Физика живой природы

Подробности

Обновлено 02.06.2023 13:50

В современной науке существуют такие интересные разделы физики, как "Биофизика" и "Бионика", которые изучают живую природу.
Еще со школы всем известно, что физика - это наука о природе, которая существует вокруг нас. А природа делится на живую (люди, животные, растения, бактерии) и неживую (вода, воздух, минералы, почва, звезды).
Биофизика изучает физические явления в живой природе и объясняет их известными нам физическими законами. Знаете ли вы, например, как дышит человек, а как крокодил?
Бионика изучает физические процессы в живой природе и пытается использовать их в современной технике, например, в механике, электронике, кибернетике, связи.
Так еще в средние века знаменитый ученый и художник Леонардо да Винчи пытался изобрести махолет - летательный аппарат, работающий на основе механики движения крыла птицы.
Гдe жe мoжнo увидeть вce эти физические xитpocти живой природы? Oни вoкpуг нac!

Давление жидкостей и газов

Какова роль атмосферного давления в жизни живых организмов?
На тело человека, поверхность которого при массе в 60 кг и росте 160 см, примерно равна 1,6 м², действует сила в 160 000 H, обусловленная атмосферным давлением.
Как  выдерживает организм такие огромные нагрузки?
Это достигается за счет того, что давление жидкостей, заполняющих сосуды тела, уравновешивает внешнее давление.

С этим же вопросом тесно связана возможность нахождения под водой на большой глубине. Дело в том, что перенесение организма на другой высотный уровень вызывает расстройство его функций. Это объясняется, с одной стороны, деформацией стенок сосудов, рассчитанных на определенное давление изнутри и снаружи. Кроме того, меняется при изменении давления и скорость многих химических реакций, вследствие чего меняется и химическое равновесие организма. При увеличении давления происходит усиленное поглощение газов жидкостями тела, а при его уменьшении — выделение растворенных газов. При быстром уменьшении давления вследствие интенсивного выделения газов кровь как бы закипает, что приводит к закупорке сосудов, нередко со смертельным исходом. Этим определяется максимальная глубина, на которой могут производиться водолазные работы (как правило, не ниже 50 м). Опускание и поднятие водолазов должно происходить очень медленно, чтобы выделение газов происходило только в легких, а не сразу во всей кровеносной системе.

Механизм вдоха и выдоха.
Легкие расположены в грудной клетке и отделены от нее и от диафрагмы герметично полостью, называемой плевральной. С увеличением объема грудной клетки объем плевральной полости увеличивается, а давление воздуха в ней уменьшается, и наоборот. Так как легкие эластичны, то давление в них регулируется только давлением в плевральной полости. При вдохе объем грудной клетки увеличивается, за счет чего давление в плевральной полости уменьшается; это вызывает увеличение объема легких noчти на 1000 мл. При этом давление в иих становится меньше атмосферного, и воздух через воздухоносные пути устремляется в легкие. При выдохе объем грудной клетки уменьшается, за счет чего давление в плевральной полости увеличивается, что вызывает уменьшение объема легких. Давление воздуха в них становится выше атмосферного, и воздух из легких устремляется в окружающую среду.

Явление инерции

Созревшие стручки бобовых растений, быстро раскрываясь, описывают дуги. В это время семена, отрываясь от мест прикрепления, по инерции движутся по касательной в стороны. Такой метод распространения семян довольно часто встречается в растительном мире.

Летучие  рыбы, спасаясь от морских хищников, выскакивают из воды и  могут совершать    планирующий полет  до 200-300 м на высоте 5—7 м. Вначале она  несется по поверхности воды, затем сильный удар хвоста поднимает ее в воздух. Длинные грудные плавники поддерживают тело рыбы наподобие планера. Полет  стабилизируется хвостовыми плавниками.
Так летучие рыбы движутся лишь по инерции.

Плавание и третий закон Ньютона

Легко заметить, что в процессе движения рыбы и пиявки отталкивают воду назад, а сами движутся вперед. Плывущая пиявка отгоняет воду назад волнообразными движениями тела, а плывущая рыба — взмахами хвоста.  Движение  рыб и пиявок может служить иллюстрацией третьего закона Ньютона.

Полет и третий закон Ньютона

В основе полета насекомых лежит взмах крыльями (машущий полет). Управление полетом достигается почти исключительно крыльями. Одни из самых вертких в  полете насекомых - мухи. Они часто делают крутые повороты вбок. Достигается это резким выключением крыльев одной стороны тела — движение их мгновение приостанавливается,  тогда как крылья другой стороны тела продолжают колебаться, чем и вызывается поворот к сторону от первоначального направления полета.

Ускорения и перегрузки

Какие ускорения и перегрузки способны выдерживать живые существа?
Когда тело испытывает ускорение, то говорят, что оно подвергается перегрузке.

Ускорения в лифте.
Максимальное ускорение (либо замедление) при движении кабины лифта при нормальном режиме работы не должно превышать для всех лифтов 2 м/сек². При остановке «стоп» максимальная величина ускорения не должна превышать 3 м/сек².

Ускорения в авиации.
Величину перегрузок характеризуют отношением ускорения движения тела а к ускорению свободного падения g.

