EGZAMIN Z BIOFIZYKI 2009
1. Zasady dynamiki Newtona, tarcie statyczne i dynamiczne
I zasada dynamiki Newtona (zasada bezwładności)
Jeśli na ciało nie działają żadne siły albo działają siły, których wypadkowa jest równa 0 (siły się równoważą), to ciało albo pozostaje w spoczynku albo porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym (ze stałą V po linii prostej)
II zasada dynamiki Newtona
Przyspieszenie z jakim porusza się ciało jest wprost proporcjonalne do siły wypadkowej działającej na to ciało, a odwrotnie proporcjonalne do masy ciała.
III zasada dynamiki Newtona (zasada akcji i reakcji)
Jeżeli ciało A działo na ciało B z pewna siłą, to i ciało B działa na ciało A z taką samą siłą, co do wartości i kierunku, ale o przeciwnym zwrocie.
FAB= -FBA FAB oznacza siłę, która działa na ciało A i która pochodzi od ciała B. te siły nigdy się nie równoważą, bo mają różne punkty przyłożenia.
Tarcie spoczynkowe (statyczne) – tarcie ślizgowe, występujące między dwoma ciałami gdy nie przemieszczają się względem siebie.
Siła tarcia równoważy siłę działającą na ciało. Maksymalna siła tarcia jest proporcjonalna do siły, z jaką ciało naciska na podłoże:
gdzie T - maksymalna siła tarcia, N - nacisk, µ - współczynnik tarcia statycznego zależny od materiałów, z jakich są wykonane ciała.
Siła inicjująca ruch musi przekroczyć wartość T, aby wprawić ciało w ruch.
Tarciem ruchowym - nazywa się tarcie zewnętrzne, gdy dwa ciała ślizgają się lub toczą po sobie. Siła tarcia przeciwstawia się wówczas ruchowi. Tarcie zewnętrzne - tarcie występujące na styku dwóch ciał stałych będących w ruchu lub w spoczynku gdy występuje siła ale jest zbyt mała by pokonać siły tarcia. Tarcie zewnętrzne dzieli się na:
· tarcie ślizgowe - gdy ciała przesuwają się względem siebie,
· tarcie toczne - gdy ciało toczy się po powierzchni drugiego.
Wielkość siły tarcia zależy od siły nacisku ciał, rodzaju materiału, ich gładkości i wielu innych czynników.
2. Dźwignie: zysk mechaniczny, mięśnie, dźwignie w ciele
RODZAJE DZWIGNI:
DZWIGNIA – jest prosta maszyna, urządzeniem do przenoszenia energii (siły). Działa na zasadzie sztywnego drążka, na który oddziałują siły obracając go wokół jego punktu podparcia.
W ciele ludzkim szkielet kostny stanowi dla mm system dźwigni. Siła mięśni jest przenoszona przez kości , aby poruszać segmentami ciała. Energia ta (siła mm) z kolei może być transmitowana na obiekty zewnętrzne np. narzędzia
W KAŻDEJ DZWIGNI MOŻEMY WYRÓŻNIĆ NASTEPUJACE ELEMENTY:
1) punkt podparcia (os obrotu), wokół którego sztywny drążek obraca się. W ciele ludzkim odpowiednikiem punktu podparcia jest staw, w którym występuje ruch.
2) ramie siły (wysiłku), czyli odległość pomiędzy punktem podparcia i punktem przyłożenia siły wewnętrznej (pokonującej ,siły mm).Punktem tym jest przyczep mięśnia.
3) ramie oporu ( ciężaru), czyli odległość pomiędzy punktem podparcia i punktem, w którym działa opór czy ciężar (siła zew ), jaki ma być przezwyciężony czy podniesiony przez to ramie.
DŹWIGNIE :
A) Dwustronne - siła wewnętrzna mm oraz opór- ciężar znajdują się po przeciwnych stronach osi obrotu.
B) Jednostronna –siła wewnętrzna oraz opór znajdują się po tej samej stronie osi obrotu.
Dźwignia dwustronna to dźwignia I typu ( I klasy)
Dźwignie jednostronne dzielą się na II typu i III typu (I klasy i II klasy)
Dźwignia DWUSTRONNA
*W układach biomechanicznych stawowy punkt podparcia dźwigni znajduje się miedzy miejscami przyłożenia siły mięśniowej i siły obciążenia. Jeśli suma momentów działających sił wynosi zero, to dźwignia pozostaje w stanie równowagi. Oznacza to, że w stanie
równowagi stosunek sił działających na dźwignie jest równy odwrotności stosunku długości ramion działania tych sił.
*Ten typ dźwigni najczęściej reprezentowany jest w układach biomechanicznych odpowiedzialnych za utrzymanie postawy stojącej. Zasada dźwigni dwustronnej wykorzystywana jest do stabilizacji kręgosłupa. Tutaj w systemie dźwigni dwustronnych
pracują poszczególne kręgi. W postawie stojącej ciężar tułowia, stanowiący główne obciążenie kręgów, jest równoważony napięciem mięsni prostowników grzbietu. O ile jednak ramie działania siły mięsni prostowników jest stałe i wynosi ok. 5cm (licząc od środka krążka międzykręgowego), o tyle ramie obciążenia łączące smrodek krążka ze smrodkiem ciężkości tułowia może się zmieniacz, np. w zależności od położenia kręgosłupa czy głowy. Z tego wynika im dłuższe ramie działania siły obciążenia tym większa prace mięsnie prostowniki musza wykonach
W układzie dźwigni dwustronnej pracuje również system stabilizujący STAW SKOKOWY.
W pozycji wyprostowanej pionowe położenie ciała względem powierzchni podparcia
zapewniają mięsnie:
1) m. TRÓJGŁOWY ŁYDKI – przyczepiony ścięgnem Achillesa do guza, ma DOŚĆ krótkie ramie działania siły
2) m. PISZCZELOWY PRZEDNI – jego ścięgno kończy Sie na powierzchni dolnej kości klinowatej przyśrodkowej i na podstawie pierwszej kości śródstopia.
*OS OBROTU DZWIGNI: staw SKOKOWO – GOLENIOWY
*Rzut środka ciężkości znajduje się kilka cm. do przodu od osi stawu skokowo-goleniowego = długości ramienia siły obciążenia.
*Moment działania siły obciążenia jest równoważony przez napniecie mięsni trójgłowych łydki. Wraz z pochyleniem ciała do przodu moment obciążenia gwałtownie rośnie i aby utrzymać równowagę musimy odpowiednio zwiększyć napniecie m. trójgłowego.
*Odchylenie ciała do tyłu może spowodować, że rzut środka ciężkości przekroczy oś podparcia dźwigni i wówczas role stabilizująca staw skokowo-goleniowy przyjmie m. piszczelowy przedni.
*Jednak dopuszczony zakres przemieszczenia rzutu środka ciężkości do tyłu jest niewielki (ograniczony jest odl. guza piętowego od osi stawu skokowego) i dlatego stosunkowo niewielki jest maksymalny moment oraz siła skurczu mięśnia piszczelowego.
Dźwignie kostne II typu
Dźwignie tej klasy są najliczniej reprezentowane w układzie ruchu człowieka. W tym przypadku ramie działania siły mięśniowej jest zawsze krótsze od ramienia obciążenia. Działanie takiej dźwigni można zilustrować, posługując się przykładem systemu
przedramienia i stawu łokciowego, na który działa m. dwugłowy ramienia. OŚ OBROTU: staw łokciowy Siła obciążenia: siła ciężkości przedramienia, przyłożona mniej więcej w połowie jego długości Siła mięśniowa: m. dwugłowy ramienia, jego przyczep konchowy na guzowatości kości promieniowej
Dźwignie kostne III-go typu
Do tej klasy zaliczamy dźwignie jednostronne, w których ramie przyłożenia siły mięśniowej jest dłuższe od ramienia siły obciążenia. Taka konfiguracja dźwigni powoduje, ze siła skurczu mięsni niezbędna do zrównoważenia siły obciążenia jest odpowiednio od niej mniejsza, a dokładnie tyle razy, ile razy dłuższe jest ramie działania siły mięśniowej w stosunku do ramienia siły obciążenia. Niewiele tego typu dźwigni występuje w układzie ruchu człowieka. Taki wyjątek pojawia się w dźwigni przedramienia, w przypadku niedowładu (porażenia) mięśnia dwugłowego i ramiennego. Wtedy zgniecie w stawie łokciowym można osiągnąć poprzez skurcz mm synergistycznych: ramienno-promieniowego i prostowników nadgarstka. Mamy wówczas do czynienia z dźwignia III klasy, ponieważ przyczepy dalsze tych mięśni znajdują się odpowiednio na wyrostku rylcowatym kości promieniowej dla m ramiennopromieniowego
oraz na II i III kości śródręcza dla prostowników nadgarstka. Są one położone dalej w stosunku do ramienia siły obciążenia , która jest przyłożona w połowie długości przedramienia. Zysk mechaniczny dźwigni zaliczany do III klasy dźwigni jest zawsze większy od 1. Oznacza to, ze przemieszczenia przedramienia wymagane jest znacznie większe skrócenie mięsni. Ze względu na położenie dalszego przyczepu mięśnia kat działania siły mięśniowej jest niewielki i dlatego mimo długiego ramienia siły mięśniowej, dźwignie tej
klasy mnoga wytwarzać bardzo niewielkie momenty napędowe.
PODSUMOWANIE:
Najczęściej w ciele ludzkim znajdują się dźwignie drugiej klasy (jednostronne)ponieważ przyczepy są blisko stawu a opór dalej od stawu. Podział dźwigni jest umowny, jest pewnym uproszczeniem, ponieważ ...
anetushek