Jednoduché výpočty ve fyzice živé přírody

Podobné dokumenty
Kmitavý pohyb trochu jinak

Název: Studium kmitání matematického kyvadla

Řešení úloh 1. kola 49. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie D. Dosazením do rovnice(1) a úpravou dostaneme délku vlaku

I Stabil. Lepený kombinovaný nosník se stojnou z desky z orientovaných plochých třísek - OSB. Navrhování nosníků na účinky zatížení podle ČSN

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta technologická Ústav fyziky a materiálového inženýrství

Z toho se η využije na zajištění funkcí automobilu a na překonání odporu vzduchu. l 100 km. 2 body b) Hledáme minimum funkce θ = 1.

Řešení úloh 1. kola 60. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie B Autoři úloh: J. Thomas (1, 2, 3, 4, 5, 7), M. Jarešová (6)

FYZIKA I. Kyvadlový pohyb. Prof. RNDr. Vilém Mádr, CSc. Prof. Ing. Libor Hlaváč, Ph.D. Doc. Ing. Irena Hlaváčová, Ph.D. Mgr. Art.

1 ROZMĚRY STĚN. 1.1 Délka vnější stěny. 1.2 Výška vnější stěny

STRUKTURA A VLASTNOSTI KAPALIN

Hlavní body. Teplotní závislosti fyzikálních veličin. Teplota, měření

2.1 Stáčivost v závislosti na koncentraci opticky aktivní látky

7 Mezní stavy použitelnosti

ZKOUŠENÍ TEXTILIÍ PŘEDNÁŠKA 10 KONSTRUKČNÍ PARAMETRY PLOŠNÝCH TEXTILIÍ

Statika 2. Vetknuté nosníky. Miroslav Vokáč 2. listopadu ČVUT v Praze, Fakulta architektury. Statika 2. M.

MAGNETICKÉ POLE. 1. Stacionární magnetické pole I I I I I N S N N

Změna skupenství, Tání a tuhnutí, Sublimace a desublimace Vypařování a kapalnění Sytá pára, Fázový diagram, Vodní pára

NOVÁ METODA NÁVRHU PRŮMYSLOVÝCH PODLAH Z VLÁKNOBETONU

Řešení úloh 1. kola 49. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie A

PRAKTIKUM II. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úlohač.19 Název: Měření s torzním magnetometrem

1. Stanovení modulu pružnosti v tahu přímou metodou

UNIVERZITA PARDUBICE FAKULTA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ. katedra fyziky ZÁKLADY FYZIKY II. Pro obory DMML, TŘD a AID prezenčního studia DFJP

Přednáška 10, modely podloží

K15 Fasádní deska. Izolace NEJÚČINNĚJŠÍ IZOLACE PRO PROVĚTRÁVANÉ FASÁDNÍ SYSTÉMY. Druhé vydání Duben 2016

Řešení úloh 1. kola 54. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie C. s=v 0 t 1 2 at2. (1)

1.5. DYNAMIKA OTÁČIVÉHO A SLOŽENÉHO POHYBU TĚLESA

Couloumbuv zákon stejne jako vetsina zakonu elektrostatiky jsou velmi podobna zakonum gravitacniho pole.

F7 MOMENT SETRVAČNOSTI

Modelování kmitavých soustav s jedním stupněm volnosti

K5 Kontaktní fasádní deska

Jev elektromagnetické indukce

KMITÁNÍ MECHANICKÉHO OSCILÁTORU

Inovace předmětů studijních programů strojního inženýrství v oblasti teplotního namáhání

Senzory síly a kroutícího momentu

PŘÍČNÉ LISOVANÉ ZTUŽIDLO VE STŘEŠNÍ ROVINĚ KONSTRUKCÍ Z DŘEVĚNÝCH

6. Rozptyl Leoš Dvořák, MFF UK Praha, Rozptyl

BETONOVÉ KONSTRUKCE B03C +B03K ŠTÍHLÉ BETONOVÉ KONSTRUKCE. Betonové konstrukce B03C + B03K. Betonové konstrukce B03C +6B03K

Normálové napětí a přetvoření prutu namáhaného tahem (prostým tlakem) - staticky určité úlohy

Úvod do problematiky ochrany proti hluku v dřevostavbách by

Linearní teplotní gradient

Učební text k přednášce UFY102

Reakce. K618 FD ČVUT v Praze (pracovní verze). Tento materiál má pouze pracovní charakter a bude v průbehu semestru

Elastické deformace těles

Téma 4 Normálové napětí a přetvoření prutu namáhaného tahem (prostým tlakem)

Řešení úloh 1. kola 59. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie D Autor úloh: J. Jírů

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 2: Měření modulu pružnosti v tahu a ve smyku. Abstrakt

Přednáška 12 Obecná deformační metoda, nelineární úlohy u prutových soustav

1.7 Magnetické pole stacionárního proudu

3.9. Energie magnetického pole

7 Kvantová částice v centrálně symetrickém potenciálu.

Stav napjatosti materiálu.

Měření momentu setrvačnosti

Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,2 m. Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,3 m

Předmět: Ročník: Vytvořil: Datum: ŠČERBOVÁ M. PAVELKA V. NAMÁHÁNÍ NA OHYB A) NOSNÍKY NA DVOU PODPORÁCH ZATÍŽENÉ SOUSTAVOU ROVNOBĚŽNÝCH SIL

Vzduchové trysky. vzduchové clony ofukování a vyfukování čištění chlazení sušení zahřívání dopravování a mnohem více...

Práce vykonaná v elektrickém poli, napětí, potenciál Vzájemná souvislost mezi intenzitou elektrického pole, napětím a potenciálem Práce vykonaná v

Úlohy rovnováhy staticky určitých konstrukcí

PARCIÁLNÍ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE JAROMÍR KUBEN PAVLÍNA RAČKOVÁ

Schöck Isokorb typ Q, Q-VV, QP, QP-VV

3.1.7 Kyvadlo. Předpoklady: 3106

R2.213 Tíhová síla působící na tělesa je mnohem větší než gravitační síla vzájemného přitahování těles.

Fyzikální korespondenční seminář UK MFF 10. II. 2

Mechanické kmitání (oscilace)

Proudění plynu vakuovým potrubím

Obvody s rozprostřenými parametry

Příklady kmitavých pohybů. Mechanické kmitání (oscilace)

Stanovení kritických otáček vačkového hřídele Frotoru

1.9.1 Vyjádření neznámé ze vzorce I

PRAKTIKUM I Mechanika a molekulová fyzika

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

6.1.4 Kontrakce délek

4.1 Shrnutí základních poznatků

Zápočet z fyzikálního semináře 102XFS

1.9.1 Vyjádření neznámé ze vzorce I

Řešení úloh 1. kola 58. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie C Autoři úloh: J. Thomas (1, 2, 5, 6, 7), J. Jírů (3), L.

Téma 4 Výpočet přímého nosníku

1. Změřte momenty setrvačnosti kvádru vzhledem k hlavním osám setrvačnosti.

Jméno autora: Mgr. Zdeněk Chalupský Datum vytvoření: Číslo DUM: VY_32_INOVACE_04_FY_A

Mezní napětí v soudržnosti

Jméno autora: Mgr. Zdeněk Chalupský Datum vytvoření: Číslo DUM: VY_32_INOVACE_01_FY_A

8. Optické zobrazování

S S 9000 Nová systémová platforma firmy GEALAN INOVACE SE SYSTÉMEM

Jméno autora: Mgr. Zdeněk Chalupský Datum vytvoření: Číslo DUM: VY_32_INOVACE_04_FY_A

Příklad 5.3. v 1. u 1 u 2. v 2

6.1.4 Kontrakce délek

Trysky s rozstřikem plného kužele

2.5.7 Šetříme si svaly I (kladka)

3. Vypočítejte chybu, které se dopouštíte idealizací reálného kyvadla v rámci modelu kyvadla matematického.

Elektromechanický oscilátor

Vyšší odborná škola, Obchodní akademie a Střední odborná škola EKONOM, o. p. s. Litoměřice, Palackého 730/1

Mechanické vlastnosti materiálů.

České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební. Projekt: Využití pokročilého modelování konstrukcí v magisterském studiu

Proudění viskózní tekutiny. Renata Holubova Viskózní tok, turbulentní proudění, Poiseuillův zákon, Reynoldsovo číslo.

Téma 2 Deformace staticky určitých prutových konstrukcí

PC 509 Z Rubber ACRYL

2. Fyzikální kyvadlo (2.2) nebo pro homogenní tělesa. kde r je vzdálenost elementu dm, resp. dv, od osy otáčení, ρ je hustota tělesa, dv je objem

4. V jednom krychlovém metru (1 m 3 ) plynu je 2, molekul. Ve dvou krychlových milimetrech (2 mm 3 ) plynu je molekul

FWPC/FWPS/FWS/FWP PŘÍSLUŠENSTVÍ OHŘÍVAČE PRO OKAMŽITOU PŘÍPRAVU TEPLÉ VODY VELKÉ A PRŮMYSLOVÉ OBJEKTY. provozní podmínky

REALIZACE SKLÁPĚNÍ A ŘÍZENÍ ZDVIHOVÉHO MECHANISMU JEŘÁBU DERIKOVÉHO TYPU THE REALIZATION DUMPING AND CONTROL OF THE LIFTING DEVICE OF DERRICK CRANE

MECHANICKÉ KMITÁNÍ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Transkript:

Jednoduché výpočty ve fyzice živé přírody ZDENĚK BOCHNÍČEK Přírodovědecká fakuta MU, Brno Abstrakt. V příspěvku je ukázáno někoik příkadů použití jednoduchých fyzikáních modeů na popis dějů v živé přírodě, převážně v souvisosti s idským těem. Příkady z mechaniky a termiky vyžadují pouze znaosti fyziky střední, nebo dokonce zákadní škoy. Modey přes svou jednoduchost poskytují výsedky dobře shodné s experimentem, nebo s naší každodenní zkušeností. Úvod Objekty živé přírody podéhají fyzikáním zákonům stejně jako vše ve vesmíru. Detainí popis dějů v živé přírodě může být vemi kompikovaný, ať se jedná napříkad moekuární interakce v živé buňce nebo činnost pohybového aparátu čověka během nějakého sportovního výkonu. Pokud se však spokojíme s přibižnými odhady, může být vhodný fyzikání mode vemi jednoduchý. V příspěvku je popsáno někoik modeů konkrétních situací souvisejících s idským těem. ematicky jsou modey omezeny na obast mechaniky a termiky nevyžadují hubší než středoškoské nebo dokonce zákadoškoské znaosti fyziky. Svaová sía ahová sía svau je u jednoduchých, tzv. nezpeřených svaů dána počtem svaových váken, tedy v podstatě příčným průřezem svau. Udává se, že maximání napětí σ, která je schopen sva vyvinout, je asi 300 kn/m. Reáně je tato hodnota ovivněna trénovaností jedince, ae jako přibižný odhad nám postačí. Pro popis je asi nejjednodušší situace u dvouhavého svau pažního, bicepsu, který přes oketní koub přitahuje předoktí k paži. Zkusme odhadnout, jaké maximání závaží udržíme v jedné ruce při vodorovném předoktí. Situace je znázorněna na obrázku 1. Dvouhavý sva je upevněn asi v jedné desetině vzdáenosti mezi oketním koubem a daní. Síu svaové kontrakce snadno spočítáme jako Fsvau S Odhaduji, že můj dvouhavý sva má průřez asi 50 cm, pak je sía svau rovna F svau 3 3 300 10 5 10 1500N Vzhedem k pákovému mechanismu je sía v dani asi desetinou, tedy Obr. 1 48

Fsvau Fruky 150N 10 to odpovídá tíhové síe 15 kg závaží, což je v dobrém souadu s mými reánými schopnostmi. Rychost chůze Pode zkušenosti i pode objektivních měření existuje jen úzký interva rychostí chůze, ve kterém je chůze dostatečně rychá, vytrvaá a efektivní. Předpokádejme tedy, že optimání rychost chůze odpovídá vastní frekvenci kmitů nohy. Noha je fyzické kyvado s osou v kyčením koubu a tedy periodu kmitů ze vyjádřit známým vztahem jako J mga Pro odhad momentu setrvačnosti uvažujeme nohu jako homogenní tyč déky. Nehomogenitu nohy/tyče částečně zohedníme předpokadem, že těžiště nohy je ve vzdáenosti 40 % déky nohy od kyčeního koubu. Dostaneme tak odhad periody kmitů 1 m m 0,4 0,4 1 0,4 1 1 1 1 1,5s m g 0,4 g 0,4 100,4 kde jsme za déku nohy dosadii hodnotu 1m. S uvážení déky kroku 0,8m pak pro rychost chůze dostaneme d 0,8m v 3,8 km/h 1,5s Kmity fyzického kyvada nejsou standardní součástí středoškoského učiva. Pokud aproximujeme nohu jako matematické kyvado déky 40 % cekové déky nohy, vychází rychost chůze 4,4 km/h. Obě získané hodnoty jsou bízké skutečné obvyké rychosti chůze dospěého čověka. Rychost chůze a veikost chodce Je zajímavé si všimnout, jak souvisí rychost chůze s veikostí chodce (resp. s dékou doních končetin). Snadno odvodíme, že rychost je úměrná druhé odmocnině z déky nohy (pro mode fyzického i matematického kyvada). Což je pravido přibižně patné pro suchozemská zvířata. Rychost běhu a veikost běžce Vyjdeme ze vztahu pro periodu kmitů nohy při chůzi m m 1 m g 0,4 49

Při chůzi nohu urychuje tíhová sía (výraz mg ve jmenovatei), při běhu je to sía svaů, která je úměrná poše průřezu svau (tedy druhé mocnině déky nohy). Hmotnost je přitom úměrná třetí mocnině ineárního rozměru těa (déky nohy). Použijeme-i zmíněné úměrnosti, dostaneme 5 3. Perioda kmitů nohy je při běhu úměrná její déce. Déka kroku je ovšem také úměrná déce nohy a z této úvahy vychází, že rychost běhu na veikosti běžce nezávisí. Skutečně v přírodě pro středně veké živočichy nenacházíme žádnou závisost rychosti běhu na jejich vekosti. Napříkad žirafa běží rychostí 50km/h zatímco mnohem menší zajíc 60 km/h. Skok o tyči Při skoku o tyči je výšky dosaženo tak, že s využitím easticity tyče je vodorovný běh ateta převeden do svisého směru., viz obr.. Vastní úsií ateta během etu je pro cekovou výšku skoku podstatně méně významné. Za tohoto předpokadu můžeme výšku skoku o tyči odhadnout ze zákona zachování mechanické energie E E K( při rozběhu ) P( maximání při výstupu ) v mv mgh h g Nejepší mužští ateti se při rozběhu bíží rychosti 10m/s. akto pro výšku skoku dostaneme h 10 10 5m S uvážením skutečnosti, že těžiště ateta se při rozběhu pohybuje přibižně ve výšce přibižně 1m, je výsedná výška skoku rovna 6 m, což je hodnota vemi bízká světovému rekordu 6,16 m (Renaud Lavienie, 014) epené ztráty čověka Obr. 1 Pokusme se odhadnout, jakou vrstvou je tepeně izoované idské těo. Předpokádejme, že při okoní tepotě cca 6 C by se kidný, spoře oděný čověk cíti po deší dobu tepotní komfort. o znamená, že tepené ztráty jsou za těchto podmínek vyrovnány s kidovým tepeným výkonem idského těa. Za ustáeného stavu je tepený výkon procházející napříč vekou homogenní deskou dán vztahem Q S ( 1 ) P t Q Obr. 3 S 50

Kde význam symboů je buď jasný nebo zřejmý z obrázku 3. oušťka izoační vrstvy a její tepená vodivost jsou v případě kompikované struktury idského těa zcea nejasné veičiny. Provedeme tedy substituci, ve které jsme poměr těchto veičin nahradii veičinou ß. Z rovnice snadno určíme S S P 80 W 5,5 S 1,5 10 m K Kde jsme za kidový tepený výkon dosadii 80W a za pochu povrchu těa 1,5 m. Význam čísené hodnoty ß si není snadné nějak názorně představit. Spočítejme tedy, jakou toušťku by muse mít obvyký izoační materiá (pěnový poystyrén nebo minerání vata), aby byo dosaženo stejné hodnoty ß. 0,035 0,006m 6mm 5,5 Naše těo je tedy izoováno tak, jako by byo pokryto 6mm vrstvou stavebního izoačního materiáu. Možná se to zdá máo, ae je to v souadu s našimi zkušenostmi. Jsme-i izoováni jen tenkou vrstvou, pak přidání daší tenké vrstvy, napříkad košie, bude mít veký viv na naši tepenou pohodu za nižší okoní tepoty. A tak to skutečně je. Pocení maratonce Za jistých předpokadů ze vemi jednoduše odhadnout, koik maratónec vypotí během závodu, a koik by tedy mě pít. Předpokádejme, že závod se koná za takových tepotních podmínek, kdy by se maratónec v kidu ve svém běžeckém dresu douhodobě cíti v tepotním komfortu (viz obdobná úvaha v předchozím příkadu). Mechanický výkon vrchoového sportovce při vytrvaostním běhu je asi 300 W. Je-i účinnost práce idských svaů 0 % - 5 %, pak se při tomto mechanickém výkonu uvoňuje tepený výkon asi 100 W. ento výkon se musí uchadit odpařováním vody (potu) z povrchu kůže. Snadno sestavíme rovnici Pt Q P t m m vyp kde vyp je skupenské tepo výparné, ostatní symboy mají obvyký význam. Dosazením (předpokádáme, že maratónec běží,5 hodiny) dostaneme vyp 100 3600,5 m 4kg 6,,510 což vemi dobrá shoda s obvykým doporučením vypít během závodu 4-5 itrů vody., 51

