Табл. 2. 7. 1. Вискозност на някои течности при 20оС

Табл. 2. 7. 1. Вискозност на някои течности при 20^оС.

В ултразвуковия вискозиметър се измерва скоростта и затихването на ултразвукова вълна в изследваната течност, от които се определя търсената вискозност. При вибрационните вискозиметри, в течността се потопява пластинка. В един момент тя се привежда в трептене с постоянна амплитуда. Измерва се енергията, необходима за поддържане на трептенията, от което се определя вискозността на течността.

Съществуват и косвени методи за определяне на вискозността на кръвта. Капка кръв се поставя върху порьозна пластинка, изчаква се да се образува хроматографско петно и по диаметъра на петното се определя _кр. Втори, много по-точен начин е да се измери скоростта на утаяване на еритроцитите (СУЕ) на кръвна проба, смесена с противосъсирващо вещество. Пробата се поставя във вертикална тръбичка и се изчаква определено време за утаяване на еритроцитите. Утаяването става по същия механизъм, както се движи падащото топче при вискозиметъра. Естествено, колкото по-голяма вискозност има кръвта, толкова СУЕ ще бъде по-малка. В действителност, при тези условия еритроцитите се утаяват не като единични клетки, а като монетни стълбове, но въпреки това параметърът СУЕ се използва широко при клиничното изследване на кръвта на болни.

Цялостната кръв е суспензия от кръвни клетки (главно еритроцити) в разтвор, наречен кръвна плазма. Кръвната плазма е изотоничен воден разтвор на соли (главно NaCl) и белтъци (главно албумин). Тя е нютонова течност с вискозност около 1.7 сР, която не зависи от скоростта на течене. Кръвта обаче е ненютонова течност, защото нейната вискозност зависи от скоростта й на течене. Това се дължи на способността на еритроцитите да се деформират и агрегират.

Следният експеримент показва кои са основните физични фактори, от които зависи вискозността на кръвта. Нека първо приготвим изотоничен разтвор на NaCl, който съдържа толкова албумин, колкото съдържа и нормалната кръвна плазма. След това нека добавим порция изолирани еритроцити към този разтвор. В така получената еритроцитна суспензия еритроцитите не агрегират, т.е., те са разделени един от друг. С добавянето на все повече еритроцити, обемната плътност (хематокрита) на получената суспензия нараства, нараства и вискозността  на получената суспензия (фиг. 2.7.2). При хематокрит 45 %, равен на този на кръвта, суспензията има вискозност 4.5 сР, което съвпада с вискозността на цялостната кръв, съдържаща единични, неагрегирали клетки. Ако обаче добавяните еритроцити са предварително затвърдени (например, фиксирани с глутаралдехид), то вискозността на получената суспензия е много по-голяма от тази на кръвта (фиг. 2.7.2). Този експеримент показва, че вискозността на кръвта, съдържаща неагрегирали клетки, зависи главно от два фактора: количеството на еритроцитите в кръвта и тяхната деформируемост.

Деформацията на еритроцитите, настъпваща в големите кръвноносни съдове и кръвоносните капиляри е еластична, т.е, напълно обратима. Еритроцитите поддържат своята форма на двойно вдлъбнати дискоцити като изразходват химичната енергия на АТФ. Обратимата деформируемост на еритроцитите е основен фактор за нормалното кръвообръщение и зависи от следните три величини:

а) вискозността на цитоплазмата - при нарастване концентрацията на хемоглобина тя нараства;

б) деформируемостта на самите мембрани. Нормалната еритроцитна мембрана има строеж, осигуряващ висока деформируемост и еластичност. При много заболявания, тези параметри се влошават.

в) от съотношението площ на мембраната/обем на клетката. Самата мембрана е неразтеглива, обаче нейната площ е твърде голяма, което позволява значителни промени на формата и обема на клетката без разкъсване на мембраната. При по-голямо съотношение площ на мембраната/обем на клетката, клетката има запас от здравина. Такива клетки хемолизират при по-голяма хипотоничност, т.е, имат висока осмотична резистентност.

Деформируемостта на еритроцитите и еритроцитните мембрани се измерва чрез следните методи:

1) Под действието на определено налягане порция кръв се прекарва през филтър, който има пори с размер малко по-малък от диаметъра на еритроцитите. Колкото повече кръв се филтрира за единица време през филтъра, толкова деформируемостта на клетките е по-голяма.

2) Под микроскоп и с помощта на микроманипулатор, до определен еритроцит се допира микропипета (фиг. 2.6.4). В микропипетата се създава подналягане при което част от еритроцита се засмуква. Дължината на засмуканата част (т.н. език) се измерва и по нея се изчислява деформируемостта на клетката и нейната мембрана.

Белият дроб представлява грозд от многобройни алвеоли, които са свързани помежду си и с атмосферата посредством система от тръби (бронхи и трахея) – фиг. 2.8.1. Активната част на белия дроб са алвеолите, защото те могат да си менят обема, поемайки или отдавайки въздух от и към атмосферата. Стената на алвеолите е тънка, като едната й страна се обмива с кръв, а другата е в контакт с атмосферния въздух. Това подпомага дифузията на газове (О₂ и СО₂) от и към кръвта. Белодробното дишане е цикличен процес на свиване и разширение на алвеолите при което става една непрекъсната вентилация на алвеолите. Този процес може да бъде моделиран и описан най-добре със законите и понятията на физиката.

От вътрешната си страна алвеолите са покрити с тънък слой вода, който играе основна роля в механизма на дишането. Това се обяснява със силите на повърхностното напрежение в този слой и налягането, което те създават. Между молекулите на една течност действат големи сили на привличане. За една молекула, намираща се вътре в обема течност, тези сили се уравновесяват взаимно. Ако молекулата е разположена на повърхността, част от действащите върху нея сили остават неуравновесени. Резултантната сила е насочена навътре към течността и се стреми да свие течността до обем имащ минимална площ (сфера). Количествено, тези повърхностни междумолекулни сили се характеризират с величината повърхностно напрежение , равно на работата, която е нужна да се извърши срещу тези сили за да се увеличи площта с единица. За сферична повърхност с радиус r, силите на повърхностното напрежение създават налягане, което съгласно формулата на Лаплас е p = 2.  / r.

Повърхностното напрежение  на една течност може да бъде силно намалено, ако в течността се разтворят т.н. повърхностно-активни вещества (ПАВ – сапуни, детергенти, флокуланти, сърфактанти). Молекулите на повърхностно-активните вещества се концентрират предимно по повърхността, като я правят по-хидрофобна, което намалява .


Фиг. 2. 8. 2. Механичен модел на бял дроб.

Разширяването и свиването на белия дроб (алвеолите) може да се моделира чрез работата на едно духало, уред за разпалване на огъня в ковачниците. Всяко едно духало работи на два етапа, поемане на въздух – издухване на въздух (фиг. 2.8.2). Първият етап – поемането на въздух е активен етап, през който външната сила F разширява меха преодолявайки еластичното съпротивление на пружината. При това разтягане на пружината в нея се запасява механична енергия под формата на енергия на еластична деформация. По време на този етап мехът се раздува, в него се създава подналягане (дихателно подналягане), което всмуква въздух през хидравличното съпротивление на въздухопровода R. Така, освен еластичното съпротивление, през този етап силата F трябва да преодолява и хидравличното съпротивление на въздухопровода. Съответно, изразходваната от силата енергия се разделя на две части – еластична загуба на енергия за преодоляване на еластичните сили в пружината и вискозна загуба на енергия за преместване на въздушните молекули от атмосферата вътре в меха. Вторият етап на дишането е пасивен, тогава силата F отпада, свиването на меха и издухването на въздуха става за сметка на енергията, запасена в еластичната деформация на пружината. Тази енергия се изразходва изцяло за изтласкване на въздуха от меха, при което се преодолява хидравличното съпротивление на въздухопровода.

По-реалистичен модел на белия дроб е показан на фиг. 2.8.3. Както при духалото, белият дроб също работи на два етапа, вдишване – издишване, между които има състояние на покой и почивка. Белият дроб се намира вътре в т. н. плеврална кухина. Тя е заградена от въздухонепроницаема стена – плевра и съдържа разреден въздух. За плевралната кухина важи закона на Бойл – Мариот, според който произведението от налягането P и обема V на идеален газ е постоянна величина: p.V = const. Водният слой, разположен от вътрешната страна на всеки един алвеол с радиус r, създава повърхностно напрежение  и съответно центростремително налягане p = 2./r, което се стреми да свие този алвеол. Когато белият дроб е в покой, това налягане свива алвеолите. С това се увеличава обема на плевралната кухина и според закона на Бойл-Мариот налягането в нея пада. Така в плевралната кухина се създава подналягане (отрицателно налягане) с големина около -5 см воден стълб - плеврално налягане - Р_пл. В това се състои главната роля на водния слой на алвеолите в механизма на дишането.

Част от плеврата е свързана за т.н. подвижни елементи на гръдния кош (фиг. 2.8.3), които включват междуребрените мускули и диафрагмата. Когато подвижните елементи се задействат, плевралната кухина се раздува. Това става по време на вдишването (първия етап на белодробното дишане). Тогава действа мускулната сила F, която разширява още повече плевралната кухина и понижава още повече плевралното подналягане Р_пл примерно от началното –5 до крайното около –10 см воден стълб. Това от своя страна разширява алвеолите и създава в тях подналягане, наречено дихателно налягане Р_дих, което нараства от 0 (в покой) до около –5 см воден стълб. Това създава трансмурално налягане, което разширява алвеолите и те започват да поемат атмосферен въздух през хидравличното съпротивление R. Както при духалото, през този етап мускулната сила F преодолява две съпротивления - едното чисто еластично съпротивление, произхождащо от еластичната деформация на тъканите на гръдния кош и друго едно, което има изцяло вискозен характер (вискозно съпротивление). От своя страна вискозното съпротивление включва хидравличното съпротивление R на въздухопровода, повърхностното напрежение на водния слой в алвеолите и съпротивлението на вискозната деформация на тъканите на гръдния кош.

През втория етап (издишване), мускулната сила F отпада. Както при духалото, енергията запасена в еластичната деформация на тъканите се изразходва за свиване на плевралната кухина, свиване на алвеолите и изтласкване на част от въздуха в тях към атмосферата. През този етап важна роля играе и налягането, създавано от повърхностното напрежение на водния слой на алвеолите, което подпомага свиването на алвеолите и изтласкването на въздуха в тях навън към атмосферата.

Енергията Е, изразходвана при един цикъл вдишване-издишване е равна на работата, извършена от мускулите за този цикъл. Тя може да се определи от pV-диаграмата на белия дроб. Тази диаграма дава зависимостта между общия обем на алвеолите (обема на белия дроб) V и дихателното налягане Р_дих (фиг. 2.8.4). Тази диаграма се получава с помощта на т.н. апарат “железен бял дроб”, използван за диагностика на белия дроб на пациентите. Пунктирната права линия показва зависимостта между V и Р_дих при свиване и разширение на алвеолите, ако съпротивлението преодолявано от мускулната сила F имаше чисто еластичен характер. В действителност, това съпротивление има както еластичен, така и вискозен характер. При разширяване на алвеолите в началната зона А върху рV-диаграмата на белия дроб (фиг. 2.8.4) се преодоляват главно силите на повърхностното напрежение на водния слой. В крайната зона Б рязко нарастват силите, породени от еластичната деформация на стените на алвеолите. Свиването на алвеолите се подпомага от същите сили, но взети в обратен ред. Кривите на вдишване и издишване не съвпадат, получава се т.н. хистерезис. Причината за това е в наличието на необратими, вискозни загуби на енергия при дишането.

Работата Е, която се извършва от мускулите на гръдния кош при една малка промяна на обема на белия дроб с V се дава с израза Е = Р_дих.V. Общата работа, която се извършва по време на вдишване за преодоляване на еластичното съпротивление се дава с точкуваната площ върху pV-диаграмата на Фиг. 2.8.3. Тази работа отговаря за еластичната загуба на енергия. Тази енергия се изразходва от мускулите през активния етап на вдишване и се запасява в еластичната деформация на тъканите. При белия дроб, както и при духалото, тази запасена енергия се връща обратно и се изразходва през следващия етап на издишване. Друга част от енергията на мускулите се изразходва за преодоляване на нееластичното (вискозно) съпротивление. Тя се дава със защрихованата площ на фигурата и отговаря на вискозната загуба на енергия. Общата изразходвана от мускулите енергия за двата етапа е равна на сбора от еластичната енергия, изразходвана през първия етап, и вискозната енергия изразходвана през втория етап. Тези енергийни загуби - еластична, вискозна и обща се определят чрез апарата «железен бял дроб» с цел правилната диагностика на някои белодробни заболявания.

На фиг. 2.8.5. е показано съотношението между двата вида загуби на енергия, когато се диша с различна честота. Общата загуба на енергия има минимум при около 15 дишания в минута, което съвпада с нормалната честота на дишане. При някои белодробни заболявания нараства единия от двата вида загуби, което променя ритъма и дълбочината на дишане.



Фиг. 2. 8. 4. Зависимост на обема на белия дроб от дихателното подналягане за един цикъл вдишване – издишване.

Разтягането на даден алвеол се обяснява по същия начин, както и разтягането на кръвоносен съд. Върху стената на алвеола също се създава трансмурално налягане Р_тр, което е равно на разликата между налягането от двете страни на стената, т.е. Р_тр = Р_пл - Р_дих, където Р_пл е подналягането в плеврата, а Р_дих е подналягането в алвеола. За да се разшири алвеолът, трансмуралното налягане трябва да преодолее сбора от двете налягания, едното създадено от повърхностното напрежение на водния слой (налягане на Лаплас 2./r) и второто, създадено от еластичната деформация на стената на алвеола. Трансмуралното налягане разширява, докато тези две налягания се стремят да свият алвеола. Налягането на еластичната деформация се поражда от еластичното тангенциално разтягане на стената на алвеола и се дава с формулата 2._вътр. b/r. Тази формула се извежда от представената по-горе формула за трансмуралното налягане в кръвоносен съд. В нея _вътр е вътрешното напрежение в стената на алвеола, b – дебелина на стената на алвеола и r – радиус на алвеола. В състояние на максимално разширение, както и при максимално свиване на алвеола, силите действащи върху неговата стена са винаги в равновесие, което се изразява със следното уравнение:

Белият дроб обаче съдържа алвеоли с различен радиус, свързани помежду си. От тук центростремителното лапласово налягане 2./r, което те създават, е по-голямо в алвеолите с по-малък радиус спрямо това в по-обемистите алвеоли. По-голямото лапласово налягане на малките алвеоли ще преодолее по-малкото лапласово налягане в големите алвеоли, като първите ще започнат да се свиват и да прехвърлят съдържащия се в тях въздух в по-големите алвеоли. Поради това по-големите алвеоли ще се разширят и налягането в тях ще намалее още повече. Това ще доведе до прехвърляне на нови порции въздух от по-малките към по-големите алвеоли. Този самоускоряващ се процес ще продължи до момента когато всички малки алвеоли се самоизключат от дишането, което силно ще намали общата площ на белия дроб.

Тази тенденция на неустойчивост на алвеолите с различен радиус води до колапс на малките алвеоли. Тя се избягва с помощта на специални повърхностно-активни вещества, т.н. сърфактанти. Те се съдържат в еднаква концентрация във повърхностния воден слой на всички алвеоли - големи и малки. Сърфактантите изпълняват две задачи: 1) понижават лапласовото налягане и 2) премахват тенденцията към колапс на малките алвеоли. Как става това? Когато един малък алвеол започне да се свива, лапласовото му налягане нараства пропорционално на 1/r, а площта на неговия воден слой намалява пропорционално на r². Поради това повърхностната концентрация на сърфактанта силно нараства (той се концентрира върху по-малка площ!) и налягането в тях спира да нараства. При големите алвеоли е обратно – разширението води до разреждане на сърфактанта и налягането в тях спира да намалява. Това прекратява тенденцията на свиване на малките алвеоли и запазва площта на белия дроб. В добавка, понижавайки , сърфактантите улесняват дишането, защото намаляват съпротивлението в началния участък на p-V диаграмата. При някои заболявания обаче, например при някои новородени деца, количеството на сърфактантите или тяхната ефективност са намалени, от тук най-малките алвеоли не участват в дишането и новороденото не може да поема достатъчно кислород.

Частици, суспендирани в определена среда, могат да бъдат отделени от нея чрез седиментация (утаяване) и центрофугиране, при условие че имат плътност  различна от тази на плътността _o на средата. При частици, по-малки от около 0.5 м, брауновото движение е съществено и пречи на тяхното утаяване, ето защо те могат да се отделят само със центрофугиране. При утаяването, движеща сила за отделянето е теглото на частиците G = .V.g, а при центрофугирането - центробежната сила F_цф = .V.².r, породена от въртенето на суспензията (фиг. 2.9.1). Тук g е земното ускорение, V е обемът на частиците,  - ъгловата скорост на въртене и r – разстоянието от частицата до оста на въртене. На движещата сила противодейства подемната сила на Архимед F_a, която при утаяването е равна на _o.V.g, а при центрофугирането на _o.V.².r. Резултантната сила, действаща върху частиците ще бъде: