A man’s tale

FIZICA ULTRASUNETELOR

DEF: Undele acustice sunt unde elastice, corespunzand comprimarii si dilatarii succesive ale unui mediu elastic. Clasificarea undelor acustice se face in f-ctie de domeniul de audibilitate umana normala, cuprins intre 16-20.000 Hz. Unei frecvente mai mici ii corespund infrasunetele iar unei frecvente mai mari ultrasunetele.

Ultrasunetele sunt, deci, oscilatii ale unui mediu elastic ce se propaga in spatiu sub forma de unde longitudinale, cu o frecventa mai mare de 20 kHz, ajungandu-se pana la 10 GHz.

Generarea si receptionarea ultrasunetelor

Pt. prod. Tehnica a ultrasunetelor se folosesc traductoare electro-mecanice, care trasforma un semnal electric in unul mecanic, reprez. De vibratiile unui mediu elastic. Cel mai frecvent sunt utilizate traductoarele piezoelectrice, care manifesta efectul de electrostrictiune, adica de contractie sau dilatare sub actiunea unui camp electric. Ac. Efect a fost descoperit in 1880 de fratii Pierre si Jacques Curie cand au constatat polarizarea electrica a unor cristale atunci cand sunt supuse la comprimari mecanice si, invers. Aplicarea unei diferente de potential intre fetele cristalului duce la deformarea lui elastica.

Pt. prod. Ultrasunetelor se poate folosi si fenom. De magnetostrictiune; variatia dimensiunilor miezului magnetic al unei bobine sub actiunea campului magnetic, creat de curentul alternativ care strabate infasurarea bobinei.

Cel mai des folosit pt. Producerea ultrasunetelor prin efectul de electrostrictiune e cuartul, daca se tie o placa cu o anumita orientare fata de axele cristalografice. Grosimea placii se alege a.i. Sa vibreze in rezonanta cu campul electric alternativ aplicat. Astfe, pt. Frecventa de V=1MHz si viteza ultrasunetului de ,5 km/s lama va avea o grosime 1 de 2,7 mm. Aceeasi lama serveste si ca receptor de ultrasunete datorita efect. Invers. Intrand in vibratie de rezonanta sub actiunea undei ultrasonore, lama se polarizeaza alternativ, adica pe fetele ei apar sarcini electrice alternative.

=>

• frecventa de vibratie a cristalului e egala cu fercventa campului electric aplicat pe fetele lui

• eficenta max. se obtine atunci cand frecventa campului electric e aceeasi cu frecventa proprie de rezonanta a cristalului

• frecventa de rezonanta a cristalului depinde de dimensiunea si orientarea placutei fata de planele cristaline.

Cristale care realizeaza efectul piezoelectric sunt, pe langa cuart, sarea seignette, fosfatul de amoniu, titanatul de bariu, zirconat-titanatul de plumb, unele mat. Ceramice fero-electrice cu ppiezoelectricitate indusa prin racire in camp magneti, mult folosite in prezent.

Vibratia elastica a cristalului se transmite mediului in care se afla, ac. Fiind supus unor presiuni care se manifesta prin comprimari si destinderi succesive care se propaga prin spatiu din aproape in aproape, dand nastere unor ultrasunete cu aceeasi frecventa. In mediile lichide, propagarea are loc numai in directia presiunii exercitate dec, sunt unde longitudinale. In cazul solidelor pot aparea unde transversale datorita frecarilor.

Receptarea ultrasunetelor se face cu un dispozitiv similar, functionand in regim invers decat cel care a generat ultrasunetele. In ecografie se foloseste, de regula acelasi traductor atat pt. Emisie cat si pt. Receptie.

Ecografia se bazeaza pe inregistrarea undei reflectate de suprafata de separatie dintre doua medii cu proprietati acustice diferite.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

INTERFERENTA SI DIFRACTIA

 

Daca intr-un punct din spatiu ajung doua sau mai multe unde coerente, ele interfereaza unda rezultanta depinde de frecventa undelor si de defazajul dintre ele.

La marginea unui obstacol sau la trecerea printr-o fanta cu dimensiuni comparabile cu lungimea de unda, fascicolul ultrasonic se difracta, fiecare pct constituind originea unei unde secundare. Unda secundara + unda primara = interfera in diverse pct. Din spatiu, ducand la o distributie neuniforma a intensitatii.

