BIOFIZICBIOFIZICĂĂ

CURS 1CURS 1

(NOTIUNI INTRODUCTIVE)(NOTIUNI INTRODUCTIVE)

PLANUL CURSULUIPLANUL CURSULUI

I. I. NotiuniNotiuni introductive de introductive de fizicafizica sisi biofizicabiofizica..

II. II. MarimiMarimi fizicefizice, , unitatiunitati de de masuramasura, , sistemesisteme de de unitatiunitati de de masuramasura..

III. III. VectoriVectori sisi scalariscalari, , operatiioperatii cu cu vectorivectori..

I. I. NotiuniNotiuni introductive de introductive de fizicafizica sisi biofizicabiofizica..FizicaFizica esteeste o o stiintastiinta fundamentalafundamentala care care studiazastudiaza fenomenelefenomenele cece au loc in au loc in universuluniversulnostrunostru..EsteEste o o stiintastiinta bazatabazata pepe obseravtiiobseravtii experimentaleexperimentale sisi masuratorimasuratori cantitativecantitative..ObiectivulObiectivul pricipalpricipal al al abordariiabordarii stiintifcestiintifce in in fizicafizica constaconsta in in dezvoltareadezvoltarea unorunor teoriiteorii bazatebazatepepe anumiteanumite modelemodele sisi legilegi fundamentalefundamentale apteapte sasa prezicaprezica rezultatulrezultatul fenomenelorfenomenelor sausauexperimentelorexperimentelor fizicefizice..FenomeneleFenomenele fizicefizice pot pot fifi explicate cu explicate cu ajutorulajutorul unuiunui numarnumar ((relativrelativ micmic) de ) de legilegifundamentalefundamentale ((legilegi fizicefizice).).

LegileLegile fundamentalefundamentale in in fizicafizica suntsunt formulate in formulate in limbajlimbaj matematicmatematic, , exprimandexprimand legaturalegaturaintreintre anumiteanumite marimimarimi fizicefizice..

EtapeleEtapele in in evolutiaevolutia fiziciifizicii::

FizicaFizica ClasicaClasica ((panapana la 1900)la 1900)MecanicaMecanica ClasicaClasicaTermodinamicaTermodinamicaElectromagnetismulElectromagnetismul

FizicaFizica ModernaModerna ( ( apareapare datoritadatorita imposibilitatiiimposibilitatii de a de a explicaexplica anumiteanumite fenomenefenomenefizicefizice pepe bazabaza teoriilorteoriilor fiziciifizicii clasiceclasice, , sprespre exempluexemplu, , aplicareaaplicarea principiuluiprincipiului

relativitatiirelativitatii din din mecanicamecanica clasica(newtonianaclasica(newtoniana) ) feneomenelorfeneomenelor electromagneticeelectromagnetice))

TeoriaTeoria RelativitatiiRelativitatiiMecanicaMecanica CuanticaCuantica

BiologiaBiologia: : studiazastudiaza viataviata sisi organeleorganele vii.vii.

SistemeleSistemele biologicebiologice suntsunt sistemesisteme materialemateriale capabilecapabile de de autoinnoireautoinnoire, , autoreproducereautoreproducere, , cresterecrestere sisi dezvoltaredezvoltare. .

O structure vie, O structure vie, rezultatrezultat al al selectieiselectiei naturalenaturale, , satisfacesatisfaceurmatoareleurmatoarele conditiileconditiile::

1.1. indeplinesteindeplineste in mod in mod adecvatadecvat functiafunctia pt care a pt care a fostfost creatacreata2.2. consumaconsuma energiaenergia sisi substantasubstanta in in cantitaticantitati minimeminime pt pt

constructiaconstructia, , mentinereamentinerea, , repararearepararea sisi functionareafunctionareaelementelorelementelor sale sale

3.3. isiisi mentinementine primeleprimele douadoua caracteristicicaracteristici in in diferitediferiteconditiiconditii..

