• Авторы
• Научный руководитель
• Файлы
• Ключевые слова

Сиберт А.П. 1

---

1 МБОУ "Лицей №159"

Сиберт А.П. (Новосибирск, МБОУ "Лицей №159")

Статья в формате PDF

561 KB

физика

проект

ВВЕДЕНИЕ

Физика - наука о природе, а человек - неотъемлемая часть этой природы. Организм человека - невероятно сложная и запутанная система, которая до сих пор ставит в тупик докторов и исследователей, несмотря на то, что ее изучают уже не одну сотню лет.Оказывается, многое в нем подчиняется законам физики, в т.ч. и работа сердечно-сосудистой системы (далее по тексту ССС).

Цель исследования:

1. Определить физические законы и процессы в кровеносной системе человека и выяснить значение физических факторов, обуславливающих непрерывное движение крови в организме, т. е. рассмотреть систему кровообращения глазами физиков.

2. Провести эксперименты по измерению и расчетам различных показателей работы сердца и ССС у подростков и взрослых с разной физической активностью и убедиться, что умеренные спортивные и физические нагрузки, а также двигательная активность улучшают состояние и деятельность ССС.

Материалы исследования:

1. Богданов К.Ю. «Физик в гостях у биолога», Москва «Наука», 1986

2. Кац Ц.Б. «Биофизика на уроках физики», Москва «Просвещение», 1974

3. Коржуев А. «Физика ибиофизика», Санкт-Петербург «ГЭОТАР-Медиа», 2010

4. Ланда Б.Х. «Методика комплексной оценки физического развития и физической подготовленности», Москва «Советский спорт», 2011

5. Аулик И.В. «Определение физической работоспособности в клинике и спорте», Москва «Физкультура и спорт», 1990

Методы исследования:

- теоретические: сбор, изучение и анализ собранного материала из различных источников (литература, справочники);

- экспериментальные: постановка различных экспериментов с участием школьников и взрослых, анализ полученных результатов;

- математические и информационно-компьютерные: статистика, программирование расчетов, создание онлайн-теста.

ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ И ПРОЦЕССЫ В РАБОТЕ СРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ

Строение сердечно-сосудистой системы

Сердце начинает функционировать задолго до рождения и прекращает работу последним. Обладая собственным автоматизмом, оно может работать даже после смерти организма.

Сердечно-сосудистая(кровеносная) системасостоит из сердца - главного мышечного органа кровообращения, и кровеносных сосудов (артерий, артериол, капилляров, венул и вен) - полых трубок различного диаметра, по которым происходит циркуляция крови. Сердце заставляет кровь двигаться, ритмически нагнетая ее в кровеносные сосуды.

Артериальное давление и его роль в движении крови по сосудам

Артериальное давление- один из важнейших параметров, характеризующих работуССС. Давление крови определяется объёмом крови, перекачиваемым сердцем в единицу времени, и сопротивлением сосудистого русла. Вследствие сопротивления кровеносных сосудов передвижению крови в них создается кровяное давление, которое называют артериальным. Сопротивление кровотоку зависит от диаметра сосудов, их длины, тонуса, а также от объема циркулирующей крови и ее вязкости. Поэтому величина артериального давления неодинакова в разных отделах сосудистого русла.

Поскольку кровь движется под влияниемдавления в сосудах, создаваемого сердцем, то наибольшее давление крови будет в аорте, несколько меньшее давление будет вартериях, ещё более низкое в капиллярах, а самое низкое ввенах. Разность давления в артериях и венах является основной причиной непрерывного движения крови по сосудам [1]. Таким образом, согласно законам физики, кровь движется от артерий к венам.

Верхнее число-систолическое артериальное давление (СД), показывает давление в артериях в момент, когда сердце сжимается и выталкивает кровь в артерии, оно зависит от силы сокращения сердца, сопротивления стенок кровеносных сосудов, и числа сокращений в единицу времени. Нижнее число-диастолическое артериальное давление (ДД), показывает давление в артериях в момент расслабления сердечной мышцы.

Сердце и кровеносные сосуды - это насос и сообщающиеся сосуды

Наше сердце - это насос, устройство которого можно сравнить с работой поршневого жидкостного насоса, действие которого основано на том, что под воздействием атмосферного давления вода в трубке поднимается за поршнем.

Аналогично происходит работа сердца. Сердце образовано особой мышечной тканью, которая способна ритмично сокращаться. Работа сердца характеризуется циклом, состоящим из двух этапов: фаза сокращения предсердий и желудочков, фаза расслабления предсердий и желудочков.

Сердце прокачивает кровь по сосудам тела. Делает оно это с помощью сокращений, как насос «проталкивая» порции крови по кровеносным сосудам.

Диаметр артерии (аорты) составляет около 1,5 см. Аорта разветвляется на артерии меньшего диаметра, расположенные в теле симметрично. От них ветви сосудов отходят до костей, мышц, суставов, внутренних органов. Мельчайшие артерии называют артериолами, из них кровь поступает к сети капилляров. Кровь движется по сосудам непрерывно по двум замкнутым кругам кровообращения - малому и большому. Соответственно, кровеносные сосудыпредставляют собой сообщающиеся сосуды, по которым протекает кровь.

