curs 1 mecanica. energie

Biofizica

Curs 1

Definitia biofizicii

Biofizica este o ştiinţă interdisciplinara care se ocupa cu:

• Studierea fenomenele fizice implicate in functionarea sistemelor biologice.

• Folosirea tehnicilor pentru cercetarea sistemelor biologice;

• Cercetarea efectelor biologice ale factorilor biofizici asupra sistemelor biologice;

Bibliografie

• Biofizica / Margineanu, Doru-Georg, Bucuresti: Editura Stiintifica si Enciclopedica, 1985, • Principii de biofizica umana. Vol. 1 si 2 / Dimoftache C, Herman, Sonia, Bucuresti: Editura

Universitara "Carol Davila" din Bucuresti, 2003 • Fundamentele biofizicii medicale / POPESCU, Aurel , Bucuresti: ALL, 1994 • Metode biofizice de analiza. Senzori si biosenzori [Resursa electronica] / Monica Florescu

(2008) • Fizica generala / Monica Florescu, Sorin Mihai Adam, Natalia Dihoiu (2007) • Biophysical theory of radiation action : a treatise on relative biological effectiveness /

Gunther, Klaus (1983) • Biofizica / Margineanu, D.G. (1980)

• Biofizica – note de curs / M. Florescu, http://biofiz.unitbv.ro/moodle2/

– User: – Pass:

– Biofizica si fizica generala : lucrari de laborator / Florescu, Monica (2004)

• Catalog online: http://www2.unitbv.ro/biblio

Structura si proprietăţile materiei

• În univers materia se prezinta sub doua forme:

• Substanţa este forma de existenta a materiei care are o structura discontinua, discreta si care este alcatuita din microparticule din agregarea carora rezulta corpurile inconjuratoare. Substanta se prezinta sub patru stari de agregare: solida, lichida, gazoasa si plasma.

• Câmpul, este forma de existenta a materiei cu o structura continua prin intermediul careia particulele de substanta sunt unite in sisteme si prin care se transmit interactiunile dintre aceste particule. Dupa natura lui, campul poate sa fie: gravitational, electric, magnetic, nuclear.

Mărimi. Unităţi de măsură. Sisteme de unităţi de măsură

Mărimi fizice • Corpurile din natura si fenomenele fizice sunt

caracterizate prin doua categorii de proprietăţi: calitative si cantitative.

• Proprietăţile care pot varia cantitativ se numesc mărimi.

Mărimi. Unităţi de măsură. Sisteme de unităţi de măsură

• Între diversele mărimi se stabilesc anumite

legături care se exprimă prin relaţii matematice. Stabilirea acestora permite clasificarea mărimilor în două categorii: – mărimi fundamentale şi – mărimi derivate.

Mărimi. Unităţi de măsură. Sisteme de unităţi de măsură

• Mărimi fundamentale. Aceste mărimi sunt independente

între ele, adică se definesc fără ajutorul altor mărimi. Numărul mărimilor fundamentale este egal cu diferenţa dintre numărul mărimilor şi numărul relaţiilor ce există între ele. Aceste mărimi sunt: – Lungimea (l). – Masa (m). – Timpul (t). – Intensitatea curentului electric (i). – Temperatura termodinamică (T). – Cantitatea de substanţă (molul ). – Intensitatea luminoasa (I).

Mărimi. Unităţi de măsură. Sisteme de unităţi de măsură

• Mărimi derivate. Derivă din mărimile fundamentale (se definesc cu ajutorul altor mărimi). Astfel, de exemplu viteza v a unui corp se defineşte prin relaţia:

• în care s este spaţiul şi t este timpul.

t

sv

Mărimi. Unităţi de măsură. Sisteme de unităţi de măsură

Grupul unităţilor fundamentale stabilite împreună cu toate unităţile derivate recunoscute pe plan internaţional se numeşte Sistemul Internaţional (SI).

• Unităţile fundamentale ale SI sunt următoarele: – Metrul (m). – Kilogramul (kg). – Secunda (s). – Amperul (A). – Kelvinul (K). – Molul (mol) – Candela (cd). Două unităţi de măsură suplimentare întregesc SI: – Radianul (rad) – unitatea de măsură pentru unghiul plan. – Steradianul (sr) – unitatea de măsură pentru unghiul solid.

Mărimi. Unităţi de măsură. Sisteme de unităţi de măsură

• Unităţile derivate sunt unităţile de măsură corespunzătoare tuturor mărimilor derivate şi se stabilesc în funcţie de unităţile fundamentale cu ajutorul formulelor de definiţie corespunzătoare mărimilor derivate, obţinându-se astfel formulele de unităţi de măsură.

• În cazul vitezei, se obţine următoarea formulă de unităţi de măsură:

• indicele SI din formulă arată că unitatea derivată a vitezei este în SI.

1 mss

mv SI

PREFIX FACTOR DE MULTIPLICARE AL UNITĂŢII SIMBOL

exa 1018 E

peta 1015 P

tera 1012 T

giga 10 9 G

mega 10 6 M

kilo 10 3 k

hecto 10 2 h

deca 10 da

deci 10 – 1 d

centi 10 – 2 c

mili 10 – 3 m

micro 10 – 6

nano 10 – 9 n

pico 10 – 12 p

femto 10 – 15 f

atto 10 – 18 a

Multiplii şi submultiplii zecimali ai unităţilor de masura

Marimi fizice scalare si vectoriale

• Marimi scalare sunt exprimate doar cu ajutorul unor valori (marime). – Ex. timp, masa, densitate,

concentratie, etc.

• Marimi vectoriale sunt caracterizate de marime, directie si sens. – Ex. forta, viteza, acceleratie,

presiune, etc.

Adunarea vectorilor–Metode grafice

Notiuni de mecanica

• Miscarea corpurilor. • Miscarea mecanica, cea mai simpla forma de

miscare, se refera la modificarea pozitiei corpurilor in timp fata de un corp de referinta.

• Se alege un un corp de referinta considerat in repaus, de cele mai multe ori Pamantul sau un alt corp legat de Pamant, caruia i se asociaza un sistem de axe numit sistem de axe de referinta (SR).

Sistem de Referinta si Deplasare Miscarea mecanica, cea mai simpla forma de miscare, se refera la modificarea

pozitiei corpurilor in timp.

Ex. Om se misca prin tren cu cel mult 4 km/h fata de un alt

calator, in timp ce fata de Pamant are o viteza mult mai

mare.

Deplasare si distanta

Distanta parcursă (linia punctata) este măsurată

de-a lungul drumului efectiv.

Deplasarea (linia albastra) ne arata cat de departe

se afla un obiect fata the pozitia initiala, indiferent

cum ajunge acolo ( . ).

Viteza medie

Viteza medie : marime fizica egala cu raportul dintre distanta

parcursa de un corp si intervalul de timp in care se realizeaza

deplasarea.

Vectorul viteza contine informatii legate de directia

deplasarii:

timp

tadismedieviteza

tan

timp

deplasarevectorulvitezavectorul

Viteza momentana

Viteza momentana reprezinta viteza medie in limita in care

intervalul de timp considerat devine foarte mic (infinitezimal).

Graficele prezinta:(a) viteza constanta and

(b) viteza variabila.

Acceleratia

Acceleratia este marimea fizica egala cu viteza de variatie a vitezei.

timp

vitezeiiatiaaaccelerati

var

Acceleratie pozitiva (accelerare)

Acceleratia este o marime fizica vectoriala.

Intr-o miscare unidimensionala difera doar semnul.

Acceleratie negativa (franare)

Acceleratia

Acceleratia momentana reprezinta acceleratia medie in

limita in care intervalul de timp considerat devine foarten

mic (infinitezimal).

Acceleratia momentana

Tipuri de miscari

• Mişcările particulelor pot fi clasificate după forma geometrica a traiectoriilor corpurilor. Astfel pot fi mişcări: – Rectilinii, traiectoria este o linie dreapta.

– Curbilinii, traiectoria este circulara, eliptica, spirala, etc.

• După felul acceleraţiei miscarile se împart in miscari: • Uniforme (a = 0).

• Uniform variate (a = const, ): accelerate sau incetinite.

• Variate (a const, ).

0dt

da

Viteza medie cu care se deplaseaza un obiect intr-un interval de timp este:

Aceleratia constanta este:

Miscarea cu acceleratie constanta

Miscarea circulara uniforma

Miscarea circulara uniforma este miscarea intr-un cerc cu raza constanta si

pentru care viteza momentana este intotdeauna tangenta la cerc.

Pentru ca in miscarea circulara uniforma vectorul viteza

variaza in timp putem vorbi de acceleratie radiala sau

centripeta:

Mişcarea circulara

Mişcarea circulara

• Intervalul de timp T (s) în care mobilul parcurge

lungimea cercului se numeşte perioada mişcării circulare.

• marimea inversa perioadei se numeste frecventa (Hz)si este egala cu numarul de rotatii efectuate in unitatea de timp.

T

1

Mişcarea oscilatorie armonică

• O mişcare se consideră periodică în cazul în care punctul material se reîntoarce mereu în aceeaşi poziţie, avand aceesi directie si acelasi sens, la intervale constante de timp.

