Свойства ультразвуковых волн

1. Ультразвук активно поглощается воздушной средой. На расстоянии 12 см интенсивность ультразвуковой волны в воздухе уменьшается в 10 раз (в воде расстояние больше почти в 3000 раз).

2. Скорость распространения ультразвука зависит как от среды, в которой он распространяется, так и от состояния этой среды (температуры, давления, влажности и др.). Например, в воздухе =330 м/с, в воде и мягких тканях =1500 м/с, в костных тканях около 3370 м/с.

3. Ультразвук активно отражается от границы раздела сред с разным акустическим сопротивлением. Так на границе воздух - вода отражается более 90% ультразвуковой энергии.

4. Ультразвуковая волна обладает достаточно большой энергией, которая зависит от частоты, поэтому при распространении ультразвука в различных средах могут наблюдаться механические разрушения и значительный тепловой эффект.

5. Распространение ультразвука в жидкостях и газах сопровождается такими явлениями как осаждение суспензий, коагуляция аэрозолей, катализ химических реакций, кавитация.

Кавитация - это образование и схлопывание микро пузырьков - в местах максимального давления ультразвуковых стоячих волн. В жидкостях явление кавитации сопровождается так же слабым свечением, хемилюминесценцией, усилением растворимости газов и др.

Перечисленные выше свойства ультразвуковых волн и легли в основу использования ультразвука в медицине.

- Сильное поглощение ультразвука в воздухе делает его практически безвредным для персонала. Для воздействия на больного необходимо исключить воздушную прослойку между излучателем и телом. Это достигается использованием звукопроводящих паст.

- Различие в скорости распространения и активное отражение от границы раздела двух сред используется в методах ультразвуковой диагностики внутренних органов.

-Энергия, которую несут ультразвуковые волны, используется в хирургии для разрушения злокачественных образований, сверления зубов, резки и сварки костей, для уничтожения вирусов, бактерий, грибков.

-При малых интенсивностях ультразвук, повышает проницаемость клеточных мембран, усиливает процессы тканевого обмена, вызывает благоприятные структурные перестройки в тканях, что используется в ультразвуковой терапии.

-Осаждение суспензий, коагуляция аэрозолей, катализ под действием ультразвука используются в фармакопеи.

Основы гемодинамики.

10). Идеальной называется жидкость, не обладающая внутренним трением и несжимаемая. К такой жидкости по своим свойствам близок гелий при сверхнизких температурах.

Для идеальной жидкости при стационарном течении скорости течения обратно пропорциональны площадям поперечного сечения.

₁/₂ =S₂/S₁ S = const=Q -Это уравнение неразрывности струи.

Q-объемная скорость течения жидкости равна объему жидкости протекающей в единицу времени через данное сечение трубы, т.к. жидкость не сжимаема, то согласно данному закону через любое сечение трубы в единицу времени протекают одинаковые объемы жидкости. Уравнение неразрывности струи исходит из уравнения изменения массы вещества.

11). Реальная жидкость – при их движении возникает внутреннее трение, мало сжимаемы.

Вязкость жидкости – это свойство жидкости оказывать сопротивление одной ее части при перемещении относительно другой.

Течение реальной жидкости происходит под давлением в трубе постоянного сечения. Для этого представим, что жидкость состоит из тонких скользящих друг относительно друга слоев и поскольку давление везде одинаково, то можно предположить, что и скорость движения слоев будет одинакова. Однако опыт показывает, что скорость слоев усиливается к центру и по мере приближения к стенке, скорость падает. Такое течение жидкости вызвано ее вязкостью. Вязкость обусловлена:

- межмолекулярным взаимодействием жидкости;

- перемещение молекул жидкости из одного слоя в другой и за счет этого передача кинетической энергии.

12). Уравнение Ньютона: Силы внутреннего трения зависят от природы жидкости, так как молекулы различных жидкостей находятся на различных расстояниях и имеют различную скорость, а следовательно и кинетическую энергию. Эта зависимость учитывается коэффициентом вязкости - . Таким образом, силы внутреннего трения зависят от природы жидкости, прямо пропорциональны градиенту скорости и площади соприкасающихся слоёв.

Fтр = nS

S – площадь соприкосновения слоев

– градиент скорости (показывает, как быстро меняется скорость при переходе от слоя к слою в направление перпендикулярного движения слоев).

n – динамическая вязкость жидкости.

Динамическая вязкость – это свойство жидкости, характеризующее их сопротивление сдвигу или скольжению.

Коэффициентом вязкости называют величину численно равную силе трения при площади соприкосновения слоев и градиенте скорости.

Единица измерения коэффициента вязкости является Па*с, внесистемная единица – Пуаз (1 Па*с = 10 Пуаз).

Коэффициент вязкости зависит не только от природы жидкости, но и от температуры, с повышением температуры коэффициент уменьшается и связан с тем, что увеличивается расстояние между молекулами, а силы взаимодействия ослабляются.

13). Согласно закону стокса, при движении шарика в вязкой жидкости с небольшой скоростью, когда нет вихрей. Стокс установил, что на небольшое тело шаровидной формы, перемещающееся в жидкости, действует сила трения, прямо пропорциональная радиусу этого тела, его скорости и коэффициенту вязкости жидкости. F_с = 6 r

r – радиус шарика

 - скорость его движения

 - вязкость жидкости

На движущийся шарик будут действовать три силы:

1. Сила тяжести Р =mg, направленная вертикально вниз.

2. Выталкивающая сила F_в , направленная вертикально вверх.

3. Сила сопротивления F_с, направленная также вертикально вверх.

P = r³g Fв = r³₀g

 - плотность вещества шарика

0 – плотность жидкости

Сила тяжести и выталкивающая сила постоянны по модулю, сила сопротивления прямо пропорциональна скорости. При движении шарика в жидкости наступает момент, когда все 3 силы уравновешиваются, и шарик начинает двигаться равномерно:

P = Fв + Fс или r³g = r³₀g + 6 r, откуда  =

При использовании данного метода следует исключить тормозящее действие на шарик со стороны неподвижных слоев жидкости, находящихся около стенок сосуда. Для этого необходимо, чтобы диаметр сосуда с жидкостью был значительно больше диаметра шарика. Метод стокса прост и не требует специального сложного оборудования, однако его применение в медицинских исследованиях ограничено, т.к. для него необходимы большие количества исследуемой жидкости.

14). Медицинский вискозиметр используется для определения вязкости крови. Принцип его действия основан на том, что скорости продвижения жидкостей в капиллярах с одинаковыми сечениями при равных температурах и давлениях зависят от вязкости этих жидкостей. Из формулы Пуазейля следует, что объемы жидкостей, протекающих за равные промежутки времени по одинаковым капиллярам, обратно пропорциональны вязкостям этих жидкостей, следовательно: = = =

Медицинский вискозиметр состоит из двух одинаковых градуированных капилляров А1 и А2. В капилляр А1 набирают определенный объем дистиллированной воды и перекрывают кран Б. Это позволяет набрать в капилляр А исследуемую жидкость, не изменяя уровень воды. Открыв кран Б, создать разрежение в вискозиметре, то перемещение жидкостей за одно и то же время будут обратно пропорциональны их вязкости: = , где  - вязкость исследуемой жидкости, 0 – вязкость воды. Если вязкость воды принять равной единице, а путь, пройденный жидкостью, составляет одно деление вискозиметра, то на основании формулы вязкость жидкости численно равна пути l_0, пройденному при этом водой_.

Преимущество и недостатки этого метода:

1. Позволяет измерять вязкость небольшого количества .жидкости;

2. Быстрота измерения (особенно для крови - быстро свёртывается);

3. Измерение вязкости непрозрачных жидкостей.

Недостаток - малая точность ввиду отсутствия стандарта.

15). Течение жидкости называется ламинарным или слоистым, если поток жидкости представляет собой совокупность слоёв, перемещающихся относительно друг друга без перемешивания. При некоторой высокой скорости течение становится турбулентным (вихревым), когда происходит перемешивание слоёв жидкости.

При турбулентном течении жидкости возрастают силы трения, а следовательно и работа по преодолению сил трения. Это течение жидкости сопровождается звуковым феноменом.

Скорость, при которой ламинарное течение переходит в турбулентное называется критической (Vкр.)

Величина этой скорости зависит от вязкости жидкости, радиуса трубки, плотности жидкости и состояния внутренней поверхности.

Критическая скорость вычисляется по формуле

Vкр = R  /D

где -  - вязкость жидкости,  - плотность, D - диаметр трубки.

Безразмерная величина R называется числом Рейнольдса. Для гладких трубок R = 2300, для трубок с шероховатыми поверхностями эта величина меньше.

Течение крови в артериях при нормальных условиях является ламинарным. Турбулентность проявляется только в некоторых местах, например, за полулунными клапанами аорты. В некоторых патологических случаях, при сужении кровеносных сосудов, пороках сердца, изменении коэффициента вязкости крови турбулентность распространяется на более длинные участки артерии, что может служить диагностическим целям.