các quá trình cơ học và cơ thể sống

1. CHUYÊN ĐỀ 1
CÁC QUÁ TRÌNH CƠ HỌC
VÀ CƠ THỂ SỐNG
1.1. CHẤT LỎNG & DÒNG CHẤT LỎNG
1.2. HỆ TUẦN HOÀN
1.3. VẬN CHUYỂN QUA MÀNG TẾ BÀO
1.4. ÂM VÀ SIÊU ÂM TRONG Y HỌC

2. 1.1. CHẤT LỎNG VÀ DÒNG CHẤT LỎNG
1.1.1. Mở đầu: Archimedes (287-212 BC)

3. Điểm tựa
Archimedes:

4. Bernoulli
Pascal
Poiseuille

5. Giao thông
Dự báo thời tiết

6. 1.1.2. Áp suất thủy tĩnh:
P = F/S = mg/S = ρVg/S = ρgh

7. Áp suất thủy tĩnh chỉ phụ thuộc vào chiều cao cột nước,
không phụ thuộc vào tiết diện bình chứa.
Đơn vị đo (SI): Pascal (Pa)
Trong y học: mmHg (1 mmHg = 133 Pa)

8. Thí dụ 1.1: Truyền dịch
Treo bình cao bao nhiêu?
h = 24 cm

9. Vận động dưới nước:

10. 1.1.3. Nguyên lý Pascal:
Áp suất tác động lên một điểm trong một chất lỏng kín (và
không chịu nén) sẽ được truyền không suy giảm tới mọi điểm
trong chất lỏng và tới thành bình.

11. Ứng dụng?
Bơm thủy lực

12. 1.1.4. Sức căng mặt ngoài:
 = F / 2C (N/m = Nm/m2 = J/m2)
năng lượng trên một đơn vị diện tích mặt ngoài

13. Ý nghĩa? Vô cùng to lớn!
• Hình dạng ưa thích
của tự nhiên? Hình cầu
Tại sao?
Aristotles: Đó là dạng hoàn thiện nhất
Tự nhiên ưa thích sự hoàn thiện
→ Đầu người và trái tim có dạng cầu !

14. Khoa học hiện đại:
Hình cầu có diện tích mặt ngoài bé nhất cho một khối thể tích
đã cho
→ Để duy trì nó, chỉ cần một năng lượng tối thiểu (nguyên lý cực
tiểu năng lượng)
Hình cầu tinh xảo
nhất do con người
chế tạo (độ dày 40
nguyên tử; trong
thiết bị đo sóng hấp
dẫn)

15. Sức mạnh tiến hóa:
• Tại sao người và động vật ở xứ lạnh to lớn hơn ở xứ nóng?
(Tiến hóa thế nào?)
Câu trả lời: vật lớn có diện tích mặt ngoài trên một đơn vị thể
tích ít hơn so với vật nhỏ
(tỷ lệ diện tích/thể tích ~ R2/R3 = 1/R giảm khi R tăng).

16. Xứ lạnh và xứ nóng:
→ người xứ lạnh cần lớn (diện tích mặt ngoài nhỏ) để giữ nhiệt
→ người xứ nóng cần nhỏ (d/tích m/ngoài lớn) để tỏa nhiệt tốt

17. • Sức căng mặt ngoài và phổi:
23 bậc rẽ nhánh:
600 triệu phế nang, bán kính 100 μm (hít căng ¾)
D/tích trao đổi khí 75 m2 (sân tennis) (do cấu trúc fractal)
Tại sao 23 bậc?
(người 22 bậc thiếu không khí; người 24 bậc thiếu ăn)

18. Nếu các bong bóng kích thước
khác nhau?
Các phế nang sẽ xẹp dần để giảm
diện tích mặt ngoài (và do đó giảm
năng lượng duy trì bong bóng) →
Chất hoạt diện!
Trẻ sinh thiếu tháng phải thở máy
vì xẹp phổi do thiếu chất này,
ngoài nguyên do thần kinh chưa
phát triển đầy đủ.

19. Fractal - hình học của sự sống
Nguyên lý tổ chức: tự đồng dạng
Đường cong Koch:

20. Cái vô hạn trong cái hữu hạn?
Chu vi: 3 x 4/3 x 4/3 x… → ∞;
Diện tích: đường tròn ngoại tiếp tam giác ban đầu, tức hữu hạn.
Tổ chức: cực kỳ đơn giản
Hiệu quả: tối đa (chi phí min, thu được max)

21. Cấu trúc fractal
Một cấu trúc tính toán Một cấu trúc tự nhiên

22. Cấu trúc fractal
Mandelbrot (1924-2010)
Tia lửa điện trong khối acrylic cha đẻ của hình học fractal

23. Ảnh bão từ

24. Sức căng mặt ngoài:
Tại sao bơi chậm hơn lặn?
Vận động dưới nước (Aquatic exercise):
Thực hiện động tác tại bề mặt nước
sẽ thực hiện nhiều công hơn.

25. 1.5. Phương trình liên tục. Định luật Bernoulli:
Xét chất lỏng không chịu nén chảy trong ống có thành cứng:
v1S1 = v2S2
Định luật bảo toàn vật chất.

26. Xét chất lỏng không
có ma sát nội:
Bernoulli (1700-1782):
P1 + ρgh1 + ρv1
2/2 = P2 + ρgh2 + ρv2
2/2
Ống nằm ngang:
P1 + ρv1
2/2 = P2 + ρv2
2/2
P áp suất tĩnh (nguồn gốc bên ngoài,
nguyên nhân chuyển động)
ρv2/2 áp suất động (hệ quả của chuyển động)
Định luật bảo toàn năng lượng

27. Máy bay bay như thế nào?
Cánh máy bay được thiết kế để tạo lực nâng khi cất và hạ cánh

28. 1.1.6. Độ nhớt. Định luật Poiseuille:
Xét ống nằm ngang:
Chất lỏng lý tưởng η = 0: P1 = P2
Chất lỏng thực η ≠ 0: P1 > P2

29. Định luật Poiseuille:
P = P1 - P2 = 8 Q η L / (πR4) = Q Rtđ
trong đó:
Q cường độ dòng chảy (m3/s)
η hệ số nhớt
R bán kính ống
L khoảng cách giữa hai điểm xét
Rtđ = 8 η L / (πR4)
So sánh với dòng điện: Định luật Ohm
ΔV = I Rđt
Rđt = ρL/(πR2)
Thí dụ 1.5: Mạch co 26%
→ dòng máu giảm 70% !

30. 1.1.7. Số Reynolds. Chảy tầng và chảy rối:
Một vật cứng chuyển động trong chất lỏng chịu 2 sức cản:
Sức cản quán tính (làm nước thay đổi trạng thái quán tính)
Sức cản ma sát (do độ nhớt)
Tỷ số giữa chúng: số Reynolds:
Re = ρvL/η
trong đó:
ρ, η: mật độ & độ nhớt chất lỏng
v: vận tốc vật chuyển động
L: độ dài đạc trưng của vật xét

31. Trong ống dẫn:
Re = ρvD/η (D: đường kính ống)
Thực nghiệm: Re < 2000 chảy tầng
Re > 3000 chảy rối
Re ở giữa tầng và rối xen nhau ngẫu nhiên

32. Chảy rối tăng ma sát → cần tránh

33. 1.2. HỆ TUẦN HOÀN:
1.2.1. Mở đầu:
Hệ tuần hoàn: Tim + Mạch máu
Ba chức năng:
vận chuyển
điều hòa (thể dịch, nhiệt)
bảo vệ (đông máu, miễn dịch)
Vật lý:
hoạt động điện và cơ của tim
qui luật chuyển động của máu
trong hệ mạch

34. 1.2.2. Hoạt động của tim:
1.2.2.1. Cấu trúc:

35. Hai vòng tuần
hoàn lớn và nhỏ

36. 1.2.2.2. Chu trình tim và tiếng tim:
1.2.2.3. Lực tâm thu. Công của tim:
A = At + Ađ = pVt + ½ mv2 = pVt + ½ ρVtv2
At thành phần tĩnh, giúp dòng máu thắng áp suất trong đ/m chủ
Ađ thành phần động, để gia tốc máu tới v = 0,5 m/s ở đ/m chủ
A = 0,8 + 0,008 (J) = 0,81 (J)
Nếu tính cả thất phải: A = 1 (J)
Công của tim chủ yếu (99%) để thắng sức cản của hệ mạch

37. Thí dụ 1.6: Công của tim trong một đời người?
Tuổi thọ 70 năm, nhịp tim 75 nhịp/phút:
A = 70 năm x 365 ngày x 24 giờ
x 3600 giây x 1,25 nhịp x 1J
= 2,6 x 109 J = 2,6 x 109 N.m
= 2,6 x 105 kg.km
= 26 x 104 kg.km
= 52 kg x 5000 km
= 50 kg x 5200 km
Thi vác người yêu
Đó là công mang một vật nặng 50 kg đi xa 5200 km!

38. 1.2.3. Dòng máu trong hệ mạch
Dòng máu ở động mạch
chảy thành lớp, vì v nhỏ
1.2.3.1. Phương trình liên tục
v1/v2 = S2/S1
Mao mạch S2 gấp 700 lần
S1 đ/m chủ →
v1 = 0,5 m/s
v2 = 0,0005 m/s
→ trao đổi chất thuận lợi

39. 1.2.3.2. Định luật Bernoulli:
p + ½ ρv2 = const
Chất lỏng lý tưởng (η = 0): v giảm thì áp suất động giảm và áp
suất tĩnh sẽ tăng
Áp dụng cho dòng máu: huyết áp tại mao mạch lớn nhất (!)
Mâu thuẫn được giải quyết vì máu là chất lỏng thực (η ≠ 0): 99%
công của tim dùng để thắng sức cản
→ áp suất tĩnh tại mao mạch là nhỏ nhất

40. 1.2.3.3. Định luật Hagen – Poiseuille:
Xét chất lỏng thực:
P = P0 - P = 8QηL / (πR4) = Q Rtđ
→ Sự giảm áp P ~ Rtđ
Đo đạc:
• 80% tổng trở thuộc về tiểu động mạch + mao mạch
• ¾ thuộc t.đ.m và ¼ thuộc mao mạch
• Sự giảm áp lớn nhất ở t.đ.m, rồi đến mao mạch

41. Tại sao Rtđ tiểu đ/mạch lớn hơn ở mao mạch?
Hai nguyên nhân: 1) hiệu ứng thành mạch
2) hệ mạch song song
• Hiệu ứng thành mạch: phụ thuộc vào tốc độ máu và diện tích
thành mạch
Ở t.đ.m., v lớn (hàng chục cm/s) → hiệu ứng lớn
• Mắc song song: tổng trở Rtc = R/n → mao mạch có n lớn
nên tổng trở nhỏ hơn t.đ.m.

42. 1.2.3.4. Đo huyết áp
bằng huyết áp kế:
Nguyên tắc: nghe các âm
Korotkoff của dòng chảy
rối
(đo gián tiếp)

43. 1.3. VẬN CHUYỂN QUA MÀNG:
1.3.1. Mở đầu:
Sự sống là gì?
Đặc trưng của tế bào (tiên đề 1 của sinh học)
Cơ thể sống: cơ thể đơn hoặc đa bào
(virus là cơ thể sống?)
Cơ thể người: 50-100 ngàn tỉ tế bào (L ~ 10 µm)

44. 1.3.2. Cấu trúc và chức năng của màng:
• Mô hình khảm lỏng:
Lớp lipid kép
Protein xuyên màng
• Chức năng:
Bảo vệ
Trao đổi

45. 1.3.3. Các con đường vận chuyển:
• Hai con đường: Tan trong lipid
Qua protein xuyên màng:
kênh ion
chất vận tải
• Ba cách thức vận chuyển:
khuếch tán qua lipid
khuếch tán qua kênh
vận chuyển nhờ chất mang

46. • Màng có tính thấm chọn lọc → gradient nồng độ
Tạo ATP (màng ty thể)
Thực hiện các quá trình vận chuyển (thụ động)
Biến đổi các tín hiệu điện

47. • Các hình thức vận chuyển:
Độc vận
Hiệp vận: đồng vận
đối vận

48. • Vận chuyển thụ động và vận chuyển tích cực:
Thụ động: cùng chiều gradient điện hóa
không dùng năng lượng (ATP)
Tích cực: ngược lại

49. 1.3.4. Khuếch tán:
• Quá trình vật chất đi từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ
thấp nhờ chuyển động nhiệt
• Ba hình thức khuếch tán:
KT đơn giản qua lipid
KT đơn giản qua kênh
KT tăng cường (tạo thuận, liên hợp) nhờ chất mang
(Thẩm thấu nước)

50. 1.3.5. Vận chuyển tích cực:
Nguyên phát và thứ phát
VCTC thứ phát: hiệp vận với sự khuếch tán Na+ từ ngoài vào
Bơm Na+-K+

51. 1.3.6. Bài xuất và nhập bào:
Xuất bào
Nhập bào: Ẩm bào
Thực bào

52. • Thực bào:
Bạch cầu đa nhân thực bào
vi khuẩn đang phân chia
Một vi khuẩn phân chia
bao nhiêu lần sẽ có kích
thước bằng hệ mặt trời?
(Giả thiết mọi khuẩn đều
sống sót sau phân chia)

53. 1.4. ÂM VÀ SIÊU ÂM TRONG Y HỌC:
1.4.1. Âm:
Môi trường đàn hồi: các phần tử
dao động quanh vị trí cân bằng
Sóng: sự lan truyền dao động
trong MTĐH
Sóng ngang và sóng dọc
Sóng âm: sóng dọc trong MTĐH

54. Tốc độ truyền âm:
v = (331,5 + 0,6 T) (m/s)
331,5 m/s là tốc độ âm tại
mực nước biển ở 0oC
T là nhiệt độ Celcius
Thường v = 340 m/s (15oC)
Trong cơ thể: v = 1540 m/s

55. PHÂN LOẠI ÂM:
• Theo tần số f:
Âm nghe thấy:
16-20 Hz tới 20 kHz
Hạ âm:
< 16-20 Hz
Siêu âm:
> 20 kHz
Một số động vật nghe được
siêu âm và hạ âm
SONAR

56. • Theo dạng sóng:
Âm nhạc: nhiều tính
tuần hoàn, ít tắt dần
Tạp âm: ngược lại
Xung âm: tắt nhanh,
biên độ lớn
Ngựa Hans thông minh

57. CÁC ĐẶC TRƯNG KHÁCH QUAN VÀ CHỦ QUAN:
Tần số ←→ Cao độ
Cường độ ←→ Mức to
Dạng sóng ←→ Âm sắc
Chúng có mối tương quan như thế nào?
Dàn nhạc giao hưởng
Việt Nam

58. 1.4.1.1. Tần số và cao độ:
• Cấu trúc tai người:
Tai ngoài
Tai giữa
Tai trong

59. • Ốc tai:
Lớp màng đáy

60. • Đáp ứng với tần số:
dòng chất lỏng →
màng đáy biến dạng
→ thế gợi giác
→ cảm giác âm
Đầu ốc tai: 20 kHz
Cuối ốc tai: 16 Hz

61. • Tương quan:
Sóng điều hòa (sóng sine):
Cao độ phụ thuộc tần số
T/số thấp → cao độ thấp → âm trầm
T/số cao → cao độ cao → âm bổng
(độ trầm bổng của âm)
Quãng tám hoặc bát độ (octave):
hai âm tần số gấp đôi nhau Diva Mỹ Linh

62. • Khách quan biến thành chủ quan như thế nào?
Không biết !
Prof Lettvin: I am not
a frog, I don’t know
Jerome Lettvin (1920-2011): nhà thơ,
kỹ sư điện, nhà thần kinh học

63. 1.4.1.2. Cường độ và mức to:
Năng lượng sóng âm qua một đơn vị
diện tích trong một đơn vị thời gian [ I ] = J/(m2 s) = W/m2
Loại âm thanh Cường độ (W/m2) tại 1000 Hz
Ngưỡng nghe 10-12 Phi cơ siêu thanh Concord
Tiếng thì thào 10-10
Nói thầm 10-8
Nói thường 10-7
Nói to 10-6
Tạp âm đường phố 10-5
Nhạc rock 10-1
Ngưỡng đau 1

64. • Sự cảm nhận âm thanh về mặt cường độ: Mức to
Tai người: cực kỳ nhạy
cảm (muỗi & xe lửa)
Mức to không tỷ lệ tuyến
tính với I: I tăng 10 lần,
mức to chỉ tăng một đơn vị
N (dB) = 10 lg(I/I0)
I (I0) là cường độ âm xét
(ngưỡng nghe)
Graham Bell (1847-1922)

65. Mức to của một số loại âm:
• Ngưỡng nghe:
N = 10 lg (I0/I0) = 10 lg(1) = 0 dB
• Ngưỡng chói:
N = 10 lg (1/10-12) = 120 dB
• Nói thường:
N = 10 lg (10-7/10-12) = 50 dB
• Tạp âm đường phố:
N = 10 lg (10-5/10-12) = 70 dB
(ngưỡng bảo hộ)

66. Đường cong đồng mức to: (độ phân giải tai người là 1 dB)
Mức to phụ thuộc vào cường độ (và tần số)

67. Thí dụ 1.7: Xác định sự thay đổi mức âm tính theo dB.
Tính sự giảm mức âm khi một trong hai loa ngưng hoạt động.
Khi 1 loa ngưng, cường độ âm giảm một nửa, nên sự giảm
mức âm:
∆N = 10 lg (1/2) ≈ - 3 dB
Hay khi mức âm tăng 3 dB, cường độ tăng gấp đôi.
Từ mức nói chuyện thông thường (60 dB) tới buổi hòa nhạc
rock (110 dB), mức âm chỉ tăng 50 dB, nhưng cường độ âm
tăng tới 250/3 ≈ 217 ≈ 100 ngàn lần!

68. 1.4.1.3. Dạng sóng và âm sắc:
• Phân tích Fourier:
Dao động tuần hoàn
Dao động điều hòa

69. Jean Baptiste Joseph Fourier:
Một hàm tuần hoàn có thể xấp xỉ bằng các hàm điều hòa:
y(t) ≈ ΣAn sin (nωt + Фn)
n = 1, 2, …, N
với
ω = 2π/T = 2πf là tần số góc (f là tần số thẳng)
Фn là pha ban đầu
(N đủ lớn để đạt được xấp xỉ tốt)

70. N cần lớn đến mức nào?
Không quá lớn!

71. Phân tích Fourier:

72. Phân tích Fourier là gì? Xác định An và Фn,
tức tìm các họa âm
Âm có tần số nhỏ nhất f1 gọi là họa âm thứ nhất (họa âm cơ bản)
Âm có tần số là bội của f0 là các họa âm cao
f1 tần số âm cơ bản hay họa âm thứ nhất
fn = nf1 tần số họa âm thứ n hay họa âm cao thứ (n-1)
Tổng hợp Fourier: ngược lại (một số bản nhạc điện tử)

73. 1.4.1.4. Nguồn âm:

74. • Dây đàn dao động, như ở đàn ghi-ta?
Tính khá dễ dàng!
fn = (n/2l) T/(m/l)
T sức căng (N)
m/l mật độ khối lượng
tuyến tính (kg/m)
→Ba cách chỉnh đàn:
Thay dây (m)
Căng dây (T)
Bấm nốt (l)

75. Kèn và sáo?
Hai đầu mở hay hai đầu kín:
tương tự dây đàn
Một đầu kín, một đầu mở:
chỉ có các họa âm lẻ

76. 1.4.2. Hiệu ứng Doppler:
Sự thay đổi tần số âm thu
được so với tần số âm gốc khi
máy thu và nguồn phát chuyển
động tương đối với nhau.
Vì f = v/λ → tần số âm thu được
phía bên phải sẽ lớn hơn tần số
âm phía bên trái.

77. Nguồn đứng yên
Nguồn chuyển động

78. Minh họa hiệu ứng Doppler:
Phía trước: tần số tăng Phía sau: tần số giảm

79. Qui luật định lượng:
ft = fp [v/(v - vp)]
ft ; fp tần số máy thu và nguồn âm
vp tốc độ nguồn âm
v tốc độ âm
Khi nguồn âm đứng yên vp = 0
→ ft = fp

80. Hiệu ứng Doppler
Lại gần: f tăng
Rời xa: f giảm

81. Ứng dụng hiệu ứng Dopler?
• Xác định tốc độ vật chuyển
động (CSGT: bắn tốc độ) (Ngôn ngữ !!!)
• Xác định vật chuyển động
lại gần hay ra xa Hubble
Hubble: Vũ trụ giãn nở
• Trong y khoa:
Tạo cách mạng
Viễn kính
Hooker
100-in

82. Sóng xung kích:
Nguồn âm tiến lại máy thu với tốc độ vp ≥ v ?

83. Nguồn hạ thanh Nguồn tốc độ âm Nguồn siêu thanh

84. Sóng xung kích trong thực tế:
Máy bay siêu thanh
Y khoa: Phá sỏi

85. 1.4.3. Siêu âm trong y học
1.4.3.1. Một số đại lượng đặc trưng:
Dải tần MHz (hấp thụ chủ yếu ở lớp mô mềm 1 - 5 cm)
Chẩn đoán: 2 - 50 MHz
Điều trị: 1 và 3 MHz

86. Bài toán tối ưu hóa:
Tần số tăng: độ phân giải tăng; độ xuyên sâu giảm
Tần số giảm: độ phân giải giảm; độ xuyên sâu tăng
Tối ưu toàn cục phi tuyến: Giáo sư Hoàng Tụy

87. Âm trở:
Hệ số phản xạ: K = [( Z2 - Z1 )/( Z2 + Z1)]2
Sự sai khác âm trở giữa hai môi trường lớn: âm phản xạ mạnh

88. Âm trở của một số môi trường:
Vật liệu Tốc độ (m/s) Mật độ (kg/m3) Âm trở (kg/m2s)
Không khí 340 0,625 213
Mỡ 1450 940 1,4 x 106
Cơ 1550 1100 1,7 x 106
Xương 2800 1800 5,1 x 106
Nước 1500 1000 1,5 x 106
Thép 5850 8000 47 x 106
lớp không khí mỏng phản xạ 99,998% chùm siêu âm
→ Gel siêu âm !

89. Môi trường truyền âm:
• Gel siêu âm
• Nước
• Túi chất lỏng

90. 1.4.3.2. Siêu âm trong chẩn đoán:
Máy
Đầu dò (gốm áp điện)

91. Để làm gì?
Tạo ảnh (đen trắng)
Thai 16 tuần

92. Siêu âm Doppler:
Đo tốc độ và chuyển động
Trái: van ba và hai lá; Phải: van đ/m chủ

93. Siêu âm Doppler:
Phổ Doppler
Phổ Doppler động mạch cảnh

94. Siêu âm Doppler:
Siêu âm xuyên sọ
trong thần kinh học

95. 1.4.3.3. Siêu âm trong điều trị:
Vật lý trị liệu & PHCN
giảm đau
kháng viêm
chống xơ sẹo
kích thích tái sinh
đưa thuốc

96. Các lĩnh vực khác:
Phá sỏi từ ngoài cơ thể
bằng sóng xung kích
Diệt khối u
Vệ sinh răng miệng
Sóng xung kích trong VLTL

97. SIÊU ÂM CÓ AN TOÀN KHÔNG?
• Trong chẩn đoán:
An toàn tuyệt đối, vì mật độ công suất cực nhỏ, μW/cm2
• Trong điều trị:
VLTL-PHCN:
An toàn, vì mật độ công suất cỡ W/cm2
Các lĩnh vực khác:
Nói chung an toàn, vì tuy công suất đỉnh xung lớn
nhưng công suất trung bình không lớn.