 

EFECTELE ULTRASUNETELOR

 

Datorita intensitatilor mici utilizate in ecografie, efectele US se considera neglijabile. La intensitati mari ale US, apar urmat. Fenomene:

Cavitatia – o rupere locala a lichidului si formarea unor goluri umplute cu gaze.

Efectele termice – constau intr-o incalzire globala a mediului de propagare dat. Absorbtiei de energie

Efectele optice – comprimari si dilatari succesive ale mediului de propagare det. Variatii periodice ale densitatii, deci ale indicelui de refractie

Efecte chimice – US deplaseaza echilibrul reactiilor intr-un sens sau altul, functie de caracteristicile campului ultrasonic. Se obs. In prezenta campului reactii de: oxidare, reducere, polimerizari, depolimerizari etc.

Efecte biologice – la intensitati mici efectele sunt, in general benefice. La intensitati mari se produc modificari structurale si functionale, ajungandu-se pana la moartea celulei.

Efecte electrice – in solutiile de electrolit, datorita modificarilor periodice a distantei dintre ionii de diverse mase, apare un camp electric alternativ.

 

DIFUZIA

 

Atunci cand unda intalneste un obstacol de dimensiuni comparabile cu lungimea de unda are loc difuzia. Fiecare pct. al obiectului devine o noua sursa de radiatie, care e emisa in directii diferite.

Intensitatea radiatiei difuzate depinde puternic de frecventa.

Difuzia limiteaza rezolutia: NU POT FI DETECTATE OBIECTE CU DIMENSIUNI MAI MICI DECAT LUNGIMEA DE UNDA!!!

A man’s tale

INFLUENTA FACT. FIZICI ASUPRA ORG.

Influenta radiatilor ionizante

Se cunoaste ca atomul e alcatuit din nucleu si invelis de electroni. Nucleul e format din nucleoni (neutroni si protoni).

Invelisul de electroni: Electronii – sarcini electrice elementare incarcate cu sarcina electrica negativa.Nr. De protoni din nucleu e egal cu nr. De electroni din inevelisul electronic => atomul e neutru dpdv electric.

Daca un atom primeste suficienta energie din exterior, electronii de pe straturile periferice pot s rupa energia de legatura care ii tine legati in atom si pot sa iasa in afara atomului, atomul devenind ion. Daca atomul primeste energie, dar nu suficienta pt. A fi ionizat, el se afla in stare excitata.: electronii trec pe un nivel superior de energii n care nu pot sa stea prea mult timp si se dezexcita, trecand la nivelul initial de energie prin reactii de fotoluminiscenta polimerizare si depolimerizare, emisii de caldura, initierea unor reactii.

Tipuri de radiatii neionizarte – radiatia infrarosie, ultravioleta

Tipuri de radiatii ionizate: - radiatii x si gamma.

Radiatii corpusculare – formate din fascicule de particule

• • • • ex: 1. incarcate electric: fascicule alfa, pozitroni, ioni

      • 2. neutre dpdv electric: fascicule de neutroni.

In f-ctie de modul de ionizare a materiei, pot fi:

a). direct ionizante

b). indirecte ionizante in cazul in care in urma interactiei cu materiei se formeaza o particula secundara, care va produce mii de perechi de ioni.

Mecanisme de actiune ale rad. Ionizante

1. Act. Directa

2. act. Indirecta – prin ionizarea apei cav. Exista in organism, apa se descompune in ioni sau radicali liberi, perturband buna desfasurare a proceselor giologice

3. act. La distanta – apare in urma iradierii locale; dupa ac. Iradiere se raspandesc toxinele rezultate in tot organismul prin sistemul neuro-endonin => efecte biologice asupra celorlalte organe.

Efecte daunatoare ale rad. Ionizante:

1. vatamarea si repararea and

2. distrugerea celulei

3. modificarea celulei

4. efectele deterministe

5. efecte stocastice

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A man’s tale

OSMOZA

• proces care are loc fara consum de energie

• osmoza directa este fenomenul de difuzie pasiva a moleculelor de solvent ale unei solutii printr-o membrana semipermeabila

• somometrul este un aparat care pune in evidenta osmoza

• in cazul osmozei solventul trece prin membrana in ambele sensuri, dar viteza cea mai mare de difuzie este de la concentratia mai mica la concentratia mai mare

• presiunea osmotica e presiunea care apare datorita osmozei solventului prin membrana semipermeabila; e persiunea mecanica necesara stoparii fenom. De osmoza.

Ilustrarea schematica a procesului de osmoza directa

Schema…

Daca o membrana semipermeabila separa doua solutii de concentratie diferita, in mod spontan solventul din solutia de concentratie mai mica trece in solutia de concentratia mai mare.

Ilustrarea schematica a proc. De osmoza inversa

Daca o membrana semipermeabila separa doua solutii de concentratii diferite si asupra solutiei mai concentrate se exercita din exterior o presiune foarte mare => moleculele de solvent traverseaza membrana in mod fortat de la solutia mai concentrata la cea mai diluata. Ac. Fen. Se numeste osmoza inversa.

Schema…

OBS: In sol. Diluate s-a observat ca osmoza nu depinde de natura solvitului sau a solventului, de depinde numai de concentratie.

LEGEA PRESIUNII OSMOTICE PT. SOLUTII DILUATE SI NEELECTROLITICE

Van’t Hoff a facut urmatorul enunt: presiunea osmotica, notata cu …, exercitata de o solutie neelectrolitica si diluata e egala cu presiunea pe care ar exercitao solvitul daca la temp. data s-ar afla in stare gazoasa si ar ocupa singur un volum egal cu al solutiei.

Formula…

1

2

3

4

Se numesc solutii izotone doua solutii diferite (in acelasi solvent\) la aceeasi concentratii moleculare si la aceeasi temp. care au aceeasi presiune osmotica.

Sol. Hipertonica e solutia care are .. mai mare

Sol. Hipotonica e solutia care are .. mai mica.

Daca o membrana semipermeabila separa o solutie hipotonica de una hipertonica atunci solventul va difuza de la sol. Hipotonica spre cea hipertonica pana se va realiza izotonia solutiilor.

A man’s tale

FENOMENE DE TRANSPORT IN SOLUTII

VASCOZITATEA

• proprietate a lichidelor reale determinata de frecarea interna care ia nastere in tp. Curgerii acestor lichide si care depinde de natura ac. Lichide. Datorita fortelor de coeziune, forte care apar intre moleculele aceluiasi lichid (de atractie), alunecarea reciproca a paturilor de lichid, da nastere la o rezistenta interna, care se manifesta ca o forta de frecare. Se considera ca aceste straturi de lichid molecular au aceeasi viteza.

Forta cu care va fi antrenata o patura de lichid de suprafata S, aflata la distanta Dx de alta patura de lichid se numeste forta de vascozitate si are o valoare egala cu forta de rezistenta dezvoltata in ac. Zona, astfel ca puten scrie …formula.

Fortele de vascozitate sunt fortele de frecare ce apar intre 2 straturi de lichid care se misca cu viteze diferite, sunt tangentiale la suprafata straturilor vecine si au sens opus vitezei straturilor respective.

PROPRIETATILE COEFICIENTULUI DE VASCOZITATE

1. Formulaaa….

2. coeficientul de vascozitate dinamica depinde de coeficientul lichidului

3. coeficientul de vascozitate dinamica depinde de temp. variind proportional cu aceasta.

Exista lichide care se supun legii lui Neuton (legea care da formula fortei de vascozitate) si lichide pt. Care nu sunt respectate conditiile legii lui Neuton, ce se numesc lichide neNeutoniene.

CURGEREA LAMINARA SI TURBULENTA

Curgerea Laminara – daca in tp. Curgerii straturile de lichid sunt paralele, curgerea se numeste laminara.

Conditii de curgere laminara: - tub cu diametrul mic

- viteza de deplasare mica

In cadrul ac. Curgeri se aplica legea lui Newton: Formula

CURGEREA TURBULENTA

In cazul ac. Curgeri apar urmatoarele fenomene:

1. toata masa de lichid se misca dezordonat

2. viteza si presiunea se modifica in fiecare punct

3. apar vartejuri

4. ac. miscare devine mare consumatoare de energie si se consuma energie pt. Rotatie in detrimentul energiei pt. Translatie.

Conditii pt. Curgerea turbulenta: - viteza lichidului sa fie mare

- viteza lichidului mai mare decat o viteza critica

- diametrul tuburilor sa fie mare.

Formulaaaa

DIFUZIA SIMPLA

• are loc datorita agitatiei termice a moleculelor dintr-o solutie in sensul omogenizarii concentratiei in tot volumul.

• Are loc fara consum de energie

• ex: daca avem un vas cu apa si langa peretele vasului, in interior e lasata sa curga o anumita cantit. De sare, initial langa perete vom avea concentratia C, si in celalalt volum C0; dupa un anumit timp, concentratia din tot volumul de lichid va fi aceeasi deoarece a avut loc fenomenul de difuzie pasiva.

Grafice …

Cantit. De subst. Care trece printr-o suprafata intr-un tp dat e d.p. Cu aria suprafetei si cu diferenta de densitate de o parte si alta a suprafetei.

Formule…

OBS: Semnul “-” e folosit pt. A se lucra numeric cu valori pozitive pt. Ca in mod spontan difuzia are loc de la zone cu concentratie mare spre zone cu concentratie mai mica si atunci avem:

formule…

PROPRIETATILE COEFICIENTULUI DE DIFUZIE

1. Formula..

2. coef. De difuzie variaza d.p cu tp.

3. Coef. De difuzie variaza I.p. Cu volumul particulelor

4. coef. De difuzie pt. Particulele de forma sferica are urmat. Formula: Formula…

5. coef de vascozitate dinamica variaza in f-ctie de masa moleculara a partic. Care difuzeaza

6. difuzia macroparticulelor e mult mai lenta decat a micropartic.

DIFUZIA PARICULELOR PRIN MEMBRANE SELECTIVE

Fie 2 solutii in care solvitul are concentratie diferite. Ac. 2 solutii sunt separate de o membrana permeabila pt. Solvit => gradientul de concentratie se namifesta in cea mai mare parte numai in grosimea membranei.

Desen si formule…

Permeabilitatea e influentata de:

• factori fizici externi aplicati: presiunea mecanica, camp electric, camp magnetic

Casificarea membranelor

In general membranele sunt permeabile in grade diferite pt. Solventi diferiti. Membrana selectiva e o membrana permeabila pt. Anumite particula si impermeabila pt. Altele

A man’s tale

APA

Struct. Atomica si electronica a apei

In comp. Apei intra 2 atomi de H si unul de O. Daca luam in consisderare ca H are 3 izotopi si ca la randul lui O are 3 izotopi, in realitate exista 18 specii de molecule de apa.

Formule……………………….

Deoarece centrul sarcinilor pozitive nu coincide cu centrul saricinilor negative, molecula de apa prezinta un moment de dipol permanent, comportandu-se ca un magnet.

Pt. ca moleculele de apa au acest moment de dipol premanent ele vor interactiona electrostatic cu ionii din preajma.

Din pct. De vedere electronic, molecula de apa are 10 electroni, dintre care 2 graviteaza in jurul atomului de O si 8 populeaza 4 orbitali bilobati, dispusi cu axele lor de simetrie, de-a lungul directiilor care unesc varfurile unei tetraedru cu centrul acestuia.

DESENUL………………………….

Pentru ca orbitalii 3 si 4 ai moleculei de apa pot trece partia in orbitalii care contin electronii atomilor de H (1 si 2) ai moleculei vecine, rezulta ca se pot realiza legaturi coordinative cu alte molecule de apa, numite punti de H. Deoarece si orbitalii 1 si 2 care contin nuclee de H pot realiza leg. Coordinative cu orbitalii 3 si 4 ai altor molecule de apa, rezulta ca o molecula realizeaza 4 punti de H. Timpul de viata a unei punti de H e de aprox. 10 ^-9 sec ( nano secunda). In stare solida legaturile de H sunt premanente. In stare lichida, leg. De H se stabilesc si se rup neincetat. Se spune ca au caracter cooperativ, in sensul ca legarea a doua molecule de apa, antreneaza legarea altor molecule pana la saturarea ~ 100. Moleculele sunt dispuse cu atomii de O in vf. Unui tetraedru regulat. Molecula din centru care se leaga cu celelalte 4 se numeste molecula tetracoordinata.

