Biofizyka

2007/2008

dr inż. Michał Wychowański

Wydział Rehabilitacji p. 13

Plan zajęć

Regulamin

Zajęcia z przedmiotu BIOFIZYKA prowadzone są w

formie wykładów i ćwiczeń.

Udział w ćwiczeniach przewidzianych w planie zajęć jest

obowiązkowy.

Student ma prawo do odrobienia zajęć z inną grupą w

terminie i miejscu uzgodnionym z prowadzącym.

Warunkiem koniecznym zaliczenia ćwiczeń jest

uzyskanie pozytywnych ocen z obydwu kolokwiów

przewidzianych w planie ćwiczeń.

Ocena końcowa z ćwiczeń wystawiana jest na podstawie

ocen z kolokwiów, odpowiedzi ustnych i innych prac

wyznaczonych przez prowadzącego.

Tematyka kolokwiów dotyczy materiału omawianego na

wykładach i ćwiczeniach.

Studenci mają prawo do uczestnictwa w konsultacjach

odbywających się w terminach ogłoszonych przez

prowadzącego.

Wszystkie sprawy nieuwzględnione w tym regulaminie

rozstrzyga kierownik Zakładu Biomechaniki zgodnie

z regulaminem studiów.

Sposób oceny sprawdzianu

pisemnego

• Każdy sprawdzian składa się z 2 pytań

dotyczących wykładów.

• 3 zadań dotyczących ćwiczeń.
• oraz pytania dodatkowego „rozbójnika”.
• Każde pytanie i zadanie oceniane jest w

skali 0-10 pkt.

• 27

-32 –

dst

, 33-37-

dst plus

, 38-42

db

,

43-47-

db plus

, 47<

bardzo dobry

.

5. Kształcenie w zakresie biofizyki

Treści kształcenia: Biofizyka – przedmiot i zakres zainteresowań, historia. Studium

dynamiki

układu, modelowanie matematyczne. Rozciąganie i ściskanie tkanek, naprężenia,

odkształcenia, prawo Hooke’a. Skręcanie i zginanie, złamania kości. Pomiar naprężeń

w

kościach podczas prób wytrzymałościowych. Dostosowanie biernego układu ruchu do

przenoszenia obciążeń mechanicznych. Elementy mechaniki płynów – biofizyka

układu

krążenia i oddychania. Kinematyka, kinetyka, mechanika płynów. Obliczanie oporów

aero- i

hydrodynamicznych oraz parametrów przepływu. Wpływ czynników mechanicznych

na

organizm człowieka – ultradźwięki i infradźwięki. Oddziaływanie prądu elektrycznego

i pól

elektromagnetycznych na organizm człowieka. Właściwości elektryczne komórki –

przewodnictwo i potencjały elektryczne w układzie nerwowym. Pomiar oporności ciała

człowieka. Obwody prądu stałego. Praca i moc prądu elektrycznego. Działanie

laserów,

charakterystyka promieniowania laserowego. Obliczanie dawek promieniowania

laserowego.

Podstawy cybernetyki – regulacja procesów fizjologicznych. Biofizyka procesów

widzenia i

słyszenia. Wybrane zagadnienia z zakresu optyki geometrycznej. Pomiary słyszenia

wybranych częstotliwości. Podstawy bioenergetyki i termokinetyki.

Efekty kształcenia – umiejętności i kompetencje: opisu i interpretacji

podstawowych

właściwości fizycznych tkanek; opisu i interpretacji zjawisk fizycznych zachodzących

w ustroju

pod wpływem zewnętrznych czynników fizycznych.

Standardy Kształcenia na

Kierunku Fizjoterapia I stopień

Literatura

•

BIOFIZYKA pod red. Feliksa Jaroszyka, PZWL, Warszawa, 2001

.

•

BIOFIZYKA DLA BIOLOGÓW pod red. Marii Baryszewskiej i Wandy Leyko, PWN, 1997.

•

FIZYKA W MEDYCYNIE Ewa Skrzypczak, Wiedza Powszechna, 1982.

•

CYBERNETYCZNE SYSTEMY RUCHU KOŃCZYN ZWIERZĄT I ROBOTÓW Adam Morecki,

Juliusz Ekiel, Kazimierz Fidelus, PWN 1979.

•

BIONIKA RUCHU Adam Morecki, Juliusz Ekiel, Kazimierz Fidelus, PWN 1971.

•

PODSTAWY BIOFIZYKI pod red. Andrzeja Pilawskiego, PZWL, 1981.

•

BIOFIZYKA DLA STUDIUJĄCYCH WYCHOWANIE FIZYCZNE, Kazimierz Bogdański, AWF

w Warszawie, 1971.

