Законы физики и нанотехнологии в работе организма человека. Индивидуальный проект

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 5 п. Печенга Мурманской области

Индивидуальный проект

Законы физики и нанотехнологии в работе организма человека

Работу выполнил

Учащийся 9 класса Сушко Никита

Руководитель проекта:

Учитель физики Зинаида Васильевна МБОУ СОШ №5

Работа допущена к защите «__»__________________2022г.

Подпись руководителя проекта_____________(__________________)

пгт. Печенга

2022

Автор проекта: СушкоНикита, ученик 9 «Б» класса,

Научный руководитель: Александрова Зинаида Васильевна,

учитель физики

Тип проекта: информационно-исследовательский

Учебный предмет, в рамках которого проводится работа по проекту: физика

Актуальность темы:

В современном мире все чаще и чаще проявляется повышенный интерес к изучению физики человека. Это связанно с бурным развитием таких наук как медицина, биофизика, психология и др.

Цель и задачи работы. Расширить общие знания о строении организма человека и доказать, что работа систем внутренних органов подчиняетсязаконам физики. Выявить наличие законов и процессов, связанных с физикой в человеческом организме; показать роль физики для функционирования человеческого организма.

Задачи:

• Собрать, изучить и проанализировать собранный материал в литературе и Интернет - ресурсах;

• Составить анкету, провести социальный опрос среди школьников и провести анализ результатов опроса;

• Провести экскурсию по человеческому организму с точки зрения физики.

• Сделать выводы.

Методыисследования:

• Теоретический: сбор, изучение и анализ собранного материала в различных источниках (литература, Интернет – ресурс);

• Эмпирический: анализ социального опроса студентов по анкете.

• Математический: статистика и расчёты, визуальные данные: диаграммы, таблицы.

Объект исследования – физика человеческого организма.

Предмет исследования – человеческий организм.

Гипотеза: если физики в человеческом организме достаточно, и она играет положительную роль для человека, то этот факт должен способствовать возникновению интереса к более глубокому изучению дисциплин естественно-математического цикла.

Оглавление:

1. Введение стр. 3

2. Законы физики в организме человека стр. 3

2.1 Опорно-двигательная система и закон механик стр. 3

2.2 Законы Ньютона стр. 4

2.3 Сила упругости. Деформация стр. 4

2.4 Сила трения стр. 5

2.5 Практическая часть стр. 5

2.6 Орган слуха и законы механики стр. 6

2.7 Орган зрения – физический прибор стр. 6

2.8 Голосовой аппарат стр. 7

3.Искусственный интеллект и нанотехнологии стр. 11

3.1 Как программирование влияет на мозг и мышление стр. 12

3.2 Вот какие главные изменения обещают человеческому телу стр. 13

4. Заключение стр. 14

1. Введение

Человек - уникальное создание.Из каких органов и систем мы состоим, примерно знает каждый.А вот заглянуть в наш организм поглубже доводится не каждому. А если присмотреться, то можно увидеть и рычаги, и сообщающиеся сосуды, и насосы, и линзы, даже электричество. Человеческое тело устроено удивительнейшим образом. Недаром многие выдающиеся врачи испытывали едва ли не священный трепет, углубляясь в изучение его строения и функционирования.Давайте посмотрим на наш организм с точки зрения физики.

1. Законы физики в организме человека

2.1 Опорно-двигательная система и закон механики

Костная система человеческого организма устроена таким образом, что при наибольшей легкости она представляет наибольшую прочность и способна противодействовать влиянию толчка и сотрясения. В организме человека многие кости выполняют функцию рычага.

Это свойство - очень высокий коэффициент полезного действия, достигающий 98-100%. Высокий КПД рычага определяется тем, что в нем малы потери на трение.

Рычажными механизмами в скелете человека являются почти все кости, имеющие некоторую свободу движения: кости конечностей, нижняя челюсть, череп (точка опоры -первый позвонок), фаланги пальцев. Кисть посредством лучезапястного сустава крепится к лучевой кости, которая, в свою очередь, прикрепляется к локтевой кости посредством локтевого сустава. При помощи плечевого сустава рука крепится к лопатке.Основными рабочими мышцами руки, отвечающими за перемещение предплечья, являются бицепс (двуглавая мышца) и трицепс (трехглавая мышца). Как все мышцы, они не могут создавать толкающих усилий - они могут только тянуть. Когда человек поднимает одной рукой предмет, бицепс сокращается, а трицепс удлиняется.Когда человек опускает предмет, происходит противоположное, в чем нетрудно убедиться на опыте:

F1 – сила, действующая со стороны плеча и суставов;

F2 – сила, действующая со стороны бицепса на локтевой сустав;

– сила тяжести, действующая на систему рука-кисть;

– вес груза;

r2 – расстояние от локтя (точка О) до центра присоединения бицепса (обычно 4 см);

r3 – расстояние от точки О до центра масс системы рука-кисть;

r4 – расстояние от точки О до центра масс груза (считается, что он совпадает с центром масс руки).

