Учебное пособие Екатеринбург
Скачать 4.07 Mb. Pdf просмотр
|
- Навигация по данной странице:
- Учебное пособие Екатеринбург 2007
- 61. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ 1.1. Костные рычаги и их сочленения
- 1. 2. Механические свойства тканей организма.
- 1.3. Вестибулярный аппарат – аппарат равновесия.
- 1.4. Биомеханический анализ положения тела человека
- 2. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В БИОЛОГИИ 2.1. Биологические источники и приемники звука
- 2.1.1. Голосовой аппарат человека.
| ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет им. А.М. Горького» ИОНЦ «Физика в биологии и медицине » Физический факультет Кафедра общей и молекулярной физики Прикладные аспекты физики в биологии и медицине Учебное пособие Екатеринбург 2007 2 Содержание Введение............................................................................................................ 4 1. Механические свойства биологических систем ....................................... 6 1.1.Костные рычаги и их сочленения............................................................. 6 1.2. Механические свойства тканей организма............................................. 16 1.3. Вестибулярный аппарат – аппарат равновесия ..................................... 19 1.4. Биомеханический анализ положения тела человека ............................. 21 2. Колебательные процессы в биологии ........................................................ 25 2.1.Биологические источники и приемники звука ....................................... 25 2.1.1. Голосовой аппарат человека ................................................................. 25 2.1.2. Слуховой аппарат человека .................................................................. 28 2.2. Характеристики слухового ощущения ................................................... 34 2.3. Инфразвук и ультразвук........................................................................... 40 2.3.1 Инфразвук................................................................................................ 40 2.3.2. Ультразвук .............................................................................................. 43 3. Атмосферное давление. Дыхание............................................................... 47 4. Движение жидкости по трубкам с упругими стенками. Система кровообращения. .............................................................................................. 51 4.1. Основные принципы гемодинамики. Классификация сосудов ........... 51 4.2. Физические закономерности движения крови в сердечно-сосудистой системе .............................................................................................................. 56 5. Функции теплоты в биологических системах........................................... 63 5.1 Теплопроводность тканей некоторых живых организмов .................... 63 5.2. Тепловой баланс организма ..................................................................... 65 5.3. Физические основы терморегуляции организма ................................... 69 5.3.1. Температура тела ................................................................................... 69 5.3.2. Терморегуляция...................................................................................... 71 5.3.3. Гипотермия и гипертермия ................................................................... 74 5.4. Физические основы лечения при помощи нагретых сред .................... 76 6. Жидкие кристаллы и их применение ......................................................... 80 3 6.1 Строение и свойства жидких кристаллов................................................ 80 6.2 Жидкие кристаллы в биологии и медицине............................................ 82 6.3. Термография .............................................................................................. 84 6.3.1 Анализ термограмм................................................................................. 84 6.3.2. Тепловизионная техника ....................................................................... 87 7. Электрофорез и электроосмос. ................................................................... 91 7.1 Электрофорез белковых фракций ............................................................ 94 8. Первичное действие на ткани организма электрического и магнитного полей ВЧ и УВЧ. .............................................................................................. 98 8.1. Взаимодействие электромагнитных полей с биологическими объектами........................................................................................................ 100 8.2. Поглощение энергии ЭМП в тканях ..................................................... 