ТЕМА 2. ОСНОВЫ ГИДРОДИНАМИКИ. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРОВИ. ОСНОВЫ ГЕМОДИНАМИКИ

1. Рассмотрите рисунки и выполните задания.

1.1.При течении жидкости в трубке наибольшая скорость в центре трубки, так как частицы, образующие этот слой трутся только о движущиеся частицы жидкости. Возле неподвижных стенок скорость слоя жидкости минимальна, так как возникает существенная сила трения частиц жидкости о стенки трубки.

1.2. Полное давление в сечении втором меньше, чем в первом ( ), т.к. при течении жидкости её энергия расходуется на преодоление силы трения.

Объёмная скорость жидкости не изменяется при движении жидкости через трубку переменного сечения по определению (это объём жидкости, проходящий через сечение трубки за единицу времени), т.е. (закон неразрывности потока)

Средняя линейная скорость связана с объёмной скоростью соотношением: , учитывая, что , получаем: или . Так как , то .

1.3. Не изменились соотношения: и . Однако полное давление изменилось: .

1.4. , , (объяснения в предыдущей задаче)

1.5. Течение на участке А – ламинарное, т.к. число Рейнольдса=1800 (меньше критического).

(1) (2) (3)

Найдём соотношение скоростей на участках А и Б: ( оп закону неразрывности).

, , , откуда , т.е. (4)

(5), т.к.

Подставляем (4) и (5) в уравнение (3), получаем: , т.е. , т.е. превышает критическое значение (2400). Течение на участке Б – турбулентное.

1.6. , т.е.

2. На рис. 1 представлена схема сердечно-сосудистой системы человека. Рассмотрите рисунок и ответьте на вопросы.

2.1. Малый круг кровообращения (лёгочный) начинается в правом желудочке сердца. От него отходит лёгочная артерия, несущая в лёгкие венозную (насыщенную углекислотой) кровь. Она ветвится на более мелкие артерии, далее на артериолы и капилляры, которые достигают лёгочных альвеол. В капиллярах лёгких происходит газообмен - углекислота из крови выделяется наружу, кровь насыщается кислородом. Капилляры с артериальной кровью собираются в венулы и далее лёгочные вены, которые впадают в левое предсердие.

Большой круг кровообращения (системный) начинается в левом желудочке сердца. Он, сокращаясь, выталкивает кровь через аорту в артерии, которые разветвляются на более мелкие артерии, затем артериолы и капилляры, которые достигают клеток всех органов. Там происходит газообмен (в клетки поступает кислород и удаляется углекислый газ) и обмен веществами (в клетки поступают питательные вещества и удаляются ненужные клетке продукты метаболизма). Потом капилляры собираются в венулы, вены, через которые кровь поступает в правое предсердие.

Функциональное различие между кругами кровообращения состоит в том, что малый круг служит для насыщения в лёгких крови кислородом (и удаления углекислоты), а большой – служит для доставки кислорода (и питательных веществ) клеткам всех органов и удаления из них углекислоты (и продуктов метаболизма).

Большой круг содержит большое количество сосудов, поскольку от него получают кровь все органы тела. Все эти сосуды в совокупности обуславливают большую величину гидродинамического сопротивления току крови, которое называют общее периферическое сопротивление (ОПС). В малом круге, откуда только в лёгкие кровь поступает, сосудов меньше и сопротивление соответственно тоже невелико. В связи с этим нагнетательная функция левого желудочка больше, чем у правого желудочка, а артериальное давление в большом круге намного превышает АД в малом круге.

2.2. Артерии, артериолы, капилляры, венулы, вены.

3. На рис. 2 представлены графики, отражающие процентное соотношение величин гидродинамического сопротивления, ёмкости и площади поверхности в различных отделах сосудистой системы.

3.1. Когда жидкость течёт по сосуду, вследствие наличие у неё вязкости (силы внутреннего трения) и трения жидкости о стенки сосудов, возникает гидродинамическое сопротивление току жидкости. Это приводит к падению давления (удельной энергии) жидкости по мере удаления от насоса. Величина гидродинамического сопротивления вычисляется по формуле: , где длина сосуда, вязкость жидкости, радиус сосуда. Артериолы и капилляры имеют очень маленький радиус, вследствие чего величина их гидродинамического сопротивления велика.

3.2. Резистивными называются сосуды, имеющие большое гидродинамическое сопротивление (артерии и артериолы). Обменными называются сосуды, в которых происходит обмен газами и химическими веществами. Для этого они должны иметь большую суммарную площадь поверхности и сниженную скорость кровотока. Обменными сосудами являются капилляры. Ёмкостные сосуды обладают большим объёмом (ёмкостью). Это вены.

4.На рис. 3 представлена схема акустического метода измерения артериального давления крови. Рассмотрите рисунок и ответьте на вопросы.

4.1. Манометр – прибор для определения давления в манжете и артериального давления. Манжета – резиновая ёмкость, в которую с помощью груши нагнетают воздух, увеличивая в ней давление для того, чтобы перекрыть движение крови по артерии, и постепенного уменьшения давления для постепенного возобновления тока крови через артерию. Фонендоскоп – прибор, позволяющий прослушивать тоны Короткова.

4.2. Причина возникновения тонов Короткова – турбулентное течение крови через суженную манжетой артерию и пульсовые колебания давления.

4.3. Первый тон возникнет тогда, когда давление в манжете уменьшится до величины, позволяющей течь крови через артерию. Однако радиус сосуда при этом ещё уменьшенный давлением манжеты, поэтому кровь течёт турбулентно. Первый тон соответствует максимальному (систолическому) давлению крови. Последний тон слышен, когда вследствие дальнейшего уменьшения давления в манжете восстановится радиус артерии, и кровь начнёт двигаться через неё ламинарно (как обычно). Последний тон Короткова соответствует минимальному (диастолическому) давлению крови.

5. На рис. 4 показано изменение давления крови в разных отделах сосудистой системы по мере удаления их от сердца

5.1. Пульсовые колебания давления крови, соответствующие фазам сердечного цикла – систоле и диастоле - происходят в аорте и артериях, а в артериолах затухают.

5.2. Согласно закону Пуазейля: , где объёмная скорость крови, разность давлений в артериях и венах, гидродинамическое сопротивление сосудов току крови. Если принять, что в венах давление крови равно нулю, то

Тогда из закона Пуазейля: , т.е. артериальное давление зависит от объёмной скорости крови, показателем которой служит МОК – минутный объём крови: , где число сердечных сокращений в минуту, УО – ударный объём крови, т.е. объём крови, поступающий в сосуды в течение 1 систолы: УО тем больше, чем с большей силой сокращается сердце.

гидродинамическое сопротивление, которое в медицинской практике называют общим периферическим сопротивлением (ОПС).

Таким образом, артериальное давление зависит от частоты и силы сердечных сокращений и ОПС.

5.3. Давление характеризует удельную энергию крови, т.е. энергию крови, приходящуюся на единицу объёма. Среднее давление крови уменьшается по мере удаления сосудов от сердца вследствие преодоления кровью гидродинамического сопротивления, т.е. происходит рассеивание энергии. Чем дальше сосуд, тем больше преодолённое сопротивление.

Максимальное гидродинамическое сопротивление наблюдается в артериолах, т.к. они имеют максимальное гидродинамическое сопротивление (см. формулу в 3.1.): у них маленький радиус при относительной большой длине).

6.На рис. 5 показаны различия линейной скорости кровотока в разных отделах сосудистой системы.

6.1. Наибольшая скорость кровотока в аорте и артериях, наименьшая – в капиллярах. Объяснить такие различия скоростей позволяет закон неразрывности струи (потока): , где линейные скорости течения жидкости в различных частях замкнутой системы трубок, площади поперечных сечений различных частей замкнутой системы, причём если сосуды соединены параллельно, то для них берётся общая площадь. Например, все артерии параллельно соединены между собой, все артериолы – то же, капилляры – то же, вены – то же. У капилляров общая площадь превышает в сотни раз поперечные сечения других отделов сосудистого русла. Следовательно, скорость кровотока в капиллярах минимальная. Это имеет большое функциональное значение – относительно длительное течение крови в капиллярах позволяет осуществлять газообмен и обмен химическими веществами между кровью и межклеточной жидкостью.

6.2. Суммарная площадь сечения вен меньше, чем суммарная площадь сечения капилляров.

6.3.Скорость течения крови по сосудам измеряют с помощью эходоплерографии. Эходоплерография – метод ультразвуковой эхографии, основанный на эффекте Доплера. Эффект Доплера – изменение частоты звука (ультразвука) при относительном движении источника и приёмника волн. На кровеносный сосуд, в котором хотят измерить скорость кровотока, накладывают ультразвуковой датчик, от которого в сосуд посылаются ультразвуковые волны. Эти волны отражаются, главным образом, от движущихся эритроцитов крови. К неподвижному датчику возвращаются УЗ волны изменённой частоты (вследствие эффекта Доплера). Изменение частоты зависит от скорости движения эритроцитов (и крови в целом). По изменению частоты посланных в сосуд УЗ волн и отражённых волн (эхосигналов) судят о скорости движения крови.