Кровь – неньютоновская жидкость

То, что кровь является неньютоновской жидкостью, обусловлено в наибольшей степени тем, что она обладает внутренней структурой, представляя собой суспензию форменных элементов в растворе – плазме. Плазма – практически ньютоновская жидкость. Поскольку 93% форменных элементов составляют эритроциты, то при упрощенном рассмотрении кровь – это суспензия эритроцитов в физиологическом растворе. Характерным свойством эритроцитов является тенденция к образованию агрегатов. Если нанести мазок крови на предметный столик микроскопа, то можно видеть, как эритроциты «склеиваются» друг с другом, образуя агрегаты, получившие название «монетных столбиков». Условия образования агрегатов различны в крупных и мелких сосудах. Это связано в первую очередь с соотношением размеров сосуда, агрегата и эритроцита (характерные размеры: d _эр» 8 мкм, d _агр» 10 · d _эр» 80 мкм).

Здесь возможны варианты (рис. 2).

1. Крупные сосуды (аорта, артерии): d _сос > d _агр, d _сос >> d _эр. При этом градиент скорости  небольшой, эритроциты собираются в агрегаты в виде монетных столбиков (рис.2а). В этом случае вязкость крови h = 0,005 Па×с.

Рис.2а

2. Мелкие сосуды (мелкие артерии, артериолы): d _сос» d _агр, d _сос = (5 ¸ 20) d _эр. В них градиент  значительно увеличивается и агрегаты распадаются на отдельные эритроциты (рис. 2б), тем самым уменьшая вязкость системы. Для этих сосудов, чем меньше диаметр просвета, тем меньше вязкость крови. В сосудах диаметром d _сос» 5 d _эр вязкость крови составляет примерно 2/3 вязкости крови в крупных сосудах.

 

Рис.2б

3. Микрососуды (капилляры): d _сос < d _эр. В живом сосуде эритроциты легко деформируются, становясь похожими на купол (рис.2в), и проходят, не разрушаясь, через капилляры даже диаметром 3 мкм. В результате поверхность соприкосновения эритроцитов со стенкой капилляра увеличивается по сравнению с недеформированным эритроцитом, способствуя обменным процессам.

 

Рис.2в

Таким образом, внутренняя структура крови, а, следовательно, и ее вязкость, оказывается неодинаковой вдоль кровеносного русла в зависимости от условий течения. Кровь является неньютоновской жидкостью. Зависимость силы вязкости от градиента скорости для течения крови по сосудам не подчиняется формуле Ньютона и является нелинейной.

Вязкость крови возрастает как с ростом числа эритроцитов, так и с увеличением их объема, например, когда в крови повышается содержание СО₂ (явление Гамбургера). Отсюда понятно, что венозная кровь менее текуча, чем артериальная.

Изменение вязкости крови – одна из причин изменения скорости оседания эритроцитов (СОЭ).

Вязкость крови человека обычно колеблется от 4 до 5 мПа×с, а при патологии может изменяться от 1,7 до 22,9 мПа×с. Вязкость крови имеет диагностическое значение. При некоторых инфекционных заболеваниях вязкость крови увеличивается, а при туберкулезе, например, уменьшается.

Для сравнения в таблице 1 приведены коэффициенты вязкости некоторых жидкостей, здесь же указана температура, при которой измерялась вязкость, так как температура оказывает весьма значительное влияние на вязкость.

 

Таблица 1. Коэффициенты вязкости некоторых жидкостей

Жидкость	Температура, °С	Коэффициент вязкости h, 10-3 Па×с
Вода	0	1,8
	20	1,0
	100	0,3
Кровь	37	» 4
Плазма крови	37	» 1,5
Глицерин	20	1500
Этиловый спирт	20	1,2

 

Режимы течения крови

Режимы течения жидкости разделяют на ламинарное и турбулентное. Ламинарное течение – это упорядоченное течение жидкости, при котором она перемещается как бы слоями, параллельными направлению течения. Частицы жидкости движутся по гладким параллельным траекториям.

С увеличением скорости движения ламинарное течение переходит в турбулентное течение, при котором происходит интенсивное перемешивание между слоями жидкости, в потоке возникают многочисленные вихри различных размеров. Частицы совершают хаотические движения по сложным траекториям. Для турбулентного движения характерно чрезвычайно нерегулярное, беспорядочное изменение скорости со временем в каждой точке потока.

Режим течения жидкости характеризуется числом Рейнольдса Re. Для течения жидкости по круглой трубе:

,                                                           (2)

где R - радиус трубы, v - скорость течения, r - плотность жидкости, h - коэффициент вязкости. Когда значение Re меньше критического Re _кр » 2300, течение жидкости является ламинарным; если Re > Re _кр, то течение становится турбулентным.

 

Гемодинамические показатели

Гемодинамика – один из разделов биомеханики, изучающий законы движения крови по кровеносным сосудам. Задача гемодинамики – установить взаимосвязь между основными гемодинамическими показателями, а также их зависимость от физических параметров крови и кровеносных сосудов. К основным гемодинамическим показателям относятся давление и скорость кровотока.

Давление P - это сила F, действующая на единичную площадку S _^, перпендикулярную к этой силе:

.                                                          (3)

Объемная скорость Q - это объем жидкости, протекающей через сечение трубы в единицу времени:

,                                                          (4)

единица измерения (м³/с).

Линейная скорость v - путь, пройденный в единицу времени:

,                                                               (5)

единица измерения (м/с).

Линейная и объемная скорость связаны соотношением:

,                                            (6)

где S - площадь поперечного сечения потока жидкости.

     Так как жидкость несжимаема (плотность жидкости постоянна), то через любое сечение трубы в единицу времени протекает одинаковый объем жидкости:

.                                                 (7)

 

Уравнение (7) называется условием неразрывности струи. Оно вытекает из закона сохранения массы для несжимаемой жидкости. Уравнение неразрывности струи относится к движению всякой жидкости, в том числе и вязкой. При описании физических законов течения крови по сосудам вводится допущение, что количество циркулирующей крови в организме постоянно. Отсюда следует, что объемная скорость кровотока в любом сечении сосудистой системы также постоянна .

Формула Пуазейля

Если бы жидкость не обладала вязкостью, то для ее течения по горизонтальной трубе не требовалось бы прилагать никакую силу. Но вследствие вязкости течение любой реальной жидкости в трубе возможно лишь тогда, когда между концами трубы создана разность давлений.

Рис.3

Рассмотрим установившееся ламинарное течение жидкости внутри цилиндрической трубы с внутренним радиусом R (рис.3). Из симметрии ясно, что в трубе частицы текущей жидкости, равноудаленные от оси, имеют одинаковую скорость. Вследствие сил сцепления между молекулами жидкости и стенками трубы скорость жидкости у стенок равна нулю. Скорость каждого следующего слоя из-за вязкого трения между ними лишь немного больше, чем скорость предыдущего слоя. Для определения зависимости скорости от расстояния, отсчитываемого от оси трубы, выделим мысленно цилиндрический объем жидкости некоторого радиуса r и длины L (рис.4). На этот цилиндр за счет разности давлений на концах трубы D P = Р ₁ – Р ₂ действует сила

,                                                        (8)

где p r ² – площадь торца цилиндра.

Рис.4

     Движение цилиндра жидкости тормозится силой вязкого трения между ним и прилегающим к нему слоем, величина силы определяется формулой (1), где в качестве S берется площадь боковой поверхности цилиндра :

,                                       (9)

Так как жидкость движется равномерно, то силы, действующие на цилиндр взаимно компенсируются F_тр = F. Тогда с учетом (1) и (9) получим

                                                (10)

Проинтегрировав это уравнение, найдем зависимость v (скорости слоев жидкости) от r (расстояния их от оси трубы), с учетом того, что v = 0 при r = R:

,

,

 .                                      (11)

Наибольшая скорость v достигается на оси трубы (r = 0), она пропорциональна квадрату радиуса трубы, а также градиенту давления .

Найдем объемную скорость жидкости Q. Поскольку скорость v в поперечном сечении непостоянна, разделим (рис.5) поперечное сечение трубы на узкие кольца шириной dr, вычислим объемную скорость жидкости для каждого из этих колец и просуммируем по всем кольцам, чтобы получить объемную скорость через все сечение трубы. Площадь узкого кольца на рис.5 равна произведению длины окружности 2p r на ширину dr:

.

 

Рис.5

Так как скорость жидкости v зависит только от r, в пределах одного кольца ее можно считать постоянной. Таким образом, объемная скорость жидкости, протекающей через узкое кольцо за 1 секунду, запишется в виде:

                                                (12)

Подставляя уравнение (11) в (12) получаем

.                                       (13)                                                 

Интегрируя по всему сечению, находим объемную скорость жидкости в трубе

  

 

                                                                                                 (14)

Эта зависимость известна под названием формулы Пуазейля. Решим уравнение Пуазейля относительно :

                                                  (15)

и, обозначив сомножитель

,                                                  (16)

запишем

.                                                 (17)

При такой записи уравнение Пуазейля сходно с законом Ома:

.                                                   (18)

Разность давлений на концах сосуда  аналогична напряжению U, объемная скорость кровотока Q - силе тока I, величина , называемая гемодинамическим сопротивлением – электрическому сопротивлению R.

Аналогия, существующая между законами Ома и Пуазейля, позволяет моделировать кровообращение при помощи электрических цепей. Электрическое моделирование сердечно-сосудистой системы применяется при создании аппаратов искусственного кровообращения, в протезировании сердца и других работах.

     Анализ уравнения Пуазейля, записанного в форме (15), показывает, что кровяное давление зависит от объемной скорости кровотока и, следовательно, от массы циркулирующей крови и сократительной деятельности миокарда, определяющих эту скорость. Еще более выраженное влияние на динамику кровяного давления оказывает гемодинамическое сопротивление и, прежде всего, радиус сосуда. Согласно формуле Пуазейля, объемная скорость жидкости Q пропорциональна четвертой степени радиуса трубы R, таким образом, даже небольшое изменение радиуса трубы приводит к значительному изменению Q.

     Пример зависимости Q = f (R ⁴) можно найти в системе кровообращения человеческого организма. Поскольку формула Пуазейля справедлива лишь для течения несжимаемой жидкости с постоянной вязкостью h, она не может в точности выполняться для крови. Тем не менее, в этом случае формула Пуазейля является достаточно хорошим приближением. Поток крови в организме регулируется крошечными мышцами, окружающими сосуды. При сокращении этих мышц диаметр сосуда уменьшается и поток, который в соответствии с формулой (14) пропорционален R ⁴, резко сокращается уже при небольшом уменьшении радиуса. Таким образом, едва заметными сокращениями этих мышц очень точно контролируется поступление крови к различным органам. Однако, если вследствие атеросклероза (затвердевания стенок сосудов) и отложений холестерина радиус сосудов уменьшается, то для поддержания нормального кровотока требуется более высокий градиент давления. Если радиус сосудов уменьшится вдвое, то сердцу придется увеличить давление в 16 раз. В таких условиях сердце работает с перегрузкой, но, как правило, уже не может обеспечить требуемую величину потока, т.е. нормальное кровообращение.

Таким образом, повышенное артериальное давление указывает на то, что сердце работает с перегрузкой, и на то, что поток крови через артерии ниже нормы. Не случайно регуляция уровня кровяного давления в организме связана с влиянием, прежде всего, на гладко мышечную оболочку кровеносных сосудов в целях активного изменения их просвета. Сюда же направлены основные фармакологические средства нормализации кровяного давления.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