- •93 Жидкие среды организма
- •Классификация жидких сред
- •Закономерности движения вязких жидкостей
- •Уравнение неразрывности
- •Уравнение пуазейля
- •Турбулентное течение вязкой жидкости
- •Биофизика кровообращения
- •Реологические свойства крови
- •Биомеханика сокращения сердца
- •Движение крови по сосудистой системе
- •Распределение кровяного давления по сосудистой системе
- •Биофизика транскапиллярного обмена
Закономерности движения вязких жидкостей
Рис. 67 При турбулентном (вихревом) течении в потоке движущейся жидкости образуются завихрения (см. рис. 67). Поскольку при этом происходит колебание жидкости, такое течение сопровождается звуковыми явлениями - турбулентными шумами.
Уравнение неразрывности
Для движения вязкой жидкости в замкнутой системе справедливо уравнение неразрывности потока. Рассмотрим течение в сосуде переменного сечения (см. рис.68). В дальнейшем мы будем анализировать движение жидких сред в цилиндрических сосудах, поскольку такую форму имеют кровеносные сосуды. Пусть в сечении S1 действует давление Р1 а в сечении S2 - давление Р2. Для определенности будем считать, что Р1 > Р2 и поэтому жидкость будет перемещаться в направлении, указанное стрелкой.
dV1 = S1dX1 и dV2 = S2dX 2,
где dX1 и dX2 - расстояния, на которое переместится жидкость в
Рис. 68 каждом сечении за время dt. Так как жидкость несжимаема, ее объем между сечениями не изменяется, и поэтому dV1 = dV2. Поделим обе части этого равенства на время dt:
dV1 /dt = dV2/dt или (S1 dX1)/dt = (S2 dX 2)/dt
Отношения dX1/dt = W1 и dX 2/dt = W2 представляют собой средние скорости течения жидкости в соответствующих сечениях. Поэтому S1 W1= S2 W2. В связи с тем, что сечения были выбраны произвольно, полученное уравнение неразрывности имеет следующий вид: S1 W1 = S2 W2 = S3 W3 = ... = Sn Wn = const. Другими словами, произведение площади сечения сосуда на среднюю скорость жидкости есть величина постоянная и не зависит от сечения. Из этого равенства следует важный вывод: средняя скорость ламинарного потока обратно пропорциональна площади поперечного сечения W = const/S = Q/S.
Объем жидкости, протекающий в единицу времени через поперечное сечение dV/dt = SW = Q называется интенсивностью потока или объемной скоростью. Для описания работы сердца используется величина, которая называется минутным объмом, - количество крови, которое сердце перекачивает за 1 минуту. По сути дела эта важная характеристика кровообращения также является интенсивностью кровотока.
Уравнение пуазейля
Уравнение Пуазейля описывает объемную скорость потока жидкости в зависимости от ее свойств, геометрических параметров сосуда и величины действующего давления. Пусть по некоторой цилиндрической трубе с радиусом r протекает жидкость с коэффициентом вязкости (см. рис. 69).
Рассмотрим два сечения сосуда, удаленные на расстояние L. Если в первом сечении действует давление Р1 , а во втором - Р2 (для определенности Р1 > Р2), уравнение Пуазейля утверждает, что интенсивность потока жидкости, протекающей через сосуд будет
равна:
Q = (P1 - P2)R = P/R,
R = L/ r4
С учетом этого равенства интенсивность потока:
Q = (P1 - P2) r4 /8 L
Рис. 69 Обращает внимание очень сильная зависимость объемной скорости от радиуса сосуда, по которому протекает жидкость. Поскольку радиус входит в четвертой степени, его уменьшение резко сокращает интенсивность потока.