• Dacă un punct material se deplasează în timp de o parte şi de alta a unui punct fix, numit punct de echilibru, spunem că avem o mişcare oscilatorie a punctului material.

Mişcarea oscilatorie armonică

• Daca miscarea oscilatorie este descrisa de legi de miscare exprimate cu formula de mai jos atunci mişcarea este oscilatorie armonică.

• Elongaţia (x şi y) şi reprezintă distanţa

punctului fata de pozitia de echilibru.

)sin(sin

)cos(cos

tAAy

tAAx

Oscilatii biologice (de relaxare)

• Oscilatiile biologice sunt deosebite de cele mecanice. Periodicitatea nu este totdeauna riguroasa, iar mecanismul este diferit: exista acumulari pana la un anumit nivel, care o data atins determina o descarcare relativ brusca.

• Ex. Contractia fibrelor musculare:

– La inceput exista o faza mai lunga de acumulare a energiei chimice si de refacere a potentialului de membrana.

– Urmeaza o faza “exploziva” de consum a acestei energii in cursul contractiei cu depolarizarea membranei.

Unde

• Unda reprezinta fenomenul de propagare din aproape in aproape, in timp si spatiu a unei oscilatii.

– Undele elastice sunt generate de o perturbatie mecanica intr-un mediu elastic.

– Undele electromagnetice sunt generate de variatia (oscilatia) campului electromagnetic.

= uT

Unde

• Clasificare:

– Unde transversale: oscilatia este perpendiculara pe directia de propagare.

– Unde longitudinale: oscilatia este realizata de- a lungul directiei de propagare.

Unde longitudinale si transversale elastice

• Undele longitudinale determină modificări periodice ale densităţii mediului pe direcţia pe care se propagă şi se propagă în toate stările de agregare ale materiei.

• Undele transversale determină deformarea mediului şi se propagă numai în solide şi la suprafaţa lichidelor. Aparitia undelelor transversale este posibila doar daca schimbarea formei mediului este urmata de aparitia unor forte elastice de revenire.

Viteza undelor

• Viteza de propagare a oscilatiilor intr-un mediu, numita si viteza de faza este:

• Unde: este lungimea de unda

este frecventa undei

• Experimental s-a stabilit ca viteza este determinata numai de proprietatile mediului si starea sa de agregare.

T

v

Caracteristicile propagarii undelor elastice

• In cazul mediilor solide viteza undelor longitudinale este mai mare decat a undelor transversale. Această deosebire între vitezele de propagare a celor două tipuri de unde este folosită în seismologie pentru determinarea epicentrului cutremurelor.

– Întâi este percepută unda longitudinală, ca o vibraţie (trepidaţie) a podelei şi după câtva timp (zeci de secunde) apare unda transversală ca o vibraţie sau oscilaţie (legănare) orizontală.

Unde acustice

• Sunetul reprezinta o miscare oscilatorie a particulelor unui mediu eleastic care produce o senzatie auditiva.

• Acustica studiaza fenomene produse de vibratiile mecanice si de propagarea lor sub forma de unde elastice. – Urechea omeneasca este un receptor remarcabil, capabil sa analizeze

sunetul perceput, la fel ca un aparat spectral, descompunându-l în spectrul oscilatiilor armonice simple.

Unde acustice

• Urechea omeneasca percepe sunetele cu frecventele cuprinse în intervalul 16Hz – 20kHz.

• Dupa spectrul frecventelor, sunetele se clasifica în :

– zgomote: sunete cu spectrul continuu,

– sunete muzicale: sunete cu spectru discontinuu.

Undele sonore sunt unde longitudinale:

• Oscilatiile mecanice cu frecventa sub 16 Hz se numesc infrasunete,

• Oscilatiile cu frecventa peste 20 kHz se numesc ultrasunete.

– Infrasunetele sunt percepute de pasari si pesti, care „simt” astfel, producerea cutremurelor si apropierea furtunilor.

– Ultrasunetele sunt percepute de catre lilieci. Din cauza lungimii de unda foarte mici, ultrasunetele au o directivitate remarcabila si animalele respective se pot orienta în spatiu si pot percepe deplasarea obiectelor pe care se reflecta ultrasunetele.

• Organismele vii sunt surse de vibratii mecanice si acustice, medii de propagare pentru ele si sisteme de receptionare.

• Ca surse acustice organismele vii produc sunete si zgomote. Gama acestora este larga:

– Bataile inimii

– Zgomotele zborului pasarilor, al insectelor, etc.

Calităţile sunetelor

• Înălţimea sunetelor este determinată de frecvenţa lor, sunetul fiind cu atât mai înalt cu cât frecvenţa lui este mai mare.

– Sunetele ale căror frecvenţe sunt un multiplu întreg al unei frecvenţe ν0 poartă numele de armonice ale acestui sunet.

• Timbrul sunetelor este determinat de numărul, înălţimea şi intensitatea armonicelor care însoţesc sunetul fundamental.

Domeniul de audibilitate • În mod experimental, s-a constatat că sunetele

sunt percepute de urechea omenească dacă au intensităţi ce depăşesc anumite limite, limite ce depind de frecvenţa lor.

• De asemenea tot experimental s-a constatat că sunetele foarte intense a căror intensitate depăşeşte o limită superioară (ce de asemenea depinde de frecvenţa lor) provoacă doar o senzaţie de durere.

Domeniul de audibilitate

• Cele două limite, cea inferioară şi cea superioară reprezintă pregurile de audibilitate delimitând domeniul de audibilitate.

• Limita inferioară reprezintă pragul auditiv inferior şi pentru frecvenţa de 1.000Hz intensitatea are valoarea cea mai mică I0 = 10-12 W/m2.

• Curba superioară reprezintă pragul auditiv superior, sau pragul senzaţiei de durere, şi intensitatea atinge valoarea maximă de Imax = 102 W/m2, la aceeaşi frecvenţă de 103 Hz.

Nivelul intensitatii sonore

• Pentru aprecierea cantitativă a semnalelor sonore nu se foloseşte intensitatea sonoră ci raportul acesteia faţă de pregul auditiv inferior deoarece noi percepem sunetele într-o scară logaritmică. Se defineşte astfel, nivelul intensităţii sonore Ns prin expresia :

0

logI

IkNs

• I0 = 10-12 W/m2, este intensitatea de referinţă,

• I este intensitatea sunetului măsurat.

• k este o constantă ce poate lua valorile 1 sau 10.

– Pentru k=1 nivelul intensităţii sonore se exprimă in beli (B), iar

– pentru k = 10 nivelul intensităţii sonore se exprimă in decibeli (dB).

Nivelul intensitatii sonore

• Notificăm câteva valori ale nivelului intensităţii sonore:

– vorbirea în şoaptă are 20 dB

– conversaţia normală tare are 60 dB

– zgomotul unei străzi aglomerate are 70 dB

– zgomotul produs de o motocicletă are 100 dB

– zgomotul produs de un turboreactor are 120 dB

Nivelul intensitatii sonore

Principiile mecanicii

– Principiul inerţiei (Lex prima)

• Orice punct material îşi păstrează starea de repaus sau de

mişcare rectilinie uniformă atâta timp cât asupra sa nu acţionează alte corpuri care să-i schimbe această stare.

• Proprietatea unui corp de a-si menţine starea de repaus sau de mişcare rectilinie uniformă, în absenţa acţiunilor exterioare, sau de a se opune la orice acţiune exterioară care caută sa-i schimbe starea de mişcare se numeşte inerţie. Principiul inerţiei nu este valabil faţă de orice sistem de referinţă.

• Sistemele de referinţă în care este valabil principiul inerţiei se numesc sisteme de referinţă inerţiale (SRI).

Principiile mecanicii

– Principiul fundamental (Lex secunda) • Acest principiu stabileşte legătura dintre

mărimile dinamice şi cinematice. • Experimental s-a stabilit că acţionând asupra

unui corp cu forţe diferite, corpul respectiv capătă acceleraţii diferite, însă raportul dintre forţă şi acceleraţie este constant pentru corpul dat. Această mărime caracteristică fiecărui corp în parte se numeşte masa corpului m.

Principiile mecanicii

– Principiul fundamental (Lex secunda)

• Ecuatia principiului fundamental se scrie:

• Se numeşte impuls p al punctului material produsul dintre masa şi viteza punctului material. Ecuaţia principiului se poate scrie în funcţie de p:

dt

vdmamF

dt

pd

dt

vmdF

)(

Principiile mecanicii

– Principiul fundamental (Lex secunda)

• Cand actioneaza mai multe forte: amF

Principiile mecanicii

– Principiul acţiunii şi reacţiunii (Lex tertia)

• Fiecărei acţiuni i se opune întotdeauna o reacţiune, egală în modul şi de sens contrar. Forţele de acţiune şi de reacţiune nu se echilibrează una pe alta deoarece sunt aplicate simultan unor corpuri diferite (de-a lungul dreptei care uneşte cele două corpuri).

Principiile mecanicii

– Principiul independenţei acţiunii forţelor

• Un corp sub acţiunea simultană a două forţe

descrie diagonala unui paralelogram având ca laturi aceste forţe, în acelaşi timp în care ar descrie separat fiecare latură sub acţiunea forţei corespunzătoare.