Если предположить, что человек, удерживающий груз, имеет массу 80 кг и рост 1,83 м, то величины, характеризующие руку как рычаг, могут быть такими: r4=0,35 м; r3=0,19 м; F3=24 H; F4=98 H.

Решая уравнения сил и моментов (∑ =0; ∑ =0) получаем: F2- (F1+ F2- F4)=0

r1 F1+ r2 F2- r3 F3=0

Окончательно имеем: F2=968 Н; F1=847 Н (Эти силы значительно больше веса груза, удерживаемого рукой)

Таким образом, чтобы удержать груз некоторой массы, необходимо усилие мышцы, почти в 10 раз превышающее силу тяжести, действующую на груз.

Строение и работа сустава также подчиняется законам механики и связана с такими физическими явлениями как трение, давление и растяжение.

Опорно-двигательная система человека, состоящая из сочлененных между собой костей скелета и мышц, представляет с точки зрения физики совокупность рычагов, удерживаемых человеком в равновесии.

2.2 Законы Ньютона

1 закон Ньютона (закон инерции):

Типичным случаем использования инерции в живом мире являются прыжки: тело человека находится под действием силы, развиваемой мышцами ног, лишь в начале прыжка, пока ноги не отделилось от земли.

2 закон Ньютона (закон ускорения):

Есть способы, с помощью которых можно увеличить величину силы, развиваемой человеком. Человек сможет развить большую силу, если будет двигаться с ускорением. Поэтому, чтобы прыгнуть дальше, спортсмен пробегает некоторое расстояние, а затем отталкивается и... прыгает.

«Источником» силы в теле человека являются мышцы, которых насчитывается в теле человека около 600.

2.3 Сила упругости. Деформация

Мышечная ткань обладает свойством сокращаться и растягиваться, ей присущи эластичность и упругость, то есть способность восстанавливать свою форму после прекращения действия деформирующего усилия. При этом упругие характеристики мышечной ткани выше, чем такие же показатели искусственных материалов.

2.4 Сила трения

Суставы человека похожи на шарниры: шаровой и цилиндрический.

Вся поверхность сустава, испытывающего трение, покрыто особой хрящеватой тканью, пропитанной синовиальной жидкостью, которая уменьшает трение между суставами.

1. Практическая часть

Проведём расчёты на прохождение 20м сначала пешком, медленным бегом и с максимальной скоростью. Рассчитаем скорость по формуле:V=s/t

Проведём измерения и составим таблицу.

Таблица 1.

Тип передвижения	Время (t, с)	Расстояние (S, м)	Скорость (V,м/с)
пешком	9	20	2,2
лёгкий бег	5	20	4
с максимальной скоростью	2	20	10

Расчёты:

V= = 2,2

V= = 4

V= = 10

V= = 5, 4 - средняя скорость

2.6 Орган слуха и законы механики

Нос, носоглотка и ухо (состоящее из наружного, среднего и внутреннего отделов) анатомически связаны друг с другом.

В нашем ухе находится 1 миллиметр мышц. Это является самой маленькой мышцей человеческого тела. А расположена она в среднем ухе. Ее функцией является поддержка одной из крошечных костей внутри уха, которая называется стремя.

Воронковидная ушная раковина способна улавливать и концентрировать звуковые волны. Слуховой проход прекрасно усиливает звуковые волны, из-за чего интенсивность звука у барабанной перепонки повышается. С физической точки зрения это объясняется резонансными свойствами прохода, прежде всего низкой жесткостью его стенок, что обуславливает малое отражение и большое поглощение всепроникающего звука. Звуковые волны вызывают колебания барабанной перепонки. Чтобы провести звук дальше, природа создала цепочку из трех косточек, которые находятся в среднем ухе. Это механизм, где молоточек и наковальня – рычаги, а стремя – своеобразный поршень. Все эти косточки связаны между собой прочными сочленениями и поддерживаются на весу двумя мышцами. Одна соединена с

Рис. 1 Рр

барабанной перепонкой, другая – со стременем. Звуковая волна, проходя систему среднего уха, многократно усиливается за счет двух законов механики – закона разницы площадей и закона рычага. Звуковые колебания через овальное окно передаются к внутреннему уху, где находятся волосковые слуховые клетки. Стоит возникнуть колебаниям в жидкости улитки, в волосках слуховых клеток возникают электрические импульсы различной силы. Слуховой нерв улавливает эти импульсы и передает в слуховую зону головного мозга.

