Физика внутри человека

(ФИЛИАЛ) ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ:

“ФИЗИКА ВНУТРИ ЧЕЛОВЕКА”

Проект подготовил:

Студент 1 курса группы ОЗ-М-201

Финансов Мирослав Юрьевич

Руководитель проекта:

Неженская Валерия Петровна

Ставрополь

2020

Содержание

Введение 3

Глава I. Законы Ньютона в организме человека 5

Глава II. Механические процессы и различные силы в организме человека 8

Глава III. Другие различные процессы, происходящие в организме человека 12

Заключение 14

Интернет-источники и список литературы 15

Человеческое тело устроено удивительнейшим образом. Недаром многие выдающиеся врачи испытывали едва ли не священный трепет, углубляясь в изучение его строения и функционирования. Так как йога — это наука о единстве души и тела и индивидуальной души с универсальной, или большей целостностью нежели мы сами, то йогинам сам Бог велел с телом дружить крепко и слушать его внимательно, познавая его не только его нужды, но и его устройство, и законы его функционирования. Я не зря использую слово «единство», а не «единение». Единство как состояние уже есть! Нам осталось только в полной мере на всех уровнях его осознать и принять, и йога как раз про это.

Да! У тела прежде всего стоит поучится этому — единству. Все системы тела человека настолько взаимосвязаны на разных уровнях, что это воистину космос. Так, например, мы знаем о рефлексах, связывающих скелетную мускулатуру (подлежащую нашему волевому контролю) с внутренними органами (управляющимися автономной от нашего сознательного контроля нервной системой). Мы также знаем, что все скелетные мышцы связаны между собой в так называемые миофасфиальные поезда. Мы знаем, что даже сердце, такое уникальное, работает в тандеме со скелетной мускулатурой, которую также называют «периферическим сердцем». Мы знаем, что нейроэндокринная система работает только в тесном взаимодействии с иммунной системой. Мы достаточно много уже знаем и о других разнообразных взаимосвязях внутри тела. И ещё больше, похоже, пока не знаем, но можем чувствовать, если осознаём всю важность исторического момента. Важность жизни в этом теле.

А как часто мы проявляем уважение к своему телу? Уважение — признание важности. Часто, увы, очень часто мы пренебрежительно относимся к телу. Это происходит и когда мы «ведёмся» на козни ума, потакая его прихотям (ума, заметьте, а не тела!), и когда в чрезвычайно высоких духовных устремлениях ошибочно полагаем, что тело менее достойно внимания, чем душа.

Апостол Павел в Послании к Коринфянам утверждал «…тела ваши суть храм живущего в вас Святого Духа… Посему прославляйте Бога и в телах ваших». Тело и душа — это совершенно нераздельное единое целое. Душа живет через тело. Только в этом теле душа может получить опыт и реализовать те задачи, с которыми пришла на Землю. Не имеет значения, верим ли мы в реинкарнацию или нет. В любом случае — в этом теле жизнь души одна. И тело в полной мере служит душе верой и правдой, несмотря на наше небрежение к нему или отождествление с ним. Тело — это книга, в которой записан не только весь опыт души и ума, а чаще — его заблуждения, но также и свод общих законов, по которым живёт душа на земле.

О каких же законах жизни души в теле говорит нам его строение?

Объект: физика внутри человека.

Предмет: организм человека.

Гипотеза: организм человека подчиняется таким же законам физики, как и все остальные тела.

Цель: рассмотреть законы физики, которые можно обнаружить в работе организма человека.

Поставленная цель определяет выбор комплекса задач:

1. пронаблюдать работу законов Ньютона в организме человека;

2. увидеть проявление механических процессов и различных сил в организме человека;

3. рассмотреть остальные процессы, происходящие в организме человека.

Актуальность: В курсе физики, изучаемом в современной школе, практически не уделяется внимания на физические параметры, характеризующие человека. Однако в связи с изучением вопросов психологии в школе, моделировании процессов, происходящих в живых организмах, в технике, развитием такой науки как бионика у учащихся всё чаще проявляется повышенный интерес к изучению физики человека.

Если рассматривать человека как объект изучения физики, то мы видим, что многие привычные нам действия полностью подчиняются законам механики. К нему, так же как и ко всем физическим телам применимы законы Ньютона.

I закон Ньютона

Если на тело не действуют другие тела, или действие тел скомпенсировано, то тело находится в покое или движется с постоянной скоростью. Такое движение называют движением по инерции. Типичным случаем использования инерции в живом мире являются прыжки: тело человека находится под действием силы, развиваемой мышцами ног, лишь в начале прыжка, пока ноги не отделилось от земли. В дальнейшем никакого двигательного усилия уже не нужно: тело движется вперед, преодолевая сопротивление воздуха и частично силу тяжести, исключительно вследствие инерции.

II закон Ньютона

Сила – причина ускорения.

Ускорение прямо пропорционально действующей на тело силе F и обратно пропорционально массе тела m. Растягивая динамометр двумя руками, человек может развить силу, равную по меньшей мере 100 Н. Упираясь ногами в петлю, он сможет тянуть веревку вверх с силой около
1000 Н. Развиваемая при этом сила называется становой.

Но есть способы, с помощью которых можно увеличить значение силы, развиваемой человеком. Нам на помощь приходит II закон Ньютона. Человек сможет развить большую силу, если будет двигаться с ускорением. Поэтому, чтобы прыгнуть дальше, спортсмен разгоняется. Сильнее получатся и удар, если он сделан с размаха.

«Источником» силы в теле человека являются мышцы. В теле человека их насчитывается около 600. Мышечная ткань обладает свойством сокращаться и растягиваться, ей присущи эластичность и упругость, то есть способность восстанавливать свою форму после прекращения действия деформирующего усилия. При этом упругие характеристики мышечной ткани выше, чем такие же показатели искусственных материалов.

III закон Ньютона

Оказывается, и третий закон Ньютона оказывается справедливым, если его рассматривать, применительно к человеку.

Cила действия, равна силе противодействия.

Сила Тяжести, Вес, Невесомость

Силой тяжести называется сила, с которой любое тело притягивается Землей. Ускорение свободного падения для всех точек на поверхности Земли постоянно g=9,82 м/с^2.

Явление, при котором вес тела равен нулю называется невесомостью.

В физиологии вес определяют как величину, пропорциональную силе, действующей со стороны жидкости в полукружных каналах внутреннего уха человека на нервные окончания. Возрастание ускорения по сравнению с ускорением свободного падения g, которое человек испытывает, находясь на Земле, называется перегрузкой. Большие перегрузки опасны для человека. Уже при ускорениях несколько больших, чем g, у человека нарушается зрение, и появляются галлюцинации. При перегрузках происходит замедление кровообращения. При ускорении 5g, направленном вдоль тела в направлении ноги – голова, кровь утяжеляется настолько, что сердце не может гнать ее к голове. Человек испытывает ощущение «черной пелены» перед глазами и теряет сознание. Если ускорение направлено в противоположную сторону (голова – ноги), перед глазами встает «красная пелена» и наступает потеря сознания от прилива крови к голове. Перегрузку в 10g человек выдерживает не более 1 секунды. Возникновение перегрузок связывают со стартами космических кораблей, при этом космонавт испытывает перегрузки, равные 7 – 9g. Большие перегрузки (до 10g) возникают при раскрытии парашюта, управляемом спуске космического аппарата, резком маневрировании на скоростном самолете, автомобильной аварии.

Методы борьбы с опасными перегрузками предложил
К.Э. Циолковский.

Один из них заключается в расположении тела космонавта так, чтобы ускорение было направлено перпендикулярно человеческому телу. В горизонтальном положении тренированный человек способен переносить без вреда для здоровья нагрузку до 30g.

Невесомость

На практике в земных условиях состояние невесомости наблюдают при иммерсии, т.е. погружении тела в жидкость с плотностью, равной плотности тела. В этом случае вес тела уравновешивается архимедовой силой, тело становится «невесомым», приобретая способность свободно перемещаться в любом направлении.

