background image

 

First stage 

physics 

Lec-2

 

9/12/2015

 

  تيماء

 

Forces on and in the Body 

 

Forces in the body 
 

1.  Muscular forces that cause  the blood to circulate and the lungs to take in air .   
2. Molecular forces (bone , calcium atom ) . 
3. Electric forces . 
4. Gravitational forces . 
 

Gravitational forces 

Newton laws state that :   there is a force of attraction  between any two objects ( our weigh 
is due to the  attraction between the earth  
    and our bodies ) 
 

Gravitation force 

F = mg 
  Where F is the force of gravity 
            m is the mass 
            g is the acceleration due to the gravity  
 
Medical effects of gravitation forces 
Medical effects of gravitation forces is the formation of varicose veins in the legs as the 
venous blood travels against the force of gravity on its way to the heart , and the second 
effects is on the bone .If  a person becomes weightless such as in orbiting satellite , he 
may lose bone mineral .Long term bed rest removes much of the force of the body weight 
from bones . 

 

Forces on the Body  

1. Static force : where the body  is in equilibrium. 
2. Dynamic force : where the body is accelerated . 
 
1.Static Force  
   When objects stationary ( static )  they are in state of equilibrium .   
   The sum of the forces in any  direction is equal to zero . 
   The force is a vector quantity 
 
 


background image

 

 
Torque  
 
Torque = force x length 
 
 
 The sum of the torque's about any axis is equals to zero . 
For example : 
  In the body , many of the muscles and bones systems acts as levers .  
Levers are classified as  first , second, and third - class systems as shown in figure 1. 
 
 
 

Figure 1

Figure 1

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

Example of a levers system  in the body 
A simple class of a levers in the body is the case of the biceps muscle and the radius bone 
acting to support  a weight in the hand , as shown in figure 2.  
 
 

Figure 2

Figure 2

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

For example , we can find the force supplied by the biceps, if we sum the torque's about 
the pivot point at the joint (figure 2b ).  
There are only two torque's ; 
1.due the weight W acting clock wise ,  
  for example: torque =Lenght(L) x force(W) 
Let L =30 cm 
Torque = 30W 
2. produced by the muscle force M,  
   which is counterclockwise,  
   for example: torque = L x M  
Let L=4 cm  
 Torque = 4 M 
;

 

when the arm is in equilibrium , we find that 

 4M =  30W 
 where  M is the muscular force ,    
           W is weight of the body  
 M = 7.5 W 
 If W = 20 Newton 
M=7.5 x 20 
 M = 15 Newton  
In case of finding the center of gravity for the weight of the forearm and hand H , we consider 
all the weight at point  as shown in figure2c. 
For example 
a typical value of  hand is  H = 15 N 
 By assuming torque's about the joint we obtain  
4 M = 30 W + 14 H  
 4 M/100 =( 30 W + 14 H )/100 
 M =7.5 W + 3.5 H   
 W = weight = 20 N          
 H = hand weight = 15 N  
 M =7.5 W + 3.5 H    
 M =7.5 x 20 + 3.5 x 15    
 M = 15  + 52.5    
 M = 67.5 Newton  
 
   
 
 
 
 
 
 


background image

 

 
Frictional Force
  
Friction and energy  loss due to friction appear every day in our life . 
The maximum force of friction F is  
 F  =   µ  N   
Where is a Normal force . 
          µ
 Is the coefficient between 
            the two surfaces 
The value of µ depends upon the two materials in contact , and it is essentially 
independent of the surface area , as shown in Table 1.

  

 

Table 1

Table 1

 

 
 
When a person is walking , as the  heel of the foot touches the ground a force is 
transmitted from the foot to the ground  (figure 3).  
 


background image

 

Figure 3

Figure 3

 

 
we can resolve this force into horizontal and vertical components . the vertical reaction 
force is applied by the surface and is labeled 
 N (normal force ) . the horizontal reaction component  must be applied by frictional 
forces, as shown in figure 3 
 Measurements have been made of the horizontal force component of the heel as it strikes 
the ground when a person is walking , and it has been to be = 0.15 W , 
Where W is the person ´s weight . 
The frictional force is large enough both when the heel touches down and when the toe 
leaves the surface to prevent a person from slipping .this how large the frictional force 
must be in order to prevent the heel from slipping .The coefficient of friction in bone 
joints is very small (Table 1) . 
  If a disease of the joint exists, the friction may become large . 
The synovial fluid in the joint is involved in the lubrication .        
The saliva we add when we chew food acts as a lubricant (to reduce the friction force ).  
For example , if you swallow a piece of dry toast you become painfully aware of this lack 
of lubricant . 
 
 
 
 


background image

 

Dynamics force 
According to second law of Newton , the force is equal 
 F = ma 
 
momentum = mv 
The change in momentum      Δ(mv) over a short interval of time is  
 
 F =  Δ(mv )  
          Δt
  
 
For dynamic force 
Example :1 
 
A 60 Kg person walking at 1 m/sec bumps into a wall and stops in a distance of 2.5 
cm in about 0.05 sec . what is the force developed on impact
 ? 
Δ(mv) = (60 Kg ) (1m/sec) – (60 Kg ) ( 0 m/sec) 
               =  60 Kg m/sec 
the force developed on impact is 
F =  Δ(mv )  
          Δt 
F  = 60Kg m/sec  
            0.05 
F = 1200 Kg m/sec² 
  
 
 F = 1200 Newton  
 
 
Example::2  
 
Q.2 a.
 A person walking at 1 m/sec  hits his head on a steel beam . Assume his head 
stops in  0.5 cm in about 0.01 sec.  If the mass of his head is 4Kg ,What is the force 
developed ? 

 

Δ(mv) = (4Kg)(1m/sec)-(4Kg)(0m/sec) 
           = 4 Kg m/sec 
 
        F =  Δ(mv )  
                  Δt 
 
        F = 4 kg m/sec  
                0.01  
 
        F = 400 Newton 


background image

 

Q.2 b  if the steel beam has 2 cm of padding and Δt  is increased  to  0.04 sec , what 
is the force developed ? 
 
      F =  Δ(mv)        
              Δt 
 
     F = ( 4 Kg  m/sec)    
            0.o4 sec 
 
     F = 100 Newton  
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

Solutions 

Force in and on the body 

Q.5 A muscle is capable of supplying  a maximum force per unit area                                 

                       7  

       of  3.1 x 10  N/m² .   If the  cross sectional area muscle is 20 cm²,  
        what is the maximum force that can be  supplied at the muscles normal  
        length ? 
                      

7

 

force    =   3.1 x 10  N/m² 
 area                                                 - 

4

   

         cross sectional area =  20 x 10 m² 
                          - 

                 

            

 force = (20 x 10 m²)(3.1 x 10  N/m²)          

                                                            4 

      maximum force = 6.2 x 10   N  

 
Q.6  The action of chewing involves a third –class  lever system . figure A   
          shows the jaw and  chewing muscle ;figure B is the lever diagram. 
           M is the force supplied by the  chewing muscles that close the jaw 
         about the fulcrum F . W is the force  exerted by the front teeth . 
       a . If l2 =  3l1  and   W = 100 N  find M.             
       b. If the front teeth have a surface area  of 0.5cm²  in contact with an  
           apple , find the  force per unit area for  part A.  

 

Answer Q6           
Q6.a.   The sum of the torques about F = 0 .             
            Ml

1

 –W(1

1

 +l

2

) =0 

Where   l

2

 = 3l

1

              

            Ml

1

 = W(l

1

 +3l

1

            M = 4 W 
            M = 400 N 

                                               

 6 

      b.        100 N          = 2 x 10 N / m² 
                              -

                0.5   x 10 m²

  

Figure 1


background image

 

10 

Q. 7  One first class lever system involves the extensor muscle , 
         which  exerts a force M to hold the head erect (figure2) : the  
         force W of the weight of the head , located at its center of 
         gravity , lies forward of the force F exerted  by the first   
         cervical vertebra . the head has a mass of about 4 kg or  is  
          about 40N. 
        a. Find F and M .  
        b. If the area of the first cervical vertebra, which the head rests  
            on ,is 5 cm² , find the  stress on it . 
        c . What is this stress for a 70 Kg person  standing on his head ?  
              how does this stress compare with the maximum compression 
                                                           8 
                strength for bones ( 1.7 x10 N/m²) . 

 

The distance between F and W =3 cm 
The distance between F and M =5 cm 
3W = 5M 
M = 0.6 W  
W= 4 kg 
Or  W= 40 N 
M= o.6 x 40 = 24 N 
F = W + M 
F= 64 N 
The stress is  64/5 x 10ˉ  
                                  
stress = 1.28 x 10

 N/m² 

 
The mass of body is 70 kg  
The mass of head is 4 kg 
In standing position = 70 – 4 = 66 kg  
The stress = 66 x 9.8 
                              -4 
                     5x 10   
                                6   
The stress = 1.3 x 10 N/m² 
Which is less 1 % of the maximum compression strength .           
 
 
 
 
 

Figure 2


background image

 

11 

Q.8 A 50kg person jumping from a height  of 1 m  is travelling at  4.5 m/sec just          
prior to landing . Suppose she lands          on a pad and stops in 0.2 sec . 
        What maximum force will she                        experience ?      

•  F =  Δ (mv ) 
•           Δt 
•  F = 50x 4.5 
•           0.2  
•  F =1125 N 

 
 
Q. 9 Estimate the force on the forehead in 
       figure 2 if the mass of the head is 
       4 kg , its velocity is 15 m/sec , 
       and the padded dash stops it in 
          0.002 sec . 
F =  Δ (mv ) 
         Δt 
 F = 4 x 15  
        0.002 
                4 
 F = 3 x 10 N 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Hasan Abdulmawjoud
المشاهدات: لقد قام 85 عضواً و 1230 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل