dr Dorota Wierzuchowska FIZYKA i BIOFIZYKA Siły działające w przyrodzie, podstawowe prawa fizyki, mechanika prezentacja do wykładu 1. dr Dorota Wierzuchowska

      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.

Podstawę badań fizycznych stanowi pomiar wielkości fizycznych, polegający na porównaniu danej wielkości z inną wielkością tego samego rodzaju, przyjęta 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.

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 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 r ma zwrot przeciwny do wektora Fg (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 Przyspieszenie z jakim porusza się ciało jest wprost proporcjonalne do działającej siły wypadkowej.

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

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 zamknięty jest to układ, który jest równocześnie izolowany mechanicznie i adiabatycznie. 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.

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 Kinematyka- bada ruch bez wnikania w przyczyny jakie ten ruch powodują. Dynamika- zajmuje się przyczynami jakie powodują ruch i powstawanie przyspieszeń.

Wielkości opisujące ruch Położenie- w wybranym układzie odniesienia np. kartezjańskim, do określenia położenia wystarczy podać trzy współrzędne punktu (x,y,z) Prędkość- charakteryzuje zmiany położenia w czasie

Przyspieszenie- określa zmiany prędkości w czasie

Klasyfikacja ruchów ze względu na zmiany prędkości Przyspieszenie jest równe zero- prędkość jest stała w czasie, ruch jest jednostajny prostoliniowy Przyspieszenie jest stałe w czasie- prędkość się zmienia jednostajnie w czasie, ruch jest jednostajnie przyspieszony

Klasyfikacja ruchów ze względu na kształt toru ruchu Ruch prostoliniowy- np. prostoliniowy jednostajny, prostoliniowy jednostajnie przyspieszony (opóźniony); kierunek wektora przyspieszenia jest zgodny z kierunkiem ruchu Ruch krzywoliniowy- np. ruch po okręgu (jednostajny, jednostajnie przyspieszony); istnieje składowa przyspieszenia prostopadła do toru.

Ruch okresowy, periodyczny Szczególnym rodzajem ruchu jest ruch okresowy w którym charakteryzujące go wielkości mają wartości powtarzające się co pewien przedział czasu zwany okresem T. Przykładem ruchu okresowego jest ruch jednostajny po okręgu, ruch wahadła, drgania sprężyny, drgania jonów sieci krystalicznej, ruch ładunków w czasie przepływu prądu zmiennego, bicie serca, oddychanie.

Ruch harmoniczny Szczególnym przypadkiem ruchów okresowych są drgania harmoniczne w których wartość siły F powodującej ruch jest wprost proporcjonalne do wychylenia x i jest przeciwnie skierowana (ma przeciwny znak) Przykładem są drgania wahadła matematycznego w przypadku małych drgań, małych wychyleń punktu materialnego od położenia równowagi.

Okres drgań w ruchu harmonicznym

Wahadło matematyczne wahadło matematyczne to punkt materialny o masie m, zawieszony na cienkiej nieważkiej nici o długości l, poruszający się ruchem drgającym w wyniku działania siły grawitacji.

Siła ciężkości (ciężar kulki) F = mg rozkłada się na dwie składowe F1 oraz F2. Siła F2 - napina nić. Siła F1 powoduje ruch wahadła w kierunku położenia równowagi, a jej wartość jest równa:

dla małych kątów (wyrażonych w mierze łukowej) siła powodującą ruch wahadła jest równa: siła ta jest proporcjonalna do wychylenia, jest to wiec ruch harmoniczny

Okres drgań wahadła matematycznegp