آموزش فیزیک بدن انسان – به زبان ساده

فیزیک متابولیسم و انرژی در بدن انسان

متابولیسم فرایند دریافت انرژی، ذخیره و مصرف آن در سلول‌های بدن انسان است. متابولیسم به واکنش‌های آنابولیسم و کاتابولیسم تقسیم می‌شود. واکنش‌های آنابولیسمی از انرژی برای ترکیب مولکول‌های ساده و سنتز ترکیبات جدید استفاده می‌کنند. واکنش‌های کاتابولیسمی پیوند بین ترکیبات را تجزیه و مولکول‌های ساده تولید می‌کنند. این انرژی صرف فعالیت اندام‌های بدن، ثابت نگه داشتن دمای بدن، حرکات، تولید مولکول‌های ذخیره انرژی و رشد می‌شود. انرژی بدن از شکست پیوند مولکول‌های مواد غذایی و مولکول‌های ذخیره انرژی (چربی و گلیکوژن) تامین می‌شود و به شکل گرما و کار آزاد می‌شود. در این بخش از مطلب مجله فرادرس ابتدا تغییر انرژی در بدن و سپس نرخ متابولیسم را توضیح می‌دهیم.

مدل بدن انسان که با پیچ و مهر و چرخ دنده طراحی شده است

تغییر انرژی در بدن

جریان انرژی در بدن را می‌توان بر اساس قانون اول ترمودینامیک و از $$\triangle U = Q-W$$ محاسبه کرد. در این معادله $$\triangle U$$ تغییر انرژی ذخیره شده، Q جریان گرما و W کار انجام شده در بدن را نشان می‌دهد. جریان گرما مجموعه گرمای ایجاد شده در واکنش‌های متابولیسمی ($$Q_{met}$$) و گرمای آزاد شده ($$Q_{loss}$$) از راه تابش، همرفت، رسانش و تبخیر است. مقدار عددی گرمای ایجاد شده مثبت و مقدار عددی گرمای آزاد شده منفی است. در نتیجه انرژی ذخیره شده در بدن را می‌توان از معادله $$\triangle U= Q_{met}+Q_{loss} - W$$ و تغییرات انرژی در واحد زمان یا آهنگ تغییر انرژی را از معادله $$ \frac{d U}{dt}= \frac{dQ_{met}}{dt}+\frac{dQ_{loss}}{dt} - \frac{dW}{dt}$$ محاسبه کرد.

تغییرات انرژی در بدن را معمولا با کالری و کیلوکالری نشان می‌دهیم. هر کالری برابر با ۴٫۱۸۴ ژول است. بخشی از جریان گرما صرف تغییر دمای بدن می‌شود. ظرفیت گرمایی کمیتی است که انرژی لازم برای ۱ درجه سانتی‌گراد افزایش دمای یک جسم (بدن) را نشان می‌دهد. ظرفیت گرمایی انرژی لازم برای افزایش دمای یک گرم یا یک میلی‌لیتر ماده را نشان می‌دهد. این کمیت به ویژگی‌های ساختاری ماده بستگی دارد. ظرفیت گرمایی را می‌توان از معادله زیر محاسبه کرد. در این معادله c ظرفیت گرمایی ویژه، Q جریان گرما در بدن، m جرم بدن و $$\triangle T$$ تغییرات دما را نشان می‌دهد.

$$Q= mc\triangle T$$

با وجود اینکه بیشتر وزن بدن انسان از آب تشکیل شده است، ظرفیت گرمایی ویژه آن از آب کمتر است. ظرفیت گرمایی ویژه بدن ۰٫۸۳ $$\frac{cal}{g ^\circ c}$$ است. در نتیجه ۸۳ کیلوکالری انرژی برای ۱ درجه افزایش دمای فردی با وزن ۱۰۰ کیلوگرم نیاز است. این انرژی در یک کف دست نان وجود دارد. اما به دلیل وجود مکانیسم‌های از دست دادن گرما، دما بدن پس از مصرف یک تکه نان افزایش نمی‌یابد.

نرخ متابولیک بدن انسان چیست؟

نرخ متابولیک (MR) یا میزان سوخت و ساز مقدار انرژی است که بدن در واحد زمان مصرف می‌کند. نرخ متابولیک در بدن بر اساس وزن، قد، ژن‌ها، رژیم غذایی و میزان فعالیت بین افراد مختلف و برای یک فرد در سال‌های مختلف زندگی، متفاوت است و با تغییر دمای بدن تغییر می‌کند. نرخ متابولیک پایه (BMR) میزان متابولیسم یک فرد بیدار در حالت استراحت را نشان می‌دهد. نرخ متابولیک پایه یک فرد ۷۰ کیلوگرمی تقریبا ۷۰ کیلوکالری در ساعت، معادل ۸۱ وات است. در نتیجه بدن ما حتی در حال استراحت معادل یک لامپ ۱۰۰ وات گرما تولید می‌کند. BMR پستانداران را می‌توان بر اساس جرم بدن و از معادله زیر محاسبه گرد. در این معادله c مقداری ثابت و برابر ۹۰ $$\frac{kcal}{kg^{\frac{3}{4}}}$$ و M وزن بدن است.

$$BMR=Cm_b^\frac{3}{4}$$

BMR انسان‌ها علاوه بر وزن به عوامل دیگری بستگی دارد. این کمیت را می‌توان با در نظر گرفتن قد، وزن و سن با معادله زیر محاسبه کرد. در این معادله m وزن با واحد کیلوگرم، H قد با واحد سانتی‌متر، Y سن با واحد سال، $$BMR_m$$ متابولیسم پایه مردان و $$$$ متابولیسم پایه زنان را نشان می‌دهد.

$$BMR_m = 66.4730 + 13.7516m + 5.0033H − 6.75505Y$$

بر اساس معادله بالا متابولیسم پایه جوانان بیشتر از سالمندان است. با افزایش وزن BMR کاهش می‌یابد و هر چه قد فرد بلندتر و وزن آن کمتر باشد، متابولیسم پایه بیشتری دارد. BMR زنان باردار، افرادی که تب دارند، افرادی که در شرایط استرس هستند و در دمای هوای بسیار بالا، بیشتر از مقدار محاسبه شده با معادله بالا و BMR افرادی که بسیار گرسنه هستند، چند ساعت چیزی نخورده‌اند یا سوتغذیه دارند، کمتر از مقدار محاسبه شده با معادله بالا است.

