FIZYKA i BIOFIZYKA Siły działające w przyrodzie, podstawowe prawa fizyki, mechanika prezentacja do wykładu 1. http://www.ap.krakow.pl/biofiz/wyklady/ dr Dorota Wierzuchowska Instytut Fizyki, ul. Podchorążych 2 p.313, tel. 012 6626302 dw7@onet.eu

      FIZYKA Fizyka jest podstawą wszystkich nauk przyrodniczych. Jest nauką o właściwościach materii i o zjawiskach zachodzących w przyrodzie. Bada fundamentalne i uniwersalne właściwości materii, ogólne prawa, którym podlega przebieg wszelkich procesów.

BIOFIZYKA Zjawiska fizyczne, które zachodzą w organizmach żywych, stanowią przedmiot biofizyki. Biofizyka może być traktowana jako fizyka stosowana w biologii. Prawa fizyki wyjaśniają wiele problemów o podstawowym znaczeniu dla biologii, rolnictwa i medycyny

PODSTAWY BIOFIZYKI Celem przedmiotu jest: zapoznanie z podstawowymi zjawiskami i procesami fizycznymi zachodzącymi w organizmach żywych i w przyrodzie, omówienie wybranych praw i zjawisk fizycznych mających podstawowe znaczenie dla wyjaśnienia niektórych procesów biologicznych, kształcenie umiejętności pomiaru podstawowych wielkości fizycznych.

Treść kursu: Podstawowe zjawiska i procesy fizyczne. Podstawy mechaniki klasycznej, grawitacja, elementy akustyki. Fale elektromagnetyczne, elementy optyki falowej i geometrycznej. Mikroskopia optyczna i elektronowa.

Prąd elektryczny, metody pomiaru wielkości elektrycznych, elektryczne i magnetyczne właściwości materii. Elementy fizyki jądrowej, promieniowanie jonizujące i jego oddziaływanie z materią. Magnetyczny rezonans jądrowy.

WYKŁADY -10 godzin http://www.ap.krakow.pl/biofiz/wyklady/ ĆWICZENIA LABORATORYJNE – 10 godzin http://www.ap.krakow.pl/prac1/

Ćwiczenia laboratoryjne Wyznaczanie gęstości cieczy za pomocą rurek Harry’ego i wagi hydrostatycznej.   Wyznaczanie współczynnika załamania światła za pomocą mikroskopu i metodą szpilek. Wyznaczanie współczynnika lepkości cieczy, prawo Stokesa.

Literatura Przestalski S., Elementy fizyki, biofizyki i agrofizyki. Wyd. Uniwersytetu Wrocławskiego Pilawski A., Podstawy biofizyki. PZWL Wybrane zagadnienia z biofizyki. pod red. St. Miękisza, A. Hendricha. I Pracownia Fizyczna. pod red. Cz.Kajtocha, Wydawnictwo Naukowe AP, Kraków 2007 Dryński T., Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki. Szydłowski H., Pomiary fizyczne, podręcznik dla nauczycieli. Szydłowski H., Pracownia fizyczna. Zawadzki A., Hofmokl H., Laboratorium fizyczne.

Podstawę badań fizycznych stanowi pomiar wielkości fizycznych, polegający na porównaniu danej wielkości z inną wielkością tego samego rodzaju, przyjętą za jednostkę miary.

W obowiązującym międzynarodowym układzie jednostek miar SI przyjęto siedem wielkości podstawowych: długość, masę, czas, natężenie prądu elektrycznego, temperaturę, ilość materii i światłość.

JEDNOSTKI PODSTAWOWE wielkość jednostka symbol długość metr m masa kilogram kg czas sekunda s natężenie prądu amper A temperatura kelwin K ilość materii mol światłość kandela cd

Jednostka długości - metr (m) Długość drogi przebytej w próżni przez światło w czasie 1/299 792 452 s Związane jest to z prędkością światła w próżni, która wynosi c=299 792 452 km/s

Jednostka masy - kilogram (kg) Masa międzynarodowego wzorca tej jednostki, przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Miar w Sevres pod Paryżem. W przybliżeniu masa 1dm3 czystej wody w temperaturze około 1o C równa jest 1kg.

Jednostka czasu - sekunda (s) Czas trwania 9 192 631 770 okresów promieniowania, odpowiadającego przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu 133Cs.

Jednostka natężenia prądu elektrycznego - amper (A) Natężenie stałego prądu elektrycznego, który płynąc w dwóch równoległych, prostoliniowych i nieskończenie długich przewodnikach o znikomo małym przekroju okrągłym, umieszczonych w próżni w odległości 1m od siebie, wywołałby między tymi przewodami siłę 2x10-7N na każdy metr długości tych przewodników.

Jednostka temperatury - kelwin (K) 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody

Jednostka ilości (liczności) materii - mol (mol) Ilość materii układu zawierającego liczbę cząstek (cząsteczek, atomów, jonów i in.) równą liczbie atomów zawartych w masie 0,012 kg węgla 12C.

Jednostka światłości - kandela (cd) Świałość w kierunku prostopadłym do powierzchni ciała doskonale czarnego, promieniującego w temperaturze krzepnięcia platyny, pod ciśnieniem 101 325 Pa (paskali) równej 2042,6 K, jeżeli pole powierzchni promieniującej jest równe (1/6) x10-6 m2.

Przedrostki dla jednostek podwielokrotnych mnożnik przedrostek skrót 10-1 decy d 10-2 centy c 10-3 mili m 10-6 mikro 10-9 nano n 10-12 piko p

Przedrostki dla jednostek wielokrotnych mnożnik przedrostek skrót 101 deka da 102 hekto h 103 kilo k 106 mega M 109 giga G 1012 tera T

Wielkości pochodne Wszystkie wielkości pochodne i ich jednostki określane są, na podstawie równań definicyjnych, bezpośrednio lub pośrednio za pomocą wielkości podstawowych. Na przykład wartość prędkości v w ruchu jednostajnym i prostoliniowym określona jest przyrostem drogi s w czasie t v=s/t jej wymiarem jest wiec długość podzielona przez czas, a jednostką m/s.

Pomiary wielkości fizycznych Rzeczywista wartość wielkości fizycznej nie jest znana, każdy pomiar obarczony jest niepewnością pomiarową, która świadczy o dokładności pomiaru. Wynikiem pomiaru jest zmierzona wartość (z podaniem jednostek) oraz przedział, w którym z określonym prawdopodobieństwem znajduje się wartość rzeczywista.

Masa Masa – w fizyce jedna z najważniejszych wielkości fizycznych potocznie rozumiana jako ilość materii i energii zgromadzonej w ciele fizycznym. określa bezwładność (masa bezwładna) i oddziaływania grawitacyjne (masa grawitacyjna) ciał.

Siły działające w przyrodzie Siła jest to wielkość fizyczna, opisująca wzajemne oddziaływania ciał między sobą. Siłę poznajemy po skutkach jej działania. Siła może spowodować zmianę ruchu (pędu) ciała lub spowodować jego odkształcenie. Źródłem każdej siły rzeczywistej jest ciało materialne.

Siła jest wielkością wektorową, miarą oddziaływań fizycznych między ciałami. A B Ma wartość F, punkt zaczepienia A, kierunek i zwrot. Jednostką siły w układzie SI jest niuton N 1N=(kg m)/s2

Dodawanie i rozkładanie wektorów na składowe metodą równoległoboku

Są to oddziaływania: grawitacyjne, elektromagnetyczne, Wszystkie znane oddziaływania można sprowadzić do czterech podstawowych (fundamentalnych). Są to oddziaływania: grawitacyjne, elektromagnetyczne, słabe, silne (jądrowe).

Oddziaływania grawitacyjne Wszystkie ciała materialne (masy) wzajemnie się przyciągają. Siły grawitacyjne wiążą gwiazdy w galaktyki, Słońce i planety w Układ Słoneczny, utrzymują Ziemię jako całość. Siły grawitacji są najsłabsze ze wszystkich oddziaływań i są siłami długozasięgowymi. Opisane są przez prawo powszechnego ciążenia.

Prawo powszechnego ciążenia Dwa punkty materialne o masach (grawitacyjnych) m i M przyciągają się wzajemnie siłą grawitacji Fg wprost proporcjonalną do iloczynu mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości r między punktami. G jest stałą grawitacji, Znak „-” wynika z faktu, że wektor Fg ma zwrot przeciwny do wektora r (siła grawitacji jest zawsze siłą przyciągającą)

Oddziaływania elektromagnetyczne Są to oddziaływania między ładunkami znajdującymi się w spoczynku lub w ruchu. Ładunki różnoimienne przyciągają się, a jednoimienne odpychają się. Siły elektromagnetyczne wiążą elektrony w atomach, atomy w cząsteczkach, cząsteczki w ciałach makroskopowych; odgrywają dominująca rolę w takich zjawiskach jak tarcie, spójność, sprężystość. Są siłami długozasięgowymi.

Prawo Coulomba Dwa punktowe i nieruchome ładunki elektryczne q i Q działają na siebie siłą wprost proporcjonalną do iloczynu tych ładunków, a odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości r między nimi: eo jest przenikalnością elektryczną próżni

Siła magnetyczna Na ładunek poruszający się względem innych poruszających się ładunków (np. prądu elektrycznego) działa (niezależnie od siły elektrycznej) siła prostopadła do jego prędkości. Wektor B jest to indukcja pola magnetycznego.

Pochodzenia elektromagnetycznego są również: Siły międzycząsteczkowe, van der Waalsa, cząsteczki przyciągają się na większych odległościach a odpychają na mniejszych od pewnej odległości odpowiadającej stanowi równowagi. Siły sprężystości, ciało powraca do pierwotnego kształtu po ustaniu działania siły, dla małych odkształceń jego wielkość jest wprost proporcjonalna do działajacej siły (prawo Hooke’a) Siły tarcia

Oddziaływania słabe Są odpowiedzialne za rozpad b jąder promieniotwórczych i za rozpad wielu cząstek elementarnych występujących w przyrodzie. Oddziaływania krótkozasięgowe, na odległości rzędu 10-15m. Nie tworzą układów związanych.

Oddziaływania silne Wiążą ze sobą m. in. nukleony w jądrze atomowym. Oddziaływania o bardzo małym zasięgu działania, około 10-15m. Najsilniejsze ze wszystkich oddziaływań, większe o: 2 rzędy wielkości od słabych, 5 rzędów od elektromagnetycznych, 40 rzędów od grawitacyjnych.

Pola sił Siły, z którymi się spotykamy działają w określonej przestrzeni. Na ciało umieszczone w dowolnym punkcie tej przestrzeni działają określone siły. Obszar, w którym w każdym punkcie określona jest siła działająca na ciało, nazywamy polem sił. Każda cząstka wytwarza wokół siebie pole i poprzez to pole oddziałuje na inne cząstki. Masy wytwarzają wokół siebie pole grawitacyjne, a ładunki pola elektromagnetyczne.

Wpływ pola grawitacyjnego na organizmy żywe Równowaga organizmów w polu grawitacyjnym Geotropizm Grawimorfizm Wpływ nieważkości Wpływ przeciążeń

Wpływ pola elektromagnetycznego na organizmy żywe efekty termiczne, nagrzewanie ciał, przebieg procesów metabolicznych, orientacja w przestrzeni zwierząt np. ptaków, wpływ na układ nerwowy i sercowo-naczyniowy, transport jonów przez błony komórkowe, zmiany czynnościowe i morfologiczne.

Prawa i zasady fizyki Zasada fizyki to powszechna i ogólna prawidłowość fizyczna stwierdzona doświadczalnie. Prawo fizyczne określa związek między wielkościami charakteryzującymi stan układu fizycznego lub przebieg określonego zjawiska fizycznego. W miarę możliwości prawa i zasady fizyki wyrażane są w postaci równań matematycznych np. prawa ruchu, zasady dynamiki, zasady termodynamiki, zasady zachowania.

Zasady dynamiki Newtona Pierwsza zasada dynamiki Jeżeli wypadkowa wszystkich sił działających na ciało jest równa zero, to przyspieszenie ciała jest równe zero.

Druga zasada dynamiki m - masa bezwładna Przyspieszenie z jakim porusza się ciało jest wprost proporcjonalne do działającej siły wypadkowej. m - masa bezwładna

Trzecia zasada dynamiki Jeżeli dwa ciała działają na siebie to siły oddziaływania są sobie równe, lecz przeciwnie skierowane (nie równoważą się, bo przyłożone są do różnych ciał).

Zasady zachowania Zasadami zachowania nazywamy prawa stwierdzające, że wartość jakiejś wielkości fizycznej w określonych warunkach, na przykład w układzie zamkniętym (odosobnionym, izolowanym), nie ulega zmianie w czasie. Nie stwierdzono odstępstw od praw zachowania. Uważa się więc, że dowolne hipotetyczne zjawisko w którym nie są spełnione prawa zachowania nie jest możliwe. Zasady zachowania są więc ważne nie tylko ze względów teoretycznych, ale również praktycznych. Są proste i uniwersalne, więc przy rozwiązywaniu wielu problemów najpierw odnosi się zasady zachowania do danej dziedziny, a później korzysta z innych metod.

Układ jest izolowany mechanicznie, jeżeli nie działają na niego żadne siły zewnętrzne, tzn. nie może wymieniać energii z otoczeniem poprzez wykonanie pracy. Układ izolowany adiabatycznie nie może wymieniać energii z otoczeniem drogą wymiany ciepła. Układ zamknięty jest to układ, który jest równocześnie izolowany mechanicznie i adiabatycznie.

Zasady zachowania w fizyce 1. Zasada zachowania energii 2. Zasada zachowania pędu 3. Zasada zachowania momentu pędu 4. Zasada zachowania ładunku i inne.

1.Zasada zachowania energii całkowitej. W układzie zamkniętym suma wszystkich rodzajów energii jest stała, chociaż jeden rodzaj energii może przechodzić w inny. Należy również uwzględnić energię związaną z masą spoczynkową zgodnie z równaniem E=mc2.

Przemiany energetyczne Przechodzenie jednego rodzaju energii w drugi, czyli przemiany energetyczne, są zjawiskiem powszechnym w przyrodzie. Organizmy żywe mogą istnieć i funkcjonować dzięki przemianom energii.

Przemiany energetyczne w organizmach żywych fotosynteza - transformacja energii słonecznej w energię chemiczną; skurcz mięśnia – przekształcenie energii chemicznej w energię mechaniczną, proces słyszenia- przemiana energii mechanicznej fali dźwiękowej w energię impulsu elektrycznego w receptorach ucha wewnętrznego, oddychanie komórkowe – wykorzystanie energii wiązań chemicznych w cząsteczkach pokarmu do realizacji funkcji metabolicznych komórki, w szczególności do wykonania pracy.

Zasada zachowania energii mechanicznej W układzie zamkniętym, w którym występują tylko siły zachowawcze, a więc bez tarcia, ogólna zasada zachowania energii sprowadza się do jej przypadku szczególnego, zasady zachowania energii mechanicznej. W takim układzie izolowanym mechanicznie suma energii kinetycznych i potencjalnych jest wielkością stałą. Jeden rodzaj energii może przechodzić w drugi, ale suma jest stała.

2. Zasada zachowania pędu. Jeżeli wypadkowa sił zewnętrznych działających na układ jest równa zeru to suma pędów jest wielkością stałą w czasie. Zasada zachowania pędu wyjaśnia różnorodne zjawiska: zderzenia ciał, ruch rakiet, również ruch niektórych głowonogów w wodzie. Mątwa wciąga wodę, a następnie energicznie wyrzuca strumień wody, nadając wodzie pęd sama uzyskuje pęd skierowany przeciwnie.

3. Zasada zachowania momentu pędu Jeżeli wypadkowy moment sił zewnętrznych działających na układ jest równy zero to całkowity moment pędu jest stały w czasie. Zasada zachowania momentu pędu jest podstawą działania żyroskopów, tłumaczy zmiany prędkości obrotu łyżwiarza w czasie wykonywania piruetu, ma znaczenie dla struktury, kształtu i ewolucji wszelkiego rodzaju ciał niebieskich.

4. Zasada zachowania ładunku. Sumaryczny ładunek układu izolowanego (z uwzględnieniem, że ładunki są dodatnie i ujemne) jest stały. Ładunku nie można stworzyć, ani nie może on zniknąć.

Mechanika Statyka - zajmuje się równowagą układów sił m.in. równowagą cieczy (hydrostatyka) Kinematyka- bada ruch bez wnikania w przyczyny jakie ten ruch powodują. Dynamika- zajmuje się przyczynami jakie powodują ruch i powstawanie przyspieszeń.

Ciecze Ciecze są substancjami nie posiadającymi własnego kształtu, dopasowują się do kształtu naczynia, w którym się znajdują. Cząsteczki cieczy mogą przemieszczać się ślizgając się po sobie, ciecz może płynąć. Ciecz nieściśliwą i pozbawioną lepkości nazywamy cieczą idealną lub doskonałą. Ciecz rzeczywista odznacza się ściśliwością i lepkością.

Siły wzajemnego oddziaływania w cieczach Elektrostatyczne przyciąganie przeciwnie naładowanych jonów Elektrostatyczne siły oddziaływania dipolowego Powstawanie wiązań wodorowych Siły dyspersji (siły Van der Waalsa) Siły odpychania przy bardzo dużym wzajemnym zbliżeniu cząsteczek np. w wyniku sprężania

Ściśliwość cieczy Ciecze mają małe, ale około 100 razy większe niż w ciałach stałych, współczynniki ściśliwości. Wynika stąd, że między cząsteczkami znajdują się jeszcze wolne przestrzenie. W cieczach występuje uporządkowanie bliskiego zasięgu, ruch termiczny uniemożliwia wytworzenie uporządkowanych dużych struktur, jedynie dynamiczne stany uporządkowania w zasięgu paru średnic cząsteczki.

Struktura wody W wodzie występują duże i ukierunkowane siły przyciągania (oddziaływania dipolowe, wiązania wodorowe) powodujące silnie zaznaczone stany uporządkowania np. kompleksy (H2O)8 ze względnie dużą wolną przestrzenią wewnętrzną.

Anomalne właściwości wody Struktura tłumaczy wiele anomalnych właściwości fizycznych wody: duże wartości ciepła parowania, ciepła właściwego, zdolności przewodzenia ciepła, napięcia powierzchniowego. anomalne zależności ściśliwości, gęstości, lepkości, prędkości dźwięku.

Ciśnienie hydrostatyczne Ciśnienie wywierane przez ciecz i związane z jej własnym ciężarem nazywa się ciśnieniem hydrostatycznym. Na głębokości h (od górnego poziomu cieczy) wynosi ono p = rgh gdzie r - gęstość cieczy, g-przyspieszenie ziemskie (w Krakowie 9,81m/s2)

Prawo Pascala Ciśnienie w cieczy jednorodnej (zewnętrzne, hydrostatyczne) rozchodzi się równomiernie we wszystkie strony, działając prostopadle na każdą powierzchnię.

Zatem ciśnienie w dowolnym miejscu cieczy, na głębokości h, jest sumą ciśnienia zewnętrznego pz wywieranego na ciecz i ciśnienia hydrostatycznego: p = pz + ρgh

Równowaga cieczy w naczyniach połączonych W cieczy jednorodnej w naczyniach połączonych ciśnienia na ustalonym poziomie są równe. Poziomy cieczy są jednakowe.

W przypadku dwóch różnych cieczy na poziomie rozdziału cieczy ciśnienia muszą być po obu stronach jednakowe. Oznacza to: r1h1 = r2h2

gęstość badanej cieczy Rurki Harry’ego Wyznaczanie gęstości cieczy Patm= po + rc g hc Patm= po + rw g hw rc hc= rw hw gęstość badanej cieczy rc = rw hw /hc

Prawo Archimedesa Na każde ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu skierowana pionowo do góry, której wartość równa jest ciężarowi cieczy wypartej przez to ciało. Fw=rcgV rc -gęstość cieczy V - objętość wypartej cieczy

Waga hydrostatyczna Wyznaczyć masę obciążnika w powietrzu– m1 zanurzonego w wodzie destylowanej – m2 , zanurzonego w badanej cieczy – m3. gęstość badanej cieczy: