Вступление: учитель физики.
Описание движения жидкостей и газов представляет очень сложную математическую задачу, решение которой невозможно без применения вычислительной техники и специальных математических методов. Задача значительно упрощается, если рассматривать жидкости и газы как сплошную среду, т.е. тело, физические характеристики которого в соседних точках почти одинаковы.
Характеристики сплошной среды. При движении жидкости форма любой ее выделенной части может легко изменяться, поэтому удобно использовать такие характеристики, которые не зависят от формы. Например, масса воды в сосуде любой формы пропорциональна занимаемому ей объему. Этим свойством обладает любая жидкость. Отношение массы жидкого тела к занимаемому им объему называется плотностью жидкости 
Плотность измеряется в кг/м3.
Подобную же характеристику удобно использовать и для газообразных тел. Поскольку газы легко сжимаются, отношение массы к объему может оставаться постоянным только для достаточно малого объема и обычно в течение короткого промежутка времени. Объем газа, для которого масса пропорциональна величине выделенного объема, называется элементарным. Для однородной жидкости любой ее объем является элементарным.
Виды движения сплошной среды. Движение сплошной среды очень сложно и многообразно, зависит и от особенностей взаимодействия частиц, и от начальных условий.
Удобно разделить движение сплошной среды на определенные виды, которые достаточно часто наблюдаются в природе: движение при относительном равновесии частиц, стационарное течение, турбулентное течение, вихревое движение и волновое движение. (Просмотр презентации из диска)
Основные законы динамики сплошной среды
Движение сплошной среды, при котором существенна ее деформация, может иметь очень сложный характер. Это потребует привлечения серьезного математического аппарата, а также современной вычислительной техники для решения большого числа уравнений, описывающих поведение многих частиц. Однако в некоторых случаях для описания движения достаточно применить упрощенные модели, которые позволяют воспроизвести основные характеристики процессов и разобраться в сути явлений.
Рассмотрим стационарное движение сплошной среды, при котором линии тока остаются неизменными, и применим основные теоремы динамики. В некоторых задачах удается найти законы сохранения величин, характеризующих течение сплошной среды, что существенно облегчает решение задач о движении потоков жидкости и газа.
Уравнение непрерывности. Пусть движение сплошной среды, которое происходит по отдельным трубкам тока, не допускающим перемешивания частиц. Выделим элементарную трубку тока, площадь поперечного сечения которой достаточно мала, так что скорость движения в любой точке сечения можно считать неизменной.
Проведем в этой трубке два поперечных сечения площадью S1 и S2 . Эти сечения выделяют в трубке тока объем, заключенный между ними. Вывод уравнения непрерывности. (с использованием диска)
В некоторых случаях для расчета движения сплошной среды и ее взаимодействия с другими телами удается применить теорему об изменении импульса системы частиц.
S1u1=s2u2
Напомним, что импульсом системы частиц в выделенном объеме сплошной среды (жидкого или газообразного тела) называется сумма импульсов всех частиц этой среды:
Кинетическая энергия сплошной среды. Особую роль при решении задач динамики сплошной среды играет закон изменения и сохранения энергии.
В инерциальной системе отсчета изменение кинетической энергии частиц в выделенном объеме сплошной среды равно работе всех сил, и внешних, и внутренних, действующих на частицы этого объема:
ÁEк = Aвсех сил
Закон Бернулли. Обобщением рассмотренного закона изменения кинетической энергии сплошной среды является уравнение Бернулли. Это уравнение устанавливает связь между скоростью движения идеальной сплошной среды и давлением в трубе переменного сечения.
(Вывод уравнения Бернулли с использованием диска)
Как показывает анализ этого уравнения в частях сплошной среды, где скорость движения частиц среды больше, она с меньшей силой давит на стенки сосуда или на соседние части среды .
Если, например, над крышей дома возникает порыв ветра большой скорости и давление под и над кровлей не успевает выровняться, то перепад давления создает силы, срывающие кровлю. На аналогичном эффекте основано и действие пульверизатора, и откачивание газов с помощью водоструйного насоса.
Пример. Определите скорость истечения жидкости из отверстия в нижней части сосуда высотой h , если площадь верхней части сосуда S0 , a площадь сечения отверстия S1 .
При стационарном течении жидкости в сосуде применяем уравнение Бернулли и
учитывая уравнение непрерывности
u0S0=u1S1;
из уравнения Бернулли получаем
Учитель физики: применим законы физики для описания процессов, происходящих в организме человека - конкретно при кровообращении. Наряду с ламинарным в сосудистой системе существует турбулентное движение с характерным завихрением крови. Ее частицы перемещаются не только параллельно оси сосуда, как при ламинарном кровотоке, но и перпендикулярно ей. Результатом такого сложного перемещения является значительное увеличение внутреннего трения жидкости. В этом случае объемная скорость тока крови будет уже не пропорциональной градиенту давления, а примерно равной квадратному корню из него. Турбулентное движение обычно возникает в местах разветвлений и сужений артерий, в участках крутых изгибов сосудов.
Основная кинетическая энергия, необходимая для движения крови, сообщается ей сердцем во время систолы. Одна часть этой энергии расходуется на проталкивание крови, другая – превращается в потенциальную энергию растягиваемой во время систолы эластичной стенки аорты, крупных и средних артерий.
Основными показателями гемодинамики являются объемная скорость, скорость кругооборота крови, давление в разных областях сосудистой системы.
Объемная скорость движения крови характеризует ее количество (в миллиметрах), протекающее через поперечное сечение сосуда за единицу времени (1 мин). Объемная скорость кровотока прямо пропорциональна перепаду давления в начале и конце сосуда и обратно пропорциональна его сопротивлению току крови. В нормальном организме отток крови от сердца соответствует ее притоку к нему. Это означает, что объем крови, протекающей за единицу времени через всю артериальную и всю венозную систему большого и малого круга кровообращения, одинаков.
Линейная скорость движения крови характеризует скорость перемещения ее частиц вдоль сосуда при ламинарном потоке. Она выражается в сантиметрах в секунду и определяется как отношение объемной скорости кровотока к площади поперечного сечения сосуда.
Полученная таким образом средним показателем, так как, величина является сугубо согласно законам ламинарного движения, скорость перемещения крови в центре сосуда является максимальной и падает в слоях, прилежащих к сосудистой стенке.
Линейная скорость кровотока различна и в отдельных участках сосудистого русла по ходу сосудистого дерева. Она зависит от общей суммы площади просветов сосудов этого калибра в рассматриваемом участке. Наименьшим поперечным сечением характеризуется аорта, в связи с чем и скорость движения крови в ней самая большая 50-70 см/с. Наибольшей суммарной площадью поперечного сечения обладают капилляры, у млекопитающих она приблизительно в 800 раз больше площади поперечного сечения аорты. Соответственно и скорость крови здесь около 0,05 см/с. в артериях она составляет 20-40 см/с, в артериолах - 0,5 см/с. в силу того, что при слиянии вен их суммарный просвет уменьшается, линейная скорость кровотока снова возрастает, достигая в полой вене 20 см/с
Учитель биологии: Гемодинамика раздел физиологии кровообращения, использующий законы гидродинамики для исследования причин, условий и механизмов движения крови в сердечно-сосудистой системе. Гемодинамика определяется двумя силами: давлением, которое оказывает влияние на жидкость, и сопротивлением; которое она испытывает при трении о стенки сосудов и вихревых движениях.
Силой, создающей давление в сосудистой системе, является сердце. У человека среднего возраста при каждом сокращении сердца в сосудистую систему выталкивается 60-70 мл крови (систолический объем) или 4-5 л/мин (минутный объем). Движущей силой крови служат разность давлений, возникающая в начале и конце трубки.
Присущие крови функции могут выполняться только при условии ее постоянного движения по кровеносным сосудам.
Замкнутая система характеризуется тем, что давление в ней относительно велико и постоянно. Для поддержания давления в промежутках между сердечными сокращениями в системе необходимо наличие эластических стенок. Помимо того, потребности в кровоснабжении разных органов не только различны, но постоянно изменяются в зависимости от деятельности снабжаемых кровью органов. В замкнутой системе кровь быстро возвращается к сердцу.
В незамкнутой системе давление, как правило, небольшое и создание в ней высокого давления невозможно. Невозможно также поддержание и постоянного давления. В отличие от, замкнутой системы кровь в ней возвращается к сердцу медленно.
Сосуды, составляющие большой и малый круг кровообращения, подразделяют на несколько типов: амортизирующие, резистивные, сосуды-сфинктеры, обменные, емкостные, шунтирующие. (Самостоятельная работа с текстом; заполнение таблицы №1; Приложение 1)
Кровь выталкивается отдельными порциями, поэтому кровоток в аорте и артериях пульсирует. При этом его линейная скорость возрастает в фазе систолы и снижается во время диастолы. В капиллярной сети в силу особенностей строения предшествующих ей артерий пульсовые толчки исчезают и линейная скорость кровотока приобретает постоянный характер.
Скорость кругооборота крови отражает время, за которое частица крови проходит большой и малый круг кровообращения. Для определения скорости кругооборота обычно используют введение «метки» с последующим контролем ее появления в соответствующей области. У различных насекомых время кругооборота равно 20-30 мин, у крабов - 37-65 с, у кролика - 7 с, у собаки - 16 с. У человека полное время кругооборота составляет 23 с. При этом на прохождение малого круга кровообращения приходится около 1\5 времени, а на прохождение большого нередко 4\5.
Давление в артериальном русле
Основной функцией артерий является создание постоянного напора, под которым кровь движется по капиллярам. Обычно объем крови, заполняющий всю артериальную систему, составляет примерно10-15 % от общего объема циркулирующей в организме крови.
Уровень кровяного давления, выражаемый в миллиметрах ртутного столба.
А сейчас мы с вами рассмотрим факторы, определяющие уровень кровяного давления. Составление схемы (Задания опережающего характера) (Приложение 2)
Определение величины кровяного давления.
(Демонстрация определения кровяного давления на одном из учеников)
Кровяное давление определяют двумя способами: прямым (кровавым) путем, применяемым в эксперименте на животных, и косвенным (бескровным). Историческая справка. (Приложение 3)
Артериальный пульс
Под пульсом понимают периодические колебания объема сосудов, связанные с динамикой их кровенаполнения и давления в них в течение одного сердечного цикла.
Систолический объем крови, выбрасываемый в аорту, вызывает ее растяжение и повышение в ней давления. В результате того, что стенки аорты и артерий обладают эластичностью, систолический прирост давления не продвигает весь столб крови (как происходило бы, если бы артериальная система состояла из жестких, неэластичных трубок), а вызывает растяжение стенок артерий. Благодаря такому растяжению аорта и артериальные стволы вмещают в себя выбрасываемый сердцем систолический объем крови.
Стенки сосудов, получившие во время систолы добавочное напряжение, стремятся в силу упругости уменьшить свою емкость и во время диастолы продвигают вперед систолический объем крови. Расширение стенки и повышение давления происходит теперь на прилежащем участке. Колебания давления, волнообразно повторяясь и постепенно ослабевая, захватывают все новые и новые участки артерий, пока не достигают артериол и капилляров, где пульсовая волна гаснет. <Рисунок №1>
Соответственно пульсирующим изменениям давления пульсирующий характер приобретает и продвижение крови по артериям: ускорение кровотока во время систолы и замедление во время диастолы. Пульс можно исследовать или непосредственным прощупыванием через кожу пульсирующей артерии, или путем регистрации кривой пульсового давления с помощью предложенного Ж. Мареем (1832) прибора - сфuгмографа. (работа с рисунком «Места прижатия артерий при кровотечениях». Количество крови, протекающей через определенный участок артерии в течение каждого пульсового периода, называют пульсовым объемом. Его величина зависит от сечения артерии, степени раскрытия ее просвета, систолического объема, скорости кровотока. Частота и амплитуда колебаний давления оказывают влияние на тонус сосудов. Это влияние осуществляется либо путем прямого механического воздействия на гладкую мышцу сосудистой стенки, либо путем активации барорецепторов сосудистых рефлексогенных зон.
Капиллярный кровоток
Кровеносные капилляры являются самыми тонкими и многочисленными сосудами. Они располагаются в межклеточных пространствах. Просвет капилляров варьирует от 4,5 до 30 мкм и более, что обусловлено органными особенностями строения сосудистой системы. Общее число капилляров в различных тканях не одинаково. Например, сердечная мышца содержит вдвое больше капилляров, чем скелетная, в сером веществе головного мозга капиллярная сеть значительно гуще, чем в белом. Длина отдельного капилляра колеблется от 0,5 до 1,1 мм.
Количество всех капилляров организма чрезвычайно велико. Например, у человека оно составляет около 40 млрд., общая длина капилляров достигает 100000 км. Этой величины достаточно, чтобы трижды опоясать земной шар по экватору. Также велика и общая площадь их поверхности; она составляет примерно 1500 м .
В местах отхождения капилляров от артериол гладкомышечные клетки образуют прекапиллярные сфинктеры. От степени их сокращения зависит, какая часть крови будет проходить через капилляры. В остальных участках капилляров сократительные элементы полностью отсутствуют. Стенка капилляров представляет собой полупроницаемую мембрану, тесно связанную функционально и морфологически с окружающей соединительной тканью. Она состоит из двух оболочек: внутренней - эндотелиальной, наружной базальной.
(Работа со схемой № 1) (Приложение 4)
Функция капилляров заключается в обеспечении транскапиллярного обмена, т. е. в снабжении клеток питательными и пластическими веществами и удалении продуктов метаболизма.
Кровяное давление в капиллярах зависит от сопротивления в разветвляющемся артериальном русле. Оно продолжает падать и на протяжении самих капилляров. Время контакта каждого эритроцита со стенкой капилляра длиной 100 мкм не превышает 0,15 с. Каждая клетка крови находится в капилляре около 1 с. Скорость капиллярного кровотока зависит от просвета сосуда, области тела и реологических свойств крови.
Движение жидкости через капиллярную стенку происходит в результате разности гидростатического давления крови и гидростатического давления окружающей ткани, а также
под действием разности онкотического давления крови и межклеточной жидкости. Процесс фильтрации из капилляров в межклеточную жидкость осуществляется под давлением 7 мм рт. ст., а обратный ток в просвет капилляра - 8 мм рт. ст. В нормальных условиях скорость фильтрации жидкости практически равна скорости ее реабсорбции.
Изменение любого параметра равновесия приводит к изменению остальных параметров. Например, усиление фильтрации сопровождается соответствующим повышением абсорбции жидкости в капилляре.
Процессу фильтрации через стенку капилляра способствует и поршневой механизм прохождения через капилляр эритроцита. Вследствие закупорки артериального конца капилляра возникает небольшое снижение давления в его венозной части. После прохождения эритроцита давление в этом отрезке восстанавливается. Эритроцит при этом играет роль поршня.
По ходу капилляров и окружающей их соединительной ткани находятся чувствительные нервные окончания. Значительное место среди них занимают хеморецепторы, сигнализирующие о состоянии метаболических процессов.
Капилляры могут образовать либо прямой кратчайший путь между артериолами и венулами, либо формировать капиллярные сети. В таком случае капилляры отходят от артериального конца магистрального сосуда и впадают в него в его венозной части. Такая анатомическая архитектура имеет важное значение в распределении крови в капиллярных сетях.
Для терминального артериального русла характерно также наличие сосудов, несущих артериальную и венозную кровь в обход капиллярного русла - артериоло-венулярные анастомозы <Рисунок №2>
Они существуют почти во всех органах и влияют на скорость и объем кровотока в капиллярах. Артериоло-венулярные анастомозы участвуют в терморегуляции, регуляции тока крови через орган, стимуляции венозного кровотока.
Особенности кровообращения в венах
Венозная система начинается nосткапuллярными венулами в сосудах микроциркуляторного русла и представляет собой отводящее кровь звено. Вены являются емкостными сосудами, обладающими самой большой растяжимостью и относительно низкой эластичностью. Внутренняя поверхность большинства вен, за исключением мелких венул, вен воротной системы и полых вен, снабжена клапанами, представляющими собой тонкие складки внутренней оболочки. Клапаны способствуют току крови к сердцу и препятствуют ее обратному движению. Одновременно они предохраняют сердце от излишней затраты энергии на преодоление колебательных движений крови.
Вены вмещают 70-80% крови организма. Они определяют емкость всей системы кровообращения, величину возврата крови к сердцу, минутный объем кровообращения. В основе венозного возврата лежит ряд механизмов. Кровь перекачивается из области высокого давления в область более низкого давления
Давление в начале венозной системы обусловлено остатком движущей силы, которая сообщается крови систолическим сокращением сердца и сохранилась после преодоления сопротивления в артериолах и капиллярах (остаточная сила сердца).
Большую роль в венозном возврате играет присасывающее действие грудной клетки. При вдохе расширяются легкие, возникает отрицательное внутри легочное давление и одновременно расширяются крупные полые вены. В результате этого возрастает разность давления между началом венозной системы и местом впадения полых вен в сердце. Тем самым облегчается приток венозной крови к сердцу. Воздействие дыхательных движений на венозное кровообращение называют дыхательным насосом. Движение крови к сердцу обеспечивается также его присасывающим действием в фазу диастолы.
Определенное влияние на кровоток в венах оказывают сокращенuя скелетных мышц, сдавливающие проходящие в них сосуды. При сжатии вен давление в них повышается и благодаря наличию в венах клапанов, препятствующих оттоку крови к капиллярам, кровоток становится однонаправленным в сторону сердца. Это явление получило название мышечного насоса.
Еще одним фактором, облегчающим приток крови к сердцу, является присасывающе-сдавливающий насосный эффект, оказываемый диафрагмой на органы брюшной полости. Во время вдоха диафрагма сокращается, внутрибрюшное давление увеличивается. В движении крови играют роль и перистальтические сокращения стенок некоторых вен. В венах печени они сокращаются с частотой 2-3 в 1 мин.
В венулах и терминальных венах кровоток, как правило, имеет постоянный характер. В более крупных сосудах возникают небольшие колебания давления и скорости кровотока. В венах среднего калибра скорость кровотока составляет 7-14 см/с, в полых венах она несколько выше - до 20 см/с и более. Колебания скорости кровотока зависят от фаз дыхания и сердечных сокращений.
Фронтальная беседа по вопросам:
К чему может привести гиподинамия?
Какое значение имеет тренировка сердца? Какое действие оказывают на сердечно- сосудистую систему курение и употребление спиртных напитков?