•

BIOFIZYKA Walter Beier, PWN, 1968.

•

THE BIOPHYSICAL FUNDATION OF HUMAN MOVEMENT, Bruce Aberneth i inni, Human

Kinetics Publ., 1997.

•

WYKŁADY Z FIZYKI R. P.Feynman i inni, PWN, 2001.

•

WYBRANE ZAGADNIENIA Z BIOFIZYKI pod red. Stanisława Miękisza, Wydawnictwo

Volumed, Wrocław, 1998.

•

WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW M. Niezgodziński i T. Niezgodziński, PWN, 1998.

•

ŻYWE MASZYNERJE A. V. Hill, Mathesis Polska, 1934.

•

PODRĘCZNIK METROLOGII pod red. P. H. Sydenham, WKŁ, 1988.

•

FIZYKA DLA PRZYRODNIKÓW J. W. Kane i M. M. Sternheim, PWN, 1988.

•

MANIPULATORY BIONICZNE Adam Morecki, PWN, 1976.

•

BIOMECHANIKA INŻYNIERSKA R. Będziński, Oficyna Wydawnicza Politechniki

Wrocławskiej, Wrocław, 1997.

•

FIZYKA R. Resnick i D. Halliday, PWN, 1999.

•

WSTĘP DO BIOFIZYKI S. Przestalski, PWN, 1970.

•

ZARYS BIOFIZYKI E. Ackerman, PWN, 1968.

•

WSTEP DO BIOFIZYKI R. Glaser, PZWL, 1975.

•

MECHANIKA OGÓLNA Jan Misiak, WNT, 1993.

•

FIZYKA SPORTU Krzysztof Ernst, PWN, 1992.

•

ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z BIOFIZYKI I FIZYKI red Józef Terlecki, PZWL, 1999.

Wykłady

1. Biofizyka – przedmiot, zakres, historia, cechy fizyczne, pomiar, błąd

pomiarowy, modelowanie matematyczne. Zasady bezpieczeństwa.

(12.10.2007)

2. Równowaga sił w układzie mięśniowo-szkieletowym człowieka w

warunkach statyki.

(19.10.2007)

3. Zjawiska rozciągania i ściskania tkanek, naprężenia odkształcenia,

prawo Hooke’a.

(26.10.2007)

4. Zjawiska skręcania i zginania, złamania kości. Dostosowanie

biernego układu ruchu do przenoszenia obciążeń mechanicznych.

(02.11.2007)

5. Podstawy mechaniki płynów-biofizyka układu krążenia.

(09.11.2007)

6. Wpływ czynników mechanicznych na organizm człowieka (fale

dźwiękowe, przyspieszenia, ciśnienie, drgania).

(16.11.2007)

7. Oddziaływanie prądu elektrycznego i pól elektromagnetycznych na

organizm człowieka.

(23.11.2007)

8. Fale elektromagnetyczne. Zasada działania lasera i charakterystyka

promieniowania laserowego.

(30.11.2007)

9. Elementy teorii informacji i sterowania.

(07.12.2007)

10. Podstawy cybernetyki – regulacja procesów fizjologicznych.

(14.12.2007)

11.Biofizyka procesu widzenia.

(21.12.2007)

12.Biofizyka procesu słyszenia.

(04.01.2008)

13.Podstawy biotermodynamiki.

(11.01.2008)

14.Podstawy bioenrgetyki i termokinetyki.

(18.01.2008)

Ćwiczenia

1.

Analiza błędów, rachunek przybliżony.

2.

Równowaga układu mięśniowo – szkieletowego w

warunkach statyki. Równowaga płaskiego układu sił.

3.

Obliczanie naprężeń w kościach rozciąganych, ściskanych,

zginanych skręcanych.

4.

Pomiar naprężeń w kości podczas próby na maszynie

wytrzymałościowej.

5.

Kinematyka, kinetyka, mechanika płynów – Obliczanie

oporów aero- i hydrodynamicznych oraz parametrów

przepływu. przykłady, zadania.

6.

Termodynamika, zmiany stanu skupienia. Przemiany

gazowe. Termoregulacja w organizmie człowieka.

7.

SPRAWDZIAN PISEMNY

8.

Obliczanie natężenia i potencjału pola elektrostatycznego.

Pomiar oporności ciała człowieka.

9.

Rozwiązywanie obwodów prądu stałego. Obliczanie pracy i

mocy prądu elektrycznego.

10. Obliczanie dawek promieniowania laserowego. Audiometria.
11. Energetyka wysiłku fizycznego, praca, moc, sprawność.
12.

