10. Для чого людині потрібні зв’язки? Чому м’язи людини безпосередньо не з’єднані з кісткою або клапаном? Поясніть механічну модель м’яза.

Відповідь. Спрощено м’яз можна уявити як систему скорочувальних і пружних елементів, послідовно з’єднаних один з одним і прикріплених на обох кінцях до міцних кісткових елементів. Скорочу-вальний елемент складається із м’язових клітин: кардіоміоцитів у серцевому м’язі та м’язових волокон у скелетних м’язах.

Як відомо, під час скорочення м’язові клітини зменшуються (інколи до 1/3 своєї довжини) завдяки ковзанню актин-міозинових міофібрил одна відносно одної. Під час розслаблення довжина м’яза збільшується за рахунок зворотного процесу. Це означає, що скорочувальний елемент — еластичний елемент, який легко піддається зворотній пружній деформації на стиснення й розтягнення. Такий еластичний елемент не може мати великої механічної міцності, оскільки ці дві властивості — еластичність і міцність — сумісні лише частково. Якщо скорочувальний елемент буде безпосередньо прикріплений до пружного елемента, то у разі певного механічного навантаження може відбутися розрив скорочувальних елементів. Тому в системі потрібен посередник — пружний елемент — у передачі м’язової сили (тяги) до кісток скелета (або до клапанів серця). У м’язовій системі пружний елемент — це зв’язки.

Зв’язки утворені сполучною тканиною. Відмінність від міцних типів тканин у тому, що між клітинами зберігаються великі проміжки, заповнені значною кількістю міжклітинної речовини, яка виділяється цими клітинами і становить основну масу сполучної тканини. Міжклітинна речовина зв’язок, в основному, містить особливий білок колаген, молекула якого складається із трьох спірально згорнутих білкових ланцюгів. У зв’язках молекули колагену з’єднуються між собою поперечними зв’язками в пучки, утворюючи фібрили, які в свою чергу з’єднуються одна з одною ще додатковими речовинами, що мають здатність скріплювати. З одного боку, така структура характеризується великою механічною міцністю, а, з іншого, деякою пружністю, здатністю розтягуватися.

Одним кінцем зв’язки прикріплюються до м’яза. Між м’язовими волокнами також є тонкі прошарки колагену у складі сполучної тканини, і весь м’яз теж оточений сполучнотканинною капсулою. Тобто подібні структури легко й надійно з’єднуються (зростаються) між собою. Другий кінець зв’язки прикріплений до міцного елемента (кістки, клапани).

Серцеві клапани — похідні ендокарду. Ендокард вистилає внут-рішню'поверхню серця, який утворений сполучною тканиною. У нашій системі вони відіграють роль міцних елементів, оскільки являють собою міцні колагенові утворення, які, на відміну від кісток, мають значну пружність. У серці вони з’єднані із сосочковими м’язами стінок шлуночків із допомогою хорд (сухожиль). Тому, тут, як і у скелетно-м’язовій системі, реалізується механічна модель, яку ми щойно розглядали.

З іншого боку, зв’язки, маючи компактний об’єм, зменшують площу поверхні з’єднання м’яза і кістки. Чому це важливо? Відомо, що сила, яку розвиває м’яз, пропорційна сумі сил окремих волокон. Чим товщий м’яз і більша фізіологічна площа його поперечного перерізу, тим він сильніший. Тому там, де потрібні сильні й потужні м’язи, зв’язки поступово зменшують їх об’єм до місця прикріплення на кістці.

Поверхня кістки обмежена. Крім того, є типи суглобів: блокопо-дібні (ліктьовий, колінний, міжфаланговий), кулясті (плечовий), еліпсоподібні (до кісток яких прикріплено кілька або багато м’язів), сідлоподібні (один із суглобів великого пальця руки), циліндричні (один із суглобів передпліччя). Зрозуміло, що саме зв’язки дають змогу кріпитися багатьом м’язам на сусідніх точках поверхні кістки.

Підсумовуючи, можна сказати, що роль зв’язок у скелетно-м’язовій системі -— це створення максимальної міцності (на момент скорочення) за мінімального об’єму (у місці прикріплення).

11. Чому в кінці стрибка спортсмен опускається на зігнуті ноги?

Відповідь. Для того, щоб пом’якшити, амортизувати удар по ногах,

що виникає під дією удару людини об землю (за третім законом Ньютона).

12. На парашутиста, який спускається, діє сила земного тяжіння. Тобто рух має бути рівноприскореним. Однак насправді він рухається практично рівномірно. Чому?

Відповідь. На рух парашутиста впливають в основному дві сили, рівні за модулем, але спрямовані протилежно: сила тяжіння Землі й сила опору повітря, залежна від швидкості руху.

13. Серце являє собою одну з найдосконаліших систем, створених природою. Поясніть із точки зору фізики, що керує роботою серцевих м’язів.

Відповідь. Роботою серцевих м’язів керує природне синхронізуюче джерело електричної напруги (генератор) — так званий синусний вузол, у якому є особливі клітини, розташовані в правому передсерді поблизу місця впадання верхньої порожнистої вени. Імпульси, що ви-робляються ним, «керують» скороченням серця, задаючи останньому певний ритм. Частота серцевих скорочень визначається природним «генератором» і піддається впливу нервової системи.

Регулятором надходження енергії в серцево-судинну систему є автономна нервова система, яка керує скороченням серцевого м’яза. Вона перебуває під впливом вищих відділів головного мозку, але за відсутності цих впливів може працювати й автономно.

14. На що витрачається енергія, отримана внаслідок скорочення шлуночків серця?

Відповідь. Значна частина енергії крові, що рухається, витрачається на подолання опірності судин малого й великого кіл кровообігу. Частина кінетичної енергії переходить у потенціальну енергію пружної деформації еластичних стінок аорти і крупних артерій. При цьому повна енергія крові, що рухається, залишається відносно постійною величиною. Під час руху крові по судинах відбувається перетворення одного виду механічної енергії на інший (відповідно до законів збереження енергії).

15. Усі ми знаємо, що коливання стінок судин пов’язане з діяльністю серця. Ці коливання, як правило, не збігаються з хвилею розповсюдження порції крові, що надійшла до судин під час систоли. Як рухається пульсова хвиля? Коли її швидкість зростає?

Відповідь. Пульсова хвиля може дійти до артерії стопи за 0,2 с, натомість відповідна порція крові досягне цієї ділянки не раніш як через

7—10 с після викиду із серця. А коли стінка стає більш жорсткою (при атеросклерозі), ця швидкість зростає.

16. Загальновідомо, що негативний вплив на стан серцево-судинної системи здійснює урбанізоване середовище, пов’язане з розростанням міст. Встановлено, що 70 % захворювань серця і судин пов’язано зі спільною дією хімічного і шумового забруднення середовища. Різноманітні умови середовища міста спричинюють виникнення серцево-судинних хвороб і викликають явище «помолодшення» інфаркту міокарду. У чому проявляється негативний вплив гіподинамії? '■

Відповідь. Упродовж історичного розвитку людини, її біологічна природа, а разом із нею і серцево-судинна система, суттєво не змінилися. Система кровообігу призначена для інтенсивного, рухливого способу життя. Наші предки витрачали багато м’язової енергії на пересування, добування їжі, боротьбу з небезпекою. За сучасного устрою життя, особливо міського, в умовах технічного оснащення виробництва і комфортабельності помешкання, розвитку транспорту м’язова активність людини стала мінімальною. Навіть звичайні фізичні навантаження для людей із малою руховою активністю здаються важкодоступними, що викликає появу серцево-судинних захворювань. Гіподинамія спричинює заміну м’язової тканини на жирову, а це, натомість, призводить до ожиріння і появи атеросклерозу.

17. Поясніть, чому артеріальний тиск має виняткове значення для руху крові. Проведіть аналогію кровообігу з фізичним законом Ома.

Відповідь. Артеріальний тиск має виняткове значення для руху крові, оскільки саме перепад тиску на початку судини і в кінці її — рушійна сила крові. Можна провести аналогію з фізичним законом Ома' для ділянки електричного ланцюга: силу струму можна порівняти з об’ємною швидкістю кровообігу, електричний опір — з опором судин, а перепад напруги — з різницею артеріального тиску на даній ділянці системи кровообігу.

18. Запропонуйте кілька чинників, від яких залежатиме артеріальний тиск. Чи залежить величина артеріального тиску від віку та маси тіла? Який метод використовують при вимірюванні тиску?

Відповідь. Першим чинником є кількість крові в циркуляторному руслі. Так, наприклад, якщо людина втрачає кров при пораненні, тиск падає і руху крові немає. Ось чому пораненому влити кров неможливо, йому потрібно перелити якийсь кровозамінник, зокрема, фізіологічний розчин солі (0,9 %). Окрім того, саме цей чинник (кількість крові) пояснює, чому шкідливо надмірно вживати сіль. Вона затримує воду в судинах, і тиск крові підвищується (хоч би які ліки приймала людина). Тому при підвищеному тиску треба зменшити вживання солі.

Другим чинником є сила скорочень серця. Регулюючи силу цього природного насоса, ми неодмінно регулюємо і тиск. Це добре знають хворі, які приймають, наприклад, адреноблокатори, що перешкоджають стимулюючій дії адреналіну і норадреналіну на серце.

Третім чинником можна вважати частоту скорочень серця, а четвертим — рівень напруження стінки й звуження судин (так званий судинний тонус). Звісно, під час серцевого скорочення тиск зростає —його називають систолічним, або верхнім (у середньому він становить 110—120 мм рт. ст.), а під час діастоли падає — діастолічний, або нижній (60—70 мм рт. ст.).

У підлітків артеріальний тиск становить 100—110/60—70 мм рт. ст.

У дорослих тиск залежить від віку і маси тіла. Його можна визначити за формулами.

Для жінок:

АТ сист. = 102 + (0,7 віку) + (0,15 маси тіла);

АТ діасг. = 78 + (0,17 віку) + (0,1 маси тіла).

Для чоловіків:

АТ сист. = 109 + (0,5 віку) + (0,1 маси тіла);

АТ діаст. = 74 + (0,1 віку) + (0,15 маси тіла).

Тиск зазвичай вимірюється на передпліччі за методом російського військового лікаря М. С. Короткова (1905 р.).

19. Відомий такий спосіб, який дає змогу експериментально викликати у людини колапс: піддослідного фіксують на спеціальному столі й дуже повільно підіймають, переводячи із горизонтального положення у вертикальне. Поясніть, чому при цьому різко падає артеріальний тиск.

Відповідь. Тиск у кровоносних судинах визначається їх тонусом. Як відбувається регуляція тонусу судин? За різкої зміни положення (наприклад, із горизонтального на-вертикальне) кров під дією сили ваги спрямовується в нижні кінцівки. Кровопостачання у верхній частині тулуба зменшується. Артеріальні барорецептори (розміщені в дузі аорти і сонних артеріях) реагують на падіння тиску, що викликає активацію симпатоадреналової системи. А це, у свою чергу, призводить до спазму артеріол на периферії, збільшенню викиду крові, і артеріальний тиск нормалізується (він підвищується, забезпечуючи нормальне кровопостачання головного мозку як найбільш чутливого до ішемії органа). Відбуваються вказані процеси за лічені секунди (кожному з нас відомі короткочасні легкі запаморочення голови, дзвін у вухах і «мушки» перед очима, коли ми різко зіскакуємо з ліжка).

За умов завдання механізм компенсації не спрацьовує. Якщо дуже повільно змінювати положення тіла, рецептори не уловлюють ледве фіксованих багатоступеневих змін тиску. Барорецептори «оцінюють» швидкість зміни тиску (тобто зміни тиску на одиницю часу). У запропонованому досліді швидкість зміни тиску дуже мала. Унаслідок цього верхня частина тулуба вже відчуває нестачу кровопоста-чання, а тонус судин так і залишається на початковому рівні. Може настати навіть смерть піддослідного через нестачу кровопостачання мозку.

20. Що у лексиконі водолазів означає термін «кров кипить»?

Відповідь. Зазвичай це відбувається тоді, коли водолази — ловці

перлин, працюючи на значній глибині тривалий час, піднімаються дуже швидко. Азот у повітрі під час занурення на велику глибину інтенсивно розчиняється у крові. Якщо швидко піднятися на поверхню, бульбашки азоту виділяються з крові й вона починає «кипіти».

21. Чому людина, піднімаючись у гори, відчуває нестачу кисню, хоча його вміст у повітрі залишається практично незмінним?

Відповідь. На значній висоті тиск кожного газу, що входить до складу повітря, у тому числі й кисню, зменшується. Низький тиск кисню стає перепоною його надходженню в організм людини. Унаслідок цього починається сильне кисневе голодування, з’являється запаморочення і прискорене дихання.

22. Голосовий апарат — це автоколивальна система, яка складається з: а) розташованих у гортані голосових зв’язок; б) кількох повітряних порожнин — носової, ротової й горлової; в) дихального апарату — трахеї, бронхів, легенів. Доведіть, що голосовий апарат є автоколивальною системою. Від чого залежить частота коливань голосових зв’язок та яким чином відбувається формування звуку в повітряних порожнинах?

Відповідь. Частота коливань голосових зв’язок залежить як від власних параметрів, так і від впливу ЦНС. Під час утворення звуків щілина між зв’язками звужується, їх м’язові волокна напружуються, а вільні краї зв’язок починають коливатися. У стовпчику повітря, що проходить крізь щілину, виникають згущення й розрідження — основа звукової хвилі. Остаточне формування звуку відбувається в повітряних порожнинах, розміщених вище (переважно ротової), які є резонаторами. На цей процес суттєво впливає зміна об’єму і форми ротової порожнини, яка залежить від взаємного розташування язика, губ і зубів. Під час утворення приголосних звуків (які ближче до шумів) у коливаннях беруть участь також м’яке піднебіння, кіичик язика. Частота коливань звукової хвилі визначає висоту звуку, а її амплітуда (визначає гучність звуку) залежить від ступеня напруги і довжини голосових зв’язок, а також від швидкості й тиску потоку повітря, яке проходить крізь щілину. Механізм виникнення багатьох звуків суттєво залежить від утворення вихорів у потоці повітря, яке проходить через мовний тракт.

23. Лікарями встановлено, що спів покращує кровопостачання голосових зв’язок. Як ви думаєте, чи впливатиме благотворно спів на стан язика, піднебінних мигдалин і численних лімфатичних вузлів, розташованих у ротовій порожнині та глотці?

Відповідь. Справді, спів благотворно впливає не лише на голосові зв’язки, а й на інші органи, розташовані у ротовій порожнині та глотці. Причиною цьому є те саме кровопостачання, яке у даному випадку здійснює виражений оздоровчий ефект.

При співі лімфатичні вузли й мигдалини починають посилено працювати, внаслідок чого стан імунітету в ротовій порожнині й горлі помітно покращується. Існує версія, згідно з якою покращення кровопостачання під час співу веде до активізації діяльності головного мозку.

24. На якому фізичному явищі ґрунтується процес проникнення молекул кисню з органів у кровоносні судини та проникнення поживних речовин крізь стінки кишечнику в кров?

Відповідь. Будь-яка хімічна реакція протікає лише за наявності контакту реагуючих речовин. Тому умовою інтенсивнішого перебігу реакції може бути подрібнення речовин.

У газах і рідинах процес дифузії проходить швидше, ніж у твердих тілах. Завдяки процесу дифузії молекули кисню проникають крізь мембрани пухирців легенів у кровоносні судини, і так само вьіходять із крові молекули вуглекислого газу, які потім видихаються. Крізь стінки кишечнику в кров переносяться поживні речовиьш. Якщо ХО1 на мить зупиниться тепловий рух речовин — усе живе задихнеть« в найчистішому повітрі, загине від голоду за наявності найсмачнішої їжі.

25. Під час аварії на орбітальній станції «Салют-7» не функціонувало багато приладів і агрегатів, у тому числі й вентилятори. Космо навтам В. Джанібекову і В. Савіних, які проводили ремонт і «оживля ли» станцію, було заборонено працювати всередині вдвох в одному місці. Чи мають до цієї заборони стосунок вентилятори? Слід ураху вати, що всередььні станції є звичайне «земне» повітря. Відповідь. У невагомості відсутня конвекція. Людина видихає в основному вуглекислий газ, який у вигляді хмари окутує її і не «випаровується», як на Землі за природного руху повітряних мас. Дві людини, які довго працюють разом, можуть отруїтися вуглекислим газом.

26. Зовсім недавно вчені-фізики зрозуміли, що найбільш вагомим з усіх природних джерел радіації є невидимий, без смаку і запаху важкий газ радон, який належить до радіоактивної родини урану. Він утворюється внаслідок альфа-розпаду радію-226. Оскільки радій міститься практично в усіх грунтах, крізь нього в атмосферу виділяється радон. Яким шляхом радіоактивний радон і продукти його розщеплення надходять в організм людини?

Відповідь. Радон разом зі своїми супутніми продуктами радіоактивного розщеплення відповідальний приблизно за 3/4 річної індивідуальної дози опромінення, яке отримує людина від земних джерел радіації, і приблизно більше половини цієї дози від усіх природних джерел радіації.

Радіоактивний радон і продукти його розщеплення надходять в організм людини під час дихання, тобто опромінення радоном є внутрішнім, тому найбільш небезпечним.

Людина не здатна відчути не лише малі, а й небезпечні для неї дози радіоактивного опромінення. Доведено, що концентрація радону підвищується в закритих приміщеннях, які погано провітрюються, підвалах і на нижніх поверхах. Підвали зазвичай мають земляну підлогу. У землі є радій — безпосереднє джерело радону. Крім того, через свою велику вагу радон осідає вниз.

У воді зазвичай міститься мало радону. Однак вода із деяких джерел (особливо із глибоких криниць або артезіанських свердловин) може містити радон. У цьому можна впевнитися після прийняття душу, коли підвищується концентрація парів води в повітрі, а разом із цим підвищується і радіоактивність повітря. До того ж вдихання парів із високим вмістом радону становить найбільшу небезпеку для людини.

27. Чому на кухні підвищений рівень радіоактивності, особливо після приготування їжі?

Відповідь. їжа готується під час згорання газу. А газ — це природна сполука, його добувають із-під землі, тому в ньому міститься ра-дон. І хоча радон частково розпадається за час транспортування газу, деяка його кількість усе-таки залишається.

28. Як реагує організм людини на переохолодження?

Відповідь. Під час зниження температури повітря зовні і збільшення

тепловіддачі, їжа, що з’їла людина, починає «згорати» швидше, виділяючи велику кількість теплоти. Крім цього, відбувається звуження кровоносних судин у шкірі, що призводить до зменшення приливу крові, а разом із цим — і тепла до відкритих ділянок шкіри. Знижується частота дихання, і як наслідок, зменшується втрата тепла з повітря, що видихається, скорочується кількість ударів серця за хвилину, зменшується конвекційний потік крові в організмі людини. Якщо охолодження організму продовжується, людина починає активно рухатися, тому температура тіла зазвичай не знижується більш ніж на 1—2 °С. Якщо ж людина довго перебуває на морозі, а організм ослаблений, температура тіла буде знижуватися. За зниження температури до ЗО °С і більше виникає тремтіння; організм виділяє значно більше тепла, ніж зазвичай. При зниженні температури нижче 27 °С більшість людей впадає в кому, а в разі зниження температури до 22,5 °С настає смерть.