Tài liệu giảng dạy môn Vật lý Lý sinh (Phần lý thuyết) - Trương Thị Ngọc Trinh

164 trang Gia Huy 25/05/2022 2200

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tài liệu giảng dạy môn Vật lý Lý sinh (Phần lý thuyết) - Trương Thị Ngọc Trinh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

tai_lieu_giang_day_mon_vat_ly_ly_sinh_phan_ly_thuyet_truong.pdf

Nội dung text: Tài liệu giảng dạy môn Vật lý Lý sinh (Phần lý thuyết) - Trương Thị Ngọc Trinh

Phụ lục 5 TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN TÀI LIỆU GIẢNG DẠY MÔN VẬT LÝ LÝ SINH (PHẦN LÝ THUYẾT) GV biên soạn: Trương Thị Ngọc Chinh Trà Vinh, /20 Lưu hành nội bộ
MỤC LỤC Nội dung Trang CHƢƠNG 1 CƠ SINH HỌC 3 BÀI 1 MỞ ĐẦU 3 BÀI 2 CHUYỂN ĐỘNG CỦA CHẤT LỎNG VÀ SỰ VẬN CHUYỂN MÁU TRONG CƠ THỂ 11 BÀI 3 KHÍ VÀ SỰ VẬN CHUYỂN KHÍ TRONG CƠ THỂ NGƢỜI 22 BÀI 4 CHUYỂN ĐỘNG CƠ HỌC TRONG CƠ THỂ 28 BÀI 5 HOẠT ĐỘNG CO CƠ 32 BÀI 6 VẬN ĐỘNG LIỆU PHÁP 38 CHƢƠNG 2 CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 42 BÀI 1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN VỀ NHIỆT HỌC 43 BÀI 2 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC . 45 BÀI 3 NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 50 CHƢƠNG 3 SÓNG VÀ ÂM 54 BÀI 1 SÓNG ÂM 54 BÀI 2 ÂM VÀ SIÊU ÂM 56 BÀI 3 SƠ LƢỢT VỀ ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG NGÀNH Y 66 CHƢƠNG 4 ĐIỆN SINH VẬT 71 BÀI 1 ĐIỆN THẾ SINH VẬT Ở TẾ BÀO SỐNG 71 BÀI 2 ĐIỆN THẾ HOẠT ĐỘNG CỦA TỔ CHỨC SỐNG 79 BÀI 3 TÁC DỤNG CỦA DÒNG ĐIỆN LÊN CƠ THỂ VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU TRỊ 86 CHƢƠNG 5 QUANG SINH HỌC 99 BÀI 1 BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG 99 BÀI 2 LASER VÀ ỨNG DỤNG 104 BÀI 3 TÁC DỤNG CỦA ÁNH SÁNG LÊN CƠ THỂ SỐNG 112 BÀI 4 MẮT VÀ DỤNG CỤ BỔ TRỢ 117 BÀI 5 PHƢƠNG PHÁP HIỂN VI 128 CHƢƠNG 6 PHÓNG XẠ SINH HỌC 139 BÀI 1 CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA BỨC XẠ ION HÓA 139 BÀI 2 TÁC DỤNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ ION HOÁ 144 BÀI 3 ỨNG DỤNG BỨC XẠ VÀO Y HỌC 153 TÀI LIỆU THAM KHẢO 162 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 1
Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 2
CHƢƠNG 1 CƠ SINH HỌC BÀI 1 MỞ ĐẦU  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, ngƣời học có thể: - Trình bày đƣợc tầm quan trọng của vật lý đối với các môn khoa học khác, đối với y học lâm sàng và bảo vệ sức khỏe cộng đồng - Dùng đúng các đơn vị đo lƣờng của nhà nƣớc Việt Nam trong công việc hằng ngày. - Giải thích đƣợc sự biến đổi năng của cơ thể, nhu cầu năng lƣợng của cơ thể. 1. Định nghĩa và nội dung lý sinh Vật lí học là một ngành khoa học tự nhi n nghi n cứu nh ng d ng vận động cơ bản nh t của vật ch t rồi tìm cách ứng dụng chúng phục vụ đời sống Trong quá trình phát triển , các ngành khoa học đan xen vào nhau làm nảy sinh các ngành khoa học mới, thí dụ nhƣ lý sinh, h a sinh Nh ng phát minh lớn trong vật lý các định luật bảo toàn , tính ch t lƣợng t , nh ng thuyết vật lý v bản ch t của vật ch t c đ c tính chung và trong một mức độ khác nhau, c tác dụng đối với giới sống c ng nhƣ kh ng sống, cho n n c thể coi vật lý là cơ sở của mọi khoa học tự nhi n Lý sinh vật lý v sự sống quan hệ mật thiết với y học hiện đ i là do: - Sự ứng dụng của nh ng qui luật vật lý để nghi n cứu nh ng quá trình sống, để hiểu và giải thích nh ng hiện tƣợng xảy ra tr n cơ thể con ngƣời, tr n quần thể sống Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 3
- S dụng nh ng phƣơng pháp vật lý, nh ng máy m c thiết bị trong việc ch n đoán bệnh, trong đi u trị bệnh, trong bảo vệ sức khỏe cộng đồng trong việc bảo vệ m i trƣờng sống - S dụng nh ng phƣơng pháp suy ngh đƣợc th a nhận trong vật lý cho việc x y dựng thế giới quan khoa học của ngƣời thầy thuốc Khi nghi n cứu hiện tƣợng vật lý xảy ra tr n vật thể sống ho c kh ng sống, phƣơng pháp phổ biến là t o n n một hoàn cảnh thí nghiệm tƣơng tự nhƣ sự kiện đ xảy ra ho c t o n n một m hình tƣơng đối giống nhƣ hiện tƣợng đƣợc khảo sát, tr n cơ sở đ mà hoàn ch nh dần các đi u kiện th ng số của hiện tƣợng Thí dụ để nghi n cứu v tim và hệ tuần hoàn, ngƣời ta c thể chế t o n n một hệ th ng ống d n kín mà thành ống c tính đàn hồi một máy bơm với c ng su t xác định, ho t động lien tục Cho đến nay, các hiện tƣơng vật lý xảy ra đƣợc giải thích bằng 4 lo i tƣơng tác sau: Tƣơng tác h p d n: tƣơng tác này đƣợc di n tả cơ bản bằng định luật v n vật h p d n của Newton Hai vật b t kì hút nhau bằng một lực t lệ thuận với khối lƣợng của chúng và t lệ nghịch với bình phƣơng khoảng cách gi a chúng Tƣơng tác điện t : tƣơng tác này đƣợc di n tả cơ bản bằng định luật Coulomb c d ng tƣơng tự định luật h p d n: Hai điện tích hút ho c đ y nhau bằng một lực t lệ thuận với các điện tích của chúng và t lệ nghịch với bình phƣơng khoảng cách gi a chúng Tƣơng tác h t nh n m nh: tƣơng tác này xảy ra r t đáng kể trong ph m vi kích thƣớc h t nh n, khoảng 1 -15m, n đảm bảo sự tồn t i h t nh n nguy n t Tƣơng tác h t nh n yếu: tƣơng tác này g n li n với sự phát x của h t nh n nguy n t Thời gian gần đ y, nhi u ngƣời n i đến sự tồn t i của trƣờng sinh học tƣơng ứng với n là sự tƣơng tác của trƣờng sinh học nhƣng bản ch t của trƣờng sinh học v n chƣa đƣợc chứng minh r rệt 2. Đo lƣờng và đơn vị đo 2.1. ệ ệ ệ M i thuộc tính của một đối tƣợng vật lý đ c trƣng bằng một hay nhi u đ i lƣợng vật lý Một trong nh ng v n đ cơ bản của vật lý học là v n đ đo lƣờng các đ i lƣợng vật lý Đo một đ i lƣợng vật tức là chọn một đ i lƣợng cùng lo i làm m u (gọi là đơn vị) rồi so sánh đ i lƣợng phải đo với m u đơn vị đ Trị số đo của đ i lƣợng đ phải bằng t số: Muốn định ngh a đơn vị của một đ i lƣợng, ngƣời ta phải chọn trƣớc một số đơn vị làm m u gọi là đơn vị cơ bản Các đơn vị khác đƣợc suy ra t các đơn vị cơ bản gọi là đơn vị d n xu t Tùy theo các đơn vị cơ bản chọn trƣớc sẽ suy ra nh ng đơn vị d n xu t khác. Tập hợp các đơn vị đ chọn và các đơn vị d n xu t tƣơng ứng gọi là hệ đơn vị Các đơn vị thƣờng đƣợc chọn sao cho thõa mãn một số yêu cầu: Các đơn vị phải tiện lợi khi tính toán; các công thức vật lý có nh ng hệ số đơn giản và hợp lý; số liệu khoa học đƣợc thống nh t gi a các nƣớc để tiện trao đổi Trong quá khứ, ngƣời ta dùng: - Hệ CGS: đơn vị cơ bản là xăngtimét cm , gam g và gi y s - Hệ MKS: đơn vị cơ bản là mét (m), kilogram (kg) và giây (s) Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 4
Năm 196 , nhi u nƣớc trên thế giới đ họp và chọn một hệ đơn vị thống nh t gọi là hệ SI (international) – hệ quốc tế Năm 1965, chính phủ Việt Nam đ ban hành Bảng đơn vị đo lƣờng hợp pháp của nƣớc Việt Nam dựa tr n cơ sở hệ SI. Trong hệ SI 6 đơn vị cơ bản là: - Đơn vị chi u dài: mét (m) - Đơn vị khối lƣợng: kilogram (kg) - Đơn vị thời gian : giây (s) - Đơn vị cƣờng độ dòng điện: Ampe (A) - Đơn vị cƣờng độ sáng: Candela (cd) - Đơn vị nhiệt độ: độ Kelvin (0K) T các đơn vị cơ bản đ , ngƣời ta có thể định ngh a các đơn vị d n xu t. Thí dụ đơn vị SI cho công su t, gọi là oát (viết t t là W đƣợc định ngh a theo các đơn vị cơ bản của khối lƣợng, độ dài và thời gian. 1oat=1W=1kg.m2/s3 Bảng 1.1. Các tiền t c a hệ m thập phân Ti ầu ngữ Ký hiệu Thừa s Ti ầu ngữ Ký hiệu Thừa s Đe ca da 101 Đ xi d 10-1 Hecto ha 102 Xăngti c 10-2 Kilo k 103 Mili m 10-3 Mega M 106 Micro 10-6 Giga G 109 Nano n 10-9 Tera T 1012 Pico p 10-12 Để di n tả các số đo lớn ho c nhỏ, ngƣời ta có thể bổ sung vào các đơn vị đo các ti n tố của hệ đếm thập phân bảng 1.1. Do th i quen, ngƣời ta hay dùng các đơn vị sau: o - 1Angstron (1 A ) = 10-10m = 10-8 cm - 1 phút = 60s - 1 giờ = 3600 s = 60 phút 2.2. Đạ ô ớ ạ e ơ Một số đ i lƣợng vật lý ngoài các đơn vị đo ra c thể đ c trƣng bằng một số liệu một cách đơn trị, đ là đ i lƣợng v hƣớng. Thí dụ khoảng thời gian, năng lƣợng, nhiệt độ, thể tích Các đ i lƣợng khác, chẳng h n tốc độ, gia tốc, lực, cƣờng độ điện trƣờng, cƣờng độ t trƣờng kh ng nh ng đ c trƣng bằng một trị số nào đ mà còn cần ch r hƣớng của chúng trong kh ng gian, đ là đ i lƣợng vectơ Các đ i lƣợng này có thể biểu di n và tuân theo quy luật của đ i số vectơ Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 5
2.3. Độ lớn về kh ng, chiều dài, th i gian, c a một s ng. Các hằng s vật lý thông dụng. Bả 1.2. Độ lớn c a kh ng một s ng vật lý Đ ng Kh ng (kg) Điện t 0,9.10-30 Proton 1,67.10-27 Phân t AND 10-15 1 lit nƣớc 1 Con ngƣời trƣởng thành 0,5 – 0,8.102 Ô tô 103 Tàu thủy 107 Trái Đ t 6.1024 M t trời 2.1030 Bảng 1.3. Độ lớn chiều dài một s ng vật lý Đ ng Chiều dài Giới h n v trụ (khoảng đƣờng ánh sáng đi đƣợc t ~1026 Big Bang tới nay – khoảng 15 t năm Một năm ánh sáng ~1015 Khoảng cách Trái Đ t – M t Trời ~1012 Khoảng cách Trái Đ t – M t Trăng ~109 Chi u cao con ngƣời 1,5~1,9 Một số virus ~10-6 Phân t lớn ~10-9-10-8 Kích thƣớc nguyên t ~10-10 Kích thƣớc h t nhân nguyên t 10-15 Cận tr n bán kính điện t 10-18 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 6
Bảng 1.4. Khoảng cách th i gian một s quá trình vật lý. Quá trình Khoảng th i gian (s) Thời gian ánh sáng đi qua một nucleon 10-24 Chu kỳ dao động h t nhân 10-21 Chu kỳ dao động nguyên t 10-14 Chu kỳ dao động sóng vô tuyến truy n hình 10-8 Chu kỳ dao động sóng âm 10-3 Nhịp tim 1 1 năm 108 Đời ngƣời 1010 Xu t hiện ngƣời tr n Trái Đ t 1014 Tuổi của v trụ 1018 Bảng 1.5. Các hằng s vật lý thông dụng Tên hằng s Ký hiệu Giá trị Tốc độ ánh sáng trong chân không c 3.108ms-1 23 -1 Số Avogadro NA 6,023.10 phân t .mol Hằng số Boltzmann k 1,381.10-23JK-1 Hằng số h p d n v trụ G 6,672.10-11m3kg-1s-2 Gia tốc trọng trƣờng g 9,81ms-2 Hằng số Coulomb K 9.109N.m2C-2 -31 Khối lƣợng electron m0 9,109.10 kg Điện tích nguyên tố e 1,602.10-19C -27 Khối lƣợng proton mp 1,673.10 kg -27 Khối lƣợng notron mn 1,675.10 kg -7 -1 Hằng số Rydberg RB 1,097.10 m -11 Bán kính Bohr a0 5,29.10 m Đơn vị khối lƣợng nguyên t uma 1,66.10-27kg Hằng số Planck h 6,63.10-34J.s 3. Các dạng năng lƣợng và sự biến đổi năng lƣợng trong cơ thể sống Các hệ thống sống trong quá trình tồn t i c ng nhƣ duy trì mọi ho t động nh t định phải thực hiện trao đổi vật ch t và năng lƣợng với m i trƣờng xung quanh Nhƣ vậy trong cơ thể lu n tồn t i hai quá trình quan trọng kh ng thể tách ròi nhau mà bổ sung cho nhau, t o đi u kiện cho nhau, đồng thời ta c ng th y đƣợc mối quan hệ đ c biệt của chúng với m i trƣờng Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 7
Năng lƣợng là đ i lƣợng đ c trƣng cho mức độ vận động của vật ch t Một vật ở tr ng thái xác định thì có một năng lƣợng xác định. Khi vật không cô lập, ngh a là c tƣơng tác với các vật bên ngoài . Sự trao đổi năng lƣợng này có thể thực hiện bằng cách sinh công ho c truy n nhiệt. Đối với Lý sinh và đ c biệt là Lý sinh y học thì v n đ quan tâm là các d ng năng lƣợng và sự biến đổi của chúng ở cơ thể sống. Năng lƣợng là số đo chung của chuyển động vật ch t trong các hình thức chuyển động khác. M i hình thức vận động cụ thể tƣơng ứng với một d ng năng lƣợng Cơ thể đƣợc c u t o t các nguyên t , phân t vật ch t luôn vận động và biến đổi, vì vậy trong cơ thể c ng c đầy đủ các d ng của năng lƣợng 3.1. C ạ ơ ể Trong cơ thể tùy lúc, tùy nơi mà c thể tồn t i các d ng năng lƣợng sau đ y: 3.1.1.Cơ - Cơ năng là năng lƣợng của chuyển động cơ học và tƣơng tác cơ học, gi a các vật ho c các phần t của vật Cơ năng của hệ vật bằng tổng của động năng và thế năng của hệ y. - Động năng là số đo phần cơ năng do vận tốc của n quyết định. Trong cơ thể động năng g p nh ng nơi nào đang c sự chuyển động: sự di chuyển của cả cơ thể, sự vận chuyển máu trong hệ tuần hoàn, sự vận chuyển khí trong đƣờng hô h p, sự vận chuyển thức ăn trong ống tiêu hóa, sự vận chuyển vật ch t qua màng tế bào - Thế năng là phần cơ năng của hệ quy định bởi tƣơng tác gi a các phần với nhau và với trƣờng lực ngoài. Thế năng bằng công mà các lực thế thực hiện đƣợc khi di chuyển hệ t vị trí (c u hình đang xét tới vị trí (c u hình) có thế năng quy ƣớc bằng 0 Đối với cơ thể, xét v toàn bộ, do tồn t i trong trƣờng h p d n của trái đ t nó có một thế năng Gi a t ng cơ quan, bộ phận trong cơ thể c ng tồn t i thế năng do chúng ta di chuyển vị trí tƣơng đối đối với nhau, ho c thay đổi c u hình trong quá trình thực hiện các chức năng của cơ thể sống. 3.1.2. Đ ệ Điện năng là năng lƣợng liên quan tới chuyển động của các phần t mang điện điện tích), trong nhi u trƣờng hợp đ là các electron Trong cơ thể, điện năng c trong sự vận chuyển thành dòng của các ion qua màng tế bào, trong sự phát các lo i s ng điện t vào kh ng gian xung quanh Điện năng làm cho hƣng ph n đƣợc d n truy n ra cả tế bào, đảm bảo cho sự ho t động của tế bào Kh ng c n cơ thể không thể tồn t i đƣợc 3.1.3. ó Hóa năng là năng lƣợng gi cho các nguyên t , các nhóm hóa chức có vị trí không gian nh t định đối với nhau trong một phân t Năng lƣợng sẽ đƣợc giải phóng khi phân t bị phá vỡ Độ lớn của năng lƣợng đƣợc giải phóng tùy thuộc t ng liên kết H a năng g p ở b t cứ nơi nào c các ph n t hóa học, do đ n c ở kh p cả cơ thể. H a năng của cơ thể tồn t i dƣới nhi u hình thức: h a năng của các ch t t o hình, h a năng của các ch t dự tr nhƣ glycogen, lipid, protid , h a năng của các ch t đảm bảo các ho t động chức năng, h a năng của các hợp ch t giàu năng lƣợng 3.1.4. Q Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 8
Quang năng là d ng năng lƣợng li n quan đến ánh sáng Cơ thể tiếp nhận năng lƣợng t các lƣợng t ánh sáng, s dụng nó trong các phản ứng quang hóa nhằm t o năng lƣợng cho cơ thể, tiếp nhận và x lý thông tin, thực hiện quá trình sinh tổng hợp 3.1.5. Nhiệ Nhiệt năng là d ng năng lƣợng g n với chuyển động nhiệt hổn lo n của các phân t c u t o nên vật ch t. Vì vậy nhiện năng còn c t n gọi là năng lƣợng chuyển động nhiệt. Sự biến đổi t các d ng năng lƣợng khác sang nhiệt năng và ngƣợc l i đ ng một vai trò quan trọng trong tự nhiên. Nhiệt năng tồn t i trong toàn bộ cơ thể. Nhiệt năng đảm bảo cho cơ thể có một nhiệt độ bên trong cần thiêt cho các phản ứng chuyển hóa di n ra bình thƣờng Để duy trì ho t động của cơ thể và gi cho cơ thể ở tr ng thái cân bằng, trong cơ thể lu n đồng thời tồn t i hai quá trình : t o ra nhiệt năng cần thiết cho cơ thể và lo i một phần nhiệt năng ra khỏi cơ thể. 3.1.6. ng hạt nhân. Năng lƣợng h t nh n đƣợc dự tr trong h t nhân nguyên t , khi bị phá vỡ năng lƣợng này đƣợc giải phóng. Ở cơ thể, có thể kể đến năng lƣợng này khi xét tƣơng tacs của bức x h t nh n, tia v trụ với cơ thể trong cuộc sống bình thƣờng hằng ngày ho c khi phải tiếp xúc, s dụng chúng với li u lƣợng cao hơn nhằm các mục đích khác nhau. 3.2. S ổ ạ ơ ể Các cơ thể sống và các tế bào c u t o nên chúng không phải là nh ng cái máy nhiệt mà là nh ng máy chuyển hóa, chúng biến đổi năng lƣợng của thức ăn thành nhiệt năng, cơ năng, h a năng mà ở d ng y tế bào, m hay cơ thể các sinh vật có thể s dụng đƣợc. Nhiệt năng để duy trì thân nhiệt và gi cho nó ít biến đổi. Sự thay đổi lớn của thân nhiệt gây nên nhi u rối lo n bệnh lý Cơ năng do hệ cơ xƣơng khớp t o n n, đảm bảo các tƣ thế cần thiết và ho t động chức năng của cơ thể duy trì sự sống, đ c biệt đảm bảo khả năng lao động của con ngƣời H a năng r t quan trọng trong tổ chức sống N đảm bảo các c u trúc năng lƣợng cho vật ch t chuyển động nhƣ cho hiện tƣợng th m th u, khuếch tán, trao đổi ch t Xét theo sự biến đổi năng lƣợng tr n cơ thể ta có thể chia thành ba phần: năng lƣợng vào cơ thể - năng lƣợng chuyển h a trong cơ thể - năng lƣợng rời cơ thể. - Năng lƣợng vào cơ thể: Chủ yếu là h a năng của thức ăn, c ba ch t chính cung c p năng lƣợng cho cơ thể là protid, lipid, glucid Ngoài ra còn c năng lƣợng nhiệt, năng lƣợng của s ng điện t - Chuyển h a năng lƣợng trong cơ thể: Không giống với các chức năng khác, cơ thể không có riêng bộ máy chuyển h a năng lƣợng chung cho cả cơ thể. Các ch t h p thụ đƣợc vận chuyển tới các tế bào, ở đậy, các ch t này tham gia vào các phản ứng chuyển hóa phức t p. Cùng với nh ng biến đổi hóa học này, h a năng của các ch t h p thụ c ng chuyển hóa thành các d ng năng lƣợng cần thiết cho cơ thể. Trong t t cả các phản ứng chuyển hóa bao giờ c ng c một phần năng lƣợng của các ch t tham gia phản ứng biến đổi thành nhiệt năng - Năng lƣợng rời cơ thể: Năng lƣợng rời cơ thể dƣới các d ng h a năng của các ch t bài tiết, động năng, điện năng và nhiệt năng Sự sống là sự tồn t i của vật ch t, năng lƣợng và sự trao đổi, biến đổi của chúng theo nh ng quy luật ch t chẽ và ít biến động. Nhiệm vụ của y học là duy trì bồi bổ và tìm biết các rối lo n xảy ra để bổ cứu, s a ch a mà Lý sinh y học có một vai trò r t quan trọng vì các hiện Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 9
tƣợng sinh học ngoài các quy luật của các ngành khoa học khác c ng tu n theo các quy luật chung của vật lý học. Câu hỏi (bài tập) củng cố: 1 Xác định sơ lƣợc quan hệ gi a môn học Lý sinh với một số môn học gần khác. Phân tích tác dụng của kiến thức Lý sinh với công việc của bản thân. 2. T i sao l i phải c đơn vị đo và s dụng chúng đúng đ n? 3 N u định ngh a và kể tên các d ng năng lƣợng c trong cơ thể. 4. Giải thích sự biến đổi các d ng năng lƣợng trong cơ thể. Cho một ví dụ và phân tích vai trò tác dụng của sự biến đổi đ Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 10
BÀI 2 CHUYỂN ĐỘNG CỦA CHẤT LỎNG VÀ SỰ VẬN CHUYỂN MÁU TRONG CƠ THỂ  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, ngƣời học có thể: - Vận dụng đƣợc các quy luật vật lý để giải thích chuyển động của máu. Quá trình trao đổi và vận chuyển vật ch t di n ra không ng ng trong cơ thể các sinh vật. Chúng ta có thể quan sát đƣợc quá trình vận chuyển đ ở d ng v m nhƣ chuyển động của máu trong hệ tuần hoàn, chuyển động của không khí ở hệ hô h p. Thực ch t là có các d ng chuyển động vi mô phức t p của các phân t t o nên các chuyển động v m đ Vật thể đƣợc c u t o t các nguyên t , phân t . Tr ng thái r n, lỏng, khí đƣợc quyết định bởi mật độ phân t và lực tƣơng tác gi a các phân t với nhau. Các phân t luôn luôn chuyển động hổn lo n. Tuy các phân t chuyển động hổn lo n, nhƣng gi a chúng có nh ng lực tƣơng tác xác định . Lực tƣơng tác này ch tác dụng trong ph m vi kích thƣớc phân t (khoảng 10-8cm), là lực hút khi các phân t ở xa nhau, là lực đ y khi các phân t quá gần nhau. Trong ch t khí, lực tƣơng tác gi a các phân t yếu nên phân t chuyển động hoàn toàn hổn lo n. Trong ch t lỏng, lực tƣơng tác gi a các phân t m nh hơn, các ph n t dao động quanh vị trí cân bằng đồng thời vị trí cân bằng này l i có thể dịch chuyển. Ch t khí và ch t l ng đƣợc gọi chung là ch t lƣu Ở ch t r n do lực tƣơng tác gi a các phân t ch t r n là khá m nh nên phân t ch dao động quanh vị trí cân bằng mà thôi, vì thế ch t r n d c hình dáng xác định 1. Dịch trong cơ thể sinh vật Các dung dịch trong cơ thể sinh vật đ ng vai trò r t quan trọng. Chúng vận chuyển vật ch t t nơi này đến nơi khác của cơ thể, chúng là m i trƣờng để thực hiện hang lo t các phản ứng hóa sinh, chúng bao bọc và bảo vệ các tổ chức, chúng thực hiện các quá trình trao đổi ch t, chúng d n truy n các xung điện sinh vật Trong cơ thể có hai lo i dung m i chính là nƣớc và lipid, t đ chia ra làm bốn lo i dung dịch: dung dịch hòa tan kh ng điện ly, dung dịch hòa tan điện ly, dung dịch keo và dung dịch đ i phân t . Dung dịch hòa tan kh ng điện ly: là một hệ đồng nh t gồm hai hay nhi u ch t và các ch t này không có khả năng phân ly thành ion. Khi nghiên cứu lo i dung dịch này ta quan t m đến t lệ ch t tan trong dung dịch (nồng độ) bởi vì mọi tính ch t của dung dịch đ u phụ thuộc vào nồng độ của nó. Dung dịch hòa tan ch t điện ly: khác với dung dịch trên ở ch các ch t hòa ta có khả năng ph n ly thành các ion dƣơng và m Độ điện ly phụ thuộc vào dung môi, nhiệt độ, nồng độ ch t điện ly. Dung dịch kh ng điện ly và dung dịch điện ly đƣợc gọi chung là dung dịch thực. Dung dịch keo: là một hệ phân tán dị thể, chúng gồm một pha liên tục m i trƣờng) và các phân t chia nhỏ với kích thƣớc và hình dáng cơ thể khác nhau (pha phân tán). Trong môi trƣờng này, các phân t chia nhỏ trong dung dịch keo hay còn gọi là tiểu phần kep (h t keo) c kích thƣớc t 1 1 nm Khi m i trƣờng phân tán là ch t lỏng thì dung dịch keo đƣợc gọi là sol lỏng. Nếu m i trƣờng ph n tán là nƣớc thì gọi là sol nƣớc. Nếu là ch t lỏng h u cơ thì đƣợc gọi là sol h u cơ Đối với cơ thể ta quan tâm chủ yếu đến sol lỏng. Dung dịch đ i phân t : các đ i phân t có khối lƣợng lớn (cỡ hành chục nghìn đến hàng chục triệu Daltin nhƣ protein, polymer cao ph n t kích thƣớc lớn Do vậy, dung dịch Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 11
đ i phân t c ng là một d ng của dung dịch keo và c ng c tính ch t chung nhƣ dung dịch keo. 2. Các định luật về chuyển động của chất lỏng Để khảo sát các định luật v sự chuyển động của ch t lỏng, ngƣời ta đƣa ra khái niệm ch t lỏng lý tƣởng và ch t lỏng thực. Ch t lỏng lý tƣởng là ch t lỏng tuyệt đối không nén đƣợc và bên trong ch t lỏng kh ng cơ ma sát Tuy nhi n, vơi mức độ khá chính xác ta có thể xem ch t lỏng là lý tƣởng với đi u kiện áp su t và nhiệt độ bình thƣờng 2.1. P ơ ì ụ : Hình 1.1. M ọ ơ ì ụ . Khảo sát chuyển động d ng trong một ống dòng hình vẽ 1.1) , ta th y, lƣợng ch t lỏng dm chảy vào ống qua tiết diện S1 và chảy ra khỏi ống qua S2 trong cùng thời gian dt là nhƣ nhau, ta viết đƣợc phƣơng trình sau: dm = 1(dV)1 = 2(dV)2 với: dV1 = S1v1dt dV2 = S2v2dt 1 S1v1dt = 2S2v2dt 1 S1v1 = 2S2v2 (1.1) Đối với ch t lỏng lí tƣởng kh ng nén thì khối lƣợng ri ng của n là hằng số ( 2 = 1 = , phƣơng trình 1.1 đƣợc viết l i là: S1v1 = S2v2 = hằng số (1.2) Các phƣơng trình 1.1), (1.2 là phƣơng trình li n tục của ch t lỏng Chứng tỏ rằng ở tiết diện ngang của ống dòng càng bé đƣờng dòng khít thì vận tốc của ch t lỏng càng lớn 2.2. P ơ ì Be : Khảo sát chuyển động d ng trong một ống dòng của một ch t lƣu đồng ch t hình vẽ , ngƣời ta x y thiết lập đƣợc phƣơng trình: Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 12
1 2 1 2 v2 gh2 p2 v1 gh1 p1 2 2 (1.3) 1 hay v2 gh p hangso 2 Phƣơng trình 1.3 gọi là phƣơng trình Becnuli do D Becnuli thiết lập năm 1738 Trong đ : 1 + Đ i lƣợng v 2 :gọi là áp su t thủy động gây ra bởi vận tốc dòng chảy 2 + p : là áp su t thu t nh 1 + Tổng v 2 p :là áp su t toàn phần 2 Trƣờng hợp ống dòng nằm ngang thì t i mọi điểm trong ống đ i lƣợng gh là nhƣ nhau, phƣơng trình Becnuli trở thành: 1 p v 2 hangso (1.4) 2 Nếu ống có tiết diện nhƣ nhau thì vận tốc v t i mọi điểm là nhƣ nhau và lúc đ áp su t t nh p = hằng số. 2.3. ệ ớ . Ứ ụ )K ệ ộ ò ấ ỏ Khi ch t lỏng chảy với vận tốc nhỏ, nó sẽ chảy thành lớp. Giả s có một dòng ch t lỏng chảy theo một hƣớng xác định Ox. Hình 1.2. Khảo sát hiệ ng nhớt M i lớp ch t lỏng có tốc độ lần lƣợt là v1, v2, v3, , vn (các h t ch t lỏng trong cùng một lớp có vận tốc nhƣ nhau Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 13
Do ma sát, các lớp tác dụng lên nhau. Lớp có v lớn hơn c xu hƣớng kép lớp có v nhỏ Ngƣợc l i, lớp chuyển động chậm chậm kìm hãm lớp chuyển động nhanh. Xu t hiện lực ma sát nội (lực nhớt) Fms Độ lớn của lực nội ma sát gi a hai lớp thứ i và j ở một nhiệt độ nh t định sẽ phải: - T lệ thuận với dS là phần diện tích tiếp xúc gi a hai lớp i và j - T lệ thuận với dv = vi – vj Trong đ vi, vj là vận tốc thứ i và j. - T lệ nghịch với khoảng cách gi a hai lớp (dz) - Tuỳ thuộc vào bản ch t của ch t lỏng đƣợc đ c trƣng bằng hằng số t lệ. Gọi là hệ số nhớt của ch t lỏng η (eta). Theo Niutơn: (1.5) gọi là gradiêng vận tốc. Cho th y mức độ thay đổi của vận tốc khi đi t lớp này qua lớp khác. Nếu dS = 1 đơn vị diện tích và Thì Fms = η Ý nghĩa vật lý của η : hệ số nhớt của ch t lỏng chính bằng lực ma sát nội xu t hiện gi a hai lớp ch t lỏng có diện tích là 1 đơn vị và gradiêng vận tốc của chúng bằng 1. Lúc đ hệ số nhớt η ch phụ thuộc vào bản ch t của ch t lỏng và nhiệt độ của ch t lỏng. ở 200C là một hằng số vật lý cùng với các hằng số vật lý khác dùng để định tính các ch t Chú ý: hệ số nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ là vì lực nội ma sát gây ra do các phân t ch t lỏng chuyển động tƣơng đối với nhau. Khi nhiệt độ thay đổi thì tr ng thái chuyển động của các phân t c ng thay đổi. Hệ số nhớt đƣợc xác định bằng thực nghiệm, c ý ngh a trong y học. Chẳng h n xác định hệ số nhớt của máu, huyết thanh cho ta biết tình tr ng bệnh lý của cơ thể. Đơn vị của η : N.s/m2 hay kg/m.s, gọi là poadơi Bảng 2.1. Hệ s nhớt c a một s chất ở 200C Tên chất η (N.S/m2) η / η 0 Nƣớc 0,01 1 Rƣợu êtylic 0,012 1,2 Glycerin 8,5 850 Máu ngƣời 0,038 - 0,045 3,8 - 4,5 Hệ số nhớt của máu phụ thuộc vào cả huyết thanh và hồng cầu. Theo Anhstanh, hệ số nhớt của một dung dịch chứa nh ng h t r t nhỏ phụ thuộc vào hệ số η của riêng ch t lỏng và thể tích V của t t cả các h t trong 1cm3 dung dịch. Nhƣ vậy lƣợng hồng cầu ảnh hƣởng r t nhi u đến η của máu Ngƣời thiếu máu và ngƣời bình thƣờng có hệ số η khác nhau. Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 14