103 8.3. Тепловой эффект ЭМП в тканях живых организмов .......................... 108 8.4. Нетепловые эффекты в биосредах ........................................................ 109 8.5. Экспериментальные исследования биологических эффектов ЭМП . 112 9. Вращение плоскости поляризации и его использование в медицине. Сахарометрия ................................................................................................. 115 9.1. Вращательная способность химических соединений ......................... 115 9.2. Определение концентрации веществ. Сахарометрия.......................... 117 10. Рентгеновское излучение и его использование в медицине................ 120 10.1 Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом ................. 124 10.2 Статистический характер взаимодействия рентгеновского излучения с веществом..................................................................................................... 126 11. Радиоактивные изотопы и их применение в биологии и медицине ... 131 11.1. Меченые атомы ..................................................................................... 136 11.2. Действие радиации на живые организмы........................................... 137 11.3. Биологическое действие ионизирующих излучений ........................ 139 Литература ...................................................................................................... 143 4 ВВЕДЕНИЕ Каждое новое открытие физики и техники обогащает медицину новыми приборами и аппаратами, дающими возможность усовершенствовать существующие или ввести в практику новые методы диагностики и терапии. Достаточно вспомнить, какой переворот в микробиологии и эпидемиологии в свое время произвело применение оптического микроскопа. Трудно переоценить значение метода диагностики и лечения заболеваний, которое дало медицине открытие рентгеновских лучей. В настоящее время нет такой области медицины, которая не пользовалась бы какими-либо техническими приспособлениями и не применяла бы физических методов исследования. Таким образом, мы видим, что физика имеет исключительно важное значение для медицины, с одной стороны, как теория, определяющая закономерности, имеющие существенное значение для жизнедеятельности организма, с другой стороны, как наука, лежащая в основе устройства современной медицинской техники, без которой невозможно успешная деятельность врача любой специальности. Настоящее пособие не является изложением основных физических принципов и законов, представленных в многочисленных учебниках по физике. Большое внимание в нем уделено прикладным вопросам, касающимся применения физических знаний к биологическим объектам, а также рассмотрены основные принципы работы приборов, применяющихся для проведения биологических исследований и в медицине. Цель пособия - сформировать представления по прикладным вопросам, касающимся применения физических знаний к биологическим объектам, а также сформировать познавательный интерес и мотивацию на изучение физики. Задачами пособия является ознакомление учащихся: 5 - с основными направлениями применения физики в биологии и медицине; - с физическими явлениями, методами их наблюдения и экспериментального исследования на примере биологических объектов; - с принципами работы приборов, применяющихся для проведения биологических исследований в медицине; - с современными направлениями научных исследований. Пособие может быть рекомендовано преподавателям при подготовке лекций для студентов биологических факультетов, для разработки отдельных модульных и факультативных курсов, а также для самостоятельной работы студентов. 6 1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ 1.1. Костные рычаги и их сочленения Роль движения является определяющей в жизни не только человека, но и всех живых существ. Животных от растений отличают активные перемещения в пространстве. Движение помогает животным приспосабливаться к окружающей среде и осуществляется двигательным аппаратом. В состав двигательного аппарата входят кости, соединения между ними и мышцы. Движение осуществляется в местах соединения костей. Костные рычаги приводит в движение сокращающаяся мышечная ткань, поэтому кости и их соединения относятся к пассивной части двигательного аппарата, а мышцы – к активной. Характерная форма тела, связанная с потребностями организма, как правило, определяется опорной системой. Основные функции скелета человека – опора, защита и движение. Скелет является достаточно жестким и устойчивым к сжатию каркасом тела и помогает телу сохранять определенную форму. Противодействуя силе тяжести, у людей он приподнимает тело над землей и обеспечивает опору для всей массы тела, что облегчает человеку передвижение по суше. К скелету прикрепляются внутренние органы и мышцы. Он обеспечивает защиту внутренних органов от неблагоприятных внешних воздействий. Например, черепная коробка защищает головной мозг и органы чувств (зрение, обоняние, равновесие и слух), позвоночник –спинной мозг, а ребра и грудина –сердце, легкие и крупные кровеносные сосуды. При сокращении мышц части скелета работают как рычаги, и это обусловливает к различные виды движения. Различают непрерывные и прерывные виды соединения костей. К непрерывным относятся фиброзные соединения. В этом случае кости 7 связаны с помощью прокладок из оформленной плотной соединительной ткани, хряща или кости. К прерывным принадлежат синовиальные соединения – суставы. В этой ситуации между сочленяющимися костями находятся суставная полость, а кости удерживаются одна около другой с помощью замкнутой суставной капсулы и подкрепляющих ее связок и мышц. Если в образовании сустава участвуют две кости – это простой сустав. Сустав, образованный тремя или несколькими костями, называется сложным. По форме суставные поверхности костей подразделяют на: шаровидные, эллипсовидные, цилиндрические, блоковидные, седловидные и плоские. Возможные виды движений, совершающихся относительно трех взаимно перпендикулярных пространственных осей, определяется формой суставных поверхностей, и характеризуются степенями свободы. Тело, которое может свободно перемещаться в пространстве, имеет шесть степеней свободы. У закрепленного в одной точке тела остаются три степени свободы, а тело, закрепленное в трех точках, неподвижно. Кости скелета, соединенные суставами, образуют кинематические цепи. Если кинематические цепи заканчиваются свободно, они называются открытыми. Примером открытой кинематической цепи может служить любая конечность. Если же кинематическая цепь замыкается, т.е. последний ее элемент замыкается с первым, она превращается в замкнутую. Замкнутая кинематическая цепь представлена в соединении ребер с позвоночником и грудиной. Действие мышц обеспечивает подвижность кинематических цепей: мышцы, действуя на кости, вращают их вокруг осей суставов. Такая система представляет собой особый рычаг. Рычагом называется твердое тело (чаще всего прямой стержень), имеющее ось вращения, к которому приложены силы, создающие вращающие моменты относительно этой оси. Точки приложения сил могут находиться как по одну (рис. 1.1.1 б и в), так и по разные стороны от оси вращения (рис. 1.1.1 а) Рычаг находится в 8 равновесии, если алгебраическая сумма действующих на него моментов сил равна нулю. Моментом силы называется произведение силы на его плечо. Рычаг, в котором точки приложения сил расположены по одну сторону оси вращения, имеет две разновидности. В первом случае (рис. 1.1.1 б) действующая сила F приложена к концу рычага, а преодолеваемом сопротивление – сила R – ближе к точке опоры О. В этом случае при равновесии рычага F R . В этом случае F>R, т.е. рычаг дает проигрыш в силе за счет выигрыша в перемещении. В первом случае рычаг называют рычагом силы, во втором – рычагом скорости. Рис. 1.1.1 В опорно-двигательном аппарате человека встречаются рычаги всех трех указанных выше разновидностей. Тем не менее, большинство рычагов, в частности на конечностях, являются рычагами скорости. Благодаря этому сравнительно небольшое изменение длины мышцы дает в несколько раз большую амплитуду движения конечности. В этом случае вследствие сравнительно малого плеча мышечной силы создаются значительные нагрузки на костно-мышечный аппарат, которые могут в несколько раз превышать перемещаемый или поднимаемый груз. При различных движениях и положениях туловища появляются деформации растяжения и а) б) в) 9 кручения. Механические свойства тканей обеспечивают нормальную работу опорно-двигательного аппарата. Испытание костной ткани на растяжение и сжатие показывает, что компактное вещество кости в пять раз прочнее железобетона, а при растяжении его предельное напряжение сравнимо с аналогичной характеристикой латуни. Действие мышечной силы передается костям с помощью сухожилий, обладающих значительной прочностью, главным образом, на разрыв. Например, ахиллово сухожилие взрослого человека выдерживает нагрузку до 500 кг. В опорно-двигательном аппарате мышечная сила F действует обычно под некоторым углом, например, α на рис. 1.1.2, к оси рычага, причем этот угол изменяется по мере вращения рычага в точке опоры. Под углом к оси рычага может действовать и сила R преодолеваемого сопротивления (угол β на рис.1.1.2). Рис. 1.1.2 Условия равновесия рычага в этом случае имеют вид: 10 β α sin sin Rl Fr = , следовательно, действующая сила α β sin sin r l R F = Таким образом, при определенной величине силы R необходимая мышечная сила F должна быть тем больше, чем больше плечо l силы сопротивления и чем круче по отношению к оси рычага она направлена, а также чем меньше плечо r самой