В невесомости у человека нарушается вестибулярный аппарат, зрение, кожная и мышечная чувствительность. Человек начинает такое ощущение, как будто он падает или совершает полет вниз головой. При невесомости происходит перераспределение массы циркулирующей крови: из нижней части тела она устремляется в верхнюю. Возрастающий поток крови к сердцу воспринимается нервными окончаниями, которые контролируют объем и давление крови; почки выделяют повышенное количество воды. Одновременно уменьшается чувство жажды, устанавливается отрицательный водный баланс.

Еще одно действие невесомости: Кости и мышцы лишаются весовой нагрузки. Весь характер двигательной активности приобретает новые черты: человек не ходит, а плавает в космическом корабле. Для перемещения как внутри корабля, так и вне его, большие преимущества приобретают руки, а не ноги. Мышцы начинают атрофироваться, меняется. Для того чтобы не допустить детерминированности, космонавты проводят специальные комплексы тренировок.

Если рассматривать человека как объект изучения физики, то можно увидеть, что многие привычные нам действия подчиняются ее законам. Любое движение, упражнение, положение тела осуществляется при взаимодействии сил, оказывающих действие на тело человека. Эти силы подразделяют на внешние и внутренние. Внешние – это силы, действующие на человека извне, при взаимодействии его с внешними телами (земля, гимнастические снаряды, любые предметы).

Наибольшее значение для движений человека имеют сила тяжести, сила реакции опоры и сила сопротивления среды. Спортсмены, выполняя упражнения со штангой, учитывают силу тяжести, направленную вниз. Если бы не существовало трения, человек не мог бы ходить и бегать: нога, которой производится отталкивание, скользила бы назад, и перемещение тела было бы невозможно (нечто подобное наблюдается при ходьбе по скользкому льду). Сила сопротивления среды действует на тело человека при его движениях в воздушной или водной среде. Уменьшают тормозящее влияние среды принимая наиболее выгодную (обтекаемую) форму тела.

Внутренние силы возникают внутри тела человека при взаимодействии частей тела. Основная активная внутренняя сила – сила сокращения мышц. Если силы, действующие на тело, уравновешены, то оно находится в покое; если же их равнодействующая не равна нулю, то тело перемещается в направлении этой равнодействующей. Каждая из сил может быть движущей или тормозящей. Например, сила тяжести при движении вниз является движущей силой, а при движении вверх – тормозящей. Сила попутного ветра, например, при ходьбе – движущая сила, а сила встречного ветра – тормозящая.

Для человека также характерна инерция. Ее типичным случаем являются прыжки. В начале прыжка тело человека находится под действием силы, развиваемой мышцами ног. Пока они не отрываются от поверхности земли. После этого никакого двигательного усилия уже не нужно. Тело движется вперед, преодолевая сопротивление воздуха и силу тяжести, исключительно вследствие инерции. Человек может развивать большую силу, если будет двигаться с ускорением. Следовательно, чем лучше разогнаться, тем дальше будет прыжок.

Рычаги в теле человека

В скелете человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами. Например, кости конечностей, нижняя челюсть, череп, фаланги пальцев. Рука представляет собой совершенный рычаг, точка опоры которого находится в локтевом суставе. Под действием силы рычаг – рука поднимает груз, находящийся на ладони. Чтобы удержать груз, необходимо усилие мышцы, в десять раз превышающую величину груз.

Почему вытянутой рукой нельзя удержать такой же груз, как согнутой? Если вы подняли гирю в несколько килограммов и держите её на весу, то с точки зрения механики мы совершили работу только при поднятии груза, но держать гирю на весу не легче, чем поднять её вверх, хотя работа равна нулю. Это объясняется тем, что мышцы, приводящие в движении руки или ноги, способны к быстрым сокращениям, но каждое сокращение длится малое время.

Сокращение мышцы вызывается сигналом, поступающим к ней по нервам головного мозга. Если длительное время держать груз на весу, такие сигналы непрерывно друг за другом поступают к мышце. Когда приходит очередной сигнал, мышца сокращается, но тут же сама по себе расслабляется до получения следующего сигнала. В результате груз, который мы держим, испытывает малые колебания вверх и вниз. Рука дрожит, что особенно заметно, если гирю держать достаточно долго. Скелетные мышцы не способны удерживать груз в строго определенном положении.