Итак, сердце состоит из двух частей и имеет две кровеносные системы (два круга кровообращения): правая половина сердца качает кровь по сосудам по всему телу, до конечностей, левая половина - через легкие, для обогащения крови кислородом. Таким образом, всю сердечно-сосудистую систему можно назвать «насос и сообщающиеся сосуды». При этом принцип работы системы основан на законе гидродинамики в сообщающихся сосудах: жидкость течет из сосуда с большим давлением в сосуд с меньшим давлением.

Силы, возникающие при движении крови по сосудам:

сила трения (сопротивления) и сила давления

Движение крови по сосудам подчинено законам гидродинамики и определяется двумя силами [1]:

1. Силой трения или силой сопротивления, которое кровь испытывает при трении о стенки сосудов. При движении крови по сосудам возникает сила трения, которая препятствует перемещению крови, в результате скорость ее течения становится меньше.

2. Силой давления, влияющей на движение крови. Кроме силы трения на жидкости, как и на все тела на Земле, действует сила тяжести. Поэтому каждый слой крови в сосудах своим весом создает давление на другие слои. Это давление по закону Паскаля передается по всем направлениям одинаково.

Пульсовая волна и скорость ее распространения в соответствии с формулой Юнга

После каждого сокращения сердца вдоль артерии от сердца идет волна деформации, подобно тому, как идут волны от удара камня о воду. Сосуды создают пульсовые волны. Удары этих волн мы ощущаем, приложив палец у основания большого пальца на запястье или боковой поверхности шеи - это пульс. Пульс является основным показателем здоровья человека.

Пульс - это колебания стенок сосудов, вызванные изменением давления крови в результате работы сердца. Процесс распространения колебаний в пространстве с течением времени называетсяволной. Источником пульсовых волн является сердце. Пульсовая волна - это поперечная волна, в которой колебания происходят перпендикулярно направлению их распространения.

Оказывается, скорость распространения пульсовой волны зависит от упругости артериальной стенки, поэтому может служить показателем ее состояния при различных заболеваниях [2]. Формула для скорости распространения пульсовых волн была выведена знаменитым английским ученым, практикующим врачом и физиком, Томасом Юнгом в 1809 г.:

= (1)

где - скорость, Е - модуль Юнга, h - толщина стенки, ρ - плотность, d - внешний диаметр артерии.

Скорость пульсовой волны зависит от упругости стенки артерии, ее модуля Юнга. C возрастом, а также при тяжелых сердечно-сосудистых заболеваниях, сопровождающихся потерей упругости стенки артерий (увеличением жесткости), скорость может увеличиваться в 2-3 раза по сравнению с нормой. Таким образом, увеличение жесткости сосудов ведет к увеличению скорости распространения пульсовой волны. Это позволяет использовать измерение скорости распространения пульсовой волны для определения жесткости сосудов и, соответственно, для постановки диагноза и выбора правильного лечения.

Возникновение аневризмы как проявление закона Лапласа

Пульсовые волны повторяются около 100 тысяч раз за сутки и около 2,5 млрд. в течении жизни. Подобную нагрузку стенки сосудов способны выдержать. Но иногда стенка начинает расширяться, образуя аневризму - расширение, которое прогрессирует, и со временем, не выдержав, сосуд лопается, что приводит к смерти. Обычно это бывает в зрелом возрасте [3].

Рост аневризмы - заболевание, объясняемое еще одним физическим законом - законом Пьера-Симона Лапласа, французского математика, физика и астронома, открывшего зависимость между напряжениемТ (отношение силы к площади сечения стенки сосуда),растягивающим стенку кровеносного сосуда, радиусомсосуда R,давлением внутри сосудари толщиной его стенкиh:

T= (2)

Из закона Лапласа следует, что при увеличениидавления рдолжно увеличиваться иТ, что приводит к растяжению стенки сосуда и увеличению его радиусаR. Но т. к. объем стенки аорты можно считать постоянным, то увеличение ее радиуса должно сопровождаться утончением стенки, что в свою очередь ведет к разрыву сосуда и появлению аневризмы. Таким образом,причиной возникновения аневризмыявляется не только возросшая амплитуда артериального давления, но и изменение механических свойств артериальной стенки.

Зависимость скорости кровотока от размеров сечения сосудов

Движение крови по сосудам напоминает движение воды по водопроводу. Согласно закону Паскаля, неподвижная жидкость в сосуде передает внешнее давление одинаково во всех направлениях.

Пусть- скорость крови через сечение сосуда S1,- скорость крови через сечение S2. Так как кровь практически несжимаема, то количество крови, проходящее за времяt через поперечное сечениеS1, равно количеству крови (жидкости), проходящей за это же время через сечениеS2. Значит,объемы вытесненной крови за время t равны:

(3).

Так как и,то, подставляя выражения в формулу (3), получаем

или (4)

Данное уравнение называется уравнением неразрывности. Из него следует, чтопри стационарном течении жидкости скорости движения ее частиц через разные поперечные сечения трубы обратно пропорциональны площадям этих сечений.Т.е. при прохождении узких частей сосуда скорость кровотока больше и наоборот.

Закон Бернулли в кровообращении

Их предыдущего раздела следует, что на кровь, поступающую в более узкую часть сосуда, действует со стороны крови, еще находящейся в широкой части сосуда, некоторая сила [3]. Этой силой, в данном случае, является разность между силами давления крови в широком и узком сечениях сосуда. Т.к. (5), то разность между силами давлений крови в различных частях сосуда равно:

(6)

Так как сила направлена в сторону узкой части сосуда, то на широком участке сосуда давление должно быть больше, чем в узком:

(7)

Из уравнения следует, что

(8)

Следовательно, можно сделать вывод: при стационарном течении крови в тех местах, где скорость кровотока меньше, давление в крови больше и, наоборот, там, где скорость кровотока больше, давление в крови меньше.К этому выводу относительно движения жидкости впервые пришел Даниил Бернулли, поэтому данный закон называют законом Бернулли.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ

В экспериментальной части работы участвовали 22 человека - ученики 7-го и 11-го классов и трое взрослых, среди которых 16 человек занимаются спортом или иным видом физической активности. У всех участников были измерены пульс и общее артериальное давление в покое и пульс после десяти приседаний. С помощью этих показателей, а также показателей массы, роста и возраста участников я провела расчеты и оценку нескольких параметров работы ССС: степени тренированности сердца, коэффициента выносливости [5], адаптационного потенциала и работоспособности сердца [4]. Также рассчитала ударный объем крови (УОК), энергетические затрат и КПД организма при выполнении механической работы [3].

Приведу лишь некоторые из них:

1. Оценка адаптационного потенциала ССС.

Расчет по формуле

АП = 0,011·ЧСС1 + 0,014·(СД + В) + 0,008·ДД + 0,009·(М – Р) – 0,273 (9),

где ЧСС - частота пульса в покое в положении сидя, СД - систолическое (верхнее) давление, ДД - диастолическое (нижнее) давление, В - возраст, М - масса тела, Р- рост, и оценка адаптационного потенциала показали, что только у 6% участников со спортивной и физической активностью есть напряжение механизмов адаптации, в то время как среди участников без активности этот показатель составляет уже 33% (Диаграммы 1 и 2):

Диаграмма 1

Диаграмма 2

2. Определение ударного объема крови, энергетических затрат и КПД организма при выполнении механической работы.

На основании измерений частоты пульса и общего артериального давления участников в покое и после подъемов по лестнице на один этаж были рассчитаны по указанным ниже формулам ударные объемы крови (УОК), а также энергетические затраты и КПД организма при подъеме по лестнице:

1) Ударный объем крови (УОК) по формулам Старра:

Vуд = 90,97 + 0,54·Pпд – 0,57·Pдд – 0,61·В (для взрослых),

Vуд = 40 + 0,54·Pпд– 0,57·Pдд+ 3,2·В (для детей в возрасте 7-15 лет) (10)

2) Работа А, совершаемая человеком при подъеме по лестнице:

А = mgH =mghn (11)

3) Энергетические затраты Q при выполнении механической работы:

Q = K·19,684·t ·(V1 f1 –0,6V0f0) ·0,064/25000 (12)

4) КПД человека при подъеме по лестнице:

? =100% (13)

Каждый участник с 5-ти-минутным перерывом для отдыха совершил три подъема по лестнице с различной скоростью и временем. Исследование показало, что УОК возрастал во время подъемов по лестнице по сравнению с состоянием покоя. А проведенный эксперимент подтвердил мнение физиков и медиков о том, что под влиянием физических нагрузок КПД сердца может увеличиваться в 1,5-3 раза. А наибольший КПД продемонстрировал 47-летний участник, раз в неделю занимающийся плаванием, что доказывает приобретение дополнительных возможностей сердца под влиянием умеренных спортивных нагрузок (Таблица 7):

Таблица 7. «Результаты измерений ударного объема крови, энергетических затрат и коэффициента полезного действия организма при выполнении механической работы»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассматривая сердечно-сосудистую систему человека как объект изучения физики, я пришла к выводу, что многие процессы, происходящие в ней, подчиняются физическим законам.Каждый организм индивидуален, но любой человек может улучшить качество своей жизни, изменив свой взгляд на физическую составляющую кровеносной системы.

На основании результатов исследований и проведенных экспериментов можно сделать вывод: процессы, которые протекают в сердечно-сосудистой системе человека, можно объяснить с помощью законов физики; умеренные спортивные и физические нагрузки, а также двигательная активность улучшают состояние и деятельность сердечно-сосудистой системы человека.

Для расширения теоретических знаний и практических навыков учащихся о физических законах и процессах в работе сердечно-сосудистой системы я разработала и разместила на личном сайте онлайн-тест «Физика сердечно-сосудистой системы» - ссылка https://www.sibert-a.ru/moi-raboty-physics

Библиографическая ссылка