Турбулентный поток в сосуде
Турбулентное течение крови. Давление крови
В некоторых случаях течение крови в сосудах становится турбулентным. Это происходит, если скорость кровотока становится слишком большой или в сосудах появляется препятствие току крови, или сосуд делает резкий изгиб, или внутренняя поверхность сосуда становится грубой и неровной. Турбулентное течение крови показано на рисунке. На схеме видно, что кровь течет не только вдоль сосуда, но и поперек, и даже в обратном направлении, образуя так называемые вихревые токи.
Если во время движения крови появляются вихревые токи, сопротивление существенно увеличивается по сравнению с ламинарным течением, т.к. завихрения резко увеличивают внутреннее трение в потоке жидкости.
А. Две жидкости цэдна окрашена в красный цвет, другая – бесцветная) перед началом движения.
Б. Эти же жидкости через 1 сек после начала движения.
В. Турбулентное течение, характеризующееся беспорядочным движением частиц жидкости
Вероятность турбулентного движения крови в сосудах увеличивается прямо пропорционально скорости кровотока, диаметру кровеносного сосуда и плотности крови и обратно пропорционально вязкости крови.
Эта сложная зависимость выражается следующим уравнением: Re = Vdp/n, где Re — число Рейнольдса, показывающее тенденцию к турбулентному течению крови, v — средняя скорость движения крови (см/сек), d — диаметр сосуда (см), р — плотность крови и n — вязкость крови (пуазейль).
Вязкость крови в норме равна примерно 1/30 пуазейля, а плотность — лишь немного больше 1. Если число Рейнольдса становится больше 200-400, турбулентные потоки возникают в местах разветвления и исчезают на прямых участках сосудов. Если же число Рейнольдса увеличивается до 2000, турбулентность возникает даже в прямых, не ветвящихся сосудах.
В сосудистой системе число Рейнольдса даже в норме может увеличиваться до 200-400 в крупных артериях, поэтому в местах разветвления этих сосудов почти всегда наблюдается турбулентное течение крови. В проксимальной части аорты и в легочной артерии число Рейнольдса может увеличиваться до нескольких тысяч во время фазы быстрого изгнания крови из желудочков. Это приводит к развитию турбулентности в проксимальной части аорты и в легочной артерии, где для этого существуют благоприятные условия: (1) высокая скорость кровотока; (2) пульсирующий характер кровотока; (3) резкое изменение диаметра сосуда; (4) большой диаметр сосуда. Однако в мелких сосудах число Рейнольдса практически никогда не бывает достаточно высоким, чтобы вызвать турбулентность.
Давление крови
Единицы измерения давления. Давление крови до сих пор измеряют в миллиметрах ртутного столба (mm Hg), т.к. с давних времен для измерения давления использовали ртутный манометр. В действительности давление крови — это сила, с которой кровь воздействует на единицу площади поверхности сосудистой стенки. Когда давление в сосудах составляет 50 мм рт. ст., это означает, что сила воздействия сдвигает столбик ртути в поле тяготения на 50 мм выше прежнего уровня. Если давление равно 100 мм рт. ст., сила сдвинет столбик ртути на 100 мм выше прежнего уровня.
Иногда давление измеряют в сантиметрах водного столба (cm H2O). Давления в 10 см вод. ст. достаточно, чтобы поднять столбик воды на 10 см. 1 мм рт. ст. соответствует 1,36 см вод. ст., т.к. плотность ртути в 13,6 раз больше плотности воды, а 1 см в 10 раз больше, чем 1 мм.
Методы измерения кровяного давления. Ртуть в ртутном манометре обладает большой инертностью и не может быстро подниматься и опускаться. По этой причине ртутные манометры, пригодные для измерения постоянного уровня давления, не способны реагировать на изменения давления, происходящие чаще, чем 1 цикл за 2-3 сек. Для регистрации быстрых изменений давления требуются измерительные приборы другого типа. На рисунке изображены три принципиально разных электронных преобразователя — датчика, преобразующего колебания давления в электрические сигналы. Регистрация этих сигналов производится с помощью малоинерционных пишущих систем. В каждом из датчиков используется тонкая, легко деформирующаяся металлическая мембрана, представляющая собой одну из стенок миниатюрной камеры, заполненной жидкостью. Камера соединена с кровеносным сосудом с помощью иглы или катетера. Когда давление крови в сосуде увеличивается, металлическая мембрана слегка выгибается; когда давление крови уменьшается, мембрана возвращается в первоначальное положение.
