Механика и биомеханика

Введение

Физика - наука, изучающая фундаментальные, элементарные явления, свойства и формы движения материи.

Биофизика - наука, изучающая: физические явления - биотоки, ток крови, свечение, биолюминесценцию, движение, диффузию; физические свойства: электропроводность. оптическую плотность, поверхностное натяжение, теплоемкость; первичные физико-химические процессы - ионные, электронного возбуждения, свободнорадикальные. происходящие в тканях и клетках живых организмов и в биосубстратах.

История биофизики изучает обмен энергии, т.е. трансформацию в тканях друг в друге различных форм энергии, в отличие от биохимии, изучающей обмен веществ.

Значение биофизики и физики в познании свойств живых организмов, применение физических законов и биофизических методов в диагностике и физиотерапии.

Роль биофизики и физики в теоретическом развитии и методическом вооружении: физиологии, биохимии, цитологии, ветеринарно-санитарной экспертизе, клинической диагностике, ветеринарной хирургии, зооинженерии, экологии и биотехнологии.

Термодинамика и биоэнергетика

Законы термодинамики. Открытые и закрытые системы, стационарное неравновесное состояние. Изолированные системы, термодинамическое равновесие.

Первое начало термодинамики. Работа, теплота, внутренняя энергия.

Второе начало термодинамики. Трение и КПД. Рост энтропии. Обратимые и необратимые процессы. Графическое изображение изопроцессов: изобары, изохоры. изотермы. Циклический процесс. Термодинамические потенциалы: внутренняя энергия, свободная энергия, химический потенциал. Энтропия, ее статистический смысл.

Живые организмы как стационарные, неравновесные, открытые системы. Принцип Пригожина для стационарного состояния. Применение линейной термодинамики в биологии. Нелинейная термодинамика.

Энергетический баланс в живом организме. Закон Гесса. Теплопродукция при окислении и окислительное фосфорилирование в митохондриальных ферментативных электрон-транспортных цепях.

Удельная теплопродукция жиров, белков, углеводов и превращение различных типов энергии друг в друга в организме.

Явление переноса в терморегуляции организма и в биотехнологии. Теплопроводность, конвекция, испарение; равновесное тепловое излучение, люминесценция и спонтанная биохемилюминесценция.

Энергетика солнечного спектра. Удельная поверхность и теплопотери организма.

Криоконсервирование живых клеток и тканей. Оптимальные режимы охлаждения, замораживания, оттаивания и нагревания. Защитное влияние биоантиокислителей и веществ, стабилизирующих структурную температуру.

Блок-схема установки для вакуум-сублимационной сушки.

Вакуум-сублимационная сушка (быстрая - с разрушением и медленная - с сохранением клеток и мембран). Самозамораживание и быстрый термоперенос. Критерий окончания сушки.

Механика и биомеханика

Кинематика. Механическое движение. Определение кинематики. Системы отсчета. Средняя скорость прямолинейного движения. Мгновенная скорость. Обобщение понятия скорости для некоторых процессов (скорость химической реакции, скорость переноса тепла и др.) как производных соответствующих физических величин во времени. Ускорение как производная скорости по времени. Обратная задача кинематики: вычисление скорости по ускорению и пути по значению скорости.

Понятие о градиенте физической величины. Интенсивность переноса физической величины через поверхность.

Явления переноса. Диффузия, теплопроводность, внутреннее трение. Применение понятий интенсивности и градиента в этих процессах.

Перенос веществ при диффузии. Закон Фика. Значения коэффициентов диффузии в газах, жидкостях и твердых телах. Диффузионные процессы в почве, легких, в клеточных мембранах и др.

Теплопроводность, ее физический механизм и ее отличие от конвекции. Закон Фурье. Значения коэффициентов теплопроводности некоторых веществ и биологических тканей. Перенос тепла в живых организмах.

Внутреннее трение (вязкость). Перенос импульса при внутреннем трении. Закон Ньютона для вязкой жидкости. Динамический коэффициент вязкости и его значения для некоторых жидкостей.

Вращательное движение. Кинематика вращательного движения. Равномерное вращение. Угловая скорость, период и частота вращения. Переменное вращательное движение. Угловое ускорение. Линейная скорость и тангенциальное ускорение; связь их с угловой скоростью и угловым ускорением. Равнопеременное вращательное движение.

Динамика вращательного движения абсолютно твердого тела, Понятие об абсолютно твердом теле (АТТ). Основное уравнение вращательного движения АТТ. Момент инерции и его физический смысл. Вычисление моментов инерции некоторых тел правильной геометрической формы. Опытная проверка основного закона вращательного движения АТТ. Кинетическая энергия вращающегося АТТ. Момент импульса. Закон сохранения момента импульса. Вращательное движение в локомоторном аппарате живых организмов.

Механические колебания. Понятие о колебательном движении. Гармонические колебания. Линейный гармонический осциллятор. Уравнение гармонических колебаний. Циклическая частота. Период колебаний пружинного маятника. Скорость и ускорение гармонического осциллятора. Энергия гармонического осциллятора. Связь между колебательным и вращательным движениями.

Затухающие колебания, их уравнения и графики. Циклическая частота затухающих колебаний.

Вынужденные колебания, их уравнение; амплитуда вынужденных колебаний. Явление резонанса, резонансная кривая. Примеры явлений, связанных с резонансом.