BiofizicaBiofizica::

studiazastudiaza fenomenelefenomenele fizicefizice din din sistemelesistemele biologicebiologice cu cu ajutorulajutorulteoriilorteoriilor sisi tehnicilortehnicilor fizicofizico--matematicematematice;;

studiazastudiaza fenomenelefenomenele biologicebiologice din din punctpunct de de vederevedere fizicfizic;;

studiazastudiaza fenomenelefenomenele fizicafizica implicate in implicate in functionareafunctionarea sistemelorsistemelor vii;vii;

esteeste o o şştiintiinţţă care utilizează tehnici ă care utilizează tehnici şşi concepte fizicoi concepte fizico--chimice chimice pentru cercetarea fenomenelor lumii vii.pentru cercetarea fenomenelor lumii vii.

Luând drept criteriu de clasificare nivelul de organizare a mateLuând drept criteriu de clasificare nivelul de organizare a materiei vii,riei vii,ramurile principale ale biofizicii sunt următoareleramurile principale ale biofizicii sunt următoarele::

Biofizica electronică Biofizica electronică (cuanti(cuanticăcă))

Biofizica molecularăBiofizica moleculară

Biofizica celulară Biofizica celulară

Biofizica sistemelor complexeBiofizica sistemelor complexe

Biofizica foloseBiofizica foloseşşte aproape toate domeniile clasice te aproape toate domeniile clasice şşi i moderne ale fiziciimoderne ale fizicii..

Biomecanica Biomecanica →→ diferitele tipuri de locomodiferitele tipuri de locomoţţie animală până ie animală până la motilitatea celularăla motilitatea celulară

Bioelectricitatea Bioelectricitatea →→ ansamblul fenomenelor electrice din ansamblul fenomenelor electrice din lumea vie, la nivel celular, tisular lumea vie, la nivel celular, tisular şşi de organi de organ

Biotermodinamica Biotermodinamica şşi bioenergetica i bioenergetica →→ generarea, stocarea, generarea, stocarea, conversia energiei la nivel celular conversia energiei la nivel celular şşi problemele energetice i problemele energetice ale sistemelor biologice la nivel supraindividualale sistemelor biologice la nivel supraindividual

Biocibernetica Biocibernetica →→ mecanismele reglării mecanismele reglării şşi transmiterii de i transmiterii de informainformaţţii ii îîn sistemele biologicen sistemele biologice

Radiobiologia Radiobiologia →→ fenomenele ce au loc la interacfenomenele ce au loc la interacţţiunea iunea radiaradiaţţiei cu materia vie iei cu materia vie

Fenomenele fizice stau la baza funcFenomenele fizice stau la baza funcţţionării mecanismelor ionării mecanismelor biologicebiologice!!!!!!

OrganizareaOrganizarea CursuluiCursului de de BiofizicaBiofizica MedicalaMedicala1.1. FenomeneFenomene termicetermice, , notiuninotiuni de de termodinamicatermodinamica biologicabiologica..2.2. StareaStarea lichidalichida, , fenomenefenomene superficialesuperficiale sisi capilarecapilare..3.3. TransformariTransformari de de fazafaza..4.4. ProprietatileProprietatile coligativecoligative ale ale solutiilorsolutiilor..5.5. MecanicaMecanica fluidelorfluidelor..6.6. FenomeneFenomene molecularemoleculare de transport.de transport.7.7. Membrane Membrane biologicebiologice, , transportultransportul prinprin membrane membrane biologicebiologice..8.8. NotiuniNotiuni de de electricitateelectricitate sisi magnetism. magnetism. FenomeneFenomene bioelectricebioelectrice..9.9. StructuraStructura sisi proprietatileproprietatile atomuluiatomului..

-- RadiatiiRadiatii X. X. -- RadiatiaRadiatia laser.laser.-- AplicatiiAplicatii medicalemedicale..

10. 10. StructuraStructura sisi proprietatileproprietatile fizicefizice ale ale apeiapei. . RolulRolul apeiapei in in sistemelesistemele biologicebiologice..11. 11. RadiatiiRadiatii electromagneticeelectromagnetice. . InteractiuneaInteractiunea radiatiilorradiatiilor electromagneticeelectromagnetice cu cu

substantasubstanta..12. 12. FizicaFizica nucleuluinucleului, , radiatiiradiatii nuclearenucleare. . AplicatiiAplicatii medicalemedicale..13. 13. NotiuniNotiuni de de imagisticaimagistica medicalamedicala..

BibliografieBibliografie::1.1. D. D. EniuEniu,, NoNoţţiuni de biofizicăiuni de biofizică, E, Editura Medicală Universitară ditura Medicală Universitară „„Iuliu HaIuliu Haţţieganuieganu””, ,

ClujCluj--Napoca, 2006.Napoca, 2006.

2.2. P. P. DavidovitsDavidovits, , Physics in Biology and MedicinePhysics in Biology and Medicine, Third Edition, Academic , Third Edition, Academic Press, Elsevier, 2008.Press, Elsevier, 2008.

3.3. I. P. Herman, I. P. Herman, Physics of the Human BodyPhysics of the Human Body, Springer, Springer--VerlagVerlag Berlin Heidelberg, Berlin Heidelberg, 2007.2007.

4.4. V. V. VasilescuVasilescu, , BiofizicaBiofizica MedicalaMedicala, E.D.P., , E.D.P., BucurestiBucuresti, 1977. , 1977.

5.5. R. Stefan, R. Stefan, IntroducereIntroducere in in BiofizicaBiofizica, Casa , Casa CartiiCartii de de StiintaStiinta, , ClujCluj--NapocaNapoca, 2007., 2007.

6.6. Daniela Daniela CiorbaCiorba, , BiofizicaBiofizica MediuluiMediului, , EdituraEditura EFES, EFES, ClujCluj--NapocaNapoca, 2008., 2008.

7.7. P. W. Atkins, P. W. Atkins, TratatTratat de de ChimieChimie FizicaFizica, , EdituraEditura TehnicaTehnica, , BucurestiBucuresti, 1996., 1996.

8.8. R. A. R. A. SerwaySerway, , Physics for Scientist and EngineersPhysics for Scientist and Engineers, Saunders College , Saunders College Publishing, 1992.Publishing, 1992.

9.9. D. Williams, J. Spangler, D. Williams, J. Spangler, Physics for Science and EngineeringPhysics for Science and Engineering, D. Van , D. Van NostrandNostrand Company, 1992.Company, 1992.

10.10. F. W. Sears, M. W. F. W. Sears, M. W. ZemanskyZemansky, H. D. Young, , H. D. Young, FizicaFizica, E.D.P., , E.D.P., BucurestiBucuresti, 1983., 1983.

11.11. I. V. I. V. SavelyevSavelyev, , PhysicsPhysics, MIR Publisher, Moscow, 1980., MIR Publisher, Moscow, 1980.

REGULI DE FRECVENREGULI DE FRECVENŢŢĂ Ă ŞŞI EXAMINAREI EXAMINARE(conform Regulamentului de organizare şi desfăşurare a activităţii didactice)

Numărul maxim de absenNumărul maxim de absenţţe la laborator e la laborator îîn timpul unui semestru este de 3 (pentru situan timpul unui semestru este de 3 (pentru situaţţiile speciale iile speciale şşi i medicale se solicită analiza Biroului de Consiliumedicale se solicită analiza Biroului de Consiliu).).

Toate cele 3 absenToate cele 3 absenţţe trebuie recuperate e trebuie recuperate îîn timpul semestrului sau n timpul semestrului sau îîn sesiunile de examen de iarnă n sesiunile de examen de iarnă şşi i de vară de vară (sunt (sunt excluse recuperări excluse recuperări îîn sesiunile de toamnăn sesiunile de toamnă).).

Se vor organiza Se vor organiza şşedinedinţţe de recuperări speciale e de recuperări speciale îîn ultimele 2n ultimele 2 săptămâni ale semestrului săptămâni ale semestrului, , îînaintea naintea examenului practic examenului practic şşi i îîn sesiuni n sesiuni îînaintea examenului teoretic. Data naintea examenului teoretic. Data şşi ora acestor i ora acestor şşedinedinţţe de e de recuperări vor fi anunrecuperări vor fi anunţţate prin afiate prin afişşare cu 2 are cu 2 săptămâni săptămâni îînainte de efectuarea lor. nainte de efectuarea lor.

Este permisă de Este permisă de 2 ori pe semestru recuperarea 2 ori pe semestru recuperarea îîn aceean aceeaşşi săptămână dar cu alte grupe a i săptămână dar cu alte grupe a 2 absen2 absenţţe, e, cu acordul prealabil al cadrelor didactice aferente grupei obicu acordul prealabil al cadrelor didactice aferente grupei obişşnuite nuite şşi grupei cu care se face i grupei cu care se face recuperarea.recuperarea.

Toate recuperările care se fac vor fi plătite conform regulamentToate recuperările care se fac vor fi plătite conform regulamentelor in vigoare. elor in vigoare.

Fără toate absenFără toate absenţţele recuperate nu este permisă participarea la examenul practicele recuperate nu este permisă participarea la examenul practic..

Studentul are dreptul de a se prezenta la examenul practic de ceStudentul are dreptul de a se prezenta la examenul practic de cel mult 3 ori pe parcursul unui an l mult 3 ori pe parcursul unui an universitar. universitar.

Participarea la examenul teoretic este condiParticiparea la examenul teoretic este condiţţionată de promovarea examenului practicionată de promovarea examenului practic..

Studentul are dreptul de a se prezenta la examenul teoretic de cStudentul are dreptul de a se prezenta la examenul teoretic de cel mult 3 ori pe parcursul unui an el mult 3 ori pe parcursul unui an universitar: universitar: îîn sesiunile ordinare n sesiunile ordinare –– iarnă iarnă şşi vară i vară şşi sesiunile de reexaminare i sesiunile de reexaminare –– toamnă toamnă 1 1 şşi toamnă i toamnă 2.2.

Studentul are dreptul de a se prezenta o singură datăStudentul are dreptul de a se prezenta o singură dată/sesiune /sesiune la examenul teoretic de Biofizică la examenul teoretic de Biofizică MedicalăMedicală..

Pentru sesiunile de vară Pentru sesiunile de vară şşi de iarnă se va stabili o singură dată de examinarei de iarnă se va stabili o singură dată de examinare/serie/sesiune. /serie/sesiune.

Pentru sesiunile toamnă Pentru sesiunile toamnă 1 1 şşi toamnă i toamnă 2 se vor stabili 2 date de examinare/an/sesiune.2 se vor stabili 2 date de examinare/an/sesiune.

II. MARIMI FIZICE, SISTEMUL INTERNATIONAL DE UNITATI DE MASURAII. MARIMI FIZICE, SISTEMUL INTERNATIONAL DE UNITATI DE MASURA

MarimileMarimile fizicefizice suntsunt proprietatiproprietati fizicefizice fundamentalefundamentale sisi masurabilemasurabile care care descriudescriu stareastareaunuiunui sistemsistem fizicfizic..

MarimiMarimi fizicefizice::

1) 1) fundamentalefundamentale ( ex. in ( ex. in mecanicamecanica treitrei marimimarimi fizicefizice suntsunt considerate ca considerate ca sisi marimimarimi

fundamentalefundamentale: : lungimealungimea ((distantadistanta) (L), ) (L), masamasa (M) (M) sisi timpultimpul (T)),(T)),

2) derivate (2) derivate (marimimarimi fizicefizice care pot care pot fifi exprimateexprimate cu cu ajutorulajutorul marimilormarimilor fizicefizicefundamentalefundamentale).).

