Механика сердца реферат по физике

Обновлено: 04.07.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Районная научно-практическая конференция

Тема работы:

Автор: Филимонова Александра

ученица 9 класса

Руководитель: Беломорских Д.В.

«Физика не только может, но и должна

глубоко вторгаться в биологию, как своими

средствами исследования, так и

свойственными ей теоретическими

Академик Л. А. Арцимович.

При изучении курса физики, мы в основном, изучаем действие ее законов на не живые организмы, какие-то механические приборы. Но все явления в нашей жизни, в окружающей нас природе, вся жизнь человека, все основано на законах физики.

Организм человека на столько уникален, что его жизнедеятельность, функционирование, можно изучать не только с помощью анатомии и медицины, но и с помощью физики.

Не всегда человек задумывается о том, благодаря каким функциям собственного организма он бегает, прыгает, слышит, видит и так далее. Это происходит как бы само собой. Чаще всего свой организм человек знает, как систему биологических и химических процессов, способствующих жизни человеческого организма.

В связи с этим, я поставила перед собой следующие цели исследования:

изучить работу внутренних органов и частей тела человека, опираясь на знания физики;

показать роль физики для функционирования человеческого организма.

изучить и проанализировать литературу;

провести анкетирование среди школьников, подытожить и сделать вывод;

провести ряд опытов по изучению человеческого организма, применив известные мне законы физики.

Актуальность данной темы состоит в том, что все привыкли к тому, что человека изучают такие науки как философия, история, биология и т.д., но мало кто задумывается, что в физике можно изучать не только природные явления и действия механических приборов, но и исследовать человеческий организм.

Теоретический: сбор, изучение и анализ собранного материала в различных источниках (литература, Интернет – ресурс);

Эмпирический: анализ социального опроса школьников по анкете.

Математический: расчёты, визуальные данные: диаграммы, таблицы.

Если рассматривать человека как объект изучения физики, то мы увидим, что многие действия, происходящие в человеческом организме, полностью подчиняются законам механики.

С механической точки зрения двигательный аппарат человека представляет собой механизм, состоящий из сложной системы шарниров и рычагов, приводимых в действие мышцами.

Примеры колебаний в организме человека: изменение температуры, давления; механические смещения сердца, легких; электрические колебания в органах.

Объяснить привычные действия, которые совершает человек в повседневной жизни (движение совершение работы) можно с позиции законов динамики. Например, I закон Ньютона (закон инерции) - результат прыжка в основном зависит от силы, которую развивают мышцы ног в момент отталкивания.

Согласно, II закону Ньютона сила мышц зависит от ускорения.

Примеры сил: – возникновение деформации в позвоночнике (сила упругости), трение в суставах.

Известны пять органов чувств человека: зрение, слух, обоняние, осязание, вкус.

Оказывается, яркий свет разрушает в наших глазах вещество, которое называется зрительным пурпуром. Чем меньше становится этого вещества, тем хуже мы различаем слабоосвещенные предметы. В темноте зрительный пурпур восстанавливается, и мы опять можем видеть плохо освещенные предметы. Для полного восстановления зрительного пурпура необходимо пробыть в темноте около часа. Разведчики, зная это свойство глаза, перед ночным походом никогда не смотрят на яркие предметы.

Каждый внутренний орган в организме человека выполняет свои определённые функции.

2.1. Работа и мощность сердца человека.

Наше сердце, с точки зрения физики, это насос работающий в импульсном режиме с частотой около 1 Гц. Во время каждого импульса, длящегося примерно 0,25 с, сердце взрослого человека успевает вытолкнуть из себя в аорту 0,1 л крови.

Цель: рассчитать работу и мощность сердца человека.

В течение одной систолы (это сокращение сердечной мышцы, фаза сердечного цикла) правый желудочек выбрасывает в аорту ударный объем крови 60-70 мл. Возьмем среднее значение – 65 мл.

Работу, сердечной мышцей за одно сокращение можно рассчитать по формуле:

где - среднее значение ударного объема крови, а - среднее давление, которое создается внутри желудочка.

Т.к. в среднем за одно сокращение правый желудочек выбрасывает в аорту 65 мл крови, то, следовательно, ≈ 65 мл ≈ 65х10 -6 м 3

немного выше систолического давления в артерии. Значит ≈ 17 кПа = 17 х 10 3 Па

Подставим все данные в формулу и получим:

Мощность, развиваемую сердечной мышцей во время одной систолы, вычислим по формуле:

где – длительность систолы.

Вывод: Сердце работает в непрерывном режиме. Поэтому оно имеет свою мощную кровеносную систему, необходимую для снабжения его достаточным количеством кислорода. В течение жизни сердце успевает совершить работу, достаточную для поднятия груженого железнодорожного состава на высочайшую вершину Европы (высота 4810 м) [2].

2.2. Определение аккомодации глаза человека

Аккомодация – способность человеческого глаза преломлять световые лучи таким образом, чтобы видеть одинаково хорошо как на близких, так и на средних и дальних расстояниях.

Цель: определить значение аккомодации, установить какие отклонения от нормы характерны для детей разной возрастной категории.

Оборудование: книга, линейка.

Приближайте печатный текст книги к глазу, пока буквы не будут хорошо видны;

Измерьте расстояние от глаза до книги линейкой ( повторить 3 раза, взять среднее значение, учесть погрешность измерения линейки);

Работа выполнена ученице 7 класса СОШ ФГБОУ "МДЦ "Артек", в которой представлена работа сердца на основе физических законов и явлений.

Вложение	Размер
issled._rabota.docx	459.81 КБ

Предварительный просмотр:

Министерство образования, науки и молодежи Республики Крым

Отделение: физика и астрономия

Секция: экспериментальная физика

Кайгородцева Софья Сергеевна,

Цель: выявление законов и процессов, связанных с физикой в человеческом организме.

Задачи: собрать, изучить и проанализировать материал по вопросу физических процессов в организме человека в литературе и Интернет-ресурсах; изучить теоретические аспекты работы органов человека с точки зрения физики; провести анкетирование одноклассников по вопросу знания физических явлений в организме человека; создать макеты, отражающие работу сердца, легких; исследовать эффективность работы сердца и легких у подростков.

Актуальность исследования: понимание сущности физических явлений в организме является важным для каждого человека и позволяет осознанно относиться к своему организму, сохранению и улучшению здоровья.

Гипотеза: процессы, которые протекают в организме человека можно объяснить с помощью законов физики.

Объект исследования: физика человеческого организма.

Предмет исследования: процессы дыхания и работы сердца в человеческом организме.

теоретические: сбор, изучение и анализ собранного материала из различных источников (литература, Интернет – ресурс);
эмпирические: анкетирования обучающихся, эксперимент, моделирование;
математические: статистика и расчёты

Результаты исследования подтвердили и установили, что физические процессы, происходящие в организме человека, основываются и описываются с помощью законов физики.

Гипотеза исследования : процессы, которые протекают в организме человека можно объяснить с помощью законов физики.

Цель исследования: выявление законов и процессов, связанных с физикой в человеческом организме.

Задачи:
1. Собрать, изучить и проанализировать материал по вопросу физических процессов в организме человека в литературе и Интернет-ресурсах.

2. Изучить теоретические аспекты работы органов человека с точки зрения физики.

3. Провести анкетирование одноклассников по вопросу знания физических явлений в организме человека.

4. Создать макеты, отражающие работу сердца, легких.

5. Исследовать эффективность работы сердца и легких у подростков.

Объект исследования – физика человеческого организма.

Предмет исследования – процессы дыхания и работы сердца в человеческом организме.

теоретические: сбор, изучение и анализ собранного материала из различных источников (литература, Интернет – ресурс);
эмпирические: анкетирования обучающихся, эксперимент, моделирование;
математические: статистика и расчёты.

Актуальность и практическая значимость: понимание сущности физических явлений в организме является важным для каждого человека и позволяет осознанно относиться к своему организму, сохранению и улучшению здоровья.

1.1. Давление, сила трения, сила сопротивления в работе сердца и сосудов .

Наше сердце – это насос, устройство которого можно сравнить с работой поршневого жидкостного насоса (Рис.1.1).

Насос состоит из цилиндра, внутри которого ходит вверх и вниз плотно прилегающий к стенкам поршень 1.

В нижней части цилиндра и в самом поршне установлены клапаны 2, открывающиеся только вверх. При движении поршня вверх вода под действием атмосферного давления входит в трубу, поднимает нижний клапан и движется за поршнем. При движении поршня вниз вода, находящаяся под поршнем, давит на нижний клапан, он закрывается. Одновременно под давлением воды открывается клапан внутри поршня, и вода переходит в пространство над поршнем. При последующем движении поршня вверх вместе с ним поднимается и находящаяся над ним вода, которая и выливается в отводящую трубу. Одновременно за поршнем поднимается новая порция воды, которая при последующем опускании поршня окажется над ним и т. д.

Аналогично происходит работа сердца. Сердце располагается в грудной полости. Размеры сердца – примерно с кулак. Сердце находится в грудной клетке почти посередине, немного сдвинуто влево. В минуту у взрослого человека происходит около 70 сокращений мышц сердца, а за жизнь сердце делает их 2,5 миллиарда раз.

Сердце образовано особой мышечной тканью, которая способна ритмично сокращаться. Сердце состоит из четырёх камер – двух предсердий и двух желудочков (рис.2).

Правая и левая части сердца разделены сплошной перегородкой. Предсердия и желудочки каждой половины сердца сообщаются между собой. На границе перед ними имеются створчатые клапаны. Они устроены так, что пропускают кровь только в сторону желудочков, препятствуя обратному кровотоку. Благодаря этому кровь может двигаться только в одном направлении – из предсердий в желудочки. Между предсердиями и артериями находятся полулунные клапаны. Они также обеспечивают ток крови только в одном направлении – из желудочков в артерии. Сердце прокачивает кровь по сосудам тела. Делает оно это с помощью сокращений - как насос "проталкивая" порции крови по кровеносным сосудам.

Так как сердце состоит из двух частей и имеет две кровеносные системы: правая половина сердца качает кровь по сосудам по всему телу, до конечностей, левая через легкие, для обогащения крови кислородом, то всю эту систему можно назвать насос и сообщающиеся сосуды .

Принцип работы основан на законе гидродинамики в сообщающихся сосудах, жидкость течет из сосуда с большим давлением с сосуд с меньшим давлением .

Работа сердца характеризуется циклом, который состоит из двух этапов:

В правое предсердие поступает обедненная кислородом кровь из всего тела, а в левое – обогащенная кровь из легких. Мышцы стенок предсердий сокращаются, и через клапаны кровь выталкивается в желудочки. Мышечное сокращение стенок желудочков выталкивает кровь в артерии. Из правого – в легочную артерию, а из левого – в артерии, разносящие кровь по телу.

Этот процесс сопровождается расправлением полостей этих камер сердца. Естественно, что этот процесс приводит к понижению давления в желудочках, что вызывает обратный ток крови, однако клапаны захлопываются, препятствуя этому обратному движению. При расслаблении камер сердца происходит их кровенаполнение – в желудочки кровь поступает из предсердий, а в предсердия из малого и большого круга кровообращения.
Сердце работает на протяжении всей жизни человека – во время работы отдыха, сна. Автоматизм сердца – это способность сердца ритмически сокращаться без внешних раздражений, под влиянием импульсов, возникающих в нем самом.

Интересные факты:

В среднем взрослое человеческое тело содержит 5,5 литра крови. В сутки сердце делает 100 тысяч ударов, за год – почти 40 миллионов. Общая работа желудочков за одну минуту составляет133,5 Дж, а за сутки 192240 Дж. Она достаточна, чтобы поднять человека массой 64 кг на высоту 300 метров. В течение жизни сердце выбрасывает в аорту столько крови, что ею можно было бы заполнить канал длиной в 5 км, по которому прошел бы большой волжский теплоход. В среднем за удар сердце выталкивает 60 см 3 крови, при физической работе - 200 см 3 . Сердце может работать в 6-8 раз сильнее, чем в покое, и за 1 час перегонять до 35 л. крови. За 8,5 часов лыжного пробега на 100 км сердце спортсмена перекачивает 35 тонн крови – целую железнодорожную цистерну.

Силы, действующие на кровь при ее движении, - сила давления и сила сопротивления (трения)

Сила трения – сила, возникающая при соприкосновении поверхностей двух тел и препятствующая их перемещению относительно друг друга. Одной из причин возникновения силы трения является шероховатость поверхностей соприкасающихся тел. Другая причина – взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел.

Таким образом, при движении крови по сосудам возникает сила трения, которая препятствует перемещению крови, в результате скорость ее течения становится меньше. 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. Следовательно, на кровь при ее движении действуют силы давления и трения. Какова же роль самих сосудов? Сосуды образуют пульсовые волны.