Ztráty tepa dýcháním V chadném počasí ztrácíme značné množství tepa dýcháním. Studený vzduch se v našich picích jednak ohřívá, a jednak zvhčuje. Odhadněme, koik tepa takto ztrácíme při okoní tepotě např. 0 C. Předpokádejme, že v kidu dýcháme v průměru 0,3 /s a vydechujeme vzduch o tepotě našeho těa a 100% reativní vhkosti. Viv ohřevu vzduchu Výkon tepených ztrát ze určit jako Q mc V c P, t t t kde c je měrná tepená kapacita vzduchu, m je hmotnost vydechovaného vzduchu, V jeho objem a ρ hustota. Dosazením čísených hodnotu dostaneme Viv zvhčení vzduchu P 3 0,310 1,3 1000 36 14W P 1 Maximání hmotnost vodní páry ve vzduchu - absoutní vhkost - vemi sině závisí na tepotě, viz tabuka. Při ohřevu se v kontaktu se siznicí vzduch zvhčuje tepota a tepený výkon potřebný k odparu vody ze určit jako ( C) Q t m voda vyp, kde m voda je hmotnost odpařené vody. S využitím tabuky dosadíme čísené hodnoty 3-3 3 3 6-1 (41,5 4,9) 10 kgm 0,310 m,510 Jkg P 8W 1s t V součtu jsou ztráty tepa za těchto podmínek obrovské; tvoří asi 50 % našeho kidového tepeného výkonu. Znaost této skutečnosti může mít pro nás veký význam. Pokud napříkad spíme za nepříznivých podmínek a je nám v noci zima, vemi pomůže, pokud si zcea přikryjeme havu a dýcháme do nějaké odvětrávané kapsy. Pak totiž částečně vdechujeme předchozími výdechy ohřátý a zvhčený vzduch a tepené ztráty tak významně snížíme. Pode osobních zkušeností autora, je efekt takového opatření značný. Rezonance ve vnějším zvukovodu Zvukovod je trubice, kterou je do středního ucha přiváděn zvuk. Je ukončena bubínkem a má déku asi,5cm. Na zvukovod se můžeme dívat jako na rezonanční trubici s jedním uzavřeným a jedním otevřeným koncem. První rezonanční mód tedy odpovídá situaci, kde déka trubice je rovna čtvrtině vnové déky zvuku, tedy rezonanční frekvence je rovna c 340 f zvuku 3400Hz. 0,1 abs. vhkost (g/m 3 ) 0 4,9 10 9,4 0 17,3 30 30,4 36 41,5 40 50, 5 Obr. 4

Skutečně v obasti frekvencí koem 3000 Hz má idské ucho nejvyšší citivost. Zesíení zvuku ve středním uchu Střední ucho převádí zvukové vnění do vnitřního ucha. Ae nejen to, Střední ucho je současně vemi účinným zesiovačem intenzity zvuku, který pracuje na jednoduchém fyzikáním principu. Střední ucho je ohraničeno bubínkem a ováným okénkem. Zákadní trik je v tom, že bubínek má asi 0krát větší pochu než ováné okénko (60mm resp. 3mm), viz obrázek 5. Předpokádejme nejprve, že bubínek je s ováným okénkem spojen tuhou tyčkou, která pouze přenáší takovou síu zvuku na bubínek přímo na ováné okénko, viz obr. 6. bubínek ováné okénko S 1 S p F 1 1 F p Obr. 6 Pak zřejmě patí F p S 1 p F p S ps 1 1, S kde p 1 a p jsou přísušné akustické taky. Vzhedem k tomu, že ováné okénko (S ) je asi 0krát menší než bubínek (S 1 ), je tak na ováné okénko 0krát vyšší, než původní akustický tak na bubínek. Ve skutečnosti středoušní kůstky nepřevádějí takovou síu z bubínku na ováné okénko ve stejné veikosti, ae pracují jako páka se zesíením asi 1,5krát. Cekově je tedy akustický tak ve středním uchu zesíen přibižně 30krát. Intenzita zvuku je úměrná druhé mocnině ampitudy akustického taku, tedy intenzita je zesíena téměř 1000krát, tj. o 30 db. Závěr Obr. 5 Fyzika popisuje svět koem nás. Přesto se, paradoxně, často žákům jeví jako abstraktní a od reaity odtržená věda. Využití příkadů popisujících dobře známé jevy z bezprostředního okoí žáků může být pro žáky nejen zajímavé a atraktivní, ae může zvýšit respekt k fyzice jako takové. Obast živé přírody a idské těo zejména patří k nejvhodnějším objektům pro žákovské fyzikání zkoumání. Posíení nyní tak propagovaných mezipředmětových vztahů je jen daším bonusem navíc. 53