Лекции по биофизике. Лекции по биофизике учебнометодическое пособие

• Название: Лекции по биофизике учебнометодическое пособие
• Анкор: Лекции по биофизике.pdf
• Дата: 29.01.2017
• Размер: 1.98 Mb.
• Имя файла: Лекции по биофизике.pdf
• Тип: Лекции; #1098
• страница: 17 из 18

Задачи
1.
Объемная скорость кровотока в сонной артерии диаметром 3 мм составляет
180 мл/мин. Определить линейную скорость движения крови.
2.
Система кровообращения человека обладает минимальным сечением в области аорты, равным примерно 8 см
2
, и максимальным сечением в области капилляров. Определить примерную суммарную площадь сечения капилляров в теле человека и общее их количество, если скорость течения крови уменьшается от 0,4 м/с в аорте до 0,005 м/с в капиллярах. Диаметр капилляра считать равным 10
-5
м. Эластичностью сосудов пренебречь.
3.
Определить скорость движения частичек масла диаметром 2 мкм во время отстаивания молока, если плотность молока 1034 кг/м
3
, а масла 940 кг/ м
3
Вязкость молока считать равной 0,001 Па с.
4.
У человека в покое величина кровотока на 100 г мышц руки равна в среднем 2,5 мл в минуту. Определить количество капилляров в тканях мышц, считая, что длина каждого из них составляет 0,3 мм, а диаметр 10 мкм. Разность давлений на концах капилляров принять равной 33,3 гПа.
5.
Определить кинетическую энергию минутного объема крови, протекающей со скоростью 0,4 м/с через артерию диаметром 3 мм.

155 6.
При водолечении струя воды диаметром 1,5 см со скоростью 15 м/с направляется на поверхность тела больного, расположенную перпендикулярно струе. Определить действующую на человека силу, считая скорость частиц после удара о тело равной нулю.
7.
По межреберной артерии, образующей дугу радиуса R в горизонтальной плоскости, движется кровь со скоростью v. Диаметр артерии d
R. Найти дополнительное боковое давление, обусловленное движением крови в артерии.
8.
При нормальной работе сердца человека объем желудочка изменяется от 85 см
3
в начале систолы до 25 см
3
в конце ее. Определить силу, развиваемую желудочком в начале систолы (р = 9,33 кПа) и в конце ее (р = 15,9 кПа), если его внутренняя поверхность уменьшается от 93,7 до 41,2 см
2
. Форму желудочка считать сферической.
9.
Определить, сколько процентов от суточного расхода энергии человека
(11500 кДж) затрачивается сердцем на перемещение крови при частоте пульса 70 уд/мин, учитывая, что среднее давление в левом желудочке равно
12 кПа, а в правом в шесть раз меньше. Количество крови, выбрасываемое каждым желудочком, считать равным 60 мл, а скорость кровотока в обоих случаях 0,4 м/с.
10.
Определить работу сердца человека в покое при одном сокращении и его мощность, если среднее давление, при котором кровь выбрасывается в аорту левым желудочком, равно 133,3 гПа, ударный объем 60 мл, скорость крови в аорте 0,5 м/с. Работа правого желудочка составляет примерно 0,2 работы левого желудочка, а время их сокращения 0,3 с.
Ответы на задачи
1.
0,4 м/с.
2.
6,4
.
10
3
см
2
; 8
.
10
8
/
3.
2
.
10
-7
м/с.
4.
7,6
.
10
4
.
5.
0,014 Дж.
6.
39,8 Н.
7.
Р =
R
dv
4 2
.
8.
. 87 Н, 67 Н.
9.
0,76 %.
10.
1 Дж; 3,3 Вт.

156
XII.БИОФИЗИКА ДЫХАНИЯ
Введение
Весь процесс дыхания можно подразделить на внешнее дыхание и газообмен крови в легких. Предметом биомеханики дыхания является рассмотрение параметров внешнего дыхания и зависимость изменения внутрилегочного давления от объема.
Легочная ткань, выполняющая функцию газообмена крови, находится в грудной клетке и отделена от нее межплевральной щелью, заполненной жидкостью. Наличие в этой щели отрицательного давления заставляет легкие следовать за грудной клеткой, а с другой стороны, предохраняет от повреждения ребрами легочную ткань.
Акт вдоха начинается с сокращение межреберных наружных мышц, отводящих грудную клетку вниз и наружу. В результате увеличения объема грудной клетки, и естественно легких, давление в них становится ниже атмосферного, и воздух поступает внутрь. При выдохе, который при спокойном дыхании является пассивным, расслабление межреберных мышц приводит к спаданию грудной клетки, уменьшению ее объема и превышению внутрилегочного давления над атмосферным – происходит выдох.
При физической нагрузке, гипоксии и т.п., требующие ускорения и учащения дыхания, в акте вдоха и выдоха начинают принимать участие большее количество мышечных структур – внутренние косые межреберные мышцы, диафрагма, мышцы спины и др.
Основные объемы и емкости легкого
Объемы и емкости легкого анализируются с помощью спирометрии.
Испытуемый через расходомер вдыхает или выдыхает воздух, величина которого и регистрируется (Рис. 36).
Рис. 36. Основные объемы и емкости легкого
1 – ОЕЛ
2 – ЖЕЛ
3 – ОО
4 – резервный объем вдоха
5 – ДО
6 – резервный объем выдоха
7 – объем вдоха
8 – объем выдоха обозначения в тексте

157
Дыхательный объем- регистрируется в состоянии спокойного дыхания
(12-17 раз в минуту) и равен у человека 500-600 мл воздуха;
Резервный объем вдоха – дополнительный вдох на уровне спокойного вдоха. Равен у человека 1000-1500 мл воздуха
Резервный объем выдоха – дополнительный выдох на уровне спокойного выдоха. Равен у человека 1000-1500 мл воздуха
Эти три объема составляют жизненную емкость легких (ЖЕЛ).
Регистрируется размахом амплитуды максимального вдоха и выдоха (у человека равна 3000-4500 мл воздуха). Ее оценка имеет важное диагностическое значение и сравнивается с помощью таблиц с нормальными показателями, меняющимися в зависимости от роста веса, пола, возраста.
В легких после самого глубокого выдоха остаются остаточный объем
(ОО) величиной 500-800 мл. Вместе с ЖЭЛ ОО составляет общую емкость
легких (ОЕЛ).
В свою очередь: объем выдоха складывается из суммы резервного
объема выдоха и дыхательного объема; объем вдоха складывается из суммы
резервного объема вдоха и дыхательного объема;
Кроме выше перечисленных статических характеристик объема легких очень важное диагностическое значение имеет такой показатель как
форсированная жизненная емкость легких (ФЖЕЛ) – величина объема воздуха проходящего через дыхательные пути за 1 сек
В норме показатель ФЖЕЛ должен составлять 80-90% от ЖЕЛ.
Обструктивные изменения дыхательных путей, например при бронхите, приводят к его снижению, тогда как остальные показатели могут быть без изменений.
Деструктивные изменения легких, касающиеся всей легочной ткани, сопровождаются одномоментным снижением всех объемов и емкостей легких, тогда как ФЖЭЛ может не изменяться.
Основной уравнение биомеханики дыхания. Уравнение Родера
Согласно уравнению Родера, изменение давление в зависимости от объема P(V) в процессе дыхания складывается из нескольких компонент:
1. Эластическое сопротивление дыханию – f
1
(V)
.
2. Неэластическое сопротивление дыханию – f
2
(V
I
).
3. Инерционная компонента – f
3
(V
II
).
Итого:
)
(
)
(
)
(
)
(
3 2
1
V
f
V
f
V
f
V
P
1. Эластическая компонента сопротивления дыханию отображает закон
Гука:
V
C
V
f
V
P
1
)
(
)
(
1

158
Причем необходимо учитывать вклад в эластичность (упругость) как грудной клетки (С
Т
), так и ткани легкого (С
L
):
T
L
C
C
V
C
V
f
V
P
1 1
1
)
(
)
(
1
Растяжимость, как грудной клетки, так и ткани легкого сравнима:
С
Т
= С
L
= 0,2 л/см вод. ст.
Роль сурфоктанта в эластическом сопротивлении дыханию. Тем не менее, зависимость Р от V не линейная, как должно быть по закону Гука.
Причина в том, что в альвеолярной жидкости присутствует сурфоктант –
вещество, способное уменьшить поверхностную энергию. Он стремятся на поверхность, образуя поверхностную пленку и, поэтому относится к поверхностно-активным веществам. Альвеолу можно представить в виде полусферы, образованной упругой пленкой. При этом давление Р, требуемое для раздувания ее стенки до определенного объема, будет зависеть от радиуса кривизны поверхности (r) и величины поверхностного натяжения
( ).
Данные значения связаны уравнением Лапласа:
2 /
P
r
Отсюда следует: чем меньше радиус альвеолы, тем более высокое давление требуется для предотвращения ее полного коллапса.
При сжатии или растяжении альвеол величина поверхностного монослоя изменяется. В зависимости от этого варьирует и поверхностное натяжение.
Чем больше сжимается пленка (повышается концентрация молекул в расчете на единицу площади поверхности), тем больше падает поверхностное натяжение м, тем выше становится поверхностное давление.
Находящейся на поверхности альвеол монослой сурфоктанта, при вдохе сокращает свою поверхность. Поверхностное давление в монослое нарастает и препятствует спаданию альвеол даже при глубоком выдохе.
Иногда у новорожденных в легких имеет место недостаточность продукции сурфоктанта и тогда развивается картина легочной недостаточности. По- видимому, именно вклад поверхностно активных свойств сурфоктанта превращает зависимость Р от V в петлю гистерезиса (Рис. 37).

159
Рис.
37.
Зависимость
поверхностного давления Р
от объема альвеолы V
Во всяком случае, заполнение легких жидкостью (удаление поверхностно-активных свойств сурфоктанта) эту петлю резко изменяет
(Рис. 37).
2. Неэластическое сопротивление дыханию отражает динамическую
(скоростную) характеристику прохождения воздуха через воздухоносные пути. Производная по объему отражает эти изменения:
2 2
1 1
)
(
)
(
V
K
V
K
V
f
K
1
- сопротивление воздуха при его ламинарном движении по воздухоносным путям и оно равно:
4 1
8
R
l
K
K
2
- сопротивление воздуха при его турбулентном движении по воздухоносным путям, и оно равно:
5 2
2 4
R
fl
K
,
где: f – коэффициент трения, определяющейся числом Рейнольдса:
кр
e
v
R
R
2 3. Инерционная
компонента
дыхания характеризует влияние инерционных свойств ткани легких (I) на процесс дыхания. Отражает зависимость от ускорения (вторая производная скорости) изменения объема дыхания.
V
I
V
f
)
(
3
Вклад инерционной компоненты дыхания в общее уравнение Родера меньше всего и часто им пренебрегают при различных расчетах.

160
В процессе дыхания давление в легких складывается из трех составляющих:
клетки
гр
легких
газов
P
P
P
P
В свою очередь, атмосферное (Р
атм
), плевральное (Р
плев
) и альвеолярное
(Р
альв
) давления рассчитываются:
клетки
гр
эл
плев
атм
P
P
P
альв
плев
эл.легких
P
P
Р
легких
эл
альв
плев
P
P
P
Как видно, общая суммаатмосферного, плеврального и альвеолярного давлений равно нулю, так как в акте вдоха и выдоха они участвуют поочередно, замещая друг друга.
Работа дыхания
Работа дыхания направлена на преодоление эластического и неэластического сопротивления дыханию. Петля гистерезиса ограничивает площадь фигуры, которая и является работой дыхания:
PdV
A
,
где: P-изменение давления по преодолению сопротивления дыханию, V- изменение объема при этом процессе.
В состоянии покоя работа описывается площадью фигуры под петлей гистерезиса (
Рис. 38), где:
SАСD –работа по преодолению эластического сопротивления дыханию,
SАВС -работа по преодолению неэластического сопротивления дыханию,
SАЕС работа выдоха, размер которой всегда меньше работы вдоха, и в состоянии покоя является его составляющей.

161
Рис. 38. Зависимость изменения
объема легких от изменения
давлении
по
преодолению
сопротивления дыханию
При форсированном дыхании работа выдоха, как и вдоха, резко возрастает и превышает работу вдоха. В этих условиях составляющая выдоха требует дополнительных энергозатрат по преодолению неэластического сопротивления дыханию.
Тест–задания по разделам XI – XII
1.
Систола включает следующие фазы (периоды):
A.
Изометрическое сокращение
B.
Изометрическое расслабление
C.
Быстрое наполнение
D.
Протосфигмический интервал
E.
Протодиастолический интервал
F.
Максимальное изгнание
G.
Редуцированное изгнание
2.
Диастола включает следующие фазы (периоды):
A.
Изометрическое сокращение
B.
Изометрическое расслабление
C.
Быстрое наполнение
D.
Протосфигмический интервал
E.
Протодиастолический интервал
F.
Максимальное изгнание
G.
Редуцированное изгнание
3.
Основной выброс крови происходит в фазу:
A.
Изометрическое сокращение
B.
Изометрическое расслабление
C.
Быстрое наполнение
D.
Протосфигмический интервал
E.
Протодиастолический интервал
F.
Максимальное изгнание
G.
Редуцированное изгнание
4.
Основной спад давления крови происходит на уровне:
A.
Аорты и крупных артерий
B.
Мелких артерий и артериол
C.
Капилляров

162
D.
Венул и вен
5.
Напряжение сдвига крови – это:
A.
Скорость тока крови
B.
Сила давления на стенку сосуда
C.
Сила, направленная параллельно стенке сосуда
6.
Следствием закона Бернулли для кровеносных сосудов является следующее:
A.
С увеличением скорости кровотока давление снижается
B.
С увеличением скорости кровотока давление увеличивается
C.
С увеличением скорости кровотока давление не изменяется
D.
С увеличением давления крови скорость кровотока снижается
E.
С увеличением давления крови скорость кровотока увеличивается
7.
Кровь можно рассматривать как однородную жидкость:
A.
В сосудах диаметром свыше 300 мкм
B.
В сосудах диаметром от 15 до 300 мкм
C.
В сосудах диаметром менее 15 мкм
8.
Число Рейнольдса характеризует:
A.
Давление, при котором течение крови становится турбулентным
B.
Скорость кровотока, при которой течение крови становится турбулентным
C.
Давление, при котором движение крови по сосудам прекращается
9.
Жизненная емкость легких включает:
A.
Резервный объем вдоха
B.
Дыхательный объем
C.
Резервный объем выдоха
D.
Остаточный объем
10.
Функциональная остаточная емкость включает:
A.
Остаточный объем
B.
Дыхательный объем
C.
Резервный объем выдоха
11.
Спирографический метод позволяет определить:
A.
Жизненную емкость легких
B.
Общую емкость легких
C.
Остаточный объем
D.
Дыхательный объем
12.
Спирографический метод позволяет выявить:
A.
Рестриктивные нарушения функции внешнего дыхания
B.
Обструктивные нарушения функции внешнего дыхания
C.
Любые нарушения функции внешнего дыхания
13.
Пневмотахографический метод позволяет выявить:
A.
Рестриктивные нарушения функции внешнего дыхания
B.
Обструктивные нарушения функции внешнего дыхания
C.
Любые нарушения функции внешнего дыхания
14.
При стандартных температуре и давлении величины легочных объемов представляются в системе:
A.
ATPS
B.
STPD

163
C.
BTPS
15.
При температуре тела человека величины легочных объемов представляются в системе:
A.
ATPS
B.
STPD
C.
BTPS
16.
Максимальная скорость выдоха отмечается:
A.
В начальную фазу выдоха
B.
В завершающую фазу выдоха
C.
На всем протяжении выдоха
17.
Должные значения параметров внешнего дыхания рассчитываются с учетом:
A.
Роста
B.
Массы тела
C.
Температуры тела
D.
Возраста
E.
Пола
F.
Диагноза
18.
«Петля гистерезиса» характеризует зависимость:
A.
Скорости выдоха от давления
B.
Объема легких от давления
C.
Скорости выдоха от объема легких
19.
Явление гистерезиса связанно с:
A.
Повышенной растяжимостью легких
B.
Поверхностным натяжением в альвеолах
C.
Свойствами сурфактанта
20.
Укажите виды сопротивления дыханию:
A.
Эластическое
B.
Неэластическое
C.
Гидродинамическое
D.
Аэродинамическое
E.
Реактивное
Правильные варианты ответов
1.
A, D, F, G
2.
B, C
3.
F
4.
B
5.
C
6.
A, D
7.
A
8.
B
9.
A, B, C
10.
A, C
11.
A, D
12.
A
13.
B
14.
B
15.
C
16.
A
17.
A, D, E
18.
B
19.
C
20.
A, B, D

164
XIII. БИОФИЗИКА ВСАСЫВАНИЯ И ВЫДЕЛЕНИЯ
Введение
Рассмотренная в VII разделе транспортная роль биологических мембран, обеспечивающая сопряжение и регуляцию потоков веществ и энергии, не будет полной без представления их трансцеллюлярных особенностей. Основным примером такого вида транспорта является почечный эпителий. После клубочковой фильтрации в процессе прохождения по нефрону состав мочи претерпевает значительные изменения, так как остаются лишь остаточные следы одних веществ и многократно возрастающая концентрация – других.
Наличие целого комплекса систем, согласованно функционирующих ради сохранения одних веществ (необходимых для жизнедеятельности) и удаления других (представляющих угрозу в определенных концентрациях) требует более детального рассмотрения.
В клетках почки осуществляется, по крайней мере, 2 вида трансцеллюлярного транспорта:
1.Реабсорбция – из просвета почечных канальцев в кровь.
2.Секреция – из крови в просвет почечных канальцев.
Кроме того, почечный эпителий сам способен синтезировать и затем секретировать ряд веществ в кровь или в просвет почечных канальцев. Эти особенности, к тому же, превалируют в разных разделах почечного нефрона: проксимального отдела, петли Генли и дистального отдела.
Нарушение трансцеллюлярного и мембранного транспорта в почках ведет к возникновению различного типа дисфункций и патологий на уровне общего обмена в организме.