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Pourquoi la direction du flux de l'endolymphe s'oppose-t-elle à la direction du mouvement du corps ?


Dans les canaux semi-circulaires, l'endolymphe s'écoule toujours dans une direction opposée au mouvement de l'appareil vestibulaire lui-même. J'ai du mal à comprendre pourquoi, et j'apprécierais beaucoup si quelqu'un pouvait me donner un aperçu de la physique à ce sujet.


L'endolymphe à l'intérieur de l'oreille, comme tout type de matière, a une masse et est donc sujette à l'inertie. Cela signifie que tout changement de vitesse et de direction sera résisté. L'oreille et les canaux semi-circulaires eux-mêmes sont assez solidement connectés au reste du corps et accélèrent ainsi en douceur. Mais comme l'endolymphe est fluide, elle ne peut pas être mise à niveau aussi rapidement, elle a donc du retard dans son déplacement. Ainsi, lorsque l'oreille avance, l'endolymphe reste en arrière et ainsi par rapport à l'oreille, s'écoule vers l'arrière.

C'est comme ce que vous ressentez lorsqu'une voiture ou un avion accélère : vous « fluez » vers l'arrière dans votre siège alors que le véhicule s'élance vers l'avant.


Le système vestibulaire est composé de plusieurs structures et voies, mais les principaux composants du système se trouvent dans l'oreille interne dans un système de compartiments interconnectés appelé labyrinthe vestibulaire. Le labyrinthe vestibulaire est composé de canaux semi-circulaires et d'organes otolithiques (tous décrits ci-dessous) et contient des récepteurs pour les sensations vestibulaires. Ces récepteurs envoient des informations vestibulaires via le nerf vestibulo-cochléaire au cervelet et aux noyaux du tronc cérébral appelés noyaux vestibulaires. Les noyaux vestibulaires transmettent ensuite l'information à diverses cibles, allant des muscles de l'œil au cortex cérébral.

Le système vestibulaire est un système sensoriel chargé de fournir à notre cerveau des informations sur le mouvement, la position de la tête et l'orientation spatiale. Il est également impliqué dans les fonctions motrices qui nous permettent de garder notre équilibre, de stabiliser notre tête et notre corps pendant le mouvement et de maintenir posture. Ainsi, le système vestibulaire est essentiel au mouvement normal et à l'équilibre.

Regardez cette vidéo de 2 minutes sur les neurosciences pour en savoir plus sur le système vestibulaire.

Les sensations vestibulaires commencent dans l'oreille interne dans le labyrinthe vestibulaire, une série de chambres interconnectées qui sont en continuité avec la cochlée. Les composants les plus reconnaissables du labyrinthe vestibulaire sont les canaux semi-circulaires. Ceux-ci sont constitués de trois tubes, disposés approximativement à angle droit les uns par rapport aux autres, qui sont chacun situés dans un plan dans lequel la tête peut tourner. Cette conception permet à chacun des canaux de détecter l'un des mouvements de tête suivants : hocher la tête de haut en bas, secouer d'un côté à l'autre ou s'incliner à gauche et à droite. Ces mouvements de la tête autour d'un axe sont appelés accélération de rotation et peuvent être opposés à l'accélération linéaire, qui implique un mouvement vers l'avant ou vers l'arrière.

Les canaux semi-circulaires sont remplis d'un liquide appelé endolymphe, dont la composition est similaire au liquide intracellulaire présent dans les neurones. Lorsque la tête est tournée, elle provoque le mouvement de l'endolymphe à travers le canal qui correspond au plan du mouvement. L'endolymphe dans ce canal semi-circulaire s'écoule dans une expansion du canal appelée ampoule. Dans l'ampoule se trouve un organe sensoriel appelé crista ampullaris qui contient des cellules ciliées, les récepteurs sensoriels du système vestibulaire.

Les cellules ciliées tirent leur nom du fait qu'il existe une collection de petits "poils" appelés stéréocils qui s'étendent du haut de chaque cellule. Les stéréocils des cellules ciliées ont des fibres fines, appelées liens de pointe, qui s'étendent entre leurs pointes. Les liens de pointe sont également attachés aux canaux ioniques. Lorsque les stéréocils des cellules ciliées sont déplacés, les liens de pointe ouvrent les canaux ioniques associés pendant une fraction de milliseconde. C'est assez long pour permettre aux ions de se précipiter à travers les canaux ioniques pour provoquer la dépolarisation des cellules ciliées. La dépolarisation des cellules ciliées entraîne une libération de neurotransmetteurs et la stimulation du nerf vestibulo-cochléaire.

Les cellules ciliées associées aux canaux semi-circulaires s'étendent hors de la crête ampullaire dans une substance gélatineuse appelée cupule, qui sépare les cellules ciliées de l'endolymphe. Cependant, lorsque l'endolymphe s'écoule dans l'ampoule, elle provoque la distorsion de la cupule, ce qui entraîne le mouvement des cellules ciliées. Cela provoque une stimulation du nerf vestibulo-cochléaire, qui transmet les informations sur les mouvements de la tête aux noyaux vestibulaires du tronc cérébral ainsi qu'au cervelet.

Le système vestibulaire utilise deux autres organes, appelés organes otolithiques, pour détecter l'accélération linéaire, les forces gravitationnelles et les mouvements d'inclinaison. Il existe deux organes otolithiques dans le labyrinthe vestibulaire : l'utricule et le saccule. L'utricule est spécialisé pour détecter les mouvements dans le plan horizontal, tandis que le saccule détecte les mouvements dans le plan vertical.

Le processus de sensation dans les organes de l'otolithe présente une certaine similitude avec le processus dans les canaux semi-circulaires, mais il existe également des différences distinctes. Comme les canaux semi-circulaires, les organes de l'otolithe contiennent également un organe sensoriel où se trouvent des cellules ciliées dans ce cas, cependant, il s'appelle la macula. Comme dans les canaux semi-circulaires, il existe une couche gélatineuse au-dessus des cellules ciliées dans les organes otolithiques, cependant, il existe une autre structure fibreuse appelée membrane otolithique au-dessus de la couche gélatineuse. La membrane otolithique contient de petits cristaux de carbonate de calcium appelés otoconia. Ces cristaux rendent la membrane otolithique plus lourde que le reste de la structure lorsqu'une accélération linéaire se produit, cela provoque un déplacement de la membrane otolithique par rapport à la macula, ce qui entraîne le déplacement des cellules ciliées et donc la libération de neurotransmetteurs de ces cellules. La structure des organes des otolithes les rend particulièrement sensibles aux mouvements tels que l'accélération linéaire et l'inclinaison de la tête.

Le système vestibulaire utilise ces informations sur les mouvements obtenues via les canaux semi-circulaires et les organes des otolithes pour maintenir l'équilibre, la stabilité et la posture. Par exemple, le réflexe vestibulo-oculaire (VOR) est un mécanisme impliquant des connexions entre le système vestibulaire et les muscles des yeux qui permet à notre regard de rester fixé sur un point particulier même lorsque nous bougeons la tête. La perturbation du système vestibulaire, qu'elle soit due à une pathologie inhérente ou à un état transitoire comme l'intoxication alcoolique, peut entraîner des symptômes tels que vertiges, perte d'équilibre et nausées et peut varier en sévérité de légère à invalidante.


Os temporal

Sac endolymphatique, composant intraosseux

Sac endolymphatique, composante intradurale

Conduit semi-circulaire latéral

Conduit semi-circulaire supérieur

Conduit semi-circulaire postérieur

Le graphique montre un labyrinthe membraneux vu d'en haut. Les éléments clés du labyrinthe membraneux à considérer comprennent

2 tours 1/2 de la cochlée, point de rencontre des canaux semi-circulaires supérieur et postérieur (crus communis) et du canal et du sac endolymphatiques. Notez que le canal endolymphatique a une composante intraosseuse et intradurale.

ICA pétreux vertical (segment C2)

Artère tympanique inférieure dans le canalicule tympanique inférieur

ICA pétreux horizontal (C2)

Artère méningée moyenne dans le foramen spinosum

Artère maxillaire interne

Artère pharyngée ascendante

Le graphique sagittal montre l'artère carotide interne pétreuse. L'ACI cervicale pénètre dans le canal carotidien de la base du crâne pour devenir l'ACI pétreuse verticale (ACI du sous-segment C2). Il tourne alors antéromédialement pour devenir l'ACI pétreuse horizontale (ACI du sous-segment C2). Le segment de l'ACI intracrânienne juste au-dessus du foramen lacerum est appelé segment lacerum (segment C3 de l'ACI). Notez que l'artère tympanique inférieure monte à travers le canalicule tympanique inférieur et que l'artère méningée moyenne émerge de l'artère maxillaire interne passant par le foramen spinosum.


Étiologie des étourdissements et des vertiges

Il existe de nombreuses causes structurelles (traumatiques, tumorales, dégénératives), vasculaires, infectieuses, toxiques (y compris médicamenteuses) et idiopathiques (voir tableau Certaines causes d'étourdissements et de vertiges), mais seul un faible pourcentage des cas est causé par une maladie grave. désordre.

Les causes les plus courantes de vertiges avec vertiges impliquent certains composants du système vestibulaire périphérique :

D'autres causes incluent un trouble vestibulaire central (le plus souvent la migraine), un trouble ayant un effet plus global sur la fonction cérébrale, un trouble psychiatrique ou un trouble affectant les entrées visuelles ou proprioceptives. Parfois, aucune cause ne peut être trouvée.

Les causes les plus courantes de vertiges sans vertige sont moins nettes, mais elles ne sont généralement pas otologiques et sont probablement

Multifactoriel ou idiopathique

Les troubles non neurologiques avec un effet plus global sur la fonction cérébrale se manifestent parfois par des étourdissements et rarement par des vertiges. Ces troubles impliquent généralement une administration inadéquate de substrat (p. ex., oxygène, glucose) causée par une hypotension, une hypoxémie, une anémie ou une hypoglycémie lorsque sévères, certains de ces troubles peuvent se manifester par une syncope. De plus, certains changements hormonaux (p. ex., comme les maladies de la thyroïde, les menstruations, la grossesse) peuvent provoquer des étourdissements. De nombreux médicaments actifs sur le système nerveux central peuvent provoquer des vertiges indépendamment de tout effet toxique sur le système vestibulaire.

Parfois, les étourdissements et les vertiges peuvent être psychogènes. Les patients présentant des étourdissements posturaux perceptuels persistants (PPPD, étourdissements qui durent plus de trois mois sans explication clinique de leur persistance), un trouble panique, un syndrome d'hyperventilation, de l'anxiété ou une dépression peuvent se plaindre d'étourdissements.

Chez les patients plus âgés, les étourdissements sont souvent multifactoriels, secondaires aux effets indésirables des médicaments et aux capacités visuelles, vestibulaires et proprioceptives diminuées par l'âge. Deux des causes spécifiques les plus courantes sont les troubles de l'oreille interne : le vertige positionnel paroxystique bénin et la maladie de Ménière.

Certaines causes de vertiges et de vertiges

Troubles du système vestibulaire périphérique a,b

Rotation sévère et brève (< 1 minute) déclenchée par le déplacement de la tête dans une direction spécifique

Le nystagmus a une latence de 1 à 10 secondes, est fatigable et est en torsion, battant vers l'oreille la plus basse

Lentilles de Frenzel nécessaires pour empêcher la fixation visuelle

Examen auditif et neurologique intact

Manœuvre de Dix-Hallpike pour évaluer le nystagmus positionnel caractéristique

Épisodes récurrents d'acouphènes unilatéraux, perte auditive, plénitude de l'oreille

IRM rehaussée au gadolinium pour écarter d'autres causes

Vertiges soudains, invalidants et sévères sans perte auditive ni autres signes

Dure jusqu'à 1 semaine, avec une diminution progressive des symptômes

Parfois examen clinique seul

Parfois IRM rehaussée au gadolinium

Le vertige positionnel dans la neuronite peut être différencié du VPPB par une manœuvre de Dix-Hallpike

TDM de l'os temporal si suspicion d'infection purulente

IRM rehaussée au gadolinium en cas de surdité unilatérale et d'acouphènes

Otite moyenne (aiguë ou chronique, parfois avec cholestéatome)

Douleur à l'oreille, examen de l'oreille anormal, y compris écoulement si otite chronique

Avec cholestéatome, CT facultatif pour exclure la formation d'une fistule canalaire semi-circulaire

Traumatisme (p. ex., rupture de la membrane tympanique, contusion labyrinthique, fistule périlymphatique, fracture de l'os temporal, post-commotion)

Traumatisme évident sur l'histoire

Autres constatations selon l'emplacement et l'étendue des dommages

Parfois examen clinique seul

Perte auditive unilatérale lentement progressive, acouphènes, vertiges, déséquilibre

Rarement, engourdissement du visage, faiblesse ou les deux

IRM rehaussée au gadolinium en cas d'asymétrie auditive importante ou d'acouphènes unilatéraux

Traitement avec des médicaments aminosides récemment institués, généralement avec une perte auditive bilatérale et une perte vestibulaire

Parfois, évaluation vestibulaire avec électronystagmographie et tests sur chaise rotative

Affecte également le ganglion géniculé, donc une faiblesse faciale et une perte de goût se manifestent souvent avec une perte auditive

Vertige possible mais pas typique

Vésicules présentes sur le pavillon et dans le conduit auditif

Examen clinique seul

Mal des transports chronique (mal de débarquement)

Symptômes persistants après le mal des transports aigu

Examen clinique seul

Troubles du système vestibulaire central d

Hémorragie ou infarctus du tronc cérébral

Implication de l'artère cochléaire pouvant causer des symptômes auriculaires

Imagerie immédiate (IRM rehaussée au gadolinium si disponible, sinon TDM)

Hémorragie cérébelleuse ou infarctus

Apparition soudaine, avec ataxie et autres signes cérébelleux, souvent maux de tête

Imagerie immédiate (IRM rehaussée au gadolinium si disponible, sinon TDM)

Vertiges épisodiques récurrents, généralement sans symptômes auditifs unilatéraux (peut avoir des acouphènes qui sont généralement bilatéraux)

Peut-être des maux de tête, mais souvent des antécédents personnels ou familiaux de migraine

Photophobie, phonophobie, auras visuelles ou autres possibles, aidant au diagnostic

Habituellement examen clinique mais avec imagerie cérébrale au besoin pour écarter d'autres causes

Parfois, essai de prophylaxie de la migraine

Déficits moteurs et sensitifs variés du SNC, avec rémissions et exacerbations récurrentes

IRM du cerveau et de la colonne vertébrale rehaussée au gadolinium

Dissection des artères vertébrales

Angiographie par résonance magnétique

Épisodes brefs intermittents, parfois avec crises de chute, troubles visuels, confusion

Angiographie par résonance magnétique

Perturbation globale de la fonction du SNC e

Pâleur, faiblesse, parfois selles positives à l'hème

Médicaments actifs sur le SNC f (non ototoxiques)

Médicament récemment institué ou augmentation de la dose de plusieurs médicaments, en particulier chez un patient plus âgé

Symptômes sans rapport avec le mouvement ou la position

Parfois examen clinique seul

Parfois, taux de médicament (certains anticonvulsivants)

Parfois essai de sevrage

Hypoglycémie (généralement causée par des médicaments pour le diabète)

Test de glycémie au doigt (pendant les symptômes si possible)

Hypotension (causée par des troubles cardiaques, des antihypertenseurs, une perte de sang, une déshydratation ou des syndromes d'hypotension orthostatique, y compris le syndrome de tachycardie orthostatique posturale et d'autres dysautonomies)

Symptômes au lever, parfois avec stimulation vagale (p. ex., miction) mais pas avec mouvement de la tête ou en position couchée

Manifestation peut-être dominée par la cause (p. ex., perte de sang, diarrhée)

Signes vitaux orthostatiques, parfois avec test de la table basculante, ECG

Souvent des antécédents de maladie pulmonaire

Psychiatrique (p. ex., crise de panique, syndrome d'hyperventilation, anxiété, dépression)

Symptômes chroniques, brefs, récurrents

Non lié au mouvement ou à la position, mais peut survenir en cas de stress ou de bouleversement

Examens neurologiques et otologiques normaux

Initialement, le patient peut être diagnostiqué avec un dysfonctionnement vestibulaire périphérique et ne pas répondre à une prise en charge appropriée

Examen clinique seul

Symptômes chroniques avec surdité bilatérale, fluctuante, avec vertige épisodique

* L'examen clinique est toujours effectué mais n'est mentionné dans cette colonne que lorsqu'il peut être le seul moyen de diagnostic.

a Les symptômes sont généralement paroxystiques, graves et épisodiques plutôt que continus. Les symptômes de l'oreille (p. ex., acouphènes, plénitude, perte auditive) indiquent généralement un trouble périphérique. La perte de conscience n'est pas associée à des étourdissements dus à une pathologie vestibulaire périphérique.

b Les troubles du système vestibulaire périphérique sont répertoriés par ordre approximatif de fréquence d'apparition.

c De nombreux médicaments, dont les aminosides, la chloroquine , le furosémide et la quinine . De nombreux autres médicaments sont ototoxiques mais ont plus d'effet sur la cochlée que sur l'appareil vestibulaire.

d Les symptômes auriculaires sont rarement présents, mais des troubles de la marche/de l'équilibre sont fréquents. Le nystagmus n'est pas inhibé par la fixation visuelle.

e Ces causes ne devraient pas provoquer de symptômes otiques (p. ex., perte auditive, acouphènes) ou de déficits neurologiques focaux (se produit parfois avec une hypoglycémie). Les symptômes vertigineux sont rares mais ont été rapportés.

f Il existe de nombreux médicaments, dont la plupart des anxiolytiques, des anticonvulsivants, des antidépresseurs, des antipsychotiques et des sédatifs. Les médicaments utilisés pour traiter les vertiges sont également inclus.

VPPB = vertige positionnel paroxystique bénin SNC = système nerveux central URI = infection des voies respiratoires supérieures.


Partie 3 : Osmose et membrane cellulaire

L'osmose est le mouvement de l'eau à travers une membrane semi-perméable (telle que la membrane cellulaire). La tonicité d'une solution consiste à comparer la concentration du cytoplasme d'une cellule à la concentration de son environnement. En fin de compte, la tonicité d'une solution peut être déterminée en examinant l'effet qu'une solution a sur une cellule dans la solution.

Par définition, une solution hypertonique est une solution qui provoque le rétrécissement d'une cellule. Bien que ce soit certainement plus complexe que cela, pour nos besoins dans cette classe, nous pouvons supposer qu'une solution hypertonique est plus concentré avec des solutés que le cytoplasme. Cela entraînera la sortie de l'eau du cytoplasme de la cellule, ce qui entraînera un rétrécissement de la cellule. Si une cellule rétrécit lorsqu'elle est placée dans une solution, alors la solution est hypertonique à la cellule.

Si une solution est hypotonique pour une cellule, la cellule gonflera lorsqu'elle sera placée dans la solution hypotonique. Dans ce cas, vous pouvez imaginer que la solution est moins concentré que le cytoplasme de la cellule, provoquant l'écoulement de l'eau de la solution dans la cellule. La cellule gonfle !

Enfin, une solution isotonique est une solution qui ne provoque aucun changement dans la cellule. Vous pouvez imaginer que la solution et la cellule ont des concentrations égales, il n'y a donc pas de mouvement net de molécules d'eau dans ou hors de la cellule.

Dans cet exercice, vous observerez l'osmose en exposant une cellule végétale à de l'eau salée.

Prédiction

Que pensez-vous qu'il arrivera à la cellule dans cet environnement ? Faites un dessin de votre hypothèse.

Matériaux

Procédure

  1. Retirez une feuille d'une plante Elodea à l'aide de la pince.
  2. Faire un montage humide de la feuille. Utilisez l'eau de l'étang pour faire votre monture humide.
  3. Observez les cellules Elodea sous le microscope composé à haute puissance (400 X) et dessinez une cellule typique ci-dessous.
  4. Ensuite, ajoutez quelques gouttes de solution saline à 5% sur le bord de la lamelle pour permettre au sel de se diffuser sous la lamelle. Observez ce qui arrive aux cellules (cela peut vous obliger à chercher le long des bords de la feuille). Recherchez les cellules qui ont été visiblement altérées.

Résultats

Dessinez une cellule typique à la fois dans un étang et dans de l'eau salée et étiquetez la membrane cellulaire et la paroi cellulaire.

Questions de laboratoire

  1. Que voyez-vous arriver à la membrane cellulaire lorsque la cellule a été exposée à de l'eau salée ? Pourquoi cela arrive-t-il?
  2. Décrivez les termes hypertonique, hypotonique et isotonique.
  3. Comment vos observations changeraient-elles si NaCl pouvait facilement traverser la membrane cellulaire et pénétrer dans la cellule ?

Normes d'apprentissage

Cadre du programme d'études en sciences et technologie/ingénierie du Massachusetts 2016
HS-PS2-1. Analyser les données pour étayer l'affirmation selon laquelle la deuxième loi du mouvement de Newton est une
modèle mathématique décrivant le changement de mouvement (l'accélération) d'objets lorsque
agi par une force nette.

HS-PS2-10 (MA). Utilisez des diagrammes de force du corps libre, des expressions algébriques et les lois du mouvement de Newton pour prédire les changements de vitesse et d'accélération d'un objet se déplaçant dans une dimension dans diverses situations

Les racines de la civilisation occidentale : la Grèce antique, vers 800-300 avant notre ère.
7.34 Décrire les objectifs et les fonctions de développement des institutions grecques telles que le lycée, le gymnase et la bibliothèque d'Alexandrie, et identifier les principales réalisations des anciens Grecs.

WHI.33 Résumez comment la révolution scientifique et la méthode scientifique ont conduit à de nouvelles théories de l'univers et décrivez les réalisations des principaux personnages de la révolution scientifique, notamment Bacon, Copernic, Descartes, Galilée, Kepler et
Newton.

UN CADRE POUR L'ENSEIGNEMENT SCIENTIFIQUE DE LA MATERNELLE À LA 12E ANNÉE : pratiques, concepts transversaux et idées fondamentales
PS2.A : FORCES ET MOUVEMENT
Comment peut-on prédire le mouvement continu d'un objet, les changements de mouvement ou la stabilité ?

Les interactions d'un objet avec un autre objet peuvent être expliquées et prédites à l'aide du concept de forces, ce qui peut provoquer un changement de mouvement de l'un ou des deux objets en interaction… À l'échelle macro, le mouvement d'un objet soumis à des forces est régi par la loi de Newton. deuxième loi du mouvement… Une compréhension des forces entre les objets est importante pour décrire comment leurs mouvements changent, ainsi que pour prédire la stabilité ou l'instabilité des systèmes à n'importe quelle échelle.


Courants océaniques

Les courants océaniques sont comme de vastes rivières, coulant le long de chemins prévisibles.

Biologie, Ecologie, Sciences de la Terre, Océanographie

Canard en caoutchouc sur la plage

Un canard en caoutchouc s'est échoué sur la plage après avoir été exécuté dans l'océan.

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L'eau de l'océan est en mouvement constant, et pas seulement sous forme de vagues et de marées. Les courants océaniques coulent comme de vastes rivières, balayant des chemins prévisibles. Certains courants océaniques coulent à la surface, d'autres coulent profondément dans l'eau. Certains courants circulent sur de courtes distances, d'autres traversent des bassins océaniques entiers et font même le tour du globe.

En déplaçant la chaleur de l'équateur vers les pôles, les courants océaniques jouent un rôle important dans le contrôle du climat. Les courants océaniques sont également d'une importance cruciale pour la vie marine. Ils transportent des nutriments et de la nourriture aux organismes qui vivent attachés en permanence à un endroit, et transportent les cellules reproductrices et la vie océanique vers de nouveaux endroits.

Les rivières coulent à cause de la gravité. Qu'est-ce qui fait circuler les courants océaniques?

Les marées contribuent aux courants côtiers qui parcourent de courtes distances. Cependant, les principaux courants océaniques de surface en haute mer sont mis en mouvement par le vent, qui traîne à la surface de l'eau lorsqu'il souffle. L'eau commence à couler dans la même direction que le vent.

Mais les courants ne suivent pas simplement le vent. D'autres facteurs, notamment la forme du littoral et du fond marin, et surtout la rotation de la Terre, influencent la trajectoire des courants de surface.

