Bionik

Bionik

Es gibt menschliche Probleme oder Wünsche, für die die Natur bereits eine Lösung gefunden haben. Für das Fliegen. Das effiziente Schwimmen. Für schillernde Farben. Oder für die Konstruktion von Brücken.

Man muss das Rad also nicht neu erfinden.

Das Ganze heißt Bionik: Eine Mischung aus Biologie und Technik.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Bionik


Diese Texte sind Starthilfen zum Lernen. Sie geben Ihnen einen Einblick, worum es bei dem Thema geht. Die Idee. Achtung: Es ist möglicherweise nicht unbedingt genau das, was Ihr:e Prüfer:in darüber hören möchte. Es ist auch nicht der ganze Stoff. Machen Sie sich nach dem Lesen des Textes ein eigenes Bild mit Ihren Büchern und den anderen Quellen. Ein freies Online-Schulbuch aus Österreich: https://physikbuch.schule, aus Deutschland: https://www.leifiphysik.de/. Weitere empfehlenswerte Schulbuchreihen der Oberstufe aus Österreich: Big Bang, Sexl, Physik kompakt.

Gefahren von Nanopartikeln für Mensch und Umwelt

Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Wenn etwas so klein ist, besteht es aus wenigen bis zu wenigen Tausend Atomen oder Molekülen. Die Eigenschaften von Nanopartikeln sind anders, als größere Partikel (Teilchen). Sie können im menschlichen Körper oder in Lebewesen Effekte hervorrufen, die noch nicht vollständig bekannt sind. Natürlich soll der Nutzen größer sein, als das Risiko, wenn Nanopartikel für bestimmte Zwecke eingesetzt werden.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Nanoteilchen


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Nanotechnologie in der Medizin (Prothesen, Ferrofluide, Krebsbehandlung, Früherkennung)

Hier werden mehrere medizinische Themen angesprochen, die in Verbindung mit der Physik stehen.

Nanotechnologie – darunter wäre der Wunschtraum, kleine Roboter/Maschinen im Körper Untersuchungen machen zu lassen. Im Idealfall würden sie auch mit Reparaturen beauftragt werden können. Nano – das ist der Bereich von 1 Milliardstel Meter, die betrachteten Skalen sind also wirklich sehr klein.

Prothesen – das betrifft das Thema Biomaterialien. Materialien für die Natur. Lebewesen haben so gute Materialien für Knochen, Gelenke, Zähne, Muskeln, dass Prothesen, die von Menschen gemacht werden, im Nachteil erscheinen. Auf der anderen Seite sind Keramikkronen für Zähne, künstliche Gelenke, selbst Arme oder Beine, die mit Gedanken bewegt werden können, schon sehr weit entwickelt und der Stand der Technik geht durch Forschung rasch voran.

Ferrofluide – das sind Flüssigkeiten, die magnetisch sind. Man versucht sie in Krebszellen einzuschleusen, um sie danach in einem Magnetfeld zu erhitzen und zu zerstören. Das würde die Krebsbehandlung verbessern.

Links:

  1. Nanotechnologie: https://de.wikipedia.org/wiki/Nanotechnologie
  2. Prothesen: https://de.wikipedia.org/wiki/Prothese
  3. Ferrofluide: https://de.wikipedia.org/wiki/Ferrofluid

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Homöopathie

Homöopathie gehört eigentlich in den Gesundheitsbereich. Es ist für klassische Wissenschafter:innen klar, dass es keine Wirkmechanismen gibt, die eine Wirksamkeit dieser “Medikamente” erklären würde, vor allem in den hochverdünnten Darreichungsformen. Physikalisch ist in diesem Bereich also nichts zu tun. Oft sind die Wirkstoffe so stark verdünnt, dass rein rechnerisch keine Moleküle mehr im Alkohol oder in den Milchzuckerkügelchen sind. Befürworter der Homöopathie sagen – macht nichts, wirkt trotzdem. “Es gibt keine Studien”, die das belegen, sagen die Wissenschafter:innen. Und so ist die Homöopathie ein Beispiel dafür, wie sich Naturheilkunde und Wissenschaft diametral gegenüber auf unterschiedlichen Standpunkten befinden können, und was das für die oft auch politische Argumentation in Auseinandersetzungen bedeutet. Denn: sollen homöopathische Medikamente von der Krankenkasse bezahlt werden, auch wenn nicht wissenschaftlich nachgewiesen werden kann, dass sie bei Krankheit helfen? Der Placeboeffekt wird oft erwähnt, homöopathische Medikamente helfen, weil sich Patient:innen gut behandelt fühlen. Ein wichtiges Problem ist, dass bei homöopathischen Behandlungen unter Umständen Behandlungen mit evidenzbasierter Medizin nicht durchgeführt werden, die für die Genesung wichtig wären.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Homöopathie


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Nuklearmedizin

Radioaktive Strahlung ist im allgemeinen schlecht für den menschlichen Körper. Aber wie alles Schlechte macht die Dosis das Problem. Radioaktive Strahlung entsteht durch den Zerfall von Atomkernen, sogenannter Radionuklide. Nuklearmedizin macht sich diese Strahlung in zwei verschiedenen Aspekten zunutze.

  1. Bildgebende Verfahren. Werden radioaktive Atome vom Körper aufgenommen und in bestimmten Bereichen angereichert, kann man messen, wo das ist, und daraus ein Bild berechnen.
  2. Zerstörung von Krebszellen. Hier wird die Energie der Strahlung ausgenutzt, um gezielt Zellen zu zerstören. Damit die umgebenden gesunden Zellen nicht geschädigt werden, wird der Strahl um das Ziel herum gedreht, damit er größere Flächen überstreicht und nur das Zentrum dauerhaft trifft.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Nuklearmedizin


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Bildgebende Verfahren (Röntgen, CT, Nuklearmagnetresonanz, PET, Ultraschall)

Bildgebende Verfahren (Röntgen, CT, Nuklearmagnetresonanz, PET, Ultraschall)

Wir möchten in den menschlichen Körper hineinschauen – ohne ihn zu “öffnen”. Das ist gar nicht so leicht. Man kann es aber sogar selbst mit der Sonne sehen, wenn sie etwa durch die Ohrmuschel leuchtet. In der Medizin werden folgende Verfahren verwendet:

  1. Röntgen – Röntgenstrahlen (elektromagnetische Strahlen) “durchleuchten” den Körper. An den dichteren Stellen (Knochen) werden sie teilweise absorbiert. Ein Bild der inneren Strukturen wird sichtbar. Wird das Ganze Schichtweise mit Computerunterstützung gemacht, wird “ein CT gemacht” – eine Computertomographie.
  2. Ultraschall funktioniert mit Schallwellen, hochfrequent. Auch hier wird ein Bild sichtbar. Es kann auch Bewegung (von Blut) dargestellt werden, durch den Dopplereffekt (Wellen, deren Quelle sich zu mir herbewegen, werden hochfrequenter, Wellen, deren Quelle sich von mir wegbewegt verringern ihre Frequenz).
  3. Nuklearmagnetresonanz: Wasserstoff (Protonen) haben einen Spin, ein magnetisches Moment. In einem großen Magneten richten sich diese Spins parallel aus, werden zusätzlich Radiowellen eingestrahlt, dann drehen sie sich antiparallel. Nach einiger Zeit richtet sich der Spin wieder parallel aus, die zuvor erhaltene Energie wird abgestrahlt. Ein Bild entsteht.
  4. Positronen-Emissions-Tomographie (PET): Mit radioaktiven Substanzen kann der Stoffwechsel von Gewebe markiert und bildlich dargestellt werden.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Bildgebendes_Verfahren_(Medizin)

Link: https://www.phyx.at/kernspintomograph/


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Sportmedizin (Tauchen, Bergsteigen, Energieumsatz)

Sportmedizin (Tauchen, Bergsteigen, Energieumsatz)

Es steckt viel Physik im Sport. Und in der Medizin. Und natürlich auch in der Sportmedizin.

Beim Tauchen geht es um den Druck, der in größeren Tiefen zunimmt. Es geht um das Atmen mit einer Druckflasche, in der Atemgas ist. Mit größerer Tiefe ändert sich die Situation in der Lunge. Man darf nur mehr langsam oder über Stufen auftauchen. Stichworte: Dekomprimieren. Taucherkrankheit.

Beim Bergsteigen ist ebenso das Atmen interessant: in größeren Höhen nimmt der Druck der Atmosphäre ab, Sauerstoff wird weniger. Auch hier werden Atemgase (Sauerstoff) in Druckflaschen mitgenommen. Zusätzlich ist der Energieumsatz interessant. Um eine Masse nach oben zu bekommen, muss man Energie haben – die natürlich aus der Nahrung kommt. Die steckt am Gipfel im Körper (in der Masse) in Form von potenzieller Energie. Epot=m•g•h (m…Masse, g..:Erdbeschleunigung 9,81 m/s2, h…Höhe)

Links:

  1. Tauchen: https://de.wikipedia.org/wiki/Tauchen
  2. Bergsteigen: https://de.wikipedia.org/wiki/Bergsteigen

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Nervenleitung

Nervenzellen bilden ein Netzwerk, in dem Informationen übertragen werden können. Diese Informationen werden elektrisch übertragen. Nervenzellen werden von einer Membran umgeben, einer Hülle. Sie hat auch ein Inneres. Es baut sich Spannung auf, ein “Potenzial”, das sich über die Nervenleitungen ausbreitet. Folgende Punkte sind interessant: Mit welcher Geschwindigkeit kann das passieren? Wie entsteht die elektrische Spannung – das Potenzial – weil doch normalerweise sich negative und positive Ladungen ausgleichen. Und wie wird verhindert, dass dauernd Strom fließt, sondern Nervenzellen “feuern”. Weiterführende Fragen wären dann, wie ein “Gedanke” entsteht, wie sich Nervenzellen synchronisieren. Das wird hier aber im Themengebiet “Nervenleitung” nicht behandelt, das wäre Teil der Neurowissenschaften. Wir sind hier im Bereich der Physik. Vorweg: zwischen 1 und 100 m pro Sekunde ist die Nervenleitung schnell, je nachdem um welche Nervenleitungen es sich handelt.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Nervenleitgeschwindigkeit


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Strahlungsbelastung

Strahlung ist die Ausbreitung von Energie. Das hat einige ganz interessante Konsequenzen.

  1. Energie kann von der einen Seite auf die andere transportiert werden.
  2. Wenn Strahlung durch Materie dringt, wird sie zumindest teilweise von ihr aufgenommen. Energie wird aufgenommen.
  3. Es gibt Teilchenstrahlung und elektromagnetische Strahlung. Das eine besteht aus Elementarteilchen wie Elektronen, Neutronen, etc. Das andere ist wie Licht oder Radiowellen – es kommt auf die Frequenz an, was es genau ist.

Für Menschen ist interessant, wie viel Strahlung wir im Körper aufnehmen. Wenn wir uns in die Sonne setzen, wird uns warm. Das ist gut und fein. Ein Anteil von Sonnenlicht ist aber UV-Strahlung, unsichtbare Strahlung, die höherfrequent ist, als normales Licht. Diese UV-Strahlung kann Materie ionisieren – Elektronen aus der Atomhülle rauskicken. Wenn das Atome unseres Erbutes (DNA) sind, haben wir unter Umständen ein Problem: Hautkrebs.

Strahlung wird verwendet, um den Körper zu durchleuchten. Wir sprechen hier von der Möglichkeit medizinischer bildgebender Verfahren. Röntgenstrahlung wird teilweise absorbiert (aufgenommen), man kann so Knochen sichtbar machen. Aber: absorbieren kann schädlich sein, es besteht ein Risiko, dem Körper durch Röntgenstrahlung Schaden zuzufügen. Deswegen wird man beim Zahnarztröntgen eine Bleischürze verwenden, und generell wird Röntgenstrahlung so wenig wie möglich eingesetzt.

Man kann Strahlung auch verwenden, um Zellen – Krebszellen – zum Absterben zu bringen. Die Kunst ist, das umgebende Gewebe so wenig zu belasten wie möglich.

Strahlung kommt auch in der “natürlichen Hintergrundstrahlung” im Bereich der Radioaktivität vor. In den Gesteinen, im Wasser befinden sich immer auch Atome, die zerfallen und dabei strahlen. Strahlung kommt auch aus dem Weltraum zu uns, die Atmosphäre nimmt viel davon auf und schützt uns. In Flugzeugflügen, besonders im Bereich der Pole, ist die Strahlung erhöht.

Dosimeter sind kleine Kärtchen, die Menschen eingesteckt haben, die beruflich mit Strahlen arbeiten. Dies Dosimeter zeigen an, wie viel ihr Körper mit Strahlen belastet wurde. Es gibt Grenzwerte.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Strahlung


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Energiehaushalt von Lebewesen

Energie ist der Grund, warum unsere Zellen zusammen ein Lebewesen ergeben – und nicht alles wie Staub zerfällt. Wir brauchen viel Energie, um am Leben zu sein.

  1. Wir essen. Nehmen Energie durch Nahrung auf, die wir mit Sauerstoff “veratmen”. Es entseht ATP – ein energiereiches Molekül. Wir haben damit chemische Energie gespeichert. Das Ganze passiert in den Mitrochondrien, den Zellkraftwerken.
  2. Wir setzen uns in die Sonne. Und nehmen Energie durch elektromagnetische Strahlung auf. Uns wird warm.
  3. Wir klettern auf einen Baum. Da haben wir oben mehr Energie: potenzielle Energie. Die wieder verschwindet, wenn wir hinunterspringen. Die Energie des Sprungs müssen wir mit den Beinen abfangen.

Energie-“Haushalt” bedeutet, dass wir uns immer anschauen, wie viel Energie wir aufnehmen, und wie viel wir abgeben. Es entsteht eine Bilanz, die am Ende des Tages ausgeglichen sein muss, sonst stimmt etwas nicht. Es gibt auch einen Energiehaushalt der Erde selbst. Wie viel strahlt sie in den Weltraum ab, wie viel nimmt sie auf.

Wir sprechen dabei auch von Energiebilanz.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Energiebilanz


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EKG und EEG

Das Herz funktioniert mit Elektrizität. Muskelzellen ziehen sich koordiniert zusammen. Man kann die Herzaktivität messen, indem die Spannungen gemessen werden, die auftreten. Es wird ein “EKG” geschrieben, ein Elektro-Kardio-Gramm.

Das Gehirn funktioniert mit Elektrizität. Nerven leiten elektrische Impulse durch Spannung. Man kann die Gehirnaktivität messen, indem die Spannungen gemessen werden, die auftreten. Es wird ein “EEG” geschrieben, ein Elektro-Enzephalo-Gramm.

Links: https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrokardiogramm und https://de.wikipedia.org/wiki/Elektroenzephalografie


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Puls und Blutdruck

Das Blut fließt durch den Körper. Damit das passiert, braucht es eine Pumpe. Das Herz. Es zieht sich zusammen und entspannt sich wieder. Durch die Herzklappen wird das Blut “vorwärts” gepumpt. Das passiert ungefähr 60 mal in der Minute, wenn man halbwegs ruhig sitzt. Wir sprechen von “Puls 60”.

Nun gibt es durch den Herzschlag einen Druck in den Blutgefäßen in den Adern. In dem Moment, in dem das Herz pumpt herrscht ein höherer Druck – er wird systolischer Druck genannt. In dem Moment, in dem sich das Herz entspannt, herrscht ein niedrigerer Druck, er wird diastolischer Druck genannt.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Blutdruck


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Farben von Lebewesen

Farben von Lebewesen

Drei Arten von Farben gibt es in der Natur:

  1. Jene Farben, die durch Pigmente entstehen, durch färbige Stoffe.
  2. Jene Farben, die durch Strukturen entstehen, durch Interferenz – Bestimmte Farben löschen einander aus oder verstärken sich.
  3. Jene Farben, die durch farbiges Licht entstehen – bei Glühwürmchen

Links: https://de.wikipedia.org/wiki/Entstehung_von_Farben | https://de.wikipedia.org/wiki/Pigmente | https://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtkäfer


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Sinnesorgane

Sinnesorgane

Sinnesorgane sind Messgeräte in Lebewesen. Sie messen:

  1. Den Schall (Ohr)
  2. Elektromagnetische Wellen (Haut/Tastsinn, Auge)
  3. Chemie (Nase, Zunge)

Menschen haben keine Sinnesorgane für Magnetismus – manche Tiere haben eines. Wir haben kein Sinnesorgan für Radioaktivität oder Radiowellen. Das Ganze kann man auch größer sehen: Es gibt Antennen und Fernrohre, die uns vom Universum erzählen: Sie nehmen Licht auf, und Radiowellen, Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen. Infrarotstrahlen auch. Auch Teilchenstrahlen. Alles, was von wo anderes herkommt.

Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Sinnesorgan


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