1 / 74

FIZIKA LJUDSKOG ORGANIZMA

FIZIKA LJUDSKOG ORGANIZMA. UNIVERZITET U NOVOM SADU PRIRODNO-MATEMATIČKI FAKULTET DEPARTMAN ZA FIZIKU SLOBODANKA STANKOVI Ć FIZIKA LJUDSKOG ORGANIZMA ZA STUDENTE MEDICINSKE FIZIKE I MEDICINE NOVI SAD, 2006. SLOBODANKA STANKOVIĆ. SADR ŽAJ.

nellis
Download Presentation

FIZIKA LJUDSKOG ORGANIZMA

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. FIZIKA LJUDSKOG ORGANIZMA UNIVERZITET U NOVOM SADU PRIRODNO-MATEMATIČKI FAKULTET DEPARTMAN ZA FIZIKU SLOBODANKA STANKOVIĆ FIZIKA LJUDSKOG ORGANIZMA ZA STUDENTE MEDICINSKE FIZIKE I MEDICINE NOVI SAD, 2006. SLOBODANKA STANKOVIĆ

  2. SADRŽAJ

  3. 1. OSNOVI SISTEMOLOGIJE - LJUDSKI ORGANIZAM KAO SISTEM 1.1. SISTEMI 1.2. KIBERNETIČKI SISTEMI 1.3. ISPITIVANJE BIOLOŠKIH SISTEMA

  4. 2. BIOMEHANIKA LOKOMOTORNOG SISTEMA ČOVEKA 2.1. ELEMENTI LOKOMOTORNOG SISTEMA 2.2. FUNKCIONISANJE LOKOMOTORNOG SISTEMA 2.3. REALNI SISTEMI • Lokomotornisistemomogućuje čoveku da se kreće u prostoru. U kretanju učestvuju: • Pasivni elementi – kosti izglobovi(60% težine, 40% zapremine) • Aktivni elementi – mišići (40% težine, 60% zapremine)

  5. 2.1. ELEMENTI LOKOMOTORNOG SISTEMA kosti, zglobovi, mišići

  6. 2.1.1. KOSTI • Podela: • Kratkekosti(kostišake, stopala, kičmenipršljenovi) • DugekostiSastoje se odsrednjegdela (dijafizaiokrajaka (epifiza) kojisuprokrivenihrskavicomiulaze u sastavzglobova. • Pljosnatekosti(kostilobanje, karličneigrudnekosti) • Nepravilne kosti nemaju ni jedan od parametara koji su nam poslužili u prethodnoj podeli. To su kosti lica i kičmeni pršljenovi. • Pneumatične kosti imaju u svojoj strukturi šupljine ispunjene vazduhom (primer: mastoidni nastavak slepoočne kosti). • Sezamoidne kosti podsećaju svojim oblikom na seme susama. Razvijaju se u tetivama nekih mišića, najčešće u predelu zglobova (primer: čašica – patela).

  7. Funkcija: • održavanjeorganizma u određenompoložaju • hodanjeidrugevrstekretanjaorganizma • zaštitaosetljivihdelovaivitalnihorgana (mozak, srce, pluća) • stovarištezaodređenehemijskeelementekojeorganizammožekoristitipopotrebi • ishranaorganizma (zubi) • transmisijazvuka (kostisrednjeguha - jedinekostikojetokomcelogživotačovekazadržavajuveličinukojusuimale pre rođenja)

  8. Sastavistrukturakosti Kolagen - organski materijal (oko 60% zapremine i 40% težine kostiju) obezbeđuje elastičnost kostiju. Minerali - neorganski deo (oko 40% zapremine i 60% težine) koji kostima daje neophodnu čvrstinu; neorganski kristali hidroksilapatita Ca10(PO4)6(OH)2, oblika štapića dijametra od 2 - 7 nm i dužine od 5 - 10 nm, ukupne površine kod odraslog čoveka oko 4x105 m2; oko svakog kristala nalazi se sloj vode bogate mnogim hemijskim jedinjenjima potrebnim ljudskom organizmu. Ako se kost potopi u kiselinu dolazi do rastvaranja minerala i ostaje samo kolagen koji ima osobine viskoelastičnih materijala i ponaša se kao guma. Ukoliko se kost upali kolagen će sagoreti. Kost sada predstavljaju slabo povezani kristali minerala koji zadržavaju oblik, ali će se na najmanji dodir raspasti u pepeo.

  9. Ogroman procenat koštanog tkiva je inertan, ali to ne znači da je kost mrtva. Oko 2% koštanog tkiva predstavljaju osteociti - ćelijekoje se, kaoisvedrugeživećelije, snabdevajuelementimapotrebnimzanjihovofunkcionisanjeputemkrvi. Raspoređenesuravnomernounutarkosti (u kolagenu) takodaodržavajukost u zdravomstanju. Koštanećelije se u neprekidnomprocesuuništavaju (osteoklasti) iponovostvaraju (osteoblasti); u perioduodokosedamgodinakoštanećelijecelogkosturabivajuobnovljene. osteoporoza

  10. težina tela linije kompresije linije tenzije sunđerasti deo kosti kompaktni deo kosti F F F F a b c Svaka kost je sastavljena od sledećih struktura: kompaktne i sunđeraste. Kompaktni deo kosti se nalazi na mestu koje je izloženo dejstvu sporadičnih spoljnjih sila različitog intenziteta, kao što je srednji deo femura. • Sunđerasta struktura kostikarakteristična je za delove koji ulaze zglob. Prednost ovakve strukture u odnosu na kompaktnu strukturu je da: • dejstvu sila u zglobovima pružaju neophodan otpor sa manje materijala • zbog veće fleksibilnosti mogu da apsorbuju više energije i kompenzuju dejstvo sila

  11. 2.1.2. ZGLOBOVI • Zglob predstavlja skup koštano-hrskavičavih materijala pomoću kojih se kosti međusobno zglobljuju. • Sinartroza je kontinuirani spoj između kostiju. Na mestu spajanja elemenata skeleta čitav prostor je ispunjen potpornim tkivom, koje može biti vezivno ili hrskavičavo. • Diartroza je spoj sa prekidom kontinuiteta između kostiju, do kojeg je došlo usled formiranja šupljine u dubini spoja. • Diartroze čini grupa zglobova koje nazivamo sinovijalni zglobovi.

  12. sinovijalna membrana glava kosti sinovijalna tečnost čašica hrskavica Elementi pokretnogzgloba. • U sastav pokretnog zgloba ulaze: krajevi (okrajci) kostiju od kojih je jedan ispupčen - glava kosti, a drugi udubljen - čašica. • Krajevi kostiju su obloženi hrskavicom i odvojeni zglobnom šupljinom. • U šupljini se nalazi bezbojna sluzava tečnost - sinovija, koja je obuhvaćena sinovijalnom membranom. • U sastav zgloba ulaze još i zglobne veze - ligamenti. • Pri pokretima postoji trenje između okrajaka kostiju. • Površina hrskavice koja prekriva okrajak kosti je glatka. • Da bi se trenje dalje smanjilo, između okrajaka kostiju u sastavu zgloba nalazi se sinovijalna tečnost, koja "podmazuje" zglob. • Koeficijent trenja u zglobu ima vrednost manju od 0,01.

