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人体上的物理学,人体与物理

2019-09-22 16:24

你知道吗?我们人体就是一台充分运用物理知识装备起来的机器,它的许多部位或器官都是物理知识运用的体现。

1眼睛

眼睛

眼睛是我们观察外界的窗口。眼球可以简化为有前部凸出的透明角膜、含纤维胶质的透明囊状晶状体、无色透明的液体、视网膜以和无色透明胶状玻璃体等组成。它们有共同的作用,即相当于一个凸透镜。从物体射出的光线进眼里,经过一个凸透镜折射,最后在视网膜上出现倒立、缩小的实像,光会刺激分布在视网膜上的细胞,然后通过视神把信号经传给大脑,于是我们就这样看见了物体。我们的眼睛不但能看清近处的物体,还可以看清远处的物体,当物体与我们眼睛的距离改变时,眼睛会自动改变晶状体表面的弯曲程度从而改变晶状体的焦距,实际上,眼睛就是一种自动的变焦系统。当然,眼睛这种自动调节焦距的功能是有限的。比如近视眼就不能单靠自身的调节来看清远处的物体,必须配上合适的凸透镜来辅助眼睛调节,这样就可以清晰地看到远处的物体了。

眼睛是人们观察世界的窗口。它是由在眼球前部凸出的坚韧的透明角膜、含有纤维胶质的透明囊状的晶状体、无色透明的水样液、视网膜及无色透明的胶状玻璃体构成的。它们的共同作用相当于一个凸透镜。从物体射进眼里的光线经过一个凸透镜折射后,在视网膜上形成倒立、缩小的实像,刺激分布在视网膜上的感光细胞,通过视神经传给大脑,于是我们就看见了物体。眼睛不仅能看见近处的物体,而且还能看清远处的物体,当物距改变时,它能靠改变晶状体表面的弯曲程度来改变眼睛这个凸透镜的焦距,因此,眼睛实际上是一种精巧的变焦系统。当然,眼睛这种调节焦距的调节功能是有限的。近视眼就不能仅靠自身的调节,而必须配以合适的凸透镜来帮助调节,从而达到看清周围物体的目的。

2牙齿

牙齿

人的牙齿是我们还在母胎的第八周左右就开始在胎儿的牙槽骨里生长了,在婴儿出生后的六个月左右,乳牙就开始萌发了,等到二周岁时候,二十颗乳牙全部长出。然而,就在母胎的第三个月,人的牙齿就出现了细微的、明确的物理分工。

人的牙齿早在母胎的第二个月就开始在胎儿的牙槽骨里生长,在婴儿出生后的七个月左右,开始有乳牙萌出,直至二周岁左右,二十只乳牙全部萌出。然而,就从母胎的第二个月开始,人的牙齿就有了细微的、明确的物理分工:门牙又叫切牙,共有四对,它长得扁扁的,宽宽的,像一把刀,是专门用来咬断食物的,门牙的横截面外表很窄,好像刀口,用相同的力,能产生较大的压强,容易切断食物。尖牙又叫犬牙,嘴角两边各有一对,像钩子一样,也能产生很大的压强,它的功能主要是撕碎食物。磨牙又叫盘牙或臼牙。它长得特别粗壮,圆圆的,上面还有些凹凹沟沟,完全像磨豆浆用的磨子一样靠压强和磨擦把食物嚼碎磨细。无论是完整的还是撕碎的食物,最后都要经磨牙加工吞入食道。

2.1门牙,共有八颗,它长得比较扁,比较宽,好像一把刀,主要的分工是用来咬断食物,门牙的外表横截面积比较小,好像刀口,可以产生很大的压力,能够轻易地切断食物。

耳朵

2.2尖牙通常又叫犬牙,嘴角两边各有一对,有点像钩子,也可以产生很大的压力,它的主要功能是撕碎食物。

人耳是由外耳、中耳和内耳三个部分组成。外耳是由耳廓和外耳道组成。声音是由物体的振动而产生的一种声波,这种声波首先由喇叭状的耳廓收集进来。(有些动物的耳廓可以向各个方向转动,更有利于声波的收集,但人类耳廓上的肌肉已经退化了,所以不能活动。)

2.3磨牙,又叫盘牙。它长得很粗壮,圆圆的,上面还有些凹凹沟沟,有点像磨豆浆的磨子一样靠强大的压强和磨擦力把食物嚼碎磨细。无论是完整的还是碎了的食物,在经过牙齿的加工之后都可以进入食道,然后顺利的进入胃。其中,人的牙齿用到了物理中的压强知识。人的犬牙比较尖,磨齿的牙冠有尖状突起,这些都是减少受理面积,随着进化形成的,通过增大压强的办法使人便于咬断食物或把食物嚼碎。

中耳包括鼓膜,鼓室和听小骨。鼓膜在外耳道的末端,是一片椭圆形的薄膜,厚仅0.1mm,当外耳的声波通过空气的振动传入时,使鼓膜振动,把声波转变成多种振动的“密码”,传向后面的鼓室。鼓室是一个能使声音变得柔和而动听的小腔,腔内有3块听小骨。听小骨能把鼓膜的振动传给内耳,传导过程还像放大器一样,把声音信号放大十倍,所以即使很轻微的声音人们也能听到。内耳是听觉神经最末梢的部分,中耳传来的声波,刺激听神经的末梢,使之兴奋,经过听神经传至大脑后,就能分辨出各种各样的声音。

3耳朵

皮肤

人耳由三个部分组成,分别是外耳、中耳和内耳。外耳分别由耳廓和外耳道组成。声音来源与物体的振动,通过振动而产生的声波,这种声波首先由耳廓收集进来。有些动物的耳廓可以向各个方向转动,这样有利于声波的收集,但人类耳廓上的肌肉比较坚硬,所以不能像有的动物一样自由的活动。中耳包括三部分,鼓膜、鼓室和听小骨。鼓膜位于外耳道的末端,是一片椭圆状的薄膜,厚度大约为0.1mm,当声波通过空气振动传入外耳时,促使鼓膜振动,把声波转变成多种振动的“密码”,之后传到后面的鼓室。鼓室是一个能把声音变得柔和的小腔,腔内有三块听小骨。听小骨能把鼓膜的振动的信号传给内耳,传导过程有点像放大器,可以把声音信号放大十倍左右,所以即使是轻微的振动,人们也能听到它发出的声音。内耳是听觉神经最末梢的部分,当中耳传来的振动时,振动会刺激听神经的末梢,使之产生兴奋,经过听神经传把信号至大脑,经过大脑综合分析,就能分辨出各种各样的声音了。

皮肤这个最大的器官是人体的第一道防线。表面积一般大约在1.4~1.6m2之间,其重量约占体重的6%左右。

4皮肤

皮肤由表皮、真皮和皮下脂肪层三部分组成。皮下脂肪层就好像是人体表面覆盖的一层棉被似的软垫,具有很好的弹性。当人体受到碰撞时,有缓冲作用,可以防止内脏和骨骼又受到外界的直接侵害。

皮肤是人体的第一道防线。表面积一般大约在1.4~1.6平方米之间,其重量大约占体重的6%。皮肤由表皮、真皮和皮下脂肪层三部分组成。在皮下脂肪层就好像是人体表面覆盖的一层棉被似的软垫,有很好的弹性。当人体受到碰撞时,起到缓冲的作用,可以保护内脏和骨骼受到外界的直接侵害。不过皮肤最突出的物理作用在于散热和保温作用。当外界温度升高时,皮肤中的血管就会扩张、充血,血液就会带着热量通过皮肤并向空气发散,同时汗腺也分泌汗液,通过汗液的蒸发可以带走体内多余的热量。当外界寒冷时,皮肤的血管就收缩,血量减少,皮肤温度降低,散热放慢,有助于体温保持恒定。

皮肤最突出的物理作用是散热和保温作用。当外界温度升高时,皮肤的血管就扩张、充血,血液就带着体热通过皮肤向空气发散,同时汗腺也大量分泌汗液,通过汗液的蒸发带走体内多余的热量。当外界寒冷时,皮肤的血管就收缩,血量减少,皮肤温度降低,散热放慢,有助于体温保持恒定。

5关节

关节

关节是人体骨骼的重要连接方式和精密的连接结构,它架起了我们身体,它是骨骼这一杠杆运动的巧妙支点。在各个骨骼连接处的骨面十分光滑,表面覆盖着透明软骨构成的关切软骨,它可以增强光洁度和减少摩擦。且两块关节软骨间的摩擦系数比滑冰时冰刀和冰的摩擦系数还要小。不同部位的关节,功能不同,关节的结构也不相同,例如肘关节是向内运动的,利于提拉重物,膝关节只能向后屈而不能前翻,同时使腿后蹬有力。无处不体现着物理知识的运用。

关节是人体骨骼的重要连接方式和精密的连接结构,它是骨骼这一杠杆运动的巧妙支点。各块骨连接处的骨面十分光滑,表面覆盖着透明软骨构成的关切软骨,以增强光洁度,减少摩擦。据说,两块关节软骨间的摩擦系数比滑冰时冰刀和冰的摩擦系数还小。

6人如何走路

当然,不同部位的关节,功能不同,关节的结构也不完全相同,如肘关节是向内运动的,利于提拉重物,膝关节只能向后屈而不能前翻,同时使腿后蹬有力。

在平坦的马路上,都可以大步向前走。对于一个健康的人,走路并不是什么难事,但有没有没人想过走路的原理?对于这个问题,有的人会觉得好笑。人只要有气力,不就可以往前走了吗?但事实上,问题并不那么简单。你试一个动作:挺直身体,背靠着墙站在地上。把一只脚抬起来,向前迈步,要求身体不离开墙壁,这时候另一只脚是跨不出去的。如果抬起来的脚向前迈出去一步,回头望一下,这时候身体已经离开墙壁。这说明,人身体向前移动的时候,一定需要一种外力。如果这个力比较小,走路就会遇到困难,不容易向前移动。比如,在光滑的冰面上,人们就不用迈得很大步,只要小心翼翼地挪动双脚就可以向前推进。现在,请你回答一下,如果后脚向后蹬了一下。请从物理的角度来分析,在人体给了地面一个向后的力时,地面会不会也给人体一个向前的力。事实上,正是这个力使人体向前移动了。脚蹬地面,这是一个向后的作用力;同时地面给人体一个向前的力,这是反作用力。反作用力表现为摩擦力。通常,作用力和反作用力大小正好相等,方向相反。因此,我们走路并不觉得困难。但是,当人在冰面上行走时,冰面比较光滑,给人的摩擦力要小得多,如果你仍然像在地面上走路那样用力,向后蹬的力与摩擦力不平衡,如果后脚要向后滑,人就容易跌跤。

除以上器官外,人体内血压和心跳速率的关系,结构巧妙的换气站──肺和肺泡等器官,无处不体现着物理知识的运用。

7人体的熵变过程

人的生长过程是单向的自发的不可逆过程,所以熵一定增加。那么我们的生命组织应该如何避免衰退呢?经前人研究,饮食、呼吸、排泄等,在与外界进行物质和能量的交换时。这些物质和能量会给身体带来负熵,使整个系统的有序性的增加大于无序性的增加,以至于新的结构和新的组织能自发地形成,我们称为“耗散结构”。所以生命系统是一个开放的系统,在不断地向体外排熵同时又不断从外界得到“负熵”,使人体的熵保持稳定,保证生命系统的熵不变或减少,即△S≤0,从而维持有机体一定的正常秩序。生命体就是一个“耗散结构”,如果有机体要正常生长,就要求系统熵不增加,生命体的新陈代谢导致熵产生,同时在消耗着负熵。为了维持熵不变,有机体要向外排出熵并吸取负熵。机体可以通过吸收能量将外界的无序经过加工变成自身的有序,也可以通过吸收碳水化合物将外界的有序变成自身的有序。有机体生成过程是从外界吸收这些低熵物质并消耗满足生命活动所需要的,同时产生大量的废物等高熵物质,如尿、粪便等物质排出体外。吸收的负熵大于产生的熵.即△S≤0,这时候生命体就能正常生长。

8疾病与熵

人体维持正常状态时△S≤0,人体系统△S>0时,人不是衰老就是出现病变。在此可以用熵的理论解释人体的疾病。中医认为人体的致病因素是多种多样的,主要有六淫、七情、疫气、饮食、劳倦以及外伤等,这些因素在一定条件下都可使人发生疾病。人体各脏腑组织之间,以及人体与外界之间既对立又统一,它们在不断地产生矛盾而又解决矛盾的过程中维持着相对的动态平衡,从而保持着人体正常的生理活动,即△S≤0。当这种动态平衡因某种原因而遭到破坏,又不能立即自行调节得以恢复时,人体就会发生疾病。

8.1六淫致病六淫,即风、寒、暑、湿、燥、火六种外感病邪的统称。风、寒、暑、湿、燥、火,在正常情况下,称为“六气”,是自然界六种不同的气候变化。因为人们在生活实践中逐步认识它,并产生了一定的适应能力,所以正常的六气不易使人致病。当气候变化异常,六气发生太过或不及,以及气候变化过于急骤,在人体的正气不足、抵抗力下降时,六气才能成为致病因素,侵犯人体发生疾病,这种情况下的六气,称为“六淫”。六淫致病多与季节、气候、居处环境有关。当机体感受阳邪时,体内各组织新陈代谢加快,产生比正常情况下更多的废热,为了维持系统熵不增加,人体必须通过皮肤的毛孔或尿液等加速向外排出废热。如果这时突然感受风邪,使毛孔收缩,阻止体内热量排出。或者体内水分不够,不能将废热以汗或尿液等的形式排出,这样体内原来产生的熵不能排出,又产生了新的熵,使体内积熵大大超过了正常值,造成△S>0,系统的无序增加,从而发病;当机体感受阴邪时,人体的卫阳被遏,气血津液不能通畅,气机被阻,排出物及分泌物多不畅,不能使体内的熵及时排出,从而造成体内的熵增加而致病。

8.2七情致病七情既喜、怒、忧、思、悲、恐、惊七种情志变化,是机体的精神状态,在正常情况下,一般不会使人致病。只有突然、强烈或长期持久的情志刺激,超过了人体本身的正常生理活动范围,才会导致疾病。七情致病不同于六淫,是直接影响相应的内脏,使脏腑气机逆乱,气血失调。“怒则气上,喜则气缓,悲则气消,恐则气下,惊则气乱,思则气结”。可见七情致病,是使人体气机紊乱,脏腑阴阳气血失调,从而直接导致体内的无序增加,而使熵值增加。如果此时机体不能及时调动其排泄机制,使气机畅通,气血调和,脏腑功能协调,即及时降低体内所增加的熵值,使△S≤0,那么人体就会患病。此外,饮食、劳逸、痰饮、瘀血等致病因素,均是影响人体的正常生理功能,使气机紊乱,气血不畅,从而增加体内的无序,使体内熵值增加,加之排熵不畅而使人致病。综上所述,人体生病的物理起因是△S>0,当△S>0时,我们就要想方设法增加体内的负熵,或者促进积熵排出,以抵消△S的增加,使系统的总熵不增加或减少,以便使生命系统恢复正常生理状态或生长发育。例如根据相应的症状采用一定的药物,以增加体内的负熵,或者多喝些水以促进体内高熵的排出等等。可见,熵在生命活动中有着重要的意义。熵的引入使得生命科学变成一门带有物理色彩的崭新的定量科学。

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