А так ли хорошо знакомы вам физика + медицина?

…пуская кровь на Яве новоприбывшим европейцам, я сделал наблюдение, что взятая из плечевой вены кровь имеет почти всегда поразительно яркую красную окраску. Это явление приковало все мое внимание. Юлиус Майер В моей книжке «О сохранении силы» я намеривался лишь дать критическую оценку и систематизировать факты в интересах физиологов… Герман Гельмгольц Сердце… сжимаясь и расширяясь поочередно для выгона и принятия крови, рождает пульс или бой, отзывающийся во всех боевых жилах тела. Владимир Даль

Пожалуй, ни один метод изучения магнитных свойств вещества не давал еще такую богатую информацию, как найденный Завойским резонансный. Петр Капица

Мы научились связывать технологии и биологию: искусственные слух и зрение – удел уже сотен тысяч людей. Дэвид Иглмен

Можно ли будет оживить тех, кого уже заморозили? Обри ди Грей

А так ли хорошо знакомы вам

ФИЗИКА + МЕДИЦИНА

Необычайно интенсивный прогресс медицины происходит на наших глазах, все более впитывая новейшие достижения не только цифровых технологий, но и фундаментальных физических открытий. Клиники порой напоминают интерьеры из фантастических фильмов о лабораториях будущего, поражая обилием диагностической и лечебной аппаратуры, а работающие с ней «люди в белых халатах» – ученых-исследователей. Рентгенография, лазерные скальпели, протонная терапия, УЗИ, МРТ… – этот список только пополняется, лишь подчеркивая возрастающую роль науки в благородном деле врачевания, сохранения здоровья и продления жизни человека. Нам всем так или иначе приходилось (и приходится!) обращаться к медикам. Попробуем взглянуть на область нашего с ними взаимодействия со ступенек школьного курса физики.

Вопросы и задачи

1. Почему при порезе пальца кровь вытекает равномерно, а не толчками, в такт биениям $сердца?^{2.}$ Отчего больных с высокой температурой при отсутствии лекарств раньше растирали водой, смешанной со спиртом, а не просто водой?

?

3. Почему нагретая медицинская банка «присасывается» к телу $человека?^{4.}$ Даже здоровые зубы начинают болеть от холодного мороженого. Чем это $объяснить?^{5.}$ Зачем стоматолог перед осмотром рта пациента прогревает $зеркальце?^{6.}$ Зубные врачи не рекомендуют есть очень горячую пищу. $Почему?^{7.}$ Почему мы дрожим от холода, а на коже появляются $«мурашки»?^{8.}$ Для чего проводят электроантисептирование – на время погружают овощи и фрукты в электростатическое $поле?^{9.}$ С какой целью пациентов некоторых клиник помещали внутрь клетки Фарадея – металлической сеточной конструкции, а сегодня ее используют для размещения магнитно-резонансного $томографа?^{10.}$ Во время операций тень от рук хирурга частично закрывает операционное поле. Как устранить такое неудобство?$^{11.}$ Какой физический смысл имеет выражение: «Из глаз посыпались искры»?$^{12.}$ Меняется ли расстояние наилучшего зрения у близоруких людей после надевания выписанных им очков?

13. Как будут выглядеть на специальном экране в рентгеновском кабинете кости человека и внутренние $полости?^{14.}$ Для получения рентгеновских лучей, применяемых в медицине, необходимо, чтобы поток электронов ударял в одну точку антикатода трубки, а не падал на него широким пучком. Почему?

Микроопыт

Из пузырька с широким горлышком капать лекарство неудобно. Попробуйте воспользоваться старой «хитростью»: вставьте в горлышко надломанную под прямым углом чистую (без головки) деревянную спичку. Получилось накапать? Как это объяснить?

Любопытно что…

… как минимум три тысячи лет назад появились искусственные части тела. На сегодня самая древняя известная из них – это протез стопы, сделанный из дерева и кожи и обнаруженный на древнеегипетской мумии. … придворный врач английских королей Уильям Гарвей, открывший в начале XVII века кровообращение, уподоблял человека миниатюрной модели Вселенной. Кровь, как и планеты, должна двигаться по кругу, в центре которого, подобно Солнцу, расположено сердце. … еще в середине XVIII века профессор физики Туринского и Парижского университетов аббат Нолле описывал интереснейший опыт: при малейшем повреждении кожи наэлектризованного человека из ранки начинала бить струйка мельчайших капелек крови. Осмыслить это явление удалось лишь через полтора столетия – после появления работы лорда Рэлея об устойчивости сильно заряженной капли, подверженной действию сил поверхностного натяжения. … многие известные физики были по образованию врачами. Например: один из создателей волновой теории света Томас Юнг; сформулировавшие закон сохранения энергии Юлиус Майер и Герман Гельмгольц; Жан Фуко, экспериментально доказавший вращение Земли вокруг своей оси…

… за обнаружением в 1944 году электронного парамагнитного резонанса (см. эпиграф) последовала цепочка открытий все новых разновидностей магнитных резонансов, что позволило получать трехмерное изображение, не нарушающее целостность объекта, и стало одним из важнейших методов диагностики в медицине. … искусственный кардиостимулятор – электрический прибор, помогающий сердцу биться с нужной частотой, – был впервые установлен пациенту еще в 1958 году. Сейчас во всем мире ежегодно людям имплантируют более миллиона кардиостимуляторов…. кальций, самый тяжелый из химических элементов, содержащихся в нашем организме, преимущественно локализуется в костях, что делает их ясно видимыми при рентгеновских исследованиях. Эта информация крайне важна для космонавтов, теряющих кальций в условиях невесомости, и для разработки для них специальных нагрузок на костную ткань. … успехи физики низких температур и созданные на ее основе новые технологии уже позволяют продлевать сроки хранения предназначенных для трансплантации органов и замораживать репродуктивные клетки. Правда, проблема кристаллизации воды, разрывающей клеточные структуры при более глубокой заморозке, еще не поддается решению. … недавно было изобретено «бионическое ухо», содержащее настроенную на радиоволны антенну, совмещенную с живыми клетками. Такое устройство не только расширяет слуховой диапазон, но и позволяет, например, проводить дистанционный контроль за состоянием протезов.

Что читать в «Кванте» о союзе физики и медицины

(публикации последних лет)

1. «Физика звука» – 2018, №12, с. 8; 2. «На перекрестке идей: история открытия магнитного резонанса» – 2019, №12, с. 2; 3. «Вирус», «маска» – где гарантия?» – 2020, №11/12, с. 2; 4. «Коронавирус на звездолете» – 2022, №2, с. 43.

Материал подготовил А.Леонович