Физико-химические процессы в организме человека Часть 2

1.Вычислите работу, совершаемую сердцем взрослого человека, у
которого Р = 100 мм рт. ст. = 1,3•104 Н/м2 , а
Vу = 60 см3 = 6•10-5 м3
2.Вычислите мощность сердца, если время сокращения желудочков t
= 0,3 с.
При 70 сокращениях в минуту (в среднем) работа сердца за 1 мин равна 70 Дж, а за сутки
—100 800 Дж. Для наглядности работу сердца можно сравнить с работой по подъему груза на
некоторую высоту. Несложные расчеты показывают, что работа сердца в течение суток
эквивалентна работе, совершаемой при подъеме тела массой 1000 кг на высоту 10 м.
При увеличении физической нагрузки происходит увеличение ударного и минутного
объемов крови, линейно повышается и скорость течения крови в аорте. Работа сердца при этом
будет увеличиваться, причем увеличение работы сердца будет больше, чем увеличение минутного
объема крови, так как зависимость кинетического компонента работы сердца от скорости крови в
аорте не линейная, а квадратичная. Кинетический компонент работы сердца при небольших
величинах минутного объема крови не превышает нескольких процентов от общей работы сердца.
При увеличении минутного объема крови доля кинетического компонента в общей работе сердца
возрастает и может достигать 30%.
§2.Сердечный
цикл.
Электрокардиография.
Фазы
сердечной
деятельности.
Фонокардиография.
Функцией сердца является ритмическое нагнетание в артерии крови, притекающей к нему
из вен. При ЧСС - 75 уд/мин Тцикла = 60 : ЧСС = 0,8 сек.
Рис.48. Изменение объёма левого желудочка и
колебания давления в левом предсердии,
левом желудочке и аорте в течение сердечного
цикла
Рис.49. Схематическое изображение
соотношений механической и электрической
систол. Верхняя кривая – запись
электрокардиограмма, нижняя – запись
фонокардиограмма.
Сердечные сокращения сопровождаются рядом звуковых проявлений: тонами и шумами.
При прослушивании сердца с помощью фонендоскопа можно услышать два тона:
I – возникающий при открытии полулунных и закрытии предсердно-желудочковых
клапанов и
II – возникающий вследствие захлопывания полулунных и открытии предсердножелудочковых клапанов по окончании систолы желудочков.
При неполном открытии клапанов или их неполном закрытии могут возникнуть шумы.
Рис.50. Нормальный I и II тон
фонокардиограммы
Рис.51. Систолический шум при
недостаточности митрального
клапана.
Сердце обладает автоматией - способностью к ритмическим сокращениям без влияния
каких-либо посторонних раздражителей. Исследовать динамику биоэлектрических процессов,
возникающих в сердце, можно с помощью электрокардиографии.
Рис.52. Электрокардиограмма при записи в трёх
стандартных и грудных отведениях: 1,2,3,4,5,6 –
места приложения грудных электродов.
Рис.53. Схематическое изображение связи
между участками возбуждения сердечной
мышцы и отдельными зубцами ЭКГ
На электрокардиограмме в каждом сердечном цикле различают зубцы: P, Q, R, S, T. Зубец
P отражает возбуждение предсердий. Комплекс QRST представляет собой отражение
электрических изменений, обусловленных возбуждением желудочков. При этом зубцы Q, R, S
характеризуют начальную часть возбуждения желудочков, а зубец Т – конечную его часть.
Анализ электрокардиограммы позволяет определить, в частности:
1) нарушения проведения возбуждения в сердце, например атриовентрикулярную блокаду;
2) изменение ритма сердечной деятельности: увеличение или уменьшение частоты,
нарушение ритма, появление внеочередных сокращений.
Рис.54.Нормальная электрокардиограмма.
А
Б
Рис. 55. А - ЭКГ с внеочередным сокращением (экстрасистолой
Б – полная предсердно-желудочковая блокада
)
Практическая работа №9. Анализ фонокардиограммы.
