Physik

Der enorme technische Fortschritt und wissenschaftliche Erkenntniszuwachs der vergangenen Jahre in Medizin und Biowissenschaften betrifft auch das Fach Physik. Seit mehr als fünfzig Jahren unterrichten die Mitarbeiter des Instituts für Medizinische Physik und Biophysik der Universität Leipzig Studierende der Humanmedizin, Zahnmedizin, Biochemie, Biologie und Pharmazie in diesem Fach, wobei Vorlesungen, Übungen und Praktika zu den obligatorischen Lehrveranstaltungen gehören. Das jetzt vorliegende Skript zur Vorlesung schließt eine Lücke in den bereitgestellten Lehrmaterialien für den interessierten Studierenden. In Kurzform werden wichtige physikalische Begriffe, Gesetze und Phänomene erläutert und gleichzeitig der Bogen zu zahlreichen modernen Anwendungen in Medizin und Lebenswissenschaften geschlagen.

0. Physikalische Größen und Einheiten0.1 Messen heißt vergleichen!0.2 Internationale Einheitensystem0.3 Arbeiten mit Messgrößen0.4 Skalare und vektorielle Größen0.5 Naturkonstanten1. Mechanik: Bewegung von Körpern1.1 Einfache Bewegungen 1.1.1 Grundtypen der Bewegung 1.1.2 Geradlinige gleichförmige Bewegung 1.1.3 Gleichmäßig beschleunigte Bewegung, freier Fall 1.1.4 Diagramme und Gesetze (Translation)1.1.5 Gleichförmige Kreisbewegung 1.1.6 Ungleichförmige Kreisbewegung 1.2 Kräfte 1.2.1 Newtonsche Axiome 1.2.2 Schwerkraft als Sonderform der Gravitationskraft 1.2.3 Auftrieb 1.2.4 Reibung 1.2.5 Sedimentation 1.2.6 Zentrifugalkraft als Trägheitskraft 1.2.7 Zentrifugation 1.2.8 Drehmoment 1.2.9 Drehmomentengleichgewichte 1.3 Erhaltungsgrößen der Mechanik 1.3.1 Arbeit und Energie 1.3.2 Leistung 1.3.3 Energieerhaltungssatz 1.3.4 Impuls, Impulserhaltungssatz 1.3.5 Elastischer und inelastischer Stoß 1.3.6 Drehimpuls, Drehimpulserhaltungssatz 1.4 Übersicht Translation vs. 2. Mechanik: Deformation von Körpern 2.1 Grundlagen 2.1.1 Elastische versus plastische Deformation 2.1.2 Feder als elastisches Element 2.2 Grundtypen der elastischen Verformung 2.2.1 Dehnung und Stauchung 2.2.2 Allseitige Kompression 2.2.3 Biegung 2.2.4 2.2.5 Verdrillung 2.3 Plastische Deformation 2.3.1 Definitionen 2.3.2 Elastisches und viskoses Verhalten als Grenzfälle 2.3.3 Viskoelastizität 2.4 Materialeigenschaften und Schutzstrategien gegenüber Deformationen 2.4.1 Hohlzylinder 2.4.2 Innere Struktur von Röhrenknochen 2.4.3 Viskoelastische Elemente der 2.4.4 Das System Hyaluronsäure-Wasser als effizienter Stoßdämpfer 2.4.5 Plastische Materialien in der Zahnheilkunde 3. Mechanik: Drücke und Strömungen 3.1 Druck als mechanische Größe 3.1.1 Molekulares Bild des 3.1.2 Luftdruck und barometrische Höhenformel 3.1.3 Luft als Gasgemisch 3.1.4 Schweredruck 3.1.5 Stempeldruck 3.1.6 Druckmessung 3.2 Strömungen 3.2.1 Grundgesetz der Hydrodynamik 3.2.2 Kontinuitätsgleichung 3.2.3 Laminare und turbulente Strömung 3.2.4 Gesetz von Hagen-Poiseuille 3.2.5 Strömungswiderstand in parallel geschalteten Gefäßen 3.2.6 Gleichung von Bernouilli 3.3 Blutkreislauf 3.3.1 Herz als 3.3.2 Windkesselfunktion 3.3.3 Auftreten von Turbulenzen 3.3.4 Durchblutung von Organen und Geweben 3.3.5 Blut als nicht-newtonsche Flüssigkeit 3.3.6 Stenosen und Aneurysmen 3.4 Weitere Anwendungen der Strömungsgesetze 3.4.1 Funktion von Ventilen und Klappen 3.4.2 Ausströmphänomene 3.4.3 Erzeugung von Unterdruck 3.4.4 Dynamischer Auftrieb 4. Mechanik: Grenzflächenphänomene 4.1 Grundlagen 4.1.1 Grenzflächen 4.1.2 Kohäsion versus Adhäsion, Benetzung 4.1.3 Oberflächenenergie 4.1.4 Kohäsionsdruck 4.2 Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenspannung 4.2.1 Spreizung von Flüssigkeitslamellen 4.2.2 Abreißmethode 4.2.3 Tropfengröße 4.2.4 Kapillare Steighöhe 4.3 Anwendungen 4.3.1 Oberflächenaktive Substanzen 4.3.2 Wasserabweisende Beschichtung 4.3.3 Strukturbildung durch amphiphile Stoffe in biologischen Systemen 5. Elektrik: Elektrische Felder 5.1 Kenngrößen eines elektrischen Feldes 5.1.1 Elektrische Ladung 5.1.2 Elektrische Kraft 5.1.3 Homogene und inhomogene elektrische Felder 5.1.4 Ladungen im elektrischen Feld 5.2 Elektrischer Dipol 5.2.1 Dipolmoment 5.2.2 Elektrisches Feld eines Dipols 5.2.3 Elektrokardiogramm (EKG) 5.2.4 Dipol-Dipol-Wechselwirkungen 6. Elektrik: Elektrische Ströme 6.1 Grundlagen 6.1.1 Ohmsche Gesetz 6.1.2 Elektrischer Widerstand und Leitwert 6.1.3 Stromfluss und Wirkungen des elektrischen Stromes 6.2 Ionen und geladene Teilchen in Lösung 6.2.1 Elektrolytische Leitfähigkeit 6.2.2 Kolloidale Teilchen im elektrischen Feld 6.2.3 Elektrophorese 6.3 Gleichstromkreis 6.3.1 Elektrische Energie und Leistung 6.3.2 Kirchhoffsche Regeln 6.3.3 Reihen- und Parallelschaltung elektrischer Widerstände 6.3.4 Widerstandsmessung 6.3.5 Innenwiderstand einer Spannungsquelle 6.3.6 Platte