Таким образом, работа органа слуха основана на преобразовании звуковой энергии в электрическую.

2.7Орган зрения – физический прибор

Большую часть (до 80%) информации об окружающем мире мы получаем через глаза.Согласно законам физики, собирательная линза переворачивает изображение предмета. И роговица, и хрусталик являются собирательными линзами, поэтому на сетчатку глаза изображение также попадает в перевернутом виде.

Наложенные друг на друга изображения позволяют увидеть объем предметов, и то, что один предмет находится впереди или позади другого. Это явление известно как трёхмерность изображения, или «3-D». Таким образом, строение глаза человека наиболее ярко характеризуется выполнением оптических законов физики.

Рис. 2

Глаз человека представляет собой сложную оптическую систему, которая по своему действию аналогична оптической системе фотоаппарата. Лучи света от предмета, преломляясь на границе воздух – роговица, проходят далее через хрусталик (линзу с изменяющейся оптической силой) и создают изображение на сетчатке. При расслабленной глазной мышце оптическая сила глаза приблизительно равна 59 диоптрий, при максимальном напряжении мышцы – 70 диоптрий.

Основная особенность глаза как оптического инструмента состоит в способности рефлекторно изменять оптическую силу глазной оптики в зависимости от положения предмета. Такое приспособление глаза к изменению положения наблюдаемого предмета называется аккомодацией.

2.8 Голосовой аппарат

Голос возникает в результате механических колебаний двух эластичных складок – голосовых связок. Они расположены в гортани. При дыхании голосовые связки раздвинуты так, что образуется треугольное отверстие, через которое воздух свободно проходит.

Когда мы начинаем говорить, особые мышцы сближают голосовые связки и щель становится уже. Движение воздуха натыкается на препятствие, при его выдыхании складки начинают колебаться, и возникает звук, то есть колебания голосовых связок создает при движении воздуха через голосовые связки. Разнообразие звуков создается дальше, начиная с гортани и кончая полостью рта и носа.

Рис. 3

Иногда голосом можно разбить стакан, то есть произойдёт звуковой резонанс (частота голоса совпадет с частотой вибрации стекла стакана), приведший к разрушению стакана.

Социальный опрос

В ходе исследования, я провел социальный опрос по анкете «Законы физики в работе организма человека», которую составил во время работы. Сформулировал 7 вопросов. Анкету провели среди 9-ых классов. Всего учувствовало 32 человека.

Анкета «Законы физики в работе организма человека»

Цель анкеты:выявить знания студентов об организме человека с точки зрения физики. Помочь им разобраться в предмете «Физика».

Таблица 2.

Вопросы	Варианты ответов
Связана ли работа организма человека с физикой?	Да/Нет
Важны ли эти функции для человека?	Да/Нет
Можете ли вы привести пример, показывающий физику в организме человека.	Да/Нет
Сможет ли функционировать организм человека без физики?	Да/Нет
Можете ли вы перечислить законы физики в работе организма человека?	Да/Нет
Знаете ли вы об ИИ (искусственном интеллекте) и нанотехнологиях?	Да/Нет
Узнав о законах физики в организме, изменится ли ваше отношение к дисциплине «Физика?	Да/Нет

Результаты анкетирования

Вывод:Врезультате обработки проведенного анкетирования и его анализа, определили, что, к сожалению, не все знают о физике своего тела и о физических законах в нашем организме. А если и знают, то недостаточно хорошо. Радует, что некоторые школьники после данной анкеты решили поменять свое отношение к самой физике.

1. Искусственный интеллект и нанотехнологии

Наш мозг представляет собой биохимический квантовый компьютер. В основе этой идеи лежит предположение о том, что сознание необъяснимо в рамках классической физики и требует для своего постижения учета квантовых эффектов, тех самых, которые лежат в основе концепции квантовых вычислений. Отсюда и идея об искусственном интеллекте (ИИ), который, дескать, вот-вот догонит, а затем и обгонит человеческий. Если человек - это всего лишь отсталая версия компьютера, то со временем ИИ поработит человечество.

Рис. 4

Одной из ключевых особенностей квантовых вычислений является использование в качестве носителя информации так называемых кубитов (квантовых битов), а не обычных битов, которыми оперируют обычные компьютеры. Бит представляет собой минимальную единицу информации - выбор между двумя альтернативами: "включено" или "выключено", "единица" или "ноль". В отличие от битов, кубиты могут одновременно приобретать значения и "нуля", и "единицы", то есть находиться в так называемой суперпозиции состояний. А когда есть несколько кубитов, то их состояния могут запутываться. Благодаря этому два кубита по информационной емкости эквивалентны двум обычным битам, три кубита - четырем битам, четыре кубита - восьми битам, пять кубитов - 16 битам и т.д. Если продолжить эту последовательность, то окажется, что всего лишь 80 запутанных друг с другом кубитов могут содержать количество битов информации, сравнимое с числом атомов во всей видимой Вселенной.

Как видим, квантовые компьютеры обещают просто невероятный потенциал в компьютерных вычислениях, который позволит справляться с задачами (в том числе и в науке), на которые не способны даже самые мощные обычные компьютеры. И если уж сравнивать с чем-то человеческий мозг, то именно с квантовыми компьютерами.Процессы квантовых вычислений, если они действительно присутствуют в нашем мозге, помогут нам объяснить и понять самые загадочные его функции, например, его способность переводить память из кратковременной в долговременную. Также можно будет приблизиться к пониманию того, откуда же на самом деле берутся наши сознание, понимание и эмоции.

Все это - очень высокий уровень, очень сложная физика, наряду с биохимией. Поэтому здесь никто не будет гарантировать, что мы сможем получить все ответы на поставленные вопросы. Но даже если окажется, что мы пока еще не способны точно выяснить, является ли наш мозг квантовым компьютером, запланированные исследования могут внести большой вклад в понимание того, как работает самый сложный орган человека.

3.1 Как программирование влияет на мозг и мышление

Это правда, что мышление программистов устроено иначе, чем у других людей. Не сказать, что они обязательно умнее, логичнее или рациональнее остальных. Однако не так давно учёные приступили к изучению влияния программирования на мозг, и пришли к интересным заключениям.

1. Программирование влияет на ваши когнитивные модели. Вне всяких сомнений, структура языка программирования влияет на образ мышления.

2. Программирование помогает укрепить здоровье мозга. Мозг часто сравнивают с мышцей, которую нужно постоянно тренировать, чтобы оставаться умным и сообразительным. К стимулирующей мозг деятельности отнесли чтение, письмо, головоломки, настольные и карточные игры, исполнение песен, музыкальных произведений и композиций.

Наконец, в исследовании, опубликованном в 2013-м, сказано, что лишь строго определённые виды мыслительной деятельность действительно улучшают наш мозг, а именно — интенсивная когнитивная деятельность, интеллектуально трудная и подразумевающая изучение чего-либо.
Бытует точка зрения, что учиться программированию никогда не поздно, и описанные исследования лишь подтверждают это мнение. Программирование идёт на пользу!

3. Программирование — это не одни лишь математика с логикой
В исследовании 2014 года с помощью функционального МРТ изучалась активность мозга программистов, которые старались понять и проработать фрагменты кода. Выяснилось, что при изучении исходного кода задействованы пять областей мозга:

То есть при работе с исходным кодом в основном задействованы те части мозга, которые обычно связаны с обработкой языка, памятью и вниманием.
Обратите внимание, что при этом почти не задействованы разделы мозга, связанные с математикой и вычислениями — даже при анализе фрагментов с циклами, условными и арифметическими вычислениями, и прочими алгоритмическими операциями.Программирование — не просто «деятельность левого полушария мозга», и можно даже предположить, что у «правополушарных» программистов есть определённое преимущество.

«По прогнозам именно нанотехнологии определят облик ХХІ века»,- Ж.И.Алферов

Ученые и инженеры готовят нас к недалекому будущему, заявляя: нанотехнологии навсегда «перестроят» человеческий организм. Нанотехнологииэто манипуляции с веществом в нанометровом масштабе (нанометр - одна миллиардная часть метра), что позволяет создавать уникальные материалы и приборы с улучшенными или совершенно новыми свойствами.

3.2 Вот какие главные изменения обещают человеческому телу.

Мозг

Сегодня: неврологические заболевания.
Завтра: Нанотерапия позволит доставлять лекарства прямо к клеткам мозга, восстанавливать их, а вместе с ними и когнитивные функции.

Глаза

Сегодня: плохое зрение, глаукома, слепота.
Завтра: контактные линзы с лечащим эффектом и защитой от ультрафиолета.

Уши

Сегодня: нарушение и потеря слуха.
Завтра: лечащие и восстанавливающие наночастицы, которые также избавят от головокружений. Это будет «наномузыка» для нашего слуха, шутят ученые.

Кожа

Сегодня: ожоги, нередко приводящие к смерти.
Завтра: нанополимерные материалы будут «выращивать» новую кожу и восстанавливать поврежденные ткани.

Мышцы

Сегодня: слабая мускулатура и ограниченные возможности.
Завтра: роботизированные конечности и костюмы, способные усилить мускулатуру в 100 раз. Это весьма пригодится участникам продолжительных специальных миссий.

Кости

Сегодня: переломы, которые порой срастаются месяцами.
Завтра: с помощью наночастиц кость срастется за пару недель или даже за считанные дни, а костная ткань окрепнет, так что вероятность новых переломов значительно снизится.

Конечности

Сегодня: протезы и имплантаты без возможности вернуть человеку чувствительность.
Завтра: протезы на основе нанотехнологий будут посылать информацию в мозг, так что пациент сможет чувствовать и пользоваться искусственной конечностью, словно с ней родился.

Внутренние органы

Сегодня: диабет, инъекции по расписанию, постоянное беспокойство об уровне сахара.
Завтра: имплантируемые биосенсоры будут сами измерять уровень сахара и другие важные показатели и при необходимости улучшать их, впрыскивая необходимое количество лекарств.

1. Заключение

Тело человека — невероятно сложная и запутанная система, которая до сих пор ставит в тупик докторов и исследователей, несмотря на то, что ее изучают уже не одну сотню лет.

Рассматривая организм человека как объект изучения физики, пришли к выводу, что многие действия, происходящие в человеческом организме, полностью подчиняются законам физики.

Значение физики в организме человека настолько велико, что жизнь человека невозможна без её отсутствия:

• движение человека (рычаги и шарниры, сокращение и растяжение

• мышц);

• работа сердца и сосудов (качающий насос и сообщающиеся сосуды);

• работа лёгких(увеличение и уменьшение объёма лёгких: механические

• колебания);

• работа желудка и кишечника (перистальтика кишечника: механические

• колебания);

• зрительный аппарат (глаз: оптический прибор);

• голосовой аппарат (вибрация – колебания голосовых связок);

• слуховой аппарат (сообщающиеся сосуды).

• Знания по физике необходимы хотя бы для того, чтобы понимать, как работает организм человека с точки зрения физики.

Знания по физике необходимы хотя бы для того, чтобы понимать, как работает организм человека с точки зрения физики.

В ходе выполнения данной НИРС мною были проработано множество статей, посвященных вопросам нанотехнологии, просмотрены видеоролики, освещающие работу нанороботов в различных сферах деятельности.

После проделанной работы я пришел к следующим выводам:

Благодаря стремительному прогрессу в таких технологиях, как оптика, нанолитография, механохимия и 3D прототипирование, нанореволюция может произойти уже в течение следующего десятилетия. Когда это случится, нанотехнология окажет огромное влияние практически на все области промышленности и общества.

Человечество получит исключительно комфортную среду обитания, в которой не будет места ни голоду, ни болезням, ни изнурительному физическому труду. А в перспективе нас ждёт возникновение «разумной среды обитания» (т.е. природы, ставшей непосредственной производительной силой). Нанокомпьютеры и наномашины заполнят собой все окружающее пространство: они будут находиться между молекулами воздуха, присутствовать в каждом предмете, в каждой клетке человеческого организма.

Гипотеза, выдвинутая мною во время работы над проектом:

«Если физики в человеческом организме достаточно, и она играет положительную роль для человека, то этот факт должен способствовать возникновению интереса к более глубокому изучению дисциплин естественно-математического цикла», подтверждена.

Весь окружающий мир превратится в один гигантский компьютер или, что, пожалуй, будет вернее, человечество сольется с окружающим миром в единый разумный организм.

Информационные источники:

1. Безденежных Е.А., Брикман И.С. Физика в живой природе и медицине. – Киев, 1976.

2. Рыженков А.П., Физика.Человек.Окружающая среда.-М.: Просвещение, 2000.

3. ЧандаеваС.А., Физика и человек.-М.,1994.

4. Интернет-ресурс: http://nanomil.ru/chelovek.html;
   5. Интернет-ресурс: http://class-fizika.narod.ru/man.htm;

20