Physique appliquée aux systèmes biologiques

Principes Fondamentaux de la Physique et leurs Applications

La physique est une science fondamentale qui régit le comportement de l'univers, des particules subatomiques aux galaxies. Ses principes sont omniprésents et trouvent des applications concrètes dans de nombreux domaines, notamment la médecine, l'ingénierie et la vie quotidienne. Cette note explore divers principes physiques, leurs manifestations et leurs applications pratiques.

1. Mécanique des Fluides

La mécanique des fluides étudie le mouvement des liquides et des gaz, ainsi que les forces agissant sur eux. Elle est cruciale pour comprendre la circulation sanguine, la respiration et de nombreux phénomènes naturels.

1.1. Loi de Poiseuille

La loi de Poiseuille décrit la diminution de pression d'un fluide visqueux s'écoulant dans une conduite cylindrique. Cette perte de charge est proportionnelle à la viscosité du fluide et à la longueur de la conduite, et inversement proportionnelle à la quatrième puissance du rayon du tuyau.

• Formule simplifiée: La variation de pression est proportionnelle à où est la longueur, la viscosité, le débit et le rayon.

• Exemples:

  • Sténose: Un rétrécissement artériel ( diminue) augmente considérablement la perte de pression, nécessitant une pression cardiaque plus élevée.

  • Pontage coronaire: La pose d'un stent vise à restaurer le rayon normal pour maintenir un débit sanguin adéquat.

  • Perfusion: La viscosité du liquide de perfusion, bien que faible, n'est pas négligeable, entraînant une perte de charge significative si la canule est trop fine ou trop longue.

1.2. Équation de Continuité

L'équation de continuité stipule que pour un fluide incompressible en régime permanent, le débit volumique reste constant à travers une conduite, même si sa section varie. Cela signifie que la vitesse du fluide est inversement proportionnelle à la section transversale de la conduite.

• Exemple: Dans le système circulatoire, l'aorte est large et unique, mais elle se ramifie en un grand nombre de vaisseaux plus étroits. Bien que chaque vaisseau soit plus petit, la somme de leurs sections transversales augmente considérablement à mesure que l'on s'éloigne de l'aorte. Cela entraîne une diminution de la vitesse du sang dans les capillaires, favorisant les échanges, et peut mener à des écoulements turbulents dans certaines conditions.

1.3. Théorème de Bernoulli

Le théorème de Bernoulli relie les variations de vitesse d'un fluide aux modifications de pression. En substance, il indique qu'une augmentation de la vitesse du fluide s'accompagne d'une diminution de sa pression statique, et inversement, si l'altitude est négligeable.

• Formule simplifiée: où est la pression, la masse volumique, la vitesse, l'accélération de la gravité et l'altitude.

• Exemples:

  • Vibration des cordes vocales: L'air s'écoulant rapidement entre les cordes vocales crée une basse pression qui les fait se rapprocher et vibrer.

  • Avions: La forme des ailes est conçue de manière à ce que l'air circule plus vite au-dessus qu'en dessous, créant une différence de pression (pression plus basse au-dessus) qui génère la portance.

  • Visage rougit en poirier: La modification de la hauteur influence la pression sanguine dans le visage.

1.4. Principe Fondamental de l'Hydrostatique

Le principe fondamental de l'hydrostatique établit que la pression dans un fluide au repos dépend de la profondeur. Plus la profondeur est grande, plus la pression est élevée.

—> Deux points situés à la même profondeur subissent la même pression.

—> Plus on descend dans un liquide, plus le poids du liquide au-dessus est important, donc plus la pression est grande.

• Formule: où est la pression à la surface, la masse volumique du fluide, l'accélération de la gravité et la profondeur.

• Exemples:

  • Mesure de la tension artérielle: On mesure la tension à la même altitude que le cœur pour obtenir une valeur représentative, car la pression varie avec la hauteur.

  • Perfusion: La hauteur à laquelle la poche de perfusion est placée crée une pression supplémentaire ( due à ) qui facilite l'écoulement du liquide dans la veine.

1.5. Loi de Pascal

Le principe de Pascal énonce qu'une pression exercée sur un fluide confiné et incompressible se transmet intégralement et uniformément dans toutes les directions à travers le fluide.

• Exemple: Le piston hydraulique utilise ce principe. Une petite force appliquée sur une petite surface crée une pression qui se transmet à une grande surface, générant ainsi une force plus importante.

1.6. Régime d'Écoulement et Nombre de Reynolds

Le nombre de Reynolds () est un nombre sans dimension qui caractérise le régime d'écoulement d'un fluide. Il permet de prédire si l'écoulement sera laminaire (ordonné) ou turbulent (désordonné).

• Formule: où est la masse volumique, la vitesse, le diamètre caractéristique, et la viscosité dynamique.

• Application: Lors de la mesure de la tension artérielle, la compression de l'artère augmente la vitesse d'écoulement du sang. Cela accroît le nombre de Reynolds, provoquant un passage d'un régime laminaire silencieux à un régime turbulent audible (bruits de Korotkoff), nécessaire pour détecter les pressions systolique et diastolique.

1.7. Tension Superficielle

La tension superficielle est la tendance qu'ont les surfaces liquides à réduire leur aire au minimum possible, agissant comme une membrane élastique. Elle est due aux forces d'attraction entre les molécules du liquide.

—> une propriété des liquides qui fait que leur surface se comporte un peu comme une fine membrane élastique.

—> les molécules à l’intérieur d’un liquide sont attirées dans toutes les directions par les molécules voisines.

—> mais celles qui sont à la surface n’ont pas de molécules au-dessus d’elles : elles sont donc davantage attirées vers l’intérieur.

résultat :

• la surface du liquide cherche à réduire sa surface au minimum ;

• cela crée une sorte de “peau” à la surface.

• Exemple: Dans les alvéoles pulmonaires, la tension superficielle tend à les faire se rétracter. Pour éviter qu'elles ne s'affaissent complètement à l'expiration ou n'éclatent à l'inspiration, un surfactant est produit. Ce surfactant diminue la tension superficielle lorsque l'alvéole est petite, facilitant ainsi son expansion et empêchant son collapsus.

1.8. Poussée d'Archimède

La poussée d'Archimède est une force verticale ascendante exercée par un fluide sur tout corps qui y est partiellement ou totalement immergé. Cette force est égale au poids du volume de fluide déplacé par le corps.

• Formule: .

• Exemple: Une bouée augmente le volume immergé d'une personne sans augmenter son poids, augmentant ainsi la poussée d'Archimède et la maintenant à la surface.

—> la bouée est remplie d’air donc augmente le volume global de la personne qui l’utilise sans significativement augmenter son poids

comme la poussée d’Archimède qui est la force exercée par l’eau qui pousse la personne vers le haut, dépend du volume de fluide déplacé par l’objet qui est plongé, on a une plus grande poussée d’Archimède, le corps humain qui coulerait car plus dense que l’eau pourrait flotter, il est possible d’atteindre l’équilibre

2. Électricité et Magnétisme

L'électricité et le magnétisme sont des phénomènes liés, décrits par les lois de Maxwell, et fondamentaux pour les technologies modernes.

2.1. Loi d'Ohm et Résistance Électrique

La loi d'Ohm établit une relation entre la tension (), le courant () et la résistance () dans un circuit électrique. La résistance est une mesure de l'opposition au passage du courant.

• Formule: .

• Résistance en série: Les résistances s'additionnent (). Le courant est le même partout.

• Résistance en parallèle: L'inverse des résistances s'additionne (). La chute de potentiel est la même pour chaque branche.

• Exemples:

  • Court-circuit: Si deux chemins sont en parallèle, le courant prendra le chemin de moindre résistance. Un court-circuit offre une résistance quasi nulle, entraînant un courant très élevé qui peut provoquer un échauffement intense par effet Joule et déclencher un incendie.

  • Cicatrice: Une cicatrice, ayant une peau plus fine, peut présenter une résistance électrique moindre. Pour une même tension, cela peut entraîner un courant plus grand, augmentant le risque de brûlure si un courant électrique traverse la zone.

2.2. Effet Joule

L'effet Joule décrit la production de chaleur par le passage d'un courant électrique dans un conducteur ayant une résistance.

• Formule: La puissance thermique .

• Exemples:

  • Radiateur électrique: Convertit l'énergie électrique en chaleur.

  • Diathermie inductive et capacitive: Utilisées en thérapie physique pour chauffer des tissus en profondeur (voir sections 2.4.2 et 2.5).

  • Électrolyse et ionophorèse médicamenteuse: Le mouvement des ions dans le corps génère de la chaleur par effet Joule.

2.3. Loi de Coulomb et Dipôles Électriques

La loi de Coulomb décrit la force d'attraction ou de répulsion entre deux charges électriques. Les charges de même signe se repoussent, et les charges de signes opposés s'attirent.

• Dipôle électrique: C'est l'association de deux charges égales et opposées ( et ) séparées par une distance. Placé dans un champ électrique (), un dipôle subira une force qui tendra à l'aligner avec le champ.

• Exemples:

  • Horripilation: Des charges statiques sur les cheveux peuvent les faire se repousser (charges de même signe) et se dresser.

  • Ionophorèse médicamenteuse: Les électrodes créent un champ électrique qui met en mouvement les ions médicamenteux, les repoussant dans le corps. La loi de Coulomb explique l'attraction/répulsion.

  • Paille chargée attire un filet d'eau: Les molécules d'eau sont des dipôles électriques permanents. Le champ électrique de la paille chargée les fait s'aligner, résultant en une attraction entre la paille et le filet d'eau.

2.4. Induction Électromagnétique

L'induction électromagnétique est le phénomène où un champ magnétique variable dans le temps génère un courant électrique dans un conducteur (loi de Faraday-Lenz).

2.4.1. Principes Généraux

• Flux de champ B: Le produit scalaire du champ magnétique () traversant une surface. Il est au cœur des phénomènes d'induction.

• Exemples:

  • Microphone: Les vibrations sonores entraînent une vibration d'une membrane associée à une bobine dans un champ magnétique fixe, générant un courant induit à la même fréquence que le son.

  • Transformateur: Modifie la tension d'un courant alternatif en utilisant deux bobines. La variation du courant dans la première bobine (primaire) induit une tension dans la seconde bobine (secondaire), dont la valeur dépend du nombre de spires de chaque bobine. Les chargeurs d'ordinateurs sont des transformateurs.

  • Générateur de tension alternative: Des turbines (éoliennes, hydrauliques) font tourner des boucles conductrices dans un champ magnétique fixe, faisant varier le flux de et produisant une tension induite.

2.4.2. Courants de Foucault

Les courants de Foucault sont des courants induits dans la masse d'un matériau conducteur lorsque celui-ci est soumis à un champ magnétique variable ou en mouvement dans un champ magnétique.

• Exemples:

  • Plaque à induction: Un courant alternatif dans une bobine crée un champ magnétique variable qui induit des courants de Foucault dans le fond métallique de la casserole, chauffant celle-ci par effet Joule.

  • Frein magnétique: Un champ magnétique est appliqué à un disque conducteur en rotation. Les courants de Foucault induits interagissent avec le champ magnétique, créant une force de Laplace qui s'oppose au mouvement et freine le disque.

  • Diathermie inductive: Une bobine parcourue par un courant variable à haute fréquence est placée près du corps. Le champ très variable induit des courants de Foucault dans les tissus conducteurs du corps, provoquant un échauffement par effet Joule.

2.5. Circuits RLC (Résistance, Inductance, Capacité)

Un circuit RLC est un circuit électrique composé d'une résistance (), une bobine (inductance ) et un condensateur (capacité ). Ces circuits peuvent osciller ou entrer en résonance.

• Résonance: Lorsqu'un circuit RLC est alimenté par un courant alternatif à sa fréquence de résonance, l'impédance totale du circuit est minimale, ce qui entraîne un courant maximal.

• Impédance électrique (): C'est la généralisation de la résistance pour les circuits en courant alternatif, prenant en compte la résistance, la réactance inductive et la réactance capacitive.

• Exemples:

  • Diathermie capacitive (TECAR thérapie): Le corps humain est assimilé à un circuit RLC. En ajustant les inductances et capacités externes ( et ) en série avec le corps, on cherche à atteindre la résonance. Cela maximise le courant traversant le corps, produisant un effet Joule significatif pour le chauffage thérapeutique.

  • Récepteur de radio FM: On fait varier la capacité d'un condensateur pour accorder le circuit à la fréquence de résonance de l'onde radio désirée. À la résonance, le courant est maximal, permettant la réception du signal.

2.6. Circuits RC (Résistance, Capacité)

Un circuit RC est constitué d'une résistance et d'un condensateur. Il est caractérisé par un temps de charge et de décharge, qui dépend de la valeur de et .

• Charge/Décharge: Le condensateur se charge exponentiellement jusqu'à la tension appliquée, puis se décharge exponentiellement lorsque l'alimentation est coupée.

• Exemples:

  • Pacemaker: Les circuits RC sont essentiels dans la temporisation et la génération d'impulsions électriques du pacemaker.

  • Conduction nerveuse: Les axones neuronaux peuvent être modélisés comme une succession de résistances et de capacités. Sans mécanismes actifs (canaux ioniques), un tel circuit amortirait rapidement le courant (fuites de courant) et ralentirait considérablement la progression du signal, rendant impossible d'atteindre rapidement l'extrémité de l'axone.

2.7. Électricité Statique

L'électricité statique résulte d'un déséquilibre de charges électriques sur la surface d'un matériau, généralement causé par un frottement (triboélectricité).

• Exemple: Frotter une paille pour la charger électriquement. Si on approche cette paille d'un mur isolant, le champ électrique de la paille induit des dipôles électriques dans les molécules du mur. Les charges positives du mur se rapprochent de la paille (si celle-ci est négative), tandis que les charges négatives s'éloignent. L'attraction entre la paille et les charges les plus proches du mur domine, faisant adhérer la paille au mur.

2.8. Force de Laplace et Moteur Électrique

La force de Laplace est la force exercée par un champ magnétique sur un conducteur parcouru par un courant électrique.

• Exemple: Dans un moteur électrique, un courant circule dans une bobine placée dans un champ magnétique fixe. La force de Laplace agit sur la bobine, la faisant tourner. Pour un mouvement continu, le sens du courant est inversé tous les demi-tours pour maintenir la rotation.

2.9. Force de Lorentz et Magnétron

La force de Lorentz est la force exercée par un champ électromagnétique sur une charge électrique en mouvement.

• Formule: où est la charge, le champ électrique, la vitesse et le champ magnétique.

• Exemple: Dans un magnétron (utilisé dans les fours à micro-ondes), un champ électrique met les électrons en mouvement radial, et un champ magnétique les fait tourner. Les électrons spiralant émettent des ondes électromagnétiques, dont la fréquence dépend de l'accélération, permettant de générer des micro-ondes.

2.10. Effet du Champ Électrique sur un Conducteur et Cage de Faraday

L'effet du champ électrique sur un conducteur se manifeste par la redistribution des charges à sa surface de manière à ce que le champ électrique à l'intérieur du conducteur soit nul.

• Cage de Faraday: Une enceinte conductrice fermée (comme une cage métallique) bloque les champs électriques externes, annulant le champ électrique à l'intérieur.

• Exemple: L'emballage systématique des parties sensibles d'un ordinateur dans des blindages métalliques sert à les protéger des interférences électromagnétiques externes, agissant comme des cages de Faraday.

2.11. Ferromagnétisme

Le ferromagnétisme est une propriété de certains matériaux (fer, nickel, cobalt) où les dipôles magnétiques atomiques s'alignent dans un champ magnétique externe et restent alignés (aimantation rémanente) même après la disparition du champ.

• Exemple: Un clou placé à côté d'un aimant devient lui-même aimanté (il attire des trombones). C'est parce que les domaines magnétiques du clou s'alignent avec le champ de l'aimant.

2.12. Force entre deux fils conducteurs

La force entre deux fils conducteurs parallèles parcourus par des courants est un exemple d'interaction magnétique directe. Si les courants sont de même sens, les fils s'attirent ; s'ils sont de sens opposé, ils se repoussent. Cela découle de la création d'un champ B par chaque fil et de la force de Laplace agissant sur l'autre fil.

• Règle de la main droite: Permet de déterminer le sens du champ magnétique créé par un courant et la direction de la force de Laplace.

• Troisième loi de Newton: Les forces d'attraction ou de répulsion sont égales et opposées entre les deux fils.

2.13. Permittivité et Perméabilité

• La permittivité () est une grandeur physique liée au champ électrique. Elle mesure la capacité d'un matériau à être polarisé par un champ électrique.

• La perméabilité () est une grandeur physique liée au champ magnétique. Elle mesure la capacité d'un matériau à modifier un champ magnétique.

Ces deux constantes sont fondamentales dans la description de la propagation des ondes électromagnétiques dans les milieux.

3. Ondes et Rayonnements

Les ondes sont des perturbations qui se propagent en transportant de l'énergie sans transporter de matière. Elles peuvent être mécaniques (son) ou électromagnétiques (lumière, radio).

3.1. Caractéristiques des Ondes Périodiques

Une onde périodique est caractérisée par cinq grandeurs principales:

• Amplitude (): L'ampleur maximale de la perturbation par rapport à la position d'équilibre.

• Fréquence (): Le nombre d'oscillations par seconde, mesurée en Hertz (Hz).

• Période (): Le temps nécessaire pour une oscillation complète ().

• Longueur d'onde (): La distance parcourue par la perturbation pendant une période.

• Célérité (): La vitesse de propagation de l'onde ().

3.2. Réflexion

La réflexion est le phénomène par lequel une onde, lorsqu'elle rencontre un obstacle ou une interface entre deux milieux, rebondit et retourne dans son milieu d'origine.

• Exemples:

  • Reflet d'un miroir: La lumière est réfléchie par la surface du miroir.

  • Écho: Le son se réfléchit sur un obstacle et revient à l'oreille.

  • Imagerie par ultrasons (échographie): Des ultrasons sont émis dans le corps. À chaque changement de milieu (tissus, organes), une partie de l'onde est réfléchie et revient à la sonde. L'intensité de l'onde réfléchie dépend de la variation d'impédance acoustique entre les milieux, et le temps de retour donne la distance, permettant de construire une image.

3.3. Réfraction

La réfraction est la déviation de la trajectoire d'une onde lorsque celle-ci passe d'un milieu à un autre avec une célérité de propagation différente.

• Exemples:

  • Lunettes: Les lentilles dévient la lumière pour la faire converger sur la rétine et corriger la vision.

  • Mirage: L'air, en changeant de température, voit son indice de réfraction varier, déviant ainsi la lumière et créant une illusion d'optique.

3.4. Diffraction

La diffraction est le phénomène de déviation ou d'étalement d'une onde lorsqu'elle rencontre un obstacle ou une ouverture dont la taille est comparable à sa longueur d'onde.

• Exemples:

  • Ouverture du faisceau d'ultrasons: À la sortie d'une sonde, le faisceau d'ultrasons peut s'élargir par diffraction, surtout dans la zone distale où l'énergie se dilue.

  • Ondes radio contournant une ville ou une colline: Les ondes radio de grande longueur d'onde peuvent se diffracter autour des obstacles.

  • Voix qu'on entend derrière un arbre: Les ondes sonores se diffractent autour de l'arbre.

3.5. Interférences et Ondes Stationnaires

Les interférences résultent de la superposition de deux ou plusieurs ondes. Elles peuvent être constructives (les amplitudes s'ajoutent) ou destructives (les amplitudes se soustraient).

• Ondes stationnaires: Se forment lorsque des ondes se superposent après réflexion à des extrémités fixes, créant des points d'amplitude maximale (ventres) et d'amplitude nulle (nœuds).

—> les ondes stationnaires sont des ondes qui semblent immobiles dans l’espace, même si de l’énergie oscille localement.

—> elles apparaissent lorsque deux ondes de même fréquence et de même amplitude se propagent dans des sens opposés dans un même milieu.

—> c’est souvent le cas lorsqu’une onde se réfléchit sur une extrémité.

• Exemples:

  • Son d'un instrument à corde: Les ondes se réfléchissent aux extrémités de la corde, créant des ondes stationnaires qui produisent les harmoniques.

  —> quand on pince une corde de guitare, une onde se propage le long de la corde puis se réfléchit aux extrémités fixées. L’onde incidente et l’onde réfléchie se superposent et créent une onde stationnaire.

  • Bulle de savon fait un arc-en-ciel: L'interférence constructive et destructive de la lumière réfléchie par les deux surfaces (interne et externe) de la mince couche de savon, et dont le chemin optique diffère, crée des couleurs spécifiques en fonction de l'épaisseur et de l'angle d'observation.

  • Thérapie interférentielle: Deux courants alternatifs de fréquences légèrement différentes sont appliqués au corps. Leur superposition crée une tension alternative dont l'amplitude est modulée. Cette modulation empêche l'accoutumance des nerfs et muscles à la stimulation.

3.6. Battement

Le battement est le phénomène de modulation d'amplitude résultant de la superposition de deux ondes (ou signaux) ayant des fréquences légèrement différentes. Le résultat est une onde dont l'amplitude varie périodiquement à une fréquence égale à la différence des fréquences des deux ondes originales.

• Exemple: Comme mentionné précédemment, la thérapie interférentielle utilise la superposition de deux ddp sinusoïdales de fréquences légèrement différentes pour créer un battement, dont l'amplitude modulée est plus efficace pour stimuler les nerfs et muscles sans provoquer d'accoutumance.

3.7. Effet Doppler

L'effet Doppler est la modification apparente de la fréquence (ou de la longueur d’onde) d’une onde lorsque la source et l’observateur sont en mouvement l’un par rapport à l’autre.

—> la vitesse de propagation du son dans l’air reste pratiquement la même, mais le mouvement de la source modifie l’espacement entre les fronts d’onde :

• Source qui s’approche → longueur d’onde plus courte → fréquence plus élevée.

• Source qui s’éloigne → longueur d’onde plus grande → fréquence plus faible.

Exemples:

• Échographie pour mesurer l'écoulement du sang: Les ultrasons émis par la sonde se réfléchissent sur les globules rouges en mouvement. Le décalage de fréquence entre l'onde émise et l'onde réfléchie permet de calculer la vitesse du sang.

• Sirène d'ambulance: Le son d'une sirène semble plus aigu lorsqu'elle s'approche (fréquence plus élevée) et plus grave lorsqu'elle s'éloigne (fréquence plus basse).

• Radar météo: Mesure la vitesse des masses nuageuses en analysant le décalage Doppler des ondes radar réfléchies.

3.8. Rayonnement Électromagnétique

Le spectre électromagnétique est l'ensemble des rayonnements électromagnétiques, classés par longueur d'onde ou fréquence (des rayons gamma aux ondes radio).

• Rayonnement ionisant: Transporte suffisamment d'énergie pour arracher des électrons aux atomes ou molécules, ce qui peut altérer leur structure et endommager les cellules.

  • Exemples: Rayons gamma, rayons X, rayons UV. Utilisés en thérapie contre les tumeurs cancéreuses (rayons gamma).

• Rayonnement non ionisant: L'énergie transportée est insuffisante pour provoquer l'ionisation.

  • Exemples: Lumière visible, infrarouge (IR), micro-ondes (MO), ondes radio.

  • IR: Utilisés en thérapie physique pour chauffer la surface du corps (effet relaxant, vasodilatation). Rapidement absorbés par les tissus superficiels.

  • MO: Utilisées en thérapie physique pour chauffer les corps riches en eau (par exemple, tissus musculaires). Les molécules d'eau, étant des dipôles permanents, s'alignent et tournent avec le champ électrique oscillant de l'onde, créant des frottements et un échauffement. Le magnétron est un générateur de MO.

3.9. Faisceau d'Ultrasons

Les faisceaux d'ultrasons présentent des caractéristiques différentes selon qu'ils sont proches ou éloignés de la source.

• Proximal (champ proche): Le faisceau est relativement parallèle, puis peut converger en raison de la réfraction dans les différents milieux. Des interférences constructives peuvent s'y produire, entraînant une concentration d'énergie ("points chauds").

• Distal (champ lointain): Le faisceau devient divergent en raison de la diffraction au bord de la sonde. L'énergie se dilue sur une surface de plus en plus grande, et les interférences sont moins significatives.

4. Optique

4.1. Réflexion Totale Interne

La réflexion totale interne est un phénomène optique qui se produit lorsque la lumière, voyageant dans un milieu optiquement plus dense (indice de réfraction ) rencontre une interface avec un milieu moins dense (indice de réfraction , tel que ) et que l'angle d'incidence est supérieur à un certain angle critique.

• Angle critique: C'est l'angle d'incidence pour lequel l'angle de réfraction est de 90°. Au-delà de cet angle, il n'y a plus de réfraction, et toute la lumière est réfléchie.

• Exemple: Les fibres optiques fonctionnent sur ce principe. Le cœur de la fibre a un indice de réfraction légèrement supérieur à celui de la gaine qui l'entoure. Lorsqu'un rayon lumineux est injecté avec un angle adéquat, il subit de multiples réflexions totales internes, permettant de transporter l'information sur de longues distances sans perte significative.

5. Thermodynamique et Transfert de Chaleur

5.1. PV = nRT

L'équation d'état des gaz parfaits, PV = nRT, décrit la relation entre la pression (), le volume (), le nombre de moles (), la constante des gaz parfaits () et la température () d'un gaz. Ce principe implique que le mouvement se fait toujours des zones de haute pression (HP) vers les zones de basse pression (BP).

• Exemple: L'inspiration et l'expiration pulmonaire sont régies par des différences de pression entre l'atmosphère et les poumons. Lors de l'inspiration, la contraction du diaphragme et des muscles intercostaux augmente le volume de la cage thoracique, diminuant la pression intrapulmonaire et permettant à l'air de pénétrer (de HP vers BP). L'expiration est souvent passive, due à l'élasticité des poumons et de la cage thoracique, qui augmente la pression intrapulmonaire et expulse l'air.

5.2. Rayonnement IR (Thermique)

Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique émis par tout corps ayant une température supérieure au zéro absolu. Il est dû à l'agitation thermique des charges électriques (électrons et protons) qui composent la matière. Cette vibration des charges crée des ondes électromagnétiques.

• Exemple: Le rayonnement IR est utilisé en thérapie physique pour chauffer les tissus superficiels du corps. Ces ondes sont rapidement absorbées par le corps, provoquant un échauffement localisé, un effet relaxant et une vasodilatation. Contrairement aux micro-ondes qui chauffent en profondeur les tissus riches en eau, l'IR est surtout efficace en surface.

6. Électrochimie

6.1. Électrolyse

L'électrolyse est un processus qui utilise un courant électrique pour provoquer une réaction chimique non spontanée. Elle se déroule dans un circuit fermé par un liquide conducteur d'ions (électrolyte), où deux électrodes sont connectées à un générateur de tension constante.

• Mécanisme: Sous l'effet de la différence de potentiel (ddp) entre les électrodes, les ions de l'électrolyte migrent vers l'électrode de signe opposé, où ils subissent des réactions d'oxydo-réduction.

• Ionophorèse médicamenteuse: Une application médicale où des électrodes sont placées sur la zone à traiter. Un médicament sous forme ionique est placé sous l'électrode de même signe. Le champ électrique créé par les électrodes repousse les ions médicamenteux dans le corps, atteignant localement la zone ciblée. Le mouvement des ions dans le corps génère également de la chaleur par effet Joule. Des éponges humides sont utilisées pour éviter les brûlures cutanées.

6.2. Force Électromotrice (FEM)

La force électromotrice (FEM) est une grandeur physique qui mesure l'énergie fournie par un générateur aux charges électriques par unité de charge, pour les faire circuler dans un circuit.

• Exemple: Une pile est un dispositif qui convertit l'énergie chimique en énergie électrique, produisant ainsi une FEM qui met les charges en mouvement.

7. Imagerie et Diagnostics

7.1. Impédance Acoustique

L'impédance acoustique (Z) est la résistance qu'un milieu oppose à la propagation d'une onde sonore. La fraction d'une onde réfléchie à une interface dépend de la différence d'impédance acoustique entre les deux milieux.

• Exemples:

  • Échographie: La variation de l'impédance acoustique aux interfaces tissulaires permet de visualiser les structures internes du corps. Un gel de contact est utilisé pour l'échographie afin d'éliminer l'air (qui a une très forte impédance acoustique comparée aux tissus), améliorant ainsi la transmission des ultrasons dans le corps et évitant une trop grande réflexion à la surface de la peau.