Рис.56. Фонокардиограмма с верхушки сердца пловца С.Б., 14 лет,
здоров, кандидат в мастера спорта.
Углублённое изучение звуков сердца
имеет большое практическое значение,
предоставляя возможность судить о работе
клапанов сердца, способствует более раннему и
точному диагнозу, правильному лечению и
профилактике тяжелых сердечно-сосудистых
расстройств.
1. На фонокардиограмме (рис.56) укажите
I и II тон, отметьте короткий систолический шум.
2. Расскажите о процессах,
обусловливающих появление каждого тона.
3. Проанализируйте: какие нарушения в
работе клапанов сердца могут вызвать появление:
1)шума в систолу желудочков систолического шума;
2)шума в диастолу желудочков диастолического шума.
Практическая работа №10. Анализ электрокардиограммы.
Рис.57. Электрокардиограмма пловца Т.С., 11 лет; здоров, 
спортивный разряд (скорость ленты 50 мм/с, отметка времени через
0,1 с).
Электрокардиография – важнейший метод исследования сердца.
Проанализируйте ЭКГ на рис.57:
1.Определите длительность сердечного цикла (Тц) и по нему
частоту cердечных сокращений (F) в 1 мин.
2. Расскажите: какие нарушения деятельности сердца можно
определить, анализируя электрокардиограмму.
§3. Основные законы гемодинамики.
Гемодинамика – раздел физиологии кровообращения, использующий законы
гидродинамики для исследования причин, условий и механизмов движения крови в сердечнососудистой системе.
Ламинарное и турбулентное течения. Вязкость жидкости.
Различают ламинарное и турбулентное течения реальной жидкости. В реальной жидкости
вследствие взаимного притяжения молекул имеет место внутреннее трение. Оно проявляется как
сила сопротивления при перемешивании жидкости, обуславливает ламинарное течение реальных
жидкостей. При ламинарном течении под действием сил внутреннего трения жидкость делится на
слои, движущиеся параллельно с различными скоростями. У большинства жидкостей (вода,
низкомолекулярные органические соединения, истинные растворы) коэффициент вязкости зависит
только от природы жидкости и температуры. Такие жидкости называют ньютоновскими, и
коэффициент вязкости для них определяется силой трения, возникающей при ламинарном течении
между двумя слоями жидкости.
У некоторых жидкостей, преимущественно высокомолекулярных (например, растворы
полимеров) или представляющих дисперсные системы (суспензии и эмульсии), коэффициент
вязкости зависит также от режима течения – давления и градиента скорости. При их увеличении
вязкость жидкости уменьшается вследствие нарушения внутренней структуры потока жидкости.
Такие жидкости называются структурно вязкими, или неньютоновскими.
Кровь представляет суспензию форменных элементов в белковом растворе – плазме.
Поэтому, строго говоря, она должна быть отнесена к неньютоновским жидкостям. Кроме того, при
течении крови по сосудам наблюдается концентрация форменных элементов в центральной части
потока, где вязкость соответственно увеличивается. Но поскольку вязкость крови не так велика,
этими явлениями пренебрегают и считают её коэффициент вязкости постоянной величиной.
Относительная вязкость крови в норме составляет 4,2 – 6. При патологических условиях она
может повышаться до 15-20 или снижаться до 2–3 (при малокровии).
Рис.58. Скорость молекулярных слоёв при
ламинарном течении жидкости.
Рис.59. Профили скоростей при ламинарном
и турбулентном потоках.
В физиологических условиях почти во всех отделах кровеносной системы наблюдается
ламинарное, или слоистое, течение крови, при котором все частицы жидкости перемещаются
только параллельно оси сосуда.
При определённых условиях ламинарное течение превращается в турбулентное. Для
турбулентного течения характерно наличие завихрений, в которых частицы жидкости
перемещаются не только параллельно оси сосуда, но и перпендикулярно ей.
Основными показателями гемодинамики являются объёмная скорость кровотока Q,
линейная скорость движения крови, скорость кругооборота крови и давление в разных областях
сосудистой системы.