STAREA SOLIDA

La presiune normala, gheata puternic racita, toate moleculele de apa sunt legate prin punti de H => se formeaza retele triexagonale extenaive. Datorita ac. Retele cu ochiuri mari, gheata are densitatea mai mica decat a apei.

STAREA LICHIDA

Daca gheata se incalzeste => agitatia termica creste => se rup punti de H si apar molecule mobile. La T=0 grade C se rup numai 15% dintre leg. Si apa isi pastreaza o structura cvazi-cristalina. Daca puntile de H se rup, va rezulta un amestec de monomeri, dimeri, tetrameri, etc.

La T=0-4 grade C, monomerii patrund in spatiile intenstitiale ale retelei cristaline si rezulta ca va creste densitatea apei in acest interval de temperatura.

La T>4 grade C, agitatia termica creste => monomerii interstitiali reusesc sa paraseasca ochiurile retelei cristaline => scade densitatea.

La T=40 grade C se rup 50% din legaturile de H, apa devenind mult mai fluida.

In decursul evolutiei vietuitoarelor stabilizarea temp. corpului intre 35-41 grade C e legata de proprietatile fizice ale apei. Intre aceste temp. structura microcristalina dispare, mvom avea o proportie mare de dimeri si apa e mai reactiva d.p.d.v. Chimic.

Structura cvasicristalina a apei explica relativa comportare anormala a acesteia. Fata de alte molecule inrudite, apa are pct. De topire si fierbere ridicate, coeficienti de tensiune superficiala mai mare (exceptie facand mercurul), coeficienti de vascozitate ridicati, si caldura spedifica si latenta mare.

STAREA GAZOASA

Majoritatea moleculelor de apa sunt libere.

SOLUTII BIOLOGICE

In apa pura, gradul de structurare a moleculelor depinde de una din urmatoarele tendinte:

a). ordonare – prin formarea puntilor de H

b). dezorganizare – datorita agitatiei termice

In solutii, pe langa cele doua fenomene apare si interactia cu moleculele de solvit. Principalele interactiuni cu molec. De solvit conduc la:

1. Formarea apei de hidratare in jurul ionilor

- molec. De apa avand momente de dipol permanent se dispun in jurul ionilor in cel putin 2 straturi:

a). primul format din molec. De apa ordonate si imobilizate

b). al 2-lea format din molec. Atrase ineficient pt. A capata o structura proprie, dar suficient pt. A-si pierde ordinea dinainte.

2. Formarea de apa hidrata

- macromoleculele biologice (proteine, acizi nucleici, glucide) pot modifica structura apei in f-ctie de:

a). gradul de potrivire spatiala a grupelor laterale ale lantului macromolecular

b). distantele intermoleculare realizate de diferite tipuri de retele de apa.

Atunci cand cele 2 caracteristici se potrivesc => macromolec. Aduna molec. De apa in jurul lor.

3. Formarea de cristali-hidrati.

Moleculele hidrofobe – o grupare moleculara neionizata sau o molecula fara moment dipolar electric permanent si incapabila de a forma legaturi de H cu apa. (molec. Gazelor nobile, hidrocarburile etc). Aceste molec. Hidrofobe evita contactul cu apa, alaturandu-se unele altora, a.i. Creaza o cavitate devenind interstitiale.

OBS. Anestezicele isi exercita actiunea prin formarea de cristal-hidrati care apoi blocheaza canalele ionice neuronale impiedicand propagarea influxului nervos.

APA IN SIST. BIOLOGICE

1. Apa Libera – fract8iunea care sonstituie spatiul solvent pt. Subst. In organism, realizand trasnportul substantelor

2. Apa Legata – fractiunea fixata de proteine prin intermediul gruparilor polare hidrofile

Propietati: - rezista la deshidratare

• • • nu ingheata nici la T< 20 grade
    • nu prezinta prop. De solvent
    • nu e transferata prin membrana
    • reprez. 5% din totalul de apa.

3. Apa Partial Legata

- importanta apei: - solvent universal

- mediu de transport

- asigura protectia mecanica a unor sisteme

- realizeaza termoreglarea

A man’s tale