Течение вязкой жидкости по трубам. Формула Пуазейля.

МАТЕРИАЛ ПО ФИЗИКЕ К РЕЙТИНГАМ

1. Гармонические колебания – это колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется в зависимости от времени по закону синуса или косинуса.

Период колебаний – это время, за которое совершается одно полное колебание .

Частота колебаний – это число колебаний, совершаемых за единицу времени .

Фаза колебания – это величина, характеризующая положение колеблющегося тела в данный момент времени.

Амплитуда колебания – это максимальное значение колеблющейся величины.

Уравнение гармонических колебаний имеет вид: x=Asin(w₀t+ j₀), где А – амплитуда колебаний, w₀ - круговая частота колебаний, j₀ – начальная фаза (при t=0); (w₀t+ j₀) = j – фаза колебаний.

Период колебаний математического маятника определяется по формуле , где - длина нити, g – ускорение свободного падения.

2. Затухающие колебания – это колебания, прекращающиеся во времени под действием трения.

Вынужденные колебания возникают в системах при участии внешней силы, изменяющейся по периодическому закону.

Резонанс –это явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты собственных колебаний системы с частотой вынуждающей силы.

3. Колебания в медицине. Большинство процессов, анализ которых дает основной объем диагностической информации, имеют колебательный характер. В биологии и медицине это - ритмы, циклы и т.д.

Основными способами получения диагностической информации является анализ формы колебаний или их спектральный анализ. Особенностью многих видов колебаний в биологических объектах является сложность их формы, поэтому в медицине и биологии наиболее часто используется анализ формы колебаний. Например, на электрокардиограмме человека можно выделить ряд зубцов, несущих информацию о работе сердечно-сосудистой системы. Колебания интервалов между ударами сердца (P-R интервалов) или соответствующие колебаниям интервалов между пиками пульсовой волны давно используются для оценки работы системы регуляции человека.

4. Механическая волна – это механическое возмущение, распространяющееся в пространстве и несущее энергию.

Уравнение волны:

где S – смещение точки, участвующей в волновом процессе; А – амплитуда волны; – фаза волны; v – скорость ее распространения; w – круговая частота; x – произвольная координата.

5. Вектор Умова - вектор I, показывающий направление распространения волн и равный потоку энергии волн, проходящему через единичную площадь, перпендикулярную этому направлению:

I= =w_pv,

где w_p – объемная плотность энергии колебательного движения; v – скорость волны.

6. Эффект Доплера – это изменение частоты волн, воспринимаемых наблюдателем, вследствие относительного движения источника волн и наблюдателя.

При движении наблюдателя со скоростью v по направлению к источнику он воспринимает частоту:

где n^¢ – воспринимаемая частота волны; n – частота волн, испускаемых источником, v – скорость распространения волны, v_н – скорость движения наблюдателя.

Эффект Доплера применяется для определения скорости движущихся объектов по изменению частоты отраженного от него сигнала (доплеровский сдвиг частот).

7. Звук – это упругие колебания и волны в газах, жидкостях и твердых телах, воспринимаемые человеческим ухом (частота от 16 до 20 кГц).

Тембр звука определяется его спектральным составом. Громкость звука – субъективная оценка звука, которая характеризует уровень слухового ощущения.

Интенсивность звука – энергетическая характеристика звука, которая может быть выражена также и в виде вектора Умова

где Ф – поток энергии волн, отнесенный к площади S, ориентированной перпендикулярно распространению волн. Обычно пользуются величиной

где I₀ – порог слышимости.

9. Ультразвук (УЗ) представляет собой механические колебания (упругие волны) с частотами примерно от 2×10⁴ Гц (20 кГц) до 10⁹ Гц (1 Гигагерц).

Источники и приемники УЗ. Для генерации УЗ применяют УЗ - излучатели. Встречаются механические и электромеханические излучатели. Механические УЗ - излучатели: воздушные (например, свисток Гальтона) и жидкостные. Наибольшее распространение получили электромеханические УЗ - излучатели, принцип действия которых основан на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта. Этот эффект заключается в механической деформации тела под действием переменного электрического поля.