силы, и чем меньший угол составляет направление ее действия по отношению к оси рычага. Если направление мышечной силы почти совпадает с продольной осью рычага (угол α близок к нулю или 180 о ), то, несмотря на большую величину, эта сила может преодолеть только ничтожное сопротивление. Поэтому человек может удержать сравнительно большой груз при согнутом предплечье (рис. 1.1.3 а), и существенно меньший при полностью разогнутом (рис. 1.1.3 б). Примером рычага с опорой между точками приложения сил в опорно- двигательном аппарате может служить череп, рассматриваемый в сагиттальной плоскости (рис. 1.1.4). Ось вращения костного рычага проходит через сочленение черепа с первым позвонком. Спереди от точки опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы, центр тяжести которой расположен несколько позади турецкого седла и спереди от поперечной оси атлантно-затылочного сочленения. Позади, на сравнительно длинном плече действует сила тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости. 11 Рис. 1.1.3 Рычагом силы является действие свода стопы при подъеме на полупальцы (рис. 1.1.5). Опора рычага, через которую проходит ось вращения, – головки плюсневых костей. Преодолеваемая сила – вес всего тела – приложен к таранной кости. Действующая мышечная сила, осуществляющая подъем тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости. 12 Рис. 1.1.4 Рычагом скорости являются кости предплечья (рис. 1.1.3). Точка опоры костного рычага находится в локтевом суставе. Действующая сила – равнодействующая сил мышц, сгибающих предплечье. Преодолеваемое сопротивление – сила тяжести поддерживаемого груза R приложена на кисти в точке В. Для плеч действующей силы и силы сопротивления 3 и 30 см рычаг дает проигрыш в силе и выигрыш в перемещении в 10 раз. Костные рычаги опорно-двигательного аппарата соединяются между собой при помощи сочленений или суставов. Сочленения подразделяют на плоские и пространственные. 13 Рис. 1.1.5 В плоских сочленениях вращение рычагов происходит внутри определенного плоского угла (рис. 1.1.6 б), в пространственных – в любых направлениях внутри определенного телесного угла (рис. 1.1.7 б). Многие суставы имеют более сложное комбинированное устройство. Характер суставных движений зависит от геометрической формы соприкасающихся костных поверхностей. Примером плоского сустава является сочленение локтевой и плечевой костей (рис.1.1.6 а). Локтевая кость с помощью полукруглой выемки охватывает цилиндрический выступ на плечевой кости, который является осью сустава. На рисунке 13б показано для сравнения механическое плоское сочленение, состоящее их двух стержней А и Б с круглыми отверстиями на концах, скрепленных между собой валиком О, вокруг которого стержни могут вращаться в одной плоскости. Плечевой сустав является примером пространственного сочленения (рис.1.1.7 а). 14 Рис. 1.1.6 Рис. 1.1.7 Головка плечевой кости шаровидной формы входит в сферическую впадину выступа лопатки и удерживается в ней плотно охватывающей ее суставной сумкой. Для сравнения на рис. 1.1.7 б показано механическое пространственное сочленение, которое также состоит из стержня А с шаровидной головкой на конце, свободно закрепленной в сферическом гнезде О так, что может вращаться во всех направлениях. 15 Мышцы составляют активную часть опорно-двигательного аппарата, поскольку обладают свойством изменять (сокращать) свою длину. Для опорной части – скелета сравнительно легко установить механические аналогии костным рычагам и их сочленениям. Для мышц, представляющих живую высокодифференцированную ткань, такие аналогии проводить гораздо сложнее. Тем не менее, для учета механического эффекта мышцу можно сравнить с эластичной тягой, направление которой соответствует направлению сухожилия в месте его прикрепления к кости. Мышцы оказывают двустороннюю тягу, сближая точки прикрепления обоих своих концов. Поэтому характер движения при сокращении мышцы будет зависеть от того, какой из костных рычагов, к которым прикреплена мышца, является неподвижным, а какой совершает движение. Например, сокращение мышц, сгибающих предплечье при плече, фиксированном мышцами туловища, вызывает сгибание предплечья, при фиксированном предплечье (например, при упражнении турнике) – подтягивание туловища, и т.д. Большинство костных рычагов находится под действием нескольких мышц, создающих силу тяги различного направления. В этом случае для анализа движения рычага необходимо найти равнодействующую этих сил. Подобный прием осуществляется с помощью сложения и разложения сил по правилу параллелограмма, излагаемому в курсе физики. Сила, развиваемая при максимальном сокращении мышцы, называется подъемной силой мышцы. Подъемная сила мышцы прямо пропорциональна количеству мышечных волокон, входящих в состав этой мышцы. Она зависит от ряда физиологических условий, например возраста, тренировки, степени утомления и т. п. Средние данные для подъемной си- лы, отнесенной к единице поперечного сечения для некоторых мышц, приведены в табл. 1.1.1. Общую подъемную силу мышц сгибателей предплечья можно принять в среднем равной 160 кГ, общую подъемную силу мышц сгибателей голени—480 кГ. 16 Таблица 1.1.1 1. 2. Механические свойства тканей организма. Элементы опорно-двигательного аппарата человека, особенно кости и связки, несут определенную механическую нагрузку. Если эта нагрузка переходит предел прочности соответствующих элементов, наступает их разрушение, выражающееся переломами костей и разрывом связок (в особых условиях действия внешних сил на организм человека могут иметь место также разрывы мышц, нарушение кожных покровов — раны и т. п.). Характер нагрузки элементов опорного аппарата человека, в частности костей скелета, различен. В разнообразных условиях рабочей деятельности человека могут иметь место самые разнообразные сочетания сил, действую- щих на его опорный аппарат. Наиболее часто в опорно-двигательном ап- парате человека действуют силы сжатия, растяжения и изгиба. На рис. 1.2.1 показаны примеры условий, в которых возникает нагрузка на сжатие для нижних конечностей и на растяжение для верхних как от собственного веса человека, так и от переносимых им грузов. 17 Кости конечностей при нормальных мышечных усилиях испытывают нагрузку на изгиб. Например, локтевая кость (рис. 1.2.2) является рычагом, на который действуют три параллельные силы: F 1 — реакция со стороны плечевой кости, служащей опорой для локтевой кости в суставе, F 2 — сила тяги мышц, сгибающих предплечье, и R — сила преодолеваемого сопротивления. Интересно отметить, что строение кости придает ей весьма совершенные механические свойства. Кость состоит из соединительнотканной основы, пропитанной минеральными солями фосфора и кальция. Соединитель- нотканная основа придает кости упругость, минеральные соли — жесткость и твердость. К старости в результате избытка в организме солей кость становится хрупкой и ломкой. При недостатке в пище минеральных солей кость делается мягкой и эластичной. Длинные кости конечностей имеют в средней части трубчатую форму, что обеспечивает наилучшее использование вещества, так как при изгибе элементы вещества, находящиеся внутри тела, вблизи продольной оси, почти не деформируются и поэтому не участвуют в сопротивлении действующим силам. В связи с этим внутренние слои вещества могут быть удалены почти без ущерба для общей прочности. Концы трубчатых костей, например бедра, построены из так называемого Рис. 1.2.1 18 губчатого вещества, которое состоит из тонких костных балочек, распо- ложенных таким образом, что вместе они образуют сводчатую структуру (рис. 1.2.3), хорошо передающую нагрузку от опоры в суставе к средней трубчатой части кости. В заключение приведем некоторые данные, характеризующие проч- ность тканей организма. В табл. 1.2.1 приведены значения предела прочности при растяжении и сжатии Эти данные характерны также и для прочности на изгиб. Для сравнения указана также величина предела прочности некоторых технических материалов. Таблица 1.2.1. Вид ткани или вещества Предел прочности на растяжение, кГ/мм 2 Предел прочности на сжатие, кГ/мм 2 Компактное вещество кости Грубоволокнистая соединительная ткань (сухожилия, связки) 10—12 7,0 12—16 Ткань нервных стволов 1,2—1,5 __ Мышечная ткань 0,1— 0,12 Сталь 80—100 120—150 Бетон 2—2 5 Дерево 8—10 6—8 Каучук 5 Рис. 1.2.2 Рис. 1.2.3 19 В табл. 1.2.2 приведены данные, касающиеся упругости соответствую- щих тканей при растяжении. Приведенные в таблицах данные являются ориентировочными, так как механические свойства тканей, особенно костной и мышечной, различаются в значительной степени не только у разных людей, но даже у одного и того же человека в зависимости от возраста, состояния здоровья, особенностей образа жизни (тренировки), питания и т. п. Таблица 1.2.2. Вид ткани или вещества Модуль упругости, кГ/мм 2 Коэффициент эластичности, кГ/мм 2 Компактное вещество кости 2300 0,0004 Грубоволокнистая соединитель- ная ткань (сухожилия, связки) 146 0,007 Ткань нервных стволов 11 0,09 Мышечная ткань 1,0 1,0 Сталь 20000 0.000005 Дерево 1 000 0,001 Каучук 10 0 1 1.3. Вестибулярный аппарат – аппарат равновесия. Во внутреннем ухе совместно со звуковоспринимающим аппаратом расположен вестибулярный аппарат, сигнализирующий в центральную нервную систему о положении и перемещении головы в пространстве. Вестибулярный аппарат состоит из двух основных частей: трех взаимно перпендикулярных полукружных каналов К и полости небольших размеров, называемой преддверием П, которые вместе с улиткой составляют лабиринт (рис. 1.3.1). Расположение лабиринтов относительно головы показано на рис. 1.3.2. 20 Аналогично улитке вестибулярный аппарат состоит из перепончатых образований, которые находятся в костных каналах, имеющих соответ- ствующую конфигурацию и заполненных эндолимфой. На внутренней по- верхности перепончатых образований в определенных местах расположены скопления чувствительных нервных клеток, имеющих свободные окончания в форме волосков (рис. 1.3.3). Свободные концы волосков погружены в покрывающую их студенистую массу. Подобные клеточные образования расположены в расширениях по концам полукружных каналов (рис. 1.3.3 а), а также в полости преддверия. В полости преддверия студенистая масса, покрывающая волосковые клетки, содержит мелкие кристаллы фосфорнокислого и углекислого кальция, называемые отолитами (рис. 1.3.3, б). Отолиты также участвуют в раздражении волосковых клеток. Специфическим раздражением для клеток вестибулярного аппарата является перемещение эндолимфы с изменяющейся скоростью, т. е. с ускорением или замедлением, вызывающее сгибание волосков чувствительных клеток. При Рис. 1.3.1 Рис. 1.3.2 21 этом в клетках возникают импульсы, идущие в центральную нервную систему и сигнализирующие о скорости и направлении этого перемещения. Когда голова, а вместе с ней и костные стенки полукружных каналов получают ускорение или замедление во вращательном движении в какой- либо плоскости, жидкость вследствие инерции отстает в своем движении, получается перемещение жидкости относительно стенок соответствующего канала в обратном направлении. Это перемещение жидкости и восприни- мается расположенными на стенках канала чувствительными образованиями. При ускорениях или замедлениях при прямолинейном движении головы аналогичные явления имеют место в жидкости преддверия, причем в этом случае действие жидкости усиливается перемещением вместе с ней отолитовой массы. Раздражение отолитового прибора вызывается также тряской, качкой и тому подобными изменениями положения в пространстве головы или всего тела, при которых происходит смещение отолитовой массы. 1.4. Биомеханический анализ положения тела человека Раздел биологии, рассматривающий биологический объекты в свете законов механики называется биомеханикой. Биомеханические исследования имеют большое значение для профилактики деформаций опорно- двигательного аппарата. Изучение распределения нагрузок по стопе Рис. 1.3.3 22 позволяет создать рациональную форму обуви. Биомеханические обоснования конструкции мебели способствуют формированию правильной осанки. Специальные стулья, предназначенные для работников сидячих профессий, позволяют почти в 2 раза снизить нагрузку на межпозвоночные диски. Биомеханический анализ ходьбы показывает, что идущий человек, отталкиваясь от опоры одной ногой, например, правой, приподнимает пятку, наклоняя в то же время туловище вперед. В этом случае линия действия силы тяжести выходит за пределы площади опоры, и человек начинает падать вперед. В это время его левая нога быстро подвигается вперед и становится на землю впереди линии действия силы тяжести, прекращая его падение и восстанавливая равновесие. Затем человек переносит центр тяжести таким образом, что линия действия силы тяжести не выходит за пределы левой ступни, одновременно поднимая при этом правую ногу. Далее последовательность действий повторяется. Таким образом, ходьбу можно представить, как серию вовремя предупреждаемых падений. Положения тела при ходьбе показаны на рис.1.4.1 Поскольку во время ходьбы площадь опоры уменьшается, человек оказывает на землю более сильное давление, чем стоящий. Избыточное давление составляет в этом случае около 200Н. Графическое изображение движения ног при ходьбе показано на рисунке 1.4.2. Верхняя линия (А) относится к одной ноге, нижняя (В) — к другой. Прямые линии отвечают моментам опоры о землю, дуги — моментам движения ног без опоры. Рис.1.4.1 Последовательные положения тела человека при ходьбе. 23 Из графика видно, что в течение всего времени при ходьбе человек имеет точку опоры. При увеличении скорости происходит сокращение промежутков времени, в течение которых человек опирается на обе ноги сразу (например, промежутки а и с на рис. 1.4.2). Во время бега нога человека, стоящая на земле, внезапным сокращением ее мышц энергично вытягивается и отбрасывает тело вперед, так что оно на некоторое время совсем отделяется от земли и находится в состоянии свободного падения. Падение прекращается в тот момент, когда другая нога во время отрыва человека от земли быстро передвинулась вперед и обрела точку опоры. Следовательно, бег состоит из ряда скачков с одной ноги на другую. Последовательные положения тела человека во время бега показаны на рисунке 1.4.3. Отчетливо видны моменты времени, соответствующие отсутствию точки опоры. На рисунке 1.4.4 показано графическое изображение движения ног во время бега. Видно, что моменты времени, аналогичные изображенным отрезками b, d и f соответствуют отсутствию опоры. Рис. 1.4.2. Графическое изображение движения ног при ходьбе. Рис. 1.4.3. Последовательные положения тела человека во время бега 24 Поскольку положение центра тяжести тела во время бега или ходьбы периодически изменяется, то на увеличении высоты его поднятия над землей человек расходует некоторую энергию. Например, при ходьбе по горизонтальному пути затраты энергии составляют около 6% от работы поднятия тела пешехода на высоту, равную пройденному пути. Рис. 1.4.4. Графическое изображение движения ног во время бега. 25 2. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В БИОЛОГИИ 2.1. Биологические источники и приемники звука Мир звуков всегда и везде окружает человека. Источником звуков являются различные явления природы (например, раскаты грома, шум ветра), голосовые связки человек и животных, созданные человеком различные музыкальные инструменты и т.д. Акустика, учение о звуке, занимается исследованием разнообразного круга вопросов. Некоторые вопросы связаны со свойствами и особенностями органов слуха. Возможности органов слуха, их устройство и действие исследует физиологическая акустика. Она рассматривает образование звуков органами речи и восприятие звуков органами слуха, а также вопросы, связанные с анализом и синтезом речи. Биологическая акустика изучает вопросы звукового и ультразвукового общения животных, изучает механизм локации, которым они пользуются, исследует проблемы шумов, вибраций и борьбы сними за оздоровление окружающей среды. Рассматривая любое акустическое явление, следует учесть, что с одной стороны, звук – это физический процесс распространения упругих волн в среде, а с другой - психофизиологический процесс восприятия указанного физического процесса. Первый круг вопросов является предметом исследования физической акустики, а второй - физиологической акустики. 2.1.1. Голосовой аппарат человека. К числу биологических источников звука относится голосовой аппарат человека. Голосовым аппаратом человека является гортань, представляющая собой начальный расширенный участок дыхательной трубки. Главную часть 26 голосового аппарата составляют связки (рис. 2.1.1), расположенные перпендикулярно оси просвета гортани в форме двух створок. Они могут открывать или закрывать щель, через которую проходит выдыхаемый из легких воздух. Связки состоят из покрытых слизистой оболочкой мышц; по краям связок расположены толстые пучки эластических волокон. Мышцы прикрепляются спереди к задней поверхности щи- товидного хряща, а сзади – к голосовым отросткам черпаловидных хрящей. Щель между связками расположена в передне-заднем направлении. В зависимости от степени напряженности мышц голосовых связок щель между ними меняет свою величину. При спокойном дыхании голосовые связки расслаблены и воздух свободно проходит между ними (рис. 2.1.1, а). При разговоре мышцы голосовых связок в той или иной степени сокращаются и закрывают щель, оставляя лишь узкий промежуток (рис. 2.1.1, б). При прохождении через эту щель выдыхаемого из легких воздуха связки приходят в колебания, которые и являются источником звуков. Колебания связок происходят главным образом в плоскости расположения самих связок Рис. 2.1.1 27 и голосовой щели. Для формирования звука имеет значение как степень напряженности и форма голосовых связок, зависящие от тонуса различных составляющих связки мышц, так и скорость проходящего воздуха. Звуковые колебания голосовых связок еще не имеют характера про- износимого нами звука. Дальнейшее его формирование происходит при помощи гортани, ротовой и отчасти носовой полостей, которые служат резонатором, помогающим усилить необходимые тоны. Изменяя размеры и форму ротовой полости путем соответствующего расположения языка, зубов и губ, можно выделить из сложных звуковых волн, идущих из голосовой щели, необходимые отдельные тоны или их сочетания. Таким образом, образуются преимущественно гласные звуки. В качестве примера на рис. 2.1.2 слева приведено положение голосового аппарата человека при произнесении гласного звука Э, а справа—звука А.Образование согласных звуков более сложно, при этом приходят в колебательное движение также мягкое небо, кончик языка и губы. Рис. 2.1.2 На рис. 2.1.3 приведена форма колебаний, соответствующих согласному звуку С. Данный звук содержит почти все гармонические колебания с частотой до 9000—10000 гц. 28 Каталог: bitstream -> 10995 10995 -> Антисоциальные 10995 -> Влияние рекламы на выбор антацидных препаратов 10995 -> Контрольные вопросы по большому специальному практикуму «Биофи зические методы исследования в физиологии. Психофизика и электро кардиография» 10995 -> В. Р. Бараз, В. Ф. Пегашкин Скачать 4.07 Mb. Поделитесь с Вашими друзьями:
|