Samenvatting paragraaf 1

Als je aan natuurkunde denkt denk je gauw aan technische toepassingen, maar natuurkunde gaat ook over mensen, dieren en planten. Bijvoorbeeld je armen die werken als hefbomen en je spieren die oefenen bepaalde krachten uit. Als je op een natuurkundige manier naar de levende natuur kijkt noem je dat biofysica. Biofysici zijn natuurkundigen die het leven bestuderen. Ze maken wel gebruik van natuurkundige kennis en natuurkundige technieken om er achter te komen hoe het leven werkt. Ze werken vaak samen met grenzende vakgebieden zoals biomedische wetenschappen, bewegingswetenschappen, moleculaire biologie, orthopedie, robotica en nanotechnologie.

De volgende paragrafen gaan over hoe mensen lopen (paragraaf2), hoe het evenwichtsorgaan werkt (paragraaf 3), hoe een bacterie zwemt (paragraaf 4) en hoe je DNA en RNA kan manipuleren (paragraaf 5).

Samenvatting paragraaf 2

Loopcyclus;

Periode 1: been A zwaait naar voren, terwijl been B blijft staan
Periode 2: been A landt op de grond, terwijl been B zich afzet
Periode 3: been B zwaait naar voren, terwijl been A blijft staan
Periode 4: been B landt op de grond, terwijl been A zich afzet

Er bestaat een faseverschil van 0,5
Er staat ook altijd een been op de grond

Stapfrequentie: aantal stappen per tijdseenheid
Staplengte: afstand die tijdens elke stap wordt afgelegd
Stapbreedte: afstand tussen de plaats waar de linker- en rechter voet qua plaats wordt neergezet, loodrecht op de bewegingsrichting gemeten

Lopen als dubbele slingerbeweging;

Het zwaaibeen wordt gezien als een gewone slinger, met het draaipunt aan de bovenkant.
Het standbeen wordt bekeken als een omgekeerde slinger, met het draaipunt aan de onderkant.
Het zwaartepunt van het lichaam bevindt zich in het scharnierpunt van beide benen.

Hoe langer een slinger, hoe kleiner zijn frequentie

Wanneer het frequentieverschil groot wordt gaat dit ook meer energie kosten om het voort te zetten

Energie, staplengte en stapfrequentie;

Kinetische energie wordt omgezet in zwaarte energie. Als het zwaartepunt het hoogste punt gepasseerd is, gebeurt het omgekeerde: dan beweegt het zwaartepunt weer naar beneden.
Als de boet de grond raakt dan moet het zwaartepunt plotseling van richting veranderen: van omlaag naar omhoog. Nu is er energie nodig. Het lichaam maakt gebruik van veerenergie. Ook is er chemische energie nodig om spieren te laten samentrekken en arbeid op het zwaartepunt te verrichten. De richtingsverandering is het laagste als je met kleine stapjes loopt.

Van lopen naar rennen;

Via beademing kan het energieverbruik berekend worden.
Bij 8 km/uur ren je ongeveer. Dan kost het minder energie dan rennen.

GETAL VAN FROUDE:
Fr = v2 / (g*l)
V bewegingssnelheid (m/s)
G de valversnelling (m/s^2)
L lengte van een been (m)

Fr 0,5 is lopen
Fr 0,5 tot 2,5 is rennen

Samenvatting paragraaf 3

Een voorwerp is in evenwicht als het zwaartepunt zich boven het steunvlak bevindt. Hoe stabiel het evenwicht is hangt af van een paar factoren:
- De afmetingen van het steunvlak
- De plaats van het zwaartepunt
- De zwaartekracht op het voorwerp
Als een voorwerp erg stabiel is, is er veel energie nodig om dit te verstoren. Dit geldt ook andersom. Als een voorwerp weinig stabiel is, is er maar weinig energie nodig om dit te verstoren. Een zwaartepunt verandert vaak doordat lichaamsdelen steeds kleine bewegingen maken. Het lichaam voert correcties uit zodat het zwaartepunt niet te ver van het ideale punt beweegt. De informatie die het lichaam hiervoor gebruikt komt van het evenwichtsorgaan. Echter bij een star voorwerp ligt het zwaartepunt vast.

 

Als je loopt ben je bijna nooit in evenwicht. Je bent eigenlijk steeds aan het vallen, alleen wordt deze beweging onderbroken doordat je je voet op het juiste moment op de grond zet. Als je je voet hebt neergezet kun je aan een volgende stap beginnen waarbij hetzelfde gebeurt. Stabiel lopen betekent dus niet dat je in evenwicht bent, maar dat je loopcyclus moeilijk te verstoren is. Als je een duw krijgt, wordt dit gecorrigeerd door het lichaam, de informatie hiervoor komt van het evenwichtsorgaan.

 

Het evenwichtsorgaan heeft twee helften, één in het linker- en één in het rechterbinnenoor. Beide hebben drie halfcirkelvormige kanalen en twee statolietorganen, de utriculus en sacculus. De halfcirkelvormige kanalen nemen waar of het hoofd een rotatie uitvoert. De statolietorganen nemen waar in welke richting de zwaartekracht werkt en nemen lineaire versnellingen waar. Al deze informatie wordt doorgegeven aan de hersenen. Op basis van deze informatie en de informatie van alle andere lichaamsdelen, stuurt het zenuwstelsel de spieren in het lichaam aan.

 

Het evenwichtsorgaan bevat haarcellen die erg kleine verplaatsingen waarnemen. Als er een hele kleine uitwijking van een haar plaatsvindt, zendt de haarcel al een elektrisch signaal uit. Een haarbundel zit in een laagje gel met aan de buitenkant grote aantallen statolieten. Als je met je hoofd beweegt, verandert de richting van de zwaartekracht ten opzichte van het hoofd. De laag gel met haarbundels beweegt mee. Dit zorgt ervoor dat de haarbundels ombuigen. De haarcellen geven hierdoor een elektrisch signaal naar de hersenen. Als je je hoofd snel beweegt, vervormt de gel met de haarbundels. De haarcellen geven ook hierdoor een elektrisch signaal naar de hersenen.


Haarcellen zijn sterk richtingsgevoelig. Een haarcel depolariseert als zijn haarbundel een bepaalde richting op beweegt, en hyperpolariseert als zijn haarbundel de tegenovergestelde richting op gaat. Een zenuwvezel loopt vanaf een haarcel naar de hersenen. Langs deze zenuwvezel worden telkens actiepotentialen naar de hersenen gestuurd. De basisfrequentie hiervan is 60 Hz. Deze frequentie neemt toe als een haarcel depolariseert en neemt af als een haarcel hyperpolariseert.

Samenvatting paragraaf 4

Bij een motor is het doel om een beweging op gang te zetten of te houden. Dit wordt gedaan doormiddel van chemische of elektrische energie. Bekende motoren zoals een auto zijn door de mens gemaakt, maar er zijn ook weldegelijk motoren die levende wezens al hebben.

Een belangrijke bacterie in het menselijk lichaam, die in enorme getalen voorkomt, die een motortje heeft is de E. coli (voluit Escherichia) bacteriën. E. colibacteriën hebben een onmisbare rol in het verteren van voedsel. Ze worden ook veel gebruikt voor onderzoeken omdat je ze makkelijk in het laboratorium kunt kweken. E. colibacteriën kunnen zich op eigen kracht verplaatsen door de vloeistof waarin ze leven. Dit doen ze doormiddel van hun spiraalvormige zweepstaarten, die werken als een soort scheepsschroef: door te draaien generen ze de stuwkracht die voor de beweging nodig is. Deze staarten moeten wel tegen de klok in draaien, want anders gaan de staarten uit elkaar, waardoor de bacterie in cirkel rond zal ‘tuimelen’.

Elke zweepstaart wordt aangedreven door een motor die verankerd is in de celwand van de bacterie. De doorsnede van de motor is 50 nm en is opgebouwd uit tientallen verschillende moleculen.

Een bacterie kan maar een paar seconden rechtdoor zwemmen en dat komt doordat die omringt is door moleculen die steeds tegen hem aanbotsen. Dit heet een biased random walk. 

Samenvatting paragraaf 5

Een synoniem voor biofysica is nanowetenschap, want als je wilt weten hoe het leven werkt moet je op nanoschaal onderzoek doen. 

Alle cellen hebben een celmembraan: een dik vlies dat om het cytoplasma heen zit.  Het bestaat uit een dubbele laag vet moleculen. De kracht tussen de vetmoleculen is zo groot, dat alleen een paar kleine moleculen het membraan kunnen passeren, zonder dat het energie kost. Andere cellen kunnen de cel binnentreden via twee soorten transporteiwitten, de poriën en de pompen. Via de poriën vindt passief transport plaats, dit kost geen energie. Door de pompen vindt actief transport plaats, dit kost wél energie. Bij de diffusie van moleculen is verschil in concentratie de enige factor die er voor zorgt dat de moleculen zich gaan verplaatsen. Bij de diffusie van ionen is de elektrische spanning over het celmembraan ook een belangrijke factor, omdat ionen een elektrische lading hebben. Omdat biofysici de eigenschappen van bijvoorbeeld DNA willen onderzoeken, maken ze gebruik van kunstmatige membranen. Met een bundel elektronen wordt er een gaatje van enkele nanometers geboord door het membraan, dit is een nanoporie. De biofysici kunnen een DNA molecuul vastpakken door het vast te maken aan een microkraal, een heel klein bolletje van kunststof dat je kan vastpakken en verplaatsen. De microkraal wordt verplaatst met een optisch pincet, een gereedschap dat een intense en sterk gefocuste lichtbundel produceert.  Hiermee kun je voorwerpen die doorzichtig zijn manipuleren. De kracht op het voorwerp is evenredig met de afstand tot het brandpunt. De formule die hier bij hoort is: F= C*x