Сердце – это насос, который работает в импульсивном режиме. Длительность импульса 0,25 с., за это время сердце взрослого человека выталкивает из себя в аорту около 0,1 л крови. После каждого сокращения сердца вдоль артерии от сердца идет волна деформации, подобно тому, как идут волны от удара камня о воду. Эти удары волн мы ощущаем, приложив палец у основания большого пальца на запястье – это пульс.

Пульс (от лат. pulsus — удар, толчок) – это колебания стенок сосудов, вызванные изменением давления крови в результате работы сердца. Измеряют пульс за 1 минуту. Нормы звука пульса известны (таблица 1):

Строение и работа сердца.

У человека сердце расположено вблизи центра грудной полости. Оно состоит из прочной эластичной ткани — сердечной мышцы (миокарда), которая на протяжении всей жизни ритмически сокращается, посылая кровь через артерии и капилляры к тканям организма. При каждом сокращении сердце выбрасывает около 60-75 мл крови, а за минуту (при средней частоте сокращений 70 в минуту) — 4-5 л. За 70 лет сердце производит более 2,5 млрд. сокращений и нагнетает примерно 156 млн. литров крови. Этот, по-видимому, неутомимый насос, размером со сжатый кулак, весит немногим больше 200 г, лежит почти на боку за грудинки между правым и левым легкими (которые прикрывают его переднюю поверхность) и снизу соприкасается с куполом диафрагмы. Кровь попадает в правое предсердие по двум крупным венам — верхней полой вене о, приносящей кровь от верхней половины тела, и нижней полой вене, дренирующей нижнюю половину тела. Из правого предсердия кровь течет в правый желудочек и быстро нагнетается через легочные артерии в легкие, где насыщается кислородом. Возвращаясь по легочным венам в левое предсердие, насыщенная кислородом кровь попадает оттуда в мощный левый желудочек, сильные сокращения которого проталкивают ее через самый крупный сосуд, аорту, к тканям организма. Главными ветвями аорты, снабжающими кровью верхнюю половину тела, являются безымянная артерия, левая общая сонная артерия и левая подключичная артерия . Кровь к нижней половине тела направляется по нисходящей аорте. ПП, ЛП — правое предсердие, левое предсердие; ПЖ, ЛЖ — правый желудочек, левый желудочек. Последовательность сокращения камер сердца называют сердечным циклом. За время цикла каждая из четырех камер проходит не только фазу сокращения (систолы), но и фазу расслабления (диастолы). Первыми сокращаются предсердия: вначале правое, почти сразу же за ним левое. Эти сокращения обеспечивают быстрое заполнение кровью расслабленных желудочков. Затем сокращаются желудочки, с силой выталкивающие содержащуюся в них кровь. В это время предсердия расслабляются и заполняются кровью из вен. Каждый такой цикл продолжается в среднем 6/7 секунды. Одна из наиболее характерных особенностей сердца — его способность к регулярным спонтанным сокращениям, не требующим внешнего пускового механизма типа нервной стимуляции.

Болезни сердечно-сосудистой системы - это проблема века. В экономически развитых странах мира сердечно-сосудистая патология является ведущей, а смертность от нее выходит на первое место. Сердечно-сосудистые заболеваниясокращают продолжительность жизни человека, являются основной причиной инвалидности, а также внезапной смерти.

Знание механики сокращения и физиологии сердца в совершенстве, а следовательно и факторов, влияющих на работу сердца в целом, помогло бы предотвратить все сердечно-сосудистые заболевания. Однако, сердце является сложнейшим органом – насосом человеческого организма, которое имеет сложноестроение, сложную физиологию, и поэтому до сих пор остается много неизвестного, как в его строении, так и в его физиологии.

В изучении механики сердечных сокращений свой вклад оставили Отто Франк, Эрнст Старлинг, продолживший исследования Франка, и другие.

Зная механику сердечных сокращений, и естественно, строение сердца, можно предсказать ту или иную дисфункцию и объяснить её происхождение, а также ипоследствия, к которым она приведет.

В этой работе мы рассмотрим все по порядку: сначала обратим внимание на общую характеристику сердца или его строение, а потом рассмотрим поподробнее мышечное сокращение.

2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СЕРДЦА

Сердце - это центральный орган системы кровообращения, основной функцией которого является проталкивание крови в сосуды.
Сердце человека разделено на четырекамеры. Каждая камера имеет мышечную оболочку, способную сокращаться, и внутреннюю полость, в которую поступает кровь.
Две верхние камеры называются предсердиями (правое предсердие и левое предсердие). В них кровь поступает из сосудов (из вен).

В правое предсердие кровь поступает из двух вен (верхней полой вены и нижней полой вены), собирающих эту кровь со всего организма. В левое предсердиепоступает кровь из одной вены (легочной вены), по которой обогащенная кислородом кровь оттекает от легких.

Две нижние камеры сердца называются желудочками (правый желудочек и левый желудочек). В желудочки кровь поступает из предсердий (в правый желудочек - из правого предсердия, а в левый желудочек - из левого предсердия).
Из желудочков кровь поступает в артерии (из левого желудочка - в аорту, из правогожелудочка - в легочную артерию).

Таким образом, сердце человека состоит из двух предсердий и двух желудочков.
В левое предсердие поступает кровь, обогащенная в легких кислородом (артериальная). Из левого предсердия артериальная кровь поступает в левый желудочек. Из левого желудочка артериальная кровь поступает в аорту.

В правое предсердие поступает кровь (венозная), оттекающая от всех органови тканей организма. Эта кровь отдала кислород тканям, поэтому содержание кислорода в ней низкое. Из правого предсердия венозная кровь поступает в правый желудочек. Из правого желудочка венозная кровь поступает в легочную артерию. Легочная артерия направляет кровь к легким, где кровь обогатится кислородом.
Стенки сердца содержат.

Сердце здорового человека сокращается с частотой примерно 70-75 ударов в одну минуту или 100 000 раз в сутки.

Если сложить все промежутки времени, то получим, что сердце находится:

- в состоянии сокращения 25,8 с.

- в расслабленном состоянии 34,2 с.

Это значит, что в сутки сердце работает –

10 ч. 19 мин. 12 с.,

остальное время оно отдыхает –

13 ч. 40 мин. 48 с.

ОБЪЁМ КРОВИ

При одном своём сокращении сердце выбрасывает в аорту 60-70 миллилитров крови (при нагрузке больше).

При нормальной нагрузке сердце перекачивает примерно:

- за 1 мин. – 5 литров крови;

- за 1 час – приблизительно 300 литров;

- за сутки свыше 7 000 литров.

За 70 лет сердце перекачает

175 000 000 литров крови.

Это более 4 000 железнодорожных цистерн.

СКОРОСТЬ КРОВИ

Скорость движения выбрасываемой сердцем крови составляет 1,6 км/час.

Сердце прогоняет кровь на расстояние:

- за 1 сутки 90 тысяч километров ;

- за 1 год 32 850 000 км;

- За 5 лет 164 250 000 км.

Чтобы вообразить такое расстояние, можно сравнить его с длинною экватора Земного шара , которая составляет приблизительно 40 тысяч километров.

РАБОТА СЕРДЦА

При одном ударе сердца совершается работа, выполнив которую, можно поднять предмет массой 200 г на высоту 1 метра.

За 1 месяц сердце выполнит работу, с помощью которой можно поднять человека со средним весом на гору Джомолунгма.

А это высочайшая точка нашей планеты - 8848 м относительно уровня моря.

ПОТРЕБЛЯЕМАЯ ЭНЕРГИЯ

Энергии, которую расходует сердце за 1 сутки, хватит, чтобы проехать на легковом автомобиле 32 километра.

за 1 сутки 130 литров кислорода;
за 1 год 47 тысяч литров кислорода.

Если бы было возможно собрать энергию сердца за всю человеческую жизнь , то её хватило бы для заправки автомобиля, чтобы доехать до Луны и вернуться обратно .

РЕШИ ЗАДАЧУ

При одном ударе сердца, совершается работа, выполнив которую, можно поднять предмет массой 200 г на высоту 1 метра. Какова работа сердца за 1 сутки (в сутки 100 000 ударов).

А = F . s ( работа сердца за 1 удар)

Ответ: А = 200 000 Дж = 200 кДж

g = 10 м/c 2

А = n . F . s = n . mg . s (работа сердца за 100 000 ударов)

А = 100 000 . 0,2 кг . 10 м/с 2 . 1 м = 200 000 Дж

Масса сердца человека приблизительно…А. 600 г.Б. 300 г.
За сутки сердце больше работает, чем отдыхает.А. ДА.Б. НЕТ.
При нагрузке минутный объем крови может возрастать до 30 литров.

А. ДА. Б. НЕТ.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

-75%

Читайте также: