Biosystemy i fizyka Monika Hereć 10.04.2011 Oddziaływania STAAA TYPOWE ODDZIAAYWANIE ZASIG [CM] TYPOWE ZJAWISKA SPRZŻENIA CZASY Swobodne spadanie Ruchy planet Gwiazdy GRAWITACYJNE 10-38 Ą - Ewolucja wszechświata Ruchy galaktyk Rozpad b jader Rozpady cząstek 10-5 10-16 10-6 SAABE Rozpraszanie cząstek Siły miedzy ładunkami El. I prądami El. Fale elektromagnetyczne ELEKTROMAGNETYCZNE 1/137 Ą 10-18 Struktura atomów i cząsteczek Reakcje chemiczne Wiązanie jader Rozpraszanie cząstek JDROWE 1 10-13 10-23 Reakcje jądrowe Rozpady cząstek 2 Siła Siłę określamy jako oddziaływanie ciała z innymi ciałami wywołujące przyspieszenie (skutek dynamiczny) lub odkształcenie (skutek statyczny). Jeśli praca wykonana przez siłę przy przemieszczeniu ciała po torze zamkniętym o dowolnym kształcie równa jest zeru, to siłę taką nazywamy siłą siłą zachowawczą. (zasada zachowania energii mechanicznej) Siłę, która nie spełnia tego warunku nazywamy siłą dyssypatywną lub rozpraszającą. (Część energii mechanicznej rozpraszana jest w postaci ciepła) Przykładem siły zachowawczej jest siła ciążenia, siła sprężystości. Do sił dyssypatywnych zaliczamy siły tarcia i siły oporu powietrza. 3 Zasady dynamiki Newtona I zasada dynamiki Newtona Każde ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, jeśli nie działają na nie żadne siły lub wypadkowa wszystkich sił jest równa zeru. r r Fw = 0 v = const II zasada dynamiki Newtona Przyspieszenie ciała jest wprost proporcjonalne do wypadkowej siły działającej na to ciało i odwrotnie proporcjonalne do jego masy. Kierunek i zwrot przyspieszenia są zgodne z kierunkiem i zwrotem wektora siły. r r Fw a = m III zasada dynamiki Newtona Gdy dwa ciała oddziałują na siebie wzajemnie, to siła wywierana przez pierwsze ciało na drugie (siła akcji) jest równa co do wartości i przeciwnie skierowana do siły, jaką ciało drugie wywiera na pierwsze (siła reakcji). Siły te nie 4 równoważą się, gdyż każda przyłożona jest do innego ciała. Siły dyssypatywne: Tarcie statyczne i kinetyczne Siła tarcia statycznego jest to siła styczna do powierzchni styku dwóch nieruchomych ciał. F N fs Tarcie kinetyczne jest to siła styczna do powierzchni dwóch ciał przemieszczających się względem N siebie. W fk fs Ł msN f Fwyp fs = mkN W fs = -Fext Fext fk = mkN 5 statyczne kinetyczne Lepkość cieczy Jeśli mamy ciało pływające po powierzchni v = const cieczy, to siły oporu działające na to ciało FL F związane są z lepkością cieczy. Jeśli na deseczkę S zadziałamy siłą F, to ciecz to ciecz oddziałuje na deseczkę siłą przeciwną FL. Deseczka wtedy porusza się ruchem d jednostajnym v=const. Dla tego przypadku mamy; v F = FL =h S d h jest współczynnikiem lepkości i ma wymiar [Nsm-2]. 6 Przepływ laminarny i turbulentny Przepływ laminarny (warstwowy) - przepływ stanowi zespół warstw przemieszczających się jedna względem drugiej bez ich mieszania (wirów). Przepływ tego typu występuje przy małych prędkościach przepływu płynu lub dla płynu o dużej lepkości. Bezwymiarowym parametrem decydującym o laminarności lub o obecności turbulencji jest Liczba Reynoldsa Przepływ turbulentny(wirowy) - w płynie występuje mieszanie, powstają wiry - stąd też określenie przepływu turbulentnego, który ze swej natury jest zmienny w czasie. Prędkość przestaje wtedy być prostą funkcją położenia 7 Napięcie powierzchniowe Napięcie powierzchniowe przejawia się w postaci dodatkowych sił związanych z powierzchnią cieczy skierowanych wzdłuż tej powierzchni lub stycznie, w przypadku powierzchni zakrzywionych. Specyficzne własności powierzchni cieczy pozwalają wyjaśnić szereg jej własności i zjawisk obserwowanych w cieczach znajdujących się w środowisku: " powstawanie poprzecznych fal powierzchniowych obserwowanych na jeziorach i morzach " zjawisko menisku i efekt włoskowatości widoczny jako zmiana poziomu cieczy w wąskich F=gl g- współczynnik napięcia rurkach " tworzenie się kropli cieczy powierzchniowego " różnice w zwilżaniu ciał stałych przez ciecze 8 Cząsteczka znajdująca się przy powierzchni cieczy doznaje działania sił ze strony cząsteczek znajdujących się głębiej. W efekcie działa na nią wypadkowa siła skierowana w prostopadle do powierzchni cieczy Cząsteczka znajdująca się wewnątrz cieczy poddana jest działaniu sił przyciągania pochodzących od otaczających ją cząsteczek. Wypadkowa siła działająca na cząsteczkę wynosi zero. 9 Kohezja i adhezja cieczy. Meniski. Kohezja siły występujące miedzy cząsteczkami tej samej substancji Adhezja siły występujące miedzy różnymi fazami Menisk wklęsły Menisk wypukły 10 Deformacja ciał 1.Rozciąganie i ściskanie. 1 FL DL = E S F - siła rozciągająca F d S - powierzchnia przekroju poprzecznego L - długość pręta L E moduł Younga 2.Deformacja postaciowa. 1 F g = Siła nie działa prostopadle na powierzchnię, ale stycznie do G S niej. F G moduł sprężystości postaciowej ł S 11 metalowy pręt: 3.Zginanie. 1 4 l3 s = F E 3p R4 rura o promieniu wewnętrznym Rw i zewnętrznym Rz: l R 1 4 l3 s s = F E 3p Rz 4 - Rw2 F Rozważmy pręt i rurę o tej samej długości i tym samym przekroju poprzecznym wykonane z tej samej ilości tego samego materiału, a więc o takiej samej masie. Ta sama siła działając na pręt zegnie go więcej niż działając na rurę wniosek rura może być obciążona więcej niż pręt. Budowa zdzbła Budowa kości 12 Siły bezwładności UKAADY INERCJALNE układy odniesienia, które spoczywają albo poruszają się ze stałą prędkością względem średnich pozycji gwiazd stałych. Zbiór układów określonych przez pierwszą zasadę dynamiki Newtona, w których ciało nie posiada przyspieszenia (a=0), jeśli w otoczeniu tego ciała nie ma innych ciał mogących wywierać na nie jakieś siły (F=0). UKAADY NIEINERCJALNE układy, które nie znajdują się względem układu inercjalnego w ruchu jednostajnym prostoliniowym, a więc poruszają się względem niego (względem gwiazd stałych) z przyspieszeniem, np.: układy związane z ciałem spadającym, albo ciałem obracającym się. 13 SIAY BEZWAADNOŚCI WYSTPUJCE W UKAADZIE, PORUSZAJCYM SI ZE STAAYM PRZYSPIESZENIEM a przyspieszenie ciała mierzone w układzie ao inercjalnym O a przyspieszenie ciała mierzone w układzie inercjalnym O a przyspieszenie tego samego ciała w układzie nieinercjalnym O ao przyspieszenie związane ze zmianą prędkości ruchu a = a + ao postępowego układu O względem O Fb= - mao F = ma = ma-mao = F+Fb Siła bezwładności 14 mv'2 Siła odśrodkowa F = -mw (w r')= mw2r' = O ^ r w w z Fs y Fs O
x ' Fo z y O x WYKORZYSTANIE SIAY ODŚRODKOWEJ :WIRÓWKA 15 SIAA CORIOLISA F = -2m(w v') F = 2m(vw) C C Siła Coriolisa pojawia się w przypadku, gdy ciało porusza się względem obracającego się układu z prędkością v niekolinearną z wektorem prędkości kątowej w v 16 t v n= siną t= cosą n F = 2m(vw) = 2m(vw ) + 2m(vw ) = 2m(vw ) C t n n
FC = 2mvw sina N
t N n v n n v a Fc Fc a ' v
