биофизика

Точных сведений по поводу влияния трибозарядов поверхности тела на физиологическое состояние организма нет. Однако имеются наблюдения, что в некоторых случаях кожно – аллергические реакции обусловлены трибозарядами; некоторые исследователи также полагают, что высокий трибозаряд в области рефлексогенных зон может приводить к функциональным расстройствам систем органов. Реального диагностического значения электростатические поля организма животного не имеют – слишком от многих случайных внешних факторов зависит образование заряда.

28. Живой организм осуществляет передачу энергии во внешнюю среду в соответствии с физическими законами, однако в отличие от неживых систем регулирует их интенсивность несколькими механизмами. Явления переноса энергии продолжаются до установления равновесия в системе. 1.Теплопроводность – передача энергии при контакте двух систем (организм и воздух) за счет тепловых колебаний и соударений молекул друг с другом. Процесс теплопроводности необратим и идет только в одном направлении – от теплого к холодному. Если изменение температуры происходит вдоль оси Х, то отношение будет являться градиентом температуры. Измеряется в ^ Закон Фурье: количество теплоты, переносимое системой через поверхность площадью S, расположенную перпендикулярно потоку, пропорционально величине градиента температуры и времени переноса Δτ с учетом свойств вещества, определяемых коэффициентом теплопроводности χ: , где Δх – слой вещества, - коэффициент теплопроводности численно равен теплоте, проходящей через единичную площадку, расположенную перпендикулярно потоку за единицу времени при градиенте температуры 1 К/м или . Коэффициент теплопроводности измеряется в .Теплопроводность различных веществ изменяется в весьма широких пределах. Значения коэффициента теплопроводности (): воздух – 0,023; жир – 0,17-0,21; эпидермис человека – 0,25; мышечная ткань при нормальном кровотоке – 0,5; мышечная ткань при сильном кровотоке 0,58; вода – 0,6; металлы - 40-400. Теплопроводность тканей организма различна. Теплопроводность жидких частей организма (тканевая жидкость, плазма крови) близка к теплопроводности воды. Теплопроводность плотных тканей значительно ниже и для таких тканей, как, например, жировая ткань или роговой слой кожи по величине находится между теплопроводностью воды и воздуха. Кожа и подкожная жировая клетчатка являются теплоизолирующим слоем для организма. Вследствие этого температура поверхности кожи на ниже температуры внутри организма, то есть составляет в среднем . Различие коэффициента теплопроводности тканей живого организма весьма существенно для теплового режима организма. Значительная теплопроводность мышечной ткани, в которой находится много кровеносных сосудов, позволяет быстро переносить тепло от внутренних органов к внешним, предохраняя внутренние органы от перегрева. Большое значение для сохранения тепла внутри организма имеет слой внешней среды, непосредственно примыкающий к коже, в котором происходит главный теплообмен с окружающей средой. У человека этим слоем является одежда. Теплоизолирующие свойства одежды связаны с воздушной прослойкой, которая в ней содержится. Благодаря этой прослойке температура на поверхности одежды снижается в среднем до . 2. Конвекция – это передача тепла движущимся потоком вещества (воздуха в легких, крови к поверхности тела, воздуха в вентилируемых помещениях). При естественной конвекции это происходит вследствие различия плотностей: нагретые массы среды, как более легкие, поднимаются вверх, холодные опускаются вниз на их место. Тепловой поток, передаваемый от нагретой поверхности к омывающей его среде, при установившемся процессе прямо пропорционален площади S поверхности и разности между температурой Т_т поверхности и средней температурой Т_ср среды. Количество тепла, передаваемое от поверхности к среде, рассчитывается по формуле: , где α – коэффициент теплоотдачи при конвекции, зависящий от среды, в которой происходит конвекция (вязкости, плотности, коэффициента теплового расширения), а также от поверхности, через которую происходит теплопередача (форма, состояние поверхности, положения ее в пространстве относительно омывающей среды). Коэффициент теплопередачи при конвекции численно равен количеству теплоты, передаваемому единицей нагретой поверхности за единицу времени омывающей ее среде при разности температур среды и поверхности в . Измеряется коэффициент конвекции в . В жару частота дыхания у животных заметно увеличивается, увеличивается скорость движения воздуха и увеличивается интенсивность потока конвекции в легких. Конвекция происходит только в направлении уменьшения температуры. Если температура окружающей среды выше температуры тела животного, то теплопроводность и конвекция создают поток, направленный внутрь тела, что при длительном процессе может привести к перегреву и гибели животного. 3. Парообразованием называется процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. Парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости при любой температуре, называется испарением. Совокупность молекул, вылетевших из жидкости при парообразовании, называется паром данной жидкости. Молекулы жидкости связаны между собой силами взаимного притяжения. Чтобы при испарении молекула могла вырваться из жидкости, необходимо, чтобы энергия ее теплового движения была достаточна для преодоления сил взаимодействия молекул. При испарении вырываются наиболее быстрые молекулы, средняя энергия оставшихся молекул уменьшается, уменьшая тем самым температуру жидкости.Испарение в организме происходит с поверхности кожи и легочных альвеол. Выдыхаемый воздух имеет температуру и насыщен водяным паром. За сутки человек испаряет с поверхности кожи с потом до 0,5 кг воды и через легкие – до 0,35 кг, что составляет около 30% всей теплопродукции. ^ Удельная теплота парообразования r – это количество теплоты, необходимое для получения пара из жидкости массой 1 кг. Для воды . Потеря теплоты при температуре тела 37⁰С за сутки составляет примерно Дж. При повышении температуры окружающей среды или при интенсивной мышечной работе эти цифры значительно возрастают. Потоотделение зависит не только от температуры окружающей среды, но и от ее влажности. Для наземных животных нормальная влажность среды 50-60%. При большей влажности процесс испарения с поверхности тела замедляется, замедляется потоотделение, что ведет к перегреву организма. Влажность менее 40% приводит к усилению потери влаги организмом, к его обезвоживанию. Отток тепла с испарением за единицу времени в неживых системах линейно зависит от температуры. Для организма испарение является одним из регуляторов температуры тепла, оно усиливается с повышением температуры за счет расширения пор и усиленного потоотделения. Эти биологические явления нарушают линейную зависимость отвода тепла от организма в зависимости от температуры. 4. ^ Равновесное тепловое (инфракрасное) излучение. Теплообмен с помощью излучения заключается в том, что частицы данного тела, находящиеся в интенсивном молекулярном движении, излучают электромагнитные волны, которые уносят часть энергии частиц; при этом тело охлаждается. Волны, достигая какого-либо другого непрозрачного для излучения тела, поглощаются его молекулами и передают им свою энергию, что вызывает усиление их теплового движения; тело нагревается. Таким образом, энергия теплового движения частиц более нагретого тела преобразуется в энергию излучения, которая затем в свою очередь переходит в энергию теплового движения частиц более холодного тела, в котором это излучение поглощается, и вызывает его нагревание. ^ Абсолютно черным телом (АЧТ) называется тело, полностью поглощающее всю упавшую на него энергию. Температура тела определяет: 1) качество излучения – спектр равновесного излучения по закону Вина , где b – экспериментальный коэффициент пропорциональности, постоянная Вина b=. Животное с температурой тела 36-39 ⁰С излучает в инфракрасной области спектра с м, которое человеческим глазом не воспринимается. Если температура повышается, то тела начинают светиться темно-красным светом, а при очень высокой температуре – белым с голубоватым оттенком, возрастает ощущение нагретости тела. 2) Интенсивность излучения единицы поверхности (светимость) для абсолютно черного тела (АЧТ) по закону Стефана – Больцмана , где σ – постоянная Стефана – Больцмана . Следует иметь в виду, что каждое тело как излучает, так и поглощает излучение, падающее на него со стороны других тел. Если температура тела выше температуры окружающих тел, то оно больше излучает энергии, чем поглощает, и, следовательно, охлаждается. Если температура тела ниже температуры окружающих тел, то оно поглощает излучения больше, чем испускает, и, следовательно, нагревается. Поскольку каждое тело излучает само и в то же время получает энергию излучения от окружающих тел, то суммарный поток равен разности потоков, излучаемых и поглощаемых данным телом и количество теплоты, передаваемое путем излучения между двумя параллельными поверхностями выражается, формулой: , где ε – поправочный коэффициент, который учитывает отличие данного тела от АЧТ, –температура кожи животного, Т_ср –температура окружающей среды. Теплоотдача путем излучения у теплокровных животных доходит до 50-60% от общей теплоотдачи. 5. Люминесценция – свечение тел, превышающее их равновесное тепловое излучение. В природе наблюдается излучение некоторых тел и химических реакций, которое по спектру и интенсивности резко превышает то, что они должны излучать согласно своей температуре. Так, светлячок, бактерии в море и гнилых пнях, кальмары ярко светят желто-зеленым светом, в соответствии со спектром которого они должны иметь температуру 4000-5000 ⁰С. Подобное «холодное» свечение получило название «люминесценция», а применительно к живым организмам – «биолюминесценция». В 1961 г. было обнаружено сверхслабое свечение тканей и клеток животных и человека – биохемилюминесценция. ^ Закон Тарусова – Журавлева гласит: ткани и клетки животных и человека в норме непрерывно испускают эндогенное спонтанное сверхслабое (10-1000 квант в секунду с 1 см²) свечение – биохемилюминесценцию в спектральной области 360-1200 нм за счет свободнорадикального окисления ненасыщенных жирных кислот. Энергию этого свечения поставляют экзотермические химические процессы – акты распада промежуточных продуктов свободнорадикального окисления – перекисей и диспропорционирования продуктов распада. Интенсивность спонтанной биохемилюминесценции усиливается при стрессах и воспалительных процессах, и ослабляются при наличии в организме злокачественных опухолей, закономерно изменяется при некоторых других патологиях, в связи с чем применяется в диагностике. Глаза кошки обладают удивительным свойством: они светятся в темноте. Это свечение – физическое явление, называемое фотолюминесценцией. Фотолюминесценция – это возбужденное светом оптическое излучение, наступающее после того, как в веществе под действием света закончится (примерно через сек.) определенный процесс и наступит квазиравновесие. Поглощая внешний свет, глаза кошки испускают свет фотолюминесценции с длинами волн, соответствующих зеленому участку спектра; поэтому они становятся зелеными и светятся зеленым светом. Количественное соотношение между теплопотерей каждым из этих путей зависит при прочих равных условиях от температуры, влажности и движения окружающей среды. При низких окружающих температурах теплоотдача увеличивается главным образом за счет излучения. При высоких окружающих температурах потери теплопроводностью и излучением уменьшаются, может происходить даже, наоборот, поглощение тепла. В этих условиях теплоотдача происходит за счет испарения значительно увеличивающегося количества выделяемого пота. Если это является недостаточным, теплорегуляция организма нарушается, происходит так называемый тепловой удар.

29. Современные методы лечения теплом могут быть разделены на три большие группы: 1) контактное приложение нагретых сред; 2) свето-тепловое облучение и 3) использование теплоты, образующейся в тканях при прохождении высокочастотного электрического тока. Остановимся на использовании нагретых сред. Для теплолечения выбираются среды, позволяющие создать в них значительный запас теплоты. Эта теплота затем должна медленно и постепенно передаваться организму во все время процедуры. Для этого среда должна иметь возможно высокую теплоемкость и сравнительно низкие теплопроводность и конвекционную способности. Для теплолечения в основном применяют следующие среды: воздух, воду, торф, лечебные грязи и парафин. Воздух при тепловых процедурах применяется в форме местных суховоздушных ванн. Вода при тепловых процедурах применяется в виде общих и местных ванн, температура которых доходит до . Торф и лечебные грязи обладают не только тепловым, но и биохимическим действием за счет всасывания из них некоторых веществ через кожу. Тепловые свойства этих сред близки к воде, но отсутствие конвекции создает значительную разницу в температуре слоя, непосредственно прилегающего к коже, который быстрее охлаждается, и слоев, находящихся на некотором расстоянии. В связи с этим торф и грязь предварительно нагревают до более высокой температуры . Весьма распространенной местной тепловой процедурой является аппликация парафина. Расплавленный и нагретый до температуры парафин с помощью кисти наносят толстым слоем на поверхность, которую затем укутывают одеялом. Для тепловых процедур применяют также песок и глину, тепловые свойства и способ применения которых близки к таковым торфа или грязи. В лечебной практике применяется также местное охлаждение, достигаемое путем приложения резиновых пузырей с измельченным льдом. В процессе постепенного плавления лед оказывает длительное охлаждающее действие.

33.Статическое электрическое поле является фактором, широко распространенным в быту и на производстве. Источником статического электрического поля являются линии электропередач постоянного тока, электризующиеся материалы, различные технологические процессы, грозовые облака. Величина статического электрического поля от различных источников лежит в пределах от 0,2 до 1000 . Действие электростатического поля на организм млекопитающего известно давно – длительное воздействие на экспериментальных животных статического поля с напряженностью порядка 30-80 оказывает влияние на функциональное состояние нервной системы; длительное (100-120 суток) воздействие электростатического поля напряженностью 15 приводит к изменениям компенсаторного характера. Первичный механизм действия электростатического поля на млекопитающих помимо прямого действия поля на организм обладает еще и опосредованным – через ионизацию воздуха (аэроионы). Прямое действие электростатического поля изучено довольно слабо. Во всяком случае, напряженность поля внутри организма млекопитающего оказывается в значительной степени ослаблена благодаря наличию воды и тканей диэлектриков. Основные прямые эффекты сводятся к поляризации поверхности тела, поляризации молекул в тканях диэлектриках и возникновению микротоков в тканях – проводниках. Наиболее чувствительной к данным эффектам является нервная ткань. Гораздо большее биологическое значение имеет электризация воздуха в зоне высокой напряженности электростатического поля. Образующиеся аэроионы действуют на нервные окончания, заложенные в кожных покровах. Также они действуют на рецепторы слизистых оболочек при вдыхании ионизированного воздуха, попадают в кровь и воздействуют на поверхность форменных элементов, в значительной степени меняя электрический заряд клеток. Благоприятная работа биосистем организма при восприятии электрического воздействия начинается с некоторой пороговой плотности электрического заряда воздуха и нарушается, когда в двойном слое тканевых и клеточных мембран достигает предпробойное состояние. Значительное отклонение плотности зарядов аэроионов от среднего значения () приводит к нарушениям в передаче электрических импульсов по трансмембранным цепям. В ослабленном организме это может послужить поводом для летального исхода, что было подтверждено работами Чижевского. Практическое применение – статдуш, аэроионотерапия, аэрозольэлектротерапия. ^ Статдуш (франклинизацию) проводит с помощью электрического поля напряжением 50 кВ. При общей франклинизации пациента помещают на изолированную подставку, но так, чтобы он ногами касался металлической пластины, которая присоединена к положительному полюсу источника высокого напряжения. Другой электрод, соединенный с «минусом», располагают в области головы, на расстоянии 10-15 см. Электрод имеет конструкцию в виде «паука». Лечебное действие оказывают образующиеся в области головы отрицательные аэроионы и небольшое количество озона. Положительные («вредные») аэроионы нейтрализуются на верхнем электроде. Аэрозольэлектротерапия – это использование электризации капель лекарственного аэрозоля для увеличения эффективности аэрозольтерапии. Последнюю процедуру часто используют при необходимости массовой обработки (профилактика болезней хозяйственных животных). Аэрозоль – это мелко распыленная в воздухе лекарственная жидкость, предназначенная для вдыхания. Электризацию частиц аэрозоля проводят путем осаждения на них аэроионов.

34. ^ Переменным электрическим полем называется поле, напряженность которого изменяется по закону синуса или косинуса: . Основное действие переменного электрического поля на живой организм сводится к тепловому эффекту. Кроме тепловых имеет место ряд специфических эффектов. Соотношение всех явлений и эффектов зависит от частоты колебаний переменного электрического поля. Под действием приложенного поля в ткани происходят две основные группы явлений: индуцируются ионные токи в проводящих частях живой ткани и индуцируются токи смещения в диэлектрических частях ткани и на границе раздела фаз. Для описания процессов вводят понятие эффективной напряженности . Токи проводимости вызывают нагрев проводящей ткани. Количество тепла, выделяемого при этом в проводящей ткани, пропорционально квадрату эффективной напряженности поля и обратно пропорционально удельному сопротивлению ткани: , где k₁ – коэффициент пропорциональности, зависящий от конкретных условий, ρ – удельное сопротивление ткани. Токи смещения вызывают нагрев диэлектрической ткани. Количество тепла, образующееся в диэлектрике, пропорционально квадрату эффективной напряженности поля, частоте, относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика и тангенсу угла потерь: , где k₂ – коэффициент пропорциональности, зависящий от условий облучения, - циклическая частота переменного электрического поля, - угол диэлектрических потерь - угол между векторами тока и его реактивной составляющей. является важной характеристикой диэлектрика и характеризует долю энергии переменного электрического поля, расходуемой в диэлектрике на его нагревание. Живую ткань можно рассматривать как многослойную структуру, состоящую из перемежающихся слоев растворов электролита (проводящая ткань), разделенных слоями диэлектрика. В зависимости от частоты поля основное выделение тепла может иметь место преимущественно либо в проводящих тканях, либо в диэлектриках. Помимо тепловых эффектов, вызванных действием переменного электрического поля, в живой ткани наблюдаются и специфические эффекты. На уровне рассмотрения первичного механизма действия поля на живую ткань специфический эффект сводится к вращательным колебаниям органических молекул или их частей, что оказывает значительное влияние на физиологическое состояние клеток (осцилляторное действие поля). Практическим применением переменного электрического поля для лечения являются УВЧ – терапия и импульсная УВЧ – терапия. В отечественной аппаратуре для ^ УВЧ – терапии используют частоту 40,58 МГц. На данной частоте происходит преимущественный прогрев плохо проводящих тканей (жировых). В случае, когда тепловой эффект нежелателен, а требуется только осцилляторный эффект от воздействия электрическим полем, используют импульсную УВЧ – терапию. Если высокочастотное поле воздействует на ткань кратковременными импульсами, то ткани просто не успевают нагреваться. Методы УВЧ – терапии позволяют прогревать сразу весь объем ткани при возможности строго дозировать процесс в отличие от обычной «грелки», когда прогрев идет с поверхности и неизвестно, сколько тепловой энергии выделилось в конкретном участке жировой ткани.

37. Ток, при котором плотность тока в каждой точке проводника не меняется со временем, называют постоянным. Это возможно только при постоянной разности потенциалов на его концах. Чтобы в ткани вызвать электрический ток, следует создать электрическую цепь: необходимо к ткани приложить электроды, а к ним подключить источник ЭДС. После включения в цепь источника ЭДС сила тока не остается постоянной, а сразу же начинает падать, пока не установится на уровне значительно ниже первоначального. Если быстро отключить от источника ЭДС электроды и присоединить их к чувствительному вольтметру, то можно зарегистрировать ЭДС встречного направления, ниспадающую во времени. Поэтому закон Ома для ткани, через которую пропускают постоянный ток, примет вид: , где ε – внешнее приложенное напряжение, U(t) – меняющееся во времени встречное напряжение, R – электрическое сопротивление ткани. Электропроводность тканей и органов зависит от их функционального состояния. Например, при воспалении клетки набухают, уменьшается сечение межклеточных соединений и электрическое сопротивление увеличивается; физиологические явления, вызывающие потливость, сопровождаются возрастанием электропроводимости кожи и сопротивление уменьшается. Воздействие постоянного тока на организм зависит от силы тока, поэтому весьма существенное значение имеет электрическое сопротивление тканей, прежде всего кожи. Практическое применение прохождения постоянного электрического тока через ткани – гальванизация, электрофорез лекарственных веществ. Гальванизация – метод физиотерапии, заключающийся в воздействии на организм больного постоянного электрического тока низкого напряжения (до 60В). Плотность тока 0,1-0,5 мА/м² на активном электроде, общая величина тока 10-300 мА. Электрофорезом лекарственных веществ называют особый способ введения лекарственных препаратов через кожу или слизистые оболочки. Посредством электрофореза могут быть введены только препараты, образующие в воде электрически заряженные частицы. Отличие электрофореза от гальванизации состоит в том, что прокладку между кожей и электродом смачивают не водой, а раствором лекарственного препарата.

35.Электрический ток – это упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов. ^ За направление электрического тока принимается направление движения положительных зарядов. Сила тока – скалярная величина, равная заряду, переносимому носителями тока через поперечное сечение проводника в единицу времени: . Основной единицей силы тока в СИ является . Плотность тока – векторная физическая величина, характеризующая быстроту переноса заряда в проводнике через единицу площади его поперечного сечения: . Основной единицей измерения плотности тока в СИ является . Для получения тока в течение длительного времени нужно построить замкнутую электрическую цепь, электрический ток в которой будет поддерживать источник электрической энергии. Источник тока характеризуют электродвижущей силой (ЭДС) – работой сторонних сил, выполненной при перемещении единичного положительного заряда: . Единицей измерения ЭДС является В. ^ Электрическое сопротивление участка цепи R - характеристика электрических свойств данного участка цепи, определяющая упорядоченное перемещение носителей тока на этом участке. Оно определяет степень противодействия частиц вещества упорядоченному движению заряженных частиц. Основной единицей сопротивления в СИ является Ом. Сопротивление проводника на участке неразветвленной цепи зависит от материала проводника, его геометрической формы и размеров: , где l – длина, S – площадь поперечного сечения проводника, - удельное сопротивление вещества, из которого сделан проводник – сопротивление проводника из данного материала длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м². Удельное сопротивление измеряется в . Если несколько проводников соединить последовательно (начало последующего с концом предыдущего), то общее их общее сопротивление равно сумме всех отдельных проводников: . При параллельном соединении (начала и концы проводников соединяются вместе) общее сопротивление проводников может быть определено по формуле: . Величина, обратная удельному сопротивлению называется удельной проводимостью. Единицей измерения удельной проводимости в СИ является . Закон Ома для участка цепи: сила тока прямо пропорциональна разности потенциалов на концах участка цепи и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка: , где Δφ=U – разность потенциалов (напряжение) на концах участка цепи. Выведем закон Ома для участка цепи в дифференциальной форме, используя формулы ; ; ; , получим: или . Итак, - плотность тока в проводнике пропорциональна напряженности поля в данной точке проводника. Закон Ома для замкнутой цепи: Сила тока в цепи прямо пропорциональна ЭДС, действующей в цепи, и обратно пропорциональна сумме внешнего и внутреннего сопротивлений: ,где R – внешнее сопротивление, r – внутреннее сопротивление (сопротивление источника тока).