авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

«КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКЕ В. А. Подколзина Представленный вашему вниманию конспект лекций предназначен для подготовки студентов медицинских вузов к сдаче ...»

-- [ Страница 2 ] --

Инфразвук часто сопровождается слышимым шумом, напри мер в автомашине, поэтому возникают трудности при измерении и исследовании собственно инфразвуковых колебаний.

Для инфразвука характерно слабое поглощение различными средами, поэтому он распространяется на значительное расстоя ние. Это позволяет по распространению инфразвука в земной ко ре обнаруживать взрыв на большом удалении от источника, по из меренным инфразвуковым волнам прогнозировать цунами и т. д.

Так как длина волны инфразвука больше, чем у слышимых звуков, то инфразвуковые волны лучше дифрагируют и проникают в по мещения, обходя преграды.

Инфразвук оказывает неблагоприятное влияние на функцио нальное состояние ряда систем организма: отмечаются усталость, головная боль, сонливость, раздражение и др.

Предполагается, что первичный механизм действия инфразву ка на организм имеет резонансную природу. Резонанс наступает при близких значениях частоты вынуждающей силы и частоты собственных колебаний. Частота собственных колебаний тела че ловека в положении лежа (3—4 Гц), стоя (5—12 Гц), собственных колебаний грудной клетки (5—8 Гц), брюшной полости (3—4 Гц) соответствуют частоте инфразвуков.

Снижение уровня интенсивности инфразвуков в жилых, произ водственных и транспортных помещениях — одна из задач гигиены.

ЛЕКЦИЯ №5. Гидродинамика. Механические свойства твердых тел и биологических тканей.

Физические вопросы гемодинамики Гидродинамика — раздел физики, в котором изучают вопросы движения несжимаемых жидкостей и взаимодействие их при этом с окружающими твердыми телами, учения о деформациях и теку чести вещества.

1. Методы определения вязкости жидкости Клинический метод определения вязкости крови Совокупность методов измерения вязкости называется виско зиметрией, а приборы, используемые для таких целей, — вискози метрами. Наиболее распространенный метод вискозиметрии — ка пиллярный — заключается в измерении времени протекания через капилляр жидкости известной массы под действием силы тяжести при определенном перепаде давлений. Капиллярный вискозиметр применяется для определения вязкости крови.

Применяются также ротационные вискозиметры, в которых жид кость находится в зазоре между двумя соосными телами, например цилиндрами. Один из цилиндров (ротор) вращается, а другой мало подвижен. Вязкость измеряется по угловой скорости ротора, создаю щего определенный момент силы на неподвижном цилиндре, или по моменту силы, действующему на неподвижном цилиндре, или по моменту силы, действующему на неподвижный цилиндр, при заданной угловой скорости вращения ротора. С помощью рота ционных вискозиметров определяют вязкость жидкостей — сма зочных масел, расплавленных силикатов и металлов, высоковяз ных лаков и клеев, глинистых растворов.

В настоящее время в клинике для определения вязкости крови используют вискозиметр Гесса с двумя капиллярами. В вискози метре Гесса объем крови всегда одинаков, а объем воды отсчиты вают по делениям на трубке, поэтому непосредственно получают значение относительной вязкости крови. Вязкость крови человека в норме 0,4—0,5 Пас, при патологии колеблется от 0,17 до 2,23 Пас, что сказывается на скорости оседания эритроцитов (СОЭ).

Венозная кровь обладает несколько большей вязкостью, чем артериальная. При тяжелой физической работе вязкость крови увеличивается. Некоторые инфекционные заболевания увели чивают вязкость, другие же (например, брюшной тиф и туберку лез) — уменьшают.

Ламинарное и турбулентное течения Число Рейнольдса Течение жидкости может быть слоистым, или ламинарным.

Увеличение скорости течения вязкой жидкости вследствие не однородности давления поперечному сечению трубы создает за вихрение, и движение становится вихревым, или турбулентным.

При турбулентном течении скорость частиц в каждом месте хао тически изменяется, движение является нестационарным.

Характер течения жидкости по трубе зависит от свойств жид кости, скорости ее течения, размеров трубы и определяется чис лом Рейнольдса:

pж D, Re = где рж — плотность жидкости;

D — диаметр трубы.

Если число Рейнольдса больше некоторого критического (Re Reкр), то движение жидкости турбулентное. Например, для глад ких цилиндрических труб Reкр 2300. Так как число Рейнольдса зависит от вязкости и плотности жидкости, то удобно ввести их отношение, называемое кинематической вязкостью:

.

v= pж Кинематическая вязкость полнее, чем динамическая, учиты вает влияние внутреннего трения на характер течения жидкости или газа. Так, вязкость воды приблизительно в 100 раз больше, чем воздуха (при 0 °С), но кинематическая вязкость воды в 10 раз мень ше, чем воздуха, и поэтому вязкость сильнее влияет на характер течения воздуха, чем воды. Характер течения жидкости или газа зависит от размеров трубы. В широких трубах даже при сравни тельно небольших скоростях может возникнуть турбулентное дви жение. Так, например, в трубке диаметром 2 мм течение воды ста новится турбулентным при скорости более 127 см/с, а в трубе диаметром 2 см — уже при скорости примерно 12 см/с (температу ра 16 °С). Течение крови по такой трубе стало бы турбулентным при скорости 50 см/с, но практически в кровеносных сосудах диа метром 2 см турбулентное течение возникает даже при меньшей скорости.

Течение крови в артериях в норме является ламинарным, неболь шая турбулентность возникает вблизи клапанов. При патологии, когда вязкость бывает меньше нормы, число Рейнольдса может быть выше критического значения, и движение станет турбулентным.

Турбулентное течение связано с дополнительной затратой энер гии при движении жидкости, что приводит к добавочной работе сердца. Шум, возникающий при турбулентном течении крови, мо жет быть использован для диагностики заболеваний. Этот шум прослушивают на плечевой артерии при измерении давления крови.

Течение воздуха в носовой полости в норме ламинарное. Одна ко при воспалении или каких либо других отклонениях от нормы оно может стать турбулентным, что повлечет дополнительную ра боту дыхательных мышц.

При попадании пузырьков воздуха (газа) в жидкость движение жидкости затрудняется или даже прекращается. Такие явления могут происходить в кровеносной системе человека. Попавшие в кровь пу зырьки воздуха могут закупорить мелкий сосуд и лишить кровоснаб жения какой либо орган. Это явление называется эмболией и может привести к серьезному функциональному расстройству и даже к ле тальному исходу. Так, воздушная эмболия может возникнуть при ра нении крупных вен: проникший в ток крови воздух образует воздуш ный пузырь, препятствующий прохождению крови. Пузырьки воздуха не должны попадать в вены при внутривенных вливаниях.

Газовые пузырьки в крови могут появиться у водолазов при быст ром подъеме с большой глубины на поверхность, у летчиков и кос монавтов при разгерметизации кабины или скафандра на большой высоте (газовая эмболия). Это обусловлено переходом газов крови из растворимого состояния в свободное — газообразное — в резуль тате понижения окружающего атмосферного давления. Ведущая роль в образовании газовых пузырьков при уменьшении давления принадлежит азоту, так как он обусловливает основную часть обще го давления газов в крови и не участвует в газообмене организма и окружающего воздуха.

2. Механические свойства твердых тел и биологических тканей Характерным признаком твердого тела является способность сохранять форму. Твердые тела можно разделить на кристалличе ские и аморфные.

Отличительным признаком кристаллического состояния служит анизотропия — зависимость физических свойств (механических, тепловых, электрических, оптических) от направления. Причина анизотропии кристаллов заключается в упорядоченном расположе нии атомов или молекул, из которых они построены, проявляемом в правильной внешней огранке отдельных монокристаллов. Одна ко, как правило, кристаллические тела встречаются в виде поли кристаллов — совокупности множеств сросшихся между собой, беспорядочно ориентированных отдельных маленьких кристаллов (кристаллитов).

Упорядоченность в расположении атомов или молекул крис талла обусловлена тем, что они размещаются в узлах геометриче ски правильных структур, образуя кристаллическую (простран ственную) решетку.

В зависимости от природы частиц, находящихся в узлах, и ха рактера сил взаимодействия различают 4 типа кристаллических ре шеток: ионные, атомные, металлические и молекулярные. Во всех узлах металлической решетки расположены положительные ионы металлов. Между ними хаотически движутся электроны.

Основная макроскопическая особенность аморфных тел заклю чается в естественной изотропии их свойств и отсутствии опреде ленной точки плавления, что обусловлено внутренним строением тел. Главной особенностью внутреннего строения тел, находящих ся в аморфном состоянии, является строгая повторяемость в рас положении атомов или групп атомов во всех направлениях вдоль всего тела. Аморфные тела в одинаковых условиях имеют большие, чем кристаллы, удельный объем, энтропию и внутреннюю энер гию. Достаточно равновесное состояние эти тела образуют только при высокой температуре и малом давлении, что связано с установле нием определенного расположения частиц и расстояний между ними. В соответствии с этим аморфные тела в зависимости от ско рости внешнего воздействия могут оказаться упругими или тягучи ми. Аморфное состояние свойственно веществам самой различной природы. При малом давлении и высокой температуре вещества в этом состоянии весьма подвижны: низкомолекулярные являются жидкостями, высокомолекулярные оказываются в высокоэласти ческом состоянии. С понижением температуры и ростом давления подвижность аморфных веществ уменьшается, и все они становят ся твердыми телами. Твердое аморфное состояние иначе называет ся стеклообразным.