فیزیک دستگاه تنفس

دستگاه تنفس انسان از لوله‌های تنفسی و ریه‌ها تشکیل شده است. حفره‌های بینی، حلق، حنجره، نای، نایژه‌ها، نایژک‌ها، آلوئول‌ها و ریه‌ها بخش‌های دستگاه تنفس هستند. نای لوله تنفسی متصل به حلق است که در قفسه سینه به دو نایزه چپ و راست تقسیم می‌شود. هر نایژه به نایژه‌های کوچک‌تری تقسیم می‌شود که وارد یکی از لوب‌های ریه می‌شود. این تقسیمات چند مرتبه دیگر تکرار و در نهایت کیسه‌های هوایی در انتهای نایژه‌ها تشکیل می‌شود. این دستگاه علاوه بر تبادل گازهای تنفسی به تنظیم pH بدن و دمای بدن نقش دارد. به طور معمول در هر دقیقه ۶ لیتر هوا وارد ریه‌های انسان می‌شود که مخلوطی از گازهای اکسیژن، دی‌اکسید کربن، نیتروژن و بخار آب است. در هر دقیقه همین حجم هوا با درصد متفاوت ترکیب گازها از ریه‌ها خارج می‌شود.

دستگاه تنفس انسان – به زبان ساده + اجزا و ساز و کار

فیلم آموزش فیزیک بدن انسان یا فیزیک پزشکی در فرادرس

آلوئول‌ها محل اصلی تبادل گازهای اکسيژن و دی‌اکسید کربن با خون هستند. اطراف هر آلوئول تعداد زیادی مویرگ خونی وجود دارد. در هر ریه میلیون‌ها آلوئول وجود دارد که در ساختارها خوشه‌ای کنار هم قرار گرفته‌اند و با منفذ کوچکی با هم در ارتباط هستند. قطر هر آلوئول تقریبا ۰٫۲ تا ۰٫۳ میلی‌متر و ضخامت دیواره آن تقریبا ۰٫۴ میکرومتر است. مساحت سطح کل آلوئول‌ها تقریبا ۸۰ مترمربع و مساحت کل سطح خارجی ریه‌ها تقریبا ۰٫۱ مترمربع است. در نیجه آلوئول‌ها مساحت سطح داخلی ریه برای تبادل گازها را افزایش می‌دهند. پر شدن آلوئول‌ها با هوا در هنگام دم سبب بزرگ‌تر شدن این کیسه‌های هوایی و افزایش حجم قفسه سینه می شود.

مدل بدن انسان که ریه‌ها در آن مشخص است - فیزیک بدن انسان

اکسیژن و دی‌اکسید کربن بخشی از ترکیب هوا وخون است. به همین دلیل مقدار این گازها را با فشار جزئی بیان می‌کنیم. فشار جزئی اکسیزن در آلوئول‌ها تقریبا ۱۰۵ میلی‌متر جیوه و کمتر از فشار جزئی اکسیژن هوا است. فشار جزئی این گاز در سرخرگ‌ها تقریبا ۱۰۰ و در سیاهرگ‌ها تقریبا ۴۰ میلی‌متر جیوه است. فشار جزئی دی‌اکسید کربن در آلوئول‌ها تقریبا ۴۰، در سرخرگ‌ها تقریبا ۴۶ میلی‌متر جیوه، در سیاهرگ‌های ریه و سرخرگ‌های گردش سیستمی بدن تقریبا ۴۰ میلی‌متر جیوه و در سیاهرگ‌‌های سیستمی ۴۶ میلی‌متر جیوه است.

فیزیک آلوئول ها

کشش سطحی پدیده است که در سطح مشترک مایع با گاز و به دلیل نیروهای بین مولکولی ایجاد می‌شود. به مولکول‌های داخلی یک مایع از جهات مختلف نیرو وارد می‌شود. در نتیجه برآیند نیروهای وارد شده بر این مولکول‌ها صفر است. اما به مولکول‌های سطحی از طرف مولکول‌های کناری و پایینی نیرو وارد می‌شود و برآیند نیروهای وارد شده بر آن‌ها رو به داخل مایع است. به نیروی ایجاد شده بین مولکول‌های سطح مایع کشش سطحی گفته می‌شود. این نیرو سبب ایجاد خاصیت کشسانی در سطح مایع می‌شود.

آلوئول‌ها، کیسه‌های هوایی کروی هستند که لایه‌ای از آب سطح داخلی و خارجی آن‌ها را می‌پوشاند. کشش سطحی این کیسه‌ها به شعاع و اختلاف فشار هوای داخلی و خارجی بستگی دارد. مایع دیواره داخلی با هوا و مایع دیواره خارجی با مایع در ارتباط است. به همین دلیل کشش سطحی دیواره داخلی بسیار بیشتر از دیواره خارجی است و کشش سطحی دیواره خارجی را در محاسبات در نظر نمی‌گیریم. این کشش را می‌توان با معادله $$\triangle P = \frac{2\gamma}{R}$$ محاسبه کرد. R در این معادله شعاع، $$\triangle P$$ اختلاف فشار و $$\gamma$$ کشش دیواره کیسه‌ها است.

با در نظر گرفتن معادله بالا فشار هوا در آلوئول‌های کوچکتر بیشتر است. در نتیجه هوا از آلوئول کوچکتر به آلوئول بزرگتر منتقل می‌شود. انتقال هوا با کاهش شعاع آلوئول و کوچکتر شدن آن همراه است. این انتقال تا زمانی ادامه دارد که آلوئول کاملا جمع شود. اما این اتفاق نمی‌افتد. بین مولکول‌های آب سطح آلوئول‌ها سورفاکتانت دی‌پالمیتوئیل فسفاتیدیل کولین وجود دارد. این سورفاکتانت بین مولکول‌های آب قرار می‌گیرد و کشش سطحی آب را کاهش می‌دهد. در نتیجه فشار سطحی مستقل از شعاع آلوئول‌ها است.

فیزیک ریه های انسان

پرده جنب غشایی دو لایه از بافت پوششی است که بین لایه‌های آن با مایع سروزی پر شده است. این غشا مثل کیسه‌ای ریه‌ها را در خود جای داده است. لایه داخلی پرده جنب روی سطح داخلی ریه‌ها قرار دارد و لایه خارجی آن به دیواره داخلی قفسه سینه متصل است. خاصیت ارتجاعی ریه‌ها سبب جدا شدن دو لایه را از هم جدا می‌کند. ریه و قفسه سینه محفظه‌ای بسته از گازها است بر اساس قانون بویل در دمای ثابت با تغییر حجم گاز در یک محفظه بسته، فشار آن تغییر می‌کند. حجم قفسه سینه در دم و بازدم به وسیله ماهیچه‌های تنفسی تغییر می‌کند.

در تنفس معمولی دیافراگم منقبض و به پایین کشیده می‌شود. پایین کشیده شدن دیافراگم، استخوان‌های دنده انتهایی را پایین می‌کشد و طول قفسه سینه افزایش می‌یابد. به علاوه انقباض ماهیچه‌های ین دنده‌ای خارجی طول عقب به جلوی قفسه سینه را افزایش می‌دهد. در بازدم معمولی دیافراگم و ماهیچه‌های بین‌دنده‌ای خارجی به حالت استراحت برمی‌گردد و طول قفسه سینه کاهش می‌یابد. در بازدم عمیق انقباض ماهیچه‌های شکمی سبب بالاتر رفتن دیافراگم می‌شود و طول قفسه سینه کوتاهتر می‌شود.

مدل ریه انسان که با چرخ‌دنده و پیچ و مهره طراحی شده است

فشار مایع جنبی در حالت استراحت ریه ۴ تا ۶ میلی‌متر جیوه کمتر از فشار اتمسفر است. دلیل این اختلاف فشار خاصیت ارتجاعی ریه‌ها، کشش سطحی آلوئول‌ها، خاصیت کشسانی دیوراه قفسه سینه و نیروی گرانش زمین است. این عوامل دو لایه پرده جنب را از هم جدا می‌کنند و حجم فضای جنب را افزایش می‌دهند. افزایش حجم فضای جنب سبب کاهش فشار آن می‌شود. این اختلاف فشار مانع از روی هم خوابیدن دیواره ریه‌ها می‌شود. در این حالت فشار آلوئول‌ها برابر فشار اتمسفر (۷۶۰ میلی‌متر جیوه) است. انقباض ماهیچه‌ها اختلاف فشار بین آلوئول، فضای جنب و اتمسفر را تغییر می‌دهد.

افزایش حجم قفسه سینه در دم، حجم فضای جنب و آلوئول‌ها را افزایش می‌دهد. در این نتیجه فشار مایع جنب تقریبا ۲ میلی‌متر جیوه و فشار آلوئول‌ها تقریبا ۱ میلی‌متر جیوه کاهش پیدا می‌کند. در این حالت اختلاف فشار آلوئول‌ها و فضای جنب افزایش می‌یابد و فشار آلوئول‌ها کمتر از فشار اتمسفر است. در نتیجه هوا از بینی وارد لوله‌های تنفسی و آلوئول‌ها می‌شود. ورود هوا به سیستم تنفسی تا زمانی ادامه دارد که فشار آلوئول‌ها با فشار اتمسفر برابر شود. کاهش حجم ققفسه سینه در بازدم، حجم فضای جنب و آلوئول‌ها را کاهش می‌دهد. در نتیجه فشار مایع جنب و فشار آلوئول‌ها تقریبا ۲ میلی‌متر جیوه نسبت به دم افزایش می‌یابد. در این حالت اختلاف فشار آلوئول‌ها و فضای جنب کاهش می‌یابد و فشار آلوئول‌ها بیشتر از اتمسفر است. در نتیجه هوای آلوئول از لوله‌های تنفسی و بینی خارج می‌شود. خارج شدن هوا تا زمانی ادامه دارد که فشار آلوئول و اتمسفر برابر شود.

حجم های تنفسی در فیزیک بدن انسان

در بخش قبلی این مطلب از مجله فرادرس توضیح دادیم که تغییر حجم ریه‌ها نتیجه تغییر اختلاف فشار آلوئول و مایع جنب است. تغییر فشار ریه در مراحل مختلف تنفس معمولی و عمیق به بررسی عملکرد ریه‌ و تشخیص بیماری‌ها کمک می‌کند. حجم ریه را با دستگاهی به نام اسپیرومتر اندازه می‌گیریم. حجم تیدال مقدار هوایی است که در هر تنفس معمولی وارد ریه‌ها و از ریه‌ها خارج می‌شود. حجم تیدال در تنفس معمولی ۰٫۵ لیتر است و در بارداری افزایش می‌یابد. حجم ذخیره دم، مقدار هوایی است که پس از یک دم معمولی ، با دم عمیق علاوه بر حجم تیدال وارد ریه‌ها می‌شود و ۲٫۵ لیتر است. این حجم به کمپلیانس ریه و قدرت انقباض ماهیچه‌ها بستگی درد.

حجم ذخیره بازدم، مقدار هوایی است که پس از یک بازدم، با بازدم عمیق علاوه بر حجم هوای تیدال از ریه‌ها خارج می شود. این حجم کمتر از حجم ذخیره دمی و ۱٫۵ لیتر است. حجم ذخیره بازدمی به قدرت انقباض ماهیچه‌ها و مقاومت مسیرهای تنفسی بستگی دارد. حجم ذخیره یا حجم باقی‌مانده مقدار هوایی است که پس از یک بازدم عمیق در دستگاه تنفسی باقی می‌ماند.

حجم های تنفسی — به زبان ساده

فیلم آموزش تجهیزات پزشکی – دستگاه های تصویربرداری و قلب و عروق در فرادرس

ظرفیت‌های تنفسی از ترکیب یک یا چند حجم تشکیل شده است و به بررسی فعالیت ریه کمک می‌کند. ظرفیت حیاتی مقدار هوایی است که پس از یک تنفس عمیق از ریه‌ها خارج می‌شود و از حجم ذخیره دمی، حجم تیدال و حجم ذخیره بازدم (۴٫۵ لیتر) تشکیل شده است. ظرفیت دمی مقدار هوایی است که در یک دم معمولی و عمیق متوالی وارد ریه‌ها می‌شود. این ظرفیت از حجم تیدال و حجم ذخیره دمی تشکیل شده و ۳ لیتر است. ظرفیت باقی‌مانده عملکردی مقدار هوایی است که پس از یک بازدم معمولی از در دستگاه تنفس باقی می‌ماند. ظرفیت باقی‌مانده عملکردی از حجم ذخیره بازدمی و حجم باقی‌مانده تشکیل شده است و ۳ لیتر است. ظرفیت کلی ریه حداکثر هوایی است که پس از یک دم عمیق در ریه‌ها وجود دارد و جمع تمام حجم‌ها (۶ لیتر) تشکیل شده است.

