Transcript Klimek - Natuurkunde EDAIC

Natuurwetenschappen
• De poging om de wereld om ons heen door wetten te beschrijven…
Natuurkundewetten
in de
klinische toepassing
Markus Klimek
[email protected]
• Gassen, vloeistoffen, drukken, volumina, temperatuur, energie,
elektriciteit, flow, lading, spanning, weerstanden… in de dagelijkse
praktijk op de OK komt alles even langs…
• Goed begrip voor de principes / wetten hierachter is belangrijk om veilig
te kunnen werken!
• Niet voor niets belangrijk onderdeel van deel 1 van het EDAIC
• Niet voor niets beta-vakken als voorwaarde voor studie
geneeskunde
• Niet voor niets een van de meest gewenste onderwerpen
Kracht, Massa, Arbeid, Energie
Kracht, Massa, Arbeid, Energie
Archimedes (287-212 v. Chr.):
Galileo Galilei (1562-1642):
Drijfvermogen = kracht die objecten omhoog duwt en drijvende
objecten drijvend houdt
Gedachteexperiment tegen
idee van Aristoteles dat zware
objecten sneller vallen
Kracht = gewicht verplaatste hoeveelheid water
Vallen van objecten gebeurt
met geleidelijk toenemende
snelheid onafhankelijk van het
gewicht van het object!
Die constante versnelling
noemen we valversnelling en
we duiden ze aan met de letter
“g”
1
Isaac Newton (1642-1727)
Natuurkundige
Filosoof
De wetten van Newton
Objecten blijven in rust of bewegen met constante snelheid, tenzij er
externe krachten op inwerken
Sterrenkundige
Theoloog
Alchemist
Nog voor zijn 25. drie
fundamentele ontdekkingen:
Universele gravitatie
Mate van verandering van de toestand (rust of beweging) van het
object staat in direct proportionele verhouding met de ob het object
uitgeoefende kracht
Alle werkzame krachten genereren een gelijkwaardige, tegengestelde
kracht
Differentiaal- en
Integraalrekening
Dispersie / Kleurschifting
6
1e wet van Newton
Snelheid vs. versnelling:
Er is geen kracht/versnelling nodig, om een bewegend object in
beweging te houden! Krachten veroorzaken beweging, maar geen
versnelling!
2
Snelheid vs. versnelling
Snelheid
Versnelling
= afstand / tijd
= toename aan snelheid/ tijd
Kracht en Energie
Kracht = massa x versnelling
m/s
m/s2
Energie
Energie = vermogen om arbeid te verrichten
Kracht = Massa x versnelling
Energie = vermogen om beweging te creëren
[Kracht] = Newton
Object valt van grote hoogte = meer
energieoverdracht bij landing dan bij kleine
hoogte
1 N = 1 kg m s-2
Gewicht = Kracht ≠ Massa
1 kg = Massa (onafhankelijk van
omgeving!)
Energie al aanwezig, voordat het object
begon te vallen!
Massa bekomt pas “gewicht” door
zwaartekrachtversnelling!
Object tegen de zwaartekracht in naar hoogte
brengen = energie in object investeren
(‘potentiele energie’)
Zwaartekrachtversnelling =
“aantrekkingskracht”
Overdracht van potentiele energie naar
kinetische energie en vice versa
Op de aarde: 9,81 m s-2
1 kg weegt dus 9,81 N
(Wrijving / warmte als extra factor)
3
Kracht en Energie
Energie en Arbeid
[Kracht] = N (Newton)
Arbeid = Energieverbruik / Inspanningsvermogen
1 N = 1 kg m s-2
1m=1J
[Arbeid] = Watt (W)
[Energie] = Joule
1W=1J/s
1J=1Nm
Dagelijks verbruik: 10.000.000 Joule/dag
1 J = Energie, die op aarde
nodig is om 1 N (dus 100g) 1 m
hoog op te tillen
Kan je omrekenen naar: 115,74 Watt
1 cal = 4,2 J
Fietsproef:
Normaal 3-5 Watt / kg
Dagelijks energieverbruik:
10.000.000 J = 2500 kcal
100 g = 547 kcal = 2297 kJ = 2.297.000 Joule
Arbeid anders afgeleid:
Vermogen, Spanning, Stroom
Druk = Kracht / Oppervlakte
Vermogen = Spanning x Stroom
Kracht = Druk x Oppervlakte
1W=1Vx1A
Netspanning: 230 V
Volume = Afstand x Oppervlakte
Ingebouwde zekeringen: 16 A
Afstand = Volumen / Oppervlakte
Maximale vermogen uit een stopcontact:
16 x 230 = 3680 W
Arbeid = Kracht x Afstand
Arbeid = (Druk x Oppervlakte) x (Volume /Oppervlakte)
Arbeid = Druk x Volume in de hart- en longfysiologie!
4
SI-Eenheden
Druk
• Lengte (m)
• Massa (kg)
• Tijd (s)
• Stroom (A)
• Temperatuur (K)
• Lichtintensiteit (Cd)
• Molecuulaantal (mol)
• Alle overige eenheden zijn afgeleid!
Druk
Druk = Kracht / Oppervlakte
Druk = Kracht / Oppervlakte
1 Pa = 1 N / 1 m2
100 g op 1 m2 is vrij weinig!
Daarom: hPa (100 Pa) = 1 mbar
Normale luchtdruk (1 atm):
Lucht is stof, heeft massa en oefent druk uit!
Lucht = 1,25 kg/m3 (Styropor = 17 kg / m3)
101.325 Pa = 1013,25 hPa = 101,325 kPa
Olifant = 4500 kg / voet= 1600 cm2 / altijd minimaal 2 benen op grond
1013,25 mbar = 1,013 bar
760 mm Hg = 760 Torr
Vrouw = 65 kg / Louboutin hakken: 1 cm2 / regelmatig alleen 1 hak op
grond
10,33 m H2O
Olifant = 140 kPa / vrouw = 6500 kPa
14,696 psi (pounds per square inch)
5
Werken met spuiten…
Druk waarmee vloeistof uitstroomt = kracht / oppervlakte
Om vloeistof uit de spuit te krijgen: druk op stempel
Kracht die nodig is om stempel in te drukken: druk x oppervlakte
Werken met spuiten…
Normale bloeddruk:
120 mm Hg = 16 kPa !!!
• Duim produceert kracht van 25 N op de stempel
• 2 ml spuit = 25 N / 0.78 cm2 = 320 kPa
2 ml vs. 20 ml spuit: d = 1 vs. 2 cm
Oppervlakte = πr2 = 0.78 cm2 vs. 3.14 cm2 = 4 x meer kracht nodig
voor zelfde druk
• 20 ml spuit = 25 N / 3,14 cm2 = 80 kPa
• Nog steeds meer dan 5 x SBP en waarschijnlijk ook meer dan de
stevigste tourniquet!
• Bier’s Blok:
• Grote spuit!
• Langzaam inspuiten!
Pressure P= f/a
6
Decubitus
Bloeddruk = Spanning
20 kg van het gewicht van de patiënt rusten op 10 x 10 cm oppervlakte:
Gemeten bloeddruk = druk op wand van het bloedvat
19, 6 kPa
Spanning = Wet van Ohm
Risico op ischemie en drukplekken aanwezig bij
Vertalen naar circulatie:
U = R X I (Spanning = Stroom x Weerstand)
- groot gewicht
Bloeddruk = Cardiac Output x System. Vaatweerstand
- kleine oppervlakte bij positionering
- lage SBD
Flow (in principe) belangrijker dan druk!
Cardiac Output = Bloeddruk / System. Vaatweerstand
- lange duur van deze toestand
- (lokaal probleem)
Wie dus de RR verhoogt door alleen de SVR te verhogen, verbetert niet
automatisch ook de perfusie!!
Cardiac Output 2
Aggregatietoestanden
Cardiac Output = Slagvolumen x Hartfrequentie
Slagvolumen is afhankelijk van
Water: 100 C tussen
vast en gasvormig
Meeste andere stoffen
veel groter verschil!
Preload
Afterload
Inotropie
Cardiac Output volgens Fick: VO2 = CO x avDO2 wordt dan:
Gas-fase in de
atmosfere: 1 bar
VO2
CO = -----------------avDO2
waarbij VO2 nog benaderd kan worden
via de CO2-productie
7
Definities:
Lachgas vs. zuurstof
Gassen kunnen vloeibaar worden door
Kritische Temperatuur:
Lachgas
36,5 C
Zuurstof
-119 C
hogere druk
Afkoeling
Kritische temperatuur: boven deze temperatuur kan het gas niet
vloeibaar gemaakt worden door drukverhoging
Kritische druk: minimale druk die bij kritische temperatuur nodig is, om
gas vloeibaar te maken
Kritisch volume: volume van 1 mol gas bij kritische druk en kritische
temperatuur
Kritische Druk:
Lachgas 73 bar bij 36,5 C
Lachgas 52 bar bij 20,0 C
Zuurstof = Gas
Lachgas = Damp
Gas: gasvormig bij normale druk en kamertemperatuur
Vapor / Damp: gas, dat bij kamertemperatuur normaliter vloeibaar is
(kritische temperatuur > kamertemperatuur)
Lachgas-Cylinder
Gas is comprimeerbaar!
• Hoeveel zit er nog in?
LOR met water of lucht?
• Opgeslagen als vloeistof
• Komt als gas vrij
Gaswetten:
• Daarom: gewicht van de cylinder bepalen!
• Cylinder
= 5,6 kg
• Leeg gewicht
= 4,5 kg
• Gewicht lachgas
= 1,1 kg = 1100 g
• 1 Mol N2O = 44 g = 22,4 l (N = 14, O = 16)
1) Boyle
p x V = const.
2) Charles
V / T = const.
• 1100 g x 22,4 l / 44 g = 560 l voorraad in cylinder
3) Gay-Lussac / algemene gaswet:
p x V = T x n x R (R = const. 8,32 J/C bij1 mol gas)
8
De gaswetten…
Dalton’s wet van de partiele druk
- Ademlucht = gasmengsel
- 21% zuurstof
- Percentage blijft gelijk
- Totale luchtdruk kan veranderen (weer,
hoogte)
- Gas neemt bij de druk / percentage passend
volume in!
P =P1 + P2 + P3
De partiele druk…
Zuurstoftransport
Wie meer dan 70% O2
nodig heeft kan niet
meer met een normaal
vliegtuig reizen…
Wie op de grond 70%
nodig heeft, zal op
2000 m hoogte 100%
nodig hebben
9
Fick’s diffusiewet
Concentratie / Druk-gradient
(meer = meer)
Membraanoppervlakte
(meer = meer)
Flow (stroming)
Volume van gas of vloeistof dat een bepaalde dwarsdoorsnede per
tijdseenheid passeert
Laminaire flow vs. Turbulente flow
Kinematische viscositeit = densiteit / viscositeit
Membraandikte
(meer = minder)
Stof
(moleculair gewicht: meer = minder)
(oplosbaarheid: meer = meer)
Wet van Hagen-Poisseuille (bij lamin. flow!)
Hagen Poisseuille in de praktijk
Denk aan infuusnaalden, tubes, slijmvlieszwelling bij kinderen met
pseudocroup…
RADIUS IN DE 4de MACHT!!! (bij turbulente flow alleen 2de macht)…
10
Hagen-Poisseuille in de praktijk…
Bernoulli-Fenomeen:
Door wet van energiebehoud minder druk bij
hoge flow
Hierdoor aantrekkingsvermogen voor andere
vloeistof
Wet van La Place
Oplosbaarheid van anesthetica:
T = wandspanning
Kleine alveoli hebben meer
druk nodig om niet te collaberen
als er geen surfactant is…
Eigenlijk:
P = (2 x T x d) / r
d = wanddikte
Niet zo belangrijk bij alveoli,
wel bij het myocard!:
T = (P x r) / (2 x d)
Wandspanning neemt af bij hypertrofie!
11
Osmotische druk
= Aantrekkingskracht voor water door semipermeabele membraan
Ionisatie, pH, pKa
• zwakke base
Zwakke zuur
pH>pKa: nietgeioniseerd +
pH>pKa: geionseerd +
pH=pKa: unionized=ionized
pH=pKa: unionized=ionized
pH<pKa: geioniseerd +
pH<pKa: niet geioniseerd +
bv: Basische drug (diazepam)
pKa 3.3
In maag: pH=1.3
In plasma: pH=7.4
Hogere conc. diazepam in
de maag dan in plasma
Denk aan hersenoedeem bij TURP-syndroom etc.
Warmteuitwisseling
Temperatuurmanagement op de OK:
Radiatie = 40-70%
Convectie = tot 30%
Conductie (weinig,
meestal vocht)
Evaporatie ca. 20 %
OK-gebied!
12
Warm air?!
Spectophotometrie
Straling kent verschillende golflengtes
Straling door een oplossing (bloed) = absorptie vindt plaats
Wet van Lambert – Beer:
De stof aan zich, de dikte en de concentratie bepalen de absorptie
T (λ, c, d) = exp (− κ (λ ) ⋅ c ⋅ d)
Gebruikt b.v. voor pulsoximetrie
13
Wheatstone Bridge
Elektrischer circuit om weerstanden te vergelijken
Maakt metingen ook van kleine veranderingen mogelijk
De variabele weerstand wordt zo aangepast, dat geen stroom meer
door het galvanometer gaat
De nodige aanpassingen van Rv
maken het meten van Ru mogelijk
Transducer: vertaalt mechanisch
signaal in elektrisch signaal
Figure 2.5 Isolation in a disposable blood-pressure sensor. Disposable blood pressure sensors
are made of clear plastic so air bubbles are easily seen. Saline flows from an intravenous (IV)
bag through the clear IV tubing and the sensor to the patient. This flushes blood out of the tip
of the indwelling catheter to prevent clotting. A lever can open or close the flush valve. The
silicon chip has a silicon diaphragm with a four-resistor Wheatstone bridge diffused into it. Its
electrical connections are protected from the saline by a compliant silicone elastomer gel,
which also provides electrical isolation. This prevents electric shock from the sensor to the
patient and prevents destructive currents during defibrillation from the patient to the silicon
chip.
Signaaltransductie
on
Ec
om
Vuur op de OK
Transductie tussen fysische domeinen
ch
is
hefboom,
katrol-reductie
spie
r
zuiger,
trommelvlies
Hydraulisch,
Pneumatisch,
Acoustisch
translatie
Mechanisch
sm
ko o ork
elk le
as p,
t
motor / generator,
draaispoelmeter
Stirlingmotor
transmissie
(versnellingsbak)
Uitzetting,
geheugen metaal
ve
rb
ra
ex ndin
pa
nd gs-m
e
ex gas ren oto
r:
d
plo ,
sie
Ohmse
weerstand
Thermisch
, r
tie
rp ale
so str
ab rte
a
zw
transformator
rotatie
pomp,
propellor,
turbine
rem,
wrijving
ele
flo ktro
m
w
m ag
luidspreker / microfoon, eter n etis
/p
c
lineaire motor /generator,
o m he
p
piezo-element,
trilhaarcel
schroefspindel,
lier
kruk-as,
Elektrisch
wiel
ltie
Pe
exotherme reaktie:
verbranding
endotherme
reaktie
Chemisch,
nucleair
m
le
r-e
t
en
Accu, Batterij,
brandstofcel,
zenuw
photo-diode:
(zonnecel)
staafjes,
kegeltjes
LED,
Laser,
vlamboog
Straling,
Licht
Fotosynthese
A. Veltman, 11-98
14
Vuur op de OK
Vragen?
15