Ngoài ra hệ số η c ng cho ta biết tình tr ng của cơ thể Bình thƣờng η của huyết thanh t 1,64 - 1,69 ở 200C. Khi ốm có thể t 1,5 - 3. Do t lệ và ch t lƣợng của các albumin trong huyết thanh thay đổi. b) Công thứ P ơ ( euille) Khi ch t lỏng nhớt chảy trong một ống d n hẹp phải tính đến lực nội ma sát tức là tính đến độ nhớt. Dòng chảy ch t lỏng nhớt qua ống trụ r t hẹp đƣợc Poiseuille khảo sát r t kỹ với mục đích chính là để nghiên cứu dòng chảy của máu trong các động m ch và t nh m ch. Trong các huyết quản dòng chảy của máu thành lớp nhƣ trong ống trụ hẹp. Do tính ch t đối xứng của ống trụ ta d th y rằng tốc độ dòng chảy t i trục ống là lớn nh t và giảm dần theo hƣớng xa tâm và b m t lòng ống tốc độ dòng chảy bằng 0. Poiseuille đ chứng minh đƣợc công thức biểu di n sự phụ thuộc của tốc độ dòng chảy của lớp ch t lỏng và vị trí x của lớp ch t lỏng đ Trong đ v là vận tốc của lớp ch t lỏng, η là hệ số nhớt, là độ chênh lệch áp su t gi a hai đầu ống, x là khoảng cách t thành ống đến lớp ch t lỏng đ cập đến và L là chi u dài ống. T đ c thể tính đƣợc lƣu lƣợng ch t lỏng chảy qua một ống trụ nằm ngang trong một giây theo hiệu áp su t gi a hai đầu ống, chi u dài ống, bán kính ống và hằng số nhớt ch t lỏng. (1.6) Ở đ y chúng ta cần lƣu ý là ống trụ nằm ngang, do đ ch t lỏng chuyển động ch nhờ chênh lệch áp su t gi a hai đầu ống, trọng lực không cần xét tới Trƣờng hợp ống không nằm ngang phải xét đến cả trọng lực, thí dụ nhƣ tim bơm máu l n đầu thì kh hơn bơm máu xuống chi dƣới khi ngƣời đang đứng. Đ i lƣợng còn đƣợc gọi là sức cản thủy động lực của ống trụ hẹp đối với ch t lỏng c độ nhớt η 3. Sự vận chuyển máu 3.1. Sơ c về tính chất vật lý c a hệ tuần hoàn: Hệ tuần hoàn máu có hai vòng khép kín: vòng tiểu tuần hoàn và đ i tuần hoàn: Vòng tiểu tuần hoàn chuyển máu t phần tim phải đến phổi. Ở đ máu h p thụ O2 và đào thải CO2 rồi chảy v tim. Vòng đ i tuần hoàn đƣa máu t tim trái qua hệ thống động m ch xuống t t cả các phủ t ng, tổ chức, cơ quan của cơ thể. Ở đ máu cung c p O2, l y CO2 và trao đổi các vật ch t cần thiết rồi cuối cùng qua hệ t nh m ch v tim phải. Nhƣ vậy máu ra khỏi tâm th t trái, qua hệ thống động m ch, mao m ch, t nh m ch rồi đổ vào t m nh phải. Trong buồng tim, máu theo chi u nh t định nhờ sự cơ b p của tim, tính đàn hồi của thành m ch, các van trong buồng tim và trong lòng m ch máu. Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 15
Hình 1.3. Mô hình hệ tuần hoàn a) Tim ơ Quả tim là một cơ r ng đƣợc vách ngăn chia thành hai n a: tim phải và tim trái. Ở m i ngăn l i đƣợc phân thành tâm th t và t m nh nhờ van. Van làm cho máu ch chuyển động theo một chi u t t m nh xuống tâm th t mà không có chi u ngƣợc l i Cơ tim c c u t o đ c biệt bao gồm nh ng sợi cơ v n li n kết với nhau thành một m ng Cơ tim ch co khi nào cƣờng độ kích thích đ t quá ngƣỡng và khi đ lực co của tim tăng nhanh để đ t giá trị cực đ i ngay.Ngoài ra, trong cơ tim c c u t o tổ chức đ c biệt với chức năng phát động và d n truy n xung động để kích thích cơ tim co b p đ u đ n. Tổ chức đ bao gồm: - Nút Kett – Flack nằm ở nh phải Chính đ y là nơi xu t phát các kính thích nhịp co đ u của tim. Nút Kett – Flack còn đƣợc gọi là nút xoang nh - Nút Tawara còn gọi là nút nh th t Xung động truy n t nút Kett – Flack dọc theo cơ nh đến nút Tawara. Bó Hiss gồm hai nhánh phân ra hai tâm th t Đ y là đƣờng độc nh t để xung động truy n sang tâm th t. Nó có hai nhánh lớn và phân chia thành nhi u nhánh nhỏ gọi là nhánh Pourkinger Xung động theo nhánh Pourkinger tới kh p tâm th t và xuống tới mỏm tim. Tuy vậy phần nào tim v n chịu sự đi u hòa của cơ thể qua hệ thần kinh trung ƣơng và qua các nội tiết tố, các ion kim lo i hiếm trong cơ thể Ngƣời ta phân biệt vòng tuần hoàn lớn và vòng tuần hoàn nhỏ: - Ở vòng tuần hoàn lớn: máu chảy t tâm th t trái qua động m ch chủ, tiểu động m ch, mao m ch, t nh m ch chủ rồi v t m nh phải. - Ở vòng tuần hoàn nhỏ: máu chảy t tâm th t phải qua động m ch phổi, tính m ch phổi v t m nh trái b) í ồi c a thành mạch máu * Cấu tạo của thành mạch C u t o của hệ thống m ch máu trong cơ thể dày đ c và phân phối tƣơng đối đồng đ u kh p cơ thể. Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 16
Động m ch chủ, t nh m ch chủ c đƣờng kính lớn nh t còn đƣờng kính mao m ch là nhỏ nh t. C u t o của các thành m ch chủ yếu là các cơ li n kết, cơ sợi đàn hồi và các thớ cơ trơn Sự co gi n cơ trơn để thay đổi tiết diện lòng m ch đƣợc đi u khiển bằng hệ thần kinh thực vật và các nội tiết tố. Trong lòng m ch còn chứa các hệ thống van, làm cho máu ch chảy theo một chi u nh t định. * Tác dụng đàn hồi của thành mạch Thành động m ch đ ng vai trò quan trọng để duy trì dòng chảy liên lục và tăng th m áp su t dòng chảy ta tiến hành thí nghiệm để th y vai trò của ống đàn hồi mô tả thí nghiệm nhƣ hình vẽ : Hình 1.4. Mô tả thí nghiệm về í ồi c a thành mạch Cho kẹp tháo nƣớc liên tục ta th y ở ống cứng nƣớc chảy ng t quãng theo nhịp kẹp đ ng mở. Còn ở ống cao su nƣớc chảy thành dòng liên tục và lƣu lƣợng lớn hơn Trong thành ống xu t hiện sóng đàn hồi có thể quan sát đƣợc. M i lần mở kẹp ch t lỏng đƣợc cung c p một áp su t để chuyển động, đồng thời c ng nhận đƣợc một phần năng lƣợng để giãn rộng ra, nhƣ vậy sự biến d ng đàn hồi của các thành ống đ đ ng vai trò quan trọng của ch t lỏng chuyển động trong ống cao su và chuyển động của máu trong thành m ch c ng vậy. Lực đ t lên thành m ch t i một điểm đƣợc xác định bởi hệ thức: Trong đ : ℓ là chi u dài vật và ℓ là sự biến d ng theo chi u dài của vật; E là m đun đàn hồi hay m đun Young của vật. Công thực hiện do sự biến d ng này sẽ đƣợc tính theo giá trị trung bình F. A = F. ℓ= Công này t o ra thế năng Et của biến d ng đàn hồi với Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 17
Vậy thế năng của thành m ch t lệ với bình phƣơng của độ biến d ng ( l2 ).Ta th y m ch giãn càng rộng ( ℓ càng lớn) thì thế năng dự tr càng lớn. Thế năng này r ràng c giá trị biến thiên tùy thuộc vào ℓ ở t ng thời điểm. Ở thời kỳ tim không co bóp áp su t dòng chảy giảm xuống dần. Thế năng ở thành m ch sẽ cung c p áp su t cho dòng chảy liên tục và đi u hòa trong suốt cả thời kỳ t m trƣơng Kèm theo sự lan truy n áp su t dọc theo thành m ch là sóng m ch. Sóng m ch có thể cảm giác đƣợc dƣới tay. Tốc độ sóng m ch ở động m ch chủ là 4m/s - 5m/s tức là sau một co bóp của tim (tâm thu) kéo dài tới 0,3s sóng m ch đ lan truy n đƣợc 1,2 - 1,5m. Tốc độ lan truy n của sóng m ch kh ng li n quan đến tốc độ chảy của máu trong lòng m ch. ở ngƣời lớn tuổi, do các thay đổi v thành phần và c u t o của thành m ch, tính đàn hội bị giảm đi và do vây tốc độ lan truy n của sóng m ch c ng tăng l n Vì vậy việc gi cho thành m ch đảm bảo đàn hồi là v n đ quyết định giải quyết v n đ v bệnh tim m ch. Nếu uống rƣợu, hút thuốc, ho c s dụng các ch t kích thích sẽ làm sơ cứng, sơ v a động m ch làm giảm khả năng đàn hồi gây các bệnh tim m ch. ) S ệ ạ : Nhìn chung, áp su t dòng chảy bị giảm dần khi xa tim. Nếu không kể đến nội lực ma sát do độ nhớt gây ra thì nguyên nhân chính của sự hao hụt áp su t là lực nội ma sát xu t hiện gi a thành m ch và máu chảy trong lòng m ch. Hình 2.5 minh họa v sự giảm áp su t do ma sát. Bình A đựng đầy nƣớc đến độ cao h, ống BD nối vào đáy bình và c các ống nhánh 1, 2, 3, 4, c tiết diện giống nhau. Ở độ cao h, nƣớc trong bình A có một thế năng nh t định. Thế năng này t o cho nƣớc ở đáy bình một áp su t. Nếu vòi D kh a kín, nƣớc trong bình A không chảy đƣợc vì thế năng kh ng chuyển sang d ng động năng của dòng chảy, mực nƣớc trong các ống 1, 2, 3, 4 sẽ bằng mực h ở bình A. Nếu vòi D mở cho nƣớc chảy ra thì mực nƣớc trong các ống 1, 2, 3 sẽ giảm dần. Nhƣ vậy là đ c một sự giảm thế năng của nƣớc thể hiện ở các độ cao h1, h2, h3 th p dần so với độ cao h. Thế năng hao hụt đ dùng để t o nên tốc độ chảy và để th ng lực cản của thành ống, trong đ phần lớn năng lƣợng dùng để th ng lực cản, còn phần r t nhỏ để t o tốc độ cho dòng chảy. Sức cản càng lớn thì sự hao hụt thế năng càng lớn thể hiện ở mức nƣớc càng xuống th p dần Đ c biệt mức nƣớc ở cột 3 th p hơn mức nƣớc ở cột 2 nhi u do eo th t E đ làm tăng sức cản của thành ống lên. Qua đ ta th y sự phân nhánh càng nhi u, lực ma sát của thành m ch càng tăng làm cho áo su t chảy của máu trong hệ tuần hoàn càng giảm. Hình 1.5. S phân nhánh hệ mạch Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 18
Nếu gọi là độ giảm áp su t gi a hai đầu một đo n m ch và R là sức cản của đo n m ch, V là thể tích máu chảy qua đo n m ch trong một đơn vị thời gian Ngƣời ta chứng minh đƣợc rằng: Áp su t ở đầu hệ thống tuần hoàn tức là trong tâm th t trái khoảng 130 Torr, ở cuối tức là trong t m nh phải khoảng 5 Torr. Thể tích máu lƣu th ng bình thƣờng khoảng 5l/phút (tức 83ml/s Nhƣ vậy, sức cản R của toàn hệ m ch là: R=(130-5)/83 1,5 đơn vị. Khi g ng sức, áp lực ở động m ch chủ có thể tăng l n đến 15 Torr và lƣu lƣợng tăng lên g p 3 Lúc đ sức cản của ngo i vi: R=(150-5)/83 x 3 ,5 đơn vị Nhƣ thế ngh a là khi cần thiết, do ho t động của tim nhanh lên và ảnh hƣởng của nhi u yếu tố m ch máu, lƣu lƣợng máu tăng l n đ làm cho sức cản ngo i vi của hệ m ch ch còn 1/3 giá trị lúc bình thƣờng. Ở bệnh nhân cao huyết áp, áp lực ở động m ch chủ có thể tăng l n đến 2 Torr, nhƣng lƣu lƣợng máu l i kh ng tăng l n đƣợc vì giá trị của sức cản ngo i vi tăng l n đến 2,3 đơn vị. Do đ , tim làm việc kh khăn hơn nhi u. Theo công thức Poadơi ta c mà Do đ Công thức này cho th y sức cản chung của m ch ngo i vi phụ thuộc vào các yếu tố hình học (r và l) của hệ m ch và phụ thuộc vào hệ số nhớt của máu ngo i vi. Công thức này c ng đƣợc vận dụng để giải thích ảnh hƣởng của yếu tố hình học của m ch máu lên áp su t và tốc độ chảy của máu. 3.2. S y ổi c a áp suất và t ộ chảy c ạn mạch ) S y ổ ấ Trong hệ tuần hoàn, độ chênh lệch áp su t gi a 2 đầu đo n m ch sẽ tùy thuộc vào đo n m ch đ là động m ch, mao m ch hay t nh m ch. Lòng m ch có bán kính r càng bé làm cho áp su t chảy ngày càng giảm xuống. Ở ngƣời bình thƣờng chi u dài tổng cộng các m ch lên tới trên 100.000km. Hình 1.6 cho th y sự thay đổi của áp su t và tốc độ chảy của máu trong các đo n m ch. Một trong nh ng nguyên nhân chủ yếu của sự thay đổi đ là sự phân nhánh của các m ch máu. Hệ thống m ch máu trong cơ thể đi t tim gồm động m ch chủ, các động m ch lớn, động m ch nhỏ rồi đến mao m ch, t nh m ch nhỏ, t nh m ch lớn và t nh m ch chủ. M ng động m ch càng xa tim càng phân nhánh nhi u. Vì vậy áp su t dòng chảy ngày càng giảm. Áp su t máu ở động m ch chủ khoảng 130 – 150 Tor rồi giảm dần theo chi u dài của hệ m ch. Ở các động m ch nhỏ áp su t máu là 70 – 8 Tor, khi đến các mao m ch ch còn 20 – 30 Tor. Áp su t ở t nh m ch khoảng 8 -15 Tor, còn trƣớc khi đổ v tim, ở t nh m ch chủ, áp su t máu có giá trị âm so với áp su t khí quyển. Tóm l i hệ m ch đ c một sức cản đáng kể đối với chuyển động của máu làm cho áp su t máu giảm dần Ngƣời ta đ tính toán th y nếu coi sức cản của t t cả các hệ m ch là 1 % thì các đo n m ch đ đ ng g p nh ng t Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 19
lệ nhƣ sau: T động m ch chủ đến động m ch nhỏ là 20% (15 – 20%), hệ t nh m ch là 10% (5 – 15%), hệ động m ch nhỏ và mao m ch chiếm nhi u nh t và là 70% (60 – 80%) , trong đ mao m ch chiếm 20% Hình 1.6. A: Động mạch lớ ; B: Động mạch nhỏ; C: Mao mạ ; D:Tĩ mạch; E: Tĩ ạch ch ơ ổ về tim ) S y ổ ộ ảy 1 2 A B C D E Hình 1.7. T ơ a t ộ chảy c a máu (1) và tổng ti t diện c a lòng mạch (2) A: ộng mạch lớn B: ộng mạch nhỏ C: mao mạch D: ĩ ạch E: ĩ ạch ch ơ ổ về tim Các thực nghiệm cho th y máu chảy với tốc độ không giống nhau ở các nơi Tốc độ dòng chảy, áp su t chảy của máu phụ thuộc vào tiết diện lòng m ch: tốc độ chảy của máu ở động m ch chủ là 10 - 2 m/s, động m ch cổ là 5,2m/s. Lúc xuống mao m ch ch còn là 5mm/s. Theo định luật Bernoulli, chúng ta hiểu rằng ở mao m ch, do tốc độ chảy r t chậm nên khả năng trao đổi thể dịch gi a máu và tổ chức xung quanh đ tăng l n vì ở đ y áp su t Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 20
thủy lực tăng l n nhi u và tốc độ chảy giảm xuống th p nh t. Tuy vậy khi v đến t nh m ch đùi, tốc độ chảy của máu là 4,5cm/s, t nh m ch cổ là 14,7cm/s. Nhƣ vậy tốc độ chảy của máu giảm dần t động m ch lớn đến mao m ch rồi l i tăng dần t mao m ch đến t nh m ch. Ta biết khối lƣợng máu chảy qua các đo n m ch đ u giống nhau, ngh a là ở các đo n m ch đ v n đảm bảo quy luật tích số gi a vận tốc máu chảy và tiết diện lòng m ch là không đổi Do đ vận tốc chảy của máu nơi c tiết diện nhỏ cao hơn nơi c tiết diện lớn. Cần lƣu ý ở đ y là tiết diện của các m ch không phải là tiết diện của một m ch riêng biệt mà là tổng tiết diện của t t cả các m ch ở t ng phần. Tuy tiết diện của một tiểu động m ch nhỏ hơn động m ch chủ nhƣng do ph n thành nhi u nhánh nên tổng tiết diện của tiểu động m ch lớn hơn của động m ch chủ và ngƣợc l i tổng tiết diện của tiểu động m ch l i nhỏ hơn của mao m ch. Các đo đ c cụ thể cho th y tổng tiết diện tăng dần t động m ch chủ đến mao m ch rồi giảm dần t mao m ch đến t nh m ch chủ. Tổng tiết diện của mao m ch lớn g p 400 - 800 lần tiết diện của động m ch chủ và bằng 200 - 400 lần tổng tiết diện của các t nh m ch nhỏ. Do đ tốc độ chảy máu không giống nhau ở các đo n m ch.  Câu hỏi (bài tập) củng cố: 1. Các lo i dung dịch trong cơ thể và đ c điểm của m i lo i? 2 N u ý ngh a của hệ số nhớt.Viết công thức Poiseuille?Ảnh hƣởng độ nhớt của máu trong hệ tuần hoàn? Dùng các kiến thức vật lý đ biết để giải thích nh ng sự thay đổi đ ? 3. Sự thay đổi áp su t dòng chảy và vận tốc máu trong hệ tuần hoàn? Dùng các kiến thức vật lý đ biết để giải thích nh ng sự thay đổi đ ?. Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 21