Регистрация артериального давления с помощью ртутного манометра (метод, применявшийся в течение длительного периода развития физиологии)
На рисунке над мембраной датчика расположена еще одна металлическая пластина. Их разделяет несколько десятых долей миллиметра. Когда мембрана выгибается, она приближается к металлической пластине. Это приводит к увеличению электрической емкости между ними. Изменение емкости может быть зарегистрировано электронным прибором.
На рисунке на мембране датчика имеется небольшой железный стержень, который расположен внутри миниатюрной индуктивной катушки. Колебания стержня приводят к изменению индуктивности катушки, что может быть зарегистрировано электронным прибором.
Электронные датчики (преобразователи) трех разных типов для регистрации быстрых изменений кровяного давления (объяснение в тексте)
И наконец, на рисунке к мембране датчика прикреплен тонкий натянутый проводок с высоким электрическим сопротивлением. Если проводок растягивается, его сопротивление увеличивается; если же натяжение проводка слабеет, его сопротивление уменьшается. Эти изменения также могут быть зарегистрированы электронным прибором.
С помощью этих преобразующих устройств можно регистрировать колебания давления с частотой до 500 Гц, причем с большой точностью. Обычно применяют приборы, регистрирующие изменения давления с частотой от 20 до 100 Гц. Запись производится на бумажной ленте.
– Также рекомендуем “Сопротивляемость сосудов. Проводимость сосудов”
Оглавление темы “Сосудистая система”:
1. Электрокардиограмма при фибрилляции желудочков. Электрошоковая дефибрилляция желудочков
2. Ручной массаж сердца в помощь дефибрилляции. Фибрилляция предсердий
3. Трепетание предсердий. Остановка сердца
4. Функциональные участки системы кровообращения. Объемы крови в различных отделах сосудистой системы
5. Давление крови в различных участках сосудистой системы. Теоретические основы кровообращения
6. Регуляция объема кровотока и периферического сопротивления. Объемный кровоток
7. Ультразвуковой флоуметр. Ламинарное течение крови в сосудах
8. Турбулентное течение крови. Давление крови
9. Сопротивляемость сосудов. Проводимость сосудов
10. Закон Пуазейля. Диаметр артериол и их сопротивление
Источник
Ламинарный и турбулентный поток в эхокардиографии (ЭхоКГ)а) Характеристики потока. При низких скоростях обычно наблюдается ламинарное течение крови. Это означает, что в близко расположенных точках поперечного сечения сосуда или клапанного отверстия скорости движения крови мало отличаются друг от друга. В этих случаях поток крови «хорошо организован»: в середине потока кровь течет с большей скоростью, а на периферии возле стенок сосуда или сердца скорость потока меньше. В сосудах возникает «параболический» профиль скоростей движения жидкости. Начиная с определенного отношения поперечного сечения потока, скорости движения, а также плотности и вязкости крови характеристики потока меняются на «турбулентные»: профиль скоростей движения жидкости становится более плоским, сопротивление потоку растет и «частицы» жидкости попадают в вихревые движения. Вместо хорошо организованного ламинарного распределения скоростей получается вихреобразование и перемешивание частиц жидкости с различной скоростью и направлением движения. Кинетическая энергия необратимо теряется из-за вязкого трения и, в конечном итоге, превращения в теплоту. Движение частиц можно представить как сумму «хаотичного», турбулентного компонента скорости и относительно постоянного компонента скорости вдоль основного направления потока. В сумме усредненные по времени, быстро меняющиеся векторы турбулентного компонента взаимно уничтожаются, тогда как постоянный компонент обусловливает движение в сосуде вдоль основного направления потока.
б) Число Рейнольдса. Переход от ламинарного течения к турбулентному можно представить себе как следствие преобладания инерционных сил потока над вязким сопротивлением, например, из-за возрастающей скорости движения жидкости. Точка такого перехода зависит от многих отдельных факторов, однако приблизительно ее можно представить в виде безразмерного числа Рейнольдса: 2r • v • ρ/η, где r – радиус потока, v – средняя скорость движения жидкости, ρ – плотность и η – вязкость жидкости. Поток становится турбулентным, если это число превышает пограничное значение, приблизительно равное 2300. в) Появление турбулентных потоков. В покое на нормальных сердечных клапанах турбулентные потоки не возникают, однако они появляются в области стенозированных клапанных отверстий или в области регургитации, а также других потоков с высокой скоростью движения, например, при дефекте межжелудочковой перегородки. При переходе от ламинарного потока к турбулентному в одном сосуде исходный параболический профиль скоростей уплощается, а сопротивление увеличивается (в противоположность уравнению Хагена-Пуазейля при турбулентном движении сопротивление возрастает не линейно, а пропорционально квадрату потока). г) Локализация. Переход в турбулентное движение в области измененного просвета клапанных отверстий (стеноза, недостаточности) или дефектов межжелудочковой или межпредсердной перегородки происходит вскоре после места сужения потока. Непосредственно после прохождения через место сужения поток еще сохраняет ламинарное ядро, имеющее максимальную исходную скорость. Это ядро разрушается со всех сторон увеличивающимися турбулентными завихрениями. Приблизительно через 5 диаметров того отверстия, где был сужен поток, движение полностью становится турбулентным, и его максимальная осевая скорость теперь обратно пропорциональна расстоянию от места сужения.
д) Мозаичность. В режиме цветовой допплерографии турбулентный поток представлен интенсивной, светлой, разноцветной струей («мозаичность»), В связи с характеристиками турбулентного потока при высоких скоростях, например, в случае аортального стеноза, максимально острый угол между основным направлением движения крови и ультразвуковым лучом при непрерывноволновом допплеровском исследовании менее критичен, чем в случае ламинарного потока, так как высокие скорости направлены в пространстве во все стороны и поэтому могут быть зарегистрированы. Следует учитывать, что принцип непрерывности и уравнение Бернулли справедливы независимо от ламинарности или турбулентности потока. е) Другие подходы для количественной оценки потока и его сужений. Vena contracta. Из-за вышеописанных трудностей количественной оценки потоков по величине струи в цветовой допплерографии были предприняты другие попытки количественного анализа потока крови. Одна из них использует диаметр или сечение струи в самом узком месте, т.е. непосредственно после места сужения потока. Там поток конвергирует в самом узком месте, называемом vena contracta. Это самое узкое место соответствует эффективному сечению стеноза или регургитации и всегда меньше, чем анатомический размер отверстия. Его величина задается геометрией поперечного сечения потока и в физиологических условиях почти не зависит от скорости потока или градиента давления по обе стороны сужения. Конечно, применение этой теоретически очень привлекательной концепции лимитировано разрешающей способностью и техническими факторами режима цветного допплеровского исследования. Однако он успешно валидирован прежде всего для расчета регургитации и (в меньшей степени) для случая митрального стеноза.
– Также рекомендуем “Биоэффекты и безопасность ультразвука” Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 17.12.2019 |
Источник
Всякий, кто хотя бы десяток раз летал в самолете, знает, что такое турбулентность. Это когда вас и ваших попутчиков начинает сильно трясти. Самые пугливые пассажиры начинают молиться и лезут за валидолом. Если в этот момент выглянуть в иллюминатор, то никакой грозы или урагана там может не обнаружиться – часто это происходит в совершенно безоблачном небе. Возможно, это вас как-то утешит, но турбулентность до сих пор остаётся одной из самых больших тайн физики. За более чем сто лет изучения этого явления учёным удалось найти лишь несколько ответов на вопрос о том, как она возникает и как влияет на объекты окружающего нас мира.
Турбулентность
Турбулентность – это не только то, что пугает пассажиров летательных аппаратов. Она вездесуща и возникает практически в любой системе, где есть движущиеся струи. Это относится, например, к потокам воздуха в дыхательных путях человека, движению крови по артериям или кофе в чашке, когда вы его размешиваете. Турбулентность воздействует на облака, на волны, разбивающиеся о берег моря, на выбросы плазмы на Солнце. Понимание этого феномена может положительно отразиться на многих аспектах нашей повседневной жизни.
Ламинарный поток
Жидкости и газы обычно движутся двумя способами: как ламинарный поток, который отличается стабильностью и равномерностью, и как турбулентный поток, полностью состоящий из хаотичных завихрений. Вспомните, как тлеет ароматическая палочка. У основания столбика дыма струя устойчива. Вы легко можете угадать, какой она будет и через минуту, и через пять. Однако, поднимаясь, дым ускоряется, становится неустойчивым, и начинает представлять собой нечто хаотичное. Это весьма наглядное проявление турбулентности – которая, тем не менее, сообщает движущимся потокам некие общие характеристики.
Во-первых, они всегда хаотичны. Это не совсем то же самое, что «случайность». Данное свойство скорее означает, что турбулентный поток крайне чувствителен к мельчайшим пробоям и прерываниям. Даже микроскопические толчки с той или иной стороны приводят к совершенно разным результатам. По этой причине движение такого потока практически невозможно предсказать, даже если вы обладаете всей полнотой информации о текущем состоянии системы. Ещё одной важной характеристикой турбулентности являются разные масштабы движения внутри потоков. Они состоят из множества разноразмерных вихрей, которые постоянно взаимодействуют друг с другом, распадаются, уменьшаются, и всё это в конечном итоге превращается в тепло. Этот процесс называется “энергетическим каскадом”.
Почему возникает турбулентность?
Именно по этим признакам и распознается турбулентность. Вопрос в том, почему она возникает. Каждый движущийся поток жидкости или газа характеризуется двумя разнонаправленными силами – инерцией и вязкостью. Инерция – это стремление потока продолжать движение, что порождает нестабильность. Вязкость, наоборот, сглаживает возмущения, стремясь сделать поток ламинарным. В густых жидкостях, таких, как мед, почти всегда побеждает вязкость. Вода и воздух, наоборот, более склонны к инерции, что порождает нестабильность, развивающуюся в турбулентность. Для измерения соотношения между инерцией потока и его вязкостью используется так называемое число Рейнольдса. Чем оно выше, тем выше вероятность возникновения турбулентности. У мёда, выливаемого в чашку, это значение находится в районе единицы. У воды, с которой делают то же самое, оно ближе к десяти тысячам.
Число Рейнольдса эффективно объясняет простые сценарии, но этого нельзя сказать о сложных системах. Оно не работает уже при описании таких относительно простых явлений, как воздействие потока воздуха встречного грузовика на вашу легковушку или порывов ветра на небоскрёб. Естественно, всё это может моделироваться благодаря множеству ранее проведённых экспериментов и собранных эмпирических данных.
Однако физики хотят получить возможность вычислять это с помощью формул и уравнений, как это удалось добиться в отношении, например, орбитального движения планет или направления электромагнитных полей.Сегодня считается, что это станет возможно в результате накопления статистических данных и увеличения вычислительной производительности компьютеров.
Мощные симуляции турбулентных потоков способны, как кажется, выявить закономерности, которые затем могут быть использованы для создания некой универсальной теории. Противники данной идеи считают, что это явление слишком сложно и полноценно описать его не удастся. И всё же хочется надеяться, что турбулентность будет изучена в достаточной степени. Это будет иметь огромное практическое значение.
Представьте себе гораздо более эффективные ветряные электростанции, хирургически точные прогнозы погоды, рассеивание ещё не набравших силу тропических ураганов – это лишь немногие из сфер применения знаний, касающихся турбулентности. И, естественно, отпадёт необходимость брать успокаивающее на борт пассажирских самолётов.
Уникальность статьи проверена на text.ru!
Подписывайтесь на наш молодой и энергичный канал!
Ставьте пальце вверх если статья Вам понравилась!
Если не понравилась – напишите что именно и мы постараемся ответить на Ваши вопросы !
Вам так же понравятся:
| Мамонтова Пещера в Соединенных штатах Америки |
| Денисова пещера – окно в доисторическое прошлое планеты |
| Мертвое море – источник здоровья и долголетия |
СПАСИБО ЧТО ВЫ С НАМИ!
Источник