Praktikum Physik Physiologie Thema: Muskelarbeit, leistung und Wärme

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1 Praktikum Physik Physiologie Thema: Muskelarbeit, leistung und Wärme Stichpunkte zur Vorbereitung auf das Praktikum Theresia Kraft Molekular und Zellphysiologie November 2012 hannover.de 1

2 Praktikum Physik Physiologie Thema: Muskelarbeit und Leistung Die Praktikums-Skripte können ab Mi , 10 Uhr in der Molekular- und Zellphysiologie abgeholt werden: Gebäude I3, Block1, Ebene 3 (vor dem Sekretariat von Prof. B. Brenner) 2

3 Teil I: Muskelarbeit und Leistung Geschwindigkeit v: Geschwindigkeit v = zurückgelegter Weg / benötigte Zeit v = Δx / Δt SI Einheit [v]: m/s (v = velocitas) Beschleunigung a: Beschleunigung a = Geschwindigkeitsänderung / benötigte Zeit a = Δv / Δt SI Einheit [a]: m/s 2 (a = acceleration) (Beschleunigung = Ableitung der Geschwindigkeit nach der Zeit) Masse erfährt durch die Schwerkraft die Erdbeschleunigung: g = 9,81 m/s 2 10 m/s 2 (g = gravity) 3

4 Teil I: Muskelarbeit und Leistung Newtonsche Axiome: beschreiben, wie sich eine Kraft auf die Bewegung eines Körpers auswirkt 1. N. A.: Trägheitsgesetz Ein Körper verharrt in Ruhe oder gleichförmiger geradliniger Bewegung, solange keine äußere Kraft auf ihn einwirkt und zur Änderung seines Zustandes zwingt. 2. N.A.: Newtonsches Grundgesetz Die Änderung der Bewegung einer Masse (= Beschleunigung) ist der Einwirkung der bewegenden Kraft proportional Beschleunigung a = Kraft F / Masse m Kraft F = Masse Beschleunigung F = m a SI Einheit [F]: 1 Newton N = 1kg m/s 2 (F = force; m = Masse, wie man sie durch eine Waage bestimmen kann) 3. N. A.: actio und reactio (actio et reactio semper sunt aequales) übt ein Körper A auf einen Körper B eine Kraft aus, so wirkt eine gleich große, aber entgegen gerichtete Kraft von B auf A (Kraft = Gegenkraft). Gewichtskraft F g : g wirkt auf eine ruhende Masse als Gewichtskraft Gewichtskraft = Masse Erdbeschleunigung F g = m g Einheit: kg m/s 2 = N zb. Körpergewicht = Masse = 70kg Gewichtskraft = 70kg 9,81 m/s N (früher: 1 kp = 1kg 9,81 m/s 2 = 10 N) 4

5 Teil I: Muskelarbeit und Leistung Hebelgesetz: Kraft Kraftarm = Last Lastarm Lastarm und Kraftarm sind die lotrechten Abstände zwischen Drehachse und Kraftvektor (Kraft bzw. Last wirkt jeweils senkrecht).. Kraft Kraftarm Lastarm. Drehpunkt: Achse (Punkt), um den sich der Hebel drehen kann Drehmoment M = Drehwirkung einer Kraft auf einen Hebel M = Hebelarmlänge l senkrecht wirkende Kraft F M = l F Einheit [M]: N m bzw. kg m 2 /s 2 F = F sin α F = im Winkel α angreifende Kraft M = l F sin α F 1 α α l 1 F 1 l 2. α Last Ein Hebel ist in Ruhelage, wenn die Drehmomente beider Hebelarme gleichen Betrag, aber entgegengesetztes Vorzeichen haben: F 2 F 2 l 1 F 1 = l 2 F 2 (dh das nach links drehende Drehmoment des Gewichtes in der Hand muss gleich sein dem nach rechts drehenden Drehmoment, das der Muskel auf den Unterarm ausübt). α 5

6 Teil I: Muskelarbeit und Leistung Bsp. M. bizeps: Die Wirkung des Muskels auf den Unterarm hängt ab von entwickelter Muskelkraft F Ansatzwinkel Sehne am Unterarm (α) Hebelarmlänge l (Abstand Sehnenansatz zu Gelenkachse) Drehmoment M = l F sin α Im Praktikum untersuchen wir: Beugung des Unterarms / Anheben bzw. Halten eines Gewichtes mit dem M. biceps / Halten eines Gewichtes bei waagerechtem Unterarm körpernah bzw. körperfern Bleibt die Kraft des Muskels dabei gleich oder nicht? Wovon hängt das ab? Wie ändert sich das Drehmoment? Um wieviel muss sich der M. biceps verkürzen, um ein Gewicht um 20 cm anzuheben? 6

7 Teil I: Muskelarbeit und Leistung Arbeit W: Wird ein Körper durch eine Kraft F über eine Strecke Δs bewegt, dann wird Verschiebungsarbeit geleistet: W = F Δs SI Einheit [W]: N m= Newtonmeter (dh. Arbeit = Masse Beschleunigung Weg) (F = Kraftkomponente parallel zum Weg) 1Nm = 1kg m 2 /s 2 = 1 Watt sekunde = 1 Joule Leistung P: = pro Zeitintervall Δt verrichtete Arbeit W P = W / Δt SI Einheit [P]: 1 Watt 1W = 1 Nm/s = 1 kg m 2 /s 3 = 1 Joule/s (dh. Leistung = (Masse Beschleunigung Weg) pro Sekunde) Im Praktikum bestimmen wir die Verkürzungsgeschwindigkeit des M. triceps bei verschiedenen Lasten, wir analysieren die beteiligten Kontraktionsformen des Muskels und berechnen die Leistung des Muskels. 7

8 Teil II: Wärme Temperatur T: SI Einheit [T] = Kelvin (K) Die Wärmegehalt eines Stoffes beruht auf der ungeordneten Bewegung (=kinetische Energie) seiner Moleküle. Temperaturskalen: Celsiusskala: Schmelzpunkt reinen Wassers bei 760 Torr = 0 C Siedepunkt reinen Wassers bei 760 Torr = 100 C Thermodynamische Temperaturskala: absoluter Nullpunkt = Nullwert = 273,15 C = 0 Kelvin dh 0 C = 273 K und 37 C = 310 K 0 K = tiefste mögliche Temperatur, die kinetische Energie aller Moleküle ist hier Null. 8

9 Teil II: Wärme Wärmekapazität:... sagt aus, welche Wärmemenge einem Stoff zugeführt werden muss, um ihn um 1 Grad zu erwärmen bzw. welche Wärmemenge ein Stoff aufnehmen kann, bis die Temperatur um 1 C ansteigt. Wärmekapazität eines Gegenstandes (können verschiedene Stoffe sein): C = zugeführte Wärmemenge / Temperaturerhöhung C = ΔW/ ΔT Einheit [C]: J / K Spezifische Wärmekapazität eines Stoffes (homogener Stoff!) c = zugeführte Wärmemenge / Temperaturerhöhung Masse c = ΔW / ΔT m Einheit [c]: J / kg K bzw. ΔT= c 1 ΔW m 4,2 Joule (=1 Kalorie) sind notwendig, um 1 gr Wasser von 14,5 auf 15,5 C zu erwärmen (= Wärmemenge). 4,2 J = 4,2 Nm = 4,2 Wattsekunden sind nötig für Erwärmung von 1 g Wasser um 1 K dh: 1kg Wasser braucht 420 kj für Erwärmung von 0 C auf 100 C Spez. Wärmekapazität von Wasser: c = 4,2 kj / K kg 9

10 Teil II: Wärme Wärmetransport: Wärmeübertragung ist möglich durch Wärmestrahlung (Sonne, erhitztes Metall usw.) Konvektion (Wind, Wasserströmung) Wärmeleitung (direkter Kontakt) bestehende Temperaturdifferenzen werden ausgeglichen Schmelzen und Verdampfen: = Änderung des Aggregatzustandes fest: Atome fest im Kristallgitter flüssig: Moleküle bewegen sich frei in der Flüssigkeit, Verdampfen durch zwischenmolekulare Kräfte erschwert gasförmig: Moleküle bewegen sich frei 10

11 Teil II: Wärme Schmelzen Erstarren bzw. Verdampfen Kondensieren: durch Zufuhr von Wärmeenergie (= Schmelzwärme bzw. Verdampfungswärme) kann Schmelzen bzw. Verdampfen erfolgen. Die Schmelz bzw. Verdampfungswärme wird beim Erstarren bzw. Kondensieren wieder frei. Verdunsten: = Übergang eines Stoffes vom flüssigen in den gasförmigen Zustand unterhalb des Siedepunktes. Sofern die Luft nicht mit Wasserdampf gesättigt ist, verdunstet Wasser bei Raumtemperatur (zb Wäsche trocknen). Schwitzen: Die Hautoberfläche wird befeuchtet, damit Wasser verdunsten kann die dafür notwendige Wärmeenergie wird der Haut entzogen: Verdampfungswärme Wasser: bei 100 C: 2260 J / g Wasser bei 0 C: 2530 J/g Wasser dh: wenn 1g Wasser verdampft 2500 J werden der Hautoberfläche entzogen Bsp: Entstehen bei körperlicher Arbeit J Wärme, so müssen 12 g Wasser verdunsten, um diese Wärme durch Schwitzen abzuführen. 11