BÀI 3 KHÍ VÀ SỰ VẬN CHUYỂN KHÍ TRONG CƠ THỂ NGƢỜI  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, ngƣời học có thể: - Trình bày đƣợc sự vận chuyển của khí trong cơ thể ngƣời. - Vận dụng các quy luật khuếch tán khí để hiểu đƣợc sự vận chuyển của khí trong cơ thể. - Giải thích đƣợc sự trao đổi và vận chuyển khí xảy ra trong cơ thể. 1. Hoạt động hô hấp Ho t động và hô h p thực hiện ở cơ quan hô h p, tuần hoàn máu, mô và tế bào trong cơ thể Cơ quan h h p bao gồm, m i, hầu, khí phế quản phổi Đƣờng hô h p thông suốt t m i xuống tận phế nang Xƣơng sƣờn, cột sống và xƣơng ức t o thành lồng ngực chứa đựng tim, phổi Các cơ ở ngực, bụng, lƣng và cơ hoành bảo đảm c động hô h p. Phổi là tổ chức xốp tiếp giáp vào lồng ngực qua các màng phổi. Nhờ đ phổi có thể co l i ho c dãn ra theo lồng ngực. Thành phần c u trúc cơ bản của phổi là phế nang. Phế nang là nh ng túi nhỏ, r ng, có khả năng chứa đầy kh ng khí và đƣợc c u t o bởi một lớp tế bào mỏng. Vì vậy khối khí trong phế nang d dàng tiếp xúc với lớp mao m ch xung quanh. Ho t động thở bao gồm động tác hít vào và thở ra một cách đi u hòa. Ở ngƣời bình thƣờng, khoảng 5 ml kh ng khí đƣợc trao đổi sau m i lần hít thở th ng thƣờng. Ở nh ng ngƣời đ đƣợc luyện tập ho c cố ý thở s u, lƣợng kh ng khí lƣu th ng sẽ lớn hơn Trong phổi luôn luôn tồn t i một lƣợng khí dự tr để làm cho phổi không xẹp xuống dƣới tác dụng của áp su t khí quyển lên thành ngực Lƣợng khí này chiếm khoảng 1000ml ở cả hai lá phổi. Trung tâm hô h p của hệ thần kinh trung ƣơng đi u khiển ho t động hô h p Cơ chế đi u ch nh r t phức t p. Tùy theo nhu cầu cơ thể và các nguyên nhân khác nhau, nhịp độ thở, độ nông sâu và số lƣợng phế nang ho t động đƣợc đi u ch nh qua nh ng xung động thần kinh xu t phát t trung tâm hô h p. 1.1. Cơ hít vào Hình 1.8. Các khoang và giá trị áp suất c a chúng Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 22
Pa: Áp suất không khí và trong phế nang; Pp: Áp suất do tính đàn hồi của mô; Pop: Áp suất giữa hai lá của màng phổi Trong lồng ngực, phổi ở tr ng thái d n căng do tổ chức c tính đàn hồi. Màng phổi ngăn cách phổi và lồng ngực bao gồm hai lá: lá thành và lá t ng. C u t o đ t o nên khoang màng phổi nằm gi a hai lá Trong đi u kiện cân bằng, áp su t ở phế nang pn cân bằng với tổng áp su t khoang màng phổi pk và áp su t co l i g y ra do tính đàn hồi của phổi pp. pn pop pp Suy ra: pop pn pp Tức là áp su t khoang pop nhỏ hơn áp su t khí quyển và trong phế nang Pa một giá trị bằng sức căng của lồng ngực Pp Do đ áp su t khoang đƣợc xem nhƣ c giá trị âm nếu coi áp su t khí quyển bằng 0. Áp su t âm của khoang làm cho lồng ngực c xu hƣớng co l i, ngh a là c xu hƣớng ngƣợc với sức căng của phổi. Động tác hít vào thực hiện đƣợc là nhờ tăng thể tích lồng ngực bằng cách nâng các xƣơng sƣờn lên và h cơ hoành xuống Cơ hoành r t quan trọng cho hô h p vì bảo đảm cho 2/3 việc thông khí ở phổi Xƣơng sƣờn n ng l n đƣợc nhờ các cơ li n sƣờn ngoài. Thể tích lồng ngực tăng l n, trƣớc hết làm giảm áp su t khoang màng phổi, nhờ đ phổi có thể dãn ra và do vậy theo định luật Boyle-Mariotte) áp su t trong các phế nang giảm xuống. Sự xu t hiện hiệu áp su t gi a khí quyển và phế nang làm cho không khí di chuyển thành dòng t môi trƣờng vào phổi. p Lƣu lƣợng khí V đƣợc tính theo công thức: V R Trong đ V l/s , còn p là hiệu áp su t gi a khí quyển và phế nang. R là sức cản động học gây ra bởi sự ma sát gi a dòng khí chuyển động với thành đƣờng hô h p và lực nội ma sát bên trong lòng ch t khí. Sức cản động học của ch t khí tăng theo chi u tăng của lƣu lƣợng khí khi chuyển động t dòng lớp sang dòng xoáy. Sự t o thành dòng xoáy khi tr n đƣờng đi chuyển của dòng khí g p các chƣớng ng i vật: nhƣ dị d ng, khối u nhỏ trên thành ống, các dịch nhày cản trở sự chuyển động. Khi bị hen suy n sức cản này có thể tăng l n 7-8 lần so với ngƣời bình thƣờng. 1.2. Cơ thở ra Không khí t phổi đƣợc đ y ra ngoài do thể tích lồng ngực bị giảm xuống. Đi u đ làm tăng áp lực khoang màng phổi các phế nang co l i, làm cho áp su t không khí trong phế nang tăng l n cao hơn áp su t khí quyển. Do vậy dòng không khí t phổi ra ngoài. Cơ chế làm cho thể tích lồng ngực giảm xuống khi thở ra nhƣ sau: Khi trƣơng lực cơ hít vào giảm đi do tác dụng của các lực đàn hồi của lồng ngực, của các cơ quan trong lồng ngực b t đầu giảm xuống Đ là một quá trình tự nhi n kh ng đòi hỏi phải g ng sức. Ngoài ra còn có một số cơ cơ li n sƣờn trong, cơ bụng Khi co làm cho thể tích lồng ngực giảm xuống Cơ hoành n ng l n c ng làm cho thể tích lồng ngực hẹp l i rõ rệt. Ngoài ra động tác thở ra còn có vai trò của lực đàn hồi do phủ t ng trong bụng bị cơ hoành dồn ép xuống tối đa khi hít vào Khi lực đàn hồi của phổi cân bằng với áp su t khoang màng phổi thì động tác thở ra kết thúc. Vì vậy trong phổi còn một lƣợng kh ng khí chƣa đƣợc đ y ra ngoài. Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 23
Nhìn chung tác động của các cơ h h p lên phổi thực hiện thông qua gián tiếp sự thay đổi của áp su t khoang, đi u đ ảnh hƣởng tới áp su t trong các phế nang. Nếu lồng ngực bị thủng, ho c bị tràn khí màng phổi sẽ bị xẹp l i, quá trình hô h p không xảy ra bình thƣờng n a d n đến tình tr ng suy hô h p. 1.3. Công hô hấp Đ y là c ng đƣợc thực hiện qua các cơ h h p để th ng t t cả các lực cản khi thông khí. Vai trò của các cơ ri ng biệt (ho t động của chúng ở các giai đo n khác nhau của chu kỳ hô h p và ở các đi u kiện khác nhau đƣợc nghiên cứu bằng phƣơng pháp ghi điện cơ Việc đo trực tiếp công của các cơ h h p là không thực hiện đƣợc, vì vậy ngƣời ta thƣờng dùng phƣơng pháp gián tiếp để đo c ng h h p. Công có trị bằng tích số của lực và quảng đƣờng đi đƣợc theo hƣớng của lực. Ở hệ hô h p c ng đƣợc tính bằng tích số áp su t và giá trị của thể tích thay đổi tƣơng ứng. Vì áp su t trong hệ hô h p là một đ i lƣợng biến đổi nên việc xác định công A thực hiện bằng phƣơng pháp tích ph n: A p.dV Trong đ p là áp su t tổng hợp đ t vào hệ hô h p ở m i thời điểm của chu trình hô h p, dV là số tăng thể tích của hệ. Trong thực tế muốn đo c ng h h p cần có phế dung kế. Theo kết quả thu đƣợc ngƣời ta dựng đƣờng cong biểu di n sự phụ thuộc áp su t vào thể tích và t đ mà tính toán Kết quả thu đƣợc cho biết ở tr ng thái t nh th ng khí dƣới 10l/phút), công hô h p khoảng 0,1 – 0,59J/l hay 0,98 – 4,9J/phút Khi tăng thể tích thể trong một phút công hô h p sẽ tăng nhƣng kh ng t lệ vì đi u đ li n quan đến sự tăng sức cản động học Ngƣời ta th y rằng có thể kết hợp thở sâu và tần số thở thích hợp tức là làm sao cho công thực hiện cho 1l không khí nhỏ nh t Đi u đ c thể thực hiện đƣợc nhờ hệ thống đi u khiển quá trình hô h p và nhờ tập luyện. 2. Các quy luật khuếch tán khí Sự vận chuyển của các khí trong hô h p trƣớc hết tuân theo nh ng quy luật vật lý, nh t là quy luật v khuếch tán khí. Theo định luật Henry, lƣợng khí thâm nhập (khuếch tán đƣợc vào ch t lỏng t lệ với áp su t riêng phần của ch t khí đ tr n b m t ch t lỏng Chúng ta đ biết là hệ số khuếch tán của khí phụ thuộc vào bản ch t khí thành phần trong h n hợp khí nhƣ kh ng khí chẳng h n). M t khác, theo định luật Dalton ta có: n p  pi i 1 P: là áp su t của h n hợp nhi u khí thành phần, pi là áp su t của thành phần thứ i. Máu chứa r t nhi u thành phần vì vậy sự thâm nhập của khí vào máu không ch đơn thuần phụ thuộc vào đ c điểm ch t khí. Cécénov khi nghiên cứu sự th m th u của khí CO2 vào dung dịch th y lƣợng khí hòa tan vào dung dịch t lệ nghịch với nồng độ muối và các ch t hòa tan trong đ protein, lipid Tác giả đ tìm đƣợc biểu thức liên hệ gi a nồng độ C của ch t điện ly trong dung dịch và lƣợng khí hòa tan S là: Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 24
S0 lg k.C S S0 là lƣợng khí hòa tan vào nƣớc nguyên ch t; S là lƣợng khí hòa tan vào dung dịch có ch t điện ly ở nồng độ C; k là hằng số. 3. Sự vận chuyển khí trong cơ thể Thành phần ch t khí trong kh ng khí thƣờng là N2, O2 và CO2 ngƣời ta đ đo đ c th y áp su t trung bình trong phế nang lúc hít vào tƣơng đƣơng với áp su t khí quyển tức là 1 atmosphere. Tuy nhiên, ở nhiệt độ 370C của cơ thể với đi u kiện b o hòa hơi nƣớc, hơi nƣớc trong phế nang luôn luôn có một áp su t riêng phần khoảng 47 Tor. Vì vậy áp su t tổng cộng của N2, O2 và CO2 trong phế nang ch còn: 760 – 47 = 713 Tor Các khí thành phần có trong phế nang v n chiếm một t lệ nhƣ trong không khí bên ngoài là 80,7%; 13,8% và 5,5% cho nên áp su t riêng phần p của chúng trong phế nang là: p 713 80,7% 575Tor N2 p 713 13,8% 98Tor O2 p 713 5,5% 38Tor CO2 Nếu xét hệ số khuếch tán đơn thuần, thể tích khí V đƣợc tính theo công thức: pn V k ; k là hệ số, pn là phân áp khí thành phần, p là áp su t khí quyển. p Bảng 1.6. Hệ s khu ch tán c a các khí thành phần c a không khí ở 370C Hệ số khuếch tán Dung dịch CO2 O2 N2 Nƣớc nguyên ch t 0,545 0,023 0,013 Huyết thanh 0,510 0,021 0,012 Máu 0,470 0,023 0,013 Hồng cầu 0,440 0,026 0,016 Do hiện tƣợng khuếch tán đơn thuần và các hiện tƣợng sinh học khác, các ch t khí thành phần O2, CO2, N2 thâm nhập vào các nơi trong cơ thể với các giá trị khác nhau. Kết quả đo đ c áp su t riêng phần của các khí trong cơ thể đƣợc trình bày ở bảng 1.7 dƣới đ y: Bảng 1.7. Áp suất riêng phần c a O2, CO2, N2 ( ơ ị là Tor) Máu ở Chất khí Ph nang Máu ở phổi Ở tổ chức ộng mạch ch O2 99,8 99 38 20 - 40 CO2 39 39,6 45 - 48 53 - 76 N2 575 550 550 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 25
Dựa vào định luật Henry ta có thể hiểu đƣợc chi u vận chuyển của O2 và CO2 trong cơ thể. Do chênh lệch áp su t, O2 đƣợc khuếch tán t phế nang ph n áp là 99,8 Tor đến máu ở mao m ch và t nh m ch ở quanh đ ph n áp 38 Tor Máu sẽ trở thành máu đỏ chứa nhi u O2 và chuyển đến các mô, tế bào kh p cơ thể. Ở mô, O2 t máu động m ch (phân áp là 99 Tor) sẽ chuyển vào dịch gian bào (phân áp là 20 Tor), ở đ y ph n áp của CO2 r t cao (53 – 76 Tor) nên CO2 khuếch tán t dịch gian bào vào máu động m ch (39,6 Tor). Quá trình s dụng O2, sản sinh CO2 và vận chuyển các khí đ ở mô và tế bào r t phức t p. Nhìn chung t i đ y O2 đƣợc s dụng để oxy hóa các ch t h u cơ, cung c p năng lƣợng cho cơ thể và t o ra CO2. Đ là một dãy các phản ứng liên tiếp xảy ra dƣới tác dụng của các men sinh học. Cho đến nay có nhi u giả thiết v sự hô h p tế bào và m Do lƣợng O2 giảm và lƣợng CO2, máu động m ch sẽ chuyển t màu đỏ sang màu đen theo t nh m ch v tim. Ở máu t nh m ch, áp su t O2 ch còn 38 Tor và áp su t của CO2 là 45 – 48 Tor, cho n n khi đƣợc đƣa đến phổi, CO2 thoát ra khỏi phế nang (phân áp CO2 ở phế nang là 39 Tor để ra ngoài cơ thể nhờ ho t động thở. Chu kỳ mới đối với O2 l i đƣợc l p l i. Chúng ta có thể tính đƣợc khối lƣợng khí trao đổi trong một đơn vị thể tích của máu p nếu biết đƣợc hệ số khuếch tán và áp su t riêng của khí đ theo c ng thức V k n . p 0,47 39 Ví dụ: V 0,0241ml CO2 760 0,023 99 V 0,0030ml O2 760 0,013 575 V 0,0098ml N2 760 Cần lƣu ý rằng thể tích phế nang còn thay đổi tùy theo nhịp thở. Dãn ra khi hít và xẹp l i khi thở ra Laplace đ chứng minh đƣợc áp su t khuếch tán p của các khí t phế nang ra xung quanh còn tùy thuộc vào lực căng m t ngoài T của phế nang. 1 1 p T r R r và R là bán kính cực tiểu và cực đ i của phế nang khi thở ra và hít vào Hơn n a lƣợng khí khuếch tán còn t lệ thuận với diện tích m t tiếp xúc S . Vì vậy có thể đi u ch nh phần nào tốc độ trao đổi khí thông qua việc tăng hay giảm diện tích ho t động (số lƣợng ho t động) của các phế nang. Các khí trong cơ thể thƣờng phải khuếch tán qua các màng sinh học ngăn cách gi a hai m i trƣờng. Quá trình đ đƣợc đi u ch nh theo nh ng cơ chế phức t p th ng qua các đ c tính của màng c ng nhƣ các yếu tố khác. 4. Những yếu tố ảnh hƣởng tới sự trao đổi khí trong cơ thể ngƣời Ho t động hô h p hay quá trình trao đổi khí trong cơ thể liên quan mật thiết với các ho t động chức năng khác Do đ c nhi u yếu tố b n trong và b n ngoài cơ thể ảnh hƣởng trực tiếp ho c gián tiếp đến sự trao đổi khí. 4.1. Y u t bên trong Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 26