  13. zglob teret Određivanje koeficijenta trenja u zglobu pomoću klatna (predložili su 1969. godine Litl, Frimen i Svonson (Little, Freeman & Swanson)). ODREĐIVANJE KOEFICIJENTA TRENJA

  14. X' X' X' (a) (b) (c) Z' A Y' A B A B Y Y' Y Z X X X Modeli jednoosnog (a), dvoosnog (b) i troosnog (c) zgloba. ROTACIJA ZGLOBOVA Pokretni zglobovi mogu da rotiraju oko jedne, dve ili tri ose (odnosno, praktično oko beskonačno mnogo osa). • Jednoosni zglobovi mogu da rotiraju oko jedne ose. • Zglobne površine dvoosnog zgloba imaju elipsoidni ili sedlasti oblik, koji im obezbeđuje veću pokretljivost pri rotacijiokodveuzajamnonormalneose. • Loptasti oblik glave omogućuje rotaciju oko tri međusobno ortogonalne ose

  15. 2.1.3. MIŠIĆI MIŠIĆI – OSNOVNE KARAKTERISTIKE U telu čoveka postoji preko 630 mišića(oko 40% težine tela). 30od njih su facijalni mišići. Oni nam pomažu da kreiramo sve moguće izraze lica: srećno, iznenađeno, zadovoljno, ljuto, nesrećno, tužno, uplašeno,... Najzaposleniji mišići u telu su oni koji okružuju oko. Pokreću se preko100.000 puta na dan. Najveći mišić u telu je gluteus maximus (vaš tur).

  16. MIŠIĆI – OSNOVNA FUNKCIJA Funkcija mišića je da pomera telo. Bez mišića ne bismo mogli da pomeramo skelet.Ne bi postojao način da se animira fizičko telo ni da se izgovori misao.Ne bi smo bili sposobni da trepćemo, varimo hranu, dišemo. Naše srce ne bi moglo da pumpa krv. Ne bi smo mogli da se smejemo, uriniramo, izbacujemo fekalije, ili da izduvamo svoj nos.

  17. VRSTE MIŠIĆA Prema strukturimišićno tkivo se deli na: glatko i poprečno prugasto. Glatki mišići: zovu se još i nevoljni, jer NISU pod svesnom kontrolom. Nevoljni u ovom slučaju znači da “ne morate da mislite o njima”. Mogu se naći u unutrašnjim organima – digestivni trakt, respiratorni prolazi, urinarni trakt i bešika, žučna kesa, zidovi limfnih i krvnih sudova,... Poprečno-prugasti mišići: zovu se još i voljni, jer su pod svesnom kontrolom. To možemo opisati na sledeći način: ako kažeš ruci “ruko, pomeri se” ona se pomera. Osnovna podela poprečno-prugastih mišića: skeletni mišići i srčani mišić Prema svojoj funkcijisvaki mišić pripada jednoj od tri kategorije: glatkim, skeletnim, ili srčanim mišićima.

  18. Skeletni mišići aktivni elementi lokomotornog sistema • Skeletni mišićipredstavljajuaktivneelementelokomotornogsistemajer se nanjihovimkrajevimagenerišusileprilikomnjihovekontrakcije. • Uzrokovihsilavezuje se zagenerisanjeelektričnihimpulsakoji se prostirudužmotornihneravaizkičmenemoždinei, delujućinamišićnavlakna, izazivajunjihovukontrakciju. • Ovesilesu, dakle, u osnovielektričnogporekla. • Prekotetiva, kojepovezujumišićesakostima, siledelujunakostiiomogućujunjihovepokrete. Vezivanjemožebitijednostrukoilivišestruko (dvostruko - bicepsi, trostruko - tricepsi, ...).

  19. Struktura skeletnih mišića • Skeletni mišići se sastoje od vlakana debljine manje od debljine dlake (dijametra 20 - 80 nm), dužine nekoliko santimetara. Svako vlakno je omotano membranom debljine 0,01nm. • Vlakna koja formiraju skeletni mišić sastoje se od tankih kontraktilnih niti - miofibrila, kojih u jednom vlaknu može biti između 1000 i 2000.

  20. Miofibrile su po dužini podeljene na sarkomere. Ukupna dužina jedne sarkomere iznosi 2,2 mm. Sarkomeru formiraju dve vrste proteinskih niti. Deblje niti, dijametra 10 nm i dužine 1500 nm, načinjene su od proteina miozina, dok su tanje niti dijametra 5 nm i dužine 1000 nm načinjene od proteina aktina. Z predstavlja granicu između sarkomera. M je protein velike elektronske gustine, koji povezuje miozinske niti i održava njihov položaj. U procesu mišićne kontrakcije stepen prekrivanja aktinskih i miozinskih niti se menja, a samim tim i dužina sarkomere. Sa promenomdužinesarkomeremenja se imišićni tonus. HMMS-2 LMM HMM S-1 20 nm 93 nm 37 nm Šematski prikaz strukture molekula miozina i njihove agregacije. s(%) Zavisnost normalnog napona mišića od dužine sarkomere 100 l (mm) 0 1 2 3 sarkomera M Z Z aktinske niti miozinske niti Šematski prikaz strukture sarkomere. Struktura miofibrila - sarkomere

  21. Mehanizam mišićne kontrakcije Izometrička (statička) kontrakcija - dužina napregnutog mišića se ne menja, tako da se, termodinamički posmatrano, utrošena hemijska energija transformiše samo u toplotu. Izotonička(dinamička) kontrakcija - mišić se skraćuje, dolazi do pomeranja tela, ali napregnutost mišića ostaje nepromenjena. U procesu izotoničke kontrakcije hemijska energija se delimično troši na vršenje rada, a jedan deo se transformiše u toplotu. Realna kontrakcija mišića je kombina-cija ovih dveju vrsta kontrakcije. Najveća i najmanja dužina mišića stoje u odnosu 1 : 2.

  22. 2.2. FUNKCIONISANJE LOKOMOTORNOG SISTEMA2.2.1. Kruto telo. Uslovi ravnoteže krutog tela • Šta je kruto telo? • Kruto telo predstavlja telo kod koga se međusobni položaj pojedinih tačaka ne menja. Takvo telo se ne deformiše pod dejstvom sile. Kruto telo je model - fizička apstrakcija, jer takvih tela u prirodi nema, mada se neka tela po svojim osobinama približavaju definiciji krutog tela (kosti, na primer). • Pod dejstvom sile kruto telo se može kretati translaciono i/ili rotaciono. Uslovi ravnoteže krutog tela

  23. B' A A Q O s1 F B B A' a b (a) (b) F Q POLUGE I SISTEMI POLUGAModel funkcionisanja lokomotornog sistema • Osnovnu predstavu o funkcionisanju lokomotornog sistema možemo dobiti ako kosti (ili grupu čvrsto povezanih kostiju) posmatramo kao poluge. • Poluge su fizički posmatrano kruta tela, tj. tela koja se ne deformišu pod dejstvom sile. • Deformacija realnih kostiju pod dejstvom sila koje se generišu u mišićima relativno je mala, pa se u prvoj aproksimaciji one mogu uspešno modelirati polugom. • (a) poluge sile – k > 1 • (b) poluge brzine – k<1

  24. O k  1 k  1 F Q Primer poluge I vrste u organizmu i njen šematski prikaz. T O F Q POLUGE • Za analizu funkcionisanja poluga u telu čoveka potrebno je znati tačan položaj napadne tačke sile mišića, tačke oslonca i napadne tačke tereta. • U odnosu na međusobni položaj ovih elemenata poluge se dele na: • poluge I vrste • poluge II vrste • poluge III vrste.

  25. F F O k > 1 Q Q O Primer poluge II vrste u organizmu i njen šematski prikaz. F F O k  1 O QR QR Primer poluge III vrste u organizmu i njen šematski prikaz.

