Методические рекомендации для теоретического обучения по дисциплине «Биофизика» (стр. 9 )

Если в состоянии покоя соотношение коэффициентов проницаемости мембраны аксона кальмара для разных ионов:

Рк: РNa : РС1 = 1:0,04: 0,45,

то в состоянии возбуждения:  Рк : PNa : РС1 = 1 : 20 : 0,45,

то есть, по сравнению с невозбужденным состоянием, при воз­буждении коэффициент проницаемости для натрия возрастает в 500 раз.

Благодаря этому амплитуда потенциала действия до­стигает 90—130 мВ  и, естественно, превы­шает величину потенциала покоя.

Потенциалы действия возникают в результате избыточ­ной по сравнению с покоем диффузии ионов натрия из окружающей жидкости внутрь клетки.

Период, в течение которого проницаемость мембраны для ионов натрия при возбуждении клетки возрастает, является небольшим (0,5—1 мс); вслед за этим наблю­дается повышение проницаемости мембраны для ионов калия и, следовательно, усиление диффузии этих ионов из клетки наружу. Увеличение ионного потока калия, направленного из клетки наружу, приводит к уменьше­нию мембранного потенциала, что в свою очередь обус­ловливает уменьшение проницаемости мембраны для ионов натрия.

Таким образом, вто­рой этап возбуждения характеризуется тем, что поток ионов калия из клетки наружу возрастает, а встречный поток ионов натрия уменьшается. Это продолжается до тех пор, пока не произойдет восстановления потен­циала покоя — реполяризация мембраны. После этого проницаемость для ионов калия также падает до исход­ной величины. Наружная поверхность мембраны за счет вышедших в среду положительно заряженных ионов ка­лия опять приобретает положительный потенциал по отношению к внутренней. Эта фаза, в течение которой мембранный потенциал возвращается до уровня потен­циала покоя, называется фазой реполяризации. Она всегда продолжительнее фазы деполяризации и на кри­вой потенциала действия представлена в виде более по­логой нисходящей ветви. Таким образом, реполяризация мембраны происходит вследствие выхода из клетки эквивалентного количества ионов калия.

3. фаза.

Положительный следовой потенциал выражается в гиперполяризации (увеличении потенциала покоя) мембраны и обусловлен тем, что проницаемость мембраны для калия в восста­новительный период некоторое время остается повы­шенной.

Гиперполяризация-процесс, при котором степень отрицательности цитоплазмы обратимо увеличивается. Гиперполяризация обусловлена поступлением Cl - в клетку.

Таким образом, формирование потенциала действия обусловлено двумя ионными потоками через мембрану: поток ионов натрия внутрь клетки приводит к переза­рядке мембраны, а противоположно направленный по­ток ионов калия обусловливает восстановление исходно­го потенциала покоя. Потоки приблизительно равны по величине, но сдвинуты во времени. Благодаря этому сдвигу во времени и возможно появление потенциала действия. Если бы потоки натрия и калия через мембра­ну совпадали во времени, то они бы компенсировали друг друга и никакого изменения мембранного потен­циала не могло бы происходить

В конечном итоге диффузия натрия и калия по градиентам должна бы приводить к выравниванию концентраций этих ионов между наружным раствором и цитоплазмой. В действительности этого не наблюдается. В периоды покоя концентрационные градиенты калия и натрия вос­станавливаются в результате работы натрий-калиевого насоса, обеспечивающего перенос этих ионов против гра­диентов.

Характерные свойства потенциала действия:

наличие порогового значения деполяризующего потенциала; закон "все или ничего", то есть, если деполяризующий потенциал больше порогового, развивается потенциал действия, амплитуда которого не зависит от амплитуды возбуждающего
импульса и нет потенциала действия, если амплитуда деполя­ризующего потенциала меньше пороговой; есть период рефрактерности, невозбудимости мембраны во время развития потенциала действия и остаточных явлений после снятия возбуждения; в момент возбуждения резко уменьшается сопротивление мембраны (у аксона кальмара от ОД Ом * м2 - в покое до 0,0025Оа * м3 - при возбуждении).

Тема: Звук. Биофизика слуха.

1.Цель:  Формирование у студентов-медиков системных знаний о:

механических колебаниях и волнах, их видах и параметрах; физических и физиологических параметрах звука, единицах измерения уровня громкости, применяемых в акустике, строении органа слуха; физических свойствах инфразвука и ультразвука; использовании звуковых и  ультразвуковых методах, для диагностики и терапии.

2. Тип занятия: лекция

3. Вопросы по теме занятия.

Механические колебания, его виды. Гармонические колеба­ния. Характеристика. Механические волны.  Уравнение волны.  Интенсивность волны. Вектор Умова. Звук, виды звука. Физические и физиологические характеристики звука. Звуковые измерения. Закон Вебера - Фехнера. Единицы измерения уровней громкости: бел, децибел, фон. Физические основы звуковых методов  исследования в клинике: аудиометрия, аускультация, фонокардиография, перкуссия. Волновое сопротивление. Отражение и поглощение  звуковых волн. Реверберация. Физика слуха:

а) строение и функция наружного, среднего и внутреннего уха;

б) механизм звукопроведения. Теория Бекеши.

Ультразвук, способы  получения(обратный пьезоэффект, магнитострикция), свойства, особенности распространения. Применение ультразвука. Инфразвук, источники, механизм влияния на ЦНС человека.  Использование инфразвука в медицине
Конспект теоретического материала. Колебания, виды колебаний

Колебаниями называют процессы, повторяющиеся с течением времени.

Повторяющиеся процессы непрерывно происходят внутри любого живого организма, например: сокращения сердца, работа легких; мы дрожим, когда нам холодно; мы слышим и разговариваем благодаря колебаниям барабанных перепонок и голосовых связок; при ходьбе наши ноги совершают колебательные движения. Колеблются атомы, из которых мы состоим. Мир, в котором мы живем, удивительно склонен к колебаниям.

В зависимости от физической природы повторяющегося процесса различают колебания: механические, электрические, электро-магнитные и т. п.

Механическими колебаниями называются изменения физической величины, описывающей механическое движение (скорость, перемещение, кинетическая и потенциальная энергия и т. п.).

Колебания делятся также на периодические и непериодические.

Периодическими называют такие колебания, при которых все характеристики движения повторяются через определенный про­межуток времени.

Непериодическими называются колебания, не удовлетворяющие указанному усло­вию. Непериодические колебания гораздо разнообразнее периодических. Такие колебания чаще всего являются затухающими или нарастающими гармоническими колебаниями.

Свободными или собственными называются такие колебания, которые происходят в системе, предоставленной самой себе, после того как она была выведена из положения равновесия.

Примером могут служить колебания шарика, подвешенного на нити. Для того чтобы вызвать колебания, нужно либо толкнуть шарик, либо, отведя в сторону, отпустить его. При толчке шарику сообщается кинетическая энергия, а при отклонении — потенциальная.

Свободные  колебания совершаются за счет первоначального запаса энергии.

Свободные колебания могут быть незатухающими только при отсутствии силы трения. В против­ном случае первоначальный запас энергии будет расходоваться на ее преодоление, и размах колебаний будет уменьшаться.

Свободные колебания при отсутствии трения являются гармоническими.        

При отсутствии трения свободные колебания, близкие к гармо­ническим, возникают также и в других системах: математический и физический маятники.

1.2  Гармонические колеба­ния. Основные параметры гармонического колебания

Особое место среди периодических колебаний занимают гармо­нические колебания. Их значимость обусловлена следующими при­чинами. Во-первых, колебания в природе и в технике часто имеют характер, очень близкий к гармоническому, и, во-вторых, периоди­ческие процессы иной формы (с другой зависимостью от времени) могут быть представлены как наложение нескольких гармонических колебаний.

Гармонические колебания — это колебания, при которых наблю­даемая величина изменяется во времени по закону синуса или косинуса:

х = Acos(щt + ф0)  или  х = Asin(щt + ф0)        

Величины, входящие в формулу имеют следующий смысл:

х — смещение тела от положения равновесия в момент времени t;

А— амплитуда колебаний, равная максимальному смещению от положения равновесия;

щ— круговая частота колебаний (число колебаний, совершаемых за 2р секунд), связанная с периодом колебаний соотноше­нием  щ= 2 р /Т;        

Т - период колебаний - промежуток  времени, в течение которого соверша­ется одно полное колебание;

х - частота колебаний -  число колебаний, совершаемых за одну секунду (х = 1/Т);

(щ t +ф0) — фаза колебаний (в момент времени t);

ф 0 — начальная фаза колебаний (при t = 0).

График зависимости смещения от времени  представлен на рис.1

рис.1

1.3 Вибрация

Широкое внедрение различных машин и механизмов в жизнь человека повышает производительность труда. Однако работа многих механизмов связана с возникновением вибраций, которые передают­ся человеку и оказывают на него вредное влияние.

Вибрация — вынужденные колебания тела, при которых либо все тело колеблется как единое целое, либо колеблются его отде­льные части с различными амплитудами и частотами.

Человек постоянно испытывает различного рода вибрационные воздействия в транспорте, на производстве, в быту. Колебания, воз­никшие в каком-либо месте тела (например, руке рабочего, держа­щего отбойный молоток), распространяются по всему телу в виде упругих волн. Эти волны вызывают в тканях организма переменные деформации различных видов (сжатие, растяжение, сдвиг, изгиб). Действие вибраций на человека обусловлено многими физическими факторами: частотой (спектр частот, основная частота), амплитудой, скоростью и ускорением колеблющейся точки, энергией колебательных процессов.