Біофізика зовнішнього дихання.

Життєдіяльність людини пов'язана із споживанням її організмом кисню і виділенням у довкілля вуглекислого газу. Під зовнішнім диханням розуміємо обмін газом між альвеолами легенів і навколишнім середовищем.

Під час дихання використовуються пружні властивості повітря.

За сигналом нервової системи про те, що організмові не вистачає кисню, людина при вдиханні за допомогою м'язів грудної клітки піднімає ребра, а Іншими м'язами опускає діафрагму. Внаслідок цього збільшується об'єм, який можуть займати легені (і залишки повітря, що є в них). Проте таке збільшення об'єму зумовлює істотне зменшення тиску повітря в легенях. Виникає різниця тисків зовнішнього повітря і повітря у легенях. Через це зовнішнє повітря починає самостійно входити в легені завдяки своїй пружності. Людина лише надає йому змогу ввійти, змінюючи об'єм легенів.

З іншого боку, легенева тканина дуже ніжна, і вона не витримала б багаторазових розтягів і досить значних натискань грудних м'язів. Тому вона й не кріпиться до них.

Окрім цього, розширення легенів розтягуванням їхньої поверхні (за допомогою грудних м'язів) спричинило б нерівномірне, неоднакове їх розширення у різних частинах. Тому легені покриті особливою плівкою — плеврою. Плевра однією частиною прикріплена до легені, іншою — до м'язової тканини грудної клітки. Вона утворює своєрідний мішок, стінки якого не пропускають повітря.

Усередині плевральної порожнини наявна дуже невелика кількість газу. Тиск цього газу стає рівним тиску повітря в легенях лише тоді, коли стінки плеври перебувають дуже близько одна від одної. Внаслідок вдихання об'єм порожнини різко збільшується, а тиск різко спадає. Легеня завдяки наявним у ній залишкам повітря починає сама розширюватись рівномірно в усіх частинах подібно до гумової кульки під ковпаком повітряної помпи. Отже, пружні властивості повітря забезпечують ідеальну амортизацію для легеневої тканини і найсприятливіші умови для її розтягу і стиску.

Легені і грудна клітка еластичні, тому для збільшення їхнього об'єму необхідна м'язова енергія. Зміна об'єму грудної клітки внаслідок вдихання залежить від величини м'язового зусилля.

Дія м'язів, зумовлена їх скороченням, спрямована на подолання сил опору. До них належать:

• сила, потрібна для подолання опору еластичних тканин грудної клітки і легенів;

• сила, необхідна для подолання тертя в нееластичннх тканинах, що виникає внаслідок зміщення ребер під час вдихання, а також діафрагми, органів черевної порожнини. Ця сила залежить від швидкості дихання; на початку і наприкінці вдихання вона дорівнює нулеві;

• сила, потрібна для подолання тертя повітряного струменя під час вдихання і тертя, що виникає між стінками повітряних шляхів. Ця сила зумовлена різницею атмосферного і альвеолярного тисків. Тиск, необхідний для подолання цієї сили, залежить від швидкості потоку повітря і опору.

Бронхи мають дуже великі розгалуження, що зумовлює виникнення "завихрень" у місцях розгалужень. Тому повітряний потік за своїми властивостями наближається до турбулентного. Внаслідок цього сили, спрямовані на подолання тертя, пропорційні квадратові швидкості. За умов ламінарного руху повітря ці сили пропорційні швидкості в першому степені.