  26. 5cm 3cm Q FM FC Uzajamno dejstvo glave čoveka i prvog cervikalnog pršljena na kome leži glava; sila vratnog mišića održava glavu u uspravnom položaju. T O FM Q Primer 1. Dejstvo glave čoveka na prvi vratni pršljen

  27. FT Fibula Tibia Q FK 70 FT b Q a FK  Primer 2. Izračunavanje sile u Ahilovoj tetivi

  28. deltoid biceps SISTEMI POLUGA - Model ruke Fd Fdsina Fb a O O Qp 18 Qr 4 Q Q 36 14 72 30 4cm x Fb = 14cm x Qp + 30cm x Q Fb = 3,5 x 15N + 7,5 x 30N Fb = 277,5 N 18cm x Fd sina = 36cm x Qr + 72cm x Q Fd = (2 x 60N + 4 x 30N)/ sin160 Fd = 870,7 N

  29. F B s O D q/2 C s A mišić kvadriceps femur tibia SISTEMI POLUGA - Model noge F' (a) (b) B F O C r Za vrednosti ugla 0<<160۫koeficijent k<1, što znači da poluga deluje kao poluga brzine pa sila F mora biti znatno veća od tezine tereta Q/2. Iznad 160۫, poluga deluje kao poluga sile što znači da je sila F manja od tezine tereta. A Analiza delovanja butnog mišića: delovi noge koji učestvuju u uspravljanju (a); analogan fizički model (b).

  30. B y peti lumbalni pršljen (L.5) B D 120 C FM Q2 A Q1 300 28,50 A x FR Q1 - težina trupa (320 N) Q2 - težina ruku, glave i tereta (382 N) A- tačka oslonca na L.5 AB - poluga kojom se modelira trup AC = 1/2 AB AD = 2/3 AB FM - sila naprezanja uleđnim mišićima FR- rezultujuća sila koja deluje na L.5 FR= 3664 N Q = 225 N Analiza dejstva sile na peti lumbalni pršljen pri podizanju tereta.

  31. 2.3. REALNI SISTEMI U prethodnom izlaganju kosti su u posmatranju zamenjene modelom - polugama, koje se pod dejstvom sila ne deformišu. Kod realnih tela, kao što su kosti, mišići i tetive (elementi lokomotornog sistema) uvek dolazi do izvesnog stepena deformacije pod dejstvom spoljnih sila. Kao protivdejstvo spoljnim, javljaju se unutrašnje sile koje teže da telu vrate prvobitan oblik. To su elastične sile. Intenzitet elastičnih sila zavisi od sila među molekulima od kojih je telo načinjeno.

  32. Priroda međumolekulskih sila. Elastičnost i plastičnost Fb Fa Fa Fb r0 F Fb 0 A B r r0 F Fa • Međumolekulske sile, čije se dejstvo oseća do rastojanja koje je deset puta veće od dijametra molekula (d ~ 10-10 m), imaju elektrostatičku i kvantnu prirodu. • Molekuli poseduju pozitivna i negativna naelektrisanja, pa među njima vladaju privlačne i odbojne sile. • U odsustvu spoljnih sila održava se ravnotežno rastojanje r0. • Akcija - dejstvo spoljnih sila • Reakcija - elastične sile tela ili restitucione sile. • Elastičnedeformacije - plastičnedeformacije

  33. Elastične deformacije Postoji više vrsta deformacija zavisno od pravca i smera delovanja spoljnih sila, kao i od mesta napadne tačke sile: istezanje i sabijanje (i savijanje kao njihova kombinacija) smicanje uvrtanje. U opštem slučaju, pri proizvoljnom dejstvu sile može se istovremeno javiti više deformacija. Fn F S Ft

  34. Hukov zakon za longitudinalne deformacije – istezanje i sabijanje Fn A' A' A' S S S L A A A L L L E Jangov modul elstičnosti karakteriše osobine materijala od koga je telo načinjeno, odnosno stepen elastičnosti tela. Materijali velikog modula elastičnosti se srazmerno malo deformišu pod uticajem sile.

  35. Savijanje, smicanje i torzija A A' F  (a) (b) (c) Deformacije savijanja (a), smicanja (b) i torzije (c). A' A A A' F F  L • Savijanje - kvazi-longitudinalna deformacija, kombinacija sabijanja i istezanja (a). • Smicanje – deformacija pod dejstvom tangencijalne sile čija je napadna tačka na obodu poprečnog preseka, a pravac dejstva prolazi kroz osu tela. • Torzija (uvrtanje) - specijalan slučaj smicanja. Javlja se kada sila deluje kao tangenta na površinu poprečnog preseka tela.

  36. Fn/S (N/mm2) 120 Fn S L S S L L/L (%) 0 0,012 Grafik zavisnosti relativne deformacije istezanja kompaktne kosti od normalnog napona. Energetika koštane frakture • Energijadeformisanogtela, premazakonu o održanjuenergije, bićejednakaraduspoljnihsilakojesutudeformacijuizazvale.

  37. Kritični napon i kritična sila. Impulsne sile Čovek mase m = 70 kg u automobilu koji se sudara sa nepomičnom preprekom pri brzini u1 = 70 km/h. Pretpostavimo da se automobil posle sudara zaustavio na rastojanju od 0,5 m u odnosu na svoj položaj u trenutku početka sudara.

  38. Funkcionalna adaptacija kostiju F1=7,4 Q F11=6 Q F2=4,8 Q (A.1) (C.1) Q s=96 MPa Q s=12,8 MPa (C.2) (A.2) s=21 MPa s=96 MPa (C.3) (A.3) su=8,5 MPa su=8,5 MPa F11=6 Q (D) F2=4,8 Q (B.1) Q s=63 MPa (B.2) s=71 MPa (B.3) su=8,5 MPa Funkcionalna adaptacija kostiju podrazumeva takvu promenu strukture i oblika kosti, koja će obezbediti uniformnost naprezanja sa minimumom upotrebljenog materijala .

  39. Leonardo da Vinci Anatomical study of the arm, (c.1510)

  40. 3. BIOMEHANIKA KARDIOVASKULARNOG SISTEMA 3.1. IDEALNE TEČNOSTI 3.2. REALNE TEČNOSTI 3.3. KVS 3.4. POVRŠINSKI EFEKTI

  41. Idealna tečnostpredstavlja fizički model koji uvažava sledeće pretpostavke: tečnosti su nestišljive ne postoji unutrašnje trenje 2 A2 1 A1 (a) (b) Strujna linija (a) i strujna cev (b). 3.1. IDEALNE TEČNOSTI • 3.1.1. Hidrostatika • Tečnost se nalazi u mirovanju ako sve spoljne sile deluju normalno na njenu površinu. • Paskalov zakon (Pa = N/m2) • Hidrostatički pritisak (1 mmHg = 133 Pa) 3.1.2.Hidrodinamika

  42. 2 S11 = S22 S2 1 S1 p1 p2 1 2 S2 S1 Jednačina kontinuiteta i Bernulijeva jednačina JEDNAČINA KONTINUITETA. Na osnovu zakona o održanju mase (m = const.) kroz bilo koji poprečni presek S strujne cevi mora da prođe ista količina tečnosti u jedinici vremena (protokQ) BERNULIJEVA JEDNAČINA. Osnov za dobijanje Bernulijeve jednačine je zakon o održanju energije, po kome ukupna mehanička energija, odnosno zbir potencijalne i kinetičke energije određene količine tečnosti, tokom njenog kretanja kroz strujnu cev, ostaje nepromenjena.

  43. 2 S1 1 = S22 2 = (S1/S2) 1 1 1 2 S1 S2 Krvni pritisak povećava aneurizam formiran u krvnom sudu. p0 u1= 0, p1= p0 + r g Dh u = (2gDh)1/2. Dp = rgDh p1 p0 S u Primena Toričelijeve teoreme na isticanje tečnosti iz suda. p1 1 p2 2 S1 S2 Kretanje molekula vazduha ka mestu manjeg pritiska – formiranje vazdušnog mehura. Primena Bernulijeve jednačine na KVS

More Related