🗊Презентация Механические колебания и волны. Уравнение плоской волны. Волновое уравнение. Звуковые волны. Ультразвук. Лекция 1

Физика и медицина Познай самого себя, и ты познаешь весь мир. Первым занимается медицина, вторым - физика. Физику во многом создавали врачи, к исследованиям их побуждали вопросы медицины. Римский медик Гален (II век н.э.) ввел в обиход понятия "температура" и "градус", ставшие основополагающими для физики. Уильям Гильберт (1544-1603), лейб-медик английской королевы, придумал модель для описания земного магнетизма. Автомобильный карданный вал изобрел итальянский врач Джероламо Кардано (1501-1576). Выдающийся немецкий ученый, врач Герман Гельмгольц (1821-1894) сформулировал в современной математической форме закон сохранения энергии. Французский врач Жан-Луи Пуазейль (1799-1869) вывел формулу для динамической вязкости. Маятник Фуко, носит имя французского ученого Жан-Бернара-Леона Фуко (1819-1868), врача по образованию. Английский ученый Томас Юнг (1773-1829), практикующий врач, вместе с Френелем, считается создателем волновой оптики.

Значение физики для медицины Робот сортирует ДНК человека в чашках Петри для проекта The Human Genome. Создана первая полностью синтетическая хромосома с геномом. Когда ее встроили в бактериальную клетку, лишенную генетического материала, она начала функционировать и делиться по предписанным новым геномом законам. В перспективе синтетический геном позволит создавать вакцины против новых вирусных штаммов, производить эффективное биотопливо, новые пищевые продукты и т. д. 

Значение физики для медицины Несколько исследовательских групп (США, Франция, Германия) научились записывать в мозг мышей ложные воспоминания, стирать реальные, а также превращать приятные воспоминания в неприятные. До человеческого мозга дело пока не дошло, но осталось недолго. .

Значение физики для медицины Получены «этичные» (не из эмбрионов) плюрипотентные стволовые клетки За последующее десятилетие не менее десятка научных групп добились впечатляющих успехов в данной области, в том числе с человеческими клетками. Это предвещает скорые прорывы в терапии рака, регенеративной медицине, а также в клонировании человека (или его органов).

Значение физики для медицины По дыханию распознана ранняя стадия рака легких. Группа израильских, американских и британских ученых разработала устройство, которое способно точно идентифицировать рак легких и определить, в какой стадии он находится. Основой устройства стал анализатор дыхания со встроенным наночипом NaNose, способный определять раковую опухоль с 90-процентной точностью, даже когда раковый узелок практически незаметен. В скором времени стоит ожидать анализаторов, которые смогут по «запаху» определять и другие виды рака. 

Значение физики для медицины Специалисты американской компании Abiomed разработали первое в мире полностью автономное постоянное искусственное сердце для имплантаций (AbioCor). Искусственное сердце предназначено для пациентов, у которых невозможно лечение собственного сердца или имплантация донорского.

Значение физики для медицины Появились первые опытные образцы «умных» протезов с обратной связью (эмуляцией осязательных ощущений), которые позволяют человеку чувствовать то, что «ощущает» протез. В 2010-х годах созданы и отдельные от человека устройства, управляемые только через мысленный интерфейс (иногда с инвазивными контактами, но чаще это головной обруч с сухим электродом). Американец испытал бионический ножной протез, поднявшись по лестнице на 103-й этаж небоскреба в Чикаго

Колебаниями называют процессы, отличающиеся той или иной степенью повторяемости. Повторяющиеся процессы непрерывно происходят внутри любого живого организма, например: сокращения сердца, работа легких; колебания барабанных перепонок и голосовых связок, колеблются атомы, из которых мы состоим. Мир, в котором мы живем, удивительно склонен к колебаниям. Многообразие видов колебаний в природе связано с тем, что колебания лежат в основе передачи энергии.

Вынужденные колебания. Резонанс Амплитуда вынужденных механических колебаний достигает наибольшего значения в том случае, если частота вынуждающей силы совпадает с частотой колебательной системы. Это явление называется резонансом.

Механические волны Волной называется процесс распространения механических колебаний в упругой среде. Сами частицы среды не перемещаются вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Поэтому распространение волны не сопровождается переносом вещества. Волны могут распространяться только в материальной среде и переносят энергию из одной точки пространства в другую. Фронт волны - геометрическое место точек, до которых к данному моменту дошло колебание (возмущение среды). По направлению колебаний частиц среды по отношению к направлению распространения волнового процесса различают поперечные и продольные волны.

Поперечные волны Уединённый волновой импульс можно получить в шнуре быстрым движением руки вниз-вверх. Рука тянет конец шнура вниз, а поскольку этот участок связан с соседними участками шнура, то их частицам также передается сила действующая вниз, и они также начнут двигаться в этом направлении. Один за другим последовательные участки начинают двигаться вниз и вдоль шнура мы наблюдаем движение впадины волны. Тем временем рука держащая конец шнура поднимается вверх и участки шнура уже пришедшие в нижнюю точку, в той же последовательности возвращаются назад. Таким образом источником распространяющейся волны является возмущение и оно обусловлено силами взаимодействия между участками шнура. Аналогичным образом возникают и распространяются волны в любых средах.

Характеристики волны Волны можно возбудить любым колеблющимся предметом, если источник движется синусоидально, совершая гармонические колебания, то и волна будет иметь форму синусоиды как в пространстве так и во времени Верхние точки поперечной волны называются пучностями, нижние впадинами. Амплитуда это максимальная высота пучности или глубина впадины измеренная относительно нулевого уровня или положения равновесия. Расстояния между двумя соседними пучностями называются длиной волны λ. Частота ν это число пучностей проходящих через данную точку в единицу времени Частота и период волны связаны следующим соотношением ν = 1/Т . Скорость волны следует отличать от скорости колеблющихся частиц, определяется как υ = λ ν или υ = λ / Т

Скорость поперечной волны Скорость волны зависит от свойств среды в которой она распространяется В растянутой струне например она зависит от силы натяжения струны Fн и от массы на единицу длины µ (линейной плотности) и определяется И согласуется с представлениями механики, чем больше натяжение тем больше скорость (соседние участки теснее связаны друг с другом), а чем больше линейная плотность, тем больше инертность струны и волна распространяется более замедленно.

Продольные волны Продольные волны легко наблюдать в мягкой растянутой пружине, попеременно растягивая и сжимая один ее конец. В пружине возникнут области сжатия и разряжения, которые соответствуют пучностям и впадинам поперечной волны. Примером продольной волны является звуковая волна в воздухе. Как и в случае поперечных волн каждый участок среды совершает небольшие по размаху колебания, в то время как сама волна может распространяться на большие расстояния.

Характеристики продольной волны К продольной волне также применимы понятия длины волны, частоты и скорости. Длина волны это расстояние между двумя соседними областями сжатия или разряжения. Частота это число сжатий (разряжений) проходящих через данную точку в единицу времени. Скорость волны это скорость с которой в пространстве движется область сжатия (разрежения).

Скорость продольной волны Скорость продольной волны также зависит от свойств среды в которой она распространяется. Формула для скорости продольной волны аналогична формуле для поперечной волны Для сплошной среды где Е – модуль упругости вещества, ρ – плотность вещества Для жидкости или газа где В – модуль всестороннего сжатия, ρ – плотность

Энергия волны Каждая частица совершающая гармонические колебания в синусоидальной волне обладает энергией E= период T=2π отсюда k= С учетом ν = имеем E = 2 учитывая что m = ρV V= lS l= υt где ρ плотность среды, V ее объем, S площадь поперечного сечения через которое проходит волна l расстояние которое волна проходит за время t, υ - скорость волны, в итоге имеем E = 2 Энергия переносимая волной за единицу времени называется ее средней мощностью, которая равна потоку энергии Ф тогда Ф = = = 2 Интенсивность волны определяется как ее средняя мощность переносимая волной через единицу площади поверхности перпендикулярно направлению потока I = = 2 =

Уравнение волны

Уравнение плоской волны Выражение S = A sin (ωt - kx) является математическим описанием синусоидальной волны движущейся вдоль оси х вправо, оно определяет смещение волны S в любой момент времени t.

Стоячие волны

Затухающая плоская волна

Изображение плоской и сферической волн

Схематическое изображение органа слуха у человека

Звуковые волны

Звуковые волны

Аускультация. Стетофонендоскоп

Акустический резонанс

Шкала механических волн

Применение ультразвука в стоматологии Скорость распространения УЗ-волн зависит от среды: кровь- 1520 м/с, костная ткань - 3350 м/с. Коэффициент поглощения: кровь - 0,01 дб/см, кость - 0,71 дб/см, кожа - 0,4 дб/см. Механизм действия УЗ: • Механический - чередование фаз сжатия и разряжения • Тепловой - повышение температуры (чаще до 43-45 градусов). • Физико-химический: усиление процессов диффузии и проницаемости. Инструменты, применяемые для лечения зубов, обычно состоят из стержневого УЗ-пьезокерамического преобразователя, где энергия электромагнитных колебаний трансформируется в энергию механических колебаний, на конце преобразователя имеется рабочий наконечник. В наконечнике возбуждаются продольные колебания в диапазоне частот 20-45 кГц и с амплитудой движения в области 6-100 мкм.

Применение ультразвука в стоматологии Формирование доступа к корневым каналам Поиск устьев корневых каналов Удаление штифтовых конструкций Извлечение обломков инструментов Ирригация корневых каналов Распломбировка каналов

Эффект Доплера Эффект Доплера состоит в изменении частоты колебаний, воспринимаемой наблюдателем, вследствие относительного движения источника колебаний и наблюдателя. Возмущения, создаваемые колебаниями источника, распространяются в среде и достигают приемника спустя некоторое время. При приближении объекта к датчику частота отраженного сигнала увеличивается, а при удалении - уменьшается. При приближении автомобиля тон звука его мотора становится выше, при удалении ниже. Измерив доплеровский сдвиг частоты, можно найти скорость движения отражающего тела. Эффект Доплера используется для определения скорости кровотока, скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография) и других органов.

Схема установки для измерения скорости крови 1 - источник ультразвука, 2 - приемник ультразвука Установка состоит из двух пьезокристаллов, один из которых служит для генерации ультразвуковых колебаний (обратный пьезоэффект), а второй - для приема ультразвука (прямой пьезоэффект), рассеянного кровью.

Спасибо за внимание! Спасибо за внимание!