Физика и стакан чая
- Участник:Пугачёв Владимир Александрович
- Руководитель:Жукова Наталья Вячеславовна
Наука — сила; она раскрывает отношения вещей, их законы и взаимодействия.
(А. И. Герцен)
Начав изучать физику мне стало интересно… А действительно ли физику можно найти во всем?
Вот так однажды, собираясь утром в школу, завтракая, я задумался, глядя на стакан с чаем, из которого еще не успел вынуть ложку, которой накладывал и размешивал сахар. Есть ли во всем этом физика, и если есть, то в чем она проявляется. И я начал искать ответы на все свои вопросы.
Цель: исследовать, как законы физики работают в нашей повседневной жизни, расширить знания о человеческом теле, объяснить физическую природу действия отдельных частей тела, подтвердить теоретические факты опытными результатами, обобщить приобретённые знания и сделать выводы.
1. Первое, что я заметил, когда пью чай – мне становится тепло и мои щеки начинают розоветь.
Если изменяется температура тела, то возбуждаются кожные нервные окончания, воспринимающие тепловое раздражение, и благодаря сигналам от центральной нервной системы происходит расширение сосудов кожи. В кожу притекает больше крови из внутренних органов, и она при этом краснеет. При низкой температуре среды организм начинает отдавать большую часть теплоты путем теплопроводности и излучения. Кожа получает тепло главным образом с притекающей кровью. Для уменьшения теплоотдачи сосуды суживаются, поэтому мы бледнеем. Когда нам холодно, в нашем организме увеличивается выделение энергии в мышцах благодаря беспорядочному сокращению отдельных групп мышечных волокон, которое мы называем дрожью.
2. А только ли изменение температуры приводит к сокращению мыщц организма человека?
Электрические свойства живых тканей и организма человека были обнаружены и стали предметом исследований в середине ХХ века:
а) И.П Тишков провел первые исследования электропроводимости тела живого человека;
б) Вебер, проводя аналогичные исследования, пытался доказать, что живой организм можно рассматривать в качестве соляных растворов и обычных электролитов;
в) А.Сент-Дьердьи выдвинул идею сопоставления свойств гигантских биологических молекул со свойствами полупроводников.
Современные исследования показали, что все нормальные функции организма человека обеспечиваются электрическим взаимодействием. Работа мышц, в том числе дыхательных и сердца, контролируется электрическими токами. Информация, полученная разными органами чувств, передается в мозг с помощью электрических сигналов.
Как показали дальнейшие исследования, электрические органы состоят из мышц, которые потеряли способность к сокращениям; мышечная ткань служит проводником, а соединительная – изолятором. К органу идут нервы от спинного мозга, а в целом он представляет собой мелкопластичную структуру из чередующихся элементов. Например, угорь имеет от 6000 до 10000 соединенных последовательно элементов, образующих колонну, и около 70 колонн в каждом органе, расположенном вдоль тела. У взрослых особей на этот орган приходится около 40% всей массы их тела.
Роль электрических органов велика, они служат для атаки и для защиты, а также являются частью очень чувствительной навигационно-локационной системы.
Сейчас уже доказано, что деятельность нервов, мышц и других тканей сопровождается созданием (генерацией) электрических токов. Нельзя забывать, что электрический ток может оказывать и лечебное действие на ткани.
Сила тока при частоте 60 Гц |
Эффект действия тока |
0-0,5 мА |
Отсутствует |
0,5-2 мА |
Потеря чувствительности |
2-10 мА |
Боль, мышечные сокращения |
10-20 мА |
Растущее воздействие на мышцы, некоторые повреждения |
16 мА |
Ток, выше которого человек уже не может освободиться от электродов |
20-100 мА |
Дыхательный паралич |
100 мА – 3А |
Смертельные желудочковые фибрилляции (необходима немедленная реанимация) |
Более 3А |
Остановка сердца. (Если шок был кратким, сердце можно реанимировать.) Тяжелые ожоги. |
Ткани живых организмов весьма разнородны по составу. Органические вещества, из которых состоят плотные части тканей, представляют собой непроводники электричества. Однако, они содержат жидкость, растворы электролитов и поэтому являются относительно хорошими проводниками. Также проводниками являются роговой слой кожи, сухожилия и, особенно, костная ткань без надкостницы.
Электропроводность – один из параметров, характеризующих жизненную деятельность живого существа. Известно, что с возникновением живого организма любого вида начинаются биоэлектрические явления, которые прекращаются при гибели живого существа. Человек при этом не является исключением.
Тело человека представляет собой по своим электрофизическим свойствам соленый раствор(раствор электролита). Разные ткани тела человека характеризуется разной концентрацией раствора электролита и разным его составом, вследствие чего различаются по своим диэлектрическим свойствам.
Как любой проводник тело человека можно охарактеризовать его электрической емкостью. Приближенно емкость любого проводника может быть рассчитана как емкость шара, имеющего такую же площадь поверхности.
Поскольку внутриклеточная жидкость содержит ионы и хорошо проводит электрический ток, внутренние ткани тела человека обладают довольно низким сопротивлением. В целом же сравнительно высокое сопротивление тела человека электрическому току определяется в основном сопротивлением поверхностных слоев кожи (эпидермиса).Проводимость кожи в значительной степени зависит от ее состояния и осуществляется через потовые и сальные железы. Внутри тела человека ток разветвляется и проходит преимущественно вдоль протоков тканевых жидкостей (кровеносных сосудов, нервных стволов, лимфатических узлов и т.д.).
Общее сопротивление тела человека постоянному току (от конца одной руки до конца другой) при сухой неповрежденной коже рук составляет 10(4)-10(6) Ом и ниже.
По отношению к переменному току человеческое тело можно рассматривать как параллельно соединенные резистор и конденсатор. Постоянный ток идет только через резистор, и, если активное сопротивление тела большое, сила тока будет невелика. Переменный ток идет и через резистор, и через конденсатор. Так как резистор и конденсатор включены параллельно, их полное сопротивление меньше чисто активного сопротивления и сила тока при данном напряжении должна быть больше, чем в случае постоянного тока.
Сопротивление человеческого тела току различно для разных индивидуумов. Оно также зависит от состояния здоровья человека. Определенно известно, что наличие алкоголя в крови заметно уменьшает сопротивление человеческого тела.
Встречаются люди с уникальными электрическими характеристиками. Например, электрик из болгарского города Габрово обладает электрическим сопротивлением в 8 раз более высоким, чем у обычных людей. Он может работать с электрическими цепями, находящимися под напряжением 380 В, без защитных средств и не отключая питания (для обычного человека напряжение 380 В смертельно).
Электропроводность кожи, через которую ток проходит главным образом по каналам потовых и отчасти сальных желез, зависит от трещин и состояния ее поверхностного слоя. Тонкая и особенно влажная кожа, а также кожа с поврежденным наружным слоем эпидермиса хорошо проводит ток. Наоборот, сухая огрубевшая кожа – весьма плохой проводник. Электрический ток, проходя через организм человека, возбуждает живые ткани организма. Степень возникающих изменений зависит от силы тока и его вида (переменный или постоянный).
Как любой проводник тело человека можно охарактеризовать его электрической емкостью.
Ток 1мА считается безопасным для человека. Максимальные токи – до 13мА, при которых человек в состоянии освободиться от контакта с электродами, называются отпускающими токами; токи до 15 мА приобретают такую силу, что разжатие руки становится невозможным. Если ток от внешнего источника пропустить через сердце, то возникают нескоординированные сокращения желудочков. Этот эффект называется желудочковыми фибрилляциями (рассказ об использовании электрического тока для дефибрилляции – пропускать через сердце ток 10А за несколько секунд).
Посредством тока в организм можно ввести лекарственные вещества, эта процедура называется электрофорезом.
Внутриклеточная жидкость содержит ионы и поэтому хорошо проводит электрический ток. А вот внутренние ткани тела человека обладают достаточно малым сопротивлением. В целом же достаточно высокое сопротивление тела человека электрическому току определяется сопротивлением поверхностных слоев кожи (эпидермиса).
Общее сопротивление тела человека постоянному току составляет при сухой неповрежденной коже рук 104–106 Ом.
По отношению к переменному току тело человека можно рассматривать как параллельно соединенные резистор и конденсатор, поэтому полное сопротивление меньше чисто активного сопротивления и сила тока при данном напряжении должна быть больше, чем в случае постоянного тока.
3. Когда я завариваю себе чай, то зрительно анализирую – сколько заварки налить (послабее или покрепче), растворился ли сахар, чтобы чай был сладким или еще нужно немного подождать. Всю эту информацию я получаю с помощью органов зрения – глаз.
Устройство человеческого глаза
Процесс получения изображения: первоначально свет проходит через роговицу – прозрачный участок внешней оболочки, осуществляющий первичную фокусировку света. Часть лучей отсеивается радужкой, другая часть проходит через отверстие в ней – зрачок. Адаптация к интенсивности светового потока осуществляется зрачком при помощи расширения или сужения.
Окончательное преломление света происходит с помощью линзы. После чего пройдя через стекловидное тело, лучи света попадают на сетчатку глаза – рецепторный экран, преобразующий информацию светового потока в информацию нервного импульса. Само же изображение формируется в зрительном отделе мозга человека.
Для визуального наблюдения доступна лишь малая часть глазного яблока, а именно – одна шестая часть. Остальное глазное яблоко расположено в глубине глазницы. Масса составляет примерно 7 грамм. По форме он имеет неправильную шаровидную форму, слегка вытянутую по сагиттальному (вглубь) направлению.
Интересный факт: глаз – это единственная часть человеческого тела одинаковая по размеру и массе у всего нашего рода, он различается лишь на доли миллиметров и миллиграмм. Человек моргает 17 раз в минуту, при чтении книги частота сокращается почти вдвое, а при чтении текста в компьютере исчезает практически полностью. Именно поэтому глаза так сильно устают от компьютера. Мышцы века самые быстрые, моргание занимает 100-150 миллисекунд, человек может моргать со скоростью 5 раз в секунду. Мышцы глаза самые активные, даже сердечная мышца им уступает. Майя считали косоглазие красивым, они специальными упражнениями развивали у своих детей косоглазие. Схема отпечатков пальцев имеет 40 уникальных показателей, а схема радужки – 256. Именно поэтому применяется сканирование сетчатки глаза. Голубой цвет глаз является патологией, он появился в результате мутации примерно 10 000 лет назад. У вех голубоглазых людей был общий предок. дети не различают цвета после родов, слой колбочек окончательно формируется лишь через две недели.
4. И вот когда чай готов, я начинаю его пить. Но как происходит этот процесс? Я поднимаю чашку и подношу ко рту, чтобы сделать глоток. В этом мне помогают руки. А что представляют собой руки с точки зрения физики.
Кости скелета это рычаги, суставы это точки опоры, а мышцы это силы, прикладываемые к рычагам. Любое движение нашего тела это работа — работа мышц. Выделив те или иные мышцы (группу мышц), мы можем сообщить зрителю, какое действие выполняет наш персонаж. В одно и то же расположение костей в суставе возможно, как при быстром движении или усилии, так и в покое или расслаблении.
Некогда, миллионы лет назад, конечность обезьяны в процессе эволюции преобразилась в человеческую руку. С тех пор человек имеет в своем распоряжении сложнейший по своему устройству инструмент, творческие возможности которого безграничны. В тончайшей игре и слаженном взаимодействии с мозгом этот инструмент, который Иммануил Кант назвал «орудием духа», познает мир и придает ему новые очертания. Чем бы ни были заняты наши руки – жонглируют ли они шарами, месят ли тесто, дирижируют ли оркестром или вырезают из дерева игрушку для ребенка, – движения их точны и совершенны. Секрет невоспроизводимости человеческой руки, ее превосходства над любыми копиями заключен в человеческом мозге, который управляет механизмами моторики, одновременно обрабатывая данные, поступающие от органов.
