Читать онлайн
учебники на ANSEVIK.RU

>>> Перейти на полную версию сайта >>>

Учебник для 11 класса

Естествознание

       

§ 22. Физика человека

  1. Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.
  2. Объясните, очки с какими диоптриями носят при близорукости и при дальнозоркости.

Человек — существо биологическое. Однако нормальное функционирование его организма происходит в полном соответствии и с законами физики. Процессы обмена веществ, энергии и информации, которые являются обязательным условием существования всего живого, протекают согласно первым двум законам термодинамики. Их мы рассматривали ранее, поэтому остановимся на некоторых примерах, иллюстрирующих действие этих и других законов физики для отдельных органов и систем органов человека.

Скелет. Пятая часть массы тела взрослого человека приходится на скелет. В скелете взрослого человека насчитывается более 200 костей. В большинстве своём кости являются рычагами, с помощью которых совершаются разнообразные движения тела и его частей в пространстве.

Рычаги позволяют уменьшить нагрузку на скелет. Вспомним условия равновесия рычага. Рычагом называют стержень, имеющий точку опоры, вокруг которой он может вращаться. Существуют рычаги, имеющие точку опоры на конце стержня, и рычаги, точка опоры которых находится на некотором расстоянии от его концов (рис. 94). В первом случае, для того чтобы поднять груз, прикладывают силу, направленную вверх, во втором — направленную вниз.

Рис. 94. Примеры рычагов: а — с точкой опоры на конце рычага; б — с точкой опоры посередине рычага

Плечом (l) силы называют кратчайшее расстояние от точки опоры до линии, вдоль которой действует сила.

Величину, равную произведению силы и её плеча, называют моментом силы (М). Таким образом, M = Fl.

Рычаг находится в равновесии, если момент силы, действующей на него по часовой стрелке, равен моменту силы, действующей на него против часовой стрелки, т. е. М1 = М2 или F1l1 = F2l2.

Следовательно, если, например, на локтевую кость действует некоторая сила, то напряжение, возникающее в ней, может быть уменьшено за счёт увеличения плеча силы. По этой же причине после прыжка нельзя приземляться на прямые ноги — только на согнутые, так как сгибание ног позволяет уменьшить силу, действующую на кости ног.

Областью контактов костей являются суставы, которые обеспечивают подвижность костей и являются одним из основных элементов опорно-двигательной системы. При работе рук, ног и других костей скелета кости трутся друг о друга и могут разрушаться. Чтобы этого не произошло, в суставе (в так называемой суставной сумке) имеется жидкость, которая играет роль смазки и уменьшает трение. Многие заболевания суставов связаны с уменьшением или отсутствием такой смазки.

Система кровообращения. Работающее сердце создаёт условия для возникновения электрического тока. При сокращении предсердий они заряжаются отрицательно по отношению к желудочкам, которые в это время находятся в расслабленном состоянии. Таким образом, при работе сердца возникает разность потенциалов, которую можно зафиксировать с помощью особого прибора — электрокардиографа. Так как тело человека хорошо проводит электрический ток, биопотенциалы, возникающие в сердце, могут быть обнаружены на поверхности тела. Для получения электрокардиограммы, т. е. записи биотоков сердца, электроды прикрепляют на внутренние поверхности предплечий обеих рук, икроножную мышцу левой ноги и поверхность грудной клетки.

Под действием давления крови, поступающей из левого желудочка в аорту, этот кровеносный сосуд расширяется и в силу эластичности своих стенок возвращается в прежнее состояние, создавая, таким образом, колебательную волну, которая распространяется по артериям, — пульс. Его мощно ощутить на лучевой артерии у запястья, где она расположена наиболее поверхностно. Пульс в норме у взрослого человека составляет 70—75 ударов в минуту.

В соответствии с законами гидродинамики, движение крови по сосудам определяется двумя причинами: разностью давления в начале и в конце сосуда и гидравлическим сопротивлением.

Количество крови, протекающее в единицу времени через кровеносную систему (рис. 95), тем больше, чем больше разность давлений в её артериальном и венозном концах и чем меньше сопротивление току крови. Эта закономерность получила название основного гидродинамического закона, который определяет и кровообращение в целом, и течение крови по отдельным сосудам.

Рис. 95. Кровеносная система человека

Кровяное давление — давление крови на стенки кровеносного сосуда, измеряется в мм рт. ст. В различных отделах кровеносной системы оно разное:

      в аорте — 100 мм рт. ст.;
      в артериях — 90 мм рт. ст.;
      в капиллярах — 25 мм рт. ст.;
      в венах — 5 мм рт. ст.;
      в нижней полой вене — 3 мм рт. ст.

Различают артериальное, венозное и капиллярное давление крови. Величина артериального давления (рис. 96) у здорового человека является довольно постоянной: максимальное 100—120 мм рт. ст., минимальное 60—80 мм рт. ст. В течение суток наблюдается колебание значения артериального давления: днём оно выше, чем ночью. Значительное повышение артериального давления может наблюдаться при занятиях спортом, физическим трудом, а также в результате заболеваний. Повышенное артериальное давление называют гипертонией, а пониженное — гипотонией. Измеряют его с помощью специальных аппаратов — тонометров.

Рис. 96. Измерение артериального давления

Газообмен происходит в капиллярах с помощью диффузии. Почему? Общее количество капилляров в системе сосудов большого круга кровообращения составляет около 2 млрд. Протяжённость их 800 км, площадь внутренней поверхности — 25 м2, а вот объём крови во всех капиллярах равен объёму сердечного выброса — 63—65 мл. Поперечное сечение всего капиллярного русла в 500—600 раз больше поперечного сечения аорты, а потому и скорость тока крови в капиллярах в такое же число раз меньше скорости тока крови в аорте (0,5— 1,0 мм/с). За время движения по капиллярам кровь успевает отдать в клетки тканей кислород и забрать из них углекислый газ.

Работа сердца создаёт разность давлений крови в артериальной системе и правом предсердии. Этот фактор, а также отрицательное давление в грудной клетке, сокращение скелетных мышц и наличие клапанов в венах позволяют крови совершать непрерывное движение от желудочков к предсердиям.

Выделительная система. Структурными и функциональными единицами почек, как вы знаете из курса биологии основной школы, являются особые тельца — нефроны (рис. 97). Внутри нефрона расположен клубочек из 50 капиллярных петель. При этом приносящий кровь сосуд в 2 раза шире выносящего. Давление крови в приносящем сосуде 95 мм рт. ст., в капиллярном клубочке — 57 мм рт. ст., а в выносящем сосуде — лишь 25 мм рт. ст. В силу этого кровь фильтруется через мембраны клеток капиллярного клубочка. Так образуется первичная моча. Она состоит на 98% из воды и продуктов распада белков (мочевины, мочевой кислоты). Из неё образуется вторичная моча в результате обратного всасывания воды в кровь. Благодаря этому процессу человек не выпивает в день по бочке воды, так как первичной мочи образуется в каждой почке до 50—60 л, а вторичной мочи — лишь 1,0—1,5 л. Она накапливается в мочевом пузыре.

Рис. 97. Фрагмент выделительной системы

      Какие печень и почки!
      Какой мочевой пузырь!
      Вот мужество одиночки.
      Вот истинный богатырь.

/Е. Евтушенко/

Кожа. Процесс терморегуляции тоже протекает на основе законов физики, т. е. за счёт теплопроводности, конвекции, излучения и испарения воды.

В результате теплопроводности тело непосредственно отдаёт тепло окружающей среде, например воздуху. Далее вследствие конвекции более нагретый воздух поднимается вверх, а на его место приходят слои воздуха, имеющие меньшую температуру. Теплопередача тем интенсивнее, чем больше разность температур поверхности тела и окружающего воздуха. Скорость теплопередачи увеличивается при движении воздуха, например при ветре. Так, при скорости ветра 1 м/с кожа охлаждается на 2,6 °С. Интенсивность теплопередачи во многом зависит от теплопроводности окружающей среды, например в воде теплопередача происходит быстрее, чем на воздухе, поскольку вода обладает большей теплопроводностью, чем воздух. Одежда уменьшает или даже прекращает теплопередачу.

Излучение происходит с помощью инфракрасных лучей тем интенсивнее, чем выше температура тела. Кожа (рис. 98) богата кровеносными сосудами, которые при повышении температуры окружающей среды расширяются и увеличивают процесс теплопроводности и излучения. При понижении температуры окружающей среды происходит обратный процесс.

Рис. 98. Строение кожи: I — эпидермис; II — дерма; III — подкожная клетчатка

Испарение воды с поверхности тела (2/3 влаги) и в процессе дыхания (1/3 влаги) также способствуют терморегуляции. На испарение 1 г воды расходуется 2,4 кДж энергии. Этот процесс происходит при выделении пота. Даже при полном отсутствии видимого потоотделения через кожу в сутки испаряется до 0,5 л воды (невидимое потоотделение). При дыхании человек также выделяет ежесуточно около 0,5 л воды (энергия при этом тратится не только на испарение воды из лёгких, но и на согревание выдыхаемого воздуха). Испарение 1 л пота у человека весом 75 кг может понизить температуру тела на 10 °C.

В состоянии покоя взрослый человек выделяет во внешнюю среду 15% энергии путём теплопроводности и конвекции, 65% — за счёт излучения, 20% — за счёт испарения воды.

Дыхательная система. Дыхание — неотъемлемый признак жизни человека. Мы дышим постоянно с момента рождения и до смерти. Дыхание — сложный непрерывный процесс, в результате которого постоянно обновляется газовый состав крови и происходит биологическое окисление в тканях. При этом освобождается скрытая химическая энергия, которая является источником всех жизненных процессов организма.

За счёт отрицательного давления в грудной полости (оно в состоянии покоя у человека на 6—9 мм рт. ст. ниже атмосферного) структурные единицы лёгкого — альвеолы — всегда находятся в растянутом состоянии. Газообмен в лёгких (рис. 99) и тканях подчиняется физическим закономерностям. Вдыхаемый воздух — это смесь газов, каждый из которых переходит в кровь или тканевую жидкость в зависимости от величины его парциального давления.

Рис. 99. Строение лёгкого

Под парциальным давлением понимают ту часть давления, которая приходится на отдельный газ в смеси газов (для кислорода оно составляет 102 мм рт. ст., а для углекислого газа — 5,33 мм рт. ст.). Газ всегда диффундирует из среды, где имеется высокое давление, в среду с меньшим давлением. Поэтому в альвеолах лёгких из воздуха уходит кислород и поступает углекислый газ, а в тканях — наоборот.

Голосообразование обеспечивается не только специализированным для этого органом — гортанью, но и дыхательными мышцами живота, грудной клетки, диафрагмы, лёгкими, полостью рта, носом, губами и зубами. Для голоса характерны сила (зависит от давления выдыхаемого воздуха), высота (зависит от напряжения голосовых связок) и тембр. Тембр голоса всегда индивидуален, он зависит от резонаторов, т. е. различных полостей, заполненных воздухом. Голос так же неповторим, как радужная оболочка глаза или отпечатки пальцев.

Нервно-мышечная система. Между наружной поверхностью клетки и цитоплазмой существует разность потенциалов около 60—90 мВ. Такую разность потенциалов называют потенциалом покоя или мембранным потенциалом. При этом поверхность клетки заряжена электроположительно по отношению к цитоплазме.

При поступлении раздражения на участок нервного или мышечного волокна возникает возбуждение, в результате которого возбуждённый участок заряжается отрицательно по отношению к невозбуждённому. Эту разность потенциалов между участками мышечного или нервного волокна называют потенциалом действия. Он распространяется по нервным волокнам и анализируется в центральной нервной системе (рис. 100). Аналогичную биоэлектрическую природу имеют сигналы, идущие от центральной нервной системы в ответ на поступившее раздражение.

Рис. 100. Центральная нервная система человека

О деятельности головного мозга судят по его электрической активности. Разность потенциалов в головном мозге очень мала (несколько десятков микровольт), поэтому необходимо использовать усилители биотоков и осциллографы для их графической регистрации. Такой прибор для записи электрических колебаний головного мозга называется электроэнцефалографом, а кривая биопотенциалов — электроэнцефалограммой.

Зрение. 90% всей информации, поступающей в мозг человека, даёт зрение. Исключительную роль в этом играет глаз. Напомним строение глаза (рис. 101), вы уже изучали его на уроках анатомии в основной школе. Глаз состоит из белочной оболочки, в передней части глаза образующей прозрачную роговицу, пропускающую свет. Под белочной расположена сосудистая оболочка, в переднем отделе она образует радужную оболочку и зрачок. Внутренняя оболочка — сетчатка — состоит из палочек, колбочек и нервных клеток, от которых возбуждение идёт в головной мозг. Зрачок — отверстие в радужной оболочке, за которой находится хрусталик, погружённый в водянистую жидкость. За ним расположено прозрачное стекловидное тело, оно заполняет внутреннюю часть глазного яблока.

Рис. 101. Строение глаза человека

Роговица, хрусталик и стекловидное тело составляют оптическую систему глаза, преломляющую световые лучи, в результате чего на сетчатке возникает уменьшенное перевёрнутое изображение рассматриваемого предмета.

Величину, которая характеризует преломляющую способность оптической системы глаза, называют оптической силой и обозначают буквой D.

Оптическая сила — величина, обратная фокусному расстоянию, измеренному в метрах: D = 1/F.

Единицей оптической силы является диоптрия (дптр). 1 диоптрия — это оптическая сила линзы, имеющей фокусное расстояние в 1 м. При увеличении фокусного расстояния линзы её оптическая сила уменьшается. Преломляющая сила оптической системы глаза при рассматривании дальних предметов — около 59 дптр, а при рассматривании близких — 0,5 дптр.

