17. Вестибулярный аппарат как инерциальная система ориентации.

В обычных условиях положение свободно подвешенного маятника указывает направление силы тяжести (рис. a).

Если маятник связан с ускоренно движущейся

системой отчета, т о его положение зависит от

ускорения системы (рис.б). Как следует из

Fn рисунка, по II закону Ньютона.

Fn + mg= Fp = ma

где результирующая сила равна

mq Fp =mg tgα или ma = mgtgα

откуда

a = gtgα (44).

(рис. a)

Следовательно, даже простой математический

^L a маятник в принципе может быть использован

V для определения модуля и направления

Fn ускорения системы.

^Fp

mq

_{(рис. б)}

Если известно ускорение системы, например ракеты, в каждый момент времени, то можно найти зависимость скорость от времени:

(45).

Определив v = f (t), можно найти положение системы в любой момент:

(46).

Таким образом, можно без помощи средств, находящихся вне ракеты, автономно установить ее местоположение скорость и ускорение в любой момент времени. Соответствующие устройства называется инерциальными системами ориентации.

В человеческом организме имеется орган, который тоже, по существу, является инерциальной системой ориентации – это вестибулярный аппарат. Он расположен во внутреннем ухе и состоит из трех взаимно перпендикулярных полукружных каналов и полости – преддверия.

На внутренней поверхности стенок преддверия и в части полукружных каналов находятся группы чувствительных нервных клеток , имеющих свободные окончание в форме волосков. Внутри преддверия и полукружных каналов есть студенистая масса, содержащая мелкие кристаллы фосфорно-кислого и углекислого кальция (отолиты). Ускоренное перемещение головы вызывает перемещение эндолимфы и отолитов, что воспринимается нервными клетками (через волосок). Вестибулярный аппарат, как и любая другая физическая сила, не отличает гравитационные от воздействий, возникающих при ускорении движении системы. Наш организм приспособился к действию силы тяжести; соответствующую привычную информацию клетки вестибулярного аппарата сообщают в мозг, поэтому состояния невесомости и перегрузок воспринимается нами посредством вестибулярного аппарата как необычные состояния, к которым необходимо приспосабливаться. Если оказывается периодическое воздействие на вестибулярный аппарат человека, например при качке корабля, то это может привести организм в особое состояние, называемое морской болезнью.

18. Центрифугирование.

Центрифугированием называется процесс разделения (сепарации) неоднородных систем, например частиц от жидкостей, в которых они находятся, обусловленный их вращением.

Рассмотрим физику этого явления.

Пусть рабочий объем центрифуги полностью занят

к акой-либо однородной жидкостью. Выделим

мысленно небольшой объем V этой жидкости,

находящийся на расстоянии r от оси

V вращение ОО¹ При равномерном вращении

центрифуги на выделенный объем кроме

силы тяжести и выталкивающей силы, которые

уравновешивают друг друга, действует

центростремительная сила. Это сила со стороны

окружающей объем жидкости.

0¹

Она, естественно, направлена к оси вращения и равна

F = mw ² r = ρ v w ² r (39). ρ – плотность жидкости.

Предположим теперь, что выделенный объем V- это сепарируема частица, плотность вещества которой ρ₁ (ρ₁ ± ρ). Сила, действующая на частицу со стороны окружающей жидкости, не изменится, как видно из (39).

Для того чтобы частица вращалась вместе с жидкостью, на нее должна действовать центростремительная сила, равная

F₁ = m₁ w ²r = ρ₁ v w ²r (40).

m₁ – Масса частицы, ρ₁ , - соответствующая ей плотность.

Если F› F₁, то частица перемещается к оси вращения.

Если F‹ F₁, то воздействия на частицу со стороны жидкости будет недостаточно, чтобы удержать ее на круговой траектории, и частица по инерции начнет перемещаться к периферии. Эффект сепарации определяется превышением.

Силы F, действующей со стороны жидкости на выделенную частицу, над тем значением центростремительной силы F₁ , которое обусловливает движение по окружности:

F_цф = F – F₁ = (ρ-ρ₁)V w ² r (41).

Это выражение показывает, что эффект центрифугирования тем больше, чем больше различие плотностей сепарируемых частиц и жидкости, а также существенно зависит от угловой скорости вращения.

19. Сочленения и рычаги в опорно-двигательном аппарате человека.

Сочленения и рычаги в опорно-двигательном аппарате человека.

Движущиеся части механизмов обычно бывают соединены с другими подвижными или неподвижными частями. Подвижное соединение нескольких звеньев образует кинематическую связь. Тело человека – пример кинематической связи.

Рассмотрим систему из двух звеньев А и В, соединенных осью ОО. Это одноосное двухзвенное соединение. При неподвижном звене В звено А имеет

0. одну степень свободы как тело, вращающееся

вокруг неподвижной оси. Примерами

одноосного сочленения в организме человека

является плечелоктевое, надпяточное и

фаланговые соединения. Они допускают

только возможность сгибания и разгибания с

одной степенью свободы.

В 0 А

У величим двухзвенную систему на одно звено с осью ОО; параллельной оси ОО. При неподвижном звене С все точки звена В обладают одной степенью

0¹ свободы, в том числе и ось ОО,

которая может перемещаться по

окружности. Звено же А,

вращаясь

0

В

0¹ А

С

0

Вокруг ОО, имеет еще одну степень. Таким образом, в одноосной трехзвенной системе закрепленное звено не имеет свободы перемещения, второе звено имеет одну степень свободы и третье- две Фаланги пальцы соединены суставами, представляющими одноосные соединения. Ногтевая фаланга имеет две степени свободы относительно основной и одну степень относительно средней.

Двухосное соединение допускает вращение звеньев по двум взаимно перпендикулярным осям. Оно имеет две степени свободы вращения. Такое двухосное соединение осуществляется в организме человека двумя близко расположенными сочленениями: атлантозатылочным и эпистрофоатлантовым. Первое сочленение имеет горизонтальную ось, направленную от правого плеча к левому. Оно осуществляет вращение черепа вперед и назад. Эпистроф –примыкающий к атланту шейный позвонок – имеет маленький цилиндрический шип, который образует с кольцом атланта одноосное цилиндрическое сочленение с вертикальной осью. Это сочленение обеспечивает вращение головы вокруг вертикальной оси.

Трехосное соединение осуществляет вращение вокруг трех взаимно перпендикулярных осей. (Шаровой шарнир) Это соединение имеет три степени свободы вращения. Шаровой шарнир осуществлен в тазобедренном суставе человека. Сочленовная впадина таза имеет форму почти правильного полушария. Соответственную форму имеет, и головка бедренной кости, входящая во впадину.

Опорно-двигательная система человека, состоящая из сочлененных между собой костей скелета и мышц, представляет с точки зрения физики совокупность рычагов, удерживаемых человеком в равновесии.