Загадковість будови людського організму
З одного боку, одним з найважливіших розділів фізики є механіка. Вона являє собою фундамент якість, якого визначає стійкість всієї будівлі природних наук. З іншого боку механіка найбільш великий і досить складний розділ курсу фізики. Безліч нових абстрактних понять, визначень, законів, формул, що вимагають обов'язкового засвоєння. В даний час до числа найбільш актуальних складових освіти відноситься вивчення процесів моделювання, в тому числі і тих, які відбуваються в живих організмах. А в курсі фізики, що вивчається в сучасній школі, практично не приділяється увага фізичними параметрами, які характеризують людину. Петровський В.А. вважає, що індивід нейтральний і не виробляє в середовищі ні корисних, ні шкідливих змін, а одне з головних якостей особистості - її активність. Погоджуючись, з висловлювання французького фізика Ф. Жоліо - Кюрі «Вища радість - відкривати і творити» ми зацікавилися вивченням власного організму.
Чи не погрішив Свіфт проти фізики в своїх подорожі Гуллівера велетнів і ліліпутів? Його велетні в 12 разів більше нормальної людини, але за законами фізики людиноподібна істота висотою понад 20 м повинно було мати такий масивний скелет, що ймовірно воно просто зламалося б під його вагою. Збільшення розмірів призвело б до того що, тіло було б роздавлено або зламано тяжкістю власної ваги. Людина величезних розмірів повинен бути товстим і не поворотким закони фізики визначають певний межа розмірами тварин і людини. А чи є суперечності в розмірах ліліпутів? Ліліпути Свіфта зростанням трохи більше 10см навряд чи могли б існувати. Їм доводилося б багато дихати, безперервно харчуватися, весь час перебувати в швидкому русі і при цьому кутатися в теплий одяг, тобто виникла б проблема з теплообміном. Висновок: існуючі розміри людського організму є не тільки оптимальними, але і єдино можливими. Таким чином, можна зробити висновок, що образи героїв Свіфта вигадані і неможливі в реальному світі.
Як же працюють наші кістки? Як і будівельні елементи, вони працюю в основному на стиск - розтягнення і на вигин. Оптимальною конструкцією є кістка з частково відсутньої серцевиною - трубчасті кістки. Розвиток кісткової системи в процесі еволюції призвело до зменшення маси людини приблизно на 25 відсотків при скороченні міцності скелета. Чи достатньо міцні наші кістки? Причиною високої міцності кісток є їх композиційна природа. Саме вона одночасно забезпечує і більшу твердість скелета, і їх еластичність. Кістки скелета по міцності перевершують і граніт, і бетон. Однак, щоб уникнути руйнування тіла, що виникають в ньому механічні напруги не повинні перевищувати межу міцності більше допустимого напруги, це називається запасом міцності. На прикладі людини можна простежити всі види деформації. Деформації стиснення відчувають хребетний стовп, нижні кінцівки і покриви ступень. Деформації розтягування - верхні кінцівки, зв'язки, сухожилля, м'язи. Вигину - хребет, кістки таза; крутіння - шия при повороті голови, тулуб в попереку при повороті, кисті рук при обертанні і т. д. Стегнова, поставлена вертикально, може витримати тиск вантажу в півтори тонни (автомобіль «Волга»). Які б навантаження не прикладалися, кістка ніколи не працює на злам, а тільки на розтягування і стиснення. Чудовою ілюстрацією міцності кісток людини може служити скелет каратиста. Він концентрує свій короткий удар на дуже малій ділянці тіла, не роблячи при цьому довгих махів руками. Тому удар каратиста може зруйнувати тканини і кістки противника, на які він спрямований. Добре тренований каратист може протягом декількох мілісекунд нанести удар в кілька кіловат. Рука каратиста не ламається при ударі навіть об бетонну брусок, який частково пояснюється більшою міцністю кістки в порівнянні з бетоном. Крім того, між кісткою і бруском бетону завжди перебувати еластична тканина, що амортизує удар.
В скелеті тварин і людини все кістки, які мають деяку свободу руху, є важелями. Наприклад, у людини - кістки кінцівок, нижня щелепа, череп, фаланги пальців. Важільні механізми скелета зазвичай розраховані на виграш в швидкості при втрати в силі. Розглянемо умови рівноваги важеля на прикладі черепа. Тут вісь обертання важеля проходить через зчленування черепа з першим хребцем. Спереду від точки опори на відносно короткому плечі діє сила тяжіння голови. позаду - сила тяги м'язів і зв'язок, прикріплених до потиличної кістки. Рука теж є досконалий важіль, точка опори якого знаходиться в ліктьовому суглобі. Діючою силою є сила двоголового м'яза (біцепс), яка прикріплюється до горбку променевої кістки, подоланним опором є вантаж. прикладений до кисті. Під дією сили важіль - рука піднімає вантаж, що знаходиться на долоні. Точка прикладання сили знаходиться на відстані = 3 см (тобто плече сили = 3 см), а плече сили тяжіння = 30 см. Таким чином, щоб утримати вантаж. необхідно зусилля м'язи, в десять разів перевищує величину вантажу. Те, що програємо тут в силі, не має особливого значення, - м'яз має досить великою силою. Зате дуже важливо те, що, програючи в силі, ми виграємо в інших відносинах. Невелике скорочення довжини м'язи дозволяє в даному випадку здійснити значне переміщення долоні з вантажем (ми можемо підняти вантаж навіть до плеча). Крім того, ми виграємо в швидкості переміщення. М'язи не можуть дуже швидко скорочуватися; на щастя, при такому важелі цього не потрібно: швидкість переміщення долоні з вантажем виявляється в 10 раз більша за швидкість скорочення м'яза. Іншими словами, програючи в 10 разів силі, ми в стільки ж разів виграємо в довжині і швидкості переміщення вантажу. Іншим прикладом роботи важеля є дія волі стопи при підйомі на полупальци. Опорою Про важеля, через яку проходить вісь обертання, служать головки плеснових кісток. Преодолеваемая сила - вага всього тіла - прикладена до таранної кістки. Діюча м'язова сила здійснює підйом тіла, передається через ахіллове сухожилля і прикладена до виступу п'яткової кістки. Чому витягнутою рукою не можна утримати такий же вантаж, як зігнутою? Коли рука витягнута, то напрямок дії м'язової сили становить малий кут з поздовжньою віссю обертання важеля. Щоб в цьому випадку утримати вантаж такої ж, як і при зігнутій руці, потрібно значно збільшити м'язову зусилля. При одному і тому ж м'язовому зусиллі витягнутою рукою можна утримати значно менший вантаж, ніж зігнутою.
Одні з найсильніших м'язів у людини ті, що розташовані по обидва боки рота і відповідають за стиск щелеп. Вони здатні розвивати зусилля до 700H! Згідно з дослідженнями у плаче людини задіяні 43 м'язи обличчя, в той час, як у сміється всього 17 таким чином сміятися енергетично вигідно. Якби всі м'язи людини напружувалися, вони б викликали силу тиску, приблизно рівну 250 кН. Будова і форма м'язів залежить від тієї роботи, яку доводиться їм найчастіше виконувати. Сила, що розвивається м'язом, є геометричною сумою цих окремих волокон. Тому, чим товще м'яз, тим вона сильніше - наприклад литковий м'яз. Вона може підняти вантаж масою до 130 кг. В середньому ж м'язи людини на кожен 1 см2 перетину розвивають силу 160 Н. Ця сила може змінюватися, тому що визначається не тільки ЦНС, а й зовнішніми механічними умовами, навантаженням. Якщо ви підняли гирю в кілька кілограмів і тримайте її у висячому положенні, то з точки зору механіки ви зробили роботу тільки при піднятті вантажу, але тримати гирю на вазі не на багато легше, ніж підняти її вгору. Це пояснюється тим, що м'язи приводять в рух руки або ноги, здатні до швидких скорочень, але кожне скорочення триває короткий час. Скорочення м'язи викликається сигналом, що надходять до неї по нервах головного мозку. Якщо тривалий час тримати вантаж на вазі, такі сигнали безперервно один за одним надходять до м'яза. Коли приходить черговий сигнал, м'яз скорочується, але тут же сама по собі розслабляється аж до одержання наступного сигналу. В результаті вантаж, який ви тримаєте, відчуває малі коливання вгору і вниз. Рука тремтить, що особливо помітно, якщо гирю тримати досить довго. Скелетні м'язи не здатні утримувати вантаж в строго певному положенні. При періодичному піднятті вантажу на малі відстані робота буде відбуватися. Тому рука втомлюється, не тільки коли ви піднімаєте вантаж, але і коли тримаєте його у висячому положенні.
Здібності людського організму - унікальні.