第3章-流體運(yùn)動wzj

華中科技大學(xué)物理學(xué)院王章金電話/p>

E-mail:wangzj64@醫(yī)學(xué)物理學(xué)(第7版)1．醫(yī)學(xué)物理學(xué)的目標(biāo)與內(nèi)容

通過對物理學(xué)研究對象的分析和研究,弄清楚物理學(xué)與醫(yī)學(xué)的內(nèi)在聯(lián)系.(1)

物理學(xué)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用,現(xiàn)代醫(yī)學(xué)很多方面都是物理學(xué)應(yīng)用于生命科學(xué)取得的成果.如：顯微鏡(光學(xué)、電子、STM)、X射線(人體診斷、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析)、磁共振(組織分析、人體成像、高分子分析)、熒光光譜(細(xì)胞分析)、超聲(無創(chuàng)成像、碎石)、各種物理治療手段(電療，磁療，激光手術(shù)).(2)物理學(xué)知識是揭示和理解生命現(xiàn)象不可缺少的基礎(chǔ)；物理學(xué)所提供的技術(shù)和方法為生命科學(xué)的研究和臨床實(shí)踐開辟了許多新的途徑.(3)科學(xué)的發(fā)展都是以實(shí)驗(yàn)手段的創(chuàng)新作為動力的，醫(yī)學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)的突破往往是以物理學(xué)實(shí)踐為基礎(chǔ)的.(4)國外醫(yī)學(xué)生的教育：Doctor緒論introduction2．物理學(xué)的研究方法和科學(xué)思維(1)實(shí)證主義——“實(shí)踐-理論-實(shí)踐”(2)物理原理：解釋原理（能回答“為什么”或“怎么樣”）；簡單性原理；統(tǒng)一原理；守恒原理；對稱原理；對應(yīng)原理；互補(bǔ)原理（對事物的不同側(cè)面用不同物理方法和概念）；可觀察性原理等.(3)簡單的物理思維和分析方法：類比、歸納、演繹、量綱（物理單位）分析法(4)物理與數(shù)學(xué)(微積分與統(tǒng)計學(xué))1895年Roentgen發(fā)現(xiàn)X-ray:透視和拍片3.從醫(yī)學(xué)影像這個側(cè)面看物理學(xué)與醫(yī)學(xué)的關(guān)系DR、CR照片CT仿真氣管腫瘤磁共振成像:3TMRI裝置(GE公司)第一臺FDA認(rèn)證的3TMRI系統(tǒng)SignaVH/I第三代超高場MRI系統(tǒng)SignaEXCITE3T磁共振成像63歲左側(cè)下喉癌患者的CT與PET圖像的融合放射性核素成像超聲成像Iamangry唇裂的胎兒4.我們?nèi)绾螌W(xué)好物理？課前預(yù)習(xí)認(rèn)真聽課看參考書思考做習(xí)題復(fù)習(xí)各學(xué)習(xí)階段的不同:中學(xué)→大學(xué)初級課程→深入課程重要特征:時延性增長—很難當(dāng)堂聽懂課后盡快復(fù)習(xí)的重要性預(yù)習(xí)--聽課--練習(xí)--復(fù)習(xí)(功夫一定在平時)做習(xí)題－加大腦力運(yùn)動量:索末菲《致海森堡》“要勤奮地去做練習(xí),只有這樣,你才會發(fā)現(xiàn),哪些你理解了,哪些你還沒有理解?！卞X學(xué)森《科學(xué)技術(shù)工作的基本訓(xùn)練》“理論工作中主要是靠做習(xí)題來練,不做習(xí)題是練不出本領(lǐng)來的?！?.課程安排與說明(interpretation):(1)學(xué)時安排:理論課68學(xué)時,4學(xué)分(2)閱讀教材:《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》(第7版)及大綱主編胡新珉,人民衛(wèi)生出版社2008年版(3)參考書:《醫(yī)學(xué)物理學(xué)學(xué)習(xí)指導(dǎo)》(第3版配套教材)

《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》(學(xué)習(xí)參考書)主編楊繼慶

《物理學(xué)》(第5版藥學(xué)專業(yè)用)主編

王銘

《大學(xué)物理》(參考書)華中科技大學(xué)出版社第一節(jié)理想流體的穩(wěn)定流動

(Thesteadyflowofidealfluid)第二節(jié)伯努利方程

(Bernoulli’sequation)第三節(jié)黏性流體的流動

(Theflowofviscousliquid)第四節(jié)黏性流體的運(yùn)動規(guī)律

(Thebasiclawofviscousliquid)第五節(jié)血液在循環(huán)系統(tǒng)中的流動

(Theflowofbloodinthecirculatorysystem)第三章流體的運(yùn)動(重點(diǎn))問題:1.噴霧器怎樣把瓶中的液體帶出來？2.醫(yī)生測量血壓時為什么注重病人的體位？3.為什么遠(yuǎn)離水塔比靠近水塔同樣樓層的住家水壓低?第一節(jié)理想流體的穩(wěn)定流動

(Thesteadyflowofidealfluid)一、理想流體(idealfluid)絕對不可壓縮、完全沒有黏性(內(nèi)摩擦力)的流體.二、穩(wěn)定流動(steadyflow)流體在流動時,流體粒子順序到達(dá)空間任一點(diǎn),而在這一點(diǎn)的速度和方向不隨時間而改變.兩個重要概念:流線和流管1.流線(Streamline)(1)流線只是一種形象描述;(3)穩(wěn)定流動時,流線的分布不隨時間改變;(2)任意兩條流線互不相交;(4)流線與軌跡的關(guān)系.?ABC2.流管(tubeofflow)(1)流管同樣也是一種形象描述;?(2)流管的形狀在穩(wěn)定流動時保持不變;(3)穩(wěn)定流動時,流管內(nèi)外的流體彼此互不交換.三、連續(xù)性方程(continuityequation)1.體積流量:S2,v2S1,v1Sv說明大小流線稀小大流線密2.連續(xù)性方程:3.適用條件:不可壓縮的流體作穩(wěn)定流動.4.質(zhì)量守恒:

S1v1=

S2v2

5.討論:單位:m3

s

1S

v

tS1v1=S2v2或Sv=C6.分支流管的連續(xù)性方程S2S1S3v1v2v3第二節(jié)伯努利方程一、推導(dǎo)依據(jù):1.連續(xù)性方程;2.功能原理.h2h1XYX'v1v2F1F2Y'二、推導(dǎo)過程：當(dāng)

t→0時1.假設(shè)(1)XX'

兩處的截面積近似相等,用S1表示(2)YY'

兩處的截面積近似相等,用S2表示(3)體積XX'

內(nèi)的v1、p1不變,高度h1(4)體積YY'內(nèi)的v2、p2不變,高度h2(5)且

V1=

V2=

V,質(zhì)量相等均為m(6)管壁對液體柱XY的力不做功(7)只有推力F1和阻力F2對液體柱做功2.外力的合力所作的總功A:3.動能

Ek和勢能

Ep的變化4.功能原理(work-energytheory)h2h1XYX'v1v2F1F2Y'2.單位和量綱(dimension)

三、伯努利方程表述:1.文字表述:理想流體作穩(wěn)定流動時,在同一流管的不同截面積處,單位體積流體的動能、重力勢能和該處的壓強(qiáng)之和為一常量.靜壓強(qiáng)動壓強(qiáng)3.適用條件

(1)理想流體做穩(wěn)定流動;(2)同一流管的不同截面積處或同一流線的不同點(diǎn);4.分支管道的伯努利方程:S2S1S3v1v2v35.特殊情況下方程的簡化(1)不均勻水平管,h1=h2=h(2)均勻管,S1=S2,v1=v2=v

(3)若某處與大氣相通,則該處的壓強(qiáng)為大氣壓p0豎直:水平:四、伯努利方程的應(yīng)用1.空吸(suction)S2<S1v2>v1p2<p1p2<p0空吸作用水平管:h1=h2=h

實(shí)例2:水流抽氣機(jī)一個很大的開口容器,器壁上有一小孔,當(dāng)容器內(nèi)注入液體后,液體從小孔流出.設(shè)小孔距液面的高度是h,求液體從小孔流出的速度.2.小孔流速A??B解:任意選取一流線,A為流線上通過液面的一點(diǎn),B為該流線通過小孔上的一點(diǎn).令小孔處的高度為hB=0點(diǎn)A:hA=h,vA=0,pA=p0點(diǎn)B:hB=0,vB=?,pB=p0該處厚度為dh的一薄層從小孔流出時間為:整個水箱的水流盡所需時間為SB=1cm2SA=6

10

2m2hA=0.7m例1一圓形開口容器,高0.7m,截面積6×10

2m2.貯滿清水,若容器底有一小孔1cm2,問該容器中水流完需要多少時間？已知:hA=0.7m,SA=

6×102m2,SB=

104m2求:

t=?

解:隨著水的流出,水位不斷下降,流速逐漸減小,根據(jù)小孔流速規(guī)律知在任意水位處水的流速為:3.流量計

h(1)測量液體流量的汾丘里流量計4.流速計(比托管pitottube)(a)測量液體(圖3-6)cd(1)原理圖(圖3-6),vd=0(b)測量氣體(圖3-7)

為液體的密度

為氣體的密度5.壓強(qiáng)和高度的關(guān)系(pressureandhighness)姿勢頭部(kPa)腳部(kPa)動脈靜脈動脈靜脈平臥12.670.6712.670.67直立6.80

5.2024.4012.40體位對血壓的影響動脈動脈靜脈靜脈13.312.6712.670.670.670.30.313.36.824.4

5.212.4

第三節(jié)黏性流體的流動一、牛頓黏滯定律(Newtonviscositylaw)1.概述:攪拌甘油費(fèi)力,內(nèi)摩擦力(黏性力)2.實(shí)驗(yàn):甘油在豎直圓管中的分層流動分析3.速度梯度(velocitygradient):xx+dxvv+dvxzdv/dx表示垂直速度方向相距單位距離的液層間的速度差,叫做該處的速度梯度.量綱:T

1,

單位:s

14.牛頓黏滯定律(Newtonviscositylaw):

黏性力F的大小與其分布的面積S成正比,與該處的速度梯度成正比,即:(1)

稱作黏度系數(shù)(coefficientofviscosity)或黏度

量綱:M·L

1·T

1,

單位:Pa·s(2)

與流體種類有關(guān),不同的物質(zhì)有不同的黏度

See:p35table3-1(3)

與溫度有關(guān)液體:t

↑,

↓氣體:t

↑,

↑幾種流體的黏度系數(shù)液體T(

C)

(103Pa·s)氣體T(

C)

(105Pa·s)水01.792空氣01.71201.005201.82400.6561002.17酒精01.77氫氣200.88201.192511.30蓖麻油7.51225.0氦氣201.9650122.7甲烷201.10血漿371.0~1.4CO2201.47血清370.9~1.23202.75.應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量(1)應(yīng)變(strain):

當(dāng)物體受到應(yīng)力作用時其長度、形狀、體積變化的相對量稱為應(yīng)變.線應(yīng)變:切應(yīng)變:體應(yīng)變:切變率(strainrate):

切應(yīng)變隨時間的變化率,描述變形速率,單位:s

1Fl0

lFd

x

(2)應(yīng)力(stress)

:作用于物體內(nèi)單位面積上的彈性力.(3)彈性模量(modulusofelasticity)正應(yīng)力(拉伸與壓縮應(yīng)力)

:切應(yīng)力

(shearingstress)

:體應(yīng)力(volumestress)