Сопротивление дыханию

При использовании в водолазной практике искусственных средств подачи воздуха или дыхательных смесей мы неизбежно сталкиваемся с увеличением сопротивления воздушному потоку. Мы должны предпринять все возможное для того, чтобы свести это сопротивление к минимуму. Сопротивление дыханию преодолевается за счет работы дыхательной мускулатуры, что приводит к увеличению усилия, затрачиваемого человеком на осуществление дыхания в обычных условиях. Плохо сконструированный дыхательный аппарат может обладать очень большим сопротивлением дыханию, что делает его использование невозможным, так как дыхательная мускулатура оказывается не в состоянии преодолеть непомерную нагрузку в виде резко увеличенного сопротивления дыханию.

Работа, затрачиваемая человеком на дыхание, по своей сути представляет собой усилия, направленные на то, чтобы прогнать воздух по системе трубок. Именно так она и может рассматриваться. На величину работы или силы, затрачиваемой на продвижение газа через трубку, могут влиять такие факторы, как скорость воздушного потока, диаметр и длина трубки, воздействие силы тяжести, а также вязкость и плотность газа. Независимо от того, используется дыхательный аппарат или нет, во время дыхания изменяется в значительных пределах лишь скорость воздушного (или газового) потока, в то время как остальные переменные величины в значительной степени не изменяются.

Следует отметить, что механизм движения воздуха по трубкам является таковым, что при одних и тех же условиях характер воздушного потока может изменяться в зависимости от объема воздуха, проходящего через трубку в единицу времени.

При движении воздушного потока через прямую трубку с небольшой скоростью он имеет прямолинейную, или ламинарную, форму. Движущиеся молекулы газа во время своего движения по такой трубке сохраняют определенный порядок, однако молекулы газа, расположенные в центре потока, движутся несколько быстрее по сравнению с теми, которые расположены по периферии потока, где движение молекул газа замедлено за счет сцепления их с внутренней поверхностью

<strong>Сопротивление дыханию</strong>

трубки (рис. 7). Давление, необходимое для поддержания такого потока, зависит от его сопротивления и пропорционально вязкости газа.

Если мы увеличим скорость движения газа по трубке или уменьшим ее диаметр, то сопротивление потока увеличится настолько, что произойдет его завихрение или возмущение. При этом сохранить ламинарную форму может только центральная часть этого потока. В итоге весь поток может приобрести турбулентный характер. В этом случае газовые молекулы, движущиеся во всех направлениях, не сохраняют длительного контакта со стенкой трубки, в результате чего вязкость газа перестает оказывать сопротивление воздействию движущей силы. Однако турбулентность полностью разрушает любое прямолинейное движение, в результате чего в роли силы, препятствующей движению газового потока, начинает выступать вес газовых молекул. Другими словами, в то время как в ламинарном потоке движущая сила пропорциональна вязкости газа, в турбулентном потоке она становится пропорциональной плотности этого газа.

Условия, при которых ламинарный газовый поток превращается в турбулентный, могут быть определены путем применения числа Рейнольдса — фактора, который принимает во внимание радиус газовой трубки, линейную скорость газового потока, а также плотность и вязкость газа.

Число Рейнольдса равно:

vrD / V

где v — скорость; r — радиус; D — плотность; V — вязкость (в единицах системы CGS).

Если величина этого числа меньше 1000, то воздушный поток является полностью ламинарным, если же она превышает 1500, то этот поток становится полностью турбулентным.

Если оценить с этой точки зрения дыхательную систему человека, то можно прийти к заключению, что при скорости воздушных потоков ниже 20 л/мин последние носят в основном ламинарный характер. При увеличении потока до 40 л/мин и выше воздушные потоки приобретают в основном турбулентный характер. В промежутке между этими двумя величинами воздушные потоки являются смешанными. Если подходить к этому несколько упрощенно, то можно сказать, что при спокойном дыхании воздушный поток имеет прямолинейный характер, в то время как при наличии сопротивления дыханию он становится турбулентным.

В применении к проблемам подводной медицины этот аспект механизма дыхания приобретает особую важность. При ламинарном воздушном потоке, изменяющемся в двух направлениях, можно наблюдать, как воздух в середине воздушной струи будет двигаться быстрее и во время вдоха, и во время выдоха по сравнению с периферическими частями воздушного потока, что является весьма важным с точки зрения образования так называемого мертвого пространства. То, что увеличение плотности воздуха при турбулентном дыхании приводит к возрастанию усилия, затрачиваемого на его осуществление, Приобретает особую важность, если мы вспомним о том, что по мере увеличения глубины погружения человека в воду плотность вдыхаемого воздуха возрастает.

Смотрите также