Основным элементом электромеханического УЗ - излучателя является пьезоэлемент, при подключении которого к источнику переменного электрического поля он будет деформироваться, излучая УЗ - волны определенной частоты.

Для приема УЗ - колебаний используют прямой пьезоэлектрический эффект, когда под действием УЗ происходит деформация пьезоэлемента, которая приводит к возникновению переменного электрического напряжения. Это напряжение может быть измерено и преобразовано соответствующей аппаратурой для определения параметров УЗ -колебаний.

16. УЗ - эффект Доплера. Сущность явления та же, что описана в вопросе 5, разница состоит лишь в том, что вместо звука используется ультразвук.

Применяется для изучения характера движения сердечных клапанов, миокарда предсердия и желудочков. Ультразвуковая доплеровская локация сердца дает информацию, которая не может быть получена другими методами и может быть сравнима по своей ценности только с информацией, которую дает катетеризация сердца и ангиокардиография.

УЗ - эффект Доплера успешно применяется в клинической практике для определения скорости кровотока.

УЗ - кардиография занимается измерением размеров сердца в динамике.

УЗ - локация используется в офтальмологии для определения размеров глазных сред.

21. Инфразвук – механические волны с частотой меньше 20 Гц. Поглощается слабо, распространяется далеко. Вызывает усталость, головную боль, сонливость и т.д.

22. Поверхностное натяжение жидкостей – это напряженное состояние поверхностного слоя жидкости. Величина поверхностного натяжения численно равна изохорно-изотермической работе образования единицы новой поверхности жидкости:

s = ,

где А – работа, совершаемая при образовании новой поверхности S. Если условно выбрать на поверхности жидкости отрезок длиной l, то силу поверхностного натяжения можно обозначить через F. Тогда поверхностное натяжение равно s = . Поверхностное натяжение убывает с возрастанием температуры.

Поверхностное натяжение биологических жидкостей в некоторых случаях может служить диагностическим фактором. Так, например, при заболевании желтухой поверхностное натяжение мочи резко уменьшается вследствие появления в моче желчных кислот. При диабете и некоторых других заболеваниях повышается содержание липазы в крови. О содержании липазы судят по изменению поверхностного натяжения раствора трибутилена при добавлении в него крови.

23. Влажность воздуха. Абсолютной влажностью f воздуха называется масса водяных паров, содержащихся в 1 м³ воздуха при данных условиях.

Значение f оценивается по плотности водяного пара в воздухе или по давлению.

Относительной влажностью воздуха называется отношение абсолютной влажности к тому количеству водяного пара, которое необходимо для насыщения 1 м воздуха при данной температуре.

Из предыдущего определения следует, что относительную влажность можно определять как отношение давления водяного пара, содержащегося в воздухе, к давлению насыщенного водяного пара при данной температуре:

Точкой росы называется температура, при которой водяные пары, не насыщавшие ранее воздух, становятся насыщающими.

Насыщенный пар – это пар, находящийся в динамическом равновесии с собственной жидкостью. Это означает, что количество испаряющихся молекул жидкости равно количеству конденсирующихся.

Относительная влажность влияет на здоровье и самочувствие человека. Так, например, можно чувствовать себя вполне хорошо при температуре 25 или 30 ⁰С и относительной влажности 25 %. С другой стороны, при той же температуре можно иметь плохое самочувствие, ощущая жару и чувствуя подавленность, при относительной влажности 80 или 90 %. Или, например, если температура воздуха 18 ⁰С, а относительная влажность 25%, можно ощущать холод, хотя при той же температуре и влажности 60% и выше можно иметь вполне хорошее самочувствие. Это связано с тем, что высокая относительная влажность препятствует испарению влаги с поверхности кожи, в то время как низкая относительная влажность способствует быстрому испарению, что и вызывает охлаждение.

Многократными экспериментами установлено, что для хорошего самочувствия и здоровья необходимо, чтобы относительная влажность была в пределах от 40 до 60 %. Однако в наших домах в зимние месяцы относительная влажность часто не превышает 10 или 20 %. Такие условия вызывают быстрое испарение и высыхание слизистой оболочки носа, горла и легких, что приводит к простудным и другим заболеваниям органов дыхания.

