Contents
1
Introduction: The Nature of Biophysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.1
The Study of Life as a Physical System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
Conceptual Models of Nature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.3
Conceptual Models and Natural Sciences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.4
Biophysical Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
1.5
Focus of This Study. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.6
Organization of Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2
The Kinds of Ordinary Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1
Nature of Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2
Mixtures, Solutions, Colloids, Sols, and Gels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1
Mixtures in Biological Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2
Detecting Particle Size in Colloids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.3
Separating Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3
Mechanical Aspects of Biosystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1
Newtonian Principles in Biostatics and Biodynamics . . . . . . . . . . . . . 28
3.2
Newton’s Laws Applied to a Biosystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.1
Basic Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.2
Application of Newtonian Ideas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.3
Conserved Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3
Accelerated Motion and Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.1
High-g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.2
Microgravity and Weightlessness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.3
Rotating Spacecraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.4
The Centrifuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.5
Drag on Body . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4
Forces on Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4.1
Systems in Mechanical Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.2
Surface Tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.3
Surfaces Curved by Differential Pressure . . . . . . . . . . . . . . 49
vii
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Introduction: The Nature of Biophysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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The Study of Life as a Physical System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2
Conceptual Models of Nature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Conceptual Models and Natural Sciences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Biophysical Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.5
Focus of This Study. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.6
Organization of Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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The Kinds of Ordinary Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1
Nature of Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2
Mixtures, Solutions, Colloids, Sols, and Gels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1
Mixtures in Biological Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2
Detecting Particle Size in Colloids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.3
Separating Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
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Mechanical Aspects of Biosystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1
Newtonian Principles in Biostatics and Biodynamics . . . . . . . . . . . . . 28
3.2
Newton’s Laws Applied to a Biosystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.1
Basic Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.2
Application of Newtonian Ideas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.3
Conserved Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
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Accelerated Motion and Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
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High-g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
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Microgravity and Weightlessness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.3
Rotating Spacecraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.4
The Centrifuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.5
Drag on Body . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4
Forces on Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
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Systems in Mechanical Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.2
Surface Tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.3
Surfaces Curved by Differential Pressure . . . . . . . . . . . . . . 49
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