Physik für Mediziner und Zahmediziner

1. Physik für Mediziner und Zahmediziner Vorlesung 02 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 1

2. Zusammenfassung: Drehmoment und Hebelgesetz Drehmoment Im Gleichgewicht ist die Summe der angeifenden Drehmomente gleich Null: Kraft x Kraftarm = Last x Lastarm Gewichtskraft Einheiten: Kraft ...NDrehmoment... Nm Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 2

3. ...was Sie können müssen a vektorielle Kraftzerlegung Analyse und Berechnung einfacher Hebelanordnungen Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 3

4. Schwerpunkt Problemstellung: Welche Kraft muss der Bizeps aufbringen, um den Unterarm waagerecht zu halten? (die Masse des Unterarms beträgt etwa 2% des Körpergewichtes) Lösung: suche den Schwerpunkt des Unterarms und vereinige die Masse des Unterarms dort r2 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 4

5. Schwerpunkt Prof. F. Wörgötter (nach M.Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 5

6. Schwerpunkt... m3 m1 M m4 m2 Definition: Ortsvektor des Schwerpunktes Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 6

7. Aufgabe: ...der Fuß Die Gewichtskraft des Körpers lastet auf dem Punkt B, der Angriffspunkt der Achillessehne ist der Punkt A, die Drehachse der Punkt P. Berechnen Sie für ein Körpergewicht von 700N- die Masse des Körpers- die Kraft, die der Wadenmuskel aufbringen muss um den Körper um Punkt P zu heben.a= 5cm, b= 15cm Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 7

8. Aufgabe: ...der Trizeps Wie groß ist die Trizepskraft, die die Masse im Gleichgewicht hält? Beachten Sie, dass Unterarm und Hand eine Gesamtmasse von 2kg besitzen und ihr gemeinsamer Schwerpunkt 15cm von der Drehachse entfernt liegt. Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 8

9. Schwerpunkt 5 0 5 m1=1kg m1 +m2=2kg m3=2kg m2=1kg Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 9

10. Schwerpunkt 5 0 5 m=4kg m1=1kg m1 +m2=2kg m3=2kg m2=1kg Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 10

11. ...aus dem Physikum m=? m=1kg Eine 1m lange und 1kg schwere homogene Stange wird in der skizzierten Weise (s. Abbildung) unterstützt. Welche Masse m ist rechts erforderlich, um Gleichgewicht herzustellen ? • 0 kg • 1.0kg • 2.0kg • 3.0kg • 4.0kg 0.75m 0.25m Was heißt eigentlich „Gleichgewicht“ ? Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 11

12. Gleichgewicht(Uhrglasexperiment) Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 12

13. Klassifizierung von Gleichgewichten Gleichgewicht (bzgl. Rotation) ist erreicht, wenn das Gesamtdrehmoment verschwindet. Gleichgewichte können • stabil • labil • indifferent sein. Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 13

14. Gleichgewichte: stabil und labil Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 14

15. Gleichgewichte: stabil, labil, indifferentzentrische Aufhängung Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 15

16. ...der menschliche Körper: Gleichgewichte Schwerpunkt des Körpers ist abhängig von der Haltung  Teilkörperschwerpunkte Gelenke Konstruktion des Körperschwerpunktes aus Teilkörperschwerpunkten und Massenanteilen Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 16

17. ...der menschliche Körper: Gleichgewichte Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 17

18. Teilkörperschwerpunkte: Übung 50 38 12 = ? Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 18

19. Teilkörperschwerpunkte: Übung(freies Zusammensetzen in PowerPoint) Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 19

20. ...die 2€-Münze Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 20

21. labil: wegtreibendes Drehmoment T=0 T=0 M Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 21

22. labil: wegtreibendes Drehmoment T=0 T=0 M Angriffspunkt der Kraft Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 22

23. stabil: rücktreibendes Drehmoment T=0 M T=0 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 23