При периодическом поднятии груза на малые расстояния работа будет совершаться. Поэтому рука устает, не только когда мы поднимаем груз, но и когда держим его на весу. Одни из самых сильных мышц у человека те, что расположены по обе стороны рта и отвечают за сжатие челюстей. Они способны развивать усилие до 700 H.

Согласно исследованиям у плачущего человека задействованы 43 мышцы лица, в то время как у смеющегося всего 17. Таким образом смеяться энергетически выгодно. Строение и форма мышц зависит от той работы, которую приходится им чаще всего выполнять. Сила, развиваемая мышцей, является геометрической суммой сил отдельных волокон. Поэтому, чем толще мышца, тем она сильнее, − например, икроножная мышца. Она может поднять груз массой до 130 кг. Если бы все мышцы человека напрягались, они бы вызвали силу давления, примерно равную 250 кН

Сила упругости и опорнодвигательная система человека

Ходьба в вертикальном положении обусловила ряд серьезных механических недостатков организма человека. Это возрастание нагрузок на позвоночник. Для удержания мышц и обеспечения подвижности позвоночник человека приобрел сложную S – образную форму, для поддержания которой, в свою очередь требуются большие нагрузки на мышцы и связки тела.

Позвоночник человека имеет сложное строение. Костная ткань собрана в нем в валики, по форме напоминающие маленькие барабаны, - позвонки. Между ними имеются межпозвонковые диски, состоящие из мягкой соединительной ткани и позволяющие позвонкам совершать смещения. Как правило, позвоночный столб подвергается общему сжатию как под воздействием веса тела, которое на нем держится, так и под воздействием натяжения различных мышц и сухожилий. Изменения позвоночного столба начинаются у человека уже с 18-летнего возраста, поэтому говорят, что позвоночник – наиболее рано стареющий орган тела человека.

Сила трения в суставах

Суставы человека похожи на шарниры: шаровой и цилиндрический. Вся поверхность сустава, испытывающего трение, покрыто особой хрящеватой тканью, пропитанной синовиальной жидкостью.

Сравнение ударов спортсменов

Каратист и боксёр развили обычные человеческие способности к нанесению спортивных ударов специальными тренировками.

В обоих случаях сила удара возникает за счет изменения импульса стоящего человека, ускоряющего наносящую удар руку из состояния покоя до некоторой скорости, на пути, равном размаху человека.

Боксер передает большой импульс, массе противника, сбивая его с ног.

Каратист концентрирует свой удар на очень маленьком участке тела и старается завершить его на небольшой глубине. Поэтому каратист легко может своим ударом разрушить ткани и кости противника.

Механическая работа

Механическая работа – физическая величина, равная произведению силы, действующей на тело, на перемещение, которое совершило тело под действием этой силы. С точки зрения физики, человек, удерживающий в руках груз, работу не совершает. Так ли это на самом деле?

Мозг непрерывно посылает волокнам мышц руки, удерживающей груз, электрические импульсы – управляющие сигналы. Получившая сигнал мышца сокращается, а затем расслабляется. При работе мышцы в нее сплошным потоком идут нервные импульсы и пока одни волокна сокращаются, другие – отдыхают. Получившая сигнал мышца сокращается, а затем расслабляется. При работе мышцы в нее идут нервные импульсы и пока одни волокна сокращаются, другие отдыхают. Напряжение мышц требует непрерывного расходования энергии, приводящего к усталости мышц.

Когда рука устает, она начинает дрожать. При накоплении мышечной усталости человек может уронить груз, упасть, потерять сознание.

Движение крови

Сосуды пронизывают все участки нашего тела. Кровь течет по ветвям артерий до капилляров. Их общая длина около 100 тыс. км. Сердце – это насос, нагнетающий кровь в артериальную систему. Оно работает в импульсном режиме. Во время каждого импульса, длящегося примерно 0,25 с, сердце выталкивает в аорту около 0,1 л крови. Удивительный двигатель в среднем за сутки сокращается 100 тыс. раз и перекачивает при этом 10 тыс. литров крови. Вследствие насосной функции сердца в сосудах создается постоянное давление крови. Кровь течет по ним из области высокого давления в область низкого.

Питание

Пища, находясь в полости рта человека, проталкивается в глотку, а затем к пищеводу мышечными сокращениями языка. Затем происходит сокращение мышц пищевода, и пища проходит в желудок. Роль смазки в данном процессе играет слюна. Она обволакивает пищу, тем самым уменьшая силу трения, возникающую при ее движении по пищеводу. А как мы пьем? При питье мы расширяем грудную клетку, под давлением наружного воздуха жидкость устремляется в то пространство, где давление меньше, и таким образом проникает в наш рот. Итак, строго говоря, мы пьем не только ртом, но и легкими.

Диффузия в организме человека.

Дыхание В процессе всасывания пищи большую роль играет диффузия – взаимное проникновение молекул одного вещества в другое. Наибольшее всасывание происходит в тонких кишках, стенки которых приспособлены для этого. Площадь внутренней поверхности кишечника человека равна 0,65 м2 . Она покрыта ворсинками – микроскопическими образованиями слизистой оболочки высотой 0,2 – 1 мм, за счет чего площадь реальной поверхности кишечника достигает 4 – 5 м2 , то есть в 2-3 раза больше площади поверхности всего тела. Дыхание – это перенос кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы, тоже является примером диффузии. В дыхании у человека принимает участие вся поверхность тела. Особенно интенсивно дышит кожа на груди, спине и животе. Однако, во всем дыхательном процессе участие кожи ничтожно по сравнению с лёгкими. При вдохе объем грудной клетки и легких увеличивается, при этом в них понижается давление, и воздух через нос и горло входит в легочные пузырьки. При выдохе объем грудной клетки и легких уменьшается. Давление в легочных пузырьках увеличивается, и воздух с избыточным содержанием углекислого газа выходит из легких наружу. Сколько воздуха мы вдыхаем? При каждом вдохе человек вводит в свои легкие около пол-литра воздуха. В минуту мы делаем в среднем 18 вдыханий. Значит, за одну минуту в нашем теле успевает побывать 9 литров воздуха. Это составляет в час 540 л. За сутки человек вдыхает около 12 кубометров воздуха. Но, если принять в расчет, что вдыхаемый воздух состоит на 4/5 из бесполезного для дыхания азота, то оказывается, что наше тело потребляет кислорода около 8 кг, то есть примерно столько же по весу, сколько и пищи (твердой и жидкой).

Организм человека – единая система. На организм человека действует большое количество сил, как внешних, так и внутренних. Опорно-двигательная система выдерживает огромные нагрузки. Все виды деформаций можно пронаблюдать на человеке. Но самой очаровательной деформацией на его теле является улыбка. В процессе дыхания участвуют не только легкие, но и кожа. Центральным органом системы кровообращения является сердце. Человеческий организм – сложная машина, которая может беспрерывно работать 70 – 80 лет и более.

Знания, полученные в ходе исследования, надеюсь, будут интересны, они доказывают, что и к человеку применимы законы физики. Изучая дальше эту интереснейшую науку возможно открыть новые тайны человеческого организма.

В ходе работы на данным проектом были решены все задачи, а именно пронаблюдали работу законов Ньютона в организме человека, увидели проявление механических процессов и различных сил в организме человека, рассмотрели остальные процессы, происходящие в организме человека.

Поскольку были решены все задачи исследовательского проекта, можно утверждать, что поставленная цель «рассмотреть законы физики, которые можно обнаружить в работе организма человека» достигнута.

1. https://school-herald.ru/pdf/2018/5-2/666.pdf

2. https://yogajournal.ru/blogs/yuliya-sinyavskaya/fizika-i-metafizika-tela-cheloveka-ili-chemu-stoit-uchitsya-u-tela/

3. https://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/2013/03/21/fizika-chelovecheskogo-organizma

4. Перышкин А. В. Физика. 7 класс. – М.: Дрофа, 2014