24. Вязкость жидкостей (внутреннее трение) обусловлена сцеплением между ее молекулами.

Уравнение Ньютона:

где – градиент скорости течения жидкости, S - площадь соприкосновения слоев жидкости, h – коэффициент вязкости.

Вязкость численно равна силе внутреннего трения, приходящейся на единицу площади соприкасающихся слоев жидкости при градиенте скорости равном единице.

Иcпользование вязкости в медицине. Вязкость крови имеет диагностическое значение. При некоторых инфекционных заболеваниях вязкость крови увеличивается, а при туберкулезе, например, уменьшается. Изменение вязкости крови – одна из причин изменения скорости оседания эритроцитов (СОЭ).

25. Вискозиметры - приборы, используемые для измерения вязкости.

Вискозиметр Гесса состоит из двух капилляров, через которые при одинаковых условиях пропускается исследуемая жидкость и жидкость с известной вязкостью. По объемам наполнения трубок той или другой жидкостью определяют относительную вязкость крови.

Капиллярный метод основан на формуле Пуазейля и заключается в измерении времени протекания через капилляр жидкости известной массы под действием силы тяжести при определенном перепаде давлений.

26. Ньютоновские жидкости – это жидкости, подчиняющиеся уравнению Ньютона, т.е. вязкость у этих жидкостей не зависит от градиента скорости; их иногда называют нормальными. Жидкости, не подчиняющиеся уравнению Ньютона, называют неньютоновскими или аномальными.

27. Ламинарное и турбулентное течения. Слоистое течение жидкости называют ламинарным. Наличие скорости течения вязкой жидкости вследствие неоднородности давления по поперечному сечению трубы создает завихрения, и движение становится вихревым или турбулентным.

Характер течения жидкости по трубе зависит от свойств жидкости, скорости её течения, размеров трубы и определяется числом Рейнольдса:

где r_ж– плотность жидкости, D – диаметр трубы.

Если число Рейнольдса больше некоторого критического (Re>Re_кр), то движение жидкости будет турбулентным. Например, для гладких цилиндрических труб Re_кр@ 2300.

Течение вязкой жидкости по трубам. Формула Пуазейля.

Кровь представляет собой вязкую жидкость, которая прогоняется сердцем через сложную систему артерий и вен. Скорость течения крови достаточно мала, так что поток можно считать ламинарным без турбулентностей. Кровеносные сосуды можно считать цилиндрическими.

Объем жидкости Q, протекающий за 1с через горизонтальную трубку, выражается формулой Пуазейля:

где R – радиус трубки, h – вязкость жидкости, l – длина трубки, (Р₁ – Р₂) – разность давлений на её концах.

Здесь видно, что при увеличении радиуса трубки в два раза, Q возрастает в 16 раз. Если что- либо приведет к утолщению артериальных стенок, что уменьшит R, ослабевший поток крови может вызвать грудную жабу. Наиболее распространенная причина грудной жабы – артериосклероз, повреждение артерий.

29. Гидравлическое сопротивление. Величина называется гидравлическим сопротивлением. Оно тем больше, чем больше вязкость h, длина трубы l, и меньше площадь поперечного сечения трубы.

35. Электрическое поле – это особый вид материи, в котором проявляется действие электрических сил.

36. Напряженность поля – его силовая характеристика. Она равна отношению силы, действующей в данной точке поля на точечный заряд, к этому заряду:

или .

Напряженность поля измеряется в Н/Кл или В/м. Напряженность поля – вектор, направление которого совпадает с направлением силы, действующей в данной точке поля на положительный точечный заряд.

37. Потенциал поля – его энергетическая характеристика. Он равен отношению работы по перемещению заряда из бесконечности в данную точку поля к этому заряду.

или .

Потенциал поля измеряется в Дж/Кл или В. Потенциал – скалярная величина.

38. Разность потенциалов – величина, равная отношению работы по перемещению заряда из одной точки поля в другую, к заряду:

39. Связь между напряженностью поля и потенциалом выражается соотношением:

т.е. напряженность поля численно равна разности потенциалов, приходящейся на единицу длины, взятой вдоль силовой линии поля.

40. Силовые линии – это линии, касательные к которым совпадают с направлением вектора напряженности в соответствующих точках поля.

41. Электрический диполь – это система, состоящая из двух равных, но противоположных по знаку точечных электрических зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга (плечо диполя).

42. Дипольный момент – вектор, равный произведению заряда на плечо диполя; он направлен от отрицательного заряда к положительному.

46. Токовый диполь. Подобно электрическому моменту диполя вводится дипольный момент токового диполя: P= I^.l, где l- расстояние между электродами, I- сила тока.

52. Контактная разность потенциалов. При тесном соприкосновении двух разнородных металлов между ними возникает разность потенциалов, зависящая только от их химического состава и температуры. Её величина определяется выражением:

где A₁и А₂ – работы выхода электрона из первого и второго металлов соответственно, n₁ и n₂ – концентрации свободных электронов в первом и втором металлах, Т – их абсолютная температура, k – постоянная Больцмана, е – заряд электрона.

53. Термоэлектрический эффект – зависимость контактной разности потенциалов от температуры. Величина термоэлектродвижущей силы определяется выражением:

где Т_а и Т_b– температуры горячего и холодного спаев соответственно, a=const.

DU_a T_aT_b DU_b

54. Термопара и ее использование в медицине. Термопара - это замкнутая цепь проводников, создающая ток за счет различия температур контактов между проводниками. Используется в медицине для локального определения температуры, имеет преимущества перед обычным термометром – безинерционна, точна, позволяет измерять температуру малых объектов.

55. Электрический ток - это направленное движение электрических зарядов.

Сила тока – - производная во времени от заряда, проходящего через некоторое сечение или поверхность.

Плотность тока – - отношение силы тока через малый элемент поверхности к площади этого элемента.

56. Действие электрического тока на тело человека. Человеческий организм в значительной степени состоит из биологических жидкостей, содержащих большое количество ионов, которые участвуют в различных обменных процессах.

Под влиянием электрического поля ионы движутся с различной скоростью и скапливаются около клеточных мембран, образуя встречное электрическое поле, называемое поляризационным.

Таким образом, первичное действие постоянного тока связано с

движением ионов, их разделением и изменением их концентра- ции в разных элементах ткани.

Ток, который протекает по телу и подводится от внешнего источника, определяется законом Ома, т.е. зависит от приложенного напряжения и от сопротивления тела. Для постоянного тока и низкочастотного (бытового) напряжения сопротивление кожи при точечном контакте является определяющим фактором, который ограничивает ток. (При высоких частотах более существенным фактором является внутреннее сопротивление тела). Следовательно, в большинстве ситуаций ток, протекающий через тело, в основном зависит от состояния тела в точке контакта. Сухая кожа имеет высокое сопротивление, а сырая или мокрая кожа будет обладать низким сопротивлением, так как ионы, находящиеся во влаге, обеспечат беспрепятственное прохождение тока в тело.

57. Поражение электрическим током. Наиболее чувствительными к электрическому току частями организма являются мозг, грудные мышцы, нервные центры, которые контролируют дыхание и сердце.

Если ток от внешнего источника пропускать через сердце, то сердечные волокна можно привести в состояние возбуждения случайным образом, и потенциал действия начнет распространяться по сердцу во всех направлениях. В результате возникнут нескоординированные сокращения желудочков и нарушится их перекачивающая функция. Этот эффект называется желудочковыми фибрилляциями. Однажды возникнув, они уже не прекращаются, даже если прекратилось действие вызвавшего их тока. Если в течение 1 – 2 мин не принять экстренные меры, наступит смерть.

Меры обычно заключаются в дефибрилляции, при которой через специальные электроды, расположенные над и под сердцем, пропускается ток около 10 А в течение нескольких миллисекунд.

Иногда электрический ток приводит к остановке дыхания, парализуя действие нервных центров, контролирующих легкие.

58. Закон Ома для участка цепи: , где U – напряжение, R – сопротивление участка цепи, I – сила тока.

59. Закон Ома для замкнутой цепи: , где r – внутреннее сопротивление источника тока, R – внешнее сопротивление цепи, E – ЭДС.

ЭДС источника тока численно равна работе перемещения единичного заряда по замкнутой цепи.

Внутреннее сопротивление –это сопротивление участка цепи между полюсами источника тока.

60. Диэлектрики – это тела, не проводящие электрического тока.

Поляризация диэлектриков. Помещенный в электрическое поле диэлектрик приобретает полярность: часть его поверхности, в которую входят силовые линии, заряжается отрицательно, а противоположная – положительно.

61. Проводники – это материалы, обладающие высокой проводимостью за счет высокой концентрации свободных электронов. С повышением температуры их сопротивление возрастает.

62. Полупроводники – это вещества, проводимость которых находится в пределах между проводимостью проводников и диэлектриков.

Особенности полупроводников:

- сопротивление полупроводников уменьшается с повышением

температуры;

- электрический ток в полупроводниках осуществляется не только перемещением свободных электронов, но и перемещением связанных с атомами электронов;

- небольшое количество примеси может очень сильно изменить

сопротивление полупроводника.

63. Электролиты – это жидкости, обладающие высокой электропроводностью за счет высокой концентрации ионов. Биологические жидкости являются электролитами.

68. Переменный ток. Если в однородном магнитном поле равномерно вращается проводящий контур, то в нем возникает переменная ЭДС, изменяющаяся по синусоидальному закону. Зависимость ЭДС от времени выражается формулой:

E=E_max·sin wt,

где Е_max – максимальное значение ЭДС, w - круговая частота, t – время.

69. Ёмкостное сопротивление. В цепи постоянного тока конденсатор

представляет собой бесконечно большое сопротивление: постоянный ток не проходит через диэлектрик, разделяющий обкладки конденсатора. Цепи переменного тока конденсатор не разрывает: попеременно заряжаясь и разряжаясь, он обеспечивает движение электрических зарядов, т.е. поддерживает переменный ток во внешней цепи. Таким образом, для переменного тока конденсатор представляет собой конечное сопротивление, называемое ёмкостным сопротивлением. Его величина определяется выражением:

где w – круговая частота переменного тока, С – ёмкость конденсатора.

70. Индуктивное сопротивление. Из опыта известно, что сила переменного тока в проводнике, свернутом в виде катушки, значительно меньше, чем в прямом проводнике той же длины. Это означает, что помимо омического сопротивления проводник имеет еще дополнительное сопротивление, зависящее от индуктивности проводника и потому называемое индуктивным сопротивлением. Физический смысл его состоит в возникновении в катушке ЭДС самоиндукции, препятствующей изменениям тока в проводнике, а, следовательно, уменьшающей эффективный ток. Это равносильно появлению дополнительного (индуктивного) сопротивления. Его величина определяется выражением:

где L – индуктивность катушки. Ёмкостное и индуктивное сопротивления носят название реактивного сопротивления.

На реактивном сопротивлении электроэнергия не расходуется, этим оно существенно отличается от активного сопротивления. Организм человека обладает только ёмкостными свойствами. Полное сопротивление цепи, содержащей активное, индуктивное и емкостное сопротивления равно:

71. Воздействие переменного тока на организм человека. Действие переменного тока зависит от его частоты. При низких, звуковых и УЗ частотах переменный ток, как и постоянный, оказывает раздражающее действие на биологические ткани. Так как специфическое физиологическое действие электрического тока зависит от формы импульсов, то в медицине для стимуляции центральной нервной системы, сердечно-сосудистой системы и т.д. используют токи с различной временной зависимостью.

80. Магнитные свойства вещества. Согласно гипотезе Ампера магнитные свойства вещества определяются молекулярными токами.

81. Магнетиками называются вещества, способные намагничиваться во внешнем магнитном поле, т.е. создавать собственное (внутреннее) магнитное поле самого вещества.

82. Диамагнетиками называются вещества, у которых атомы или молекулы в отсутствие внешнего магнитного поля не имеют магнитных моментов.

83. Ферромагнетики – вещества в твердом кристаллическом состоянии, обладающие ярко выраженными магнитными свойствами.

84. Парамагнетики – вещества, атомы или молекулы которых обладают некоторым магнитным моментом.

Дата добавления: 2021-04-24; просмотров: 160; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!