جریان هوا در تنفس

هوا به دلیل اختلاف فشار بخش‌های مختلف در دستگاه تنفسی جریان دارد. مقدار جریان هوا به کمپلیانس ریه‌ها و مقاومت مسیرهای تنفسی بستگی دارد. کمپلیانس ریه قابلیت باز شدن ریه‌ها و قفسه سینه برای تامین اکسيژن مورد نیاز بدن است و به‌وسیله الاستیسیته این دو بخش تعیین می‌شود. کمپلیانس ریه تقریبا ۰٫۲ لیتر بر سانتی‌متر آب است و در فرد سالم با افزایش فشار کاهش پیدا می‌کند. بخش زیادی از مقاومت تنفسی به دلیل مقاومت دیواره مسیرهای تنفسی و بخش کمی از آن به دلیل ویسکوزیته بافت ریه و حرکت دیواره قفسه سینه ایجاد می‌شود. مقاومت مسیرهای تنفسی در نایژه‌های میانی بیشتر از بخش‌های دیگر است. با افزایش سن کمپلیانس ریه در افراد سالم افزایش و کمپلیانس دیواره قفسه سینه افزایش می‌یابد. به همین دلیل کار بیشتری برای باز شدن ریه‌ها در دم انجام می‌شود.

بر اساس قطر نای، ویسکوزیته هوا و دمای بدن انسان، جریان هوا در نای، بینی و حلق «یکنواخت» (Laminar) است. اما به دلیل یکنواخت نبودن دیواره، جریان هوا در بعضی از مسیرهای تنفسی «آشفته» (Turbulence) است. جریان هوای ورودی در بینی به دیواره مخاطی برخورد می‌کند. لایه مخاطی درصد بخار آب هوا و دمای آن را افزایش می‌دهد. این ویژگی مقاومت را افزایش می‌دهد. در نتیجه کار ریه در تنفس افزایش می‌یابد. جریان هوای آشفته در بازدم بخار آإ را به لایه مخلطی بر می‌گرداند. در نتیجه آب زیادی در این فرایند از بدن خارج نمی‌شود. کامپلیانس ریه را می‌توان از معادله زیر محاسبه کرد. در این معادله C کمپلیانس ریه، $$\triangle V$$ تغییرات حجم ریه و $$$$ اختلاف فشار آلوئول‌ها و مایع جنب است.

$$C= \frac{\triangle V}{\triangle P}$$

کار انجام شده در تنفس چیست؟

کار در فیزیک به معنای میزان نیرو یا انرژی است که برای جابه‌جایی یک جسم در فاصله مشخص ایجاد یا مصرف می‌شود. در زمان دم ماهیچه‌های قفسیه سینه و شکم کار مثبت انجام می‌دهند. در بازدم معمولی کاری انجام نمی‌شود. اما در بازدم عمیق ماهیچه‌ها برای کاهش حجم قفسه سینه انرژی مصرف می‌کنند. این انرژی برای غلبه بر الاستیسیته و ویسکوزیته ریه‌ها انجام می‌شود. کار انجام شده در هر دم را می‌توان از معادله زیر محاسبه کرد. در این معادله $$V_t$$ حجم هوای تیدال و C کمپلیانس ریه است.

$$W=\frac{V^{2}_t}{2C}$$

در تمرینات ورزشی سنگین ریه‌ها در بازدم کار انجام می‌دهند و سرعت تنفس و حجم تیدال افزایش می‌یابد. در نتیجه کار انجام شده در تنفس بیشتر از حالت عادی است و دستگاه تنفس می‌تواند تا ۲۵٪ کل انرژی مصرفی بدن رابه خود اختصاص دهد.

فیزیک قلب و عروق

سیستم گردش خون از خون، رگ‌ها و قلب تشکیل شده است. خون مایعی است که اکسیژن و مواد مورد نیاز برای رشد سلول را بین بافت‌ها منتقل می‌کند. رگ‌ها مسیر حرکت خون هستند و قلب منبع ایجاد جریان خون در رگ‌ها است. خون مایعی غیرنیوتونی و ناهمگن است. این مایع از پلاسما و سلول‌های خونی (گلبول‌های قرمز، گلبول‌های سفید و پلاکت‌ها) تشکیل شده است. ۹۰٪ پلاسما از آب تشکیل شده است و ویسکوزیته آن (مقاومت آن در برابر جاری شدن) با افزایش گلبول‌های قرمز افزایش می‌یابد.

گردش خون به دو بخش ششی و سیستمی تقسیم می‌شود. در سیستم گردش خون ششی، خون با اکسيژن کم از سمت راست قلب به ریه‌ها منتقل می‌شود و پس از تبادل گازها، خون با اکسیژن بیشتر به سمت چپ قلب برمی‌گردد. در گردش خون سیستمی خون با اکسیژن بالا از سمت چپ قلب به اندام‌های مختلف منتقل می‌شود و پس از تبادل گازها، خون با اکسيژن کمتر به سمت راست قلب برمی‌گردد. این سیستم از سرخرگ‌ها، مویرگ‌ها و سیاهرگ‌ها تشکیل شده است. سرخرگ‌ها خون با اکسيژن بالا و سیاهرگ‌ها خون با اکسيژن پایین را منتقل می‌کنند. مویرگ‌ها بین این دو رگ قرار دارند و با بافت ارتباط مستقیم دارند.

فیزیولوژی قلب و دستگاه گردش خون — به زبان ساده

فیلم آموزش آکوستیک پزشکی Medical Acoustics در فرادرس

سرخرگ‌ها در مسیر حرکت به بافت‌ها به شاخه‌های مختلف تقسیم می‌شود. قطر این شاخه معمولا از سرخرگ اصلی کوچکتر است. اما سیاهرگ‌ها از به هم پیوستن شاخه‌های کوچکتر ایجاد می‌شوند. جریان خون سیستم گردش خون ششی و سیستمی با هم برابر (۵ تا ۶ لیتر در هر دقیقه) است. اما فشار خون، فشار جزئی اکسيژن و فشار جرئی دی‌اکسید کربن در این دو سیستم متفاوت است. جدول زیر فشار و حجم خون سرخرگ‌ها و سیاهرگ‌ها در حالت استراحت را نشان می‌دهد. شفار خون گردش سیستمی به دلیل فاصله بیشتر اندام‌ها از قلب، بیشتر است.

	فشار (mmHg)	حجم (L)
سرخرگ‌های سیستمی	۱۰۰	۱
سیاهرگ‌های سیستمی	۲	۳٫۵
سرخرگ‌های ششی	۱۵	۰٫۱
سیاهرگ‌های ششی	۵	۰٫۴

دیواره سرخرگ‌ها از سه لایه تشکیل شده است. داخلی‌ترین لایه از سلول‌های پوششی، پروتئین‌های کلاژن و پروتئین‌های الاستین تشکیل شده است. زیر این لایه ماهیچه‌های صاف حلقوی و بافت الاستیک قرار دارد. خارجی‌ترین لایه دیواره سرخرگ‌ها از بافت پیوندی تشکیل شده است.ضخامت دیواره سرخرگ‌ها تقریبا یک‌پنجم قطر آن‌ها است. دیواره آئورت و سرخرگ‌های بزرگ از فیبرهای کلاژن و الاستین بیشتر، و دیواره سرخرگچه‌ها از بافت ماهیچه‌ای بیشتر تشکیل شده است. به همین دلیل کشش دیواره سرخرگ‌های بزرگ بیشتر از سرخرگچه‌ها است. ضخامت دیواره سیاهرگ‌ها از سرخرگ‌ها کمتر و تقریبا یک‌دهم قطر آن‌ها است. به علاوه دیواره این رگ‌ها الاستین و کلاژن کمتری نسبت به سرخرگ‌ها دارد.

مدل بدن انسان که قلب و رگ ها در آن مشخص شده است

قلب از چهار حفره تشکیل شده است. دو حفره بالایی دهلیزها و دو حفره پایینی بطن‌ها هستند. سمت راست و چپ قلب به‌وسیله تیغه ماهیچه‌ای به نام سپتوم از هم جدا می‌شود. دیواره قلب از اندوکاردیوم، میوکاردیوم و اپی‌کاردیوم تشکیل شده است. اندوکاردیوم لایه‌ای از بافت پوششی است که سطح داخلی حفره‌ها را می‌پوشاند. میوکاردیوم بافت ماهیچه قلبی است که بخش اصلی ضخامت دیواره را تشکیل می‌شده و اپی‌کاردیوم خارجی‌ترین لایه قلب است. پری‌کاردیوم غشای کیسه‌ای اطراف قلب است. این غشا از لایه فیبروزی و سروزی تشکیل شده است. لایه سروزی از لایه احشایی و محیطی تشکیل شده است. لایه احشایی روی قلب قرار دارد و لایه محیطی به لایه فیبروزی متصل است. بین لایه احشایی و محیطی مایع سروزی وجود دارد.

دهلیز و بطن راست قلب به‌وسیله دریچه سه لختی و دهلیز و بطن راست به‌وسیله دریچه میترال از هم جدا می‌شوند. این دریچه از بازگشت خون به دهلیز در زمان انقباض بطن‌ها جلوگیری می‌کنند. بطن راست به‌وسیله دریچه ششی از سرخرگ ششی و بطن چپ به‌وسیله دریچه آئورت از سرخرگ آئورت جدا می‌شود. این دریچه‌های بازگشت خون به بطن در زمان استراحت قلب جلوگیری می‌کنند.

جریان خون در فیزیک بدن انسان

جریان خون در رگ‌ها به مقاومت و کمپلیانس دیواره بستگی دارد. اختلاف فشار خون در ابتدا و انتهای رگ به جریان خون بر خلاف مقاومت و کمپلیانس به اتساع رگ با تغییر فشار کمک می‌کند. در واقع رگ مثل بادکنکی است که با افزایش فشار داخلی نسبت به خارجی حجم آن افزایش می‌یابد. مقاومت رگ‌ها به طول و قطر رگ و ویسکوزیتی خون بستگی دارد.

اگر رگ را ساختاری غیرانعطاف‌پذیر با حجم ثابت در نظر بگیریم، عامل ایجاد جریان خون اختلاف فشار ابتدا و انتهای رگ است. در این حالت می‌توانیم جریان خون رگ را بر اساس قانون اهم و معادله زیر محاسبه کنیم. در این معادله P1 فشار خون ابتدا، P2 فشار خون انتها، R مقاومت دیواره و Q جریان خون را نشان می‌دهد.

$$Q=\frac{P1-P2}{R}$$

اما اگر رگ را ساختاری کاملا انعطاف‌پذیر و بدون مقاومت در نظر بگیریم، فشار دو انتهای رگ یکسان است. در این حالت حجم رگ تغییر می‌کند. در این حالت حجم رگ را می‌توان از معادله زیر محاسبه کرد. در این معادله فشار خارج از رگ مرجع و صفر در نظر گرفته شده است. C کمپلیانس، Vd حجم اولیه رگ، V حجم و P فشار خون است.

$$V=V_d + (C\times P)$$

جریان خون در آئورت، سرخرگ‌های بزرگ و سیاهرگ‌های بزرگ بیشتر شبیه رگ‌های کاملا انعطاف‌پذیر و در سرخرگچه‌ها و سیاهرگچه‌ها بیشتر شبیه رگ‌های غیرانعطاف‌پذیر است.

فشار هیدروستاتیک و اسمزی مویرگ

گازهای تنفسی، مواد لازم برای رشد سلول‌ها و مواد زائد با انتشار ساده بین مویرگ‌ها و مایع میان‌بافتی منتقل می‌شوند. در ریه‌ها اکسيژن وارد مویرگ و در بافت‌های محیطی اکسيژن از مویرگ‌ها خارج می‌شود. تبادل مواد در مویرگ‌ها به فشار هیدروستاتیک و فشار اسمزی خون بستگی دارد. فشار هیدروستاتیک مقدار نیرویی است که از خون به هر مترمربع دیواره رگ وارد می‌شود. فشار اسمزی به دلیل اختلاف غلظت الکترولیت‌های خون و مایع میان‌بافتی ایجاد می‌شود. اختلاف جمع این دو فشار در دو سر مویرگ دلیل انتقال مولکول‌ها است.

تصویر قلب انسان که در مرکز اوربیتال‌های اتمی قرار دارد - فیزیک بدن انسان

فشار هیدروستاتیک مویرگ همیشه از مایع میان‌بافتی بیشتر است. همچنین فشار هیدروستاتیک انتهای سرخرگی مویرگ از انتهای سیاهرگی به دلیل اختلاف ویسکوزیته بیشتر است. غلظت پروتئین‌ها در مویرگ و غلظت آب در مایع میان‌بافتی بیشتر است. به همین دلیل مویرگ تمایل به دریافت آب دارد و فشار اسمزی آن از مایع میان‌بافتی بیشتر است. برآیند فشار هیدروستاتیک و اسمزی در انتهای سرخرگی به بیرون و در انتهای سیاهرگی رو به درون مویرگ است. در نتیجه اکسیژن و موادغذایی در انتهای سرخرگی وارد مایع میان‌بافتی، و دی‌اکسید کربن و مواد دفعی در انتهای سیاهرگی وارد مویرگ می‌شوند.

کار قلب

کار قلب میزان انرژی است که برای انقباض ماهیچه‌های قلب و باز شدن دریچه‌ها مصرف می‌شود. برای محاسبه این کار، بطن چپ را محفظه بسته‌ای در نظر بگیرید که با ایجاد نیروی F پیستون را به اندازه L سانتی‌متر جابه‌جا می‌کند. در نتیجه کار انجام شده را می‌توان از معادله زیر محاسبه کرد.

$$W= F \times L$$

اگر در معادله بالا نیرو را بر مساحت سطح تقسیم و جابه‌جایی پیستون را در مساحت سطح تقسیم کنیم، می‌توانیم کار قلب در هر ضربان را بر اساس تغییر حجم و فشار بطن محاسبه کنیم.

$$W= \frac{F}{A} \times (L\times A) = P\times V$$

فیزیک شنوایی انسان

در بخش‌های قبلی مطلب فیزیک بدن انسان با تغییرات انرژی بدن، دستگاه تنفس و سیستم گردش خون آشنا شدیم. در این بخش قصد داریم فیزیک شنوایی را توضیح دهیم. صوت یک موج مکانیکی است که از ارتعاش سریع اجسام ایجاد می‌شود و به طور متناوب در یک محیط الاستیک مایع، گاز یا جامد در یک جهت مشخص حرکت می‌کند. سرعت صوت به ویژگی‌های محیط بستگی دارد و از معادله $$v_s=\sqrt{\frac{C}{\rho}}$$ محاسبه می‌شود. در این معادله C مقدار ثابتی است که سختی محیط را نشان می‌دهد و $$\rho$$ چگالی محیط است. شکل صوت در فواصلی منظمی به نام طول موج تکرار می‌شود. به تکرار موج‌ها در هر ثانیه، فرکانس یا بسامد صوت گفته می‌شود و واحد آن هرتز (یک بر ثانیه | $$\frac{1}{S}$$) است. سرعت صوت با طول موج و بسامد رابطه مستقیم دارد ($$v=\lambda\times f$$).

سیستم شنوایی انسان با امواج ۲۰ هرتز تا ۲۰ کیلوهرتز تحریک می‌شود و از سه بخش خارجی، میانی و داخلی تشکیل شده است که امواج صوتی را دریافت و به جریان الکتریکی تبدیل می‌کنند.

گوش خارجی در فیزیک بدن انسان

گوش خارجی از اوریکل (لاله گوش) و مجرای خارجی شنوایی تشکیل شده است. اوریکل از بافت ماهیچه‌ای و غضروفی تشکیل شده است و شکل نامتقارنی دارد. شکل نامتقاون اوریکل به مکان‌یابی صداها کمک می‌کند. به علاوه اوریکل انرژی امواج با بسامد بالا را کاهش می‌دهد. امواج صوتی از این بخش وارد مجرای شنوایی خارجی و به گوش میانی منتقل می‌شوند. ارتفاع مجرای شنوایی تقریبا ۹ میلی‌متر، عرض آن تقریبا ۶٫۵ میلی‌متر و طول آن ب۲٫۵ تا ۳٫۵ میلی‌متر است. در این مسیر امواج صوتی تقویت می‌شوند. انتهای مجرای شنوایی خارجی پرده صماخ قرار دارد. این پرده ارتعاش امواج صوتی را به استخوانچه‌های گوش میانی منتقل می‌کند.

آناتومی گوش انسان – تصویری و به زبان ساده

فیلم آموزش فیزیک بدن انسان یا فیزیک پزشکی

گوش میانی در فیزیک بدن انسان

گوش میانی از پشت پرده صماخ شروع می‌شود. این بخش از حفره صماخی، مجرای شنوایی داخلی و سه استخوان بسیار کوچک و به هم پیوسته چکشی، سندانی و رکابی تشکیل شده است. ارتعاشات از پرده صماخ به استخوان چکشی، از استخوان چکشی به استخوان سندانی، از استخوان سندانی به استخوان رکابی و از استخوان رکابی به گوش منفذ بیضی داخلی منتقل می‌شود. اگر گوش میانی وجود نداشت، امواج صوتی مستقیم از مجرای شنوایی خارجی به منفذ بیضی منتقل می‌شد. منفذ بیضی سطح بسیار کمتری از پرده صماخ دارد. به همین دلیل بخش بسیار کمی از صوت را به مایع حلزونی منتقل می‌کرد و حساسیت گوش ۳۰ دسی‌بل (dB) کاهش می‌یافت.

گوش میانی مثل قیفی است (از پرده صماخ با سطح بیشتر تا منفذ بیضی با سطح کوچکتر) که فشار صوت بر منفذ بیضی را افزایش می‌دهد. نیروی انتقالی از پرده صماخ به استخوان رکابی را می‌توان از معادله زیر محاسبه کرد. در این معادله F نیرو، A مساحت سطح و P فشار صوت است. در این معادله e نشان‌دهنده پرده صماخ و s نشان‌دهنده استخوان رکابی است.

$$F_e=P_e\times A_e = F_s=P_S\times A_s$$

از معادله بالا به $$P_s=\frac{A_e}{A_s} \times P_e$$ می‌رسیم. مساحت سطح پرده صماخ ۵۵ میلی‌متر مربع و مساحت سطح استخوان رکابی ۳٫۲ میلی‌متر مربع است. در نتیجه اگر تنها استخوان رکابی در گوش میانی وجود داشت، فشار صوت استخوان رکابی ۱۷ برابر فشار صوت پرده صماخ بود. اما استخوان‌های چکشی و سندانی مثل اهرمی هستند که نیرو را به استخوان رکابی منتقل می‌کنند. گشتاور نیروی ایجاد شده به‌وسیله استخوان چکشی و سندانی با هم برابر است و از معادله $$F_e\times L_1=F_s\times L_2$$ محاسبه می‌شود. در این معادله $$P\times A$$ را جایگزین F کرد ($$Pe\times A_e\times L_1=P_s\times A_s F_s\times L_2$$). طول استخوان چکشی تقریبا ۹ میلی‌متر و طول استخوان سندانی تقریبا ۷ میلی‌متر است. نسبت طول این دو استخوان ۱٫۳ است. با توجه به معادله زیر، فشار صوت استخوان رکابی ۲۲ برابر فشار صوت پرده صماخ است.

$$P_s=\frac{A_e}{A_s}\times \frac{L_1}{L_2}\times P_e= 22 P_e$$

انعکاس شنوایی، مکانیسمی است که با انقباض ماهیچه‌های متصل به استخوانچه‌ها، مانع انتقال صوت به منفذ بیضی می‌شود. این مکانیسم از گوش در برابر صداهای خیلی بلند محافظت می‌کند. به علاوه این مکانیسم انتقال امواج صوتی با بسامد پایین در پس زمینه صداهای بلند را کاهش می‌دهد.

گوش داخلی در فیزیک بدن انسان

گوش داخلی از مجرای حلزونی، مجاری نیم‌دایره‌ای و اعصابی تشکیل شده که جریان الکتریکی را به مغز منتقل می‌کنند. مجاری نیم‌دایره‌ای در حفظ تعادل و مجرای حلزونی در شنوایی نقش دارد. حلزونی مجرایی استخوانی و پیچ‌خورده است. شکل باز شده حلزونی استوانه‌ای است که تقریبا ۲ میلی‌متر قطر و ۳۵ میلی‌متر طول دارد. کیسه‌ای غشایی به نام اسکالای میانی در حلزونی وجود دارد که این مجرا را به دو بخش تقسیم می‌کند. نیمه بالایی این کیسه ا اسکالا وستیبولار و نیمه پایینی آن اسکالا تیمپانی نام دارد. این دو بخش از مایع پری‌لنف پر شده است و در راس حلزونی با هم در ارتباط هستند. اسکالای میانی از مایع اندولنف پر شده است و گیرنده‌های شنوایی دربخش قرار دارند. ارتعاشات از استخوان رکابی به مایع پری‌لنف، از پری‌لنف به اندولنف و از اندولنف به گیرنده‌های شنوایی منتقل می‌شود.

ورود امواج صوتی به گوش انسان - فیزیک شنوایی

غشای باسیلار بین اسکلای میانی و اسکالا تیمپانی، و «غشای ریسنر» (Reissner's Membrane) بین اسکالای میانی و اسکالا وستیبولار قرار دارد. در غشای باسیلار بخشی به نام جسم کورتی وجود دارد. گیرنده‌های شنوایی یا سلول‌های مویی در جسم کورتی قرار دارند. این گیرنده‌ها سلول‌های استوانه‌ای با سطح مژکدار هستند که به انواع داخلی و خارجی تقسیم می‌شوند. تفاوت این سلول‌ها آرایش مژک‌ها است. سلول‌های مویی داخلی ارتعاشات را به جریان الکتریکی تبدیل و به مغز منتقل می‌کنند. سلول‌های مویی خارجی در تقویت و تغییر بسامد صدا نقش دارند.

سطح و انعطاف‌پذیری غشای باسیلار از قاعده (نزدیک منفذ بیضی) به راس افزایش می‌یابد. سلول‌های مویی بخش‌های ابتدایی این غشا به‌وسیله امواج صوتی بسامد بالا و سلول‌های مویی بخش‌های انتهایی به‌وسیله امواج بسامد پایین تحریک می‌شود. هر چه بسامد و شدت صوت بیشتر باشد، سرعت تحریک نورون‌ها و انتقال جریان الکتریکی به مغز بیشتر است.

فیزیک چشم و بینایی

چشم انسان از از ساختارهایی تشکیل شده است که نور را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کنند. قرنیه، محفظه جلویی، مردمک، عنبیه، محفظه پشتی، عدسی، و شبکیه بخش‌های مختلف چشم هستند. محفظه جلویی، عقبی و فاصله بین عدسی تا شبکیه از زلالیه و زجاجیه پر شده است. زلالیه مایعی شفاف شبیه پلاسمای خون است که پروتئین‌های کمتری دارد و محفظه جلویی و عقبی چشم را پر می‌کند. زجاجیه ماده‌ای بی‌رنگ و ژله‌ای است که از آب، فیبرهای کلاژن و هیالورونیک‌اسید تشکیل شده است. این ماده فضای پشت عدسی و شبکیه را پر می‌کند. نور از قرنیه وارد کره چشم می‌شود و پس از عبور از زلالیه، مردمک، عدسی و زجاجیه به سلول‌های عصبی شبکیه می‌رسد. قرنیه و عدسی نقش مهمی در متمرکز کردن نور روی شبکیه دارند.

قرنیه: قرنیه بخش شفاف جلوی چشم است که از لایه‌های بافتی متفاوت تشکیل شده. ضخامت قرنیه در مرکز کمتر از نواحی محیطی و قطر افقی آن بیشتر از قطر عمودی است. اپیتلیوم خارجی، غشای پایه، لایه بومن، استروما، غشای دسمه و اپی‌تلیوم داخلی، لایه‌های قرنیه از خارج به داخل هستند. استروما ضخیم‌ترین لایه قرنیه است که از ۵۰ لایه فیبرهای کلاژن موازی با سطح قرنیه تشکیل شده است. لایه ۷ تا ۱۰ میکرومتری اشک، سطح خارجی قرنیه را می‌پوشاند. این لایه بی‌نظمی‌های نوری سطح قرنیه را کاهش می‌دهد و اکسیژن لازم برای بافت‌ها را تامین می‌کند. دو-سوم شکست نور بر عهده این ساختار و ضریب شکست آن حدود ۱٫۳۳۷۱ است. این شکست به دلیل اختلاف زیاد ضریب شکست هوا (۱) و قرنیه ایجاد می‌شود.
عدسی: عدسی ساختاری است که بیشتر وزن آن از آب و پروتئین‌ها تشکیل شده است. این ساختار به‌وسیله فیبرهای زونولار به ماهیچه‌های مژگانی چشم متصل و پشت عنبیه معلق است. لایه‌های محیطی عدسی از سلول‌های جدید و لایه‌های مرکزی آن از سلول‌های مرده با فیبرهای کریستالین تشکیل شده است. اختلاف ضریب شکست عدسی با زلالیه و زجاجیه کم و یک‌سوم شکست نور به دلیل وجود این ساختار است. شکل و فاصله کانونی عدسی چشم برای دیدن اجسام در فواصل مختلف تغییر می‌کند. ضریب شکست عدسی در مرکز حدود ۱٫۴ تا ۱٫۴۱، در دو طرف بالا و پایین حدود ۱٫۳۸۵ و ۱٫۳۸۸ و در دو طرف چپ و راست حدود ۱٫۳۷۵ است.

آناتومی چشم انسان – به زبان ساده + اجزا، مکانیسم و بیماری ها

فیلم آموزش بیوفیزیک Biophysics در فرادرس

محور بینایی چشم خطی فرضی است که از جسمی شروع می‌شود که روی آن تمرکز کرده‌اید، از مرکز مردمک عبور می‌کند و در فرورفتگی شبکیه تمام می‌شود. محور نوری چشم خطی فرضی است که از مرکز قرنیه، مردمک و عدسی عبور می‌کند و در شبکیه تمام می‌شود.

فیزیک تشکیل تصویر در چشم انسان

قرنیه و عدسی چشم، عدسی‌های محدبی هستند که فاصله کانونی مثبت دارند. در نتیجه تصویر واقعی و معکوس روی شبکیه تشکیل می‌دهند. فاصله کانونی عدسی طبیعی و عدسی‌های اصلاحی چشم را با واحد دیپوتر (D) مشخص می‌کنیم. این واحد برابر $$\frac{1}{m}$$ است. تنها نیمی از نور مرئی ورودی به چشم به شبکیه می‌رسد. نیم دیگر از سطح مشترک ساختارهای چشم منعکس، جذب یا پراکنده می‌شود. نورهای پراکنده حتی اگر به شبکیه برسند، در تشکیل تصویر شرکت نمی‌کنند.

سطح بین هوا و قرنیه، قرنیه و زلالیه، زلالیه و عدسی، و عدسی و زجاحیه چهار سطح بازتاب‌دهنده چشم است. ساختار اپتیکی چشم را با مدل‌های مختلفی بررسی می‌کنند. در بعضی این مدل‌ها تمام سطح بارتاب‌دهنده چشم برای تشکیل تصویر در نظر گرفته می‌شود. در بعضی از مدل‌ها چند سطح بارتاب‌دهنده با هم ادغام می شوند و در مدل‌های ساده یک سطح بارتاب‌دهنده در چشم در نظر گرفته می‌شود. در ساده‌ترین مدل ساختارهای نوری چشم به عنوان یک عدسی محدب نازک در نظر گرفته می‌شود و به آن مدل «چشم کاهش‌یافته» (Reduced Eye) گفته می‌شود. در این مدل سطح بازتاب‌دهنده با قرنیه ۱٫۴ میلی‌متر فاصله دارد. توان عدسی چشم در این مدل ۵۹ دیوپتر است.

فاصله صفحه تشکیل تصویر (شبکیه) و جسم تا عدسی در چشم امکان‌پذیر نیست به همین دلیل برای تشکیل تصویر در فواصل مختلف فاصله کانونی عدسی با انقباض ماهیچه‌های مژگانی تغییر می‌کند. در این مدل اگر فاصله جسم تا عدسی کم باشد، بخشی از نورهای منعکس شده از جسم از نقطه کانونی و بخشی دیگر از مرکز عدسی عبور می‌کند. این پرتوها روی شبکیه متمرکز و تصویر تشکیل می‌شود. در این حالت ماهیچه‌های مژگانی منقبض هستند. اما وقتی جسم در فاصله بسیار دور از عدسی چشم قرار دارد، پرتوهای منعکس شده از جسم موازی به محور نوری به وارد عدسی و در نقطه کانونی متمرکز می‌شوند. اگر قطر عدسی زیاد باشد فاصله کانونی و تصویر روی شبکیه تشکیل نمی‌شود. به همین دلیل برای دیدن اجسام دور قطر عدسی کاهش می‌یابد. در این حالت ماهیچه‌های مژگانی در حالت استراحت قرار دارند.

فیزیک دستگاه عصبی

در آخرین بخش فیزیک بدن انسان دستگاه عصبی را بررسی می‌کنیم. ولتاژ ایجاد شده در یک فلز به دلیل حرکت الکترون‌ها جریان ایجاد می‌کند. ولتاژ ایجاد شده در یک مایع با یون‌های مثبت و منفی به دلیل حرکت این یون‌ها جریان ایجاد می‌‌کند. مایعات بدن انسان از کاتیون‌ها (سدیم، پتاسیم، پروتون، منیزیم و کلسیم) و آنیون‌هایی (کلر، بی‌کربنات و فسفات) تشکیل شده است که تغییر غلظت آن‌ها در دو طرف غشای سلول اختلاف پتانسیل الکتروشیمیایی ایجاد می‌کند. ماهیچه‌ها و نورون‌های سیستم عصبی بدن انسان، سلول‌هایی هستند که فعالیت آن‌ها به تولید و هدایت جریان الکتریکی بستگی دارد.