Wykłady z Biofizyki dla studentów
kierunku lekarsko  dentystycznego
Informacje wstępne
Hanna Trębacz
Katedra i Zakład Biofizyki
Uniwersytet Medyczny w Lublinie
Warunki i forma zaliczenia
Zaliczenie 10-ciu ćwiczeń laboratoryjnych
(wg regulaminu ćwiczeń)
Zaliczenie testu końcowego z wykładów
Test wyboru oraz pytania otwarte wymagajÄ…ce
konkretnej, jednozdaniowej odpowiedzi
Ocena  średnia ważona z testu i z ćwiczeń
Podręczniki
Biofizyka. Podręcznik dla studentów,
F.Jaroszyk (Red.) PZWL
Wybrane zagadnienia z Biofizyki, St. Miękisz I
A. Hendrich, (Red.), Volumed, Wrocław, 1998
Uzupełniające:
Podstawy fizyki środowiska przyrodniczego W.
Bulanda Wydawnictwo UMCS, 2007
Fizyka dla przyrodnikow J.W. Kane i M.M.
Sternheim PWN, W-wa 1988
Co powtórzyć przed rozpoczęciem
kursu Biofizyki
Jednostki podstawowe i jednostki pochodne
w SI
Przedrostki stosowane do definiowania
wielokrotności i podwielokrotności jednostek
Przeliczanie jednostek
Działania na potęgach
Wektory, działania na wektorach
Wykłady z Biofizyki dla studentów kierunku
lekarsko  dentystycznego
Biomechanika narządu żucia (1)
Hanna Trębacz
Katedra i Zakład Biofizyki
Uniwersytet Medyczny w Lublinie
2012/2013
Biomechanika  co to takiego?
Nauka, która bada przyczyny i skutki sił
działających na struktury biologiczne i
wewnątrz tych struktur oraz właściwości
mechaniczne tkanek, narządów i układów
biologicznych
Badania prowadzone sÄ… na wszystkich
poziomach organizacji - od poziomu
molekularnego poprzez tkanki i organy do
całych organizmów.
Biomechanika
- główne obszary zainteresowania
Ruch żywych organizmów i ich części jako skutek
działania sił
Zmiany w tkankach i narządach wywołane działaniem sił
(lub ich brakiem)
Właściwości mechaniczne materiałów biologicznych oraz
ich substytutów
Inżynieria biomedyczna:
Konstrukcja biomateriałów, implantów, sztucznych
tkanek i narządów
Inżynieria rehabilitacyjna
Inżynieria sali operacyjnej - konstrukcja i sterowanie systemami
Dziedziny medycyny wykorzystujÄ…ce
zdobycze biomechaniki
Otropedia
Rehabilitacja
Fizjoterapia
Implantologia
Ortodoncja
Medycyna sportowa
Medycyna pracy
& & .
Dziedziny wiedzy wykorzystywane
w badaniach biomechanicznych
Matematyka
Fizyka
Statyka
Dynamika
Mechanika płynów
Chemia(chemia powierzchni)
Biologia
Medycyna
Inżynieria (mechanika)
Modelowanie nemeryczne
Biomechanika ruchu
- podstawy fizyczne
Prawa dynamiki Newtona
Moment siły
Warunki równowagi ciała
Środek ciężkości
Zasada działania dz
wigni
Siła wypadkowa
Siła wypadkowa  suma wektorowa
wszystkich sił działających na ciało
F Fdr = 2600 N
dr
F
fr Ffr = 1200 N
F
dr
Fnet = Fdr  Ffr = 1400 N
F
F
net
fr
Skutek działania siły wypadkowej jest taki sam, jak
skutek działania wszystkich sił jednocześnie.
I-sza zasada dynamiki Newtona
Jeśli wypadkowa sił działających na ciało wynosi zero,
to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem
jednostajnym prostoliniowym.
F = 0 => a = 0
net
V = constant
II-ga zasada dynamiki Newtona
F = m · a
net
a = F / m
net
Co powoduje obrót ciała?
Moment siły
Moment siły (M) definiowany jest jako wektor
M = r x F
- iloczyn wektorowy promienia wodzÄ…cego r, o
początku w punkcie O i końcu w punkcie przyłożenia
siły oraz siły F.
o
q
q
r
F
Moment siły
Pojęcie to ma sens tylko po określeniu
względem jakiego punktu lub osi obrotu ma
być ten moment liczony (np. oś stawu)
Niezerowy moment siły dla ciała względem
danego punktu daje obrót ciała względem
tego punktu (jeśli się przedtem nie obracało)
lub zmianę prędkości kątowej (jeśli ciało
obracało się już przed zadziałaniem tego
momentu siły)
Moment siły  wpływ kąta między promieniem
wodzącym a kierunkiem działania siły na moment siły
M = r x F ; M = r · F · sin( ¸) ; r·sin( ¸)  ramiÄ™ siÅ‚y
o
q
q
r
F
o
q
q
r
F
q
F
o r
Moment siły  kierunek obrotu ciała
M = r x F ; M = r · F · sin( ¸) ;
F
o o q
q
q q
r r
F
o q
r
q
F
Warunki równowagi ciała
" F = O
równowaga dla ruchu
postępowego
" M = O
równowaga dla ruchu
obrotowego
Ciężar ciała, środek ciężkości
Ciężar, siła ciężkości  siła z jaką Ziemia (lub
inne ciało niebieskie) przyciąga dane ciało
Środek ciężkości ciała lub układu ciał -
punkt, w którym przyłożona jest wypadkowa
siła ciężkości danego ciała
Warunki równowagi ciała
W
W
W
R
R
R
"F = 0,
" F = O
"M `" 0
" M = O
Ciało jest w równowadze statycznej tak długo jak środek ciężkości
pozostaje powyżej obszaru wyznaczonego przez punkty podparcia
Rodzaje równowagi ciała
" Równowaga trwała
" Równowaga chwiejna
" Równowaga neutralna
Stabilność w postawie stojącej
Człowiek w pozycji stojącej jest w stanie
równowagi chwiejnej
Aktywność mięśni (działanie sił mięśniowych)
utrzymuje ciało w równowadze
Biomechanika ruchu
Ruch żywych organizmów i ich części
jako skutek działania sił :
zewnętrznych (zwłaszcza siły
ciężkości)
i wewnętrznych (zwłaszcza sił
mięśniowych)
Dz
wignie
Dz
wignia  jedna z maszyn prostych,
których zadaniem jest uzyskanie
działania większej siły przez
zastosowanie siły mniejszej.
Zbudowana jest ze sztywnej belki
podpartej w punkcie (osi) obrotu.
W zależności od położenia osi
względem działających sił rozróżnia się
dz
wigniÄ™ dwustronnÄ… i jednostronnÄ….
Dz
wignia dwustronna i jednostronna
F3
F3
r1 r2
r2
F1
·ð
r1
F1
F2
F2
rð
r1 ×ð F1 =ð r2 ×ð F2
åðF =ð 0
Dwa rodzaje dz
wigni jednostronnej
F2
r2 F3
r2
F1
F1
r1
r1
F2
F3
Dz
wignia siły Dz
wignia prędkości
(np. belka jako (np. ruch kończyny
podnośnik ) wywołany siłą mięśnia)
Moment siły w stawie
Staw łokciowy; odległość pomiędzy przyczepem mięśnia
ramiennego a chwilowÄ… osiÄ… obrotu w stawie wynosi 5 cm.
A, staw wyprostowany. q=20°.; ramiÄ™ siÅ‚y [5 cm x sin(20°) ]= 1.7 cm.
Duża część siły generowanej przez mięsień ściska go, zamiast
obracać.
B, staw zgiÄ™ty, q=50°, ramiÄ™ siÅ‚y [5 cm x sin(50°) ]= 4.3 cm.
Siły w układzie mięśniowo-
szkieletowym
ZnajÄ…c wymiary anatomiczne
obliczymy siłę mięśniową Fż
oraz siłę reakcji w stawie FRS
podczas nagryzania pokarmu:
A) siekaczami
B) zębami przedtrzonowymi
Zakładamy, że do rozgryzienia
(np. jabłka) potrzebna jest siła
0,4 L
L
200N
1,2L
Siły w układzie mięśniowo-
szkieletowym
Fż
r2
Fż
FRS
R
r1
FRS
1. Warunek równowagi momentów sił
wokół chwilowej osi obrotu w stawie:
R
r1 ×ð R =ð r2 ×ð Fż
0,4 L
2. Warunek równowagi sił:
L
rð rð rð
1,2L
R +ð Fż +ð FRS =ð 0
Siły w układzie mięśniowo-
szkieletowym
Fż
r2
R
r1
FRS
r1=1,2L (1,0L) ; r2=0,4L; R=200N
r1 ×ð R =ð r2 ×ð Fż
1,2L (1,0L)· R = 0,4L·Fż
Fż = 3R (2,5R) = 600N (500N)
0,4 L
rð rð rð
L
R +ð Fż +ð FRS =ð 0
1,2L
FRS = Fż - R = 400N (300N)
Siły w układzie mięśniowo-
szkieletowym
Fż
r2
R
FRS
r1
Sprawdz
, że siła w stawie
jest bliska zeru gdy
rozdrabniamy pokarm
zębami trzonowymi
0,4 L
L
1,2L
Siły działające na ząb - przykład
Skorzystamy z III zasady dynamiki Newtona
F
0,01 m
F1
F = 0,5 N
Z warunku równowagi dz
wigni:
F·0,01 m = F2·0,02 m
0,02 m
F2 = 0,25 N
F2
F1 = F + F2 = 0,75N
Siły działające na kość
Dziękuję za uwagę !