Полимерами называют вещества, молекулы которых представля ют собой длинные цепи, составленные из большого числа атомов или атомных группировок, соединенных химическими связями. Особен ность химического строения полимеров обусловливает и их особые физические свойства. К полимерным материалам относят почти все живые и растительные материалы, такие как шерсть, кожа, рог, во лос, шелк, хлопок, натуральный каучук и иные, а также всякого рода синтетические материалы — синтетический каучук, пластмассы, во локна и др. Большинство природных полимерных материалов пред ставляет собой белковые вещества;

простые белки — альбумин, гло булин;

сложные — казеин, кератины и коллаген. В настоящее время полимеры все шире используются в качестве диэлектриков. Про стейшим органическим полимером является полиэтилен — предста витель линейных полимеров. Линейными называют полимеры, макромолекулы которых состоят из длинных одномерных цепей.

Разветвленный полимер, кроме основной цепи, имеет боковые ответвления — боковые цепи. Формы и размеры надмолекуляр ных структур оказывают большое влияние на прочность полимеров.

Полимерные материалы характеризуются широким набором ценных физико химических свойств, что позволяет использовать их в различных областях науки и техники, а также в медицине.

Большой интерес для медицины представляют тканевые клеи (например, алкил а цианокрилаты, п бутил а цинокрилат), быстро полимеризующиеся в пленку, которые используют для закрытия ран без наложения швов.

Жидкими кристаллами называют вещества, которые обладают свойствами и жидкостей, и кристаллов. По своим механическим свойствам эти вещества похожи на жидкости — они текут. Чаще все го вещество проявляет жидкокристаллические свойства в опреде ленном температурном интервале, выше которого оно находится в аморфно жидком состоянии, ниже — в твердокристаллическом.

Жидкокристаллическое состояние наблюдается у веществ, молекулы которых имеют вытянутую форму — в виде палочки или удлиненной пластинки. Такая форма молекул приводит к возможности их упоря дочения. По характеру молекулярной упорядоченности различают нематические и смектические жидкие кристаллы. В нематических жидких кристаллах молекулы ориентированы параллельно, но их центры расположены беспорядочно. Смектические кристаллы со стоят из параллельных слоев, в которых молекулы упорядочены.

Особый класс составляют кристаллы холестерического типа (их строение характерно для соединений, содержащих холестерин). Мо лекулы в таких кристаллах, как и в смектических, собраны в слои.

В медицине это позволяет фиксировать расположение вен, арте рий и других образований, имеющих иную теплоотдачу, чем окружа ющие среды. Жидкокристаллические вещества также применяются в различных температурно чувствительных сигнальных устройствах.

На изменении оптических свойств жидких кристаллов под воз действием электрического поля основано применение их в крис таллах и часах в качестве цифровых индикаторов. Исследование жидких кристаллов в живых организмах — огромная, малоиз ученная, но очень перспективная область.

3. Механические свойства биологических тканей Под механическими свойствами биологических тканей пони мают две их разновидности. Одна связана с процессами биологи ческой подвижности: сокращение мышц животных, рост клеток, движение хромосом в клетках при их делении и др. Эти процессы обусловлены химическими процессами и энергетически обеспе чиваются АТФ, их природа рассматривается в курсе биохимии.

Условно указанную группу называют активными механическими свойствами биологических систем.

Другая разновидность — пассивные механические свойства биологических тел. Механические свойства биологической ткани отличаются от механических свойств каждого компонента, взято го в отдельности. Методы определения механических свойств биологических тканей аналогичны методам определения этих свойств у технических материалов.

Костная ткань. Кость — основной материал опорно двига тельного аппарата. Две трети массы компактной костной ткани (0,5 объема) составляет неорганический материал, минеральное вещество кости — гидроксилантит 3 Са3(РО) ґ Са(ОН)2. Это ве щество представлено в форме микроскопических кристалликов.

Плотность костной ткани равна 2400 кг/м3, ее механические свойства зависят от многих факторов, в том числе от возраста, ин дивидуальных условий роста организма и, конечно, от участка организма. Строение кости придает ей нужные механические свойства: твердость, упругость и прочность.

Кожа. Она состоит из волокон коллагена и эластина и основ ной ткани — матрицы. Коллаген составляет около 75% сухой мас сы, а эластин — около 4%. Эластин растягивается очень сильно (до 200—300%), примерно как резина. Коллаген может растяги ваться до 10%, что соответствует капроновому волокну.

Таким образом, кожа является вязкоупругим материалом с вы сокоэластическими свойствами, она хорошо растягивается и удли няется.

Мышцы. В состав мышц входит соединительная ткань, состоя щая из волокон коллагена и эластина. Поэтому механические свойства мышц подобны механическим свойствам полимеров.

Механическое поведение скелетной мышцы следующее: при быст ром растяжении мышц на определенную величину напряжение резко возрастает, а затем уменьшается. При большей деформации происходит увеличение межатомных расстояний в молекулах.

Ткань кровеносных сосудов (сосудистая ткань). Механические свойства кровеносных сосудов определяются главным образом свойствами коллагена, эластина и гладких мышечных волокон. Со держание этих составляющих сосудистой ткани изменяется по ходу кровеносной системы: отношение эластина к коллагену в общей сонной артерии 2 : 1, а в бедренной артерии — 1 : 2. С удалением от сердца увеличивается доля гладких мышечных волокон, в артерио лах они уже являются основной составляющей сосудистой ткани.

При детальном исследовании механических свойств сосуди стой ткани различают, каким образом вырезан из сосуда образец (вдоль или поперек сосуда). Можно рассматривать деформацию сосуда в целом как результат действия давления изнутри на упру гий цилиндр. Две половины цилиндрического сосуда взаимодей ствуют между собой по сечениям стенок цилиндра. Общая пло щадь этого сечения взаимодействия равна 2hl. Если в сосудистой стенке существует механическое напряжение, то сила взаимо действия двух половинок сосуда равна:

F = 2hl.

Эта сила уравнивается силами давления на цилиндр изнутри.

Силы направлены под разными углами к горизонтальной плоско сти. Для того чтобы найти их равнодействующую, следует про суммировать горизонтальные проекции. Можно найти равнодей ствующую силу, если умножить давление на проекцию площади полуцилиндра на вертикальную плоскость OO. Это проекция равна 2rl. Тогда выражение для силы через давлением имеет вид:

F = р 2hl.

Приравнивая две эти формулы, получаем:

2hl = р 2hl, откуда pr.

= h Это уравнение Ламе.

Большую работу по измерениям механических свойств крове носных сосудов проделал Н. С. Хамин.

Особо важно иметь представление о пассивных механических свойствах биологических тканей в космической медицине, так как человек находится в новых, экстремальных условиях обита ния;

в протезировании при замене естественных органов и тканей искусственными также важно знать механические свойства и па раметры биологических объектов;

в судебной медицине следует знать устойчивость биологических структур по отношению к раз личным деформациям;

в травматологии и ортопедии вопросы ме ханического воздействия на организм являются определяющими.

Результативность спортивных достижений, ее возрастание побуждает спортивных медиков обращать внимание на физиче ские возможности опорно двигательного аппарата человека. Ме ханические свойства тканей необходимо учитывать гигиенистам при защите человека от действия вибраций.

4. Физические вопросы гемодинамики Гемодинамикой называют область биомеханики, в которой ис следуется движение крови по сосудистой системе. Физической ос новой гемодинамики является гидродинамика. Течение крови за висит как от свойств крови, так и от свойств кровеносных сосудов.

Модели кровообращения Существует связь между ударным объемом крови (объемом крови, выбрасываемой желудочком сердца за одну систолу), ги дравлическим сопротивлением периферической части системы кровообращения Х0 и изменением давления в артериях. Арте риальная часть системы кровообращения моделируется упругим (эластичным) резервуаром: так как кровь находится в упругом ре зервуаре, то ее объем в любой момент времени зависит от давле ния р по следующему соотношению:

v = v0 + kp, где k — эластичность, упругость резервуара;

v0 — объем резервуара при отсутствии давления (р = 0).

В упругий резервуар (артерии) поступает кровь из сердца, объемная скорость кровотока равна Q. От упругого резервуара кровь оттекает с объемной скоростью кровотока Q0 в перифери ческую систему (артериолы, капилляры). Можно составить до статочно очевидное уравнение:

dv Q= + Q0, dt показывающее, что объемная скорость кровотока из сердца равна скорости возрастания объема упругого резервуара и скорости от тока крови из упругого резервуара.

В более точной модели сосудистого русла использовалось боль шее количество эластичных резервуаров для учета того факта, что сосудистое русло является системой, распределенной в простран стве. Для учета инерционных свойств крови при построении модели предполагалось, что эластичные резервуары, моделирующие восхо дящую и нисходящую ветви аорты, обладают различной упругостью.

Модели, содержащие несколько сотен элементов, называют моделями с распределенными параметрами.

Пульсовая волна При сокращении сердечной мышцы (систоле) кровь выбрасы вается из сердца в аорту и отходящие от нее артерии. Если стенки этих сосудов были жесткими, то давление, возникающее в крови на выходе из сердца, со скоростью звука передалось бы к периферии.

Упругость стенок сосудов приводит к тому, что во время систолы кровь выталкивается сердцем, растягивая аорту, артерии и артерио лы, т. е. крупные сосуды воспринимают за время систолы больше крови, чем ее оттекает к периферии. Систолическое давление чело века в норме равно приблизительно 16 кПа. Во время расслабления сердца (диастолы) растянутые кровеносные сосуды спадают, и по тенциальная энергия, сообщенная им сердцем через кровь, перехо дит в кинетическую энергию тока крови, при этом поддерживается диастолическое давление, приблизительно равное 11 кПа. Распро страняющуюся по аорте и артериям волну повышенного давления, вызванную выбросом крови из левого желудочка в период систолы, называют пульсовой волной. Пульсовая волна распространяется со скоростью 5—10 м/с и даже более. Следовательно, за время систолы она должна распространиться на расстояние 1,5—3 м, что больше расстояния от сердца к конечностям. Это значит, что пульсовая волна достигает конечностей раньше, чем начнется спад давле ния в аорте. Пульсовая волна не является гармонической. Пред положим, что гармоническая волна распространяется по сосуду вдоль оси Х со скоростью. Вязкость крови и упруговязкие свойства стенок сосуда уменьшают амплитуду волны. Можно записать следующее уравнение для гармонической пульсовой волны:

x cos t, p = p где р0 — амплитуда давления в пульсовой волне;

х — расстояние до произвольной точки от источника колебаний (сердца);

t — время;

— круговая частота колебаний;

— некоторая константа, определяющая затухание волны.

Длину пульсовой волны можно найти из формулы:

Eh, = pd где Е — модуль упругости;

р — плотность вещества сосуда;

h — толщина стенки сосуда;

d — диаметр сосуда.

У человека с возрастом модуль упругости сосудов возрастает, поэтому становится больше и скорость пульсовой волны.

Работа и мощность сердца. Аппарат искусственного кровообращения Работа, совершаемая сердцем, затрачивается на преодоление сопротивления и сообщение крови кинетической энергии.

Рассчитаем работу, совершаемую при однократном сокраще нии левого желудочка.

Vу — ударный объем крови в виде цилиндра. Можно считать, что сердце поставляет этот объем по аорте сечением S на расстояние I при среднем давлении р. Совершаемая при этом работа равна:

A1 = FI = pSI = pVy.

На сообщение кинетической энергии этому объему крови за трачена работа:

m 2 2, A2 = = pV у 2 где р — плотность крови;

— скорость крови в аорте.

Таким образом, работа левого желудочка сердца при сокраще нии равна:

2.

Aл = A1 + A2 = pV y + pV y Так как работа правого желудочка принимается равной 0,2 от работы левого, то работа всего сердца при однократном сокраще нии равна:

A = Aл + 0,2 Ал = 1,2 pV y + pV y.

Эта формула справедлива как для покоя, так и для активного состояния организма, но эти состояния отличаются разной ско ростью кровотока. При активной мышечной деятельности работа сердца может возрасти в несколько раз.

При операциях на сердце, которые требуют временного выклю чения его из системы кровообращения, пользуются специальны ми аппаратами искусственного кровообращения. По существу этот аппарат является сочетанием искусственного сердца (насос ная система) с искусственными легкими (оксигенератор — систе ма, обеспечивающая насыщение крови кислородом).

Физические основы химического метода измерения давления крови Физический параметр — давление крови — играет большую роль в диагностике многих заболеваний.

Систолическое и диастолическое давления в какой либо арте рии могут быть измерены непосредственно с помощью иглы, со единенной с манометром. Однако в медицине широко использует ся бескровный метод, предложенный Н. С. Коротковым. Суть метода: вокруг руки между плечом и локтем накладывают манжет ку. При накачивании воздуха через шланг в манжетку рука сжи мается. Затем через этот же шланг воздух выпускают и с помощью манометра измеряют давление воздуха в манжете. Выпуская воздух, уменьшают давление в манжете и в мягких тканях, с которыми она соприкасается. Когда давление станет равно систолическому, кровь будет способна пробиться через сдавленную артерию — воз никает турбулентное течение. Характерные тоны и шумы, сопро вождающие этот процесс, прослушивает врач при измерении дав ления, располагая фонендоскоп на артерии ниже манжеты (т. е. на большом расстоянии от сердца). Продолжая уменьшать давление в манжете, можно восстановить ламинарное течение крови, что заметно по резкому ослаблению прослушиваемых тонов. Давле ние в манжете, соответствующее восстановлению ламинарного течения в артерии, регистрируют как диастолическое. Для измере ния артериального давления применяют приборы — сфигмомано метр с ртутным манометром, сфигмотонометр с металлическим мембранным манометром.

ЛЕКЦИЯ №6. Термодинамика и электродинамика 1. Термодинамика Под термодинамикой понимают раздел физики, рассматриваю щий системы, между которыми возможен обмен энергией без учета микроскопического строения тел, составляющих систему. Разли чают термодинамику равновесных систем (или систем, переходящих к равновесию) и термодинамику неравновесных систем, которая играет особую роль для рассмотрения биологических систем.

Основные понятия термодинамики. Первое начало термодинамики Состояние термодинамической системы характеризуется физи ческими величинами, называемыми параметрами (такими как объем, давление, температура, плотность и т. д.). Если параметры системы при взаимодействии ее с окружающими телами не изме няются с течением времени, то состояние системы называют стацио нарным. В разных частях системы, находящейся в стационарном состоянии, значения параметров обычно различаются: температура в разных участках тела человека, концентрация диффундирующих молекул в разных частях биологической мембраны и т. п. Стацио нарное состояние поддерживается за счет потоков энергии и ве щества, проходящих через систему. В стационарном состоянии могут находиться такие системы, которые либо обмениваются и энергией, и веществом с окружающими системами (открытые системы), либо обмениваются только энергией (закрытые системы).

Термодинамическая система, которая не обменивается с окру жающими телами ни энергией, ни веществом, называется изоли рованной. Изолированная система со временем приходит в со стояние термодинамического равновесия. В этом состоянии, как и в стационарном, параметры системы сохраняются неизменны ми во времени. Однако существенно, что в равновесном состоя нии параметры, не зависящие от массы или числа частиц (давле ние, температура и др.), одинаковы в разных частях этой системы.

Любая термодинамическая система не будет изолированной, так как ее невозможно окружить оболочкой, не проводящей теплоту.

Изолированную систему рассматривают как удобную термоди намическую модель.

Взаимодействие закрытой системы с окружающими телами, т. е. обмен энергией между ними, может осуществляться в двух различных процессах: при совершении работы и при теплообме не. Мерой передачи энергии в процессе теплообмена является количество теплоты, а мерой передачи энергии в процессе рабо ты является работа (передача энергии в этом процессе).

Закон сохранения энергии для тепловых процессов формулиру ется как первое начало термодинамики. Количество теплоты, пе реданное системе, идет на изменение внутренней энергии системы и совершение системой работы. Под внутренней энергией системы понимают сумму кинетической и потенциальной энергий частиц, из которых состоит система.

Внутренняя энергия является функцией состояния системы и для данного состояния имеет вполне определенное значение: U есть разность двух значений внутренней энергии, соответствующих ко нечному и начальному состояниям системы:

U = U2 – U1.

Количество теплоты, как и работы, является функцией про цесса, а не состояния.

Первое начало термодинамики можно записать в виде:

dQ = dU + dA.

Значения Q, A, U и dQ, dA, dU могут быть как положительными (теплота передается системе внешними телами, внутренняя энер гия увеличивается), так и отрицательными (теплота отнимается от системы, внутренняя энергия уменьшается).

Второе начало термодинамики. Энтропия Существует несколько формулировок второго закона термоди намики: теплота сама собой не может переходить от тела с мень шей температурой к телу с большей температурой (формулировка Клаузиуса), или невозможен вечный двигатель второго рода (формулировка Томсона).

Процесс называют обратимым, если можно совершить обратный процесс через все промежуточные состояния так, чтобы после воз вращения системы в исходное состояние в окружающих телах не произошло каких либо изменений. Обратимый процесс является физической абстракцией. Все реальные процессы необратимы хотя бы из за наличия силы трения, которая вызывает нагревание окру жающих тел. Некоторые характерные примеры необратимых про цессов: расширение газа в пустоту, диффузия, теплообмен и т. д.

Для возвращения системы в начальное состояние во всех этих слу чаях необходимо совершение работы внешними телами.

Циклом, или круговым процессом, называют процесс, при ко тором система возвращается в исходное состояние.

Обратный цикл соответствует работе такой системы, которая отбирает теплоту от холодильника и передает большее количество теплоты нагревателю. Как следует из второго закона термодина мики, этот процесс не может протекать сам собой, он происходит за счет работы внешних тел.

