Fiche de révision : Introduction à la biophysique

📋 Plan du Cours

1. Fondements de la biophysique
2. Solutions bio-électrolytiques
3. Équilibres et acidobase
4. Transports et mécanique des fluides
5. Grandeurs de la mécanique
6. Statique et cinématique
7. Cinématique des mouvements
8. Lois de Newton
9. Travail et énergies
10. Quantité de mouvement et contraintes
11. Ondes et imagerie médicale

📖 1. Fondements de la biophysique

🔑 Notions clés & Définitions

• Physique : Science qui étudie la matière et ses propriétés fondamentales.
• Biophysique : Étude des phénomènes physiques des constituants des êtres vivants et de l’action des phénomènes physiques sur ces constituants.

💡 Astuce mémo

Le dedans fonctionne par les phénomènes physiques, tandis que le dehors agit sur le vivant.

📖 2. Solutions bio-électrolytiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Solution électrolytique : Solution contenant des ions, électriquement neutre mais conductrice du courant.
• Osmolarité : Quantité de particules de soluté présentes en solution, une osmole correspondant à une mole de particules.
• Solubilité : Quantité de molécules capable de se dissoudre dans un litre de solution et s’exprime en mol/L.

★ À maîtriser

📌 Les cations sont des ions chargés positivement, tandis que les anions sont des ions chargés négativement.

📌 Les électrolytes forts se dissocient complètement dans l’eau et donnent une forte conductivité, tandis que les électrolytes faibles se dissocient partiellement et donnent une faible conductivité.

📐 Formule — La conductivité d’une solution est l’inverse de sa résistance : $L = \frac{1}{R}$ ; elle s’exprime en ohm⁻¹ et la résistance en ohms.

📌 Une solution iso-osmotique contient autant de solutés que la référence, une solution hyper-osmotique en contient davantage et une solution hypo-osmotique en contient moins.

Compléments

• Dans un liquide, un écoulement est laminaire à faible vitesse, puis une région de turbulence apparaît derrière l’objet lorsque la vitesse devient moyenne.

💡 Astuce mémo

Ions mobiles → conduction électrique ; solutés concentrés → pression osmotique.

📖 3. Équilibres et acidobase

🔑 Notions clés & Définitions

• Potentiel chimique : Grandeur permettant d’étudier la stabilité d’un milieu et sa tendance à changer d’état, à réagir ou à migrer vers un autre milieu.
• Acide : Espèce chimique susceptible de céder un ou plusieurs protons H⁺.
• Base : Espèce chimique susceptible de capter un ou plusieurs protons H⁺.
• Solution tampon : Mélange d’un acide faible et de sa base conjuguée dont le pH varie peu après l’ajout d’une faible quantité d’acide fort ou de base forte.

★ À maîtriser

📌 Un système isolé n’échange ni matière ni chaleur avec l’extérieur, tandis qu’un système ouvert peut échanger de la matière et de l’énergie avec le milieu extérieur.

📌 Lorsque plusieurs milieux communiquent, le potentiel chimique se transfère du milieu où il est le plus élevé vers celui où il est le plus faible jusqu’à égalisation.

• Le pH est acide de 1 à 6, neutre à 7 et basique de 8 à 14.

• Grâce à l’effet tampon, le pH du sang artériel varie entre 7,38 et 7,42.

Compléments

📌 Une transformation réversible peut retrouver son état initial par un processus inverse, tandis qu’une transformation irréversible ne peut pas revenir à cet état.

📌 Une alcalose respiratoire correspond à une augmentation du pH liée à une diminution du CO₂ sanguin, tandis qu’une acidose respiratoire correspond à une diminution du pH liée à une augmentation du CO₂.

💡 Astuce mémo

Potentiel chimique élevé → migration vers le faible ; tampon → pH stabilisé.

📖 4. Transports et mécanique des fluides

🔑 Notions clés & Définitions

• Flux transmembranaire : Nombre d’éléments traversant une membrane par unité de temps.
• Pression osmotique : Pression minimale à exercer pour empêcher le passage du solvant d’une solution moins concentrée vers une solution plus concentrée à travers une membrane semi-perméable.
• Pression oncotique : Sous-catégorie de pression osmotique liée à l’attraction de l’eau des tissus par les protéines du plasma.
• Fluide : Substance déformable sous l’action d’une force et capable de prendre la forme de son contenant.
• Masse volumique : Masse par unité de volume et s’exprime en kilogrammes par mètre cube.
• Viscosité : Résistance à un écoulement uniforme et sans turbulence, liée aux frottements internes du fluide.

★ À maîtriser

📐 Formule — La pression est le rapport de la force à la surface : $P = \frac{F}{S}$, avec P en pascals, F en newtons et S en mètres carrés.

📌 Les liquides sont incompressibles, tandis que les gaz sont compressibles.

📌 Un fluide newtonien conserve une viscosité constante quelle que soit sa vitesse d’écoulement, tandis qu’un fluide non newtonien voit sa viscosité diminuer lorsque la vitesse augmente.

• Lors d’une sténose artérielle, le rétrécissement de l’artère augmente la vitesse du sang à débit constant, ce qui crée des turbulences et un souffle détectable à l’auscultation.

Compléments

• La masse volumique de référence de l’eau est 1000 kg.m⁻³ : un mètre cube d’eau pèse une tonne et un litre pèse un kilogramme.

• L’hématocrite correspond au rapport entre le nombre d’hématies et le volume de sang ; ses valeurs normales vont de 0,37 à 0,55 chez le chien et de 0,32 à 0,53 chez le cheval.

💡 Astuce mémo

Pression osmotique attire le solvant, pression oncotique attire l’eau par les protéines plasmatiques.

📖 5. Grandeurs de la mécanique

🔑 Notions clés & Définitions

• Vecteur : Grandeur définie par une direction, un sens et une intensité, avec un point d’application pour les actions mécaniques.
• Centre de gravité : Point d’application du poids d’un système matériel, situé juste en avant du sacrum chez l’Homme.
• Moment de force : Produit de la force par son bras de levier et s’exprime en newton-mètres.

📝 Points essentiels

📌 Une force externe est exercée par le milieu extérieur sur le système, tandis qu’une force interne est exercée par une partie du système sur une autre partie.

📐 Formule — Le poids d’un solide vérifie $P = m \cdot g$, avec g = 9,81 m.s⁻², souvent arrondi à 10 m.s⁻².

📐 Formule — Pour un ressort idéal, la loi de Hooke donne $F = -k \times \Delta l$, où k est la constante de rappel et Δl la déformation. — Robert Hooke, 1635-1703

📌 La composante de rotation crée le mouvement articulaire, tandis que la composante de stabilisation plaque les surfaces articulaires sans participer à la rotation.

💡 Astuce mémo

Vecteur → force → poids → moment → composantes.

📖 6. Statique et cinématique

🔑 Notions clés & Définitions

• Statique : Partie de la mécanique qui étudie l’état d’équilibre des forces et des systèmes de forces.
• Base de sustentation : Surface délimitée par l’ensemble des points de contact entre un solide et son support.
• Cinématique : Étude du mouvement des corps en fonction du temps sans rechercher les causes de ce mouvement.
• Trajectoire : Courbe géométrique décrite au cours du temps par les positions successives d’un point dans un repère de référence.

📝 Points essentiels

📌 À l’équilibre, la somme des forces externes et la somme des moments des forces externes sont nulles : $\sum \vec{F}_{ext}=0$ et $\sum \vec{M}_{Fext}=0$.

• Pour maintenir une boule de 5 kg avec l’avant-bras horizontal, les fléchisseurs du coude doivent développer une force opposée de 330 N.

📌 Un mouvement absolu est décrit par rapport à un référentiel considéré au repos, tandis qu’un mouvement relatif est décrit par rapport à un référentiel en mouvement.

📌 En translation, toute ligne du solide reste parallèle à sa position initiale, tandis qu’en rotation le solide tourne autour d’un axe et ses points décrivent des cercles.

• L’accélération décrit la modification de la vitesse au cours du temps et s’exprime en mètres par seconde au carré ; l’accélération de la pesanteur vaut environ 9,8 m.s⁻², soit 10 m.s⁻² après arrondi.

💡 Astuce mémo

La statique étudie l’équilibre, la cinématique décrit le mouvement sans ses causes.

📖 7. Cinématique des mouvements

🔑 Notions clés & Définitions

• Vitesse moyenne : La vitesse moyenne est le rapport de la distance parcourue au temps écoulé, selon $V = \frac{d}{t}$, et elle s’exprime en mètre par seconde (m/s).
• Accélération : L’accélération décrit la modification de la vitesse au cours du temps ; l’accélération linéaire est présentée par la relation $a = \frac{d}{t^2}$ et s’exprime en mètre par seconde au carré (m/s²).
• Vecteur-position : définit la position d’un point M à l’instant t par rapport au repère de référence O

★ À maîtriser

📌 Un mouvement peut être une translation, dans laquelle tous les points du solide se déplacent suivant des lignes parallèles ou des courbes géométriques identiques, ou une rotation autour d’un axe, dans laquelle les points décrivent des cercles centrés sur cet axe.

Compléments

• L’accélération due à la gravité terrestre vaut 9,8 m/s², soit environ 10 m/s².

