Қанның және тамырлардың механикалық қасиеттері. Құрылымы бар орталардың тиімді модельдері (үлгілері) туралы түсінік

Қанның реологиялық қасиеттерін геморология ғылымы зерттейді. Мұнда қан тұтқыр сұйықтық ретінде қарастырылады.

Сұйықтық тұтқырлығы (ішкі үйкеліс) – сұйықтықтың бір бөлігінің екіншісіне қатысты, орын ауысуына кедергі келтіру қасиеті бірінші кезекте сұйықтың тұтқырлығы молекулалардың қозғалуын шектейтін молекула аралық әрекеттесу мен шартталған. Тұтқырлықтың болуы сұйықтықты қозғалтатын және оны жылуға айналдыратын сыртқы энергия көзінің энергиясының диссипациясына алып келеді. Тұтқырлықсыз сұйықтық (мінсіз сұйықтық) абстракция болып табылады. Барлық нақты сұйықтықтарға тұтқырлық тән.

Тұтқыр ағынға арналған Ньютон заңы [7]:

(4.35)

Мұндағы [Н] – ішкі үйкеліс (тұтқырлық) күші, сұйықтық қабаттарының бір-біріне қатысты қозғалысы кезінде пайда болады; тұтқырлығының коэффициенті, ол сұйықтық қабаттарының орын ауысу кезінде сұйыққтықтың кедергі сін сипаттайды; (1/с) – көлденең ағын жылдамдығының градиенті, бір қабаттан екінші қабатқа өтуі кезінде Z дейінгі қашықтықты 1-ге өзгерткенде жылдамдықтың немесе орын ауысу жылдамдығы қалай өзгеретнін көрсетеді. S (м²) – өзара жанасқан қабаттар ауданы.

СЕЗИМ 154-161БЕТ битти

Айдана басталды

Ішкі үйкеліс күші өте тез қабатты тежейді және өте баяу қабатты үдетеді.Динамикалық тұтқырлық коэффициент жүктелімін кинематикалық тұтқырлық коэффициенті қарастырады.ν = η / ρ.(ρ – сұйықтық тығыздығы).

Сұйықтық тұтқырлық қасиетіне қарай 2 түрге бөлінеді: Ньютондық және Ньютондық емес.

Ньютондық сұйықтық - дегеніміз тек қана табиғаты мен температурасына тәуелді тұтқырлық коэффициенті. Ньютондық сұйықтық үшін тұтқырлық күші жылдамдық градиентіне тура пропорционал. Ол үшін тұтқырлық коэффициенті сұйықтың ағыс шартына тәуелді болмайтын тұрақты параметр болып табылатын Ньютон формуласы дұрыс (4.35).

Ньютондық емес сұйықтық деп тұтқырлық коэффициенті тек заттың табиғаты мен температурасына тәуелді болып қана қоймай, сұйықтың ағыс шартына, жылдамдық градиентіне,жиілігіне тәуелді болатын сұйықтықты айтады. Тұтқырлық коэффициенті бұл жағдайда заттың тұрақтысы болмайды. Сонымен қатар, сұйықтық тұтқырлығы сұйықтың ағыс шартына қатысты шартты тұтқырлық коэффициентімен сипатталады. (Мысалы:қысым, жылдамдық).

Жылдамдық градиентінен тәуелді тұтқырлық күші сызықты емес болып табылады:

F ~ ) (4.36)

Мұндағы n ағыс шартының механикалық қасиетін сипаттайды.

Ньютондық емес сұйықтықтың мысалы суспензия бола алады. Егер әрекеттеспейтін қатты бөлшектері бірқалыпты орналасқан сұйықтық болса,онда мұндай ортаны біртекті орта ретінде қарастыруға болады,яғни арақашықтықпен,бөлшектің жоғарыланған өлшемімен. Мұндай ортаның қасиеті бірінші кезекте сұйықтыққа η тәуелді. Жүйе пішіне және бөлшектің концентрациясына тәуелді әсерлі тұтқырлыққа η* ие болады.

Бөлшектің С төмен концентрациясы үшін мына формула сәйкес

η* = η(1+KC), (4.37)

мүнда К(геометриялық фактор) –бөлшектің геометриясына тәуелді коэффициент( пішіні мен өлшемі).

Сфералық бөлшек К мына формуламен есептеледі:

К = 2.5 ﴾ π ) ,

мұндағы R – шардың өлшемсіз радиусы.

Эллипсоидтар үшін К жоғарылайды және олардың жарты осьтері мен олардың сәйкестігі мәнімен анықталады. Егер бөлшектің құрылымы өзгерсе, (мысалы,ағыс шартынің өзгеруінде), онда формулада (4.37) К коэффициент , сонымен қатар эффектілі тұтқырлық осындай суспензиямен η* өзгереді. Мұндай суспензия ньютондық емес сұйықтық бола алады. Барлық жүйенің тұтқырлығының жоғарлауы бастапқы күш жұмысы суспензия ағымында тұтқырлықтың өзінің шыдамдылығына ғана емес, сұйықтықтағы молекула аралық өзара әрекеттесуінде жұмсалатындығымен байланысты, сонымен қатар өзара әрекеттесуі мен құрылымдық элементтермен.

Қан - ньютондық емес сұйықтық. Көп деңгейде ол ішкі құрылымдылығымен байланысты,плазма-ертіндідегі пішінді элементтердің суспензиясы болады. Плазма – ньютонды сұйықтық. Пішінді элементтердің 93 % эритроциттерден құралған , сонда қан – физиологиялық ерітіндідегі эритроциттер суспензиясы. Эритроциттер сипаттамалық қасиеті агрегаттардың түзілу үрдісі болып табылады. Қанды микроскоп үстеліне жағып, монетті баған деп аталатын агрегат жасап эритроциттердің бір-бірімен қалай <жабысатынын> көруге болады. Агрегаттардың түзілу шарты үлкен ыдыста, кіші ыдыста әртүрлі болады. Бұл бірінші кезекте ыдыстың ,агрегаттың және эритроциттердің өлшеміне сәйкестігімен шартты түрде жасалған. (сипаттамалы өлшемадер: ≈ 8 мкм, ≈ 10 ).

Мұндағы мүмкін варианттар.

1.Ірі тамырлар (аорта,артериялар):

= , >> .

Егер градиент dν/dz үлкен болмаса, эритроциттер монетті баған түрінде агрегаттқа жиналады. Бұл жағдайда қан тұтқырлығы η= 0.005 Па · С.

2.Ұсақ тамырлар (ұсақ артериялар,артериолдар):

= , = (5-20) .

Онда dν/dz градиенті айтарлықтай ұлғаяды ,агрегаттар бөлек эритроциттерге ыдырайды,соның ішінде жүйенің кіші тұтқырлығына.

Бұл тамырлар үшін бос аралықтың диаметрі кішірейген сайын қанның тұтқырлығы төмендейді. 5 -ге жуық диаметр тамырдағы қан тұтқырлығы үлкен тамырда шамамен 2/3 қан тұтқырлығын құрайды.

3.Микро тамырлар (капилярлар):

< .

Тірі тамырда эритроциттер оңай деформацияланады, 3 мкм диаметр капилляр арқылы бұзылмай күмбез тәріздес болады да тарап кетеді. Нәтижесінде эритроциттердің капилляр қабырғасымен жанасу қабаты зат алмасу процессіне әсер ететін пішінге келтірілмеген эритроциттермен салыстырғанда өседі.

Бірінші және екінші жағдайда эритроциттер деформацияланбайды десек,жүйенің тұтқырлығының өзгеруінің сапалы сипаттамасы үшін (4.37) формуласын қолдануға болады,онда агрегатты жүйе мен бөлек эритроцитты жүйе үшін геометриялық факторлар айырмашылығы есепке алынады,үлкен және кіші тамырдағы қан тұтқырлығы айырмашылығы шартты түрде болады.

Микротамырдағы процессті сипаттамасы үшін (4.37) формуласы қолданылмайды, бұл жағдайда бөлшектің қаттылығы мен ортаның біркелкілігі жіберілмейді.

Осы әдіспен, қанның ішкі құрылымы, сонымен қатар оның тұтқырлығы ағыс шартының тәуелділігіне қарағанда бірдей емес болып келеді (4.37). Қан ньютондық емес сұйықтық болып табылады. Тұтқырлық күшінің тамырдағы қанның ағуы үшін жылдамдық градиентіне тәуелділігі Ньютон формуласына бағынбайды және сызықты емес болып табылады (4.35).

Тұтқырлық үлкен тамырдағы қанның ағуымен сипатталады: нормада = (4,2 -6) · , анемияда = (2 – 3 )· ; полицитемияда =(15-20) · .Плазма тұтқырлығы ≈ 1.2 .Су тұтқырлығы = 0.01 Пуаз (1 Пуаз=0.1 Па·с).

Кез келген сұйықтық сияқты қан тұтқырлығы да температура төмендеген сайын жоғарылайды. Мысалы: 37 –ден 17˚С –ге дейін температура төмендесе қан тұтқырлығы 10 %-ға өседі.

Қанның ағу режимі. Сұйықтықтың ағу режимі ламинарлы ағыс және турбулентті ағыс болып бөлінеді. Ламинарлы ағыс-сұйықтықтың реттелген ағысы, ол ағыс бойынша параллельді, қабатты болып араласады. Ламинарлы ағыс тегіс квазапараллельді траекториямен сипатталады.

Ламинарлы ағыс кезінде трубаның ыдырау жылдамдығы парабола заңы бойынша өзгереді:

мұнда R – труба радиусы , z – оське дейінгі қашықтық , - осьтік ағыс жылдамдығы.

Қозғалыстың ламинарлы ағысымен ламинарлы ағыс турбуленттіге ауысып кетеді және сұйықтың қабатттарының арасында интенсивті араласу ағыста өлшемнің әртүрлі көптеген құйыны пайда болады. Бөлшектер күрделі траектория бойынша хаотикалық қозғалыс жасайды.

Турбулентті ағыс үшін ағынның нүктесіндегі уақытпен реттелмеген, жылдамдықтың өзегруі сәйкестеледі. Қозғалыстың орташа жылдымдығы жайында мынадай түсінік енгізуге болады: орташаның нәтижесінде пайда болатын аумақтың әрбір нүктесінде үлкен уақыт аралығымен бастапқы жалдамдық. Сонымен қатар ағын құрылымы жылдамдық профилі,кедергі заңы ,ағыс қасиеті өзгереді.

Турбулентті ағыстың орташа жылдамдығының профилі трубада ламинарлы ағыстың параболалы профилінен қабырғадағы жылдамдықтың өсуімен және ағыстың орта жағының қисықтығының төмендеуімен ерекшеленеді (4.18-б сурет). Қабырға айналасында жұқа қабаттың болмауынан жылдамдық профилі логарифмдік заңмен сипатталады. Сұйықтың ағыс режимі Рейнольдса санымен сипатталады. Дөңгелек трубада сұйықтың ағысы үшін:

= ; (4.40)

Мұнда ν - көлденең ыдырауымен орташа ағыс жылдамдығы; R – труба радиусы.

мәні сандық мәнінен аз болса, онда сұйықтың ламинарлы ағысының орны болады. Егер > ,онда ағыс турбулентті болады. Ереже бойынша ыдыстағы қанның қозғалысы ламинарлы болып табылады. Бірақ жағдай қатарында турбуленттіліктің пайда болуы мүмкін.

Аортадағы қанның турбулентті қозғалысы ең алдымен ондағы кірістегі қанның турбуленттігі болуы мүмкін:доплер –кардиографияда бақыланатын аортадағы асқазаннан қан шыққанда ,бұл кезде әуелден ағын құйыны бар болған еді. Ыдыстағы барлау орамдарында, сонымен қатар қан тогы жылдамдық жоғарлауымен ағыс артерияда да турбулентті болуы мүмкін. Турбулентті ағыс ыдыстағы оның локальді тарылу аумағында пайда болды мүмкін, мысалы: тромб пайда болғанда.

Турбулентті ағыс сұйықтың қозғалыс энергиясының қосымша жұмсалуымен байланысты ,сондықтан бұл қан жүйесінде жүрекке қосымша салмақ түсіруне әкеліп соғуы мүмкін.Турбулентті қан ағысы кезінде пайда болған шуды аурудың диагностикасына қолдануға болады.Жүректің қақпақшасыны ңт жарақаттануы кезінде қанның турбулентті қозғалысы арқылы жүрек шуылы пайда болады: