Биомеханика внешнего дыхания

Газообмен между альвеолярной газовой смесью и атмосферным воздухом, обеспечивающий эффективную диффузию кислорода и углекислого газа через альвеолокапиллярную мембрану (Рис. 1.), осуществляется благодаря работе аппарата вентиляции, который состоит из двух анатомофизиологических образований: грудной клетки с дыхательными мышцами и легких с дыхательными путями. Грудная клетка представляет собой жесткий подвижный футляр для легких, сердца и сосудов, обладающий упругостью. Грудная клетка активно изменяет свой объем посредством сокращения диафрагмы и других дыхательных мышц. При сокращении диафрагмы ее купол уплощается и смещается в сторону брюшной полости, что приводит к увеличению объема грудной клетки, а вслед за нею и легких. Согласно закону Бойля-Мариотта (), увеличение объема легких неизбежно сопровождается понижением давления внутри них. Оно становится ниже атмосферного (примерно на 6 мм рт.ст., т.е. на 0,8 Па при форсированном вдохе) и воздух засасывается внутрь легких в альвеолы. Так совершается вдох.

При вдохе воздух поступает в трахею и затем по бронхам достигает альвеол. Все дыхательные пути в совокупности составляют так называемую разветвленную дыхательную трубку(рис. 1.). В ней рассчитывают суммарные поперечные се­чения каждой генерации бронхов. Наименьшей площадью поперечного сечения обладает трахея (в среднем 2,54 у взрослого человека). Суммарное сечение двух главных (левого и правого) бронхов больше этой величины. По направлению к альвеолам суммарное сечение каждой последующей генерации бронхов стано­вится все больше. Так, площадь суммарного сечения всех бронхов 16-й генерации достигает 180 , а всех альвеолярных мешочков — 11 800 . Для сплошного потока воздуха по воздухоносным путям животных и человека в физиологических условиях выполняетсяусловие неразрывности струи: при сплошном течении несжимаемой среды через любое сечение струи в единицу вре­мени переносятся одинаковые объемы перемещаемой среды (в данном случае воз­духа). Применительно к разветвленной дыхательной трубке это означает, что ве­личина (объемная скорость воздушного потока) одинакова во всех ее сум­марных поперечных сечениях (на уровне каждой генерации).

Между объемной (Q) и линейной (v) скоростями воздушного потока установлена следующая зави­симость: , где S —

площадь суммарного сечения данной генерации бронхов. Отсюда следует вывод, что линейная скорость воздушного потока неодинакова в разных местах разветвленной дыхательной трубки: в трахее — наибольшая (по­рядка ), в бронхах 16-й генерации — , в альвеолярных мешоч­ках — менее . Последняя величина меньше скорости диффузии возду­ха. Поэтому считают, что на последних 7 мкм воздухоносных путей воздух посту­пает к альвеолам по законам диффузии, а не конвекции (как на протяжении всех предыдущих участков разветвленной дыхательной трубки).

При спокойном дыхании глубина вдоха на 70—80% обеспечивается сокраще­нием диафрагмы, а на 20—30% — сокращением наружных межреберных мышц. Усиление дыхания связано с включением в работу вспомогательных дыхательных мышц (мышц шеи и плечевого пояса, прикрепляющихся к грудной клетке). Они могут способствовать форсированию как вдоха, так и выдоха. В форсированный выдох наибольший вклад вносят внутренние межреберные мышцы и мышцы жи­вота (брюшной пресс). При спокойном дыхании сокращение дыхательных мышц обеспечивает только вдох, тогда как выдох совершается пассивно — за счет воз­никновения (при вдохе) силы упругости как в легких, так и в тканях грудной клет­ки. Мощность дыхательной мускулатуры при спокойном дыхании составляет 0,05 Вт, а при форсированном дыхании возрастает на порядок. В первом случае на энергообеспечение дыхательных мышц затрачивается всего 2%, тогда как во вто­ром — более 20% поглощенного организмом кислорода.