Mọi yếu tố ảnh hƣởng đến ho t động thở, sự lƣu th ng khí, ho t động cả các phế nang đ u ảnh hƣởng đến hô h p Ta c ng th y vai trò to lớn của tuần hoàn máu đối với ho t động hô h p, các thay đổi khối lƣợng và ch t lƣợng máu (kể cả hồng cầu và huyết tƣơng ảnh hƣởng trực tiếp đến sự vận chuyển O2 và CO2. Ho t động chuyển hóa ở tế bào, mô làm cho tốc độ s dụng O2 và sản sinh CO2 khác nhau. T t cả các yếu tố đ ảnh hƣởng trực tiếp đến hô h p Con ngƣời là một thể hoàn ch nh cho nên mọi ho t động chức năng khác đ u liên quan ch t chẽ với hô h p Cơ thể đi u khiển mọi ho t động chức năng đ qua hệ thần kinh, hệ thống tuyến nội tiết, các men 4.2. Y u t bên ngoài 4.2.1. Ả ởng c a trọ ng Khi thở xảy ra sự thay đổi vị trí lồng ngực và các cơ quan trong ổ bụng Lúc đ lực cản có liên quan đến trƣờng h p d n của trái đ t sẽ thay đổi tùy theo giai đo n của chu trình hô h p và vị trí của cơ thể trong kh ng gian và trong v trụ. Ở đi u kiện tr n trái đ t, khi hít vào, trọng lƣợng lồng ngực sẽ gây ra lực cản các cơ hít vào và khi thở ra, chính nhân tố này sẽ làm giảm thể tích lồng ngực. Trọng lực của cơ quan trong ổ bụng đ c biệt ở tƣ thế đứng) sẽ tác động l n cơ hoành và c xu hƣớng kéo nó xuống dƣới Đi u đ t o đi u kiện thuận lợi cho động tác hít vào và cản trở động tác thở ra. Ảnh hƣởng của nhân tố trƣờng h p d n lên quá trình hô h p có thể xác định đƣợc khi so sánh các ch số cơ học và thông khí khi hô h p ở các tr ng thái nằm và đứng. 4.2.2. Ả ởng c a tỷ lệ khí thành phần Nhƣ ta đ r oxy r t cần cho cơ thể Cơ thể bình thƣờng đ thích nghi với m i trƣờng không khí chứa oxy có phân áp khoảng 1 Tor Chúng ta đ biết rằng CO2 có tác dụng kích thích hô h p. Do vậy, cơ thể đòi hỏi kh ng khí c hàm lƣợng O2 và CO2 bình thƣờng Cơ thể còn chịu đựng đƣợc không khí có thể tích oxy lên tới 5 % nhƣng sẽ có rối lo n nghiêm trọng nếu ch thở thuần khí oxy. T t cả nh ng xúc vật thí nghiệm đ u chết nếu đ t trong nh ng lồng kín chứa oxy với phân áp trên 2 atmotphe. 4.2.3 Ả ởng c a áp suất khí quyển Lên trên cao áp su t khí quyển h th p và phân áp các khí thành phần c ng giảm, đi u đ đƣa đến tình tr ng thiếu oxy trong cơ thể Để đáp ứng l i, ho t động hô h p cơ thể tăng l n ho c bị rối lo n tùy theo mức độ và thời gian thiếu oxy. Sự thay đổi đột ngột áp su t c ng c thể xảy ra các biến chứng n ng chết ngƣời Vì vậy, biện pháp quan trọng là phải giảm áp su t t t bằng cách ngoi lên dần dần ho c dung các thiết bị để làm giảm dần áp su t khí xung quanh cơ thể m c dầu đ l n đến bờ. Tóm l i Sự trao đổi khí trong cơ thể tuân theo các quy luật động học ch t khí và chịu tác dụng trực tiếp của nhi u quy luật sinh học phức t p. Chức năng h h p lien quan ch t chẽ với các chức năng khác và chịu ảnh hƣởng trực tiếp của các đi u kiện ở bên ngoài.  Câu hỏi (bài tập) củng cố: 1. Trình bày ho t động hô h p, cơ chế hít vào và cơ chế thở ra của ho t động hô h p? 2 Các định luật li n quan đến trao đổi khí trong cơ thể? Dùng các định luật đ để giải thích sự biến đổi nồng độ O2 và CO2 trong hệ tuần hoàn? Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 27
BÀI 4 CHUYỂN ĐỘNG CƠ HỌC TRONG CƠ THỂ  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, ngƣời học có thể: - Giải thích đƣợc tr ng thái cân bằng của các vật. - Giải thích đƣợc sự cân bằng của cơ thể con ngƣời đối trong y học. 1. Trạng thái cân bằng của một vật 1.1. Trọng l c và trọng tâm Mọi vật rơi tự do trong chân không gần Trái Đ t sẽ có gia tốc c phƣơng thẳng đứng và vuông góc với m t đ t và hƣớng vào t m Trái Đ t. Gia tốc đ đƣợc gọi là gia tốc trọng trƣờng g hay gia tốc rơi tự do Theo định luật thứ hai của Niutơn ta c : F = mg = p Trong đ p là trọng lƣợng của vật Niutơn là ngƣời đầu ti n vào năm 1687 đƣa ra định luật h p d n v trụ: Hai ch t điểm (vật) có khối lƣợng m1 và m2 cách nhau một khoảng r sẽ hút nhau một lực c phƣơng là phƣơng của đƣờng thẳng nối hai ch t điểm c độ lớn t lệ với tích hai khối lƣợng m1 và m2 và t lệ nghịch với bình phƣơng khoảng cách gi a chúng Khối tâm hay trọng tâm của vật là điểm mà ta có thể đ t lực h p d n (trọng lực) toàn bộ vật t i đ y, thay cho toàn bộ lực h p d n đ t trên t ng phần nhỏ của vật. Trọng tâm của các vật phẳng đồng nh t trùng với tâm hình học của chúng. Với các d ng đ c biệt ho c sự phân phối khối lƣợng kh ng đồng đ u, trọng tâm có thể ở ngoài vật. Hình 1.9. Trọng tâm c a vật 1.2. Trạng thái cân bằng c a vật Tr ng thái của vật mà tổng hợp t t cả các lực và momen lực tác động lên vật ch t bằng 0, gọi vật ở tr ng thái cân bằng. Nếu lúc đ , tác động vào vật một lực làm phá bỏ tr ng thái cân bằng, tức là tổng hợp lực sẽ khác 0, làm cho vật trở l i tr ng thái cân bằng c ta gọi đ là tr ng thái cân bằng b n(a), nhƣng nếu lực đ càng lớn lên làm cho vật tiếp tục chuyển động thì ta gọi là tr ng thái cân bằng không b n(b) Nhƣng nếu vật chuyển dịch một đo n rồi trở vào tr ng thái cân bằng nhƣ c thì ta gọi là tr ng thái cân bằng ổn định(c). Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 28
V phƣơng diện năng lƣợng ta có thể nói do tác dụng của trọng trƣờng, mà vật có một thế năng nh t định ứng với tr ng thái của nó Ep = m.g.h Hình 1.10. Trạng thái cân bằng c a vật: a) Bền; b) Không bền; c) Ổ ịnh Ở tr ng thái cân bằng b n thì Ep là nhỏ nh t. Khi có lực tác dụng, trọng tâm vật di chuyển và thế năng Ep tăng l n đến giá trị cực đ i ứng với lực tác dụng. Sự chuyển động làm cho thế năng giảm đi T i tr ng thái cân bằng b n thì giá trị thế năng đ kh ng thay đổi Nhƣ thế ngh a là vật đ t tr ng thái cân bằng khi thế năng của n đ t giá trị cực đ i ho c cực tiểu. Ngƣời ta th y tr ng thái cân bằng ổn định của vật ( hay của một hệ thống hình ch n đế) khi vectơ trọng lực của n đ t t i trọng tâm của vật v n rơi vào trong hình chiếu của nó trên m t đ t. Nếu ra ngoài thì vật sẽ di chuyển vào tr ng thái mới thỏa mãn yêu cầu nêu trên. 2. Đòn bẩy và chuyển động cơ học trong cơ thể sống Đòn b y là lo i vật r n chịu tác dụng của 2 lực là lực cản và lực phát động, có một điểm tựa là trục quay Đi u kiện cân bằng của đòn b y là tổng mômen của lực cản và lực phát động phải bằng 0. Theo sự phân chia ba lo i đòn b y ta có: Mp + MF = 0 và P.Lp + F.LF = 0 hay Lp/LF = -F/P 1.11. Ba loạ ò ẩy Chuyển động quay tr n cơ thể: Chuyển động quay tr n cơ thể chủ yếu là chuyển động của xƣơng do tác dụng của các bộ cơ xƣơng Giả s có một đầu bám vào xƣơng A, một đầu bám vào xƣơng B Khi cơ này co l i, có thể làm cho xƣơng A chuyển động lài gần xƣơng B Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 29
ho c ngƣợc l i, ho c làm cho cả hai xƣơng tiến l i gần nhau. Trong cả ba trƣờng hợp đ u có trục quay xuyên qua ổ khớp. Trong mọi chuyển động của xƣơng do tác dụng của cơ, chúng ta c thể coi hệ thống xƣơng – cơ nhƣ một đòn b y: xƣơng là tay đòn, lực phát động là lực một hay nhi u cơ bám vào xƣơng, lực cản là lực mà cơ phải th ng ( phần lớn là trọng lực còn điểm tựa nằm trong ổ khớp. Ta có thể th y cả ba lo i đòn b y tr n cơ thể: + Lo i đòn b y thứ nh t: điểm tựa nằm ở gi a điểm đ t của lực cản và lực phát động Trƣờng hợp đầu (họp sọ đƣợc gi cân bằng trên cột sống là một ví dụ đơn giản v lo i khớp này : điểm tựa là điểm nằm ở trong khớp ch m – cột sống (t o bởi lồi cầu của xƣơng ch m và hõm khớp của đốt sống cổ thứ nh t), lực phát động F là lực của cơ gáy, còn lực cản P là trọng lực của đầu c khuynh hƣớng gục ra phía trƣớc ( hình 1.12) Hình 1.12. Loạ ò ẩy thứ nhất Hình 1.13. Loạ ò ẩy thứ 2 + Lo i đòn b y thứ hai: điểm đ t của lực cản nằm gi a điểm tựa và điểm đ t của lực phát động Trƣờng hợp chúng ta đứng một chân và nhón cao gót chân là ví dụ của lo i đòn b y này. Khi y điểm tựa là đầu nút của xƣơng bàn ch n, lực cản P là trọng lƣợng của cơ thể tác dụng qua cán xƣơng cẳng ch n đ t ở trƣớc điểm đ t của lực phát động F; lực phát động này do các cơ dép và cơ sinh đ i sinh ra đ t ở điểm mà g n Asin bám vào xƣơng g t hình 1.13). Trong lo i đòn b y này, điểm đ t của lực phát động xa điểm tựa nên nó có thể cân bằng với một lực cản lớn, do đ lo i đòn b y này gọi là đòn sức. Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 30
Hình 1.14. Loạ ò ẩy thứ ba: phân tích tác dụng c a s ơ y ải + Lo i đòn b y thứ ba: điểm đ t của lực phát động F ở gi a điểm tựa và điểm đ t của lực cản. Lo i đòn này khá phổ biến trong cơ thể Trƣờng hợp g p cẳng tay vào cánh tay là một ví dụ v lo i này: điểm tựa là một điểm ở trong khớp khu u, lực phát động F là lực do cơ nhị đầu và cơ cánh tay trƣớc sinh ra, còn lực cản P là trọng lƣợng của cánh tay, bàn tay và vật n ng cầm ở bàn tay. Ở đ y, điểm đ t của lực phát động ở gần điểm tựa hơn điểm đ t của lực cản, khi g p tay điểm đ t lực cản đi đo n đƣờng dài hơn điểm vật lực phát động, do đ đòn b y này gọi là đòn vận tốc. T i hình vẽ 1.14 ta th y sơ đồ c u t o và ho t động của cánh tay phải. Tâm của chuyển động nằm ở khớp khu u tay(d). Vật n ng Q nằm trong lòng bàn tay t o ra mômen lực Qb Cơ nhị đầu cánh tay B dịch vào cẳng tay với một khoảng cách a đến tâm chuyển động d. Th ng thƣờng t lệ đ là a/b=1/12. Nhƣ vậy muốn nâng một vật Q lên, lực P do cơ nhị đầu t o ra phải lớn hơn 12 lần giá trị Q. T lệ đ t o ra một lợi thế cao là độ co rút ng n của cơ kh ng lớn. Khi các lực phát động hay lực cản không thẳng góc với tay đòn, muốn tìm đi u kiện cân bằng của các lo i đòn trên ta phải tính mômen lực của các thành phần vuông góc với cánh tay đòn của các lực trên. Trong các lo i đòn kể trên ta phải chú ý đến vai trò của các đầu xƣơng Ví dụ trong trƣờng hợp g p cẳng tay vào cánh tay, nếu kh ng c đầu xƣơng phình ra để các cơ bám vào thì chúng sẽ bám vào ch xƣơng ngay sát điểm tựa, nhƣ thế mômen của lực phát động sẽ hết sức nhỏ và không thể g p cánh tay l i đƣợc C ng cần chú ý là m i động tác cần phải s dụng một số cơ: trong quá trình cơ co l i, d sinh ra lực phát động còn có một số cơ đối kháng giãn ra. Khi một lực phát động nhanh m nh s p ch m dứt, các cơ đối kháng co l i để giảm bớt vận tốc di chuyển.  Câu hỏi (bài tập) củng cố: 1. Trọng tâm là gì? Nêu các tr ng thái cân bằng của một vật. 2. Đi u kiện cân bằng của đòn b y là gì? Trình bày sự chuyển động cơ học trong cơ thể sống Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 31
BÀI 5 HOẠT ĐỘNG CO CƠ  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, ngƣời học có thể: - Vận dụng đƣợc các kiến thức v chuyển động ch t r n, ph n tích đƣợc quá trình co cơ, tính m m dẻo của hệ xƣơng khớp và vai trò tác dụng của chúng trong cuộc sống. 1.Tác dụng của co cơ Trong cơ thể có ba lo i cơ: cơ v n bám vào hệ xƣơng, cơ trơn c ở thành m ch máu, các cơ quan trong cơ thể và tim. Hệ thống cơ v n c gần 3 cơ với khối lƣợng r t lớn và không nh ng đảm bảo cho cơ thể gi thể trọng cân bằng trong kh ng gian, đi lai, thực hiện một số chức năng sinh lý quan trọng nhƣ thở, ăn mà còn làm cho con ngƣời có khả năng lao động, góp phần cải thiện thi n nhi n, m i trƣờng và phát triển thể lực, sức khỏe của con ngƣời. Ho t động chủ yếu của các cơ là sự co gi n hay do tính đàn hồi của cơ Ho t động co cơ đ c trƣng bằng các tính ch t đàn hồi của cơ, lực co cơ, độ rút ng n của cơ và c ng của cơ Đ i lƣợng đ c trƣng cho tính đàn hồi của một vật là mối quan hệ gi a độ dài biến d ng và lực tác dụng lên vật đ Trong thực tế, khi co cơ mới sinh ra lực tác dụng, ngh a là cơ đ thực hiện một công. Rõ ràng rằng ho t động của cơ sinh ra lực, ngh a là lực xu t hiện khi chi u dài của cơ co ng n l i. Tr n cơ thể chi u dài của cơ ch có thể biến thiên t giá trị l0 lúc ngh đến giá trị lmin lúc co rút tối đa Giá trị lực do cơ t o ra khi co l i ở chi u l i lx nào đ lmin < lx <l0) tƣơng ứng với chi u dài lx Độ co của cơ là hiệu số pha của chi u dài l0 của cơ lúc ngh tr đi giá trị lx khi cơ co: l0-lx Khi khảo sát giá trị đ , ngƣời ta dùng nh ng thiết bị điện t đ c biệt để ghi đo Giá trị biến thiên trong suốt chu kỳ co của cơ Chu kỳ co là thời gian t lúc cơ b t đầu co đến lúc co ng n nh t, ngh a là lúc đ giá trị đ t cực đ i ( max). Cho nên chúng ta có thể tính đƣợc giá trị của phụ thuộc vào t . Ch sau một khoảng thời gian T/2, giá trị co rút cơ đ đ t 3/4 giá trị cực đ i Đi u đ cho biết là giai đo n đầu của co cơ tốc độ r t lớn. Sự co cơ t o nên lực F đƣợc gọi là trƣơng lực cơ Nhƣ vậy ngƣời ta đo c ng thực hiện của cơ gián tiếp qua trƣơng lực cơ, giống nhƣ đo c ng của tim gián tiếp qua áp su t dòng máu đƣợc tống ra t tim hay lƣợng khí lƣu th ng khi thở trong một đơn vị thời gian. Lực mà khi cơ co tối đa t o ra là lực co tuyệt đối của cơ Ngƣời ta đo n bằng trọng lƣợng nhỏ nh t làm cho cơ không co l i đƣợc m c dù cơ đ nhận đƣợc xung kích thích tối đa T t nhiên, lực đ trƣớc hết phụ thuộc vào số lƣợng sợi cơ, tức là vào thiết diện c t ngang của cơ Vì vậy, ngƣời ta đƣa ra khái niệm co cơ P = F/S. T đ đánh giá đƣợc khả năng của các lo i cơ ở các loài vật khác nhau. Khả năng di chuyển của một cơ thể ngoài yếu tố lực còn phụ thuộc vào ch t lƣợng của hệ xƣơng khớp, sự phản x của hệ thần kinh. C ng cơ học của sự co cơ: c ng sản su t ra càng lớn thì sự mệt mỏi càng sớm xu t hiện. Ví dụ: công của ngƣời đi xe đ p là 120kGm/phút trong nhi u giờ và 1800kGm/ phút trong 1 giờ đầu nhƣng l n đến 2400kGm/phút trong nh ng gi y đầu ti n Đổi l i, tốc độ đ t đƣợc c ng phụ thuộc vào công sinh ra. 30km/giờ ch trong vòng 3 gi y đầu; 15 18 km/giờ trong vòng 1 2 giờ đầu Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 32
Con ngƣời nhìn chung có thể sản sinh ra một c ng l n đến 1,5 mã lực ( gần 11 kGm/s trong vòng vài gi y đầu ti n Kéo dài nhƣ vậy là không thể đƣợc. Nhìn chung, trong một ngày đ m con ngƣời có thể hoàn thành một công thể lực kh ng vƣợt quá giới h n 100.000 200.000kGm Năng lƣợng cho sự co cơ: - Phân hủy glycogen acid s a giải phóng 350 500kcal cho 1g acid s a. - Phân hủy Phosphocreatin thành creatine và phosphoric (AMP) - Phân hủy ATP ADP và phosphoric (AMP) T t cả quá trình đ xảy ra do men và không cần oxy Lƣu ý rằng khi ho t động nhƣ vậy, 7 % năng lƣợng đƣợc giải ph ng ra dƣới d ng nhiệt năng Ví dụ: - Một ngƣời n ng 6 kg đi đƣợc qu ng đƣờng 7m trong vòng 1 s, các cơ của hai chân đ phải thực hiện một c ng cơ học là 420kGm. Giá trị đ gần bằng 1kcal. Ta biết hiệu su t công cơ học ch khoảng 25% Ngh a là thực ra cơ đ cần một năng lƣợng gần 4kcal. - Cơ s dụng 1 lít oxy để t o ra khoảng 4,8kcal Nhƣ thế, để thực hiện đƣợc việc đi 7m trong vòng 1 s tr n, ngƣời đ đ dùng khoảng 800ml oxy (tức là khoảng 80ml/giây). Lúc ngh ngơi tốc đ s dụng oxy ch khoảng 3,5ml/giây. Tốc độ thay đổi t 3,5 đến 80ml trong vòng 1s là r t lớn, tim và phổi không thể đáp ứng ngay đƣợc. Vì vậy, quá trình cung c p năng lƣợng cho co cơ bằng cách phân hủy glucose yếm khí c ý ngh a r t quan trọng. Sau giai đo n đ cơ phải cung c p đủ oxy để thi u đốt glucose. Sự thi u đốt glucose bằng các phản ứng với oxy d n đến axid pyruvic rồi acid này tham gia vào chu kỳ Krebs để giải phóng tiếp năng lƣợng. Sản ph m cuối cùng của quá trình là nƣớc và acid carbonic Năng lƣợng đƣợc tiếp tục giải ph ng ra lúc này đƣợc dùng để bù l i năng lƣợng ATP và Phosphocreatin đ s dụng. Giá trị năng lƣợng do quá trình chuyển quá hiếu khí oxy c đủ oxy) lớn hơn nhi u giá trị năng lƣợng tỏa ra trong quá trình yếm khí (thiếu oxy Đi u này đƣợc đ cập k hơn ở môn học hóa sinh. 2. Tính mềm dẻo (đàn hồi của các mô) Khi tác dụng một lực lên một vật ta có thể làm cho hình d ng và kích thƣớc của vật thay đổi Tùy theo độ lớn của lực, vật có thể bị kéo căng, bị nén, bị bẻ cong ho c xo n v n. Tính đàn hồi của một vật là khả năng của nó trở v hình d ng ban đầu sau khi ng ng tác dụng lực. Tuy nhiên nếu lực tác dụng đủ lớn thì vật sẽ bị biến d ng và hình d ng ban đầu của vật không thể phục hồi khi ng ng tác dụng lực. Một lực tác dụng quá lớn có thể làm vật đứt gãy. Bảng 1.8. Mô dun Young và giới han bền c a một s vật liệu (1dyncm2=0,1Pa) Vật liệu Mô Y Giới hạn bền *107(dyn/cm2) *1010(dyn/cm2) Thép 200 450 Nhôm 69 62 Xƣơng 0,1-10 100(biến d ng nén) 83(biến d ng giãn) Gân 0,1 27,5(biến d ng xo n) Cơ 0,00001 68,9(biến d ng giãn) Thành m ch 0,00001-1,001 0,55(biến d ng giãn) Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 33
Đối với một vật đàn hồi thƣờng có ba giá trị ứng su t (lực tác dụng trên một đơn vị diện tích tiết diện) quan trọng: Giới h n đàn hồi: Giá trị ứng su t mà vật có thể chịu đƣợc mà không biến d ng v nh vi n. Giới h n b n: Ứng su t cực đ i mà vật có thể chịu đƣợc (vật bị biến d ng đàn hồi ho c v nh vi n) Giới h n đứt gãy: Ứng su t t i điểm đứt g y tr n đƣờng cong ứng su t – biến d ng. Bảng 1.9. Giới hạ ồi và giới hạn bền c a một s vật liệu Vật liệu Giới hạ ồi Giới hạn bền Mậ ộ (g/cm3) (MPa) (MPa) Thép không g 520 860 7,9 Hợp kim Titan 830 900 4,51 Xƣơng tứ chi) 17 130 1,8 G n đầu gối 60 0,8-2,7 Ngà răng 17 2,1-3 Men răng 67 Polypropylene 12-43 19,7-80 0,89-0,93 Vật đàn hồi c ng c thể biến d ng trƣợt (hay biến d ng lệch , khi đ hình d ng của vật thay đổi mà thể tích của nó v n gi nguy n M đun trƣợt G cho ta biết khả năng của vật lệch đi dƣới tác dụng của lực, đƣợc xác định bởi t số gi a ứng su t trƣợt và độ biến d ng trƣợt Xƣơng thƣờng c m đun trƣợt G nhỏ hơn m đun đàn hồi E Do đ các trƣờng hợp g y xƣơng thƣờng xảy ra khi xƣơng bị uốn cong ho c xo n v n do chịu một ứng su t trƣợt lớn Trong khi đ thì g n thƣờng đứt gãy do ứng su t căng Tính ch t cơ học của các vật liệu s dụng trong việc chế t o các cơ quan thay thế trong cơ thể nhƣ các chi, m ch máu, van tim, đ c biệt quan trọng vì chúng xác định mức độ an toàn và thời gian s dụng. Độ cứng của xƣơng gi cho xƣơng kh ng bị biến d ng, giá trị đ phụ thuộc vào t ng lo i xƣơng Ví dụ: so với xƣơng đùi, xƣơng mác c m đun Young lớn hơn18%, còn xƣơng chày lớn hơn khoảng 7%. Sự khác nhau này liên quan ch t chẽ với c u trúc mô học của xƣơng Các vật liệu sinh học thƣờng có tính dị hƣớng ngh a là ứng su t khác nhau theo các hƣớng khác nhau Xƣơng c ng c tính đàn hồi dị hƣớng, đi u này không giống nhƣ thép, nhôm và các ch t dẻo, nhƣng l i tƣơng tự nhƣ g . Ví dụ: xƣơng đùi ngƣời c m đun Young theo phƣơng dọc là 135 MPa, nhƣng phƣơng vu ng ch có 53 MPa. Các tổn thƣơng nghi m trọng ở g n thƣờng kéo theo sự giãn m n tính. Biến d ng đứt gãy xảy ra khi độ biến d ng của gân ch khoảng 10% chi u dài lúc ngh . Các mô m m nhƣ da, g n, d y chằng và sụn là tổ hợp của các protein và ch t dịch lỏng . Chức năng của gân là nối cơ với xƣơng và là nơi chịu tác dụng của tải đ t vào hệ. Gân cần đủ khỏe để hổ trợ chuyển động của cơ thể trong khi đ l i phải c đủ độ đàn hồi để bảo vệ các mô khỏi tổn thƣơng D y chằng nối xƣơng này với xƣơng khác do đ cứng hơn g n nhƣng c ng c giới h n b n gần với gân. Sụn trƣớc hết phải chịu tải khi bị nén và có tác dụng Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 34
nhƣ cái đệm trong khớp để phân bố tải gi a các xƣơng Tuổi tác làm các vật liệu sinh học trở n n giòn hơn và độ b n c ng giảm đi M đun Young c ý ngh a quan trọng đối với t t cả các lo i bộ phận đƣa vào cơ thể ngƣời nhƣ stent, ống, d y, van tim, tim nh n tao, c ng nhƣ vật liệu răng và ch n tay giả. Ngƣời ta thƣờng t o ra vật liệu composite để khai thác nh ng tính ch t mong muốn ở t ng thành phần t o nên composite. Ví dụ: khai thác độ cứng và độ b n của các c u trƣc sợi trong n n m m hơn C u trúc sợi thƣờng c độ b n và độ cứng lớn hơn nhƣng giòn hơn và d tác động, các vết r n thƣờng lan r t nhanh trong nh ng c u trúc nhƣ vậy. Khi nh ng c u trúc này đƣợc hình thành trên n n đàn hồi (elastic), vật liệu tổ hợp kh ng c độ b n nhƣ các sợi riêng biệt nhƣng l i không nh y với tác động b n ngoài Cơ thể sống s dụng đúng nh ng nguyên t c này trong việc xây dựng c u trúc xƣơng và m Đa số các vật liệu composite có tính dị hƣớng. Ví dụ: vật liệu gồm các sợi thủy tinh định hƣớng theo một phƣơng nào đ trong n n epoxy sẽ r t b n theo phƣơng của sợi nhƣng theo phƣơng vu ng g c thì tính ch t của nó sẽ hầu nhƣ do vật liệu n n quyết định. Với vật liệu nhƣ vậy, độ b n và độ cứng của nó sẽ phụ thuộc định hƣớng của tải so với định hƣớng của sợi c u trúc Đi u này c ng đúng với xƣơng và m V nguyên t c có thể xu hƣớng định hƣớng các sợi của một c u trúc trùng với phƣơng tác dụng của tải lên c u trúc này. Ví dụ các xƣơng dài sẽ có các sợi định hƣớng dọc theo trục Cơ chế này c ng chi phối quá trình tổ chức l i (tu bổ xƣơng khi các sợi collagen có thể định hƣớng l i nếu tải thay đổi theo phƣơng tác dụng. + Xƣơng là vật liệu composite bao gồm thành phần v cơ và h u cơ Các thành phần h u cơ chiếm 1/3 khối lƣợng xƣơng bao gồm các tế bào: nguy n bào xƣơng, tế bào giống xƣơng osteoid và osteocytes Thành phần v cơ là các muối khoáng, trƣớc hết là phosphat canxi. + Osteoid chứa collagen protein d ng sợi có trong t t cả các mô liên kết. Nó có mô đun đàn hồi th p (E khoảng 1,2 GPa thƣờng làm n n cho các ch t khoáng có nhiệm vụ t o ra các vật liệu cứng hơn và dẻo dai hơn Collagen đảm bảo phần lớn độ b n cho xƣơng Xƣơng nghèo protein thƣờng cứng, giòn và yếu khi bị kéo căng + Các muối khoáng làm cho xƣơng c độ cứng và độ b n nén Độ cứng cúa các tinh thể muối khoảng 165 GPa gần bằng thép Xƣơng nghèo ch t khoáng thƣờng m m và d uốn, d kéo. Biết đƣợc năng lƣợng cực đ i mà một bộ phận cơ thể có thể chịu đƣợc dƣới tác dụng của lực (chính là thế năng dự tr dƣới tác dụng của lực) chúng ta có thể đánh giá khả năng gây tổn thƣơng cho bộ phận đ trong nh ng tình huống xác định. Ví dụ: Năng lƣợng đủ làm gãy một xƣơng c thiết diện A và chi u dài l, có giới h n b n của một ngƣời khi nhảy t độ cao nào đ , ho c một ngƣời đang ch y bị ngã và chống tay xuống n n. Tính m m dẽo của tổ chức đ ng vai trò quan trọng trong cơ thể ngƣời bởi vì t t cả các mô ở mức độ khác nhau luôn luôn bị biến d ng đàn hồi do bị ép, kéo, gập ho c xo n v n. Nhờ sự đàn hồi của sụn sƣờn mà lồng ngực trở v đƣợc vị trí ban đầu sau khi thở ra Tính đàn hồi của các đ a đệm gi a các đốt sống mà cơ thể gi đƣợc tƣ thế thẳng đứng Tính đàn hồi của các tổ chức liên kết cùng với trọng lực của cơ thể và trƣơng lực của một số cơ mà cơ thể gi đƣợc thế thăng bằng Tính đàn hồi của m ch máu góp phần t o ra dòng chay liên tục trong đ Ngoài ra c u trúc của một số xƣơng t o ra nh ng hình d ng đ c biệt để có sự đàn hồi tốt nh t (ví dụ: đầu và cổ xƣơng đùi Tính đàn hồi của các xƣơng đ nhờ tổ chức liên kết, còn độ v ng ch c của xƣơng là nhờ các muối v cơ, nh t là phospho và canxi Trong cơ thể, Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 35
xƣơng chịu đựng sức n ng nhi u còn do c u t o d ng ống, là d ng mà với số lƣợng vật ch t nh t định t o đƣợc sức chống đỡ tốt nh t so với c u t o đ c. Dƣới đ y là bẳng v giá trị m đun đàn hồi E và giới h n v độ dẽo dai Q của các mô trong cơ thể. Bảng 1.10. Giá trị ô ồi và giới hạ ộ dẽo c a một s ô ơ ể Mô Giá trị Q (kg/mm2) Mô E (k / 2) Xƣơng ngƣời trẻ 9,2 12,4 2200 2700 Xƣơng ngƣời già 6,4 7,7 1800 2200 Cơ b p 0,038 0,95 Động m ch 0,14 0,05 T nh m ch 0,18 0,85 Thần kinh 1,35 10 30 Ghi chú 1kg/mm2 = 9,81.106N/m2 Cơ thể ngƣời có gần 3 cơ b p, chúng có nhiệm vụ duy trì sự cân bằng và tƣ thế của cơ thể qua khung xƣơng và vận động Khi cơ co, hai đầu cơ tiến l i gần nhau có thể làm ng n l i đến 50 60% lúc này sẽ sản sinh lực c ng cơ học dƣơng tính lớn nh t để th ng lực t ngoài tác động vào Trong trƣờng hợp cơ l i gi n ra nhƣ khi thả một vật n ng) l i sinh ra một c ng m tính để tác động nhƣ một cái h m Năng lƣợng s dụng lúc này đƣợc giải phóng dƣới d ng nhiệt năng Trong trƣờng hợp cơ ho t động cho đủ th ng tác động lực bên ngoài mà không cần co ng n l i thì sẽ ở vào tr ng thái kh ng trƣơng lực Th ng thƣờng, một động tác nào đ c ng bao gồm ho t động của nhi u cơ co và du i đồng thời để làm cho động tác đƣợc đ u đ n, nhịp nhàng. Ngƣời ta đ tính đƣợc lực tao ra trên m t c t của cơ lúc co là 6kg/1 -4m2. Khi làm việc 8h sẽ ti u hao trung bình năng lƣợng là 14,7W. Công su t đ c khi tăng l n đến 20 40% nhờ luyện tập. Công su t đ kh ng khác nhau gi a nam và n , phụ thuộc vào tuổi tác Hình 1.15. Các dạ ơ (a) Co ngắ ơ: yể ộ ; ( ) Cơ k ô ú ắn lại 3. Sự cân bằng (thăng bằng) của cơ thể ngƣời Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 36
Hình 1.16. Đ ều chỉnh trọng Hình 1.17. i nghiêng ra ể giữ cân bằ ơ ể xa tâm khi chuyể ộng cong Cơ thể ngƣời luôn phải thực hiện sự cân bằng trong m i trƣờng có trọng lực (sức n ng của cơ thể Điểm đ t của trọng lực cơ thể ở tƣ thế đứng đƣợc xác định là: t i một điểm cách lồi cầu xƣơng chậu khoảng 4 5cm Điểm tứ của ½ cơ thể đầu, thân và hai chi trên) l i rơi vào bờ trƣớc của đốt sống 11 Vectơ của hệ đ kh ng vƣợt quá đƣờng nối hai xƣơng chậu mà l i rơi vào sau đ độ vài milimét Đi u đ làm cho phần trên của ngƣời thƣờng có xu hƣớng đổ ra phía sau và do đ và do đ cơ thể phải duy trì một trƣơng lực ở xƣơng chậu háng để có sự cân bằng của cơ thể ở tƣ thế đứng Đầu ngƣời c điểm tựa trọng lực ở phía trƣớc cột sống một chút Để gi cho đầu cân bằng, các cơ ở sau gáy phải căng lên. Vì vậy, khi ngủ ở tƣ thế ngồi đầu thƣờng đổ xuống phía trƣớc (ngủ gật). Khảo sát sự cân bằng của cơ thể ở tƣ thế đứng, phải xem xét trên bình diện của hai bàn chân và cả bình diện gi a hai bàn chân. Ta biết, tƣ thế cân bằng của cơ thể sẽ r t ch c ch n nếu bình diện đ dang rộng. Vì vậy, con ngƣời đứng hai chân dang rộng ra sẽ đứng v ng hơn khi chụm hai chân l i, nh t là khi co một chân (ch đứng bằng một chân). Sở d nhƣ vậy vì lúc đ trọng lƣợng của cơ thể kh ng rơi vào vùng c diện tích nh t định mà trên một đƣờng thẳng không có diện tích. Vì vậy sẽ t o ra các mômen quay và d làm đảo lộn cơ thể. Để gi đƣợc cân bằng, các cơ phải ho t động để t o ra nh ng m men ngƣợc l i làm triệt tiêu nh ng mômen trọng lực trên. Khi bị một ngo i lực tác động vào (gió, lực quay, x đ y cơ thể ngƣời sẽ ở vào một tƣ thế sao cho tổng hợp của t t cả các lực thành phần v n rơi vào ch n đế của cơ thể (gi a hai chân), nếu không sẽ bị ngã. Vì vậy, con ngƣời thƣờng cúi xuống khi bị gi đ y trƣớc m t hay mang vật n ng sau lƣng, nghiêng ra xa tâm khi chuyển động cong. Sự di động của con ngƣời : c hai động tác trong di động của con ngƣời là đi bộ và ch y Đi bộ là di chuyển mà có lúc cả hai ch n đ u ch m đ t. còn ch y thì không có lúc nào nhƣ vậy cả, hai chân thay phiên nhau thực hiện các bƣớc nhảy liên tiếp và ta quan sát đƣợc có lúc cả hai ch n đ u không ch m đ t Để thực hiện động tác đ , cơ thể đ thực hiện nhi u động tác phức t p của nhi u phần, nhi u b p cơ khác nhau của cơ thể.  Câu hỏi (bài tập) củng cố: 1. Vì sao có lúc bị m t sự cân bằng cơ thể? Tác dụng của tính m m dẻo đàn hồi) của các mô đổi với ho t động của con ngƣời để gi cân bằng của cơ thể? 2. Tác dụng của co cơ? C ng do co cơ t o ra?. Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 37
BÀI 6 VẬN ĐỘNG LIỆU PHÁP  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, ngƣời học có thể: - Nêu các yếu tố tham gia vận động của cơ thể, các lo i tổn thƣơng g y n n h n chế vận động và vai trò tác dụng của vận động liệu pháp trong y học 1. Các yếu tố tham gia quá trình vận động 1.1.Thần kinh vậ ộng Trung khu vận động tr n vỏ n o: nằm ở trƣớc r nh Rolando, đi u khiển vận động chủ động, các neuron thần kinh t vùng này cho các sợi trục đi xuống t o thành các b tháp Các trung khu vận động dƣới vỏ: gồm các nh n xám nằm ở vùng dƣới vỏ nhƣ cuống n o, hành n o, th n n o đi u khiển vận động kh ng tự chủ, đi u hòa trƣơng lực cơ, chi phối phản x thăng bằng, phản x tƣ thế và bản thể Các neuron t đ y cho các sợi trực đi xuống t o thành các b ngo i tháp Tủy sống: các neuron vận động tủy sống nằm ở s ng trƣớc, nhận th ng tin truy n đến các sợi d n truy n vận động t n o, hay các tế bào cảm giác ở h ch gai chuyển đến, rồi cho các sợi trục đi ra t o n n r vận động r trƣớc của d y thần kinh tủy sống Thần kinh ngo i vi: b t nguồn t các d y thần kinh tủy sống, đa số các d y thần kinh ngo i vi đ u là d y h n hợp cảm giác và vận động Phần vận động c chức năng d n truy n xung động ch huy t trung ƣơng đến g y co cơ 1.2. ệ ơ - Cơ là cơ quan ho t động đáp ứng đối với các tín hiệu t trung ƣơng và ngo i vi bằng cách co l i và gi n ra để t o ra động tác thích ứng - Sự co cơ gồm hai lo i: + Co cơ đẳng trƣơng: co cơ tăng lực nhƣng kh ng rút ng n gồng cơ , còn gọi là co cơ t nh Co cơ đẳng lực: lực cơ kh ng thay đổi nhƣng cơ rút ng n l i để t o ra sự chuyển động, còn gọi là co cơ động 1.3. X ơ Xƣơng và cơ phối hợp nhau nhƣ một hệ lực - đòn b y t o n n vận động Xƣơng là ch bám của g n cơ gồm đầu nguy n ủy và đầu bám tận, vì vậy sự vận động bị giới h n bởi khung xƣơng Trong một số trƣờng hợp, cơ xƣơng ph n bố thành t ng c p chủ vận và đối kháng, sự s p xếp này r t cần thiết vì cơ ch c lực kéo mà kh ng c lực đ y 1.4. K ớ Ho t động của khớp li n quan đến: - Diện khớp ở đầu xƣơng và khe khớp gi a hai đầu xƣơng, chứa dịch khớp làm trơn khớp. - Phƣơng tiện nối khớp gồm: Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 38
Bao khớp: bao xung quanh khớp, m t trong c bao ho t dịch bám vào Bao ho t dịch là nơi xu t tiết và chứa dịch khớp Các d y chằng: là tổ chức li n kết r t v ng ch c 1.5. Y : Yếu tố t m lý tuy kh ng tham gia trực tiếp trong vận động nhƣng c ảnh hƣởng đến thái độ luyện tập và mức độ hợp tác của ngƣời bệnh với thầy thuốc trong quá trình đi u trị vận động, do đ ảnh hƣởng r t nhi u đến hiệu quả đi u trị 2. Các rối loạn vận động và các phƣơng pháp lƣợng giá. 2.1. R ạ ậ ộ y ầ k ) D ổ ơ ầ k ơ Khi các neuron vận động ở vỏ n o ho c đƣờng d n truy n vận động trung ƣơng bị tổn thƣơng thì mệnh lệnh để đi u khiển ho t động của cơ kh ng đƣợc phát ra ho c bị nghẽn làm cho cơ bị liệt, trong khi đƣờng d n truy n ngo i vi và cơ v n bình thƣờng Trong giai đo n đầu, cơ chƣa bị teo trƣơng lực cơ tăng, cơ ch teo ở giai đo n muộn do kh ng đƣợc vận động trong thời gian dài ) D ổ ơ ầ k ạ Tổn thƣơng thần kinh ngo i vi c ng làm gián đo n xung động thần kinh đến cơ, nhƣng đồng thời c ng làm gián đo n xung động thần kinh cảm giác, do đ làm liệt cơ và m t cảm giác vùng do thần kinh tổn thƣơng đ chi phối 2.2. R ạ ậ ộ ơ ) ệ ơ Liệt cơ là tình tr ng giảm ho c m t khả năng co rút của cơ Cần ph n biệt hai lo i liệt m m và liệt cứng Nếu bệnh nh n thuộc lo i liệt m m thì tay và ch n m m nh o Ta thƣờng th y một tay teo m m ở phía th n và một ch n còn tác dụng của các cơ gập khớp xƣơng hong và đàu gối Liệt cứng xảy ra trong nh ng cơ kháng trọng lực; đ là nh m cơ gập l i cánh tay và nh m cơ du i ch n ra Ví dụ: ở ch n liệt cứng ta th y sự du i ra của khớp xƣơng hong, đầu gối và cổ ch n và sự ng a ra của bàn ch n Ở cánh tay thì vị trí điển hình là áp sát và quay vào trong t i khớp xƣơng vai, gập l i khủyu tay, cổ tay và ng n tay và sự quay s p của bàn tay Để đánh giá tình tr ng liệt cơ, ngƣời ta tiến hành lƣợng giá bằng phƣơng pháp th sức cơ bàn tay Đ là phƣơng pháp xác định khách quan khả năng của ngƣời bệnh đi u khiển một cơ ho c một nh m cơ nh t định ho t động Có ể ứ ơ ằ y ứ ơ 6 ộ Độ K ả ậ ộ ơ Độ Hoàn toàn kh ng còn c động cơ Độ 1 Còn nhìn th y c động ở ngọn chi, ho c sờ th y sự co cơ Độ 2 C thể c động đƣợc ở khớp nếu lo i bỏ trọng lực ở đo n chi Độ 3 C thể c động th ng đƣợc trọng lực của cả chi Độ 4 C thể c động th ng đƣợc lực cản nhẹ Độ 5 C thể c động th ng đƣợc lực cản m nh ho c c động bình thƣờng Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 39
) T y ổ ơ ơ Trƣơng lực cơ là tình tr ng chu n bị của một cơ khi bị kéo gi n Tăng trƣơng lƣc: sẽ g y co th t cơ, d n đến tƣ thế b t thƣờng và kh ng làm đƣợc các động tác ri ng Giảm trƣơng lực: làm giảm khả năng vận động chủ động, m t phối hợp các cơ, m t sẳn sàng để phản ứng nhanh khi cần thiết, c thể làm khớp bị kéo gi n quá mức ) Te ơ Là tình tr ng khối lƣợng cơ, cơ tƣơng, hàm lƣợng protein, glycogen, ATP đ u giảm, trong khi số lƣợng các sợi cơ trong cơ b p kh ng thay đổi Teo cơ xảy ra do tình tr ng b t động l u dài, nằm l u, liệt thần kinh, trong một số bệnh lý nhƣ nhƣợc cơ, bệnh Beri – Beri Khám độ teo cơ bằng phƣơng pháp đo chu vi vòng chi ch cơ cao nh t, so sánh với b n lành ho c với ch số sinh lý chung 2.3. Bệ ệ ơ k ớ ả ở ạ ộ ệ ơ – ầ k Cần chú ý rằng rối lo n vận động c thể kh ng do rối lo n ban đầu t ho t động cơ và thần kinh mà do các bệnh xƣơng khớp nhƣ vi m khớp, cứng khớp, g y xƣơng, bệnh của xƣơng 3.Tác dụng của các k thuật vận động liệu pháp Vận động liệu pháp bao gồm kỹ thuật chủ động và thụ động nhƣ xoa b p, b m huyệt, kéo n n kéo n n khớp sai lệch, kéo n n cột sống , kéo li n tục kéo sau g y xƣơng Mục ti u của vận động liệu pháp là giúp bệnh nh n c ho t động chức năng bình thƣờng, trở l i với c ng việc c hay ngh nghiệp mới để kiếm sống ho c c khả năng tự làm l y nh ng động tác thƣờng ngày, c khả năng di chuyển t nơi này đến nơi khác và tự mình bƣớc đi Kỹ thuật này c ng để giúp bệnh nh n thích nghi với nh ng di chứng còn l i, đ phòng bệnh t t thứ phát, hòa nhập x hội Vận động liệu pháp c vai trò quan trọng trong phục hồi chức năng cho bệnh nh n tai biến m ch mau n o Các kỹ thuật vận động liệu pháp g y n n các tác động sau: Đả th ng kinh m ch, tăng lƣu th ng máu làm tăng tuần hoàn t i ch để cung c p các dƣỡng ch t và ch t cần thiết khác, tăng tính th m và thải ch t độc h i sản ph m của quá trình oxy h a giúp cơ thể đở mệt mỏi, cơ đƣợc phục hồi t t do cơ c bản tính đàn hồi Khi cơ ho t động nhi u, l u hay quá sức, bệnh lý cơ xƣơng khớp g y đau mỏi, xoa b p và vận động liệu pháp kích thích thần kinh giúp cho cơ và sự ho t động của cơ dần trở v tr ng thái cơ năng và làm giảm đau Xoa b p là vận động liệu pháp r t c hiệu quả nh t là đối với bệnh đau vai, gáy, đau lƣng, liệt n a ngƣời do tai biến m ch máu n o Kéo d n cột sống là phƣơng pháp dùng lực cơ học tác động theo chi u dọc của cột sống nhằm làm gi n nở khoảng cách các khoang gian đốt để đem l i hiệu quả đi u trị Làm gi n cơ tích cực trong bệnh lý đau cột sống, sự kích thích r thần kinh và đau làm cơ co cứng phản x , sự co cứng các tác động trở l i làm cho đau càng trầm trọng hơn Kéo gi n cột sống trƣớc ti n t o ra lực sẽ tác động l n cơ g n gi n cơ thụ động, giảm co cứng cơ và c t đứt vòng xoáy bệnh lý đau Tuy nhi n khi kéo nếu giảm tăng lực quá nhanh c thể g y kích thích làm tăng co cơ, do đ cần tăng giảm lực t t đ c biệt là trong bệnh lý đau c p Kéo cột sống c ng làm giảm áp lực nội đ a đệm, vì n làm cho các khoang đốt sống đƣợc gi n rộng và c thể cao th m trung bình 1,1mm, làm áp lực nội đ a đệm giảm xuống. Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 40
Đối với bệnh nh n b bột, liệt, nằm l u, xoa b p giúp cơ kích thích ho t động, chống teo cơ, cứng và dính khớp vì cơ đƣợc nu i dƣỡng, phòng tránh vi m và vi m loet do chính trọng lƣợng cơ thể bản th n chèn ép Một số cơ b p do c động đột ngột hay do tƣ thế b t thƣờng g y đau, h n chế vận động thì xoa b p và vận động liệu pháp giúp cơ dần ho t động theo tƣ thế cơ năng, giúp cơ thể chuyển tr ng thái t bệnh lý dần v tr ng thái bình thƣờng Vận động liệu pháp giải ph ng sự chèn ép l n các r và d y thần kinh do làm tăng kích thƣớc l d y thần kinh đi qua, giảm thể tích bị chèn ép t đ làm giảm đau  Câu hỏi (bài tập) củng cố: 1. Nêu các yếu tố tham gia quá trình vận động? Trình bày đ c điểm t ng yếu tố? 2. Vai trò và tác dụng của các kỹ thuật trong vận động liệu pháp? Nêu một vài ví dụ. Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 41
CHƢƠNG 2 CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC Nhiệt động học hệ sinh vật và hƣớng nghiên cứu Nhiệt động học hệ sinh vật là l nh vực nghiên cứu hiệu ứng năng lƣợng, sự chuyển hoá gi a các d ng năng lƣợng, khả năng tiến triển, chi u hƣớng và giới h n tự di n biến của các quá trình xảy ra trong hệ thống sống. Cơ thể sống trong quá trình sinh trƣởng và phát triển đ u có s dụng năng lƣợng vì vậy nhiệt động học hệ sinh vật là l nh vực cần đƣợc nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của nhiệt động học hệ sinh vật là cơ thể sống, đ là một hệ mở do luôn xảy ra sự trao đổi vật ch t và năng lƣợng với m i trƣờng xung quanh, có khả năng tự đi u ch nh, tự sinh sản nên khác với hệ vật lí nhƣ ch t r n, ch t lỏng hay ch t khí Hiện nay nhiệt động học hệ sinh vật có các hƣớng nghiên cứu chủ yếu sau: - Nghiên cứu sự chuyển biến năng lƣợng ở mức độ phân t , tế bào, m , cơ quan hay toàn bộ cơ thể khi ở tr ng thái sinh lý bình thƣờng và tr ng thái đang ho t động Xác định hiệu su t s dụng năng lƣợng của các quá trình sinh vật và năng lƣợng liên kết trong các liên kết của các cao phân t sinh học. - Nghiên cứu tính ch t nhiệt động của các quá trình di n ra trong cơ thể sống nhƣ quá trình khuyếch tán, th m th u, vận chuyển tích cực - Nghiên cứu cơ chế tác động của sự thay đổi các yếu tố m i trƣờng lên quá trình chuyển hoá năng lƣợng và sự trao đổi năng lƣợng gi a cơ thể sống với m i trƣờng. Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 42
BÀI 1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN VỀ NHIỆT HỌC  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, ngƣời học có thể: - N u đƣợc một số khái niệm và đ i lƣợng cơ bản trong vật lý v nhiệt học. Hệ: Hệ là một vật thể hay một nhóm vật thể đƣợc dùng làm đối tƣợng để nghiên cứu. Ví dụ khi chọn cá thể để nghiên cứu thì cá thể là một hệ còn khi chọn quần thể để nghiên cứu thì quần thể là một hệ. Hệ nhiệt động (Hệ thống nhiệt động) Mọi tập hợp các vật đƣợc xác định hoàn toàn bởi một số các thông số v m độc lập với nhau, đƣợc gọi là hệ v m hay hệ nhiệt động (gọi t t là hệ). T t cả các vật ở bên ngoài hệ đƣợc gọi là m i trƣờng. Hệ cô lập: Là hệ không có sự trao đổi vật ch t và năng lƣợng gi a hệ với m i trƣờng xung quanh. Trên thực tế kh xác định đƣợc một hệ cô lập hoàn toàn nhƣng ở qui mô thí nghiệm các nhà khoa học có thể thiết kế đƣợc hệ cô lập nhƣ bom nhiệt lƣợng dùng để nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của các phản ứng oxy hóa. Hệ kín: Là hệ kh ng trao đổi vật ch t với m i trƣờng xung quanh nhƣng c trao đổi năng lƣợng với m i trƣờng xung quanh. Hệ mở: Là hệ c trao đổi cả vật ch t và năng lƣợng với m i trƣờng xung quanh. Ví dụ: cơ thể sống là một hệ mở. Tuy nhiên, hệ sinh vật khác với hệ mở khác ở ba điểm. Cơ thể sinh vật là d ng tồn t i đ c biệt của protit và các ch t khác t o thành cơ thể. - Cơ thể có khả năng tự tái t o - Cơ thể có khả năng tự phát triển Tham số tr ng thái: Là các đ i lƣợng đ c trƣng cho tr ng thái của một hệ, ví dụ nhƣ nhiệt độ, áp su t, thể tích, nội năng, entropi Tr ng thái cân bằng: Là tr ng thái trong đ các tham số tr ng thái đ t một giá trị nh t định và kh ng đổi theo thời gian. Quá trình cân bằng: Là quá trình trong đ các tham số tr ng thái thay đổi với tốc độ chậm tới mức sao cho t i m i thời điểm có thể xem nhƣ tr ng thái của hệ là tr ng thái cân bằng. Quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp, đẳng tích là quá trình di n ra trong đ nhiệt độ, áp su t và thể tích lu n kh ng đổi trong suốt quá trình di n ra. Quá trình thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trở v tr ng thái ban đầu không kèm theo b t cứ một sự biến đổi nào của m i trƣờng xung quanh. Quá trình b t thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trở v tr ng thái ban đầu làm thay đổi m i trƣờng xung quanh. Hàm tr ng thái: Một đ i lƣợng đƣợc xem là một hàm tr ng thái, đ c trƣng cho tr ng thái của hệ, khi sự biến thiên giá trị của nó trong b t cứ quá trình nào c ng ch phụ thuộc vào Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 43
giá trị đầu và giá trị cuối mà không phụ thuộc vào con đƣờng chuyển biến. Nội năng U , năng lƣợng tự do (F), thế nhiệt động (Z hay G), entanpi (H), entropi (S) là nh ng hàm tr ng thái. Năng lƣợng: Năng lƣợng là đ i lƣợng có thể đo đƣợc, có thể biến đổi một cách định lƣợng luôn theo cùng một t lệ thành nhiệt lƣợng Năng lƣợng phản ánh khả năng sinh c ng của một hệ Đơn vị dùng để đo năng lƣợng là Calo (Cal) hay Joule (J). Công và nhiệt: Đ là hai hình thức truy n năng lƣợng t hệ này sang hệ khác. Nếu nhƣ sự truy n năng lƣợng t hệ này sang hệ khác g n li n với sự di chuyển vị trí của hệ thì sự truy n đ đƣợc thực hiện dƣới d ng công. Ví dụ khi ch y 1 mét thì năng lƣợng tiêu tốn đ đƣợc dùng vào thực hiện c ng để di chuyển vị trí. Nếu sự truy n năng lƣợng t hệ này sang hệ khác làm tăng tốc độ chuyển động của phân t ở hệ nhận năng lƣợng thì sự truy n đ đƣợc thực hiện dƣới d ng nhiệt. Công và nhiệt là hàm số của quá trình vì chúng đ u phụ thuộc vào cách chuyển biến. Nội năng: Nội năng của một vật thể bao gồm động năng của các phân t chuyển động và thế năng tƣơng tác do sự hút và đ y l n nhau gi a các phân t cùng với năng lƣợng của h t nhân nguyên t và năng lƣợng của các điện t .  Câu hỏi (bài tập) củng cố: 1. Hãy nêu các khái niệm và đ i lƣợng cơ bản v nhiệt học. Cho ví dụ cụ thể đối với t ng khái niệm và đ i lƣợng cơ bản đ Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 44
BÀI 2 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, ngƣời học có thể: - Trình bày đƣợc cách xây dựng nguyên lý thứ nh t nhiệt động học và phát biểu đƣợc nguyên lý. - Trình bày đƣợc các hệ quả của nguyên lý thứ nh t nhiệt động học và ý ngh a trong y học. - Ch ra đƣợc quy luật không thuận nghịch của quá trình tự nhiên. 1. Nguyên lý thứ nh t nhiệt động học Theo định luật bảo toàn và chuyển h a năng lƣợng ta c : Năng lƣợng không tự nhiên sinh ra và c ng kh ng tự nhiên m t đi mà n ch biến đổi t d ng này sang d ng khác Năng lƣợng của hệ bao gồm động năng, thế năng và nội năng của hệ. W = Wđ + Wt + U (2.1) Trong đ : Động năng Wđ) là phần năng lƣợng ứng với chuyển động c hƣớng của cả hệ. Thế năng Wt ứng với phần năng lƣợng tƣơng tác của hệ trong trƣờng lực. Nội năng U là năng lƣợng bên trong của hệ bao gồm động năng và thế năng của các phân t , nguyên t , điện t trong nguyên t và cả phần năng lƣợng trong h t nhân của nguyên t . Nội năng là một hàm tr ng thái t i các tr ng thái khác nhau thì có nh ng giá trị khác nhau. * Phát biểu nguyên lý 1 Độ biến thi n năng lƣợng toàn phần W của hệ trong một quá trình biến đổi có giá trị bằng tổng công A và nhiệt lƣợng Q mà hệ nhận đƣợc trong quá trình biến đổi đ Biểu thức: W = A + Q (2.2) Theo định luật bảo toàn cơ năng của hệ Wd + Wt = const nên W = U do đ U= A + Q. Phát biểu nguyên lý một cách khác ta c độ biến thiên nội năng của hệ có giá trị bằng công và nhiệt mà hệ nhận đƣợc trong quá trình biến đổi đ Hệ quả: Nếu ký hiệu A, Q là công và nhiệt mà hệ nhận đƣợc, thì ký hiệu A’, Q’ là công và nhiệt mà hệ sinh ra A’ = -A; Q’ = -Q d n đến U = A + Q suy ra Q = U A’ Vậy nhiệt truy n cho hệ trong một quá trình có giá trị bằng độ biến thiên nội năng của hệ và công do hệ sinh ra trong quá trình đ Trong hệ cô lập: A = Q = → U = → U = const Ta n i nội năng của hệ cô lập đƣợc bảo toàn. Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 45
Nếu Q = → A = - U Ngh a là nếu không cung c p nhiệt cho hệ, mà hệ muốn sinh công thì nội năng của hệ phải giảm. 2. Áp dụng nguyên lý thứ nhất cho hệ thống sống Ho t động sinh công của cơ thể khác với các máy nhiệt th ng thƣờng, n đƣợc sinh ra do sự thay đổi của hệ thống sống nhờ các quá trình sinh h a trong cơ thể. Tính ch t sinh nhiệt là tính ch t tổng quát của hệ thống sống, n đ c trƣng cho các tế bào đang c chuyển h a cơ bản. Nh ng chức năng sinh lý b t kỳ c ng kéo theo sự sinh nhiệt. Nguồn gốc nhiệt lƣợng cung c p cho ngƣời là thức ăn Thức ăn do cơ thể s dụng th ng qua quá trình đồng h a để cải t o các tổ chức t o thành ch t dự tr vật ch t, năng lƣợng trong cơ thể, phát sinh nhiệt để duy trì nhiệt độ của cơ thể chống l i sự m t nhiệt và m i trƣờng xung quanh và dùng để sinh công trong các ho t động sống. Nguyên lý 1 áp dụng trong hệ thống sống có thể viết dƣới d ng sau: Q = E + A + M (2.3) Trong đ : Q là nhiệt lƣợng sinh ra trong quá trình đồng hóa thức ăn E là năng lƣợng m t do m i trƣờng xung quanh A là c ng mà cơ thể thực hiện M là năng lƣợng dự tr Đ y là phƣơng trình cơ bản của quá trình cân bằng nhiệt đối với cơ thể ngƣời. Ngƣời ta th y rằng năng lƣợng do thức ăn cung c p bằng năng lƣợng tỏa ra. Nhiệt lƣợng đƣợc sinh ra ở cơ thể đƣợc chia làm hai lo i: năng lƣợng sơ c p và nhiệt lƣợng thứ c p. Nhiệt lƣợng sơ c p xu t hiện do kết quả ph n tán năng lƣợng nhiệt trong quá trình trao đổi vật ch t bởi nh ng phản ứng hóa sinh (xảy ra không thuận nghịch). Nhiệt lƣợng này tỏa ra sau khi cơ thể h p thu thức ăn vào oxy Nhiệt lƣợng thứ c p xu t hiện trong quá trình oxy hóa thức ăn đƣợc dự tr trong các liên kết giàu năng lƣợng (ATP). Khi các liên kết này đứt, chúng giải ph ng năng lƣợng để thực hiện một c ng nào đ và cuối cùng biến thành nhiệt. Nhiệt lƣợng tỏa ra khi đứt các liên kết giàu năng lƣợng dự tr trong cơ thể để đi u hòa các ho t động chủ động của cơ thể đƣợc quy ƣớc là nhiệt thứ c p. Đối với cơ thể sống bình thƣờng: lƣợng năng lƣợng dự tr vào cơ thể khoảng 50%. Khi bệnh lý thì lƣợng năng lƣợng này giảm xuống. Phần năng lƣợng do cơ thể tỏa ra ở d ng nhiệt lƣợng sơ c p sẽ chiếm phần lớn. T lệ trên phụ thuộc vào t lệ cƣờng độ tỏa nhiệt và cƣờng độ sinh nhiệt Đối với động vật máu nóng khi nhiệt độ m i trƣờng th p hơn th n nhiệt, thì nhiệt tỏa ra m i trƣờng, để cân bằng nhiệt của cơ thể thì phải sinh nhiệt. Nhiệt lƣợng này là nhiệt lƣợng lo i hai sản ra do co cơ ho c do tiêu dần năng lƣợng dự tr của cơ thể (tiêu mỡ nhƣ động vật ngủ đ ng 3. Phƣơng pháp nhiệt lƣợng kế gián tiếp và nguyên tắc hoạt động của cơ thể sống Phƣơng pháp đo nhiệt lƣợng của Lavoadie và Laplace dùng trong thí nghiệm chứng minh tính đúng đ n của định luật I nhiệt động học khi áp dụng vào hệ sinh vật, gọi là phƣơng pháp nhiệt lƣợng kế gián tiếp Cơ sở của phƣơng pháp này là dựa vào lƣợng khí ôxy tiêu thụ ho c lƣợng khí CO do cơ thể thải ra ở động vật máu n ng động vật c vú và ngƣời), có liên 2 quan ch t chẽ với nhiệt lƣợng chứa trong thức ăn Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 46
Ví dụ: Quá trình ôxy hóa glucose, phản ứng di n ra nhƣ sau: C H O + 6O = 6CO + 6H O + 678 KCal 6 12 6 2 2 2 (180gam) (134,4l) (134,4l) T phản ứng trên cho th y cứ ôxy hoá hoàn toàn 1 phân t gam glucose thì cần phải tiêu thụ 6 phân t gam xy đồng thời thải ra 6 phân t gam khí CO và giải phóng ra 678 2 KCal. Ở đi u kiện tiêu chu n, m i phân t gam ch t khí đ u chứa 22,4 lít. Do vậy 6 phân t gam ôxy ho c CO đ u chứa: 6 x 22,4 lít = 134,4 lít. 2 T đ suy ra, cơ thể cứ tiêu thụ 1 lít O để ôxy hoá hoàn toàn một phân t gam 2 glucose đồng thời thải ra 1 lít CO thì kèm theo giải phóng một nhiệt lƣợng là: 678 KCal: 2 134,4 lít = 5,047 KCal/lít và gọi là đƣơng lƣợng nhiệt của ôxy. Dựa vào phƣơng pháp nhiệt lƣợng kế gián tiếp, có thể xác định đƣợc sự thải nhiệt của b t kì động vật máu nóng nào thông qua số lít ôxy tiêu thụ (ho c số lít CO thải ra). T phản ứng ôxy hóa glucose ở trên và sau 2 này áp dụng chung cho Gluxit khi ôxy hoá hoàn toàn sẽ giải phóng ra nhiệt lƣợng đƣợc tính theo công thức: Q(KCal) = số lít O ( ho c số lít CO ) x 5,047 (2.4) 2 2 Khi ôxy hóa Protein, nhiệt lƣợng giải ph ng ra đƣợc tính theo công thức: Q(KCal) = số lít O x 4,46 (2.5) 2 Khi ôxy hoá Lipit, nhiệt lƣợng giải ph ng ra đƣợc tính theo công thức: Q(KCal) = số lít O x 4,74 (2.6) 2 Mối quan hệ gi a thức ăn, số lít O tiêu thụ và số lít CO thải ra cùng đƣơng lƣợng nhiệt của 2 2 xy đƣợc thể hiện qua bảng 2.1. Bảng 2.1: Đ ơ ng nhiệt c ô y i với các loại thứ . Thứ S lít O cầ ể ôxy s lít CO thải ra sau Đ ơ ng nhiệt 2 2 hoá 1 gam thứ khi ôxy hoá 1g thức c a ôxy Gluxit 0,83 0,83 5,047 Protein 0,97 0,77 4,46 Lipit 2,03 1,42 4,74 Đối với thức ăn h n hợp gồm cả Gluxit, Protein và Lipit khi bị ôxy hoá, nhiệt lƣợng giải ph ng ra đƣợc tính theo công thức: Q(KCal) = số lít O x 4,825 (2.7) 2 Phƣơng pháp nhiệt lƣợng kế gián tiếp còn có thể xác định đƣợc nhiệt lƣợng giải phóng ra khi ôxy hoá thức ăn th ng qua: Thƣơng số hô h p là t lệ khí CO trên khí O . 2 2 Thƣơng số hô h p c ng thay đổi tuỳ thuộc vào lo i thức ăn đƣợc ôxy hoá. Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 47
Đối với phản ứng ôxy hoá glucose C H O + 6O = 6CO + 6H O 6 12 6 2 2 2 Thƣơng số hô h p của glucose đƣợc s dụng cho cả Gluxit. Đối với phản ứng xy h a Lipit c thƣơng số hô h p bằng ,7, đối với Protein bằng 0,8 còn với thức ăn h n hợp có giá trị nằm trong khoảng t ,85 đến 0,9. Thƣơng số hô h p có liên quan với đƣơng lƣợng nhiệt của ôxy, thể hiện qua bảng 2.2. Bảng 2.2: T ơ hô hấp (TS hô hấ ) ơ ng nhiệt c ô y (Đ a ôxy) TS hô h p 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 ĐLN của ôxy 4,686 4,739 4,801 4,862 4,924 4,985 5,05 Khi ôxy hoá thức ăn, bằng cách đo lƣợng khí O tiêu thụ và lƣợng khí CO thải ra 2 2 đơn vị là lít), tính đƣợc thƣơng số hô h p. Dựa vào bảng 2.2, l y giá trị đƣơng lƣợng nhiệt của xy tƣơng ứng với thƣơng số hô h p nhân với số lít O tiêu thụ sẽ biết đƣợc nhiệt lƣợng 2 giải phóng (còn gọi là lƣợng nhiệt trao đổi hay trị số trao đổi năng lƣợng). Ví dụ: Nếu thƣơng số hô h p là ,85 thì c đƣơng lƣợng nhiệt của ôxy là 4,862 và biết cơ thể tiêu thụ 20 lít O thì trị số trao đổi năng lƣợng sẽ là: 2 4,862 x 20 lít O = 97,24 Kcal 2 4. Phân biệt nguyên tắc hoạt động của cơ thể sống với máy nhiệt Máy nhiệt là động cơ dùng nhi n liệu đốt nhƣ dầu Diedel, xăng để sinh c ng nhƣ máy nổ t , xe máy, máy bơm nƣớc Trong cơ học, hiệu su t s dụng năng lƣợng của một cái máy nhiệt, đƣợc tính theo công thức: (2.8) η: Hiệu su t của máy nhiệt (%) o T : Nhiệt độ Kelvin ở tr ng thái đầu ( K) 1 o T : Nhiệt độ Kelvin ở tr ng thái cuối ( K) 2 o Công thức chuyển đổi gi a nhiệt độ Kelvin và nhiệt độ bách phân ( C): o o T( K) = t( C) + 273 (2.9) Giả s hiệu su t s dụng năng lƣợng của một máy nhiệt đ t trung bình là 33% = 33/1 ≈ 1/3 Nếu ta c ng giả s cơ thể sống ho t động giống nhƣ một máy nhiệt, tức là c ng c hiệu su t s dụng năng lƣợng là 33% ? Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 48
o Nhiệt độ ban đầu của cơ thể ngƣời là 37 C, theo công thức (2.9) tính ra: o T = 37 + 273 = 310 K 1 o Thay η = 33% ≈ 1/3 và T = 310 K vào công thức (2.8) sẽ đƣợc: 1 o → 3 T - 310 K)=T 2 2 o o 2T = 930 K → T = 465 K 2 2 Áp dụng công thức (2.9) ta có: o o 465 = t ( C 273 → t = 465 - 273 = 192 C 2 2 Kết quả trên cho th y cơ thể sống ho t động không giống nhƣ một máy nhiệt Đối với o o o cơ thể sống, Protein bị biến tính ngay ở nhiệt độ t 40 C đến 60 C còn ở 192 C thì không có một sinh vật nhân chu n nào có thể sống đƣợc Đi u đ khẳng định cơ thể sống ho t động không giống nhƣ một máy nhiệt mà ho t động theo nguyên lý của các quá trình sinh học.  Câu hỏi (bài tập) củng cố: 1. Trình bày cách xây dựng nguyên lí thứ nh t nhiệt động học, nêu hệ quả và ứng dụng của nó trong y học. 2. Trình bày hệ quả của nguyên lí thứ nh t nhiệt động học và ý ngh a trong y học. 3. Nguyên lí thứ nh t nhiệt động học đƣợc áp dụng cho hệ thống sống nhƣ thế nào?. Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 49
BÀI 3 NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC  Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, ngƣời học có thể: - Xây dựng và phát biểu đƣợc nguyên lý thứ hai nhiệt động học và ứng dụng cho các hệ thống sống. - Trình bày đƣợc thế nào là năng lƣợng tự do. 1. Nguyên lý thứ hai nhiệt động học và sự dịch chuyển Entropi trong hệ thống sống Nhƣợc điểm của nguyên lý 1 là không cho biết chi u di n biến của quá trình biến đổi t nhiệt và công, ch cho biết sự liên quan v lƣợng gi a chúng khi chúng tham gia vào quá trình cho trƣớc. Nguy n lý 2 độc lập và kh c phục h n chế của nguy n lý 1, n xác định chi u di n biến của quá trình v m và cho phép đánh giá khả năng sinh c ng của các hệ nhiệt động khác nhau. 1.1. Khái niệm về Entropi Định luật II nhiệt động học có tính ch t thống k n n độ chính xác phụ thuộc vào số phân t có trong hệ. Tr ng thái ít trật tự (tức có entropi lớn) có xác su t cao hơn tr ng thái có trật tự cao (tức có entropi nhỏ). Gi a entropi và xác su t nhiệt động có mối quan hệ nhƣ thế nào? Năm 1896 Boltzmann là ngƣời đầu ti n tìm đƣợc mối liên quan gi a entropi và xác su t nhiệt động qua phƣơng trình: S = klnW (2.10) -16 S: Entropi của hệ k: Hằng số Boltzmann bằng 1,38.10 ec/độ W: Xác su t nhiệt động Để hiểu rõ tính ch t thống kê của định luật II nhiệt động học, ta xét ví dụ: Trong 1 bình có 6 phân t đƣợc đánh số t số 1 đến số 6 Ta ngăn bình thành 2 phần: phía bên phải không có phân t nào cả. Thời điểm ban đầu: Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý và Lý sinh 50