лекция 5 для студентов 1 курса, обучающихся по специальности Педиатрия К.п.н., доцент Шилина Н.Г. Красноярск, 2012 Тема: Физические основы гемодинамики Кафедра медицинской и биологической физики

План лекции: 1. Идеальная жидкость. Уравнение Бернулли. 2. Вязкость жидкости. Уравнение Ньютона. 3. Течение вязкой жидкости. Формула Гаагена – Пуазейля. 4. Реологические свойства крови. 5. Методы измерения вязкости жидкостей. 6. Работа и мощность сердца. Модели кровообращения.

Реологией называется область механики, которая изучает деформационные (реологические) свойства жидкостей, газов и твердых тел, способы установления и описания этих свойств, а отчасти и их физическую природу. Реологией называется область механики, которая изучает деформационные (реологические) свойства жидкостей, газов и твердых тел, способы установления и описания этих свойств, а отчасти и их физическую природу.

Жидкость несжимаемая и не имеющая внутреннего трения называется идеальной. Жидкость несжимаемая и не имеющая внутреннего трения называется идеальной. Течение, при котором скорости частиц жидкости в каждой точке потока со временем не изменяются, называется стационарным. Течение, при котором скорости частиц жидкости в каждой точке потока со временем не изменяются, называется стационарным.

Воображаемые линии, совпадающие с траекториями частиц, называются линиями тока. Воображаемые линии, совпадающие с траекториями частиц, называются линиями тока. Часть потока жидкости, ограниченного со всех сторон линиями тока, образует трубку тока или струю. Часть потока жидкости, ограниченного со всех сторон линиями тока, образует трубку тока или струю. S 1 ·v 1 = S 2 ·v 2 или S·v=Const – условие неразрывности струи

Вывод уравнения Бернулли V 1 =V 2 ; S 1 L 1 = S 2 L 2 ; Работа сил, оказывающих давление: Ад=F 1 L 1 – F 2 L 2 =P 1 S 1 L 1 – P 2 S 2 L 2 Работа сил, оказывающих давление: Ад=F 1 L 1 – F 2 L 2 =P 1 S 1 L 1 – P 2 S 2 L 2 Работа силы тяжести: Работа силы тяжести: А Т =mgh 1 – mgh 2 =ρS 1 L 1 gh 1 – ρS 2 L 2 gh 2 Изменение кинетической энергии при движении объема жидкости: Изменение кинетической энергии при движении объема жидкости:

т.к. Ад+ А Т =ΔЕ К, то т.к. Ад+ А Т =ΔЕ К, то P 1 S 1 L 1 – P 2 S 2 L 2 + ρS 1 L 1 gh 1 – ρS 2 L 2 gh 2 = и S 1 L 1 = S 2 L 2 и S 1 L 1 = S 2 L 2 т.к. сечение выбрано произвольно, то - уравнение Бернулли

При стационарном течении идеальной жидкости (υ=Const) полное давление, равное сумме статического, равное сумме статического, гидростатического и динамического гидростатического и динамического давлений, остается постоянным в давлений, остается постоянным в любом поперечном сечении потока. любом поперечном сечении потока.

Следствия из уравнения Бернулли Наклонная трубка постоянного сечения Наклонная трубка постоянного сечения Горизонтальная трубка переменного сечения Горизонтальная трубка переменного сечения Р 1 + ρgh 1 = Р 2 + ρgh 2 ; Р 1 – Р 2 = ρg(h 1 - h 2 ) т.к. S 2 v 1 и Р 2 < Р 1 Статическое давление невязкой жидкости при течении по горизонтальной трубе возрастает там, где скорость ее уменьшается.

ВЯЗКОСТЬ ЖИДКОСТИ Способность реальных жидкостей оказывать сопротивление движению в них тел или собственному течению за счет сил межмолекулярного взаимодействия называется внутренним трением или вязкостью жидкости. Способность реальных жидкостей оказывать сопротивление движению в них тел или собственному течению за счет сил межмолекулярного взаимодействия называется внутренним трением или вязкостью жидкости.

Уравнение Ньютона ŋ- коэффициент внутреннего трения или динамическая вязкость; - градиент скорости; S - площадь соприкосновения слоев [ ]=Па·с в системе СИ, [ ]= 1Пуаз (П) в системе СГС; 1Па·с=10П

Жидкости, течение которых подчиняется уравнению Ньютона – ньютоновские жидкости. Жидкости, течение которых подчиняется уравнению Ньютона – ньютоновские жидкости. Рис.1.Зависимость напряжения сдвига от градиента скорости для ньютоновской (1) и неньютоновской (2) жидкостей.

Относительная вязкость крови НОРМА4,2 – 6 АНЕМИЯ2 – 3 ПОЛИЦИТАМИЯ15 – 20 МУЖЧИНЫ4,3 – 1,7 ЖЕНЩИНЫ3,9 – 4,9 - относительная вязкость Вязкость крови зависит от концентрации эритроцитов и белков плазмы, от их состава, от размеров клеток крови, эластичности мембран эритроцитов.

КЛАССИФИКАЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ Вязкость не зависит от градиента скорости – ньютоновская жидкость. Вязкость не зависит от градиента скорости – ньютоновская жидкость. Вязкость уменьшается с увеличением градиента скорости – псевдопластическое вещество. Вязкость уменьшается с увеличением градиента скорости – псевдопластическое вещество. Вязкость увеличивается с увеличением градиента скорости – дилатантное вещество. Вязкость увеличивается с увеличением градиента скорости – дилатантное вещество. Вязкость уменьшается при продолжительном вращении, но после остановки возвращается к исходному значению – тиксотропное вещество (жидкость Бингама). Вязкость уменьшается при продолжительном вращении, но после остановки возвращается к исходному значению – тиксотропное вещество (жидкость Бингама). Вязкость возрастает при продолжительном вращении, но после остановки возвращается к исходному значению – реопексное вещество. Вязкость возрастает при продолжительном вращении, но после остановки возвращается к исходному значению – реопексное вещество.

Нелинейно вязкие жидкости Реологические кривые для ньютоновской (1), псевдопластической (2), дилатантной (3), вязко-пластической (4) жидкостей Реологические кривые для ньютоновской (1), псевдопластической (2), дилатантной (3), вязко-пластической (4) жидкостей

ФОРМУЛА ПУАЗЕЙЛЯ Стационарное (слоями) течение жидкостей называется ламинарным. Рис.2. Распределение скоростей частиц жидкости по сечению трубы.

Характер течение жидкости по трубе зависит от ее поверхности, диаметра D, от свойств жидкости (плотности и вязкости ), ее скорости v. Характер течение жидкости по трубе зависит от ее поверхности, диаметра D, от свойств жидкости (плотности и вязкости ), ее скорости v. Течение с завихрениями при смешивании слоев называется турбулентным. Течение с завихрениями при смешивании слоев называется турбулентным. - число Рейнольдса Если Re > Re крит – движение турбулентное. - кинематическая вязкость (Стокс)

Формула Пуазейля Скорость протекания жидкости по трубе v зависит от разности давлений (Р 1 -Р 2 ) на концах трубы, ее длины L, радиуса R и вязкости жидкости: Скорость протекания жидкости по трубе v зависит от разности давлений (Р 1 -Р 2 ) на концах трубы, ее длины L, радиуса R и вязкости жидкости: - в центре трубы

Объем жидкости, протекающий через поперечное сечение горизонтальной трубы в 1 с: Объем жидкости, протекающий через поперечное сечение горизонтальной трубы в 1 с: - формула Гаагена-Пуазейля - гидравлическое сопротивление Х = Х 1 + Х 2 + Х 3

т.к. то градиент давления больше в трубах меньшего сечения. и Q одинаково,

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ Метод Стокса Метод Стокса

Метод капиллярного вискозиметра

Вискозиметр Гесса (медицинский, ВК–4) Определяет относительную вязкость крови

Метод ротационного вискозиметра Метод ротационного вискозиметра К – постоянная прибора Меняя скорость вращения изменяют градиент скорости, можно выяснить остается ли η постоянной при изменении, а это позволяет классифицировать жидкость. Для больших градиентов используют конусообразный ротор.

РАБОТА И МОЩНОСТЬ СЕРДЦА Работа сил давления А1= FL=PSL=PVуд Кинетическая энергия А2= mυ2/2=ρVудυ2/2 Aл = А1+ А2= PVуд+ ρVудυ2/2 Ап=0,2 Aл ; А= Aл+ Ап=1,2Aл A=1,2 (PVуд+ ρVудυ2/2) Р=13 кПа; Vуд=60 мл =6·10-5 м3; υ=0,5 м/с; ρ=1,05103 кг/м3 A 1 Дж; Продолжительность систолы 0,3с, следовательно, мощность сердца А/t=3,3 Вт.

Модели кровообращения Модель Франка (упругий резервуар) Модель Франка (упругий резервуар) Электрическая модель Электрическая модель Модель с распределенными параметрами Модель с распределенными параметрами

Модель Франка K – эластичность стенок; х 0 – сопротивление периферических сосудов. Зависимость давления в резервуаре после систолы Скорость оттока крови

Зависимость давления от времени за период сокращения

Электрическая модель Модели, содержащие несколько сотен элементов, называют моделями с распределенными параметрами Модели, содержащие несколько сотен элементов, называют моделями с распределенными параметрами

Пульсовая волна уравнение гармонической пульсовой волны Е – модуль упругости; ρ – плотность вещества; h – толщина стенки сосуда; d – диаметр сосуда. Формула Моенса–Кортевега

Заключение: Нами рассмотрены: 1. понятия идеальной и реальной жидкости, а также уравнения, описывающие их поведение; 2. методы измерения вязкости жидкостей. 3. реологические свойства крови. 4. Модели кровообращения (Франка, электрическая модель и модель с распределенными параметрами).

Тест-контроль Наибольший коэффициент вязкости из перечисленных жидкостей имеет: Наибольший коэффициент вязкости из перечисленных жидкостей имеет: 1. вода 2. лимфа 3. кровь 4. плазма.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА Обязательная: Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: учебник. -М.: Дрофа, Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: учебник. -М.: Дрофа, Дополнительная: Федорова В.Н. Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами реабилитологии: учебное пособие. -М.: Физматлит, Федорова В.Н. Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами реабилитологии: учебное пособие. -М.: Физматлит, Антонов В.Ф. Физика и биофизика. Курс лекций: учебное пособие.-М.: ГЭОТАР-Медиа, Антонов В.Ф. Физика и биофизика. Курс лекций: учебное пособие.-М.: ГЭОТАР-Медиа, Богомолов В.М. Общая физиотерапия: учебник. -М.: Медицина, Богомолов В.М. Общая физиотерапия: учебник. -М.: Медицина, Самойлов В.О. Медицинская биофизика: учебник. -СПб.: Спецлит, Самойлов В.О. Медицинская биофизика: учебник. -СПб.: Спецлит, Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике для самост. работы студентов / сост. О.Д. Барцева и др. Красноярск: Литера-принт, Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике для самост. работы студентов / сост. О.Д. Барцева и др. Красноярск: Литера-принт, Сборник задач по медицинской и биологической физике: учебное пособие для самост. работы студентов / сост. О.П.Квашнина и др. -Красноярск: тип.КрасГМА, Сборник задач по медицинской и биологической физике: учебное пособие для самост. работы студентов / сост. О.П.Квашнина и др. -Красноярск: тип.КрасГМА, Физика. Физические методы исследования в биологии и медицине: метод. указания к внеаудит. работе студентов по спец. – педиатрия / сост. О.П.Квашнина и др. -Красноярск: тип.КрасГМУ, Физика. Физические методы исследования в биологии и медицине: метод. указания к внеаудит. работе студентов по спец. – педиатрия / сост. О.П.Квашнина и др. -Красноярск: тип.КрасГМУ, Электронные ресурсы: ЭБС КрасГМУ ЭБС КрасГМУ Ресурсы интернет Ресурсы интернет Электронная медицинская библиотека. Т.4. Физика и биофизика.- М.: Русский врач, Электронная медицинская библиотека. Т.4. Физика и биофизика.- М.: Русский врач, 2004.

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