Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

11.1: Огляд

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    74664

    • Boundless
    • Boundless
    \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    навчальні цілі

    • Інтерпретуйте кровоносну систему з точки зору ваших знань про динаміку рідини

    Ми обговорили багато ситуацій, коли рідини є статичними, хоча існує багато ситуацій, коли рідини течуть. Наприклад, стовп диму піднімається з вогнища табору, струмені води з пожежного шланга, кров тече по ваших венах. Чому піднімається дим скручується і крутиться? Як форсунка збільшує швидкість води, що виходить зі шланга? Як організм регулює кровотік? Динаміка рідини, фізика рідин в русі, дозволяє відповісти на ці та багато інших питань.

    Застосування в кровоносній системі

    Наприклад, розглянемо кровоносну систему - з'єднаний ряд трубок з рідиною, що протікає через них. Серце є водієм кровоносної системи, генеруючи серцевий викид (СО) ритмічно скорочуючись і розслабляючи. Це створює зміни регіонального тиску і (в поєднанні зі складною клапанною системою в серці і венах) забезпечує рух крові по кровоносній системі в одному напрямку. «Биття» серця породжує пульсуючий кровотік, що проводиться в артерії через мікроциркуляцію, а потім назад через венозну систему до серця.

    Аорта, основна артерія, виходить з лівого боку серця і переходить до поділу на більш дрібні і менші артерії, які спочатку стають артеріолами і з часом стають капілярами, через які відбувається перенесення кисню. Капіляри з'єднуються з венулами, в які дезоксигенізована кров переходить з клітин назад в кров. Потім кров повертається назад по мережі вен до правого серця. Мікроциркуляція (артеріоли, капіляри і венули) становить більшу частину площі судинної системи і є місцем перенесення О 2 в клітини.

    Венозна система повертає деоксигенаційну кров до правого серця, де вона перекачується в легені, щоб стати киснем. Тут також відбувається обмін CO 2 та інші газоподібні відходи під час дихання. Потім кров повертається в ліву частину серця, де вона починає процес знову. Серце, судини і легені беруть активну участь у підтримці здорових клітин і органів, і всі впливають на динаміку рідини крові.

    Рідини та дифузія

    Тепер розглянемо, як поживні речовини транспортуються по організму людини. Дифузія - це рух речовин за рахунок випадкового теплового молекулярного руху. Рідини можуть навіть розсіюватися через тверді речовини (такі як пари або запахи, що потрапляють в кубики льоду). Дифузія є домінуючим механізмом, за допомогою якого відбувається обмін поживними речовинами і продуктами життєдіяльності між кров'ю і тканиною, а також між повітрям і кров'ю в легенях. В еволюційному процесі, коли організми стали більшими, вони потребували більш швидких методів транспортування, ніж чиста дифузія, через більші відстані, що беруть участь у транспортуванні. Цей фактор призводить до розвитку кровоносних систем. Менш складні, одноклітинні організми все ще повністю покладаються на дифузію для видалення відходів і поглинання поживних речовин.

    Іншою важливою формою руху рідини є осмос - транспортування води через напівпроникну мембрану (показано на) з області високої концентрації до області низької концентрації. Це обумовлено дисбалансом концентрації води. Аналогічно діаліз - це транспорт будь-якої іншої молекули через напівпроникну мембрану завдяки різниці її концентрацій. І осмос, і діаліз використовуються нирками для очищення крові, а медичне застосування діалізу за допомогою апаратів має важливе значення при лікуванні осіб з порушенням функції нирок.

    зображення

    Напівпроникна мембрана: напівпроникна мембрана з дрібними порами, які пропускають лише невеликі молекули.

    Швидкість потоку і швидкість

    Швидкість потоку та об'ємні витрати є важливими величинами в динаміці рідини, що використовуються для кількісної оцінки руху рідини і взаємопов'язані.

    навчальні цілі

    • Оцініть значущість вивчення об'ємного потоку на додаток до швидкості потоку

    Динаміка рідини - це дослідження рідин в русі і відповідних явищ. Рідина в русі має швидкість, так само, як твердий об'єкт в русі має швидкість. Як і швидкість твердого тіла, швидкість рідини - це швидкість зміни положення в одиницю часу. У математичному плані швидкість рідини є похідною вектора положення рідини по відношенню до часу, і тому сама по собі є векторною величиною. Вектор швидкості потоку - це функція положення, і якщо швидкість рідини не постійна, то це також функція часу. Рівняння 1 показує математичний вираз для швидкості рідини в русі. Як векторна величина, швидкість рідини повинна мати принаймні одну ненульову спрямовану складову і може мати до трьох ненульових напрямних компонентів. Вектор швидкості має ненульові складові в будь-якому ортогональному напрямку, по якому відбувається рух рідини.

    зображення

    Швидкість потоку: математичний вираз для швидкості потоку

    Турбулентний потік проти ламінарного потоку

    На швидкість рідини можуть впливати тиск рідини, в'язкість рідини та площа поперечного перерізу контейнера, в якому рухається рідина. Ці фактори впливають на швидкість рідини залежно від характеру потоку рідини, особливо від того, чи є потік турбулентним або ламінарним за своєю природою. У випадку турбулентного потоку швидкість потоку є складною за своєю природою і, отже, важко передбачити; її потрібно аналізувати за системою на основі системи. Однак у випадку з ламінарним потоком потік рідини набагато простіший, і швидкість потоку можна точно розрахувати, використовуючи Закон Пуазейля. В одиницях СІ швидкість потоку рідини виражається в перерахунку на метри в секунду. Величина швидкості потоку рідини - це швидкість потоку рідини. Швидкість потоку рідини ефективно описує все про рух рідини.

    Об'ємний потік

    Окрім швидкості потоку, об'ємна швидкість потоку є важливою величиною в аналізі динаміки рідини. Об'ємний потік визначається як обсяг рідини, яка проходить через задану поверхню за одиницю часу. Якісно на малюнку 1 показано поняття об'ємної витрати щодо поверхні поперечного перерізу площі А. Математично об'ємна витрата є похідною від обсягу рідини, яка проходить через задану поверхню щодо часу; в одиницях СІ це виражається у вигляді метрів/кубів в секунду. Об'ємна швидкість потоку пов'язана з вектором швидкості потоку як поверхневим інтегралом по відношенню до поверхні, про яку йде мова. Якщо площа поверхні, про яку йде мова, є плоским перерізом, поверхневий інтеграл зменшується, як показано в Рівнянні 2, де A - площа поверхні даної поверхні, а v - швидкість потоку рідини.

    зображення

    Об'ємна швидкість потоку: об'ємний інтеграл поверхні швидкості потоку та його спрощення

    зображення

    Швидкість потоку - Об'ємне співвідношення швидкості потоку: Цей малюнок показує зв'язок між швидкістю потоку та об'ємною швидкістю потоку.

    Більше того, лише складова швидкості потоку, паралельна поверхні нормальної поверхні, про яку йде мова, або, альтернативно, складова швидкості потоку, перпендикулярна поверхні, про яку йде мова, сприяє об'ємній швидкості потоку. Рисунок 1 та Рівняння 2 ілюструють розкладання вектора швидкості потоку, складаючи кут θ щодо нормалі поверхневої площини, щоб обчислити об'ємну швидкість потоку через цю поверхню. Таким чином, об'ємний витрата для заданої швидкості рідини та площі поперечного перерізу збільшується, коли θ зменшується, і максимізується, коли θ = 0. Об'ємна швидкість потоку є важливою скалярною величиною в динаміці рідини і широко використовується при вимірюванні витрати рідини. Об'ємна швидкість потоку може бути перетворена в масову витрату, якщо відома щільність рідини. Потік рідин через замкнуту систему часто аналізується як гідравлічний контур, аналогічний потоку електронів в електронній схемі, де: 1) об'ємний потік рідини аналогічний електричному струму, 2) тиск аналогічний напрузі, а 3) швидкість рідини аналогічна щільності струму.

    Ключові моменти

    • Існує багато рідин у біології, і розуміння їх поведінки в русі має вирішальне значення для ефективної медицини.
    • Серце перекачує рідину, кров, по всій серії трубок в організмі.
    • Циркуляцію можна зрозуміти за допомогою дослідження динаміки рідини.
    • Дифузія є домінуючим механізмом, за допомогою якого відбувається обмін поживних речовин і продуктів життєдіяльності між кров'ю і тканиною, а також між повітрям і кров'ю в легенях.
    • І осмос, і діаліз використовуються нирками для очищення крові, а медичне застосування діалізу за допомогою апаратів має важливе значення при лікуванні осіб з порушенням функції нирок.
    • Швидкість потоку - векторна величина, яка використовується для опису руху рідини. Його можна легко визначити для ламінарного потоку, але складно визначити для турбулентного потоку.
    • Об'ємна витрата - це обсяг рідини, яка проходить через задану поверхню за одиницю часу. Він знаходиться по швидкості потоку і площі поверхні, через яку проходить рідина.
    • Потік рідини через замкнуту гідравлічну систему аналізується так само, як потік електронів через електронну схему - де об'ємна швидкість потоку аналогічна струму, швидкість потоку аналогічна щільності струму, а тиск аналогічний напрузі (електричний потенціал).

    Ключові умови

    • судинні: З, що відносяться до, або містять судини, які проводять або циркулюють рідини (наприклад, кров, лімфа, або сік) через тіло тварини або рослини.
    • осмос: Чистий рух молекул розчинника з області з високим потенціалом розчинника в область з нижчим потенціалом розчинника через частково проникну мембрану.
    • діаліз: метод поділу молекул або частинок різного розміру шляхом диференціальної дифузії через напівпроникну мембрану.
    • Ламінарний потік: Нетурбулентний рух рідини, в якій паралельні шари мають різні швидкості відносно один одного.
    • Турбулентний потік: Рух рідини, що має місцеві швидкості та тиск, які коливаються випадковим чином.

    ЛІЦЕНЗІЇ ТА АВТОРСТВА

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ КОНТЕНТ, РАНІШЕ ДІЛИВСЯ

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ ВМІСТ, СПЕЦИФІЧНА АТРИБУЦІЯ