Вопрос 59. Эффективность дыхания. Рабочая характеристи­ка дыхания. Причины падения эффективности дыхания при лё­гочных заболеваниях.

Есть оптимальная частота дыхания. Все люди, находясь в состоянии физиологического покоя, делают 16-20 дыхательных движений в минуту. Чем это обусловлено? Ока­зывается, что в таком состоянии человек потребляет порядка б литров воздуха (МОД=б л). Кислорода, находящегося в этом объеме воздуха, достаточно для обеспечения физиологических процессов, протекаю­щих при этом в организме человека.

При этом оказывается, что при такой частоте дыхания наименьшими оказываются общее дыхательное сопротивление легочной ткани, состоящее в основном из суммы аэродинамического Ra и эластического Rэл сопротивлений, а, сле­довательно, и затраченная работа дыхания А_затр.

А, R

Rэл Ra

А_затр

f

f_оптим

Оптимальная частота дыхания соответствует минимальной работе дыхания.

Работа дыхания зависит от МОД. Зависимость затраченной работы от МОД называ­ется рабочей характеристикой дыхания.

А_затр

Б2 Б1 здоровый человек

6 30 140 МОД, л/мин

Здоровый человек обеспечивает при максимальной работе мышц вдоха вентиляцию легких до 140 л/мин.

Больной Б1 обеспечивает при максимальной работе мышц вдоха вентиляцию легких до 30 л/мин. У него появляется одышка при работе.

У больного Б2 - одышка в покое, т.к. он не может обеспечить минимально необходимую вентиляцию легких в объеме б л/мин.

При легочных заболеваниях происходит падение КПД дыхания. Причина падения КПД дыха­ния при лёгочных заболеваниях - рост легочного сопротивления и рост затраченной работы.

Так, при раке легких, когда опухоль локализуется в бронхе, возникает турбулентность и возрастает аэродинамическое сопротивление.

После пневмонии в легких разрастается соединительная ткань, что ведет к увеличению эластического сопротивления.

Литература: Лекции.

Вопрос 60. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Реологические свойства крови и плазмы. Особенности течения крови по сосудистой системе. Физические основы клинического метода измерения артериального кровяного давления.

Несмотря на большую подвижность частиц, между двумя слоями жидкости существуют силы трения. Они называются силами внутреннего трения или силами вязкости.

Ньютон установил, что силу внутреннего трения между слоями жидкости, движущимися с разными скоростями можно вычислить по формуле: F =   d / dl  S, где

 - коэффициент вязкости жидкости; d / dl - градиент скорости; S - площадь трущихся слоев.

Часто на практике применяют понятие относительной вязкости, которая представляет собой отношение вязкости данной жидкости к вязкости воды при t = 20° С.

С повышением температуры коэффициент вязкости уменьшается.

У большинства жидкостей (вода, низкомолекулярные органические соединения, некоторые растворы, расплавленные металлы и их сплавы) коэффициент вязкости зависит только от природы жидкости и температуры. Такие жидкости называются ньютоновскими и коэф­фициент вязкости для них определяется из формулы Ньютона.

У некоторых жидкостей, преимущественно высокомолекулярных (растворы полимеров, биополимеров) или представляющих системы (суспензии, эмульсии), коэффициент вязкости зависит также и от режима течения: давления и градиента скорости. При их увеличении вязкость жидкости уменьшается вследствие нарушения внутрен­ней структуры потока жидкости. Такие жидкости называются ненью­тоновскими. Их вязкость характеризуется условным коэффициентом вязкости, который относится к определённым условиям течения жид­кости.

Кровь представляет собой суспензию форменных элементов в бел­ковом растворе - плазме крови. Поэтому, строго говоря, она должна быть отнесена к неньютоновским жидкостям. Относительная вязкость крови в норме составляет: у женщин - 3,9 - 4,9; у мужчин - 4,3 - 5,3 . При патологических осложнениях она может снижаться до 2-3 (анемия) или повышаться до 15-20 (полицитемия).

Вязкость сыворотки крови в норме составляет 1,64 -1,69. При па­тологии 1,5 -2,0.

Различают ламинарное (слоистое) и турбулентное (вихревое) те­чение жидкости.

При ламинарном течении F_сопр ~ .

При турбулент­ном течении F_сопр ~  ².

Вид течения жидкости зависит от скорости течения , плотности жидкости , вязкости жидкости  и радиуса трубы r, по которой она течет. Для определения характера течения вводится число Рейнольдса, которое вычисляется по формуле: R_е = 2    r/.

Если R_е < R_{е критич}, то течение ламинарное.

Если R_е > R_{е критич}, то течение турбулентное. Для крови R_{е критич}= 970 ± 80.

При течении вязкой жидкости по трубе переменного сечения сред­ние скорости течения будут зависеть от площади сечения трубы из-за неразрывности струи жидкости: V₁= V₂ = соnst (V -объем проте­кающей жидкости в единицу времени). Тогда S₁ ₁ = S₂  ₂, т.е. скорость течения будет больше там, где сечение меньше.

При течении вязкой жидкости по круглой трубе постоянного сече­ния средняя скорость течения _ср может быть определена из формулы Гагена-Пуазейля: _ср = (p₁ - p₂) / l  r² / (8), где

(p₁ - p₂) / l - градиент давления на участке трубы длиной l.

Средняя скорость течения жидкости определяет количество жид­кости Q, протекающей в единицу времени через поперечное сечение S трубы: Q = (p₁ - p₂) / R, где R =8l / (r ⁴ ) - гидравлическое сопротивление.

Если труба горизонтальна, по уравнению Бернулли (p +    ²/ 2 = соnst). Статическое давление p меньше там, где скорость тече­ния и больше.

Сосудистая система человека состоит из артерий, артериол, ка­пилляров, венул и вен, соединенных последовательно. В свою очередь артерии, капилляры, венулы и вены ветвятся, т.е. представляют собой систему параллельных сосудов. Сосудистая система обладает наи­меньшим сечением в области аорты. При переходе к артериолам и ка­пиллярам суммарная площадь сечения сосудов увеличивается в 600-800 раз. Соответственно происходит и уменьшение скорости течения крови от 50см/с в аорте (течение турбулентное) до 0,03-0,05 см/с в капиллярах (течение ламинарное).

Эластичность сосудов играет при этом очень важную роль в обес­печении ламинарности течения. В момент систолы они запасают энергию. В момент диастолы - отдают энергию, продвигая кровь по сосудистой системе.

При атеросклерозе стенки сосудов делаются более жесткими, вследствие отложения на них солей кальция, и при этом увеличивает­ся скорость кровотока. Это приводит к появлению турбулентности, а, следовательно и к возрастанию работы сердца.

При малокровии уменьшается вязкость крови, и течение крови то­же может стать турбулентным.

Физическая сущность метода измерения кровяного артериального давления заключается в следующем: при давлении в манжете, большем, чем систолическое, прекращается кровоток. В тот момент времени, когда давление в манжете равно систоли­ческому, в кровеносном сосуде начинается движение крови, но оно, вследствие малости просвета сосуда, является турбулентным и сопро­вождается шумами, которые получили название тонов Короткова. В тот момент времени, когда тоны Короткова исчезают, давление в манжете равно диастолическому, т.к. течение при этом становится ламинарным и не сопровождается шумами. Прослушивая тоны Короткова в артерии ниже манжеты с помощью фонендоскопа, и наблюдая за изменением давления в манжете, можно с большой точностью определить систолическое и диастолическое давления крови.

Литература: Ремизов А.Н., Медбиофизика, 1987,с.1б9-180; Губанов Н.И., Медбиофизика, 1978,с.275-282. Лекции.