n n t t v v S S 17 WAHADAO FOUCAULTA PÓAKULA POAUDNIOWA PÓAKULA PÓANOCNA 18 Oddziaływanie przyspieszenia na organizm człowieka Prędkości ~ 10km/s nie wywołują negatywnych skutków w funkcjonowaniu organizmu człowieka Obserwowalne skutki - zmiany prędkości! Dt<0.25s przyspieszenia udarowe, występują przy upadku z dużej wysokości, zderzenia Dt=0.25s (~100g) związana z wytrzymałością kręgosłupa i organów wewnętrznych Siły bezwładności działające w kierunku głowy (zwrot przyspieszenia od głowy) 3g/30s: przemieszczenie krwi w stronę mózgu, wzrost ciśnienia w mózgu i śródgałkowego w oczach, bole głowy oraz upośledzenia widzenia (czerwona zasłona), przemieszczenia do góry narzadów w jamie brzusznej trudności oddechowe a=3g Siły bezwładności działające od głowy (zwrot przyspieszenia do głowy) 6g/30s: niedotlenienie siatkówki zaburzenia wizualne czarna zasłona, niedotlenienie mózgu utrata przytomności 19 STAN NIEWAŻKOŚCI Rozciągłe siły objętościowe Siły skupione a a Fb G Fb G F = G - ma dla a = g (winda spada swobodnie) F = G + ma F = G mg = mg mg =0 ZJAWISKO PRZECIŻENIA 20 STAN NIEWAŻKOŚCI Typy wiązań międzycząsteczkowych " Wiązanie z udziałem jonów. " Wiązanie Van der Waalsa " Wiązanie wodorowe. " Wiązanie z przeniesieniem ładunku Energia wiązań wiązanie wodorowe 10-40 kJ mol-1 oddziaływania van der Waalsa 1 kJ mol-1 wiązanie z przeniesieniem ładunku 50 kJ mol-1 21 wiązanie kowalencyjne (chemiczne) (500 kJ mol-1) " Wiązanie z udziałem jonów. Do wiązań jonowych zalicza się wiązania wynikające z oddziaływań jon-jon, jon-dipol, jon-dipol indukowany. Oddziaływania pomiędzy jonami wytwarzają bardzo silne wiązania w środowiskach o małej stałej dielektrycznej, np. wiązania jonowe w kryształach soli bardzo silne porównywalne z wiązaniami kowalencyjnymi. Natomiast oddziaływa nia pomiędzy jonami w środowisku wodnym nie tworzą tak silnych wiązań ze względu na obecność dipolowych cząsteczek wody konkurencyjnie oddziałujących z jonami efekt rozpuszczalnika 22 " Wiązanie Van der Waalsa równanie Lennarda-Jonesa Wiązania te, stosunkowo słabe dla dwu oddziałujących cząsteczek, mogą jednak bardzo efektywnie stabilizować powstające struktury, gdy występują kolektywnie w układach wielu cząsteczek. Są to wiązania niespecyficzne, nieukierunkowane, powszechnie występujące w układach dowolnych cząstek. Wiązania te odpowiedzialne są za stabilność sieci molekularnych i atomowych w ciałach 23 stałych. " Wiązanie wodorowe. Wiązanie jakie powstaje w wyniku oddziaływania kowalencyjnie zwiząnego atomu wodoru z innym elektroujemnym atomem należącym do tej samej lub innej cząsteczki, posiadającym tzw. wolna parę elektronową: -X-H& :Y Najczęściej, atomami pomiędzy którymi tworzą się wiązania wodorowe są atomy: O, N, F, Cl Wiązanie to, podobnie jak kowalencyjne wykazuje charakter kierunkowy i nasyceniowy. 24 W biologii wiązanie wodorowe pełni zasadniczą rolę, ponieważ wartość jego energii jest pośrednia pomiędzy oddziaływaniem Van der Waalsa a wiązaniem kowalencyjnym. Wiązania wodorowe mogą stosunkowo szybko powstawać i zanikać, co ma szczególne znaczenie w reakcjach biochemicznych, które zachodzą zwykle w temperaturze pokojowej. SRUKTURA LODU DNA 25 Błona komórkowa Przykładami struktur biologicznych stabilizowanych wiązaniami tego typu są micelarne i dwuwarstwowe układy cząsteczek lipidów występujące w lipoproteinach, strukturach błonowych komórki. 26 " Wiązanie z przeniesieniem ładunku Cząsteczki mogą tworzyć kompleks, gdy ładunek elektronowy zostanie przeniesiony z jednej cząsteczki (donor) do innej (akceptor). Podobnie jak wiazania wodorowe, są to wiazania specyficzne, o charakterze w znacznym stopniu kowalencyjnym, tworzace najczęściej kompleksy o stechiometrii 1:1, zwane tez kompleksami EDA (elektronowo-donorowo- akceptorowe) 27 Mikroskop sił atomowych (AFM) laser fotodioda (F ~ 200 pN) ramię z piezo ostrze element x y 28 Ruch ostrza wzdłuż próbki topografia plazmidu Ostrze AFM Plazmid DNA Trasa ostrza AFM Podwójna helisa DNA Mg2+ Mg2+ Mg2+ Mg2+ Mg2+ Mg2+ 29 Naładowana ujemnie powierzchnia miki Galeria obrazów AFM Płyta CD Sztuczny opal Nici DNA Chromosomy ludzkie 30