Биофизика сердца человека

­БОУ «Тарская гимназия №1 им. А.М. Луппова»

XXXI Муниципальная научно-практическая конференция школьников Тарского района

Направление: естественнонаучное

Биофизика сердца человека

Выполнила:Исаченко Полина Кирилловна,

10 класс

БОУ «Тарская гимназия №1 им. А.М. Луппова»

Руководитель:Исаченко Марина Федоровна,

учитель физики

БОУ «Тарская гимназия №1 им. А.М. Луппова»

г. Тара

2026

Содержание

Введение

Физика - это наука о природе, а человек - неотъемлемая часть этой природы. Организм человека - очень запутанная и сложная система, которая до сих пор ставит в тупик докторов и исследователей, несмотря на то, что ее изучают уже очень давно.

Многое в нем объясняются законами физики, и работа сердечно-сосудистой системы (далее ССС) в том числе. 

В настоящее время сердечно-сосудистые заболевания являются основной причиной смертности: ежегодно они уносят более 17 миллионов человеческих жизней. То есть ежедневно от остановки сердца умирают 46 000 человек, а каждый час около 2000.

Для меня тема сердца - это не просто интерес, это глубоко личная история, написанная на страницах моей семьи. Четыре поколения моих родственников (прапрабабушка, прабабушка, бабушка, мама) страдают от проблем, связанных с высоким либо низким давлением, заболеваниями сердца, сосудов. Как я могу им помочь? Как остановить череду неприятностей, преследующих моих родных людей. 

Только хорошо понимая и изучив проблему, можно попытаться ее решить.

Цель: исследование влияния физических нагрузок на изменение параметров сердечной деятельности. 

Задачи:

1. Изучить научно-популярную литературу о строении и механизме работы сердца человека. 

2. Сопоставить принципы работы сердца с физическими законами.

3. Провести эксперименты по измерению и расчетам различных показателей работы сердца у подростков и взрослых с разной физической активностью.

4.  Установить, как физические нагрузки влияют на работу сердца человека. 

Объект исследования: сердце человека.

Предмет исследования: физические аспекты деятельности сердца.

Методы исследования:

- теоретические: сбор, изучение, анализ материала из различных источников;

- экспериментальные: постановка различных экспериментов со школьниками и взрослыми, анализ полученных результатов;

- математическая статистика.

Гипотеза: если регулярно заниматься физическими нагрузками, то будут происходить положительные изменения частоты сердечных сокращений.

Биофизика сердца - это междисциплинарная область, которая изучает физические основы работы сердечно-сосудистой системы. Она рассматривает сердце не просто как орган, а как сложную электромеханическую систему, работающую по строгим законам физики.

Сочетание анализа данных и моделирования обеспечивает качественный шаг в понимании сердечно-сосудистых взаимодействий. 

Биофизика сердца связывает молекулярный уровень (ионные каналы) с макроуровнем (сокращение камер), помогая точнее понимать работу сердца как помпы. 

I. Принципы работы сердца на основе физических законов

1. 1. Строение сердечно-сосудистой системы (ССС)

Кровеносная система человека состоит из сердца и кровеносных сосудов - полых трубок различного диаметра, по которым происходит процесс непрерывного движения крови. 

Сердце заставляет кровь двигаться по кровеносным сосудам. Оно расположено в грудной клетке немного левее центра и имеет величину приблизительно с кулак. 

В нем есть 4 камеры, разделенные перегородками. Между правым предсердием и правым желудочком, а также левым предсердием и левым желудочком имеются отверстия с клапанами, регулирующими направление тока крови из предсердий в желудочки. 

Артериальное давление - это параметр, характеризующий работу ССС. Давление крови - это объём крови, перекачиваемый сердцем в единицу времени, и сопротивление сосудистого русла. 

Сопротивление кровеносных сосудов передвижению крови создает кровяное давление (артериальное). Оно зависит от диаметра сосудов, их длины, состояния, а также от объема циркулирующей крови, ее вязкости. Поэтому артериальное давление везде неодинаково. 

Согласно законам физики, кровь движется от артерий к венам: более сильное давление крови будет в аорте, несколько меньшее давление будет в артериях, ещё более низкое в капиллярах, а самое низкое в венах. Разность давления в артериях и венах является основной причиной непрерывного движения крови по сосудам [1].

В показаниях измеряемого давления есть верхнее число - систолическое артериальное давление (СД). Оно показывает давление в артериях в момент, когда сердце сжимается и выталкивает кровь в артерии и зависит от силы сокращения сердца, сопротивления стенок кровеносных сосудов, и числа сокращений в единицу времени. Нижнее число (диастолическое артериальное давление (ДД) показывает давление в артериях в момент расслабления сердечной мышцы.

1. 1. Сердце и кровеносные сосуды

Наше сердце - это насос, устройство которого можно сравнить с работой поршневого жидкостного насоса, работа которого основано на воздействии атмосферного давления вода в трубке поднимается за поршнем. Так же работает и сердце.

Сердце образовано особой мышечной тканью, которая ритмично сокращается. Работа сердца характеризуется циклом, состоящим из двух этапов: сокращение и расслабление предсердий и желудочков. Сердце прокачивает кровь по сосудам тела. Делает оно это с помощью сокращений, как насос «проталкивая» порции крови по кровеносным сосудам. Диаметр артерии (аорты) составляет примерно 1,5 см. Аорта разветвляется на артерии меньшего диаметра, расположенные в теле симметрично. От них ветви сосудов отходят до костей, мышц, суставов, внутренних органов. Мельчайшие артерии называют артериолами, из них кровь поступает к сети капилляров. Кровь движется по сосудам непрерывно по двум замкнутым кругам кровообращения - малому и большому. Кровеносные сосуды представляют собой сообщающиеся сосуды, по которым протекает кровь. 

Таким образом, сердце состоит из двух частей и имеет две кровеносные системы: правая половина сердца качает кровь по сосудам по всему телу, до конечностей, левая половина - через легкие, для насыщения крови кислородом. Сердечно-сосудистую систему можно назвать «насос и сообщающиеся сосуды».

Принцип работы системы основан на законе гидродинамики в сообщающихся сосудах: жидкость течет из сосуда с большим давлением в сосуд с меньшим давлением.

1. 1. Силы, возникающие при движении крови по сосудам

Кровь движется по сосудам в соответствии с законами гидродинамики, под действием двух сил: силой трения и силой давления [1].

1. При движении крови по сосудам возникает сила трения или сила сопротивления, которая препятствует перемещению крови, в результате скорость ее течения становится меньше.

1. На жидкости, как и на все тела на Земле, действует сила тяжести. Поэтому каждый слой крови в сосудах своим весом создает давление на другие слои. Это давление передается по всем направлениям одинаково (по закону Паскаля).

1. 1. Пульс и скорость распространения пульсовой волны

Все мы знаем, что от удара камня о воду идут волны, а вдоль артерии от сердца идет волна деформации после каждого сокращения сердца. В нашем организме сосуды создают так называемые пульсовые волны. Если приложить палец у основания большого пальца на запястье или боковой поверхности шеи, мы ощутим удары этих волн - это и есть пульс. Пульс является основным показателем здоровья человека.

Изменение давления крови человека в результате работы сердца вызваны колебаниями стенок сосудов. В физике волной называют процесс распространения колебаний в пространстве с течением времени.

Сердце - источник поперечных пульсовых волн, в которых колебания происходят перпендикулярно направлению их распространения.

Скорость распространения таких волн зависит от упругости стенки артерий, поэтому и служит показателем ее состояния при различных заболеваниях [2].

Знаменитый английский ученый, врач и физик, Томас Юнг в 1809 году вывел формулу для скорости распространения пульсовых волн:

где- скорость, - модуль Юнга, - толщина стенки, - плотность, - внешний диаметр артерии.

В этой формуле скорость пульсовой волны зависит от упругости стенки артерии, ее модуля Юнга. C увеличением возраста и при тяжелых сердечно-сосудистых заболеваниях, в результате которых утрачивается упругость стенок артерий, скорость может увеличиваться в 2-3 раза по сравнению с нормальной.

Следовательно, увеличение жесткостисосудов ведет к увеличению скорости распространения пульсовой волны. Это позволяет использовать измерение пульса для определения жесткости сосудов, для постановки диагноза и выбора правильного лечения.

1. 1. Возникновение аневризмы

Рассмотренные выше пульсовые волны повторяются около 100 тысяч раз за сутки и около 2,5 млрд. в течении жизни. Стенки сосудов рассчитаны на такую нагрузку и способны её выдержать. Но иногда стенка не выдерживает, начинает расширяться, образуя аневризму, то есть расширение, которое увеличивается со временем, и что самое страшное, не выдержав, сосуд может лопнуть, что приводит к смерти [3].

Это заболевание объясняется законом физики Лапласа, французского математика, физика, астронома. Лаплас сформулировал как зависит напряжение Т (отношение силы к площади сечения стенки сосуда), растягивающим стенку кровеносного сосуда, от радиуса сосуда , давления внутри сосуда и толщины его стенки :

Из этого закона следует, что при увеличении давления увеличивается и напряжение Т, что приводит к растяжению стенки сосуда и увеличению его радиуса R. Но объем стенки аорты можно считать постоянным, тогда увеличение ее радиуса должно сопровождаться утончением стенки, что в свою очередь приведёт к разрыву сосуда и как следствие появлению аневризмы.

Таким образом, причина возникновения аневризмы не только скачок артериального давления, но и изменение механических свойств артериальной стенки.

1. 1. Скорость кровотока

В соответствии с законом Паскаля, жидкость, находящаяся в покое в сосуде, передает давление одинаково во всех направлениях. Движение крови по сосудам напоминает движение воды по водопроводу.

ПустьV₁ - скорость крови через сосуд сечением S₁,V₂- скорость через сечение S₂. Кровь почти несжимаема, значит количество крови, проходящее за время t через поперечное сечение S₁, равно количеству крови (жидкости), проходящей за это же время через сечение S₂. Значит, объемы вытесненной крови за время t равны

????₁= ????₁????₁= ????₂????₁= ????₂ (3).

Так как ????₁= ????₁????и????₂= ????₂????,то, подставляя выражения в формулу (3) и получаем уравнение неразрывности:

Это означает, что при равномерном течении жидкости скорости движения ее частиц через разные поперечные сечения трубы обратно пропорциональны площадям этих сечений.

То есть при прохождении узких частей сосуда скорость течения крови больше и наоборот.

1. 1. Кровообращение

На кровь, поступающую в более узкую часть сосуда, действует со стороны крови, еще находящейся в широкой части сосуда, некоторая сила [3].

Этой силой, в данном случае, является разность между силами давления крови в широком и узком сечениях сосуда.

Сила давления – это произведение давления и площади сечения:

????_давл= ????·????

Разность между силами давлений крови в различных частях сосуда равно:

∆????_давл= (????₁− ????₂) ·????

Так как сила направлена в сторону узкой части сосуда, то на широком участке сосуда давление должно быть больше, чем в узком:

Из данного уравнения следует, что

Вывод: при равномерном течении крови там, где скорость кровотока меньше, давление в крови больше и, наоборот, где скорость кровотока больше, давление в крови меньше.

К этому выводу впервые пришел Даниил Бернулли относительно движения жидкости, поэтому данный закон называют законом Бернулли.

II.Экспериментальная частьпо измерению и расчетам различных показателей работы сердца

В экспериментальной части исследовательской работы участвовало 30 испытуемых – 18 учащихся 8-х и 10-х классов и 12 взрослых. В результате опроса было выявлено, что 50% из них занимаются спортом или умеренной физической активностью, а остальные 50% – пренебрегают двигательной активностью.

Для проведения исследования были использованы медицинские приборы – электронный тонометр, весы, ростомер.

Измерены: артериальное давление и пульс в покое, артериальное давление и пульс после 15 приседаний, масса тела, рост, возраст испытуемых.

Проведены расчеты и оценка: степень тренированности сердца, коэффициент выносливости [5].

2.1.Расчет и оценка адаптационного потенциала и работоспособности сердца

Для расчета и оценки адаптационного потенциала и работоспособности сердца необходимо было определить ключевые аспекты оценки адаптационного потенциала [4]. Из имеющихся и описанных в трудах ученых Б.Х. Ланда и И.В. Ауликмною были выбраны следующие:

• методы оценки: для анализа используются функциональные индексы, которые выявляют уровень адаптации: от удовлетворительной до срыва;

• признаки напряжения: повышение частоты пульса, рост индекса централизации и стресс-индекса свидетельствуют о высокой нагрузке на сердце;

• показатели работоспособности: высокий адаптационный потенциал позволяет организму переносить физические и психоэмоциональные нагрузки, а нарушения (напряжение) возникают при нехватке функциональных возможностей;

• значение: учет АП необходим для оценки здоровья человека для предотвращения хронического перенапряжения сердечно-сосудистой системы. 

Адаптационный потенциал (АП) системы кровообращения - это показатель функционального состояния и резервных возможностей сердца, определяемый по частоте пульса (ЧП), давлению (АД), возрасту, весу и росту.

Расчет производился по формуле:

АП = 0,011·ЧСС1 + 0,014·(СД + В) + 0,008·ДД + 0,009·(М – Р) – 0,273

ЧСС- частота пульса в покое в положении сидя

СД - систолическое (верхнее) давление

ДД - диастолическое (нижнее) давление

В – возраст

М - масса тела

Р- рост

Результаты оценки адаптационного потенциала: только у 5% участников со спортивной и физической активностью есть напряжение механизмов адаптации, а среди участников без активности этот показатель составляет уже 40% (Приложение. Диаграммы 1 и 2):

Низкий АП указывает на истощение ресурсов, напряжение регуляторных систем и снижение работоспособности. 

2.2. Расчёт ударного объема крови (УОК), энергетических затрат и КПД организма при выполнении механической работы

У участников эксперимента измерялись частота пульса и общее артериальное давление в покое и после спуска и подъема по лестнице на три этажа были рассчитаны по указанным ниже формулам ударные объемы крови (УОК), а также энергетические затраты и КПД организма при подъеме по лестнице:

1. Ударный объем крови (УОК) по формулам Старра:

V_уд=90,97 + 0,54·P_пд – 0,57·P_дд – 0,61·В (для взрослых),

V_уд=40 + 0,54·P_пд– 0,57·P_дд+ 3,2·В (для детей в возрасте 7-15 лет)

1. Работа А, совершаемая человеком при подъеме по лестнице:

А = mgH =mghn

1. Энергетические затраты Q при выполнении механической работы: Q = K·19,684·t·(V₁f₁–0,6V₀f₀) ·0,064/25000

V₀- ударный объем сердца в период до совершения работы и f₀- частота сокращения сердца в минуту, а также V₁- ударный объем сердца сразу после совершения работы и f₁- частота сокращения сердца в минуту, а t- время в секундах, в течение которого совершалась работа. Коэффициент К связан с возникновением кислородной задолженности при выполнении интенсивной работы и в нашем случае равен 5.

1. КПД человека при подъеме по лестнице:

ꜧ100%

План эксперимента[6]:

1. Определить у испытуемого возраст (В) и массу (m) тела, а также расстояние на лестничной клетке между этажами (Н=nh). Где Н расстояние между этажами, n – число ступенек между этажами, h– высота ступеньки. Данные занести в таблицу.

2. Измерить у испытуемого в состоянии относительного покоя (в состоянии сидя без совершения каких-либо движений) артериальное давление Р_сд – систалическое, Р_дд- диасталическое, частоту пульсаf. Данные занести в таблицу (1 пок).

3. Испытуемому совершить работу путем подъема на три этажа по лестнице в спокойном состоянии, измеряя времяtподъема. Сразу по окончанию подъема измерить артериальное давление, Р_сд, Р_дд,f. Данные занести в таблицу (1 раб).

4. Отдохнуть 5 минут, и после отдыха измерить артериальное давление, Р_сд,, Р_дд,f. Данные занести в таблицу (2 пок).

5. Испытуемому совершить работу путем подъема на три этажа по лестнице со скоростью примерно в 2 раза больше чем в спокойном состоянии, измеряя времяtподъема. Сразу по окончанию подъема измерить артериальное давление, Р_сд, Р_дд,f. Данные занести в таблицу (2 раб).

6. Отдохнуть 5 минут, и после отдыха измерить артериальное давление, Р_сд, Р_дд,,f. Данные занести в таблицу (3 пок).

7. Испытуемому совершить работу путем подъема на три этажа по лестнице бегом, измеряя время tподъема. Сразу по окончанию подъема измерить артериальное давление Р_сд,, Р_дд,f. Данные занести в таблицу (3 раб).

8. По полученным результатам, определить по формулам энергетические затраты при совершении работы по подъему на три этажа, результаты представить в таблицу.

9. Определить коэффициент полезного действия организма при совершении работы. Сделать вывод.

Действия испытуемых: каждый участник совершал подъемы и спуски по лестнице (3 этажа) с перерывом для отдыха с различной скоростью и временем.

Исследование показало, что УОК возрастал во время подъемов по лестнице по сравнению со спуском и состоянием покоя.

Энергетические затраты организма резко повышаются, переходя с аэробного на смешанный или анаэробный режим, при этом КПД (коэффициент полезного действия) человека составляет около 30-40% (остальная энергия уходит в тепло). УОК растет до определенного уровня (обычно до 40-60% от максимума потребления кислорода), после чего стабилизируется, а минутный объем далее увеличивается за счет частоты сердечных сокращений. 

Наибольший коэффициент полезного действия (КПД) продемонстрировал 45-летний участник, 2 раза в неделю занимающийся в тренажерном зале, что доказывает приобретение дополнительных возможностей сердца под влиянием умеренных спортивных нагрузок (Приложение.Таблица).

Заключение

Таким образом, изучив научно-популярную литературу о строении и механизме работы сердца человека, можно сделать вывод о том, что принципы работы сердца основаны на следующих физических законах и явлениях: законе гидродинамики в сообщающихся сосудах, действиях силы трения и силы давления, волновые явления, законы Лапласа, Паскаля, Бернулли.

Проведенные эксперименты по измерению и расчетам различных показателей работы сердца у подростков и взрослых с разной физической активностью позволили установить, как физические нагрузки влияют на работу сердца человека. 

При физической активности начинается работа мышц, во время которой увеличивается их потребность в кислороде, сердечная мышца начинает сокращаться чаще, чтобы эту потребность заполнить. При интенсивной работе сердца происходит увеличение артериального давления (АД) и организму приходится запустить гипотензивную систему, отвечающую за его снижение.

Чтобы получить энергию для переноса кислорода первым делом организм сжигает углеводы. После 15-20 минутной тренировки начинает сжигать жиры. Так же начинает работу гормональная система надпочечников и щитовидной железы, улучшается состав крови. За счёт работы мышц, которые сжимают сосуды, выталкивая кровь, потом расслабляются заполняя сосуды кровью, снижается нагрузка на сердце.

Следовательно, даже небольшая физическая активность полезна для людей в том числе с заболеваниями сердца, что полностью подтверждает гипотезу моего исследования.

Список использованной литературы

1. Богданов К.Ю. «Физик в гостях у биолога», Москва «Наука», 1986

2. Кац Ц.Б. «Биофизика на уроках физики», Москва «Просвещение», 1974

3. Коржуев А. «Физика и биофизика», Санкт-Петербург «ГЭОТАР-

Медиа», 2010

1. Ланда Б.Х. «Методика комплексной оценки физического развития и физической подготовленности», Москва «Советский спорт», 2011

2. Аулик И.В. «Определение физической работоспособности в клинике и спорте», Москва «Физкультура и спорт», 1990

3. https://studfile.net/preview/6884438/, Бланк лабораторной работы«Определение по ударному объёму крови сердца энергозатрат, кпд, расхода кислорода, при совершении механической работы».

Приложение

ДИАГРАММА 1

ДИАГРАММА 2

ТАБЛИЦА