Коэффициентом полезного действия тепловой машины, или прямого цикла, называют отношение совершенной работы к коли честву теплоты, полученному рабочим веществом от нагревателя:

A =.

Q Так как работа тепловой машины совершается за счет количества теплоты, а внутренняя энергия рабочего вещества за цикл не изме няется (U = 0), то из первого закона термодинамики следует, что работа в круговых процессах равна алгебраической сумме коли честв теплоты:

A = Q1 + Q2.

Следовательно:

Q1 + Q2.

= Q Количество теплоты Q1, полученное рабочим веществом, по ложительно, количество теплоты Q2, отданное рабочим вещест вом холодильнику, отрицательно.

Сумму приведенных количеств теплоты для обратимого про цесса можно представить как разность двух значений некоторой функции состояния системы, которую называют энтропией:

dQ, S = S 2 S1 = T где S2 и S1 — энтропия соответственно в конечном втором и на чальном первом состояниях.

Энтропия есть функция состояния системы, разность значений которой для двух состояний равна сумме приведенных количеств теплоты при обратимом переходе системы из одного состояния в другое.

Физический смысл энтропии:

dQ S = + S0.

T Если система перешла от одного состояния к другому, то неза висимо от характера процесса (обратимый он или необратимый) изменение энтропии вычисляется по формуле для любого обрати мого процесса, происходящего между этими состояниями. Это об условлено тем, что энтропия является функцией состояния систе мы. Разность энтропий двух состояний вычисляется в обратимом изометрическом процессе:

2 dQ 1 Q S 2 S1 = = dQ =, T T1 T где Q — полное количество теплоты, полученное системой в про цессе перехода из первого состояния в состояние второе при постоянной температуре Т. Эту формулу используют при вы числении изменения энтропии в таких процессах, как плавле ние, парообразование и т. п. В этих случаях Q — теплота фазо вого превращения.

Второе начало термодинамики — статистический закон в отли чие например от первого начала или второго закона Ньютона.

Утверждение второго начала о невозможности некоторых про цессов по существу является утверждением о чрезвычайно малой ве роятности их, практически — невероятности, т. е. невозможности.

Таким образом, если первый закон термодинамики содержит энергетический баланс процесса, то второй закон показывает его возможное направление. Аналогично тому как второй закон тер модинамики существенно дополняет первый закон, так и энтро пия дополняет понятие энергии.

Стационарное состояние. Принцип минилизма производства энтропии Выше была описана направленность термодинамических про цессов в изолированной системе. Однако реальные процессы и со стояния в природе и технике являются неравновесными, а многие системы — открытыми. Эти процессы и системы рассматриваются в неравновесной термодинамике. Аналогично тому как в равновес ной термодинамике особым состоянием является состояние рав новесия, так в неравновесной термодинамике особую роль играют стационарные состояния. Несмотря на то что в стационарном состоянии необходимые процессы, протекающие в системе (диф фузия, теплопроводность и др.), увеличивают энтропию, энтропия системы не изменяет.

Представим изменением энтропии S системы в виде суммы двух слагаемых:

S =Si + S, где Si — изменение энтропии, обусловленное необратимыми процессами в системе;

S — изменение энтропии, вызванное взаимодействием систе мы с внешними телами (потоки, проходящие через систему).

Необратимость процессов приводит к Si 0, стационарность состояния — к Si = 0;

следовательно:

S = S – Si 0.

Это означает, что энтропия в продуктах (вещество и энергия), поступающих в систему, меньше энтропии в продуктах, выходя щих из системы.

Организм как открытая система Начальное развитие термодинамики стимулировалось по требностями промышленного производства. На этом этапе (XIX в.) основные достижения заключались в формулировке законов, разработке методов циклов и термодинамических потенциалов применительно к идеализированным процессам;

равновесным и обратимым.

Термодинамика биологических систем в этот период не разви валась. Одним ярким исключением из этого была работа Р. Майера, который по цвету венозной крови матросов, работающих в усло виях тропического климата, сформулировал по существу прило жимость закона сохранения энергии (первый закон термодина мики) к живым системам.

Биологические объекты являются открытыми термодинамиче скими системами. Они обмениваются с окружающей средой энер гией и веществом. Вообще, живой организм — развивающаяся система, которая не находится в стационарном состоянии. Одна ко обычно в каком либо не слишком большом интервале време ни принимают состояние биологической системы за стационар ное. Для организма — стационарной системы — можно записать dS = 0, S = const, dS i 0, dSe 0. Это означает, что большая энтро пия должна быть в продуктах выделения, а не в продуктах пита ния. Энтропия системы «организм — окружающая среда» возрастает, как у изолированной системы, однако энтропия организма при этом сохраняется постоянной. Энтропия есть мера неупорядочен ной системы, поэтому можно заключить, что упорядоченность ор ганизма сохраняется ценой уменьшения упорядоченности окру жающей среды.

При некоторых патологических состояниях энтропия биоло гической системы может возрастать (dS 0), это связано с отсут ствием стационарности, увеличением неупорядоченности. Так, например, при раковых заболеваниях происходит хаотическое, неупорядоченное разрастание клеток. Формула может быть пред ставлена:

dS i dS e, dS = + dt dt dS = 0) или для стационарного состояния (S = const, dt dS i dS e.

= dt dt Из этого видно, что при обычном состоянии организма ско рость изменения энтропии за счет внутренних процессов равна скорости изменения отрицательной энтропии за счет обмена ве ществ и энергией с окружающей средой.

Основа функционирования живых систем (клеток, органов, организма) — это поддержание стационарного состояния при условии протекания диффузных процессов, биохимических реак ций, осмотических явлений и т. п. При изменении внешних усло вий процессы в организме так развиваются, что его состояние не будет прежним стационарным состоянием.

Можно указать некоторый термодинамический критерий при способления организмов и биологических структур к изменениям внешних условий (адаптация). Если внешние условия изменяются (возрастает или уменьшается температура, изменяются влажность, состав окружающего воздуха и т. д.), но при этом организм (клет ки) способен поддерживать стационарные состояния, то он адап тируется (приспосабливается) к этим изменениям и существует.

Если организм при изменении внешних условий не способен со хранить стационарное состояние, уходит от этого состояния, то это приводит к его гибели. Организм в этом случае не смог адаптиро ваться, т. е. не мог сравнительно быстро оказаться в стационарном состоянии, соответствующем изменившимся условиям. Таким об разом, организм — стационарная система, не слишком далеко от стоящая от состояния равновесия.

В этой области неравновесная термодинамика смыкается с си нергетикой.

Термометрия и калориметрия Точные измерения температур являются неотъемлемой частью научно исследовательских и технических работ, а также меди цинской диагностики.

Методы получения и измерения температур в широком диапа зоне весьма различны. Область физики, в которой изучаются ме тоды измерения температуры и связанные с этим вопросы, назы вают термометрией. Так как температура определяется по значению какой либо характеристики термометрического вещества, то ее определение состоит в измерении таких физических параметров и свойств, как объем, давление, электрические, механические, оптические, магнитные эффекты и т. п. Разнообразие методов из мерения температуры связано с большим количеством термомет рических веществ и свойств, используемых при этом.

Термометр — устройство для измерения температуры — состоит из чувствительного элемента, в котором реализуется термометриче ское свойство, и измерительного прибора (дилатометра, маномет ра, гальванометра, потенциометра и т. д.). Необходимое условие измерения температуры — тепловое равновесие чувствительного элемента и тела, температура которого определяется. В зависимости от измеряемых интервалов температур наиболее распространены жидкостный, газовый термометры, термометр сопротивления, тер мопара как термометры и пирометры.

В жидкостном термометре термометрической характеристикой является объем, чувствительным элементом — резервуар с жид костью (обычно ртутью или спиртом). В пирометрах в качестве тер мометрического свойства используется интенсивность излучения.

Отличие пирометров от других термометров состоит в том, что их чувствительные элементы не находятся в непосредственном кон такте с телом. Пирометры применяют для измерения сколь угодно высоких температур.

При измерении сверхнизких температур термометрическим веществом служат парамагнетики, а измеряемым свойством — за висимость их намагниченности от температуры.

Используемый в медицине ртутный термометр указывает мак симальную температуру и называется максимальным термомет ром. Эта особенность обусловлена его устройством: резервуар с ртутью отделен от градуированного капилляра сужением, кото рое не позволяет ртути при охлаждении термометра возвратиться в резервуар. Существуют и минимальные термометры, показываю щие наименьшую температуру, наблюдаемую за длительный про межуток времени. Многие процессы в физике, химии и биологии существенно зависят от температуры, поэтому получение и под держание определенной температуры является важной задачей.

Для этой цели служат термостаты — приборы, в которых темпера тура поддерживается постоянной, что осуществляют либо автома тическими регуляторами, либо используют для этого свойство ра зовых переходов протекать при неизменной температуре.

Для измерения количества теплоты, выделяющегося или по глощаемого в различных физических, химических и биологиче ских процессах, применяют ряд методов, совокупность которых составляет калориметрию.

Калориметрическими методами измеряют теплоемкость тел, теплоты фазовых переходов, растворения, смачивания, адсорб ции, теплоты, сопровождающие химические реакции, энергию излучения, радиоактивного распада и т. п.

Подобные измерения производят с помощью калориметров.

Эти приборы можно разделить на два основных типа: калоримет ры, в которых количество теплоты определяют по изменению их температуры, и калориметры, у которых температура постоянна, а количество теплоты определяют по количеству вещества, пере шедшего в другое фазовое состояние (например, плавящееся твердое тело). Все калориметры делятся на калориметры с изотер мической и адиабатной оболочками. Для поддержания изотерми ческих иди адиабатных условий калориметр снабжают регулято рами температуры, в качестве которых чаще всего используют контактные термометры, а также термометры сопротивления и диф ференциальные термопары.

Физические свойства нагретых и холодных сред, используемых для лечения. Применение низких температур в медицине В медицине с целью местного нагревания или охлаждения при меняют нагретые или холодные тела. Обычно для этого выбирают сравнительно доступные среды, некоторые из них могут оказы вать при этом и полезное механическое или химическое действие.

Физические свойства таких сред обусловливаются их назначе нием. Во первых, необходимо, чтобы в течение сравнительно дли тельного времени был произведен нужный эффект. Поэтому ис пользуемые среды должны иметь большую удельную теплоемкость (вода, грязи) или удельную теплоту фазового превращения (пара фин, лед). Во вторых, среды, накладываемые непосредственно на кожу, не должны вызывать болезненных ощущений. Это с одной стороны ограничивает температуру таких сред, а с другой — побуж дает выбирать среды с небольшой теплоемкостью. Так, например, вода, применяемая для лечения, имеет температуру до 45 °С, а торф и грязи — до 50 °С, так как теплообмен (конвекция) в этих средах меньше, чем в воде. Парафин нагревают до 60—70 °С, так как он обладает небольшой теплопроводностью, а части парафина, непо средственно прилегающего к коже, быстро остывают, кристалли зуются и задерживают приток теплоты от остальных его частей.

В качестве охлаждающей среды, используемой для лечения, употребляется лед.

В последние годы достаточно широкое применение в медици не нашли низкие температуры.

При низкой температуре осуществляют такую консервацию от дельных органов и тканей в связи с трансплантацией, когда доста точно долго сохраняется способность к жизнедеятельности и нор мальному функционированию.

Криогенный метод разрушения ткани при замораживании и раз мораживании используется медиками для удаления миндалин, бо родавок и т. п. Для этой цели создают специальные криогенные ап параты и криозонды.

С помощью холода, обладающего анестезирующим свойством, можно уничтожить в головном мозге клетки ядер, ответственные за некоторые нервные заболевания, например паркинсонизм.

В микрохирургии используют примерзание влажных тканей к холодному металлическому инструменту для захвата и пере носа этих тканей.

В связи с медицинским применением низкой температуры по явились новые термины: «криогенная медицина», «криотерапия», «криохирургия» и т. д.

2. Физические процессы в биологических мембранах Важной частью клетки являются биологические мембраны.

Они отграничивают клетку от окружающей среды, защищают ее от вредных внешних воздействий, управляют обменом веществ между клеткой и ее окружением, способствуют генерации элект рических потенциалов, участвуют в синтезе универсальных акку муляторов энергии АТФ в митохондриях и т. д. По существу мем браны формируют структуру клетки и осуществляют ее функции.

Многие заболевания (атеросклероз, отравления и др.) связаны с на рушением структуры и функции мембран.

Строение и модели мембран Мембраны окружают все клетки (плазматические и наружные клеточные мембраны). Без мембраны содержимое клетки просто бы растеклось, диффузия привела к термодинамическому равно весию, что означает отсутствие жизни. Можно сказать, что первая клетка появилась тогда, когда она отгородилась от окружающей среды мембраной.

Внутриклеточные мембраны подразделяют клетку на ряд замкну тых отсеков, каждый из них выполняет определенную функцию. Ос нову структуры любой мембраны представляет двойной липидный слой (в значительной степени — фосфолипиды). Двойной липид ный слой образуется из двух монослоев липидов так, что гидрофоб ные «хвосты» обоих слоев направлены внутрь. При этом обеспе чивается наименьший контакт гидрофобных участков молекул с водой. Такое представление о структуре мембраны не давало отве тов на многие вопросы.

В дальнейшем была предложена модель, в основе которой ле жит все та же липидная биослоистая мембрана. Эта фосфолипид ная основа представляет собой как бы двухмерный растворитель, в котором плавают более или менее погруженные белки. За счет этих белков полностью или частично осуществляются специфи ческие функции мембран — проницаемость, генерация электри ческого потенциала и т. д. Мембраны не являются неподвижны ми, спокойными структурами. Липиды и белки обмениваются мембранами и перемещаются как вдоль плоскости мембраны — латеральная диффузия, так и поперек нее — так называемый флип флоп. Латеральной диффузии соответствует высокая подвижность липидов, а флип флопу — низкая, т. е. обмен местами липидов, находящихся на разных сторонах мембраны, является редким про цессом.

Уточнение строения биомембраны и изучение ее свойств оказа лись возможными при использовании физико химических моде лей мембраны (искусственных мембран). Наибольшее распростра нение получили три такие модели. Первая модель — монослои фосфолипидов на границе разделов вода — воздух или вода — ма сло. На таких границах молекулы фосфолипидов расположены так, что гидрофильные головки находятся в воде, а гидрофильные «хвосты» — в воздухе или в масле. Если постепенно уменьшать площадь, занимаемую монослоем, то в конце концов удастся полу чить монослой, в котором молекулы расположены плотно.

Второй широко распространенной моделью биомембраны яв ляются липосомы, которые представляют собой как бы биологи ческую мембрану, полностью лишенную белковых молекул, это мельчайшие пузырьки (везикулы), состоящие из биолипидной мембраны и полученные обработкой смеси воды и фосфолипи дов ультразвуком. Третьей моделью, позволившей изучать неко торые свойства биомембран прямыми методами, является биоли пидная (биослойная липидная) мембрана (БЛМ).

Мембраны выполняют две важные функции: матричную (т. е.

являются матрицей, основой для удерживания белков, выполняю щих разные функции) и барьерную (защищают клетку и отдель ные компартаменты от проникновения нежелательных частиц).

Если эти функции мембран нарушаются, то происходит измене ние нормального функционирования клеток и, как следствие, забо левание организма.

Физические свойства и параметры мембран Измерение подвижности молекул мембраны и диффузия частиц через мембрану свидетельствует о том, что билипидный слой ведет себя подобно жидкости. Однако мембрана есть упорядоченная структура. Эти два факта предполагают, что фосфолипиды в мембра не при ее естественном функционировании находятся в жидко кристаллическом состоянии. При изменении температуры в мем бране можно наблюдать фазовые переходы: плавление липидов при нагревании и кристаллизацию при охлаждении. Жидкокристалличе ское состояние биослоя имеет меньшую вязкость и большую раство римость различных веществ, чем твердое состояние. Толщина жид кокристаллического биослоя меньше, чем твердого. Структура молекул в жидком и твердом состояниях различна. В жидкой фазе молекулы фосфолипидов могут образовывать полости (кинки), в ко торые способны внедряться молекулы дифференцирующего веще ства. Перемещение кинка в этом случае будет приводить к диффузии молекулы поперек мембраны.

Перенос молекул (атомов) через мембраны Важным элементом функционирования мембран является их спо собность пропускать или не пропускать молекулы (атомы) и ионы.

Вероятность такого проникновения частиц зависит как от направле ния их перемещения (например, в клетку или из клетки), так и от разновидности молекул и ионов.

Явления переноса — это необратимые процессы, в результате которых в физической системе происходит пространственное пе ремещение (перенос) массы импульса, заряда или какой либо другой физической величины. К явлениям переноса относят диф фузию (перенос массы вещества), вязкость (перенос импульса), теплопроводность (перенос энергии), электропроводность (пере нос электрического заряда).

На мембране существует разность потенциалов, следовательно, в мембране имеется электрическое поле. Оно оказывает влияние на диффузию заряженных частиц (ионов и электронов). Перенос ионов определяется двумя факторами: неравномерностью их рас пределения (т. е. градиентом концентрации) и воздействием элек трического поля:

de dc J = D U m ZFc — уравнение Нернста Планка.

dx dx Уравнение устанавливает связь плотности стационарного по тока ионов с тремя величинами:

1) проникаемостью мембран для данного иона, которая ха рактеризует взаимодействие мембранных структур с ионом;

2) электрическим полем;

3) концентрацией ионов в водном растворе, окружающем мембрану.

Явления переноса относятся к пассивному транспорту: диффу зия молекул и ионов происходит в направлении меньшей их кон центрации, перемещение ионов — в соответствии с направлением силы, действующей на них со стороны электрического поля.

Пассивный транспорт не связан с затратой химической энергии, он осуществляется в результате перемещения частиц в сторону мень шего электрохимического потенциала. Наряду с пассивным транс портом в мембранах клетки происходит перенос молекул и ионов в сторону большего электрохимического потенциала (молекулы переносятся в область большей концентрации, ионы — против силы, действующей на них со стороны электрического поля).


Этот перенос осуществляется за счет энергии и не является диф фузией — активный транспорт. Системы мембран, способствую щие созданию градиентов ионов К+ и Na+, получили название натрий калиевых насосов, или проще — натриевых насосов. Нат рий калиевые насосы входят в состав цитоплазматических мемб ран, они работают за счет энергии гидролиза молекул АТФ с об разованием молекулы АДФ и неорганического фосфата (Фн):

АТФ = АДФ + Фн.

Натрий калиевый насос работает обратимо: градиенты кон центраций ионов способствуют синтезу молекул АТФ из молекул АДФ и Фн:

АДФ + Фн = АТФ.

Механизм работы натрий калиевого насоса недостаточно ясен, однако существенно, что он работает при условии сопряже ния калия и натрия. Это означает, что активного переноса ионов Na+ из клетки нет, если во внешней среде нет ионов К+, а ионов К+ — в клетку, если в клетке отсутствуют ионы Na+. Иначе гово ря, ионы натрия активизируют натрий калиевый насос на внут ренней поверхности клеточной мембраны, а ионы калия — на внешней. Натрий калиевый насос переносит из клетки во внеш нюю среду три иона натрия в обмен на перенос двух ионов калия внутрь клетки. При этом создается и поддерживается разность потенциалов на мембране, внутренняя часть клетки имеет отри цательный заряд.

Разновидность пассивного переноса молекул и ионов через биологические мембраны Простая диффузия через липидный слой в живой клетке обес печивает прохождение кислорода и углекислого газа. Ряд лекар ственных веществ и ядов также проникает через липидный слой.

Однако простая диффузия протекает достаточно медленно и не может снабдить клетку в нужном количестве питательными ве ществами. Поэтому имеются другие механизмы пассивного пере носа вещества в мембране, к ним относится диффузия и облег ченная диффузия (в комплексе с переносчиком).

Порой, или каналом, называют участок мембраны, включающий белковые молекулы и липиды, который образует в мембране проход.

Этот проход допускает проникновение через мембрану не только ма лых молекул, например молекул воды, но и более крупных ионов.

Каналы могут проявлять избирательность по отношению к разным ионам. Облегчает диффузию перенос ионов специальными молеку лами переносчиками. Наиболее известна способность молекулы валиномицина (антибиотика) переносить через модельные биослой ные мембраны ион калия. Эта молекула захватывает ион К+, образу ет растворимый в липидах комплекс и проходит через мембрану.

За способность переносить ионы через мембраны валиномицин и другие родственные ему соединения получили название ионо форов.

Потенциал покоя Поверхностная мембрана клетки неодинаково проницаема для разных ионов. Кроме того, концентрация каких либо определен ных ионов различна по разные стороны мембраны, внутри клетки поддерживается наиболее благоприятный состав ионов. Эти фак торы приводят к появлению в нормально функционирующей клет ке разности потенциалов между цитоплазмой и окружающей сре дой (потенциал покоя).

Основной вклад в создание и поддержание потенциала покоя вносят ионы Na+, K+, Cl. Суммарная плотность потока этих электронов с учетом их знаков равна:

J = J Na + J K + J Cl.

В стационарном состоянии суммарная плотность потока равна нулю, т. е. число разных ионов, проходящих в единицу времени через мембрану внутрь клетки, равно числу выходящих из клетки через мембрану:

J = 0.

Уравнение Гольдмана Ходжкина Катца (безразмерный потенциал возвращается к электрическому):

PT PNa (Na + )i + PK (K + )i + PCl (Cl )0.

M = in PNa (Na + )0 + PK (K + )0 + PCl (Cl )i F Различные концентрации ионов внутри и вне клетки созданы ионными насосами — системами активного транспорта. Можно сказать, что потенциал покоя обязан активному переносу.

Основой вклад в потенциал покоя вносят только ионы K+и Cl.

Потенциал действия и его распространения При возбуждении разность потенциалов между клеткой и окру жающей средой изменяется, возникает потенциал действия.

В нервных волокнах происходит распространение потенциала действия. Распространение потенциала действия по нервному во локну происходит в форме автоволны. Активной средой являют ся возбудимые клетки: скорость распространения возбуждения по гладким немиелинизированным нервным волокнам примерно пропорциональна квадратному корню из их радиуса ( r ).

Сравнительно высокие скорости распространения потенциала действия у некоторых беспозвоночных (20—30 м/с) обеспечи ваются большим диаметром их волокон (до 1 мм).

У позвоночных животных повышение скорости распростране ния возбуждения достигается миелинизацией волокон. Удельное сопротивление миелина больше, чем у других биологических мембран. Толщина миелиновой оболочки в сотни раз превышает толщину обычной клеточной мембраны. Скорость распростране ния пропорциональна и толщине, и удельному сопротивлению мембраны, поэтому она достаточно высока и у позвоночных жи вотных. Нарушение миелиновой оболочки приводит к наруше нию распространения потенциала действия по нервному волокну и, как следствие, к тяжелым нервным заболеваниям.

3. Электродинамика Электрические и магнитные явления связаны с особой формой существования материи — электрическими и магнитными поля ми и их воздействием. Эти поля в общем случае настолько взаи мосвязаны, что принято говорить о едином электрическом поле.

Электромагнитные явления имеют три направления медико биологических приложений. Первое из них — понимание элект рических процессов, происходящих в организме, а также знание электрических и магнитных свойств биологических сред.

Второе направление связано с пониманием механизма воздей ствия электромагнитных полей на организм.

Третье направление — приборное, аппаратурное. Электроди намика является теоретической основой электроники и в част ности медицинской электроники.

Энергетическое поле есть разновидность материи, посредством которой осуществляется силовое воздействие на электрические заряды, находящиеся в этом поле. Характеристики электрическо го поля, которое генерируется биологическими структурами, яв ляются источником информации о состоянии организма.

Напряженность и потенциал — характеристики электрического поля Силовой характеристикой электрического поля является напря женность, равная отношению силы, действующей в данной точке поля на точечный заряд, к этому заряду:

F.

E= q Напряженность — вектор, направление которого совпадает с на правлением силы, действующей в данной точке поля на положитель ный заряд. Напряженность электрического поля выражается тремя уравнениями:

Ex = f1(x, y, z);

Ey = f2(x, y, z);

Ez = f3(x, y, z), где Ех, Еу и Еz — проекции вектора напряженности на соответ ствующие координатные оси, введенные для описания поля.

Энергетической характеристикой электрического поля служит потенциал. Разностью потенциалов между двумя точками поля называют отношение работы, совершаемой силами поля при пе ремещении точечного положительного заряда из одной точки по ля в другую, к этому заряду:

q E idi A = Ei di, U 12 = 1 2 = = q q где Ф1 и Ф2 — потенциалы в точках 1 и 2 электрического поля.

Разность потенциалов между двумя точками зависит от напря женности электрического поля. Наряду с разностью потен циалов в качестве характеристики электрического поля ис пользуют понятие потенциала. Потенциалы в различных точках можно представить в виде поверхностей одинакового потенциала (эквипотенциальных поверхностей).

Существующие электроизмерительные приборы рассчитаны на измерение разности потенциалов, а не напряженности.

Электрический диполь Электрическим диполем называют систему, состоящую из двух равных, но противоположных по знаку точечных электрических зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга (плечо диполя). Основной характеристикой диполя является его электрический (или дипольный) момент — вектор, равный про изведению заряда на плечо диполя, направленный от отрицатель ного заряда к положительному:

p = dI.

Единицей электрического момента диполя является кулон метр.

На диполь в однородном электрическом поле действует вра щающий момент, зависящий от электрического момента, ориен тации диполя в поле и напряженности поля. На диполь действует сила, зависящая от его электрического момента и степени не dE однородности поля.

dx Если диполь ориентирован в неоднородном электрическом по ле не вдоль силовой линии, то на него дополнительно действует еще и вращающий момент. Свободный диполь практически всег да втягивается в область больших значений напряженности поля.

Понятие о мультиполе Диполь является частным случаем системы электрических заря дов, обладающих определенной симметрией. Общее название по добных распределений зарядов — электрические мультиполя (I = 0, 1, 2 и т. д.), число зарядов мультиполя определяется выражением 21.

Так, мультиполем нулевого порядка (20 = 1) является одиночный точечный заряд, мультиполем первого порядка (21 = 2) — диполь, мультиполем второго порядка (22 = 4) — квадруполь, мультиполем третьего порядка (23 = 8) — октуполь и т. д. Потенциал поля мультиполя убывает на значительных расстояниях от него (R d, I где d — размеры мультиполя) пропорционально 1+1. Если заряд R распределен в некоторой области пространства, то потенциал электрического поля вне системы зарядов можно представить в ви де некоторого приближенного ряда:

f1 f f = + 2 + 3 +….

R1 R 2 R Здесь R — расстояние от системы зарядов до точки А с потен циалом Ф;

f1, f2, f3…. — некоторые функции, зависящие от вида мульти поля, его заряда и от направления на точку А.

Первое слагаемое соответствует монополю, второе — диполю, третье — квадруполю и т. д. В случае нейтральной системы заря дов первое слагаемое равно нулю.

Дипольный электрический генератор (токовый диполь) В вакууме или в идеальном изоляторе электрический диполь мо жет сохраняться сколь угодно долго. Однако в реальной ситуации (электропроводной среде) под действием электрического поля дипо ля возникает движение свободных зарядов, и диполь нейтрализуется.


Сила тока во внешней цепи будет оставаться почти постоян ной, она почти не зависит от свойств среды. Такая двухполюсная система, состоящая из истока и стока тока, называется диполь ным электрическим генератором, или токовым диполем.

Между дипольным электрическим генератором и электрическим диполем имеется большая аналогия, которая основывается на об щей аналогии электрического поля в проводящей среде и электро статического поля.

По существу электрический мультипольный генератор — это некоторая пространственная совокупность электрических токов (совокупность истоков и стоков различных токов).

Физические основы электрокардиографии Живые ткани являются источником электрических потенциа лов (биопотенциалов).

Регистрация биопотенциалов тканей и органов с диагностиче ской целью получила название электрографии. Такой общий тер мин употребляется сравнительно редко, более распространены конкретные названия соответствующих диагностических методов:

электрокардиография (ЭКГ) — регистрация биопотенциалов, воз никающих в сердечной мышце при ее возбуждении, электромио графия (ЭМГ) — метод регистрации биоэлектрической активности мышц, электроэнцефалография (ЭЭГ) — метод регистрации био электрической активности головного мозга и др.

В большинстве случаев биопотенциалы снимаются электродами не непосредственно с органа (сердца, головного мозга), а с других, соседних тканей, в которых электрические поля этим органом соз даются. В клиническом отношении это существенно упрощает са му процедуру регистрации, делая ее безопасной и несложной.

Физический подход к электрографии заключается в создании (выборе) модели электрического генератора, которая соответ ствует картине «снимательных» потенциалов. Одной из основных задач теоретической электрокардиографии является вычисление распределения трансмембранного потенциала клеток сердечных мышц по потенциалам, измеренным вне сердца.

Все сердце в электрическом отношении представляется как не который электрический генератор в виде реального устройства и как совокупность электрических источников в проводнике, имеющем форму человеческого тела. На поверхности проводника при функционировании эквивалентного электрического генера тора будет электрическое напряжение, которое в процессе сердеч ной деятельности возникает на поверхности тела человека. Пред полагают, что среда, окружающая сердце, безгранична и однородна с удельной электрической проводимостью. Моделировать электри ческую деятельность сердца вполне допустимо, если использовать дипольный эквивалентный электрический генератор. Дипольное представление о сердце лежит в основе теории отведений Эйнтхо вена. Согласно ей сердце есть таковой диполь с дипольным момен том, который поворачивается, изменяет свое положение и точ ку приложения за время сердечного цикла. В. Эйнтховен предложил снимать разности биопотенциалов сердца между вершинами рав ностороннего треугольника, которые приближенно расположены в правой и левой руке и левой ноге. По терминологии физиоло гов, разность биопотенциалов, регистрируемую между двумя точ ками тела, называют отведением. Различают I отведение (правая рука — левая рука), II отведение (правая рука — левая нога) и III от ведение (левая рука — левая нога).

По В. Эйнтховену, сердце расположено в центре треугольника.

Так как электрический момент диполя — сердца — изменяется со временем, то в отведениях будут получены временные напряже ния, которые и называют электрокардиограммами.

Электрокардиограмма не дает представления о пространствен ной ориентации. Однако для диагностических целей такая инфор мация важна. В связи с этим применяют метод пространственного исследования электрического поля сердца, называемый вектор кардиографией. Вектор кардиограмма — геометрическое место то чек, соответствующих концу вектора, положение которого изме няется за время сердечного цикла. Проекция вектор кардиограммы на плоскость (например, на фронтальную) практически может быть получена сложением напряжений двух взаимно перпендикулярных отведений. Так, при использовании электронного осциллографа такое сложение, полученное в виде кривой, дает возможность сде лать диагностические выводы.

ЛЕКЦИЯ №7. Электрический ток Под электрическим током обычно понимают направленное дви жение электрических зарядов. Различают ток проводимости и кон векционный ток. Ток проводимости — это направленное движение зарядов в проводящих телах: электронов — в металлах, электронов и дырок — в полупроводниках, ионов — в электролитах, ионов и электронов — в газах. Конвекционный ток — это движение заря женных тел и поток электронов или других заряженных частиц в ва кууме. Приведенная классификация тока условна. Например, переменное электрическое поле тоже называют током — током смещения. Но есть один общий признак у любого тока: он является источником магнитного поля.

1. Плотность и сила тока Траектория направленного движения положительных элек трических зарядов по проводнику называется линиями тока, ко торые показывают направление скорости упорядоченного движе ния заряда. Обычно линии тока связывают не со скоростью заряда, а с плотностью тока.

Плотность тока — векторная характеристика электрического то ка, численно равная отношению силы тока, проходящего сквозь ма лый элемент поверхности, нормальный к направлению движения заряженных частиц, образующих ток, к площади этого элемента:

dI.

j= dS Если эту формулу умножить на заряд q носителя тока, то полу чим плотность тока:

j = qj = qnv.

В векторной форме:

j = qnv.

Вектор j направлен по касательной к линиям тока. Для силы тока запишем следующее выражение:

dq.

I= dt Сила тока есть производная по времени от заряда, проходяще го сквозь некоторое сечение или поверхность.

Электродвижущая сила источников тока Для того чтобы постоянный ток протекал по проводнику, необхо димо на его концах поддерживать разность потенциалов. Это осу ществляется источниками тока. Электродвижущей силой источника называют величину, численно равную работе сторонних сил при пе ремещении единичного положительного заряда по всей цепи.

Практически работа сторонних сил отлична от нуля только внутри источника тока. Отношение сторонней силы к единичному поло жительному заряду равно напряженности поля сторонних сил:

FCT ECT =.

q Электродвижущая сила соответствует скачкообразному изме нению потенциала в источнике тока.

Электропроводимость электролитов Биологические жидкости являются электролитами, электро проводимость которых имеет сходство с электропроводимостью металлов: в обеих средах в отличие от газов носители тока суще ствуют независимо от электрического поля.

Направление движение ионов в электрическом поле можно приближенно считать равномерным, при этом сила qE, действую щая на ион со стороны электрического поля, равна силе трения rv:

qE = rv, откуда получаем:

v = bE.

Коэффициент пропорциональности b называют подвижностью ионов. Он равен отношению скорости направленного движения ио нов, вызванной электрическим полем, к напряженности этого поля.

Удельная проводимость электролита тем больше, чем больше концентрация ионов, их заряд и подвижность. При повышении тем пературы возрастает подвижность ионов и увеличивается электро проводимость.

Электропроводимость биологических тканей и жидкостей при постоянном токе Биологические ткани и органы являются довольно разнород ными образованиями с различными электрическими сопротивле ниями, которые могут изменяться при действии электрического тока. Это обусловливает трудности измерения электрического со противления живых биологических систем.

Электропроводимость отдельных участков организма, находя щихся между электродами, наложенными непосредственно на по верхность тела, существенно зависит от сопротивления кожи и под кожных слоев. Внутри организма ток распространяется в основном по кровеносным и лимфатическим сосудам, мышцам, оболочкам нервных стволов. Сопротивление кожи в свою очередь определяет ся ее состоянием: толщиной, возрастом, влажностью и т. п.

Электропроводимость тканей и органов зависит от их функ ционального состояния и, следовательно, может быть использова на как диагностический показатель. Так, например, при воспале нии, когда клетки набухают, уменьшается сечение межклеточных соединений и увеличивается электрическое сопротивление;

фи зиологические явления, вызывающие потливость, сопровождают ся возрастанием электропроводимости кожи и т. д.

Электрический разряд в газах. Аэроионы и их лечебно профилактическое действие Газ, состоящий только из нейтральных частиц, является изолято ром. Если его ионизировать, то он становится электропроводным.

Любое устройство, явление, фактор, способные вызвать ионизацию молекул и атомов газа, называют ионизатором. Им могут быть свет, рентгеновское излучение, пламя, ионизирующее излучение и пр.

Электрический заряд в воздухе может образовываться и при рас пылении в нем полярных жидкостей (баллоэлектрический эффект), т. е. таких жидкостей, молекулы которых имеют постоянный элек трический дипольный момент. Так, например, при дроблении в воз духе вода распадается на заряженные капельки. Знак заряда кру пных капель (положительный для жесткой воды) противоположен по знаку заряду мельчайших капель. Более крупные капли сравни тельно быстро оседают, и в воздухе остаются отрицательно заря женные частицы воды. Такое явление наблюдается у фонтана.

Электропроводимость газа зависит также и от вторичной ио низации. Ионизированный потенциал внутренних электронов зна чительно выше. Наряду с ионизацией наблюдается и обратный процесс — рекомбинация ионов, при которой выделяется энергия.

Примером этого явления служит свечение газоразрядных трубок.

Если ионизатор прекратит свое действие, то вследствие рекомби нации при отсутствии электрического поля газ сравнительно бы стро станет изолятором.

В земных условиях воздух практически всегда содержит некото рое количество ионов благодаря природным ионизаторам, главным образом радиоактивным веществам в почве и газах и космическому излучению. Ионы и электроны, находящиеся в воздухе, могут, при соединяясь к нейтральным молекулам и взвешенным частицам, об разовать более сложные ионы. Эти ионы в атмосфере называют аэ роионами. Они различаются не только знаком, но и массой, их условно делят на легкие (газовые ионы) и тяжелые (взвешенные за ряженные частицы — пылинки, частицы дыма и влаги).

Тяжелые ионы вредно действуют на организм, легкие и в основ ном отрицательные аэроионы оказывают благоприятное влияние.

Их используют для лечения (аэроионотерапия). Различают естест венную аэроионотерапию, связанную с пребыванием больного в природных условиях с повышенной ионизацией воздуха (горы, водопады), и искусственную, проводимую с помощью специальных устройств — аэроионизаторов, которым может быть любой иониза тор, создающий ионы в воздухе. Однако, используемый для лечеб ных целей, он не должен вызывать побочного вредного воздействия на организм. Разновидностью искусственной аэроионотерапии яв ляется электростатический душ (франклинизация).

При франклинизации применяют постоянное электрическое поле высокого напряжения (до 50 кВ). Лечебное действие оказы вают образующиеся при этом аэроионы и небольшое количество озона. Франклинизацию проводят в виде общих и местных про цедур. При общей франклинизации больной сидит на изолиро ванном деревянном стуле с металлической пластиной, соединен ной с положительным полюсом аппарата. Над головой больного на расстоянии 10—15 см устанавливают электрод в виде «паука», подключенный к отрицательному полюсу аппарата.

Термоэлектродвижущая сила При динамическом равновесии потоки электронов в одном и другом направлениях одинаковы. Так как концентрация свобод ных электронов в металлах очень большая, то переход электронов из одного металла в другой практически не изменит их концентраций, которые и в условиях динамического равновесия останутся прежни ми. Внутренняя контактная разность потенциалов зависит как от различий концентраций свободных электронов в металлах, так и от температуры контакта. Вследствие этого в цепи, состоящей из раз личных металлов, возникает термоэлектродвижущая сила. Это явле ние справедливо и для полупроводников, его называют термоэлект ричеством.

Термоэлектричество находит три основных применения:

1) для создания генераторов тока с прямым преобразованием молекулярно тепловой энергии в электрическую. Современные полупроводниковые термогенераторы имеют коэффициент по лезного действия порядка 10%;

2) для определения температур. Удобство этого метода заклю чается в дистанционности и возможности измерения темпера туры небольших объектов. В медицине, в частности, это ис пользуется для определения температуры отдельных органов и их частей;

3) для измерения мощности инфракрасного, видимого и ульт рафиолетового излучений.

Возникновение термоэлектродвижущей силы относится к груп пе термоэлектрических явлений. Так называют явления, в которых отражается специфическая связь между электрической и молеку лярно тепловой формами движения в материи, в металлах и полу проводниках.

2. Магнитное поле Магнитным полем называют всю материю, посредством кото рой осуществляется силовое воздействия на движущиеся элект рические заряды, помещенные в поле, и другие тела, обладающие магнитным моментом. Магнитное поле есть одна из форм про явления электромагнитного поля.

Индукция магнитного поля Для магнитного поля, как и для электростатического, имеется количественная характеристика — магнитный момент (векторная величина).

Магнитный момент является характеристикой не только конту ра тока, но и многих элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов и т. д.), определяя их поведение в магнитном поле.

Магнитная индукция в некоторой точке поля равна отношению максимального вращающего момента, действующего на рамку с то ком в однородном магнитном поле, к магнитному моменту этой рамки. Единицей магнитного потока является вебер (Вб):

1Вб = 1Тлм2.

Тл — единица магнитной индукции (Тесла). Из формулы видно, что поток может быть как положительным, так и отрицательным.

В соответствии с этим линии магнитной индукции, выходящие из замкнутой поверхности, считают положительными, а входящие — отрицательными. Так, если линии магнитной индукции замкнуты, то магнитный поток сквозь замкнутую поверхность равен нулю.

Закон Ампера. Энергия контура с током в магнитном поле Одним из главных проявлений магнитного поля является его силовое действие на движущиеся электрические заряды и токи.

А. М. Ампером был установлен закон, определяющий это силовое воздействие.

В проводнике, находящемся в магнитном поле, выделим доста точно малый участок dI, который рассматривается как вектор, на правленный в сторону тока. Произведение IdI называют элемен том тока. Сила, действующая со стороны магнитного поля на элемент тока, равна:

dF = kIB sin ґ dI, где k — коэффициент пропорциональности;

или в векторной фор ме dF = IdI B.

Эти соотношения выражают закон Ампера.

Действие магнитного поля на движущийся электрический заряд.

Сила Лоренца Сила, действующая согласно закону Ампера на проводник с то ком в магнитном поле, есть результат его воздействия на движущие ся электрические заряды, создающие этот ток. Сила, действующая на отдельный движущийся заряд, определяется отношением силы F, приложенной к проводнику с током, к общему числу N носителей тока в нем:

F.

fл = N (i ) Сила тока равна:

I = jS, F = jSBL sin, где j — плотность тока. Получаем:

F = jSBL sin = qnvSBL sin 2, N где n = — концентрация частиц.

SI Подставляя последнее выражение к первому, получаем выра жение для силы, действующей со стороны магнитного поля на от дельный движущийся электрический заряд и называемой силой Лоренца:

qN 0SIB sin = qvB sin.

fл = SIN Направление силы Лоренца можно определить из векторной записи уравнения fn = qvB.

Эта сила всегда перпендикулярна плоскости, в которой лежат векторы v и В. Сила Лоренца не изменяет кинетической энергии движущегося заряда и не совершает работы. Если заряд неподви жен относительно магнитного поля или его скорость параллельна вектору магнитной индукции, то сила Лоренца равна нулю. Ее на правление зависит от знака заряда.

Во многих системах (осциллографе, телевизоре, электронном микроскопе) осуществляют управление электронами или други ми заряженными частицами, воздействуя на них электрическими и магнитными полями, в этом случае основной расчетной форму лой является:

fem = fe + fn = qE + qvB, где v — вектор;

q — заряженная частица;

Е — электрическое поле с напряженностью Е и магнитное по ле с магнитной индукцией В.

Напряженность магнитного поля Напряженность магнитного поля зависит от свойства среды, а определяется только силой тока, протекающего по контуру. На пряженность магнитного поля, созданного постоянным током, сла гается из напряженности полей, создаваемых его отдельными элементами (Закон Био Савара Лапласа):

Idi sin dH = k r (dH — напряженность, k — коэффициент пропорциональности, di и r — векторы). Интегрируя, находим напряженность магнитного поля, созданного контуром с током или частью этого контура:

1 di r.

4 r H= Магнитное поле в центре кругового тока Круговым называется ток, протекающий по проводнику в фор ме окружности. Этому току соответствует также вращающийся по окружности электрический заряд. Зная напряженность магнит ного поля и относительную магнитную проницаемость среды, мож но найти магнитную индукцию:

B = M+M0H = tNf(2r).

Магнитные свойства вещества Нет таких веществ, состояние которых не изменялось бы при помещении их в магнитное поле. Более того, находясь в магнитном поле, вещества сами становятся источниками такого поля. В этом смысле все вещества принято называть магнетиками. Так как мак роскопические различия магнетиков обусловлены их строением, то целесообразно рассмотреть магнитные характеристики электро нов, ядер, атомов и молекул, а также поведение этих частиц в маг нитном поле.

Отношение магнитного момента частицы к моменту ее им пульса называют магнитомеханическим. Соотношения показы вают, что между магнитным и механическим (момент импульса) моментами существует вполне определенная «жесткая» связь;

эта связь проявляется в магнитомеханических явлениях. Магнитоме ханические явления позволяют определять магнитомеханические отношения и на основании этого делать выводы о роли орбиталь ных или спиновых магнитных моментов в процессах намагничи вания. Так, например, опыты Эйнштейна показали, что за намаг ниченность ферромагнитных (железомагнитных) материалов ответственны спиновые магнитные моменты электронов.

Ядра, атомы и молекулы также имеют магнитный момент. Маг нитный момент молекулы является векторной суммой магнитных моментов атомов, из которых она состоит. Магнитное поле воз действует на ориентацию частиц, имеющих магнитные моменты, в результате чего вещество намагничивается. Степень намагничи вания вещества характеризуется намагниченностью. Среднее значение вектора намагниченности равно отношению суммарно го магнитного момента pmi всех частиц, расположенных в объе ме магнетика, к этому объему:

p J= mi.

v Таким образом, намагниченность является средним магнитным моментом единицы объема магнетика. Единицей намагниченно сти служит ампер на метр (А/м). Магнетики делят на три основ ных класса: парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики.

Каждому из них соответствует и свой тип магнетизма: парамагне тизм, диамагнетизм, ферромагнетизм.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.