Биомеханика внешнего дыхания. Работу выполнила Лукашевич Ксения 13604/1

Газообмен. Газообмен между альвеолярной газовой смесью и атмосферным воздухом, обеспечивающий эффективную диффузию кислорода и углекислого газа через альвеолокапиллярную мембрану, осуществляется благодаря работе аппарата вентиляции, который состоит из двух анатомо физиологических образований: грудной клетки с дыхательными мышцами и легких с дыхательными путями. Газообмен между альвеолярной газовой смесью и атмосферным воздухом, обеспечивающий эффективную диффузию кислорода и углекислого газа через альвеолокапиллярную мембрану, осуществляется благодаря работе аппарата вентиляции, который состоит из двух анатомо физиологических образований: грудной клетки с дыхательными мышцами и легких с дыхательными путями. Грудная клетка представляет собой жесткий подвижный футляр для легких, сердца и сосудов, обладающий упругостью. Грудная клетка активно изменяет свой объем посредством сокращения диафрагмы и других дыхательных мышц. При сокращении диафрагмы увеличивается объем грудной клетки, а вслед за нею и легких. По закону Бойля- Мариотта (p*v=const), увеличение объема легких сопровождается понижением давления внутри них. Оно становится ниже атмосферного, и воздух засасывается внутрь легких (в альвеолы). Так совершается вдох. Грудная клетка представляет собой жесткий подвижный футляр для легких, сердца и сосудов, обладающий упругостью. Грудная клетка активно изменяет свой объем посредством сокращения диафрагмы и других дыхательных мышц. При сокращении диафрагмы увеличивается объем грудной клетки, а вслед за нею и легких. По закону Бойля- Мариотта (p*v=const), увеличение объема легких сопровождается понижением давления внутри них. Оно становится ниже атмосферного, и воздух засасывается внутрь легких (в альвеолы). Так совершается вдох.

Вдох. При вдохе воздух поступает в трахею и затем по бронхам достигает альвеол. Все дыхательные пути в совокупности составляют разветвленную дыхательную трубку. В ней рассчитывают суммарные поперечные сечения каждой генерации бронхов. При вдохе воздух поступает в трахею и затем по бронхам достигает альвеол. Все дыхательные пути в совокупности составляют разветвленную дыхательную трубку. В ней рассчитывают суммарные поперечные сечения каждой генерации бронхов. При сплошном потоке воздуха по воздухоносным путям в физиологических условиях он не сжимается, и поэтому выполняется условие неразрывности струи: при сплошном течении несжимаемой среды через любое сечение струи в единицу времени переносятся одинаковые объемы перемещаемой среды. Применительно к разветвленной дыхательной трубке это означает, что величина Q=V/t (объемная скорость воздушного потока) одинакова во всех ее суммарных поперечных сечениях. Между объемной (Q) и линейной (v) скоростями воздушного потока установлена следующая зависимость: Q= s*v, где s-площадь суммарного сечения данной генерации бронхов. Отсюда следует вывод, что линейная скорость воздушного потока неодинакова в разных местах разветвленной дыхательной трубки. При спокойном дыхании глубина вдоха на 70-80% обеспечивается сокращением диафрагмы, а на 20-30% - сокращением наружных межреберных мышц. При сплошном потоке воздуха по воздухоносным путям в физиологических условиях он не сжимается, и поэтому выполняется условие неразрывности струи: при сплошном течении несжимаемой среды через любое сечение струи в единицу времени переносятся одинаковые объемы перемещаемой среды. Применительно к разветвленной дыхательной трубке это означает, что величина Q=V/t (объемная скорость воздушного потока) одинакова во всех ее суммарных поперечных сечениях. Между объемной (Q) и линейной (v) скоростями воздушного потока установлена следующая зависимость: Q= s*v, где s-площадь суммарного сечения данной генерации бронхов. Отсюда следует вывод, что линейная скорость воздушного потока неодинакова в разных местах разветвленной дыхательной трубки. При спокойном дыхании глубина вдоха на 70-80% обеспечивается сокращением диафрагмы, а на 20-30% - сокращением наружных межреберных мышц.

Схема разветвленной дыхательной трубки.

Выдох. В форсированный выдох наибольший вклад вносят внутренние межреберные мышцы и мышцы живота (брюшной пресс). При спокойном дыхании сокращение дыхательных мышц обеспечивает только вдох, а выдох совершается пассивно – за счет возникновения (при вдохе) силы упругости как в легких, так и в тканях грудной клетки. В форсированный выдох наибольший вклад вносят внутренние межреберные мышцы и мышцы живота (брюшной пресс). При спокойном дыхании сокращение дыхательных мышц обеспечивает только вдох, а выдох совершается пассивно – за счет возникновения (при вдохе) силы упругости как в легких, так и в тканях грудной клетки.

Схема процессов, обеспечивающих вентиляцию легких. - Акт вдоха: поступление нервного импульса к дыхательным мышцам; синаптическая (нервно-мышечная) передача; сокращение дыхательных мышц; увеличение объема грудной полости; увеличение объема легких; снижение давления в легких (по закону Бойля-Мариотта); всасывание воздуха из атмосферы в легкие. - Акт выдоха: расслабление дыхательных мышц (вслед за сокращением при вдохе); уменьшение объема грудной полости; уменьшение объема легких; повышение давления в легких (по закону Бойля-Мариотта); выдавливание воздуха из легких в атмосферу.

ЭТЛ. Сила упругости в легких, которая заставляет их спадаться на выдохе, называется эластической тягой легких (ЭТЛ). Она имеет два основных компонента: во-первых, тканям легких присущи упругие свойства, во- вторых, сила поверхностного натяжения. Сила упругости в легких, которая заставляет их спадаться на выдохе, называется эластической тягой легких (ЭТЛ). Она имеет два основных компонента: во-первых, тканям легких присущи упругие свойства, во- вторых, сила поверхностного натяжения. Сила поверхностного натяжения, возникающая на границе между альвеолярной газовой смесью и внутренней поверхностью альвеол. Давление (p), создаваемое поверхностным натяжением, вычисляют по формуле Лапласа: p=2δ/r, где r- радиус альвеолы; δ – коэффициент поверхностного натяжения. Сила поверхностного натяжения, возникающая на границе между альвеолярной газовой смесью и внутренней поверхностью альвеол. Давление (p), создаваемое поверхностным натяжением, вычисляют по формуле Лапласа: p=2δ/r, где r- радиус альвеолы; δ – коэффициент поверхностного натяжения. Под действием этого давления газы, находящиеся в альвеоле и сжимаемые им, стремятся покинуть ее и выйти через дыхательные пути наружу. Давление достигает на вдохе 800Па. Им обеспечивается от 50 до 70% всей энергии вдоха. Вторая часть приходится на силу упругости, развивающуюся при деформации легочной паренхимы, воздухоносных путей и тканей грудной клетки. Под действием этого давления газы, находящиеся в альвеоле и сжимаемые им, стремятся покинуть ее и выйти через дыхательные пути наружу. Давление достигает на вдохе 800Па. Им обеспечивается от 50 до 70% всей энергии вдоха. Вторая часть приходится на силу упругости, развивающуюся при деформации легочной паренхимы, воздухоносных путей и тканей грудной клетки.

Сила упругости. Зависимость силы упругости, возникающей при деформациях легочной паренхимы и стенок воздухоносных путей, от величины деформации описывается линейными функциями. Упругость обусловлена преимущественно эластическими волокнами, растягивающимися в легочной паренхиме при дыхании (на вдохе). При этом коллагеновые волокна, уложенные волнообразно, только распрямляются, но не растягиваются. Их миссия состоит в обеспечении прочности. Легкие ведут себя как тела, обладающие пластичностью. Зависимость силы упругости, возникающей при деформациях легочной паренхимы и стенок воздухоносных путей, от величины деформации описывается линейными функциями. Упругость обусловлена преимущественно эластическими волокнами, растягивающимися в легочной паренхиме при дыхании (на вдохе). При этом коллагеновые волокна, уложенные волнообразно, только распрямляются, но не растягиваются. Их миссия состоит в обеспечении прочности. Легкие ведут себя как тела, обладающие пластичностью.

Энергия. Энергия сокращающихся мышц затрачивается не только на преодоление эластического сопротивления грудной клетки и легких. За счет этой энергии преодолевается сопротивление дыхательных путей движению воздуха по ним. При спокойном дыхании в бронхах преобладает ламинарный воздушный поток. Когда легочная вентиляция усиливается (например, во время физической работы) или возникает спазм бронхов, движение воздуха может стать турбулентным. Это ведет к усилению затрат энергии, связанных с дыхательными движениями. Энергия сокращающихся мышц затрачивается не только на преодоление эластического сопротивления грудной клетки и легких. За счет этой энергии преодолевается сопротивление дыхательных путей движению воздуха по ним. При спокойном дыхании в бронхах преобладает ламинарный воздушный поток. Когда легочная вентиляция усиливается (например, во время физической работы) или возникает спазм бронхов, движение воздуха может стать турбулентным. Это ведет к усилению затрат энергии, связанных с дыхательными движениями. Энергия, затрачиваемая дыхательной мускулатурой на осуществление спокойного дыхания, ежеминутно составляет 2-3,5Дж, причем 70% этой энергии расходуется на преодоление эластического сопротивления грудной клетки и легочной ткани, а 30% идут на совершение работы по перемещению воздуха против сил трения. Благодаря работе дыхательных мышц преодолевается легочный резистанс, т.е сопротивление воздухоносных путей колебаниям потока воздуха в них. Величина, обратная легочному резистансу, называется растяжимостью (комплансом). Энергия, затрачиваемая дыхательной мускулатурой на осуществление спокойного дыхания, ежеминутно составляет 2-3,5Дж, причем 70% этой энергии расходуется на преодоление эластического сопротивления грудной клетки и легочной ткани, а 30% идут на совершение работы по перемещению воздуха против сил трения. Благодаря работе дыхательных мышц преодолевается легочный резистанс, т.е сопротивление воздухоносных путей колебаниям потока воздуха в них. Величина, обратная легочному резистансу, называется растяжимостью (комплансом).

Затраты энергии на преодоление эластического сопротивления органов дыхания почти не зависят от скорости движения воздуха, а значит, и от частоты дыхания. Они определяются объемом воздуха, поступающего в легкие при вдохе, т.е глубиной дыхания. Затраты энергии на преодоление эластического сопротивления органов дыхания почти не зависят от скорости движения воздуха, а значит, и от частоты дыхания. Они определяются объемом воздуха, поступающего в легкие при вдохе, т.е глубиной дыхания. В условиях физического покоя глубина дыхания (дыхательный объем) составляет 0,5 л, а частота – мин^-1. произведение глубины дыхания на его частоту (а расчете на 1 мин) определяет минутный объем дыхания (МОД). При спокойном дыхании он составляет 6-8 л*мин^-1, а при тяжелой физической нагрузке увеличивается более чем до 100 л*мин^-1 благодаря углублению и учащению дыхания. В условиях физического покоя глубина дыхания (дыхательный объем) составляет 0,5 л, а частота – мин^-1. произведение глубины дыхания на его частоту (а расчете на 1 мин) определяет минутный объем дыхания (МОД). При спокойном дыхании он составляет 6-8 л*мин^-1, а при тяжелой физической нагрузке увеличивается более чем до 100 л*мин^-1 благодаря углублению и учащению дыхания.

Используемая литература. В.О. Самойлов. Учебник для ВУЗов «Медицинская биофизика». В.О. Самойлов. Учебник для ВУЗов «Медицинская биофизика».

Спасибо за внимание!