждый. А вот заглянуть в наш организм поглубже доводится не каждому. А если присмотреться, то можно увидеть и рычаги, и сообщающиеся сосуды, и насосы, и линзы, даже электричество. Давайте посмотрим на наш организм с точки зрения физики.

Цели проекта Расширить общие знания о строении организма человека и доказать, что работа систем внутренних органов подчиняется законам физики.

Задачи проекта Изучить литературу и интернет –источники по теме. Рассмотреть человеческий организм с точки зрения физики. Сделать выводы.

В скелете человека кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами: кости конечностей, нижняя челюсть, фаланги пальцев и др. Скелет человека

Работа опорно-двигательного аппарата подчиняется законам рычага Скелет человека

Виды деформации Деформация сжатия – позвоночный столб, нижние конечности, покровы ступни. Деформация растяжения – связки, сухожилия, мышцы. Деформация изгиба – позвоночник, кости таза. Деформация кручения – шея при повороте головы, туловище в пояснице при повороте.

Сообщающиеся сосуды Кровеносная система Нос, носоглотка, ухо (наружный, средний, внутренний отдел)

Глаз – оптический прибор Глаз человека представляет собой сложную оптическую систему, которая по своему действию аналогична оптической системе фотоаппарата.

Дыхательная система Ритмичное увеличение или уменьшение объема грудной полости действует как механический насос, нагнетающий воздух в легкие и выталкивающий его из них. Механизм вдоха и выдоха можно проследить с помощью модели Дондерса, носящей имя своего изобретателя , физиолога Ф. Дондерса.

Энергия человека Единицей энергии является молекула АТФ Энергетическая эффективность 2-ух макроэргических связей 80 кДж/моль

Статическое электричество Статическое электричество широко распространено в обыденной жизни. Например, меховой ковер на полу при трении об него может получить электрический заряд. Когда человек, тело которого наэлектризовано, дотрагивается до металлического предмета, например трубы отопления или холодильника, накопленный заряд моментально разрядится, а человек получит легкий удар током. Электростатический разряд происходит при очень высоком напряжении и чрезвычайно низких токах. Даже простое расчесывание волос в сухой день может привести к накоплению статического заряда с напряжением в десятки тысяч вольт, однако ток его освобождения будет настолько мал, что его зачастую невозможно будет даже почувствовать. Именно низкие значения тока не дают статическому заряду нанести человеку вред, когда происходит мгновенный разряд.

Законы физики в организме человека Законы физики Закон Бойля – Мариотта Закон равновесия рычага Закон сохранения энергии Закон гидродинамики Закон оптики Его применение в организме человека Дыхательная система Опорно-двигательная система Обмен веществ Кровеносная и выделительная системы Орган зрения

Выводы Работа организма человек подчиняется законам физики. Физическое направление исследований помогает решить задачи биологии и физиологии. Изучив функциональную деятельность органов, смогли создать искусственные органы.

С точки зрения физики человеческий организм

Физика – одна из основных наук о природе.

На уроках физики мы часто рассматриваем физические явления и законы, в основном связанные с неживой природой, а о живой говорим мало. Но живая природа тоже уникальна, и здесь действуют все законы физики.

Насекомые передвигаются, скользя по глади воды, и не тонут, так как их вес не преодолевает силу поверхностного натяжения воды. Многие перелетные птицы во время длительных путешествий выстраиваются в клин, чтобы уменьшить силу трения о воздух и силу сопротивления.

А что уж говорить о самом человеке? Он – часть природы. В нем самом и в его действиях много физический явлений.

Я решил подтвердить гипотезу о том, что на организм человека действует большое количество сил, как внешних, так и внутренних.

Цель работы: научиться применять законы физики для объяснения законов и процессов, протекающих в организме человека, и исследовать свои физические характеристики.

— осуществить подбор и анализ материала, отвечающего на вопрос: какие физические явления и процессы играют важную роль в жизни человека;

— опираясь на знания, полученные в этом учебном году, провести ряд опытов, раскрывающих физические характеристики моего организма;

— сделать выводы по полученным результатам.

— теоретический (сбор и изучение материала в различных источниках: литература, Интернет-ресурс);

— эмпирический (измерения, расчет физических данных).

Предмет исследования:физические характеристики организма человека.

Объект исследования: мой организм.

Практическая значимость работы заключается в том, что знание личных физических характеристик имеет значение для определения резерва физического здоровья человека. Также не менее важно знать, какие физические законы объясняют процессы, протекающие в организме.

Результаты моей работы актуальны и представляют интерес для людей, которые интересуются физикой, и стремятся познать себя, свой организм, своё тело с точки зрения физики.

1. Физика человека

2. Рассмотрим основные процессы жизнедеятельности человека и попробуем объяснить их с точки зрения физики.

1.1. Силы, действующие на человека

Если рассматривать человека как объект изучения физики, то можно увидеть, что многие привычные нам действия подчиняются ее законам.

Любое движение, упражнение, положение тела осуществляется при взаимодействии сил, оказывающих действие на тело человека. Эти силы подразделяют на внешние и внутренние.

Внешние – это силы, действующие на человека извне, при взаимодействии его с внешними телами (земля, гимнастические снаряды, любые предметы). Наибольшее значение для движений человека имеют сила тяжести, сила реакции опоры и сила сопро­тивления среды. Спортсмены, выполняя упражнения со штангой, учитывают силу тяжести, направленную вниз. Если бы не существовало трения, человек не мог бы ходить и бегать: нога, которой произво­дится отталкивание, скользила бы назад, и перемещение тела было бы невозможно (нечто подобное наблюдается при ходьбе по сколь­зкому льду). Сила сопротивления среды действует на тело человека при его движениях в воздушной или водной среде. Уменьшают тормозящее влияние среды принимая наиболее выгодную (обтекаемую) форму тела.

Внутренние силы возникают внутри тела человека при взаи­модействии частей тела. Основная активная внутренняя сила — сила сокра­щения мышц.

Если силы, действующие на тело, уравновешены, то оно на­ходится в покое; если же их равнодействующая не равна нулю, то тело перемещается в направлении этой равнодействующей.

Каж­дая из сил может быть движущей или тормозящей. Например, сила тяжести при движении вниз является движущей силой, а при дви­жении вверх — тормозящей. Сила попутного ветра, например, при ходьбе — движущая сила, а сила встречного вет­ра — тормозящая.

Для человека также характерна инерция. Ее типичным случаем являются прыжки. В начале прыжка тело человека находится под действием силы, развиваемой мышцами ног. Пока они не отрываются от поверхности земли. После этого никакого двигательного усилия уже не нужно. Тело движется вперед, преодолевая сопротивление воздуха и силу тяжести, исключительно вследствие инерции.

Человек может развивать большую силу, если будет двигаться с ускорением. Следовательно, чем лучше разогнаться, тем дальше будет прыжок.

На примере человека можно проследить все виды деформации.

Деформацию сжатия испытывают позвоночный столб, нижние конечности, покровы ступней; растяжения – верхние конечности, связки, сухожилия; изгиба – позвоночник, кости таза; кручения – шея при повороте головы, туловище в пояснице при повороте, кисти рук при вращении и др. (Приложение 1).

Позвоночный столб, как правило, подвергается сжатию как под воздействием веса тела, так и натяжения различных мышц и сухожилий. Для их удержания и обеспечения подвижности он имеет сложную S-образную форму. Позвоночник – наиболее рано стареющий орган, поэтому его изменения начинаются уже с 18-летнего возраста.

Деформация характерна и для мышц человека. Мышечная ткань обладает свойством растягиваться и сокращаться, ей присущи эластичность и упругость. В теле человека насчитывается около 600 мышц.

Центр тяжести существует у любого тела (Приложение 2).

Почему человек, несущий груз на спине, наклоняется вперед? Груз изменяет положение центра тяжести, и человек, находящийся в неустойчивом положении наклоняется, чтобы вертикаль, проходящая через центр тяжести, прошла через центр опоры.

Почему трудно стоять на одной ноге? Площадь опоры мала. Поэтому человеку, стоящему на одной ноге, трудно удержать равновесие.

Почему при ходьбе люди размахивают руками? Когда человек перемещает ногу вперед, вперед смещается и центр тяжести. Чтобы сохранить первоначальное положение центра тяжести, руку отводят назад, такое чередование повторяется при каждом шаге.

1.4. Рычаги в теле человека

В скелете человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами. Например, кости конечностей, нижняя челюсть, череп, фаланги пальцев.

Рука представляет собой совершенный рычаг, точка опоры которого находится в локтевом суставе (Приложение 3). Под действием силы рычаг – рука поднимает груз, находящийся на ладони. Чтобы удержать груз, необходимо усилие мышцы, в десять раз превышающую величину груз.

Почему вытянутой рукой нельзя удержать такой же груз, как согнутой? Если вы подняли гирю в несколько килограммов и держите её на весу, то с точки зрения механики мы совершили работу только при поднятии груза, но держать гирю на весу не легче, чем поднять её вверх, хотя работа равна нулю. Это объясняется тем, что мышцы, приводящие в движении руки или ноги, способны к быстрым сокращениям, но каждое сокращение длится малое время. Сокращение мышцы вызывается сигналом, поступающим к ней по нервам головного мозга. Если длительное время держать груз на весу, такие сигналы непрерывно друг за другом поступают к мышце. Когда приходит очередной сигнал, мышца сокращается, но тут же сама по себе расслабляется до получения следующего сигнала. В результате груз, который мы держим, испытывает малые колебания вверх и вниз. Рука дрожит, что особенно заметно, если гирю держать достаточно долго. Скелетные мышцы не способны удерживать груз в строго определенном положении. При периодическом поднятии груза на малые расстояния работа будет совершаться. Поэтому рука устает, не только когда мы поднимаем груз, но и когда держим его на весу.

Одни из самых сильных мышц у человека те, что расположены по обе стороны рта и отвечают за сжатие челюстей. Они способны развивать усилие до 700 H. Согласно исследованиям у плачущего человека задействованы 43 мышцы лица, в то время как у смеющегося всего 17. Таким образом смеяться энергетически выгодно.

Строение и форма мышц зависит от той работы, которую приходится им чаще всего выполнять. Сила, развиваемая мышцей, является геометрической суммой сил отдельных волокон. Поэтому, чем толще мышца, тем она сильнее,  например, икроножная мышца. Она может поднять груз массой до 130 кг.

Если бы все мышцы человека напрягались, они бы вызвали силу давления, примерно равную 250 кН.

1.5. Движение крови

Сосуды пронизывают все участки нашего тела (Приложение 4). Кровь течет по ветвям артерий до капилляров. Их общая длина около 100 тыс. км.

Сердце – это насос, нагнетающий кровь в артериальную систему. Оно работает в импульсном режиме. Во время каждого импульса, длящегося примерно 0,25 с, сердце выталкивает в аорту около 0,1 л крови. Удивительный двигатель в среднем за сутки сокращается 100 тыс. раз и перекачивает при этом 10 тыс. литров крови. Вследствие насосной функции сердца в сосудах создается постоянное давление крови. Кровь течет по ним из области высокого давления в область низкого.

Пища, находясь в полости рта человека, проталкивается в глотку, а затем к пищеводу мышечными сокращениями языка. Затем происходит сокращение мышц пищевода, и пища проходит в желудок. Роль смазки в данном процессе играет слюна. Она обволакивает пищу, тем самым уменьшая силу трения, возникающую при ее движении по пищеводу.

А как мы пьем? При питье мы расширяем грудную клетку, под давлением наружного воздуха жидкость устремляется в то пространство, где давление меньше, и таким образом проникает в наш рот. Итак, строго говоря, мы пьем не только ртом, но и легкими.

1.7. Диффузия в организме человека. Дыхание

В процессе всасывания пищи большую роль играет диффузия — взаимное проникновение молекул одного вещества в другое.

Наибольшее всасывание происходит в тонких кишках, стенки которых приспособлены для этого. Площадь внутренней поверхности кишечника человека равна 0,65 м 2 . Она покрыта ворсинками — микроскопическими образованиями слизистой оболочки высотой 0,2 – 1 мм, за счет чего площадь реальной поверхности кишечника достигает 4 – 5 м 2 , то есть в 2-3 раза больше площади поверхности всего тела.

Дыхание – это перенос кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы, тоже является примером диффузии. В дыхании у человека принимает участие вся поверхность тела. Особенно интенсивно дышит кожа на груди, спине и животе.

Однако, во всем дыхательном процессе участие кожи ничтожно по сравнению с лёгкими. При вдохе объем грудной клетки и легких увеличивается, при этом в них понижается давление, и воздух через нос и горло входит в легочные пузырьки. При выдохе объем грудной клетки и легких уменьшается. Давление в легочных пузырьках увеличивается, и воздух с избыточным содержанием углекислого газа выходит из легких наружу.

Сколько воздуха мы вдыхаем?

При каждом вдохе человек вводит в свои легкие около поллитра воздуха. В минуту мы делаем в среднем 18 вдыханий. Значит, за одну минуту в нашем теле успевает побывать 9 литров воздуха. Это составляет в час 540 л. За сутки человек вдыхает около 12 кубометров воздуха. Но, если принять в расчет, что вдыхаемый воздух состоит на 4/5 из бесполезного для дыхания азота (Приложение 5), то оказывается, что наше тело потребляет кислорода около 8 кг, то есть примерно столько же по весу, сколько и пищи (твердой и жидкой).

2. Исследовательская часть: определение физических показателей моего организма

Для расчета физических показателей моего организма с помощью напольных весов и ростомера я измерил свои рост и вес:

— мой рост – 171 см

— масса тела – 47 кг.

2.1. Определение объема тела

Объем тела я определял двумя способами:

1) по объему вытесненной воды.

Для этого в ванну была налита вода и отмечен ее уровень. Затем я полностью погрузился в воду и отметил новый уровень. После этого емкостью известного объема (банкой) долил воду до отмеченного второй раз уровня. Объем долитой воды равен объему моего тела.

Объем тела, измеренный данным способом, равен 46 л = 0,046 м³.

2) математически (Приложение 6).

Полный объем тела определяла по формуле:

где объем головы (объем шара),

объем тела (объем параллелепипеда),

объем руки (объем усеченного конуса),

объем ноги(объем усеченного конуса).