Рука человека с самого рождения обладает большой физической силой. Младенцы, которым всего несколько дней, способны удерживать собственный вес. Самые сильные пальцы – указательный, средний и безымянный. Чем ближе они пригнуты к ладони, тем сильнее, благодаря короткому рычагу, оказывается хватка. Среди множества рекордов, которые поставлены при помощи руки, есть и весьма необычные. Некий англичанин, к примеру, перенес в руках четырехкилограммовый кирпич на расстояние 99,4 километра. Один австриец прошел на руках за 55 дней 1400 километров от Вены до Парижа. Его соотечественник одним пальцем протащил на три метра нагруженный пивом тринадцатитонный грузовик с двумя водителями.
Хватательный рефлекс восходит ко временам, когда прачеловеческие детеныши держались за шерсть матери. Пять вытянутых пальцев выдерживают нагрузку в 57 килограммов, а согнутые пальцы – и гораздо большую.
Другая исследовательская группа, из немецкого города Киля, пришла к не менее интересному выводу: всякое хватательное движение делится на два компонента – приближение к предмету и его захват, причем обе программы управляются мозгом совершенно независимо друг от друга. В принципе, существуют два основных типа движений рук. Первый тип — это такие движения, которые управляются при помощи обратной связи. К ним относятся всевозможные филигранные операции, производимые рукой. Второй тип – это баллистические движения, которые разворачиваются как бы по готовой программе. Такие движения очень быстры, но модифицировать их трудно, и они не отличаются стопроцентной точностью – когда, например, мы ловим мяч или наносим удар. Этим движением кошка ловит птицу. От ста до двухсот миллисекунд требуется на то, чтобы программа движения сформировалась в коре головного мозга, была передана мускулам и привела их в действие. Поэтому кошка и выбрасывает лапу туда, где ожидает появления птицы, лишь через двести миллисекунд. Для того чтобы вносить последние коррективы в эту программу, кошка наделена еще и «суперскоростной связью» между лапой и глазом.
Рука не только хватает, поднимает, держит, бросает, ловит (этот ряд можно продолжать до бесконечности), рука – это и уникальный орган осязания, способный до мельчайших нюансов оценить поверхность и фактуру любого предмета. Рука «видит» в темноте и «за углом» – то, что не лежит перед глазами. Многие тысячи осязательных клеток и нервных окончаний на пальцах и ладонях воспринимают и осваивают окружающее, передавая головному мозгу важнейшую информацию о мире. В "увиденном» с помощью осязания неосвещенном пространстве можно поймать мяч или проехать на велосипеде. Наши пальцы – это высокочувствительный инструмент, прикосновения которого способны передавать всю палитру эмоций. Одно прикосновение руки способно приласкать и успокоить ближнего, а порою даже исцелить болезнь. Рука столь чувствительна, что слепой на ощупь определяет достоинство той или иной банкноты и с помощью пальцев читает шрифт Брайля. Вдоль бороздок на коже пальцев находятся потовые поры, расположение которых и создает характерный, неповторимый узор – знаменитый «отпечаток пальца». На кончике каждого пальца – тысячи связанных с мозгом осязательных клеток, реагирующих на силу давления, температуру, боль. Все нити управления и координации работы пальцев, связок, суставов и костей ведут в мозг.
Интересный факт: очень интересно свойство этих рычагов (конечностей человека) – у них очень высокий коэффициент полезного действия, достигающий 98 – 100%. Это объясняется тем, что в них малы потери на трение.
5. Но самое интересное: Куда же делся сахар? Почему от теплого чая мне стало тепло и щеки мои порозовели? Почему заливая листья чая, я получаю заварку определенного цвета? И почему выпивая чашку чая, мой организм получает питательные вещества и запас энергии для работы?
А оказывается, ответ очень прост, если слушать учителя на уроке и уметь рассуждать. На все мои вопросы, как выяснилось, ответ один – явление, которое носит название «диффузия».
Явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, называется диффузией.
Растворился сахар – диффузия кристалликов сахара и воды. А в горячем чае сахар растворяется быстрее, так это потому, что при более высоких температурах процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого происходит гораздо быстрее. И мои щеки и все тело почувствовало тепло и тало нагреваться, немного увеличивая температуру всего организма, тоже из-за диффузии горячего чая с клетками всего организма, и питательные вещества организм получил благодаря этому удивительному физическому явлению.
Да… Не думал я, что физика такая удивительная наука и что знание ее законов позволяет объяснить все вокруг.