biofizyka.docx

(1429 KB) Pobierz

30 października 2006

 

Podstawy mechaniki płynów - biofizyka układu krążenia

 

 

Ciecze i gazy to płyny

 

ü       Zmieniają kształt pod wpływem znikomo małych sił

ü       Nie posiadają sprężystości kształtu, posiadają sprężystość objętości

ü       Stan stały - duże moduły sprężystości objętościowej i postaciowej

ü       Stan ciekły - mniejszy moduł sprężystości objętościowej, bardzo mały postaciowej

ü       Stan gazowy – mały moduł sprężystości objętościowej brak postaciowej

 

Lepkość

ü       Ruch płynów nazywamy przepływem

ü       Przepływ jest stacjonarny, gdy w określonym punkcie przestrzeni prędkość przepływu jest stała niezależnie od czasu

ü       Przepływ jest laminarny gdy wszystkie cząstki płynu poruszają się po torach równoległych do siebie

 

Hydromechanika (hydrostatyka, hydrodynamika)

ü       Gazy w odróżnieniu od cieczy muszą znajdować się w stanie sprężonym i odznaczają się dużą ściśliwością

ü       Nie będziemy wnikać w budowę molekularną ale będziemy płyny traktować jako ośrodki ciągłe to znaczy, że gęstość jest ciągłą funkcją współrzędnych przestrzennych

 

Hydrostatyka

ü       Prawo Pascala: Ciśnienie rozchodzi się we wszystkich kierunkach jednakowo, także w cieczach nieściśliwych i nieważkich

ü       Ciśnienie hydrostatyczne: ph = ρchg

ü       Ciśnienie na pewnej głębokości h jest większe od ciśnienia zewnętrznego pz o ciężar słupa cieczy o wysokości h

ü       Ciśnienie rośnie liniowo z głębokością i nie zależy od kształtu naczynia

 

Ciśnienie całkowite

ü       pc = pz + ρchg

ü       pc – ciśnienie całkowite [Pa]

ü       pz – ciśnienie zewnętrzne [Pa]

ü       ρc – gęstość cieczy [kg/m3]

ü       h – wysokość słupa cieczy [m]

ü       g – przyspieszenie ziemskie [kgm/s2]

 

Ciśnienie aerostatyczne

ü       Ciśnienie powietrza zmienia się wykładniczo wraz z wysokością h

ü       e 2,718…

ü       ρ0gęstość powietrza w 273 K

ü       p0 = 1,013251·105N/m2

 

Prawo Archimedesa: na ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu równa ciężarowi wypartej przez to ciało cieczy

ü       Q = Vρg (ciężar ciała) ρ – gęstość ciała

ü       W = Vρ0g (siła wyporu) ρ0 – gęstość cieczy

ü       R = W – Q (siła wypadkowa)

ü       ρ > ρ0 ;   R < 0 ciało tonie

ü       ρ=ρ0; R=0 ciało pływa na dowolnej głębokości

ü       ρ < ρ0; R>0 ciało pływa częściowo zanurzone

 

Prawo Torricellego

Prędkość wypływu cieczy doskonałej z otworu na głębokości h pod powierzchnią swobodną cieczy jest równa prędkości ciała swobodnie spadającego w próżni z wysokości h.

 

2R»2r

 



        

 

Miary przepływu

ü       Strumień masy Φm = m/t   [kg/s]

ü       Strumień objętości ΦV = V/t   [m3/s]

ü       Strumień energii ΦE = E/t   [J/s]

 

Równanie ciągłości masy

 

 

 

v1S1ρ1Δt = v2S2 ρ2Δt

ρ1 = ρ2

v1S1 = v2S2 = const

 

Prawo Bernouliego (przepływ ustalony, ciecz doskonała)

Prawo dotyczące przepływu cieczy doskonałej przez przewód o zmiennym przekroju. Wiąże ono ciśnienia p i prędkości v przepływu płynu przez poszczególne przekroje poprzeczne strugi z wysokościami względem obranego poziomu odniesienia h. Trzy wyrazy równania przedstawiają kolejno: energie potencjalną elementu płynu w polu ciężkości, energię kinetyczną tego elementu oraz energię potencjalną wynikajacą z istnienia gradientu ciśnienia.

 

ü       p + ½ρv2 + ρgh = const

ü       p – ciśnienie statyczne

ü       ½ρv2 – ciśnienie dynamiczne

ü       ρgh – ciśnienie hydrostatyczne

ü       Suma energii kinetycznej, potencjalnej i ciśnienia jednostki masy (lub objętości) ustalonego przepływu cieczy doskonałej jest wielkością stałą

 

Rozkład prędkości cieczy w rurze

 

 

 

Współczynnik lepkości

 





       

 

S – powierzchnia płyty

∆v/∆x – stosunek spadku prędkości do przyrostu głębokości             

η – współczynnik proporcjonalności     

 

Współczynnik proporcjonalności η nazywamy dynamicznym współczynnikiem lepkości cieczy lub współczynnikiem tarcia wewnętrznego

 

η [Ns/m2]≡[Pas]≡[kg/ms]

P (puaz) ≡ [Ns/10m2]

 

Krew

ü       Krew stanowi zawiesinę erytrocytów (krwinki czerwone), leukocytów (krwinki białe) i trombocytów (płytki krwi) w plazmie i jest środowiskiem zapewniającym transport różnorodnych substancji w organiźmie. Krew rozprowadza przede wszystkim gazy oddechowe tlen i dwutlenek węgla.

ü       Krew jest płynem nie spełniającym warunków Newtona, jest to płyn plastyczno-lepki

ü       Lepkość krwi zależy od:

ü       hematokrytu (stosunek objętości krwinek do objętości krwi)

ü       temperatury

ü       przekroju naczynia

ü       ηpowietrza = 17,8·10-6       ηwody = 10·10-4

ü       ηkrwi = 20·10-4        [kg/ms]

Temperatura a lepkość krwi

ü       Lepkość krwi podobnie jak innych płynów wykładniczo zależy od temperatury

ü       W temperaturze 0o C krew jest 2,5 razy bardziej lepka niż w temperaturze 37oC

 

Serce

ü       Rytmiczne skurcze i rozkurcze serca wymuszają ruch krwi w układzie krążenia

ü       Serce stanowi rodzaj pompy, która nie zużywa energii do napełniania (przedsionki i komory napełniają się w sposób bierny), serce zużywa energię podczas opróżniania

ü       Nie jest pompą ssąco-tłoczącą, nie wytwarza podciśnienia podczas napełniania. Ciśnienie w komorach jest zawsze dodatnie

 

Fala tętna

Rytmiczne skurcze serca wprowadzają do układu tętniczego zarówno dużego jak i płucnego, w odstępach około 0,8 s, takie same objętości krwi około 70 cm3 (pojemność wyrzutowa serca w spoczynku). Dzięki dużemu oporowi obwodowemu krew ta nie od razu zostaje włączona w obieg krążenia, lecz rozciąga podatne ściany tętnicy głównej, dzięki czemu tuż za sercem tworzy się wybrzuszenie, które rozchodzi się w kierunku obwodowym w postaci fali tętna

 

Liczba Reynoldsa

ü       Eksperymenty pokazują, że w pewnych warunkach przepływ laminarny przechodzi w turbulentny (burzliwy)

Re = vdρ/η

ü       v – prędkość cieczy,

ü       d – średnica rury,

ü       ρ – gęstość cieczy

ü       η - współczynnik lepkości

ü       Re < 2000 (2300) przepływ laminarny

ü       Re > 3000 przepływ turbulentny

ü       2000 (2300) < Re < 3000 charakter nieustalony

 

Siły aero- i hydrodynamiczne

ü       Siły aero- i hydrodynamiczne wynikają z lepkości płynu opływającego przeszkodę -  opór tarcia oraz z różnicy ciśnień przed i za przeszkodą powstającej w wyniku opływu turbulentnego – opór ciśnienia

ü       O tym który rodzaj oporu przeważa, decyduje kształt i położenie ciała względem kierunku ruchu

 

Ra,h = ½ρCx(α)Sv2

 

gdzie:

ρ – gęstość płynu [kg/m3]

Cx...

Zgłoś jeśli naruszono regulamin