Вестибулярный аппарат как инерциальная система ориентации.

План

Центрифугирование

Невесомость и перегрузки.

Вестибулярный аппарат как инерциальная система

Ориентации

Литература

Центрифугирование

Центрифугированием называется процесс разделения (сепарации) неоднородных систем, например частиц от жидкостей, в которых они находятся, обусловленный их вращением.

Рассмотрим физику этого явления.

Пусть рабочий объем центрифуги полностью занят

 

0 какой-либо однородной жидкостью. Выделим

мысленно небольшой объем V этой жидкости,

находящийся на расстоянии r от оси

V вращение ОО¹ При равномерном вращении

центрифуги на выделенный объем кроме

силы тяжести и выталкивающей силы, которые

уравновешивают друг друга, действует

центростремительная сила. Это сила со стороны

окружающей объем жидкости.

 

 

0¹

Она, естественно, направлена к оси вращения и равна

F = mw ² r = ρ v w ² r (39). ρ – плотностьжидкости.

Предположим теперь, что выделенный объем V- это сепарируема частица, плотность вещества которой ρ₁ (ρ₁ ± ρ). Сила, действующая на частицу со стороны окружающей жидкости, не изменится, как видно из (39).

Для того чтобы частица вращалась вместе с жидкостью, на нее должна действовать центростремительная сила, равная

F₁ = m₁ w ²r = ρ₁ v w ²r (40).

m₁ – Масса частицы, ρ₁, - соответствующая ей плотность.

Если F› F₁, то частица перемещается к оси вращения.

Если F‹ F₁, то воздействия на частицу со стороны жидкости будет недостаточно, чтобы удержать ее на круговой траектории, и частица по инерции начнет перемещаться к периферии. Эффект сепарации определяется превышением.

Силы F, действующей со стороны жидкости на выделенную частицу, над тем значением центростремительной силы F₁, которое обусловливает движение по окружности:

F_цф = F – F₁ = (ρ-ρ₁)V w ² r (41).

Это выражение показывает, что эффект центрифугирования тем больше, чем больше различие плотностей сепарируемых частиц и жидкости, а также существенно зависит от угловой скорости вращения.

 

Невесомость и перегрузки.

В обычных условиях на человека действует сила тяжести и сила реакция опоры. При отсутствии ускорения эти силы равны и противоположно направлены. Такое состояние естественно для человека.

При ускорении движении системы могут возникнуть особые состояния, называемые перегрузкой и невесомостью.

Рассмотрим примеры. Пусть человек находится в кабине лифта, который поднимается вверх с ускорением a. На человека действует сила тяжести

mg и сила реакции опоры N.

Fp По II закону Ньютона N + mg = ma

_{V a} или в скалярном виде

_чел.

N- mg = ma, N=m(g + a). (42).

Mg

 

В этом случае сила реакции опоры больше силы тяжести (N › mg) и возникаю перегрузки. Перегрузка выражается отношением.

 

 

Другой пример: человек находится в кабинете лифта, который замедленно, т.е с торможением, опускается вниз Направления сил у ускорения соответствуют предыдущему примеру, поэтому и в этом случае получим формулу (42). Человек испытывает перегрузки. Перегрузки могут оказывать существенное влияние на организм человека, так как в этих состояниях происходит отток крови, изменяется взаимное давление внутренних органов друг на друга, возникает их деформация. Поэтому человек способен выдерживать лишь ограниченные перегрузки.

Если лифт ускоренно движется вниз или замедленно верх, то

mg - N = ma или N=m(g - a). (43).

Как видно, реакция опоры меньше силы тяжести: N ‹ mg.

Если a =g, то N= 0 – состояние невесомости. Это такое состояние, при котором действующие на систему внешние силы не вызывают взаимных давлений частиц системы друг на друга.

Для биологических объектов невесомость – необычное состояние, хотя и в обыденной жизни встречаются кратковременные периоды частичной невесомости: прыжки, качели, начало движения вниз скоростного лифт.

Отсутствие действия опоры при невесомости приводит к общей детренированности и связанного с этим снижением снижения работоспособности, уменьшается мышечная масса, происходит деминерализация костной ткани. Потому космонавтам в условиях невесомости приходится проводить специальные тренировочные физические упражнения или носить особые костюмы, которые, затрудняя движения, позволяют догружать работу мышц.

В обычных условиях гидростатическое давление ρg h крови в верхней части тела меньше, чем в нижней. В невесомости кровь равномерно распределяется в организме это означает, что верхняя часть переполнена кровью по сравнению с обычным состоянием, ощущается тяжесть в голове, появляется отечность лица.

В условиях невесомости действуют те же известные законы Ньютона, но в силу необычности условий человек должен «привыкать» к движениям в невесомости. Резкие движения головой, руками или ногами, отбрасывание каких-либо предметов могут существенно изменить движение тела человека.

 

Вестибулярный аппарат как инерциальная система ориентации.

В обычных условиях положение свободно подвешенного маятника указывает направление силы тяжести (рис. a).

Если маятник связан с ускоренно движущейся

системой отчета, то его положение зависит от

ускорения системы (рис.б). Как следует из

Fn рисунка, по II закону Ньютона.

F n + mg = F p = ma

где результирующая сила равна

mq F p = mg tgα или ma = mgtgα

откуда

a = gtgα(44).

 

 

(рис. a)

 

Следовательно, даже простой математический

^L a маятник в принципе может быть использован

v для определения модуля и направления

Fn ускорения системы.

 

^Fp

Mq

_{(рис. б)}

 

Если известно ускорение системы, например ракеты, в каждый момент времени, то можно найти зависимость скорость от времени:

(45).

Определив v = f (t), можно найти положение системы в любой момент:

(46).

Таким образом, можно без помощи средств, находящихся вне ракеты, автономно установить ее местоположение скорость и ускорение в любой момент времени. Соответствующие устройства называется инерциальными системами ориентации.

В человеческом организме имеется орган, который тоже, по существу, является инерциальной системой ориентации – это вестибулярный аппарат. Он расположен во внутреннем ухе и состоит из трех взаимно перпендикулярных полукружных каналов и полости – преддверия.

На внутренней поверхности стенок преддверия и в части полукружных каналов находятся группы чувствительных нервных клеток, имеющих свободные окончание в форме волосков. Внутри преддверия и полукружных каналов есть студенистая масса, содержащая мелкие кристаллы фосфорно-кислого и углекислого кальция (отолиты). Ускоренное перемещение головы вызывает перемещение эндолимфы и отолитов, что воспринимается нервными клетками (через волосок). Вестибулярный аппарат, как и любая другая физическая сила, не отличает гравитационные от воздействий, возникающих при ускорении движении системы. Наш организм приспособился к действию силы тяжести; соответствующую привычную информацию клетки вестибулярного аппарата сообщают в мозг, поэтому состояния невесомости и перегрузок воспринимается нами посредством вестибулярного аппарата как необычные состояния, к которым необходимо приспосабливаться. Если оказывается периодическое воздействие на вестибулярный аппарат человека, например при качке корабля, то это может привести организм в особое состояние, называемое морской болезнью.

 

Литература

1. А.Н. Ремизов медицинская и биологическая физика 1999 год