Тело человека в основном подчинено тем же законам физики, которые властвуют и над неорганической природой. Законы физики в приложении к человеку изучает медицинская физика. Наука, не всеми еще признанная, но наука с блестящим будущим. В том, что законы физики играют значительную роль по отношению к человеческому телу, в этом не приходится сомневаться. Но отсюда вовсе не следует, что человеческое тело представляет собой такой же механизм, с каким мы имеем дело в технике. Человеческое тело никак нельзя рассматривать как простую механическую систему, а человека — как «думающую машину». Не нужно забывать и весь организм в целом, его особенности, присущие только живому существу. Энгельс в своей книге «Диалектика природы» пишет: «организм есть, разумеется, высшее единство, связывающее в себе в одно целое механику, физику и химию». И дальше про науку о жизни Энгельс говорит: «Физиология есть физика и в особенности химия живого тела, но вместе с тем она перестает быть специальной химией; с одной стороны, сфера ее действия здесь ограничивается, но с другой, она поднимается на высшую ступень».
Обычно курс физики начинают с механики и общих свойств тел. Какое отношение имеют эти отделы к телу человека? Различные технические сооружения дают поразительное сходство с формой наших костей. При внимательном рассмотрении костей в них можно найти много того, с чем мы привыкли встречаться в технике.
*
Строители учились у живой природы, как нужно строить. Вспомните, как многие технические сооружения по форме напоминают кости нашего скелета. Например, подъемный кран имеет форму нашей бедренной кости. Купол, свод какого-либо здания напоминают купол черепа, свод тазовых костей.
Наши кости на протяжении многих тысяч лет и сотен поколений расположились почти идеально по законам статической механики, как-будто их строил хороший инженер, строитель мостов.
 |
| Наши кости на протяжении многих тысяч лет и сотен поколений расположились почти идеально по законам статической механики, как будто их строил хороший инженер, строитель мостов. Кости таза, например, напоминают свод, они поддерживают туловище. |
Кости связаны между собой. Эта связь существует при помощи шва; например, так соединяются кости черепа. Соединение зубов с десной напоминает нам клин, вот почему больные зубы вытаскивают щипцами. Нечто подобное шаровому шарниру мы находим в соединении плеча, тазобедренного сустава. Точно так же соединены пальцы, голова с позвоночником и т. д.
Цилиндрическим шарниром (блоком) называется такое соединение, при котором соединенные части могут вращаться только в одной плоскости. Такое соединение мы находим и в человеческом теле, например локтевой и коленный суставы.
Концы костей, соприкасающихся в суставах, соединены друг с другом сухожилиями и окружены суставной капсулой. Но не нужно думать, что только сухожилия держат кости. Для доказательства этого можно проделать следующий опыт: перерезать все мышцы, сухожилия, соединяющие ногу с тазобедренным суставом, и нога все же останется висеть. Оказывается, головка бедренной кости прижата внешним атмосферным давлением, потому что внутри сустава существует разреженная атмосфера. Воздушное давление заставляет прилипать влажные хрящевые поверхности костей друг к другу.
Движение в суставах совершается через целую систему рычагов. Известно, что посредством рычага производится выигрыш в силе и потеря в пути или наоборот.
Простым примером рычага первого рода может служить долото, которым мы хотим открыть прибитую крышку ящика. Подсунув конец долота под крышку (здесь будет точка опоры), мы давим рукой на длинную рукоятку долота (тогда, как говорят, здесь будет точка приложения силы). Если мы просто рукой стали бы открывать забитую крышку ящика, то у нас ничего бы не вышло, у нас не хватило бы силы, а применяя долото как рычаг первого рода мы выигрываем в силе. В человеческом теле много частей, напоминающих рычаг первого рода; например, так совершается движение головы. Полуостистые мышцы, прикрепляющиеся к затылочной кости, тянут затылок вниз, лицо и вся тыльная передняя часть черепа в это время лежит за точкой опоры (позвоночник) и поднимается вверх.
Если поднимать наше долото за ручку кверху, то получим рычаг второго рода. Нечто подобное можно найти в нашей стопе.
В живом организме почти все рычаги костей построены именно по принципу — когда теряется сила, то получается выигрыш в скорости или размахе. Правда, например, жевательная мышца бульдога закрывает челюсть медленно, но зато он держит свои челюсти очень крепко.
 |
| 1. Шаровой сустав, - так соединяется плечевая кость, основания пальцев, тазобедренные суставы. 2. Эллипсовидный сустав - сочленения кисти 3. Седлообразный сустав - позвоночник, большой палец. 4. Шарнирный сустав - пальцы. 5. Вращательный сустав - предплечье, череп. |
 |
| 6,7,8,9. Плоские соединения - кости носа, таза, стопы, позвоночника. 10. Клин - соединение зубов. 11. Шов - соединение костей черепа. Так соединяются между собой кости человека. Примеры подобного же соединения мы находим и в технике, в различных движущихся относительно друг друга деталях механизмов, машин, станков. |
*
Английский физик Гук вывел закон, по которому под действием силы происходит изменение формы тела (деформация). Деформации бывают упругие. В этом случае тело, после того как деформирующая сила перестала на него действовать, вновь принимает свою прежнюю форму (резина). Бывают и так называемые остаточные деформации (пластические), при которых тело изменяет свою форму. Техника изучает, какой груз может выдержать то или иное тело, чтобы его упругая деформация не перешла в пластическую.
Все виды деформаций, т. е. сжатие, растяжение, сдвиг, сгибание, кручение, можно наблюдать и у человека. Однако эта область еще ждет своего исследователя. Как меняются деформации тканей в зависимости от болезни, возраста и т. п. — до сих пор еще не изучено.
Бедренную кость человека можно, тянуть или давить на нее с силой в 1500 килограммов, и она не разорвется и не раздавится. А вот коленная чашечка сломается под давлением уже в 600 килограммов.
По своей способности противиться растяжению кость стоит сразу за чугуном, а по способности противиться сжатию превосходит в 30 раз кирпич и вдвое гранит. Нормально сильный мужчина может поднять с пола 150 килограммов, но были силачи, которые поднимали с пола 800 килограммов, и при этом не происходил разрыв мышц. Деформация на давление артерий очень велика. Артерия не рвется, выдерживая давление в 15 атмосфер.
А вот деформации на растяжения не очень хороши в человеческом теле; например, кожа намного уступает в этом отношении резине, и там, где кожа растягивается, получаются складки, поэтому кожа на локте имеет очень много складок, так как она в этом месте подвергается сильному растягиванию.
Когда человек стоит, то он давит на место опоры своими ступнями с силой примерно 1/3 килограмма на 1 кв. сантиметр. А если человек стоит на лыжах, то давление на снег меньше, оно равно 1/30 килограмма на 1 кв. сантиметр, поэтому с лыжами человек не проваливается в сугробах. Но если стать на сучок площадью 1/2 кв. сантиметра, то давление резко повышается — оно будет равно 120 килограммам на 1 кв. сантиметр. В таких случаях человек испытывает боль в ступнях.
*
Чрезвычайно интересны и вопросы равновесия человеческого тела. Если опустить отвес из центра тяжести головы, то он пройдет впереди точки опоры, т. е. позвоночника. Вот почему, когда мы засыпаем сидя и не управляем затылочным мускулом, голова неуклонно падает на грудь. Точно так же, когда мы теряем сознание, то обязательно падаем. Это происходит потому, что равновесие сохраняется только благодаря активности наших мышц.
Вертикальное положение человека с точки зрения законов физики весьма интересно. Обратите внимание, что позвоночник имеет многократные искривления. Это дает возможность человеку при прямо поднятой голове не падать назад. Наш позвоночник пружинит и поэтому хорошо защищен от переломов и выдерживает большие тяжести. Если бы позвоночник не имел искривлений, то мы падали бы назад, так как туловище находится позади ног, и наше равновесие сохраняется лишь благодаря многократным искривлениям позвоночника, похожего на пружину.
 |
| Первобытный человек уже мог стоять благодаря активности мышц. Вертикальная ось равновесия проходит сзади костей ног. Вертикальное положение человека с точки зрения законов физики весьма интересно. Обратите внимание, что позвоночник имеет многократные искривления. Это дает возможность человеку при прямо поднятой голове не падать назад. Наш позвоночник пружинит и поэтому хорошо защищен от переломов и выдерживает большие тяжести. |
Процесс ходьбы также связан с равновесием. Здесь мы можем наблюдать момент двойной опоры: две ноги опираются о землю одновременно, затем вся тяжесть тела переносится на одну ногу. При беге человек какое-то мгновение висит в воздухе.
Мы знаем, что ускорение, т. е. подвижность человека, прямо пропорционально действующей силе мышц и обратно пропорционально массе тела (кости, внутренние органы и т. д.); другими словами, человек тем подвижнее, чем лучше у него развиты мышцы и чем он сам меньше.
Первый закон Ньютона гласит, что тело сохраняет свою скорость неизменной, пока какая-либо сила не изменит ее. Это так называемый закон инерции. Человек, когда прыгает, использует силу инерции. Сила мышц развивается только в самом начале прыжка, а потом уже по воздуху человек летит согласно законам инерции и если бы не существовало силы тяжести и сопротивления воздуха, то человек вылетел бы из земной орбиты и двигался бы вечно. Вообще человек очень подвижен благодаря тому, что все его массивные части расположены близко к вертикальной оси. Поэтому человек может очень быстро поворачиваться. Он уступает животному по силе, но выигрывает в ловкости.
*
Вопросы устойчивости, равновесия, работы трения, движения человеческого тела прекрасно объясняются физическими законами. Возьмите, например, второй закон Ньютона: он гласит, что сила пропорциональна массе, помноженной на ускорение. Когда мы хотим сильно ударить рукой, мы сжимаем ее в кулак, т.е. увеличиваем массу, и размахиваемся, т. е. создаем ускорение, — и тогда только получается сильный удар.
Возьмите теперь трение, которое практически всегда возникает как сопротивление движению. Трение и вредно нам и чрезвычайно полезно. Если бы не было трения, то мы не могли бы ни ходить, ни стоять, мы бы все, как капли воды, собирались вместе, скользили в низкие места, и все уплывало бы из наших рук.
Но там, где трение вредно, например в наших 230 суставах, там находится почти идеальное смазочное вещество — синовиальная жидкость. При глотании пищи мы смачиваем ее слюной, что облегчает движение пищи по пищеводу. Там, где трение полезно, мы увеличиваем его. Например, когда нужно плотно схватить палку, мы обхватываем ее всей ладонью. Кожа ладони сцепляется с палкой, которую надо крепко держать.
*
Изучая человеческое тело, мы можем подметить и те законы физики, которым подчиняются жидкости и газы.
На каждую молекулу жидкости, находящуюся у поверхности, действуют силы напряжения, которые тянут ее вглубь жидкости. Молекулы жидкости, пограничные с воздухом, составляют поверхностный слой. Этот слой, эта пленка как бы давит на молекулы, лежащие глубже. Сила этого давления очень большая и равна 10 тыс. атмосфер. Такое движение с трудом удается получить в технике. Представим себе, что получилось бы, если выпитая нами вода, попав в желудок, потеряла бы в одном месте силы поверхностного давления. Тогда через это место молекулы воды вылетели бы под давлением 10 тыс. атмосфер, и от нас ничего бы не осталось, так как снаряд в пушке и то выбрасывается под давлением всего только в 3 тыс. атмосфер. Но нам не нужно этого бояться. Никогда не удастся нарушить поверхностный слой воды, потому что как только вы снимаете в каком-нибудь месте поверхности молекулы жидкости, функции этих молекул берут на себя нижележащие и так без конца.
Вот этот поверхностный слой, поверхностная пленка имеет колоссальное значение и для человека. Эта пленка не велика — толщина ее около одной стомиллионной части сантиметра. Но эта пленка ведет себя, как твердое, кристаллическое вещество. Поэтому, смотря на каплю крови или воды, мы можем думать, что внутри этой капли находятся молекулы газа, сдавленные твердой оболочкой, — резиновой пленкой поверхностного натяжения. Поверхностный слой жидкости притягивает к себе вещество, если оно находится на очень близком расстоянии. В силу этого, если намочить курчавые волосы головы, то они слипаются и делаются прямыми до тех пор, пока не высохнут. Когда мы уколем кожу руки, то из отверстия кожи показывается кровь, поверхностная пленка крови обрадует как бы резиновый мешочек. Мешочек под давлением крови увеличивается, провисает книзу, пленка разрывается и получается капля.
В теле человека имеется огромное количество всяких мелких каналов, и соки человеческого тела благодаря притяжению, существующему между поверхностными слоями, передвигаются или тормозятся под действием капиллярных сил. Вспомните лампу, ведь в ней точно так же капиллярными силами керосин поднимается по фитилю вверх более, чем на 10 сантиметров.
*
Жизнь человеческого организма во многом подчиняется основным законам жидкостей и газов. Закон Паскаля гласит, что давление на газ или жидкость, заключенные в сосуд, передается во все стороны с одинаковой силой. Многие химические реакции, происходящие в нашем теле, зависят от давления. При большом давлении кровь успешно поглощает газы, а при уменьшении давления отдает их. Поэтому, если очень быстро вытащить водолаза из глубины на поверхность, то кровь его превратится в пену.
Стенки наших кровеносных сосудов рассчитаны на определенное давление как снаружи, так и изнутри. Если под влиянием болезни, стенка аорты главного сосуда, который выходит из сердца, истончится, то аорта может лопнуть.
Сердце, величиной с кулак и весящее 300 граммов, развивает мощность в 1/375 лош. силы. Оно делает в год 100 тыс. ударов и перекачивает за это время 3,5 млн. литров крови, по 10 тыс. литров в день. А всего крови в человеческом организме 5—6 литров. Не думайте, что сердце у нас никогда не отдыхает. За 60 лет нашей жизни сердце работает 50 лет, а десять лет стоит. Каждую 1/6 часть секунды сердце не работает, отдыхает, несмотря на то, что каждую минуту кровь трижды обегает наше тело.
Известный закон Архимеда, установленный более двух тысяч лет назад, часто управляет телом человека. Этот закон гласит, что тело, погруженное в жидкость, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость. Рыбы в воде совсем не имеют веса. Человек, когда плавает, весит очень мало. Человек может лежать на воде, если вдохнет в легкие воздух. В это время он увеличивает свой объем и, следовательно, уменьшает удельный вес. В этот момент по закону Архимеда человек в воде почти ничего не весит и находится в ней в взвешенном состоянии.
Если бы мы жили все время в воде, то нам не нужны были бы такие прочные кости и стенки сосудов. Ведь в воде разница давления изнутри и снаружи на организм ничтожна. Если кит попадает на сушу, он умирает от остановки кровообращения, его кровеносные сосуды сжимаются под тяжестью собственного тела.
 |
| Атмосферный воздух давит на человеческое тело с силой в 20 тыс. килограммов. Это равносильно тому, как если бы человек испытывал тяжесть нескольких огромных несгораемых шкафов. |
*
Приведенные нами примеры показывают, какое огромное значение имеет физика для изучения тела человека. Современная физика настолько развилась, что врачу, биологу трудно разобраться во всех ее направлениях, да и физики мало думают теперь о приложении законов своей науки к органической жизни. Теперь нужно говорить о новой науке — медицинской физике или биофизике. У нас нет еще кадров биофизиков, но они постепенно растут, и медицинская физика развивается. Не только физика помогает биологии, но и наоборот, изучая живые объекты, можно прийти к чисто физическим явлениям, которые потом уже начинают изучаться физиками. Вспомним, например, что гальваническое электричество было открыто анатомом Гальвани. Врач Гельмгольц прославился своими классическими работами по физике, проделанными им нередко на биологических объектах.
В этой статье мы не могли остановиться на всех законах физики в применении к человеческому телу. Много еще интересного можно узнать о применении к живому организму и таких отделов физики, как теплота, оптика, электричество и т. д. Но. при всем этом не надо упрощать вопроса. Не нужно забывать об особенностях организма. Человеческое тело не есть просто сложная машина, подчиняющаяся полностью законам только неорганической материи.
Энгельс писал: «ни механическое сложение костей, крови, хрящей, мускулов, тканей и т. д., ни химическое — элементов — не составляет еще животного. Организм не является ни простым, ни составным, как бы он не был сложен. Организм есть, разумеется, высшее единство, связывающее в себе в одно целое механику, физику и химию».
Эти замечательные слова Энгельса нужно все время помнить, изучая физику человеческого тела.
Комментариев нет:
Отправить комментарий