2.4 Механические свойства легких.

Структурными элементами легких являются альвеолы. Стенки альвеол обладают упругостью, за счет содержания в них белка эластина и коллагена. Внутренняя поверхность альвеол покрыта пленкой вещества толщиной 20100 нм с низким по-верхностным натяжением, называемой сурфактантом. Сурфактант обладает замечательным свойством: уменьшение размеров альвеол сопровождается снижением поверхностного натяжения. Это обуславливает стабилизацию состояния альвеол.

Значение упругости легочной ткани и поверхностного натяжения в альвеолах для функционирования легких было обнаружено при исследовании зависимости объема легких V от давления P. Если через вставленную в трахею спавшихся легких трубку, повышать давление, легкие почти не изменяют своего объема, а затем объем резко возрастает при сравнительно небольшом изменении давления Р (рис.2.5). Если понижать постепенно давление, то объем легких при тех же величинах давления окажется большим. Таким образом, цикл растяжения спавшихся легких и последующего их сжатия характеризуется сильным гистерезисом. Это объясняется наличием сурфактанта и упругостью стенок альвеол.

Количественно упругие свойства легких выражают растяжимостью G:

G= (2.2)

где ∆V – изменение объема при изменении давления на величину ∆P.

В норме растяжимость легких составляет G=2∙10^-5м³/Па. Растяжимость легких уменьшается при некоторых заболеваниях, например, фиброзе легких и грудной клетки, легочном застое.

Контрольные вопросы

1. Что понимают под биореологией? Каковы особенности строения и физические свойства костной ткани? Какие виды деформации являются наиболее опасными для костной ткани? Каково влияние видов деформации на генез костей?

2. Какими механическими свойствами обладают мышцы? Как изменяется содержание компонентов сосудистой ткани по ходу кровеносной системы? Какие основные модели сокращения мышц Вы знаете? Что понимают под абсолютной мышечной силой?

3. Каково строение и механические свойства кровеносных сосудов? Что понимают под криволинейной ортотропией кровеносных сосудов?

4. Каково строение и механические свойства легких? Что понимают под гистерезисом легких?

III. Некоторые вопросы реологии жидкости и ее приложение к крови. Физические основы гемодинамики.

Жидкие среды составляют наибольшую часть организма. Их движение, в частности крови, обеспечивает нормальную жизнедеятельность организма. Механические свойства крови зависят от ее состава, характеристик и особенностей составляющих компонентов крови, плотности крови, ее вязкости и т.д. Малые изменения многих отдельных компонентов крови или параметров могут привести к существенному изменению ее механических свойств.

Вопросами движения крови и ее взаимодействие при этом со стенками сосудов занимается гемодинамика.

3.1 Вязкость жидкости. Уравнение Ньютона. Ньютоновские и неньютоновские жидкости.

Вязкость жидкости (или внутреннее трение) – это динамическое свойство жидкости, обусловленное силами межмолекулярного взаимодействия. Вязкость жидкости проявляется либо при движении самой жидкости, либо при движении тела в покоящейся жидкости. Мы будем рассматривать только движение самой жидкости.

Рис. 3.1

П усть вязкая жидкость движется между двумя твердыми пластинками, из которых нижняя пластинка неподвижна, а верхняя движется со скоростью ₇. Движение жидкости можно представить в виде параллельных слоев, движущихся с определенными скоростями. Причем, слой, непосредственно соприкасающийся с нижней пластинкой за счет явления «прилипания», будет неподвижен. Скорости последующих слоев будут увеличиваться и максимальная скорость будет у слоя, непосредственно соприкасающегося с движущейся пластинкой. На рис.3.1 схематично представлено распределение скорости слоев при движении вязкой жидкости, при этом ₁₂₃₄₅₆ ₇.

Ньютон установил, что между двумя слоями жидкости возникает сила внутреннего трения F_тр которая зависит от природы жидкости, прямо пропорциональна площади соприкасающихся слоев S и градиенту скорости между ними:

F_тр= - уравнение Ньютона. (3.1)

где  - коэффициент вязкости (или просто вязкость жидкости).

Сила внутреннего трения F_тр действует касательно к поверхности соприкасающихся слоев жидкости и направлена так, что ускоряет более медленно движущийся слой и замедляет более быстро движущийся слой.

Градиент скорости (скорость сдвига) характеризует быстроту изменения скорости при переходе от слоя к слою. Единицей измерения градиента скорости является с^-1.

Из уравнения Ньютона можно получить коэффициент вязкости:

= (3.2)

Физический смысл коэффициента вязкости заключается в том, что он численно равен силе внутреннего трения F_тр, возникающей при течении между двумя слоями жидкости, соприкасающимися на площади, равной единице, при градиенте скорости между ними, равном единице. Единицей измерения коэффициента вязкости является Па с.

Внесистемной единицей измерения вязкости является Пуаз (П), причем 1Па∙с=10П.

На практике пользуются также понятием относительной вязкости _отн которая равна:

_отн= , (3.3)

где _жид – вязкость данной жидкости, _эт – вязкость эталонной жидкости. Относительная вязкость – величина безразмерная. В качестве эталона жидкости чаще всего выбирают воду т.к. вязкость воды при комнатной температуре равна 1сП.

Жидкости, коэффициент вязкости которых зависит от температуры и ее природы, называются ньютоновскими. К ним относят вода, низкомолекулярные органические соединения, расплавленные металлы и их соли.

Жидкости, вязкость которых зависит не только от температуры и природы, но и от давления и градиента скорости называются неньютоновскими. К ним относятся преимущественно растворы высокомолекулярных соединений (коллоидные, полимерные растворы, эмульсии, суспензии). Для неньютоновских жидкостей характерно то, что они состоят из сложных и крупных молекул. На реологические свойства таких жидкостей влияют собственные свойства структурных элементов: деформируемость (в частности, способность к упругой деформации), прочность, способность объединяться в агрегаты. Также важны особенности движения структурных элементов (вращение и ориентация в потоке, возможность их флуктуационного движения). Вязкость неньютоновских жидкостей при прочих равных условиях много больше, чем у ньютоновских жидкостей. Для неньютоновских жидкостей уравнение Ньютона не соблюдается. Вязкость неньютоновских жидкостей характеризуется условным коэффициентом вязкости, который относится к определенным условиям течения жидкости (давление, скорость).