SPRAWDZIAN PISEMNY

13. Demonstracja zjawisk optyki geometrycznej.

BHP

• Przed rozpoczęciem ćwiczeń przedstawiciel

grupy odbiera od prowadzącego klucz do

szatni

• Obowiązuje zamiana obuwia
• Po opuszczeniu szatni należy zwrócić klucz

do pokoju 13

• W laboratorium nie wolno włączać ani

korzystać z żadnych urządzeń bez zgody

prowadzącego.

• Na ćwiczeniach należy posiadać kalkulator
• Podczas sprawdzianów zabronione jest

posiadanie telefonów komórkowych,

wszelkiego rodzaju zestawów

słuchawkowych oraz innych urządzeń

elektronicznych

Tłumaczenie

• Do

5 grudnia 2007

należy przygotować

streszczenie artykułu z czasopisma

naukowego dotyczącego biofizyki lub nauk

pokrewnych

• Na początku należy wymienić wszystkich

autorów, tytuł w oryginale, dokładne dane

czasopisma, z którego zaczerpnięto artykuł

• Następnie podać przetłumaczony tytuł
• Następnie po kilka zdań na każdy z punktów:

wprowadzenie, materiał i metody, wyniki

badań, wnioski oraz własny komentarz

• Bez szczegółów
• Załączyć kserokopię oryginału artykułu

Odniesienie do artykułu

Wchowanski M., Wit A., Slugocki

G., Gajewski J., Orzechowski G.
(2006) Modeling of minimal-
time weight lifting using the
elbow joint muscles. Journal of
Biomechanics. Vol. 39, Suppl. 1,
p.S48, Abstract 4954.

Plan Tłumaczenia

• Tytuł
• Wstęp
• Materiał i Metody
• Wyniki
• Dyskusja
• Wnioski
• Własny komentarz

Czasopisma

•

Теория и практика физической культуры

•

Sportmedizin

•

Medicine and Science in Sports

•

Physioterapy

•

Physical Therapy

•

Kinesiology

•

Journal of Biomechanics

•

Journal of Applied Biomechanics

•

Journal of Sport Rehabilitation

•

Journal of Sport Sciences

•

Human Movement Science

•

Clinical Biomechanics

•

Biology of Sport

•

Gait and Posture

Fizyka

fizyka (gr. physiké od phýsis ‘natura’) fiz. jedna z

najważniejszych nauk przyrodniczych zajmująca

się badaniem ogólnych właściwości i budowy

materii oraz zjawiskami, które w niej zachodzą;

dzieli się na f. eksperymentalną (doświadczalną)

zajmującą się wykrywaniem i badaniem zjawisk

fiz. oraz f. teoretyczną, która opisuje i grupuje

przy użyciu matematyki zjawiska fiz. na

podstawie wyników ich badań i obserwacji;

istnieją także podziały f. ze względu na

opisywane zjawiska, np. mechanika, optyka

oraz ze względu na przedmiot badań, np. f.

atomu, ciała stałego, geofizyka

Hasło opracowano na podstawie „Słownika

Wyrazów Obcych” Wydawnictwa Europa, pod

redakcją naukową prof. Ireny Kamińskiej-Szmaj,

autorzy: Mirosław Jarosz i zespół. ISBN 83-

87977-08-X. Rok wydania 2001.

Biofizyka

biofizyka (bio- + gr. physiké) biol., fiz.

nauka wyjaśniająca budowę

organizmów oraz ich przemiany za

pomocą praw fizyki, np. przemiana

energii świetlnej w inne formy energii,

wpływ promieniowania

rentgenowskiego na organizm, optyka

oka, dyfuzja organiczna,

współzależność budowy i funkcji.

Hasło opracowano na podstawie

„Słownika Wyrazów Obcych”

Wydawnictwa Europa, pod redakcją

naukową prof. Ireny Kamińskiej-Szmaj,

autorzy: Mirosław Jarosz i zespół. ISBN

83-87977-08-X. Rok wydania 2001

.

Prekursorzy biofizyki

• Galvani, Helmholtz, Mayer, Young – zajmowali się

układami i procesami biologicznymi

• Herman Helmholtz (1821-1854) ojciec biofizyki badał

zmysły słuchu i wzroku w kategoriach fizyki, zajmował
się badaniem struktur antropofizycznych w zakresie
ich przejawów natury psychofizycznej, twórca optyki
geometrycznej, zajmował się termodynamiką

• Luigi Galvani (1737-1798) zaobserwował zjawisko

kurczenia wypreparowanego mięśnia żaby przy
dotknięciu metalowym narzędziem co dopiero 10 lat
później wytłumaczył Volta

• Alessandro Volta (1754-1827) pionier badań nad

elektrycznością

• Sir Archibald Vivian Hill (1886-1977) fizjolog brytyjski

Biofizyka

• Biofizyka zajmuje się układami biologicznymi i

stawia sobie za cel poznanie fizycznej struktury

tych układów, jak i fizycznej interpretacji ich

funkcji. Ze względu na hierarchię struktur

biologicznych dzieli się zazwyczaj biofizykę na:

molekularną, komórkową, biofizykę układów

biologicznych, do całych organizmów włącznie.

Biofizyka zajmuje się także wpływem czynników

fizycznych na struktury biologiczne oraz na ich

funkcje. Biofizyka dzieli się na czystą i

stosowaną.

• Uprawianie biofizyki wymaga znajomości

matematyki, fizyki, biologii, chemii, biochemi.

Nauki pokrewne

• Biologia (od gr. bios – życie) ogół nauk wszechstronnie

badających przyrodę żywą (organiczną), jej powstanie i rozwój,
procesy życiowe człowieka, zwierząt, roślin.

• Fizjologia nauka o czynnościach żywych organizmów.
• Cybernetyka powstała po II wojnie światowej Wiener określił ją

jako naukę o sterowaniu i przesyłaniu informacji w maszynach i
żywych organizmach a nawet społeczeństwach.

• Biocybernetyka czyli biologia cybernetyczna – zastosowanie

aparatu cybernetyki w badaniach biologicznych.

• Inżynieria biomedyczna – technologia w medycynie.
• Biochemia – biofizyka wyodrębniła się z biochemii w wyniku

zastosowanioa w badaniach struktur i funkcji cząsteczek
biologicznych wysoce skomplikowanych metod
eksperymentalnych wymagających wiedzy fizycznej

• Bionika ruchu zagadnienia dotyczące własności układów

biologicznych i ich wykorzystaniem w budowie układów
technicznych.

• Biomechanika – nauka o ruchu żywych organizmów

Biofizyka

• Według Beiera’ Biofizyka jest

typową nauką graniczną; trudno jest
tu przeprowadzić ostry podział
między fizyką, chemia a fizjologią.

• Celem wykładów i ćwiczeń z biofizyki

jest nauczenie studentów podstaw
badania człowieka metodami fizyki.

Główne metody fizyki

• Pomiar – porównanie danej wielkości

fizycznej z przyjętą jednostką.

• Modelowanie matematyczne –

uogólnienie zdobytych informacji w
postaci wzorów matematycznych
opisujących badane zjawisko.

Pomiar

Pomiar to doświadczenie, którego celem

jest wyznaczenie wartości liczbowej

wielkości albo miary wielkości. Wielkość

jest abstrakcyjną cechą obiektów

określonej kategorii. Wartość liczbowa

wielkości jest liczbą równą stosunkowi

tej wielkości do wielkości przyjętej jako

jednostka miary. Wielkość musi być

zdefiniowana, a mierzyć ją można

dopiero po przyjęciu jednostki miary.

Janusz M. Jaworski

Jednostki podstawowe SI

• metr [m] – długość równa 1 650 763,73

długości fali w próżni promieniowania

monochromatycznego o barwie

pomarańczowej, emitowanego przez izotop

kryptonu 86

• kilogram [kg]
• sekunda [s]
• amper [A]
• kelwin [K]
• kandela [cd]
• radian [rad]
• steradian [sr]

Średnia z pomiarów

• Każdy pomiar

obarczony jest
błędem !

• Średnia
• n - liczba

pomiarów

n

x

x

x

x

x

n











........

3

2

1

Dokładność pomiaru

• Niepewność

przeciętna

• Niepewność

standardowa

• Niepewność

względna

n

x

x

x

x

x

x

x

x

x

n



















.........

3

2

1

  

 







1

.....

2

2

3

2

2

2

1





















n

x

x

x

x

x

x

x

x

n

x



x

x







Model

•Wyidealizowany, uproszczony

obraz rzeczywistego układu
lub zjawiska zachowujący
niektóre jego istotne cechy a
pozbawiony innych,
drugorzędnych.

Model

• Słowo model powstało z łacińskiego

słowa „modus” co znaczy miara, obraz,
sposób.

• Przez model rozumie się taki dający się

pomyśleć lub materialnie zrealizować
układ, który odzwierciedlając przedmiot
badania, zdolny jest zastępować go tak,
że jego badanie (modelu) dostarcza nam
nowej informacji o tym przedmiocie

W. Sztoff

Model matematyczny

a
=

F

___

m