💡 Astuce mémo

Position = photographie ; déplacement = vidéo

📖 8. Lois de Newton

🔑 Notions clés & Définitions

• Dynamique : partie de la mécanique qui étudie les mouvements des solides en relation avec les forces qui les produisent
• Inertie : propriété qu’ont les corps de ne pouvoir changer par eux-mêmes l’état de repos ou de mouvement dans lequel ils se trouvent

📝 Points essentiels

• Selon la première loi de Newton, si la somme des forces extérieures appliquées à un solide est nulle, son centre d’inertie reste au repos ou possède un mouvement rectiligne uniforme. — Isaac Newton, 1642 J – 1727

• Selon la deuxième loi de Newton, l’accélération du centre de gravité est proportionnelle à la résultante des forces extérieures, de même direction et de même sens, et dépend de la masse du solide. — Isaac Newton, 1642 J – 1727

• Selon la troisième loi de Newton, si le système A exerce une force sur le système B, B exerce sur A une force de même direction et de sens opposé, que l’interaction soit par contact ou à distance. — Isaac Newton, 1642 J – 1727

💡 Astuce mémo

Équilibre, accélération, action-réaction

📖 9. Travail et énergies

🔑 Notions clés & Définitions

• Travail : énergie fournie par cette force lorsque son point d’application se déplace
• Énergie potentielle : énergie emmagasinée par un objet, susceptible d’être transformée en d’autres formes d’énergie, souvent en énergie cinétique

★ À maîtriser

📐 Formule — Le travail d’une force se calcule par $W = F \times L$, où F est la force exercée et L la distance parcourue.

📐 Formule — L’énergie potentielle de pesanteur se calcule par $E_p = mgh$, où m est la masse, g la force de gravitation et h la hauteur.

📐 Formule — L’énergie cinétique d’un solide en translation rectiligne se calcule par $E_c = \frac{1}{2}mv^2$, tandis qu’en rotation autour d’un axe fixe elle se calcule par $E_c = \frac{1}{2}J\omega^2$.

📐 Formule — La puissance moyenne est la quantité de travail effectuée par unité de temps et se calcule par $P_m = \frac{W}{\Delta t}$ ; elle s’exprime en watts (W).

Compléments

📐 Formule — Le travail du poids se calcule par $W = P \times h$, où P est le poids et h la hauteur parcourue.

💡 Astuce mémo

Force et déplacement → travail → énergie transférée

📖 10. Quantité de mouvement et contraintes

🔑 Notions clés & Définitions

• Impulsion : quantité de mouvement transmise à un objet lorsqu’une force lui est appliquée pendant un certain temps
• Contrainte : effet d’une force exercée sur un matériau, qui peut alors tendre à se déformer

★ À maîtriser

📐 Formule — La quantité de mouvement est le produit de la masse d’un solide par la vitesse de son centre de gravité, selon $p = mv$.

📌 Dans un choc élastique, la quantité de mouvement et l’énergie cinétique sont conservées, tandis que dans un choc inélastique seule la quantité de mouvement est conservée.

📌 La déformation élastique est réversible, la déformation plastique est irréversible et la rupture correspond à une séparation moléculaire d’abord partielle puis complète si l’effort continue et augmente.

Compléments

• Les principales contraintes mécaniques sont:
  • la traction
  • la compression
  • la torsion
  • la flexion
  • le cisaillement

💡 Astuce mémo

Élastique = réversible ; plastique = permanent

📖 11. Ondes et imagerie médicale

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayonnement : mode de transport d’énergie dans l’espace, dont les propriétés dépendent notamment de la longueur d’onde
• Radiologie : produit des images en noir et blanc grâce aux rayons X, qui traversent les corps mous, sont absorbés par les os et ne traversent pas le métal
• Imagerie par résonance magnétique : utilise des ondes électromagnétiques qui font vibrer les atomes d’hydrogène des tissus ; les signaux émis sont captés puis reconstruits en images par ordinateur, sans rayons X
• Tomodensitométrie : balaie une région du corps avec un faisceau de rayons X, mesure leur absorption par les tissus et reconstruit des images en coupe et en trois dimensions

📝 Points essentiels

📌 Un rayonnement est ionisant si son énergie est suffisante pour arracher un électron à une structure moléculaire biologique ; sinon, il est non ionisant.

• La radiothérapie utilise des rayonnements à des fins thérapeutiques pour détruire sélectivement les cellules cancéreuses tout en préservant les cellules saines irradiées au passage.

• Les ultrasons sont des ondes mécaniques qui font osciller les molécules du milieu traversé et sont utilisés pour l’échographie, l’échodoppler et certaines thérapeutiques comme la lithotripsie.

💡 Astuce mémo

Rayons X pour traverser et absorber ; IRM pour faire vibrer l’hydrogène

📊 Tableaux de synthèse

Types de systèmes et transformations

Comparaison des techniques d’imagerie