24. stabil: rücktreibendes Drehmoment T=0 M T=0 Angriffspunkt der Kraft Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 24

25. Teilkörperschwerpunkte Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 25

26. Gleichgewichte: stabil, labil, indifferentexzentrische Aufhängung Weshalb kriegt man die Münze nicht? Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 26

27. indifferent: verschwindendes Drehmoment T=0 T=0 T=0 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 27

28. Gleichgewicht: labil und stabilErklärung über den Massenschwerpunkt F Massenschwerpunkt Resultierende Kraft Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 28

29. Gleichgewicht: labil und stabil Erklärung über das Drehmoment Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 29

30. Gleichgewicht: labil und stabil r2 r2 T=0 T=0 T1>T2 T1>T2 r1 r1 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 30

31. Gleichgewicht: labil und stabil r2 r2 T=0 T=0 T1>T2 T1>T2 r1 r1 Formulieren Sie die Drehmomente quantitativ in Abhängigkeit vom Rotationswinkel. Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 31

32. Zusammenfassung: Gleichgewichte Im Gleichgewicht ist die Summe der angeifenden Drehmomente gleich Null: stabil: rücktreibendes Drehmoment labil: wegtreibendes Drehmoment indifferent: verschwindendes Drehmoment (unabhängig von der Hebelstellung) ...wir werden auf Gleichgewichte in Zusammenhang mit dem Begriff der Energie zurückkommen Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 32

33. Energie »Leben ist untrennbar mit der Zufuhr von Energie verbunden. Im Stoffwechsel wird die chemische Energie aus Nahrungsstoffen oder Körperdepots zur Erzeugung von Konzentrationsgradienten (vor allem für Ionen) und für Synthesearbeit genutzt, beides Voraussetzung dafür, dass auch mechanische Arbeit innerhalb und außerhalb des Körpers geleistet werden kann. Bei diesen Energieumwandlungen entsteht in jedem Fall auch Wärme« aus: Klinke/Silbernagel, Lehrbuch der Physiologie Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 33

34. Energie Energie:Was ist das? chemische Energie:Der Körper besitzt ‚chemische Energie‘? mechanische Arbeit: Was haben Arbeit und Energie miteinander zu tun ? Energieumwandlungen: Man kann Energie umwandeln(?) Wärme: Ist Wärme eine besondere Energie? Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 34

35. Arbeit und Energie mechanische Arbeit: Was haben Arbeit und Energie miteinander zu tun ? Definition der Energie:Energie ist die Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten. Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 35

36. Arbeit: vorläufige Definition Definition der Arbeit (vorläufig):Wird auf einen Körper längs des Weges seine Kraft F ausgeübt, so wird die Arbeit W=F·s verrichtet. Ihre Einheit ist: J=Nm J: JouleNm: Newtonmeter Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 36

37. infant respiratory distress syndrom, IRDS Etwas zum Thema „molekulare Arbeit“…… Atemnotsyndrom des Frühgeborenen ?? Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 37

38. ...spezifische Oberflächenenergie (Oberflächenspannung) Wieso schwimmt die Büroklammer ? Warum sind Tropfen kugelig? Weshalb kann der Wasserläufer auf dem Wasser laufen? Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 38

39. ...spezifische Oberflächenenergie (Oberflächenspannung) Zwischen Teilchen haben wir anziehende (und abstoßende) Kräfte. Aus diesen Kräften resultieren Bindungen zu Nachbarn. Teilchenbewegung erfordert trennen der Bindungen (und Neubildung). Die Energie zur Trennung der Bindung ist Wärmeenergie. Sie wird bei der Bindung zu den neuen Nachbarn wieder freigesetzt. Der Prozess der Bewegung ist also energetisch neutral. In der Flüssigkeit haben wir gleiche WW in allen Raumrichtungen. An der Oberfläche nicht. Im GGW ist der Austausch von Teilchen auch hier energetisch neutral. Fangen wir aber mit eine großen Oberfläche an, so „wollen“ die Teilchen nach innen! Warum? Wenn sich ein Teilchen zufällig nach innen bewegt, dann wird Energie frei, da das Teilchen an der Oberfläche weniger Bindungsnachbarn hatte als in der Lösung. Bindung (zu mehr Nachbarn im Innern) ist Energiefreisetzung (siehe „fett“ oben). Diese Freisetzung ist der Antrieb zur Verkleinerung der Oberfläche (bis zur Kugelform!). Zur Vergrößerung der Oberfläche muss Energie aufgebracht werden. Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 39