MasurareaMasurarea uneiunei marimimarimi fizicefizice constaconsta in in comparareacompararea acesteiaacesteia cu o cu o marimemarime de de aceeasiaceeasi

naturanatura numitanumita marimemarime etalonetalon..

unitateaunitatea de de masuramasura==marimeamarimea fizicafizica etalonetalon

unitatiunitati de de masuramasura fundamentalefundamentale==unitatiunitati de de masuramasura a a marimilormarimilor fundamentalefundamentale

unitatiunitati de de masuramasura derivate=derivate=unitatiunitati de de masuramasura a a marimilormarimilor fizicefizice derivatederivate

Un Un sistemsistem de de unitatiunitati de de masuramasura esteeste un un ansambluansamblu de de unitatiunitati de de masuramasura((fundamentalefundamentale sisi derivate)derivate)

SistemulSistemul International de International de UnitatiUnitati de de MasuraMasura (SI) a (SI) a fostfost stabilitstabilit in in anulanul 1960 1960 sisireprezintareprezinta o o adaptareadaptare a a sistemuluisistemului metric.metric.

SistemulSistemul international de international de unitatiunitati de de masuramasura include include saptesapte unitatiunitati fundamentalefundamentale((metrulmetrul, , kilogramulkilogramul, , secundasecunda, , amperulamperul, , kelvinulkelvinul, , molulmolul sisi candela) candela) sisi un un numarnumar nelimitatnelimitatde de unitatiunitati derivate. derivate.

•• MetrulMetrul (m) (m) esteeste lungimealungimea egalaegala cu 1650763.73 cu 1650763.73 lungimilungimi de de undaunda in in vidvid a a radiatieiradiatieicare care corespundecorespunde tranzitieitranzitiei intreintre nivelelenivelele 2p2p1010 sisi 2d2d55 ale ale atomuluiatomului de de kriptonkripton 86.86.

•• KilogramulKilogramul (kg) (kg) esteeste masamasa ""kilogramuluikilogramului prototipprototip international", international", adoptatadoptat ca ca unitateunitate de de masuramasura a a maseimasei de de catrecatre ConferintaConferinta GeneralaGenerala de de MasuriMasuri sisi GreutatiGreutati din din 1889.1889.

•• SecundaSecunda ((s)estes)este duratadurata a 9192631770 a 9192631770 perioadeperioade a a radiatieiradiatiei corespunzatoarecorespunzatoaretranzitieitranzitiei intreintre celecele douadoua nivelenivele hiperfinehiperfine ale ale stariistarii fundamentalefundamentale a a atomuluiatomului de de cesiucesiu 113.113.

•• AmperulAmperul (A) (A) esteeste intensitateaintensitatea unuiunui curentcurent electric constant, care electric constant, care mentinutmentinut in in douadoua conductoareconductoare paraleleparalele, , rectiliniirectilinii, de , de lungimelungime infinitainfinita sisi sectiunesectiune neglijabilaneglijabila, , asezateasezate in in vidvid, la o , la o distantadistanta de 1 m de 1 m unulunul de de celalaltcelalalt, , arar produce produce intreintre acesteaacestea, , pepe o o lungimelungime de 1 de 1 metrumetru, o , o fortaforta egalaegala cu 2cu 2••1010--77 newtoninewtoni..

•• Kelvin (K) Kelvin (K) esteeste fractiuneafractiunea 1/273,16 din 1/273,16 din temperaturatemperatura termodinamicatermodinamica a a punctuluipunctuluitriplutriplu al al apeiapei..

•• Candela (Candela (cdcd) ) esteeste intensitateaintensitatea luminoasaluminoasa, , intrintr--oo directiedirectie data, a data, a uneiunei sursesurse care care emiteemite o o radiatieradiatie monocromaticamonocromatica cu cu frecventafrecventa de 540de 540••1012 1012 hertzihertzi sisi a a careicareiintensitateintensitate energeticaenergetica in in aceastaaceasta directiedirectie esteeste de 1/683 de 1/683 wati/sterradianwati/sterradian..

ClasificareClasificare marimilormarimilor fizicefizice::

1.1. MarimiMarimi fizicefizice scalarescalare ((caracterizatecaracterizate doardoar printrprintr--oovaloarevaloare numericanumerica ((modulmodul)) )) sisi vectorialevectoriale ((caracterizatecaracterizateprinprin modulmodul, , directiedirectie sisi senssens).).

2.2. MarimiMarimi fizicefizice intensive (intensive (nunu depinddepind de de dimensiuniledimensiunilesistemuluisistemului) ) sisi extensive (extensive (depinddepind de de dimensiuniledimensiunilesistemuluisistemului).).

OrdinulOrdinul de de marimemarime al al uneiunei marimimarimi fizicefizice: : putereaputerea luilui 10 care 10 care aproximeazaaproximeaza celcel maimai binebine valoareavaloarea aceleiacelei marimimarimi fizicefizice..

III. III. VectoriVectori sisi scalariscalari, , operatiioperatii cu cu vectorivectori..Mărimile fizice scalare Mărimile fizice scalare →→ se caracterizează prin se caracterizează prin::

valoare numericăvaloare numerică;;

unitate de măsurăunitate de măsură;;

de exemplu: temperatura, lungimea, masa etc.de exemplu: temperatura, lungimea, masa etc.

Mărimile fizice vectoriale Mărimile fizice vectoriale →→ se caracterizează prin se caracterizează prin: :

valoare numericăvaloare numerică;;

unitate de măsurăunitate de măsură;;

punct de aplicapunct de aplicaţţieie;;

orientare (direcorientare (direcţţie ie şşi sens)i sens)..

OperaOperaţţii cu vectoriii cu vectori

Un vector se reprezintă Un vector se reprezintă cu cu ajutorulajutorul unuiunui segment de segment de dreaptadreapta orientatorientat..

originea (punctul de aplicaoriginea (punctul de aplicaţţie) tie) trebuie să coincidă cu obiectul de rebuie să coincidă cu obiectul de studiat, studiat,

direcdirecţţia ia şşi sensul sunt indicate de direci sensul sunt indicate de direcţţia ia şşi sensul săgei sensul săgeţţiiii

→

A

Fig. 1 Fig. 1 Componentele Componentele unuunuii vector, vector, cazulcazul bi bi sisi tridimensionaltridimensional. .

→

A→

j→

i→

k= ·Ax + ·Ay + ·Az,

1. 1. Adunarea Adunarea vectorialavectoriala::

regula paralelogramuluiregula triunghiului.

Fig. 2 Fig. 2 Compunerea a doi vectori prin regula paralelogramuluiCompunerea a doi vectori prin regula paralelogramului sisirespectivrespectiv, , regularegula triunghiuluitriunghiului

2. 2. DiferenDiferenţţa a doi vectori a a doi vectori

Fig. 3 Fig. 3 Scăderea vectorilorScăderea vectorilor

3. 3. Produsul a doi vectori:Produsul a doi vectori:Scalar (Scalar (mărime scalară egală cu produsul modulelor mărime scalară egală cu produsul modulelor

vectorilor vectorilor şşi al cosinusul unghiului dintre ei) i al cosinusul unghiului dintre ei) c=c=||A|A|··|B||B|··sinsinαα (1)(1)

Vectorial (un vector orientat perpendicular pe planul format Vectorial (un vector orientat perpendicular pe planul format de cei doi vectori, de cei doi vectori, îîn sensul rotirii burghiului drept care se n sensul rotirii burghiului drept care se roteroteşşte astfel te astfel îîncât aduce primul vector al produsului peste ncât aduce primul vector al produsului peste cel decel de--al doilea, pe drumul cel mai scurt)al doilea, pe drumul cel mai scurt)

→

C→

A→

Bx =

Fig. 4 Fig. 4 ProdusulProdusul vectorialvectorial a a doidoi vectorivectori

|C| = |A| · |B| · sinαα