CÁC QUÁ TRÌNH CƠ HỌC VÀ CƠ THỂ SỐNG pot

CHUYÊN ĐỀ 1
CÁC QUÁ TRÌNH CƠ HỌC
VÀ CƠ THỂ SỐNG
1.1. CHẤT LỎNG & DÒNG CHẤT LỎNG
1.2. HỆ TUẦN HOÀN
1.3. VẬN CHUYỂN QUA MÀNG TẾ BÀO
1.4. ÂM VÀ SIÊU ÂM TRONG Y HỌC

1.1. CHẤT LỎNG VÀ DÒNG CHẤT LỎNG
1.1.1. Mở đầu:
1.1.2. Áp suất thủy tĩnh:
P = F/S = mg/S = ρVg/S = ρgh

Áp suất thủy tĩnh chỉ phụ thuộc
vào chiều cao cột nước, không
phụ thuộc vào tiết diện bình chứa.
Đơn vị đo (SI): Pascal (Pa)
Trong y học: mmHg (1 mmHg = 133 Pa)

Thí dụ 1.1: Truyền dịch
Treo bình cao bao nhiêu?
h = 24 cm

1.1.3. Nguyên lý Pascal:
Áp suất tác động lên một điểm trong một chất lỏng kín (và
không chịu nén) sẽ được truyền không suy giảm tới mọi điểm
trong chất lỏng và tới thành bình.

Ứng dụng?
Bơm thủy lực:

1.1.4. Sức căng mặt ngoài:

γ = F / 2C (N/m = N.m/m
2
= J/m
2
)
năng lượng trên một đơn vị diện tích mặt ngoài

Ý nghĩa? Vô cùng to lớn!
•
Hình dạng ưa thích của tự nhiên?
Hình cầu
Tại sao?
Aristotles: Đó là dạng hoàn thiện nhất
Tự nhiên ưa thích sự hoàn thiện
→ Đầu người hay trái tim có dạng cầu !

Khoa học hiện đại:
Hình cầu có diện tích mặt ngoài bé nhất cho một khối thể tích
→ Để duy trì nó, chỉ cần một năng lượng tối thiểu (nguyên lí cực tiểu năng lượng)
Hình cầu tinh xảo
nhất do con người
chế tạo (độ dày 40
nguyên tử (trong
thiết bị đo sóng hấp
dẫn)

Sức mạnh tiến hóa:

•
Tại sao người ở xứ lạnh to lớn hơn ở xứ nóng? (Tiến hóa thế nào?)
Câu trả lời: vật lớn có diện tích mặt ngoài trên một đơn vị thể tích nhỏ hơn vật nhỏ
(tỉ lệ diện tích/thể tích ~ R
2
/R
3
= 1/R giảm khi R tăng).
→ người xứ lạnh cần lớn (diện tích mặt ngoài nhỏ) để giữ nhiệt.
→ người xứ nóng cần nhỏ (d/tích m/ngoài lớn) để tỏa nhiệt tốt.

•
Sức căng mặt ngoài và phổi:
23 bậc rẽ nhánh:
600 triệu phế nang, r = 100 μm (hít căng ¾)
D/tích trao đổi khí 75 m
2
(sân tennis) (do cấu trúc fractal)
Tại sao 23 bậc?
(người 22 bậc thiếu không khí; người 24 bậc thiếu ăn)

Nếu các bong bóng kích thước khác nhau?
Các phế nang sẽ xẹp dần để giảm diện tích mặt ngoài (và
do đó giảm năng lượng duy trì bong bóng) → Chất hoạt diện!
Trẻ sinh thiếu tháng phải thở máy vì xẹp phổi do thiếu
chất này.

Fractal - hình học của sự sống
Nguyên lý tổ chức: tự đồng dạng
Đường cong Koch:

Cái vô hạn trong cái hữu hạn?
Chu vi: 3 x 4/3 x 4/3 x… → ∞;
Diện tích: đường tròn ngoại tiếp tam giác ban đầu, tức hữu hạn.
Tổ chức: cực kì đơn giản
Hiệu quả: tối đa (chi phí min, thu được max)

Cấu trúc fractal
Một cấu trúc tính toán Một cấu trúc tự nhiên

Cấu trúc fractal
Mandelbrot (1924-2010)
Tia lửa điện trong khối acrylic cha đẻ của hình học fractal

1.5. Phương trình liên tục. Định luật Bernoulli:
Xét chất lỏng không chịu nén chảy trong ống có thành cứng:
v1S1 = v2S2
Định luật bảo toàn vật chất.

Xét chất lỏng không
có ma sát nội:
Bernoulli (1700-1782):
P
1
+ ρgh
1
+ ρv
1
2
/2 = P

2
+ ρgh
2
+ ρv
2
2
/2
Ống nằm ngang:
P
1
+ ρv
1
2
/2 = P
2
+ ρv
2
2
/2
P áp suất tĩnh (nguồn gốc bên ngoài,
nguyên nhân chuyển động)
ρv
2
/2 áp suất động (hệ quả của chuyển động)
Định luật bảo toàn năng lượng

Máy bay bay như thế nào?
Cánh máy bay được thiết kế để tạo lực nâng khi cất và hạ cánh

1.1.6. Độ nhớt. Định luật Poiseuille:

Xét ống nằm ngang:
Chất lỏng lí tưởng η = 0: P1 = P2
Chất lỏng thực η ≠ 0: P1 > P2

Định luật Poiseuille:
∆
P = P1 - P2 = 8 Q η L / (πR
4
) = Q Rtđ
trong đó:
Q cường độ dòng chảy (m
3
/s)
η hệ số nhớt
R bán kính ống
L khoảng cách giữa hai điểm xét
Rtđ = 8 η L / (πR
4
)
So sánh với dòng điện: Định luật Ohm
ΔV = I Rđt
Rđt = ρL/(πR
2
)
Thí dụ 1.5: Mạch co 26%
→ dòng máu giảm 70% !

1.1.7. Số Reynolds. Chảy tầng và chảy rối:
Một vật cứng chuyển động trong chất lỏng chịu 2 sức cản:
Sức cản quán tính (làm nước thay đổi trạng thái quán tính)

Sức cản ma sát (do độ nhớt)
Tỉ số của chúng gọi là số Reynolds:
Re = ρvL/η
trong đó:
ρ, η: mật độ & độ nhớt chất lỏng
v: vận tốc vật chuyển động
L: độ dài đạc trưng của vật xét


Trong ống dẫn:
Re = ρvD/η (D: đường kính ống)
Thực nghiệm: Re < 2000 chảy tầng
Re > 3000 chảy rối
Re ở giữa tầng và rối ngẫu nhiên
Chảy rối tăng ma sát → cần tránh

1.2. HỆ TUẦN HOÀN:
1.2.1. Mở đầu:
Hệ tuần hoàn: Tim + Mạch máu
Ba chức năng:
vận chuyển
điều hòa (thông tin thể dịch, nhiệt)
bảo vệ (đông máu, miễn dịch)
Vật lý:
hoạt động điện và cơ của tim
qui luật chuyển động của máu trong hệ mạch

1.2.2. Hoạt động của tim:
1.2.2.1. Cấu trúc: