Физические основы кровообращения
Сердечно-сосудистая система представляет собой сеть для передвижения веществ из одного участка организма человека в другой. Ее эффективное строение позволяет использовать очень ограниченный объем циркулирующей жидкости для того, чтобы регулировать химический состав всей внутренней среды организма человека Входе функционирования сердечно-сосудистой системы используются только процессы движения жидкости и диффузии, пот почему понимание простых физических закономерностей, которые управляют данными процессами, является фундаментом для понимания функционирования сердечно-сосудистой системы в целом.
Основные уравнения гидродинамики
Одним из наиболее важных ключей к пониманию того, как функционирует сердечно-сосудистая система, является представление о взаимоотношениях между физическими факторами, которые определяют скорость потока жидкости через трубу.
Труба, изображенная на рис 1-3, представляет собой участок любого сосуда в организме. Он имеет определенную длину ( L ) и внутренний радиус (г), через который протекает кровь Жидкость течет по трубе только в том случае, когда величины давления жидкости на входе и выходе (Я и Ро) не равны, т е. когда между концами сосуда есть градиент давления (АР). Градиент давления является движущей силой потока. Поскольку
между движущейся жидкостью и неподвижными стенками трубы возникает трение, то сосуды оказывают сопротивление движению жидкости через них
Это сосудистое сопротивление является мерой того, какое сопротивление испытывает поток жидкости при движении через трубу, т е какая часть разности давления тратится на создание потока жидкости Общая связь между потоком, градиентом давления и сопротивлением описывается следующим основным уравнением гидродинамики-
где Q = скорость потока (объем/ время),
АР= градиент давления (мм рт. ст.1),
R = сопротивление потоку (мм рт. ст. х время /объем).
Основное уравнение гидродинамики применимо не только в случае единичной трубы, но и к целой сети трубок, например, к сосудистой системе органа или ко всей системе в целом. Например, поток крови через головной мозг определяется разницей давления между мозговыми артериями и венами (в числителе дроби), деленной на общее сопротивление всего сосудистого ложа мозга. Из основного уравнения гидродинамики видно, что существует только два пути изменения потока крови через орган: (1) изменение градиента давления вето сосудистом русле или (2) изменение его сосудистого сопротивления. Чаще всего изменения сосудистого сопротивления органа приводят к изменениям тока крови через данный орган.
Из работ французского физика Жана Леонарда Мари Пуазейля (1799-1869), который выполнил эксперименты с потоком жидкости через маленькие стеклянные капиллярные трубочки, мы знаем, что сопротивление потоку через цилиндрическую трубку зависит от нескольких факторов, в том числе от радиуса и длины трубки и вязкости жидкости, протекающей по трубке Эти факторы определяют сопротивление току жидкости в соответствии со следующим уравнением:
где г= внутренний радиус трубки,
L = длина трубки,
ц = вязкость жидкости
Обратите внимание, что внутренний радиус трубки в данном уравнении возведен в четвертую степень. Таким образом, даже небольшие изменения величины внутреннего радиуса трубки будут оказывать существенное влияние на сопротивление потоку жидкости. Например, уменьшение внутреннего радиуса трубки в 2 раза приведет к увеличению сопротивления потоку жидкости в 16 раз.
Приведенные выше уравнения могут быть объединены в выражение, известное под названием уравнение Пуазейля, которое включает все факторы, влияющие на поток жидкости через цилиндрический сосуд2.
1 Хотя давление наиболее точно выражается в единицах силы на единицу площади, по традиционно давление в сердечно-сосудистой системе выражается в миллиметрах ртутного столба (мм рт ст ) Например, среднее артериальное давление, можно сказать, равняется 100 мы рт ст , поскольку это соответствует давлению, которое создается у основания столбика ртути высотой 100 мм Все величины давления в сердечно-сосудистой системе, соотносятся с атмосферным давлением, которое составляет величину примерно 760 мм рт ст - Уравнение Пуазейля строго применимо только к гомогенным жидкостям, протекающим через ригидные (жесткие) несуживающисся трубки, в том случае, если ток жидкости по ним можно охарактеризовать как ламинарный Хотя не все упомянутые условия строго соблюдаются з любом сосуде организма, допущение достаточное, чтобы сделать общее заключение на основании уравнения Пуазейля
Опять же обратите внимание, что ток жидкости возможен лишь при наличии разности давления. Поэтому не удивительно, что артериальное давление крови является чрезвычайно важным и тщательно регулируемым параметром сердечнососудистой системы. Также обратите внимание еще раз, что приданном градиенте давления величина радиуса трубки оказывает очень большое влияние на интенсивность потока жидкости внутри трубки. Следовательно, величина кровотока в органах непосредственно регулируется за счет изменения величины радиусов сосудов в данных органах. Хотя длина сосуда и вязкость крови являются факторами, также влияющими на сосудистое сопротивление, они не являются переменными, которыми легко манипулировать с целью моментального воздействия на величину кровотока.