流體、血液的流動(dòng)

第三章流體血液的流動(dòng)醫(yī)學(xué)物理學(xué)1第一頁(yè)，共四十頁(yè)。.目錄一、流體二、流體的運(yùn)動(dòng)三、血液的層流2第二頁(yè)，共四十頁(yè)。.§1.1流體與我們周?chē)氖澜绨怏w和液體流體——與固體不同，流體是一種可以流動(dòng)的物質(zhì)。流體能適應(yīng)我們將其放入的任何容器內(nèi)壁的形狀。

一、Fluids——在我們的生活中起著極為重要的作用?！?.2流體是什么？3第三頁(yè)，共四十頁(yè)。.§1.3Density&Pressure流體——密度和壓強(qiáng)剛體——質(zhì)量和力密度壓強(qiáng)標(biāo)量，kg/m3標(biāo)量，N/m2，帕[斯卡]〔Pa〕4第四頁(yè)，共四十頁(yè)。.例1-1一個(gè)起居室高2.4m，其地板的尺寸為長(zhǎng)4.2m寬3.5m。(空氣在200C,1atm下密度為1.21kg/m3〕(b)室內(nèi)空氣給地板的作用力有多大？(1.5x106N)(a)當(dāng)壓強(qiáng)為1.0atm時(shí)，室內(nèi)的空氣有多重？(420N)5第五頁(yè)，共四十頁(yè)。.§1.4靜止流體潛水員和登山者所感知的壓強(qiáng)通常叫做流體靜壓強(qiáng)(Staticpressureoffluids)。在靜力平衡流體中，一點(diǎn)的壓強(qiáng)只與該點(diǎn)的深度有關(guān)，與流體或容器的水平尺寸無(wú)關(guān)。gaugepressureabsolutepressure6第六頁(yè)，共四十頁(yè)。.[例]1-2一個(gè)初學(xué)使用水下呼吸器的潛水者在游泳池里練習(xí)潛水。在水面以下L處，在拋棄氣罐前從氣罐吸足了氣體使肺膨脹，然后游向水面?？墒撬麩o(wú)視了指導(dǎo)而沒(méi)有在上升過(guò)程中呼氣。當(dāng)他到達(dá)水面時(shí)，他受到外界的壓強(qiáng)和他肺里的氣壓的差是9.3kPa。問(wèn)他出發(fā)時(shí)的深度是多少？他面對(duì)什么樣的致命危險(xiǎn)？7第七頁(yè)，共四十頁(yè)。.§1.5測(cè)量壓強(qiáng)水銀氣壓計(jì)當(dāng)氣囊的壓強(qiáng)降至心縮壓以下時(shí)，血液湍流通過(guò)血管射出，產(chǎn)生聲振動(dòng)，從聽(tīng)診器可以聽(tīng)到聲音——稱為Korotkoff音或K音。8第八頁(yè)，共四十頁(yè)。.

Inanincompressibleliquid,theincreaseinthepressureatanypointistransmittedundiminishedtoallotherpointsintheliquid.用液壓杠桿可以將作用于一個(gè)給定距離的一個(gè)給定的力轉(zhuǎn)變?yōu)樽饔糜谝粋€(gè)較小距離的較大的力。帕斯卡原理&液壓杠桿§1.6Pascal’sLaw9第九頁(yè)，共四十頁(yè)。.

Whenabodyiscompletelyorpartiallyimmersedinafluid,thefluidexertsanupwardforceonthebodyequaltotheweightofthedisplacedfluid.§1.7Archimedes’Principle

漂浮Buoyancy10第十頁(yè)，共四十頁(yè)。.[例]1-3漂浮在海面的冰山的可見(jiàn)體積占多大比例？P.S.能看出冰和海水的密度分別為0.917x103kg/m3，1.024x103kg/m3Iceberg11第十一頁(yè)，共四十頁(yè)。.§2.1理想流體在穩(wěn)流〔或?qū)恿鳌持?，流體內(nèi)任一固定點(diǎn)流速的大小和方向都不隨時(shí)間改變。1〕穩(wěn)流steadyflow二、流體的運(yùn)動(dòng)2〕不可壓縮的流動(dòng)3〕無(wú)粘性流動(dòng)4〕無(wú)旋流動(dòng)圖2-1一縷上升的煙霧從穩(wěn)流到非穩(wěn)(湍)流的過(guò)渡。12第十二頁(yè)，共四十頁(yè)。.圖2-2在進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，煙在經(jīng)過(guò)汽車(chē)的空氣流中顯示出流線?！?.2

流線

streamline,flowline可以通過(guò)加一種示蹤劑使流體的流動(dòng)看得見(jiàn)。示蹤劑可以是在液體中注入的染料，也可以是加到氣流中的煙霧顆粒?！惨?jiàn)右以下圖〕兩條流線不會(huì)相交示蹤劑的每一小局部都形成一條流線，它就是流體流動(dòng)時(shí)流體的一個(gè)微元所取的路徑。13第十三頁(yè)，共四十頁(yè)。.圖2-3流體以穩(wěn)定的速率向右通過(guò)一段長(zhǎng)為L(zhǎng)的管子?！策B續(xù)性方程〕§2.3TheContinuityEquation14第十四頁(yè)，共四十頁(yè)。.〔連續(xù)性方程〕

上式不僅能用于實(shí)際的管子，也可以用于任何所謂的流管——或者說(shuō)是想象的由流線作管壁的管子。圖2-4流管由形成邊界的一組流線定義。體積流量在流管內(nèi)所有的橫截面積處必定相等。

Rv是流體的體積流量(單位時(shí)間流過(guò)的體積)SI單位：m3/s15第十五頁(yè)，共四十頁(yè)。.[例]1-4

正常人其主動(dòng)脈橫截面積A0是3cm2，通過(guò)它的血液的流速是30cm/s。典型的毛細(xì)血管的橫截面積A是3x10－7cm2,流速是1mm/s。這樣一個(gè)人有多少毛細(xì)血管？所有毛細(xì)血管的總橫截面積是主動(dòng)脈橫截面積的300倍。16第十六頁(yè)，共四十頁(yè)。.[例]1-5右圖表示從杯中流出的水流如何“收縮下去〞。標(biāo)出的兩處橫截面積為A0＝1.2cm2和A=0.35cm2。兩個(gè)截面的豎直距離為h=45mm。從此杯中流出的體積流量是多少？17第十七頁(yè)，共四十頁(yè)。.對(duì)該流體應(yīng)用能量守恒原理，可以證明：〔伯努利方程〕§2.4Bernoulli’sEquation18第十八頁(yè)，共四十頁(yè)。.對(duì)靜止流體應(yīng)用伯努利方程，得主要推論：如果令h1=h2，即流體水平流動(dòng)時(shí)，流體沿水平流線流動(dòng)時(shí)，假設(shè)流速增加，壓強(qiáng)必定減小，反之亦然?！步滩?5頁(yè)〕19第十九頁(yè)，共四十頁(yè)。.伯努利方程的證明20第二十頁(yè)，共四十頁(yè)。.伯努利方程與連續(xù)性方程的應(yīng)用P35小孔流速;流速計(jì);虹吸管;噴霧器21第二十一頁(yè)，共四十頁(yè)。.[例]1-6

面積為A的飛機(jī)機(jī)翼上方空氣的流速為vt，機(jī)翼下側(cè)空氣的流速是vd。在這種簡(jiǎn)單情形下，證明伯努利方程所預(yù)言的對(duì)機(jī)翼的向上的升力為22第二十二頁(yè)，共四十頁(yè)。.流體圖片流體中的圓柱繞流現(xiàn)象太平洋風(fēng)暴云協(xié)和式飛機(jī)著陸時(shí)的流場(chǎng)23第二十三頁(yè)，共四十頁(yè)。.早期的箱型車(chē)現(xiàn)代的流線型車(chē)運(yùn)發(fā)動(dòng)進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與流線型24第二十四頁(yè)，共四十頁(yè)。.25第二十五頁(yè)，共四十頁(yè)。.由于黏性，在管道中流動(dòng)的流體出現(xiàn)了分層流動(dòng)。與血管壁接觸的血液層根本是靜止的，液層越靠近管軸流動(dòng)得越快。三、血液的流動(dòng)§3.1粘性流體的層流26第二十六頁(yè)，共四十頁(yè)。.層流與湍流

在循環(huán)系統(tǒng)中有幾個(gè)地方出現(xiàn)湍流。例如，血液急速地通過(guò)心臟瓣膜時(shí)，該處就出現(xiàn)湍流。

層流的一個(gè)重要特點(diǎn)是無(wú)聲。聽(tīng)診器所聽(tīng)到的聲音是由湍流引起的。

如果用減小管半徑的方法，使血液流速逐漸增加，就會(huì)到達(dá)速度的臨界值Vc，這時(shí)層流就轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。如果管?nèi)有障礙物或液流受到限制時(shí)，那么臨界速度會(huì)降低。1883年Reynold研究了這些性質(zhì)，并確定確定臨界速度與液體的黏滯性成正比而與液體密度和管半徑成反比，即27第二十七頁(yè)，共四十頁(yè)。.式中比例常數(shù)Re稱為雷諾數(shù)。成年人的主動(dòng)脈半徑約為1cm，其臨界速度：主動(dòng)脈血流速度約在0～0.5m/s之間，因此在心縮的一局部時(shí)間，血液是湍流。劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)。心臟搏血量增加4至5倍，血流在心縮的一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都超過(guò)臨界速度，作劇烈運(yùn)動(dòng)的人的心音與休息者不同。28第二十八頁(yè)，共四十頁(yè)。.黏度與黏性力其中：F—流體內(nèi)部相鄰兩流體層之間的黏力—黏度—速度梯度—兩層之間的接觸面積牛頓黏滯定律29第二十九頁(yè)，共四十頁(yè)。.速度梯度

單位s-1定義在垂直于流動(dòng)方向上,每增加單位距離流體速率的增加量.較小較大30第三十頁(yè)，共四十頁(yè)。.§3.2人的血液流得多快？血液流速：主動(dòng)脈>靜脈>毛細(xì)血管總截面面積：主動(dòng)脈<靜脈<毛細(xì)血管31第三十一頁(yè)，共四十頁(yè)。.§3.3心臟做功正常成年人心肌每收縮一次就迫使80ml的血液從右心室通過(guò)肺。也使同樣多的血液從左心室進(jìn)入體循環(huán)系統(tǒng)。心臟在這一過(guò)程中作了功。32第三十二頁(yè)，共四十頁(yè)。.根據(jù)泊肅葉定律，血液在流到小動(dòng)脈及毛細(xì)血管之前，壓強(qiáng)只有少許損失。差不多所有的壓降都產(chǎn)生在循環(huán)系統(tǒng)中的小動(dòng)脈與毛細(xì)血管上。因?yàn)橹亓Φ木壒剩h(huán)系統(tǒng)的壓強(qiáng)各處不同。圖示體位對(duì)血壓的影響。33第三十三頁(yè)，共四十頁(yè)。.心臟每分功心臟做功〔每秒〕在恒壓P下工作的泵，所作的功W＝P△V34第三十四頁(yè)，共四十頁(yè)。.黏性流體的伯努利方程對(duì)于理想流體對(duì)于黏性流體,黏力所做的功根據(jù)功能原理35第三十五頁(yè)，共四十頁(yè)。.P1＝舒張壓＋1/3(收縮壓－舒張壓)～13.33kPa體循環(huán)：v1～0.3m/s;p2~0;v2~0;h1~h2肺循環(huán)：36第三十六頁(yè)，共四十頁(yè)。.心臟每搏功、每分功心臟做功〔每單位體積血液〕37第三十七頁(yè)，共四十頁(yè)。.§3.4泊肅葉定律Poiseuille’sLaw上式可改寫(xiě)成：流阻流阻的大小反映了血液在血管中流動(dòng)時(shí)所受阻力的大小。血管半徑的微小變化會(huì)引起流阻的顯著變化。為了找到循環(huán)系統(tǒng)中支配血流的規(guī)律，泊肅葉在19世紀(jì)研究了水在不同粗細(xì)的管子中流動(dòng)的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明38第三十八頁(yè)，共四十頁(yè)。.外周阻力——體循環(huán)的流阻§3.5斯托克斯粘性公式血沉－紅細(xì)胞在血漿中的整體下降速度39第三十九頁(yè)，共四十頁(yè)。.內(nèi)容總結(jié)