Газовые закони на живу природі й медицині

Газовые закони на живу природі й медицине

Л.В.Логинов, багатопрофільний комплекс (гімназія-ліцей) N 109, р. Москва Наверное, в кожного вчителя є прагнення пояснити матеріал по-своєму чи роздивитися його з позицій, відмінних традиційних. Тим більше що яке започаткували профілювання навчання змушує це робити. Візьмемо, приміром, тему, яку відбуваються у школі, і в 8-му, й у 10-му класах, — «Гази». Властивості газів згадуються (чи вивчаються) вже у курсі природознавства в 5-му класі (!). Пізніше хлопців ознайомлять із використанням стиснутого повітря, з приладами для виміру атмосферного тиску, вчать виконувати завдання зміну тиску повітря за зміни інших параметрів, зазвичай, в автомобільної шині, кулі, гумової човні. В наявності певний технічний ухил, хоча зрідка трапляються й інші завдання, наприклад, як надпити води з пляшки при щільно притиснутих до горлечку губах, так що повітря пляшку не пропускається, чи, як павуку серебрянці побудувати повітряний будиночок у питній воді. Факт, що газові закони активно працюють у живої природі, широко застосовують у медицині, зазвичай, не акцентується, немає нічого ані слова у тому, навіщо павук серебрянка будує собі той самий повітряний будиночок, як може сидітиме у такому будиночку півгодини, а стані анабіозу (сплячки) — і довше… Адже за подиху кислород-то безупинно витрачається! Вдих і видих, газообмін у легенях у тварин і звинувачують в людини відбуваються також у відповідність до газовими законами. Отже цей тема також не лише дуже жива, а й актуальна. І зупинитися у ньому стоїть.

Начнем сіло, що довгоочікуваний Закон Бойля-Мариотта починає «працювати на людини» (як, втім, і будь-яке ссавець) з народження його, з першого самостійного подиху. При подиху міжреберні м’язи і діафрагма періодично змінюють обсяг грудної клітини. Коли грудної клітки розширюється, тиск повітря на легких падає нижче атмосферного, тобто. «спрацьовує» ізотермічний закон (р0V0 = р1V1), і внаслідок що утворився перепаду тисків відбувається вдих. Іншими словами, повітря йде із довкілля до легень самопливом до того часу, поки величини тиску у легенях й у навколишньому середовищі не вирівняються.

Выдох відбувається аналогічно: внаслідок зменшення обсягу легких тиск повітря на них стає більше, ніж зовнішнє атмосферне, і завдяки зворотного перепаду тисків він виходить назовні. Схематичне зображення процесу дихання дано на рис. 1.

Важную роль цьому процесі грає плевральная порожнину, у якій при подиху виникають розрідження. Якщо хірургічним шляхом відкрити зовнішньому повітрю (під нормальним атмосферним тиском) доступ в плевральное простір, то атмосферне тиск стисне легке, виключивши його з процесу дихання. Саме такими роблять при лікуванні легеневого туберкульозу (метод пневмотораксу).

.

Теперь розглянемо процес «переробки» повітря, надходження до легень. Тиск повітря складається з парциальных тисків назв газів (згідно із законом Дальтона: рсмеси= р1+ р2+ р3+…+ рn). Як відомо, свіжому повітрі складається з кисню (20,94%), вуглекислого газу (0,03%), азоту та інертних газів (79,03%). А склад видихуваного повітря інший: кисню — 16,3%, вуглекислого газу — 4%, азоту NO та інертних газів — 79,7%. Очевидно, що кисню дедалі менше, а вуглекислого газу — більше (кількість інших газів майже змінюється). Це означає, як і парціальний тиск кисню зменшується, а вуглекислого газу — зростає. Стінки легеневих пухирців (альвеол) здатні пропускати крізь себе у кров, і назад молекули газів за наявності різниці тисків газів у альвеолах й у крові. Відтак після вдиху кисень в галузі з бо «льшим парциальным тиском рухається до області із меншим парциальным тиском, тобто. з альвеол в кров. Вуглекислий ж газ виводиться з крові в альвеоли, після чого «перероблений» повітря видихається. Так працюють «звичайні» чи, як його ще називають, біологічні легкие.

Но є й поняття фізичних легких. Не біологічний орган, а фізична система, яка функціонує подібно біологічним легким. Завдяки фізичним легким дихає водяний павук серебрянка. Його тіло покрито дрібним несмачиваемым пушком. Коли павук поринає у воду, до тіла чіпляються дрібні бульбашки повітря, покриваючи його суцільний повітряної оболонкою. У воді ця оболонка блищить, роблячи павука схожим на кулька ртуті. Виставляючи із води кінчик черевця, павук забирає великий пляшечку повітря і, притримуючи його задніми ніжками, вирушає до глибину.

Среди водних рослин він назбирає нитки своєї павутиння, «клітину» для повітряного кульки, що дедалі більше і більше наповнюється повітрям принаймні скоєння павуком чергових «рейсів» на поверхню. Коли повітряний будиночок стає досить просторим, павук переходить до відпочинку. Він поглинає повітря свого ж таки будиночка, хоча принесеного запасу кисню у ньому навіть отдыхающему павуку має було вистачити всього сталася на кілька хвилин. Але можливість відпочивати дає сама природа. Точніше, фізичні закони.

Дело у цьому, у воді навколо домика-пузырька також є повітря. Щоправда, в розчиненому вигляді. Принаймні витрати кисню в пухирці зменшується його парціальний тиск проти тиском у питній воді, і розчинений у питній воді кисень дифундує в пляшечку. Вуглекислий ж газ, навпаки, дифундує з будиночка в воду, де його парціальний тиск менше. Звісно, цей газообмін не дозволяє цілком компенсувати витрати кисню на подих, але з тих не менш павук має можливість оновлювати атмосферу значно рідше, хвилин через 30, або навіть більш. Якщо павук перебуває у стані анабіозу, то повітря від однієї ходки нагору вистачає на дуже тривалий время.

Таким чином, фізичні легкі — це «пристосування природи», у якому «дихає» сам пляшечку, а чи не павук. А останній дихає вже своїми біологічними легкими, тобто. повітрям, наявних у пузырьке.

Перейдем до проблеми виміру робочого обсягу легких, тобто. обсягу повітря, вдихуваного (чи видихуваного) при глибокому вдиху (видиху). Відомо, що він менше повного обсягу легких. Отже, при кожному вдохе-выдохе у легенях оновлюється не все повітря. По робочому обсягу легких (вірніше, стосовно робочого обсягу до повного) можна дійти невтішного висновку про стан дихальної системи людини. Різні захворювання (наприклад астма), куріння, і навіть малорухливому способі життя призводять до зменшення робочого объема.

Для початку слід знати повний обсяг легких. Це було непростим, т.к. експериментальним шляхом на живому людині цього годі. Та й як? Реально мерехтить лише один спосіб: здійснити розкриття, витягти легкі, наповнити водою «під зав’язку», після чого цю воду вилити в мензурку (чи велику мірну кухоль). Крім того немає гарантії, що на момент наповнення водою легкі будуть розправленими і вчені зможуть вмістити води «по максимуму».

В час повний обсяг легких зазвичай визначають розрахунковим шляхом, по формулі Дюбуа, що встановлює залежність площі поверхні тіла людини з його є і зростання:

S = 0,167• .

где m — маса тіла в [кг], L — довжина тіла, зростання на [м]. (Зрозуміло, щоб одержати в свого часу цієї емпіричну формули знадобилися і розтину.) Слід відразу звернути увагу учнів, що ця формула — лише чисел, тобто. одиниці фізичних величин у ній не сходяться. Далі користуються відомої залежністю, за якою на 1 м² поверхні припадає в чоловіків — 2,5 л, в жінок — 2 л повного обсягу легких.

В як приклад можна розрахувати повний обсяг легких когось із присутніх. До речі, учні зазвичай пропонують кандидатуру… вчителя! Цим стоїть скористатися у тому, щоб потім хтось із учнів розрахував і свій обсяг, якщо згадає масу чуток і зростання. Це подальшому, у процесі уроку, знадобиться. Наприклад, при масі 75 кг і зростання 176 див площа поверхні тіла юнаки становить 1,92 м². Отже, повний обсяг легких 4,8 л.

Теперь про вимірі робочого обсягу легких. за таким справи простіше, тому треба організувати досить цікаву дискусію у тому, якою повинна бути конструкція приладу для таких вимірів. На цей час розроблено досить багато підхожих конструкцій, але, незважаючи навіть у принципові відмінності, всі ці прилади носять під назвою спирометры. Зрозуміло, дискусію треба спрямовувати у потрібний русло. Діалог з учнями може й, приміром, наступним.

Учитель. Отже, давайте подумаємо, як виміряти обсяг повітря, який видихає людина виборює одного разу. Причому майте у вигляді, що потрібно одержати значення обсягу повітря при нормальному атмосферному тиску.

Ученик. Видихнути їх у поліетиленовий пакет і виміряти объем.

Учитель. Как?

Ученик. Хоча начебто опустити в води і виміряти обсяг вытесняемой рідини. Оболонка — тонка, отже обсяг пакета з повітрям приблизно дорівнює обсягу одного воздуха.

Учитель. Однак пакет, занурений в рідина, відчуватиме тиск рідини. До речі, як він называется?

Ученик. …Гідростатичний… Ну тоді… не занурювати, а виміряти як-небудь. Линейкой…

Учитель. Хіба, надутий поліетиленовий пакет має форму паралелепіпеда чи кулі? Тільки таких випадках вистачило б лінійки і лобіювання відповідних формул.

Ученик. Ну тоді видихнути в повітряну кульку. Саме він круглый!

Учитель. Так, але при надування резина…

Ученик. …натягивается…

Учитель. …і неабияк впливає тиск в повітря. І тиск повітря більше атмосферного, а обсяг відповідно менше. (Учні задумываются.).

Учитель. Повітря відчуватиме тиск рідини, за умови що повітряний міхур буде повантажений у неї. Якщо ж не занурювати?.. Просто притримати выдохнутый повітря в поверхні воды…

Ученик. Чем?

Учитель. І це ніж? Думайте.

Ученик. Якимось поплавком чи перевернутим стаканчиком.

Учитель. Ідея непогана, але поясніть, що, а далі… Який обсяг повітря на поплавке?

Ученик. Чим більший повітря, тим більше поплавець спливає.

Учитель. Загалом, вірно. І як у цей поплавець видихнути воздух?

Ученик. Підбити трубочку знизу, і крізь нее…

Учитель. Однак поплавець своєї надводному частиною теж тиском воздух…

Ученик. Потрібно зробити поплавець з тонкого і легкого матеріалу, що він зовсім не давив. Хоча начебто хоча б полиэтилен.

Учитель. Добре. Але як за висотою спливання визначатимемо объем?

Ученик. Завдамо шкалу на поплавок.

Учитель. Правильно, але показання будуть правильними, якщо поплавець зберігатиме суворо вертикальне становище. Як забезпечити вертикальность?

Ученик. Нехай піднімається всередині який-небудь трубки, по діаметру такий же.

Учитель. А краще, коли цією трубкою буде сам посудину із жовтою водою. А поплавець — його невагомою і що піднімається кришкою. Залишилося зробити те щоб між посудиною і поплавком-крышкой не было…

Ученик. Трения!

Учитель. Чудово! Отже, ми із Вами сформулювали основні засади побудови спирометра. Давайте зробимо малюнок.

.

Учащиеся зарисовывают схему, показану на рис. 2, в зошит. Потім говоримо, перші медичні спирометры були такий конструкції. Але вона громіздка, тендітна, незручна: при різкому переміщенні приладу вода може вилитися. Тому зараз найчастіше зустріти звані турбінні спирометры типу ССП. Напевно, багато мали працювати з лицарями у диспансеризації. Найкраще, якщо вдасться такий спірометр попросити спогадами у якомусь медичному установі підтвердження. за таким легко працювати, він маленький, легкий, а головне — принцип роботи гранично простий: потік видихуваного повітря тисне на лопаті турбинки, вал якої з'єднаний через передатний механізм зі стрілкою, ковзної вздовж шкали. Чим більший повітря минуло через турбинку, тим більше коштів оборотів вона зробить, тим більша показання приладу.

Если вдалося десь взяти напрокат спірометр ССП, то після пояснення принципу роботи може бути продемонструвати. Спочатку — сам вчитель, потім (зрозуміло, після зміни трубочки) учень, бажано такої ж розвитку і статури, ще краще — що курить. Відразу стане зрозуміло, що з однаковому обсязі легких робочий обсяг у курця менше, ніж в некурящого. (І це у пятнадцать-то років! Хіба йтиметься далі?!) Звісно, невідомо, після цього учень відразу кине курити, але «під кіркою» це відкладеться. Дивись, хтось із які хотіли розпочати курити зробить цьогорічних чи почне на більш пізньому віці. Отож ненав’язлива антиникотиновая пропаганда теж, приведи Господи, піде користь.

Обычно після дзвінка з уроку учні ще довго (із дозволу вчителя, ясна річ) вимірюють обсяг своїх легень і «обвинувачують» одне одного у куріння. Коротше, виходить і пізнавально, і весело. Тільки вчитель ЗОБОВ’ЯЗАНИЙ СТЕЖИТИ, щоб учні кожен раз змінювали трубочки, у яких дуют.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.