Dans l'hémisphère nord, par exemple, des vents prévisibles appelés alizés soufflent d'est en ouest juste au-dessus de l'équateur. Les vents entraînent avec eux les eaux de surface, créant des courants. Au fur et à mesure que ces courants s'écoulent vers l'ouest, l'effet Coriolis&mdasha la force qui résulte de la rotation de la Terre&mdash les dévie. Les courants s'infléchissent ensuite vers la droite, en direction du nord. À environ 30 degrés de latitude nord, un ensemble différent de vents, les vents d'ouest, repoussent les courants vers l'est, produisant une boucle fermée dans le sens des aiguilles d'une montre.

La même chose se produit sous l'équateur, dans l'hémisphère sud, sauf qu'ici l'effet Coriolis courbe les courants de surface vers la gauche, produisant une boucle dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Les grands courants tournants qui commencent près de l'équateur sont appelés gyres subtropicaux. Il existe cinq gyres principaux : les gyres subtropicaux du Pacifique Nord et Sud, les gyres subtropicaux de l'Atlantique Nord et Sud et le gyre subtropical de l'océan Indien.

Ces courants de surface jouent un rôle important dans la modération du climat en transférant la chaleur de l'équateur vers les pôles. Les tourbillons subtropicaux sont également responsables de la concentration des déchets plastiques dans certaines zones de l'océan.

Contrairement aux courants de surface entraînés par le vent, les courants océaniques profonds sont causés par des différences de densité de l'eau. Le processus qui crée des courants profonds est appelé circulation thermohaline&mdash&ldquothermo&rdquo se référant à la température et &ldquohaline&rdquo à la salinité.

Tout commence par des courants de surface transportant de l'eau chaude au nord de l'équateur. L'eau se refroidit à mesure qu'elle se déplace vers des latitudes nordiques plus élevées, et plus elle se refroidit, plus elle devient dense.

Dans l'océan Atlantique Nord, près de l'Islande, l'eau devient si froide que la glace de mer commence à se former. Le sel naturellement présent dans l'eau de mer ne fait cependant pas partie de la glace. Il est laissé dans l'eau de l'océan qui se trouve juste sous la glace, ce qui rend cette eau très salée et dense. L'eau la plus dense coule et, comme elle le fait, plus d'eau océanique pénètre pour remplir l'espace qu'elle occupait autrefois. Cette eau se refroidit et coule également, maintenant un courant profond en mouvement.

C'est le début de ce que les scientifiques appellent la « bande transporteuse mondiale », un système de courants profonds et de surface connectés qui déplace l'eau autour du globe. Ces courants circulent autour du globe selon un cycle de mille ans.

Un canard en caoutchouc s'est échoué sur la plage après avoir été exécuté dans l'océan.


Cela fait. Le fait qu'il soit en contact avec la terre (ou plutôt les rails), signifie simplement qu'il ne peut pas se déplacer latéralement sous la force, car le rail restreint son mouvement. De la même manière, si un train descend un rail et que le vent souffle d'un côté, il y a toujours un Obliger en le poussant, mais les rails exerceront une force opposée afin qu'il ne puisse pas être déplacé latéralement par cette force. Certaines sources [1–3] prétendent même que l'effet de la force de Coriolis peut en fait être observé dans les rails de déplacement nord-sud, où un côté des voies s'use plus rapidement que l'autre.

Si vous vous souvenez de la force de Coriolis donnée par $mathbf=-2mmathbf imes mathbf$ Si pendant une minute, nous n'entrons pas dans les détails de l'analyse mais voyons simplement l'ampleur de cela. $|mathbf|=2m|mathbf_ exte||mathbf_ exte|$ Supposons que la vitesse du train soit de 100 $ Km/Heure, soit environ 30 $ m/sec et que la masse soit de 1000 $ Kg. Puis $|mathbf|approx0.3 N$ Cela ne va rien faire à votre train. Bien que l'effet puisse être rendu observable à grande vitesse.

Le fait qu'il y ait une force contrecarrant la force de Coriolis signifie simplement que la force de Coriolis n'est pas autorisée à provoquer une accélération. C'est comme s'asseoir sur une chaise, la chaise contrecarre la gravité, mais cela ne signifie pas que la gravité n'agit pas sur vous, cela signifie simplement que vous ne tombez pas. Tout comme la gravité vous presse contre la chaise, la force de Coriolis presse le train sur le côté du rail.

Une façon de penser à la force de Coriolis est que lorsqu'un objet se déplace vers l'axe de rotation, le moment d'inertie de l'ensemble du système diminue. Pour conserver le moment cinétique, la vitesse angulaire doit augmenter.

Dans l'hémisphère nord, un train voyageant vers le nord fait en fait diminuer légèrement le moment d'inertie de la Terre, ce qui fait augmenter la vitesse angulaire (cela, entre autres facteurs, signifie que la durée d'une journée n'est pas constante, elle diminue de temps en temps légèrement chaque fois que quelque chose se déplace vers les pôles). D'où vient l'augmentation de la vitesse angulaire ? Ça vient du train. Le train doit exercer une force sur la voie dans une direction Est pour augmenter la vitesse angulaire de la Terre. Et puisque les forces viennent par paires, la Terre doit exercer une force sur le train dans une direction occidentale.

C'est un peu en arrière, cependant, car la formulation de ce qui précède implique que la conservation du moment cinétique provoque la force de Coriolis, qui en fait c'est la force de Coriolis qui provoque la conservation du moment cinétique. C'est parce qu'un objet se déplaçant vers le centre de rotation exerce une force sur le reste du corps dans le sens de rotation que la vitesse angulaire augmente pour maintenir le moment cinétique constant malgré la diminution du moment d'inertie.


Buzz Physique


Le soleil est là, le vent souffle et j'ai été occupé à prendre des cours de voile. Il s'avère qu'il y a un peu de physique intéressant qui permet aux voiliers non seulement de voyager sous le vent, poussés par le vent, mais aussi de voyager au vent, ou presque.

Un navire à gréement carré du XVIIIe siècle naviguant
sous le vent. Crédit : domaine public
Mais commençons d'abord par le cas sous le vent. Si le marin veut aller dans le sens du vent, il lui suffit de tenir la voile perpendiculaire au vent et de laisser pousser le bateau par derrière.

Il s'agit de l'allure la plus élémentaire et était souvent utilisée par les anciens marins égyptiens, grecs et romains. Lorsqu'ils avaient besoin de vitesse supplémentaire ou voulaient remonter au vent, ils ramaient.

Les grands bateaux à gréement carré populaires aux XVIIIe et XIXe siècles (le bateau pirate classique, par exemple) étaient également les plus efficaces sur une voile de portant.

Les voiliers modernes peuvent naviguer dans n'importe quelle direction supérieure à environ 45 degrés par rapport au vent. Ils ne peuvent pas naviguer exactement au près, mais avec une conception de bateau intelligente, une voile bien positionnée et la patience de zigzaguer d'avant en arrière, les marins peuvent voyager n'importe où.

Pour explorer cela, dessinons un diagramme qui étiquette toutes les forces sur le voilier. Si vous n'avez jamais vu de diagramme de force auparavant, ne vous inquiétez pas, il ne s'agit que de quelques flèches et triangles. En additionnant les forces, nous obtiendrons la force totale sur le bateau et donc la direction dans laquelle il se déplacera.

Voici un voilier de base. Les deux parties sur lesquelles nous allons nous concentrer sont la voile au-dessus du bateau et la quille sous le bateau. La quille empêche le bateau de basculer et, comme nous le verrons, joue un rôle crucial pour faire avancer le bateau.

Un voilier basique. Crédit schéma : Tamela Maciel
Disons maintenant que nous essayons de naviguer au près avec le vent venant de la gauche ou "bâbord" sur l'avant du bateau. Ce croquis montre le voilier comme si nous regardions le bateau alors qu'il se dirigeait vers le haut du croquis.

Regardant vers le bas sur un voilier, montrant les forces égales et opposées sur le vent et la voile.
Crédit : Tamela Maciel


Le vent donne à la voile la forme d'une aile, mais comme la voile est maintenue solidement aux deux extrémités, le vent ne peut pas la repousser. Au lieu de cela, le vent doit changer de direction pour circuler parallèlement à la voile. La voile tendue a créé une force sur le vent qui la fait changer de direction et la troisième loi de Newton nous dit qu'il y a une force égale et opposée sur la voile par le vent, comme le montrent les flèches rouges dans le schéma ci-dessus.

Si c'était la seule force agissant sur le bateau, alors nous serions en difficulté : le bateau avancerait mais aussi vers la droite. Mais les voiliers ont une arme secrète cachée sous les ponts : la quille.

Quille et gouvernail sous un voilier.
Crédit : Paul Schultz
En plus de la force sur la voile, la grande surface de la quille résiste à être traînée latéralement dans l'eau. Vous pouvez sentir cette résistance si vous faites glisser votre main paume en premier dans l'eau par rapport au bord. L'eau applique une force à votre main qui augmente avec une plus grande surface.

Les forces agissant sur un voilier s'annulent de telle sorte que la force totale fait avancer le voilier.
La quille pointée vers le bas est délimitée par le rectangle en pointillés.
Crédit : Tamela Maciel
Cette force sur la quille est représentée par la flèche violette dans le schéma ci-dessus. En combinant l'effort sur la voile et l'effort sur la quille (diagramme triangulaire), on voit que les efforts latéraux s'annulent et que l'effort total sur le voilier n'est que vers l'avant (flèche verte). Le résultat est que le bateau avance !

Certains voiliers peuvent même se déplacer plus vite que le vent lui-même. Au près, le relatif la vitesse du vent sur les voiles est supérieure à la vitesse réelle du vent et ce vent relatif crée une force plus importante sur les voiles qui peut pousser les voiliers plus vite que la vitesse réelle du vent.

Il y a bien sûr une limite à la vitesse à laquelle les voiliers peuvent avancer. J'ai ignoré la traînée du bateau dans cet exemple, mais le bateau a également une friction inhérente lorsqu'il avance dans l'eau. Le bateau accélérera jusqu'à ce que la force poussant le bateau vers l'avant soit équilibrée par la force de traînée tirant le bateau vers l'arrière, puis le bateau se déplacera à une vitesse constante.

Lectures complémentaires :

Ce simulateur de voile de National Geographic vous permet d'ajuster les voiles et le gouvernail pour trouver l'allure la plus rapide
La physique de la voile par l'Université de Nouvelle-Galles du Sud
Comment les voiliers naviguent contre le vent par la physique pour les architectes


Essai sur l'osmose : définition, types et importance

In this essay we will discuss about:- 1. Definition of Osmosis 2. Types of Osmosis 3. Osmotic Pressure 4. Factors 5. Importance 6. Osmotic Relations of Plant Cells.

  1. Essay on the Definition of Osmosis
  2. Essay on the Types of Osmosis
  3. Essay on the Osmotic Pressure (O.P.)
  4. Essay on the Factors of Osmosis
  5. Essay on the Importance of Osmosis
  6. Essay on the Osmotic Relations of Plant Cells

Essay # 1. Definition of Osmosis:

(i) Diffusion of water from its pure state or dilute solution into a solution or stronger solution when the two are separated by a semipermeable membrane is termed as osmosis.

(ii) The movement of water from its higher chemical potential (found in pure state or dilute solution) to its lower chemical potential (found in solution or stronger solution) without allowing the diffusion of solute by means of a semipermeable membrane is called osmosis. The chemical potential of water is also called water potential.

(iii) Osmosis is movement of solvent or water molecules from the region of their higher diffusion pressure or free energy to the region of their lower diffusion pressure or free energy across a semipermeable membrane.

The direction and rate of osmosis depend upon the sum of two forces, pressure gradient (gradient of Ѱp) and concentration gradient (gradient of Ѱs). The net force or gradient is determined by the difference in the water potentials of solutions separated by a semipermeable membrane.

A solution which can cause an osmotic entry of water into it is said to be osmotically active solution. It possesses a low water potential. Diffusion of water into it will continue across the separating membrane till an equilibrium is reached. At equilibrium water potential becomes equal on both sides of the membrane.

Osmosis is a special type of diffusion of water that occurs through a semipermeable membrane.

Solute particles decrease the chemical potential of water by decreasing the mole fraction of water. In osmosis, a semipermeable membrane separates (say) dilute solution A and concentrated solution B. Solute particles cannot pass through the semipermeable membrane. Water molecules are in ran­dom motion. They strike the semiperme­able membrane on both the sides and pass through the same (Fig. 11.6).

Since more free water molecules are present on the side of dilute solution A, more of them pass through the membrane to enter the solution В as compared to the reverse flow. There is, therefore, a net diffusion of water from its higher chemical potential (dilute potential) to its lower chemical potential (concentrated solution).

Essay # 2. Types of Osmosis:

Osmosis is of two types:

(i) Endosmosis:

The osmotic entry of water into a cell, organ or system

(ii) Exosmosis:

The osmotic withdrawal of water from a cell, organ or system.

Essay # 3. Osmotic Pressure (O.P.):

It is maximum pressure which can develop in an osmotically active solution when it is separated from its pure solvent by a semipermeable membrane under ideal conditions of osmosis that do not allow dilution of solution. Osmotic pressure is also defined as the pressure required to completely stop the entry of water into an osmotically active solution across a semipermeable membrane (Fig. 11.10).

It is measured in atmospheres, bars or Pascal’s. Osmotic pressure is numerically equal to osmotic potential (= solute, potential, Ѱs) but while osmotic potential has a negative value, osmotic pressure (n, pi) has a positive value, (Ѱs = – π). The instrument used for measuring osmotic pressure is called osmometer, e.g., Berkeley and Hartley’s osmometer, Pfeffer s osmometer.

Aquatic plants have an osmotic pressure of 1-3 atm, mesophytes 5—15 atm while in xerophytes it lies between 10-30 atm but goes up to 60 atm under drought conditions. Upper leaves have more osmotic pressure than the lower leaves. Seeds may develop an osmotic pressure of 100 atm. Halophytes have the maximum osmotic pres­sure with Atriplex confertifolia showing an O.P. of 202. 4 atm.

It is the expulsion of pure water from a solution through a semipermeable membrane under the influence of pressure higher than the O.R of the solution. Reverse osmosis is used in removing salts from saline water as well as extra-purification of water.

Essay # 4. Factors Controlling Osmosis:

Presence of a perfectly semipermeable membrane is a must for the operation of osmosis.

Osmosis is driven by two other factors:

(i) Concentration of dissolved solute on the two sides of semiperme­able membrane,

(ii) Difference in pressure.

In thistle funnel experiment there is no indefinite passage of water from beaker into the funnel despite the fact that osmotic potential of the solution continues to be negative as compared to the chemical potential of pure water. It is because after some distance the raised column of solution exerts sufficient pressure over the semipermeable membrane as to balance the chemical potential of pure water.

Osmotic Concentrations:

A solution having low osmotic concentration (hence low osmotic pressure but less negative solute potential) as compared to another solution is known as hypotonic solution. A solution having high osmotic concentration (hence high osmotic pressure but more negative solute potential) as compared to another solution is termed as hypertonic solution.

The two solutions with the same concentration or pressure or potential are named as isotonic solutions. External hypotonic solution will cause endosmosis while hypertonic solution results in exosmosis. There is no change if the external solution is isotonic (Fig. 11.11). Such a flaccid cell will allow movement of water in both the directions.

Essay # 5. Importance of Osmosis:

(1) Entry of soil water into root is carried out by osmosis.

(2) Osmosis performs cell to cell movement of water.

(3) Living cells remain distended or turgid only by the osmotic entry of water into them.

(4) Various cell organelles like mitochondria and chloroplasts will collapse if they are not able to maintain a proper osmotic concentration.

(5) 70% of cell water is held in vacuoles. It has come from outside through endosmosis and is kept in its place due to osmotic concentration of solutes dissolved in it.

(6) The soft organs like leaves, flowers, fruits and young stems are able to keep themselves stretched and swollen due to turgidity of their cells which is dependent upon osmosis.

(7) Osmosis plays a key role in the growth of radicle and plumule during the germination of seeds.

(8) Many plant movements like the folding and drooping of leaves in Mimosa are brought about by osmosis.

(9) The stomata open and close only in response to increase or decrease of the osmotic pressure of the guard cells in relation to nearby epidermal cells.

(10) A high osmotic pressure has been found to protect the plants against drought and frost injury. Seeds and spores are similarly able to pass through the unfavourable periods due to high osmotic pressure (or low solute potential).

Water Potential:

It is the difference in the free energy or chemical potential per unit molal volume of water in a system and that of pure water at the same temperature and pressure. Chemical potential of pure water at normal temperature and pressure is zero. In solutions the value of water potential is always negative or less than zero. It is represented by greek letter Ѱ (psi) or more accurately Ѱw.

The value of Ѱw is measured in bars, pascals or atmospheres. Water always moves from the area of high water potential or high energy to the area of low water potential or low energy, i.e., from less negative potential (e.g., -1000 KPa) to more negative potential (e.g., -2000 KPa).

If two systems having water are in contact, more random movement of water molecules in the system having higher water potential or more energy will result in their net movement towards the system with low energy or low water potential, e.g., soil and air, cell and solution. The movement of a substance from an area of higher free energy to area of lower free energy is called diffusion.

Water potential or Ѱw is the sum total of Ѱs and Ѱр.

Ѱs designates the effect of solute on the free energy of water while Ѱp indicates the effect of pressure on the same. However, another force which has a negative value and which decreases the water potential is matric potential (Ѱm).

It is reduction in free energy of water when the latter comes to form thin surface layers adsorbed over colloidal particles. It is appreciable in case of dry seeds, young cells and dry soils. However, in case of mature cells and hydrated cell walls the effect of matric potential is negligible.

Osmotic or Solute Potential (Ѱs):

It is the decrease in the chemical potential of pure water due to the presence of solute particles in it. It is a colligative property of solute and is dependent upon the number of solute particles and not upon the nature of solute.

Solute particles reduce the free energy of water by diluting it, increasing entropy, reducing vapour pressure, raising boiling point and lowering freezing point. Its value is calculated by the following formula

where С is the concentration of solute particles in moles per litre (one mole or molecular weight in grams = 6.02 x 10 23 particles or molecules), R is gas constant with a value of 0.083 (0.082 if in atmospheres) and T is the temperature in absolute degrees.

Thus osmotic potential of a molar solution of a nonelectrolyte like sucrose at 0°C or 273°A and 20°C or 293°A can be calculated as below:

at 0°C =1 x 0.083 x 273 =22.7 bars or 22.4 atm (as negative)

at 20°C =1 x 0.083 x 293 =24.3 bars or 24 atm. (as negative)

In case of electrolytes, the degree of ionisation is taken into consideration because osmotic or solute potential depends upon the number of particles (here as ions and mol­ecules) and not upon the number of molecules alone.

In case of strong electrolytes the osmotic potential may be almost double or triple as compared to nonelectrolytes. For example, 0.1N sucrose solution has an osmotic potential of—2.3 bars while 0.1N sodium chloride solution has Ѱs value of -4.5 bars.

Pressure Potential (Ѱp) or Hydrostatic Pressure:

It is the pressure which develops in an osmotic system due to osmotic entry or exit of water from it. A positive pressure develops in a plant cell or system due to entry of water into it.

Positive hydrostatic pressure is also called turgor pressure. Loss of water produces a negative hydrostatic pressure or tension. It develops in xylem due to loss of water in transpiration. This is very important in transport of sap over long distances in plants.

Positive hydrostatic pressure or turgor pressure is the pressure which develops in the confined part of an osmotic system due to osmotic entry of water into it. Due to turgor pressure the protoplast of a plant cell will press the cell wall to the outside. The cell wall, being elastic, presses the protoplast with an equal and opposite force.

The force exerted by the cell wall over the protoplast is called wall pressure (WP). Normally wall pressure is equal and opposite to turgor pressure except when the cell becomes flaccid. The values of these two opposing forces continue to rise till the cell becomes fully swollen or turgid. At this time the value of wall or turgor pressure becomes equal to osmotic potential, Ѱp = Ѱs.

Turgor pressure has number of important functions:

(i) It keeps the cells and their organelles stretched. This is essential for proper function­ing of a cell.

(ii) It provides support to non-woody tissues like parenchyma.

(iii) Turgor pressure is essential for cell enlargement during growth.

(iv) It keeps the leaves fully expanded and properly oriented to light.

Flowers, young stems and other softer organs are able to maintain their form due to turgidity or TP. In case of loss of turgidity, the shoots droop down and the leaves show wilting.

Wilting is observed in many plants during summer noon. In wilting the individual cells of leaves and other softer parts become flaccid due to loss of water from their interior. Plants gain their turgidity during night because of continued absorption of water from the soil.

If the soil does not obtain water periodically (i.e., the soil is deficient in water), the recovery may be only partial or it may not occur at all. The latter condition is known as permanent wilting. The plants are soon killed. Temporary wilting reduces growth and decreases the yield of plant.

(v) Many plant movements are produced due to reversible turgor changes in the cells. Sleep movements (nyctinasty) of bean leaves and shock movements (seismonasty) of Sen­sitive Plant (Mimosa pudica) are produced due to turgor changes in the cells of their pulvini.

Regular turgor changes in the leaflet bases cause rhythmic autonomic jerky move­ments in the lateral leaflets of Indian Telegraph Plant, Desmodium gyrans (Fig. 11.12).

(vi) The opening and closing of stomata are caused by gain and loss of turgidity by their guard cells. They are hence often called “turgor operated valves.”

(vii) Turgor pressure (pressure potential or hydrostatic pressure) keeps a check on the excessive entry of water into cells.

(viii) Autochory of some fruits is dependent upon release of turgor pressure.

Essay # 6. Osmotic Relations of Plant Cells (Fig. 11.13):

A plant cell functions as an osmotic apparatus or osmotic system. It is bathed in a water medium or lies in contact with other cells having water. A typical plant cell has a permeable elastic wall, a semipermeable membrane (plasma lemma or plasma membrane alone or along with cytoplasm and tonoplast) and an osmotically active solution called cell sap (contained in the central vacuole).

The osmotically active cell sap has an osmotic potential (Ѱs or OP). It causes the osmotic entry of water which develops a turgor pressure (TP) or pressure potential (Ѱp). The osmotic status of the cell is written as, Ѱw = Ѱs + Ѱp or DPD = OP – TP (= WP). Ѱs or solute potential is a negative force. It causes entry of water into the cell.

As a result a cell protoplast swells and develops the positive force of Ѱp. Ѱp is kept under check by wall pressure. The cell where wall is absent cannot counteract pressure potential. It will continue to absorb water due to Ѱs till it bursts. It is because of this fact that the animal cells are not bathed in water but instead are surrounded by nearly isotonic tissue fluid.

Being a positive force, Ѱp opposes the entry of water into the cell.

A flaccid cell placed in hypotonic solution will absorb water. The cell swells up. The value of turgor pressure rises while that of solute potential becomes slightly less negative. As the cell becomes fully turgid, the value of turgor pressure becomes equal to that of solute potential (Ѱs) so that water potential (Ѱw) or DPD becomes either zero or equal to that of external hypotonic solution.

Though there is no net movement of water between the cell and its environment, equilibrium is dynamic and not static. Equal exchange of water molecules continues between the cell and its environment.

If plant cell happens to be bathed in hypertonic solution, it loses water through the process of exosmosis. The loss of water is first from cytoplasm and then central vacuole. As a result, the protoplast is reduced in size. This decreases turgor pressure or pressure potential and corresponding wall pressure.

Solute potential becomes slightly more negative due to loss of water. The cell attains a minimum size when turgor pressure is zero. If the external solution does not cause any further exosmosis, the value of its solute potential will be equal or isotonic to solute potential of the cell.

A cell which is deficient in turgor is called flaccid. A flaccid cell kept in isotonic solution will show equal flow of water into and out of the cell. In case exosmosis continues, the protoplast shrinks from the cell wall. The phenomenon is called plasmolysis.

(c) Water Relations between Adjacent Cells (Fig. 11.15):

Cells gain or lose water among themselves on the basis of their water potential (or DPD) and not their solute or osmotic potentials. A cell having more negative osmotic potential and high turgor pressure can lose water to a cell having less negative osmotic potential provided it has still lower turgor pressure.