Течение жидкости по трубе постоянного сечения.
При течении по горизонтальной трубе реальной жидкости её потенциальная энергия
расходуется на работу по преодолению внутреннего трения и поэтому статическое давление вдоль
трубы постепенно падает.
В трубе постоянного сечения давление падает равномерно. Гаген и Пуазейль опытным
путём установили зависимость объёмной скорости течения жидкости (Q) от разности давлений в
начале и конце трубы (P1 - P2) и величины гидравлического сопротивления (R).
Формул получила название закона Гагена-Пуазейля:
Q = (P1 – P2) / R
где R - величина гидравлического сопротивления – зависит от вязкости жидкости (),
длины (L) и радиуса (r) сосуда:
R = 8 •L•  /  • r 4
Течение жидкости по трубе переменного сечения и с разветвлениями.
Применяя систему трубок различного диаметра, нетрудно установить, что давление падает
тем быстрее, чем уже трубка. В кровеносной системе наибольшее сопротивление движению крови
оказывают мельчайшие артерии (артериолы) и капилляры, поэтому в них давление падает
особенно интенсивно.
Сосудистую систему в целом можно представить в виде последовательно и параллельно
соединённых трубок разной длины и диаметра.
Рис.60. Изменение давления
Рис.61. Изменение давления
Рис.62. Изменение кровяного
по пути движения жидкости
по пути движения жидкости в
давления в разных частях
по узкой (А) и широкой (В)
системе трубок с различным
сосудистого русла.
трубкам
диаметром
В случае последовательного соединения общее сопротивление составляет сумму
сопротивлений отдельных сосудов:
R = R1 + R2 + … + Rn
При параллельном соединении величину сопротивления вычисляют по формуле:
1/R = 1/R1 + 1/R2 + … + 1/Rn
Учитывая сложность геометрии сосудов целого организма, её непостоянство, зависящее от
открытия и закрытия шунтов, степени сокращения гладких мышц, эластичности стенок,
изменения вязкости крови и других причин, в реальных условиях рассчитать величину
гидродинамического сопротивления трудно. Поэтому его принимают как частное от деления
кровяного давления Р на минутный объём крови Q:
R=P/Q
Для всей сосудистой системы организма в целом эта формула применима лишь при том
условии, если в конце системы, т.е. в полых венах вблизи места их впадения в сердце, давление
будет близким к нулю. Соответственно при необходимости вычисления сопротивления отдельного
участка сосудистой системы формула приобретает вид:
R = (P1 – P2) / Q
где P1 и P2 - давление в начале и конце определяемого участка.
Линейная скорость движения крови характеризует её количество, протекающее через
поперечное сечение сосуда за единицу времени.
=Q/•r2
Кровь течет по сосудам непрерывной струей. Через любое сечение
последовательно
соединенных сосудов в единицу времени протекает одинаковый объем крови.
Можно показать, что объем Q жидкости, протекающей в единицу времени через сосуд,
равен произведению сечения S сосуда на скорость  течения жидкости. Исходя из условия
неразрывности струи, имеем:
Q = S• = const
Если обозначить сечение и скорость течения крови на участках сосуда соответственно S1 и
1, S2 и 2 то, согласно предыдущему уравнению:
S1 • 1 = S2 • 2
Откуда 1/ 2 = S2 /S1
Скорость течения крови в сосуде с переменным сечением обратно пропорциональна
площади этих сечений.
Рис.63. Линейная и объёмная скорости Рис.64. Изменение линейной скорости тока
движения жидкости по системе трубок разного крови в разных частях сосудистой системы.
диаметра
Скорость кругооборота крови отражает время, за которое частица крови проходит
большой и малый круг кровообращения. Для определения скорости кругооборота обычно
используют введение «метки» с последующим контролем её появления в соответствующей
области. У человека полное время кругооборота составляет 23 сек. При этом, на прохождение
малого круга кровообращения приходится около 20% времени.
Линейная скорость движения крови в капилляре Vкап = 0,5 мм/с, а
скорость тока крови в аорте Vа = 40 см/с.
Определите: во сколько раз сумма поперечных сечений всех
капилляров (Sкап) больше сечения аорты (Sа), если известно, что
объёмная скорость кровотока (Q) по ходу сосудистого русла не меняется?
Кровоснабжение отдельных органов при различных условиях. В тканях не образуется
запасов кислорода, но каждый орган должен получать его в зависимости от своей текущей
потребности. Это достигается благодаря сосудистым рефлексам, ведущим к перераспределению
крови между отдельными органами.
Итальянский физиолог Моссо наблюдал за изменением кровенаполнения органов при
помощи специальных весов.
Человека кладут на доску, которая,
подобно коромыслу весов, наклоняется в
ту или другую сторону в зависимости от
расположения центра тяжести. При
помощи гирь уравновешивают доску так,
чтобы
она
приняла
строго
горизонтальное
положение.
По
изменению положения доски можно
обнаружить усиленный приток крови к
Рис.65. Весы Моссо
мозгу
при
решении
в
уме
(схема).
математической задачи, к ногам – при
напряжении их мышц и даже при
воображаемой их работе.
Практическая работа №11. Функциональные пробы сердца: регистрация пульса в покое и
после физической нагрузки.
Рис.66.
Регистрация
пульса.
Функциональная проба с 20
приседаниями.
1.Определите частоту сердечных
сокращений в состоянии покоя.
2.Выполните 20 приседаний
3.После окончания упражнения быстро
сядьте на своё место и в течение 10 с.
считайте свой пульс. Полученное значение
умножьте на 6.
4.Повторите подсчёт спустя 1, 2, 3 и 4
минуты.
5.Постройте график: изменение ЧСС в
восстановительный период после физической
нагрузки.
Нормальной реакцией здорового
организма является возвращение ЧСС к
исходному состоянию не более, чем за 2 мин.
Результаты пробы записывают в карту медицинского обследования по следующей форме
(см. таблицу).
Покой: Пульс — 12, 14, 12, 14 (за 10 сек).
Нагрузка: 20 приседаний за 30 сек.
Частота пульса за каждые
Примечания
10 с после нагрузки
секун
минуты
ды
10
20
30
40
50
60
1-я
2-я
3-я
4-я
24
18
18
16
18
18
16
17
15
13
12
11
13
14
12
14
12
Отмечалось покраснение лица,
появился пот на лице, значительно
участилось дыхание, но пробу
выполнил до конца и правильно.
Практическая работа №12. Измерение артериального давления по методу Короткова.
Этот способ основан на выслушивании тонов (шумов) в локтевой артерии, описанных Н. С
Коротковым в 1905 г. Тоны Короткова возникают в условиях, когда давление в манжетке ниже
систолического, но выше диастолического давления в артерии. Этот способ позволяет достаточно
точно определить не только систолическое, но и диастолическое давление.
Испытуемый должен сесть и положить руку на стол. Затем прикладывают фонендоскоп к
коже локтевой ямки (в том месте, где прощупывается пульс локтевой артерии) (см. рис. 67).
Нагнетают воздух в манжетку до тех пор, пока давление в ней по показанию манометра не
окажется заведомо выше систолического
(на 20—30 мм рт. ст.). Об этом можно
судить по отсутствию пульса лучевой артерии и звуковых явлений в локтевой ямке.
Слегка приоткрывают винтовой кран и медленно выпускают воздух из манжетки.
Отмечают появление тонов Короткова, прослушиваемых в ритме сердечных сокращений.
Замечают величину давления в манжетке в момент появления тонов, которая соответствует
систолическому давлению. Продолжая выслушивание коротковских тонов, наблюдают за
дальнейшим снижением давления в манжетке. Отмечают по манометру давление в момент
исчезновения тонов. Оно соответствует диастолическому давлению крови.
Полученные результаты сравнивают с ориентировочными величинами артериального
давления (в мм. рт. ст.), принятыми за норму:
Возраст
Систоличес
кое
Диастоличе
ское
Пульсовое
Среднее
давление
давление
давление
давление
10 лет
106
60
46
81
14-16 лет
110
70
40
86
Взрослые
120
80
40
95
Величина артериального давления зависит от многих факторов, из которых наибольшее
значение имеет мощность сокращения левого желудочка сердца, ёмкость сосудистого русла и
тонус артериальных стенок.
АД выше возрастной нормы у людей страдающих ожирением, при курении,
непосредственно после физической нагрузки, при эмоциональном возбуждении.
Рис. 67. Измерение кровяного давления методом Короткова
1 – фонендоскоп; 2 – манжетка; 3 – плечевая артерия; 4 – манометр; 5 - груша
Тема 4. Биофизика дыхания.
§1. Значение дыхания. Строение органов дыхания. Звукообразование.
Воздухопроводящие пути.
Дыхание – совокупность процессов, обеспечивающих потребление организмом кислорода
и выделение двуокиси углерода.
Поступление кислорода из атмосферы к клеткам необходимо для биологического
окисления органических веществ, в результате которого освобождается энергия, необходимая для
жизни организма. В процессе биологического окисления образуется двуокись углерода,
подлежащая удалению из организма. Кроме того, дыхание участвует в поддержании постоянства
реакции жидкостей и тканей внутренней среды организма, а также температуры тела.
Основные функции органов дыхания человека: обеспечение газообмена и звукообразование.
Обеспечение газообмена, включает процессы:
1)внешнее дыхание (вентиляция легких): обмен воздуха между внешней средой и альвеолами
легких
2)диффузия газов в легких: обмен газов между альвеолярным воздухом и кровью легочных
капилляров
3)транспорт газов кровью
4)диффузия газов в тканях: обмен газов между кровью и тканями в тканевых капиллярах
5)клеточное дыхание: потребление О2 клетками и выделение ими СО2.
Рис.68. Основными органами
системы дыхания являются:
Рис.69. Какие органы
дыхательной системы
полость носа, носоглотка,
гортань, трахея, бронхи, лёгкие.
обозначены на рисунке
цифрами?
Основные функции носовых полостей:
1. В них задерживаются пылинки, чтобы не попасть в легкие; это достигается благодаря
реснитчатому эпителию и нервным окончаниям, вызывающим защитный рефлекс чихания;
2.В полостях поступающий воздух увлажняется и освобождается от микробов; это
достигается благодаря железкам, выделяющим специальную слизь;
3.В полостях вдыхаемый воздух согревается благодаря кровеносным сосудам, которыми
обильно снабжена слизистая оболочка.
Чтобы все эти процессы проходили наиболее интенсивно: носовые ходы достаточно
извилисты.
Рис.70. Продольное сечение носовой полости.
Рис.71. Поперечное сечение носовой полости.
Функции и строение гортани.
1.В гортани имеется надгортанник, функция которого защитить легкие от попадания в них
кусочков пищи; во время глотания для исключения попадания кусочков пищи в легкие вход в
гортань закрывается надгортанником;
2.Имеющиеся в гортани нервные окончания служат защитой легких от пыли: при их
раздражении возникает рефлекторный кашель, и пылинки удаляются из гортани;
3.В гортани расположен голосовой орган человека: здесь между хрящами натянуты
голосовые связки.
Рис.72. Строение гортани.
Рис.73. Механизм проглатывания пищи.
Звукообразование. Строение и работа голосового аппарата человека.
Голосовой орган человека устроен достаточно сложно. Гортань, в которой рождается звук,
расположена в передней части шеи и представляет собой перевернутую книзу усеченную
пирамиду, верхнее основание которой соответствует корню языка, а нижнее — трахее. В разрезе
гортань напоминает песочные часы. Самое узкое место гортани, перешеек песочных часов,
образовано голосовыми связками. Жесткий хрящевый каркас гортани состоит из отдельных
частей, соединенных связками и способных изменять взаимное положение под действием мышц.