Ускорения при прыжке с парашютом.
При прыжке с парашютом возникают большие ускорения и, следовательно, перегрузки.
Если раскрыть парашют на высоте 1000 м через 15 сек после падения, то перегрузка будет около 6g;
раскрытие парашюта после такой же задержки на высоте 7000 м вызывает перегрузку, равную 12g;
на высоте 11 000 м при тех же условиях перегрузка будет почти втрое большей, чем на высоте 1000 м.
При приземлении с парашютом также возникают перегрузки, которые тем меньше, чем больше путь торможения. Поэтому перегрузка будет меньше при приземлении на мягкую почву.
Максимальные, правда очень кратковременные, ускорения испытывает человек при катапультировании с самолета. При этом  максимальное значение ускорения достигает 180-190 м/сек2, здесь перегрузка — 18-20g.
Однако, несмотря на большую величину, такая перегрузка не опасна для здоровья, так как она действует кратковременно, примерно 0,1 сек.

Влияние ускорений на живые организмы

Это зависит от величины ускорения,  продолжительности перегрузки, от состояния организма.
Если на человека действует ускорение в направлении от головы к ногам, численно равное 2 g, то ощущается давление на  сиденье, напряжение мышц, но нарушений самочувствия не наблюдается.
При 2-4g возникают затруднительность  дыхания и болезненные ощущения, искажается   лицо человека.
При ускорениях в 4-5g добавляются зрительные нарушения и даже утрата зрения.
При воздействии ускорений величиной 5-6g свыше 5 сек могут возникнуть нарушения сознания.
Все эти воздействия носят временный характер.

Легче переносятся ускорения, направленные от спины к груди, от груди к спине и от одного бока к другому. Поэтому очень важна поза человека.
Обязательным условием является физическая тренировка и наличие специальных противоперегрузочных костюмов, обеспечивающих  фиксацию внутренних органов.

Простые механизмы в живой природе

В скелете животных и человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами.
У человека - это кости конечностей, нижняя челюсть, череп, фаланги пальцев.
У кошек рычагами являются подвижные когти.
У многих рыб — шипы спинного плавника; у членистоногих — большинство сегментов их наружного скелета; у двустворчатых моллюсков - створки раковины.

Рычажные механизмы скелета обычно рассчитаны на выигрыш в скорости при потере в силе.

Особенно большие выигрыши в скорости получаются у насекомых.

В  растениях   рычажные элементы встречаются реже, что объясняется  малой подвижностью   растительного  организма.  
Типичный   рычаг -  ствол дерева и  составляющий его продолжение главный корень. Глубокие корни  сосны или дуба оказывает огромное сопротивление опрокидыванию, поэтому сосны и дубы почти никогда не выворачиваются с корнем.
Ели, имеющие  поверхностную корневую систему, опрокидываются очень легко.

Рычажные механизмы имеются и в цветах (например, тычинки шалфея), а также в некоторых раскрывающихся плодах.

Мощности, развиваемые человеком

Считается, что человек при нормальных условиях работы может развивать мощность около 70-80 Вт (примерно 0,1 л. с). Однако возможно кратковременное увеличение мощности в несколько раз.

Колебания в живой природе

Сердце — одна из самых совершенных колебательных природных  систем.

Лягушки обладают весьма громкими и довольно разнообразными голосами. У некоторых видов лягушек имеются интересные приспособления для усиления звука в виде больших шарообразных пузырей по бокам головы, раздувающихся при крике и служащих сильными резонаторами .

Рыбы "разговаривают". Им присуща хорошо развитая акустическая сигнализация, обеспечивающая возможность передачи и приема разнородной информации. Акустической связи способствуют благоприятные физические условия распространения звука в воде.
Биогидроакустики  фиксируют  большое количество разнообразных интенсивных звуков, создаваемых водными организмами: рыбами, млекопитающими и ракообразными.

Как рыбы издают звуки?
Прежде всего звуки возникают при движении стай рыб, они обусловлены гидродинамическими шумами и трением подвижных сочленений скелета. Длительность этих звуков зависит от продолжительности движения; частоты лежат в низкочастотной области спектра.
Звуки могут быть также связаны с газовым обменом. Рыбы регулируют давление внутри плавательного пузыря и кишечника, выталкивая воздух из плавательного пузыря в кишечник или из кишечники через рот и анус в воду.
Проталкивая воздух через узкие отверстия, рыбы создают явления, подобные тем, ко­торые возникают в свистке. Образующийся звук напоминает слабый писк. Такие писки слышали у карпа, сома, вьюна, усача, угря и др.
Возникают звуки и при захвате и перетирании пищи. Усиленные плавательным пузырем, эти звуки напоминают резкие щелчки и хрусты.

Издает звуки также плавательный пузырь. Его можно себе представить как тонкостенное сферическое тело, наполненное воздухом и помещенное в воду. При действии на такой «пузырьковый» излучатель внешней силы (толчок, удар, сжатие) он начинает колебаться, излучая в воду порции (импульсы) звуковых волн. Чаще всего плавательный пузырь приводится в колебание сжатием так называемых барабанных мускулов, расположенных по бокам тела рыбы.
Частотный диапазон звуков, издаваемых различными рыбами, лежит в пределах от 20—50 гц до 10—12 кгц.

Источник: по книге "Биофизика на уроках физики". Авт. Ц.Кац.