Человек хорошо видит и близкие, и дальние предметы, изменяя кривизну хрусталика. При аномалиях наблюдается дальнозоркость (чёткое изображение рассматриваемого предмета возникает за сетчаткой) или близорукость (чёткое изображение рассматриваемого предмета возникает перед сетчаткой). Чтобы изображение предмета попало на сетчатку при дальнозоркости, лучи, идущие от предмета, нужно собрать, приблизить к оптической оси. Для этого используют очки с собирающей линзой. В случае близорукости точку пересечения лучей, идущих от предмета, нужно удалить. Это можно сделать, если удалить лучи от оптической оси. И здесь помогут очки с рассеивающей линзой.

Человек способен различать большое количество цветов. Признанной теорией, объясняющей механизм цветового зрения, является теория Ломоносова — Гельмгольца. М. В. Ломоносов (1711—1765) высказал предположение о наличии в сетчатке трёх элементов, воспринимающих три основных цвета. В XIX в. эту теорию обосновал и развил немецкий врач и физик Г. Л. Ф. Гельмгольц (1821—1894). Раздражение глаза электромагнитными волнами длиной 620—760 нм вызывает ощущение красного цвета, 510—560 нм — зелёного, 390— 450 нм — фиолетового. Возбуждение, дошедшее до коры головного мозга, суммируется, и возникает ощущение того или иного цвета.

Слух. Важнейшим из органов чувств человека, имеющих особую актуальность в связи с развитием речи, является слух. Напомним строение уха (рис. 102) — органа слуха.

Рис. 102. Строение уха человека

Оно состоит из наружного, среднего и внутреннего уха. Ушная раковина концентрирует звуки и направляет их в слуховой проход к барабанной перепонке, разграничивающей наружное и среднее ухо. Её колебания передаются слуховым косточкам (молоточку, наковальне и стремечку), а затем — мембране овального окна. При этом давление звуковых волн увеличивается в 30 раз, что обеспечивает колебание жидкости во внутреннем ухе. Полость среднего уха соединена с носоглоткой, и давление в нём уравнивается с атмосферным с помощью евстахиевой трубы.

Круглое окно с мембраной разграничивает среднее и внутреннее ухо. Во внутреннем ухе к органу слуха относится улитка, канал которой разделён как бы на два этажа мембраной, состоящей из отдельных волокон разной длины. Самые длинные волокна расположены на вершине улитки, а самые короткие — у её основания. На этих волокнах находятся слуховые волосковые клетки. Такие клетки на вершине улитки воспринимают низкие звуки, а у основания — высокие. Человек может воспринимать звуки с частотой от 16 000 до 20 000 Гц.

Мы привели лишь некоторые примеры действия законов физики для жизнедеятельности организма человека, но должны констатировать, что только физикой работу его органов и систем органов объяснить нельзя, — необходимо учитывать закономерности и других естественных наук, например химии, о чём и пойдёт речь в следующем параграфе.

Теперь вы знаете

  • каковы функции скелета
  • механизм функционирования системы кровообращения
  • строение выделительной системы
  • строение кожи
  • строение дыхательной системы

Теперь вы можете

  • описать, как происходит газообмен в капиллярах, лёгких и тканях, как фильтруется кровь в нефронах, как протекает процесс терморегуляции в организме человека
  • назвать приборы и аппараты, которые фиксируют и записывают биотоки сердца, электрические колебания головного мозга, с помощью которых измеряют кровяное давление

Выполните задания

  1. Проиллюстрируйте примерами из биологии суть первого и второго законов термодинамики.
  2. Объясните, в соответствии с какими физическими законами происходит движение крови по сосудам и как оно обеспечивается. Как измерить пульс и артериальное давление?
  3. Опишите строение глаза, уха.
  4. Дайте характеристику таких явлений, как дрожь, мурашки и гусиная кожа. Расскажите, что означают выражения: «раскраснелся от тепла» и «посинел от холода».
  5. Проанализируйте, как возникают и передаются нервные импульсы, из чего складывается оптическая система глаза, как возникает изображение на сетчатке, как воспринимается звук органом слуха человека.
  6. Назовите причину, по которой при взлёте самолёта или при погружении в воду у человека закладывает уши; объясните, зачем стюардессы во время взлёта и посадки самолёта раздают пассажирам карамель.

Темы для рефератов

  1. Что есть человек с точки зрения физики (основные параметры для органов, систем, тканей тела человека).
  2. Электрические и акустические явления при работе сердца.
  3. Цветовое

Рейтинг@Mail.ru