40. Quecksilbertropfen Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 40

41. Oberflächenverhältnis A1 A1 V1 V1 A2 = < 1 A2 2A1 V2=2V1 3 2 4 4 Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 41

42. ...spezifische Oberflächenenergie Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 42

43. ...spezifische Oberflächenenergie ...spezifische Oberflächenenergie (Oberflächenspannung) F s F b Arbeit: W=Fs Arbeit/Fläche: Wir haben hier 2 Flächen zu berücksichtigen! Oberflächenenergie: Energie pro Fläche Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 43

44. ...spezifische Oberflächenenergie… etwas genauer W W A A • spez. Oberflächenenergie unabhängig von der Fläche lineare Abhängigkeit • spez. Oberflächenenergie abhängig von der Fläche nicht-lineare Abhängigkeit σ=σ(W) lokale Steigung der W-A-Kurve Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 44

45. Alveolen...oder die kommunizierenden Seifenblasen Weshalb fressen die Großen die Kleinen ? Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 45

46. Binnendruck Hohlblasen: Herleitung Oberflächenänderung bei Radiusänderung: Damit ist die Flächenzunahme: Innen&Außenfläche: Die Oberflächenenergie war: einsetzen umstellen A Volumenarbeit Wir brauchen noch eine Energieform: V Laplace-Gesetz V } } dV A Im GGW gilt: Einsetzen und nach p umstellen Kugeloberfläche: Ableitung! Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 46

47. Binnendruck kleiner Tropfen Tropfen besitzen aufgrund der Oberflächenenergie einen mit abnehmendem Radius Rzunehmenden Binnendruck Dp: Laplace-Gesetz für Tropfen Bemerkung: bei Hohlblasen ist: Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 47

48. Ballonaufblasen: Warum fressen…. Nötige Druck- änderung groß Nötige Druck- änderung klein

49. infant respiratory distress syndrom, IRDS „...Die Oberflächenspannung in den Alveolen wird durch Surfactant vermindert“(*) „Störungen der Surfactantbildung führen zur Vergrößerung der Retraktionskraft der Lunge, ... was zum Atemnotsyndrom des Frühgeborenen führt.“(*) (*) Klinke/Silbernagel: Lehrbuch der Physiologie Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 49

50. Surfactant: Struktur Gas Flüssigkeit Surfactant ist ein englisches Kunstwort (surface active agent) und bedeutet „grenzflächenaktive Substanz“. Die englische Bezeichnung hat sich im Deutschen für eine spezielle, bedeutsame oberflächenaktive Substanz in der Lunge durchgesetzt. Von spezialisierten Lungenzellen (Pneumozyten Typ II) werden Phospholipide und Proteine im Verhältnis 10:1 gebildet. Die 90 % Lipide bestehen etwa zur Hälfte aus Dipalmitoylphosphatidylcholin. Phospholipide wirken hier ähnlich wie Seife, indem sie die Oberflächenspannung in den Lungenbläschen um etwa 83 % herabsetzen. Die Surfactant-Proteine (SP) sind biophysisch (SP-B und SP-C), aber auch immunologisch (SP-A und SP-D) und regulatorisch (negativer Feedback durch SP-A) überlebenswichtig. Prof. F. Wörgötter (nach M. Seibt) -- Physik für Mediziner und Zahnmediziner 50