Proces słyszenia

Zadania zmysłu słuchu Za pośrednictwem zmysłu słuchu otrzymujemy informacje o otaczającym nas świecie.

Nośnikiem informacji jest fala dźwiękowa zwana również falą akustyczną.

Fala dźwiękowa dostarcza informacji tylko wówczas kiedy odbiorca może przypisać jej pewne znaczenie. Informacje te muszą więc być zakodowane w stanach fali dźwiękowej (amplitudzie, częstotliwości, składzie widmowym itd.). Zadaniem ucha jest odbieranie informacji zakodowanych w fali dźwiękowej i przetwarzanie ich w układ impulsów bioelektrycznych przekazywanych do ośrodkowego układu nerwowego i zrozumiałych przez ten układ. Ucho pełni zatem rolę przekaźnika informacji i jednocześnie dokonuje wstępnej analizy informacji.

Tor informacyjny zmysłu słuchu

Na tor informacyjny procesu słyszenia składają się:

- źródło drgań – źródło informacji,

- fala dźwiękowa – nośnik informacji (kanał),

-ucho – przetwornik i wstępny analizator sygnałów (informacji),

- ciąg impulsów bioelektrycznych w nerwie słuchowym – nośnik informacji (kanał),

- układ ośrodkowy – odbiorca (analizator) informacji.

Peryferyjny układ słuchu Zanim zaburzenie ośrodka wywoła wrażenie słuchowe odbierane jako dźwięk musi przebyć drogę do kory mózgowej przez peryferyjny układ słuchowy składający się z ucha zewnętrznego, ucha środkowego, ucha wewnętrznego i nerwu słuchowego.

Ucho zewnętrzne

W skład ucha zewnętrznego wchodzą:

- małżowina uszna,

- przewód słuchowy zewnętrzny,

- błona bębenkowa.

Ucho zewnętrzne tworzy komorę rezonansową o częstotliwości około 2,5 kHz wzmacniającą dźwięki z przedziału 1-4 kHz o około 10 dB. Małżowina uszna wzmacnia dźwięki o częstotliwościach 4-7 kHz o około 5-7 dB.

Całkowite wzmocnienie wzmocnienia kanału słuchowego zewnętrznego i małżowiny usznej wraz z uwzględnieniem kształtu głowy osiąga wartość 15-20 dB dla częstotliwości 2-5 kHz.

Ucho zewnętrzne odgrywa również rolę w lokalizacji źródeł dźwięku o częstotliwościach większych od 1,5 kHz.

Ucho środkowe

Ucho środkowe znajduje się w wypełnionej powietrzem jamie bębenkowej i zawiera łańcuch kosteczek słuchowych:

- młoteczek (przyczepiony rękojeścią do błony bębenkowej),

- kowadełko,

- strzemiączko (zamykające okienko owalne ucha wewnętrznego).

Błona bębenkowa wraz z młoteczkiem wprawiana jest w drgania przez falę dźwiękową. Drgania młoteczka przekazywane są przez kowadełko do strzemiączka. Ruch podstawy strzemiączka zamykającej okienko owalne jest złożony z ruchu tłokowego, wahadłowego i obrotowego.

Zadania ucha środkowego:

- Przeniesienie informacji od ucha zewnętrznego do wewnętrznego,

- dopasowanie impedancji fali dźwiękowej rozchodzącej się w powietrzu

do impedancji fali dźwiękowej rozchodzącej się w cieczach ślimaka,

- ochrona ucha wewnętrznego przed dźwiękami o zbyt dużym natężeniu.

Mechanizm dopasowania impedancji w uchu środkowym

Powierzchnia błony bębenkowej jest około 30-40 razy większa od powierzchni okienka owalnego w uchu wewnętrznym.

Ramię młoteczka jest 1,2-1,4 razy dłuższe od ramienia kowadełka.

Brak dopasowania impedancji oznaczałby, że zaledwie 1% energii fali akustycznej byłoby transmitowane do cieczy ślimaka. Dopasowanie impedancji jest najlepsze w zakresie częstotliwości 1-4 kHz i dlatego ucho jest w tym zakresie najbardziej czułe.

Człowiek pozbawiany ucha środkowego słyszałby sygnały akustyczne gdyby były podwyższone o 50 dB w stosunku do sygnałów słyszanych przez ucho nieuszkodzone o ile pozostałe elementy ucha zewnętrznego i wewnętrznego funkcjonowałyby normalnie.

Mechanizm chroniące ucho wewnętrzne

W uchu środkowym działają mechanizmy chroniące ucho wewnętrzne przed dźwiękami o zbyt dużym natężeniu.

Przy dużych natężeniach dźwięku strzemiączko nie uciska okienka owalnego z większą siłą lecz wykonuje ruchy skręcające.

W uchu środkowym znajdują się dwa małe mięśnia, jeden zaczepiony do bębenka, a drugi do strzemiączka. Przy zbyt dużych ciśnieniach akustycznych (75÷95 dB), drogą sprzężenia zwrotnego, mięśnie te otrzymują dodatkowe informacje i kurcząc się napinają bębenek oraz usztywniają układ kostek słuchowych, wprowadzając dodatkowe tłumienie (odruch strzemiączkowy). Odruch strzemiączkowy występuje przy dźwiękach o częstotliwościach niższych od 2000 Hz. Objawia się on jednak z pewnym opóźnieniem i nie chroni ślimaka przed dźwiękami impulsowymi takimi jak wystrzał z broni palnej.

Ucho środkowe może prawidłowo funkcjonować gdy w jamie bębenkowej jest takie samo ciśnienie jak na zewnątrz organizmu. Ciśnienie w jamie bębenkowej wyrównywane jest poprzez trąbkę słuchową (trąbkę Eustachiusza), łączącą jamę bębenkową z gardłem. Trąbka Eustachiusz jest normalnie zamknięta i otwiera się tylko podczas

ziewania, połykania lub wymawiania niektórych zgłosek takich jak u, e, i, p, k.

Ucho wewnętrzne Zasadniczym elementem ucha wewnętrznego jest ślimak kostny.

Ślimak jest zwężającą się rurką uformowaną z kości czaszki, która występuje w formie skorupy ślimaka i ma 2,5-2,75 zwoja. W ślimaku można wyróżnić trzy kanały, oddzielone od siebie blaszką spiralną (na której leży błona podstawna ) oraz błoną przedsionkową (Reissnera).

Główny kanał ucha wewnętrznego nosi nazwę schodów przedsionka . Od strony ucha środkowego jest on zamknięty okienkiem owalnym przylegającym do strzemiączka . Poniżej znajduje się przewód ślimakowy zwany schodami bębenka . Schody bębenka są oddzielone od ucha środkowego okienkiem okrągłym , zbudowanym z błony bębenkowej wtórnej.

W szczytowej części ślimaka znajduje się szparka osklepka, poprzez którą roztwory elektrolitu w schodach przedsionka i bębenka (zwane perylimfą ) kontaktują się. Roztwór elektrolitu występujący w przewodzie ślimakowym nosi nazwę endolimfy i ma inny skład chemiczny niż perylimfa. W endolimfie występuje bardzo wysokie stężenie jonów K⁺.

Transmisja dźwięku w uchu środkowym

- Strzemiączko wykonując ruchy posuwisto-zwrotne wprawia w ruch okienko owalne

- Okienko owalne wtłacza lub zasysa perylimfę ze schodów przedsionka a także poprzez szparkę osklepka również ze schodów bębenka

- Perylimfa jako ciecz jest nieściśliwa więc ruchowi okienka owalnego w kierunku do wnętrza schodów przedsionka towarzyszy ruch okienka okrągłego w kierunku na zewnątrz schodów bębenka.

- Zmienne ciśnienie w perylimfie wywołane ruchem okienka owalnego przenosi się również poprzez błonę przedsionkową do endolimfy

- Ruch perylimfy prowadzi dalej do ruchu błony podstawnej leżącej na blaszce spiralnej oddzielającej przewód ślimakowy od schodów bębenka

- W narządzie spiralnym ślimaka leżącym na błonie podstawnej dochodzi do aktywacji komórek zmysłowych i przekształcenia drgań mechanicznych na sygnał elektryczny.

Analiza dźwięku w narządzie spiralnym

1. Teoria rezonansowa Helmholtza

- Błona podstawna staje się coraz szersza w miarę zbliżania się do szczytu ślimaka, czyli do szpary osklepka

- Błona podstawna stanowi zbiór napiętych włókien na podobieństwo do strun fortepianu

- Dłuższe włókna maja niższą częstotliwość rezonansową niż włókna krótsze

- Włókna błony podstawnej są sprzężone z włóknami nerwowymi i podczas drgań przenoszą informacje do CUN

- Teoria Helmholtza zakłada, że odpowiednie miejsca na błonie podstawnej są odpowiedzialne za analizę sygnałów o określonej częstotliwości.

Argumenty przeciwko teorii Helmholtza

- Błona podstawna nie składa się z żadnych włókien lecz jest tworem galaretowatym

- Błona podstawna nie jest napięta lecz spoczywa dość luźno na blaszce podstawnej

- Przy przyjęciu stanu napięcia błony siły napinające musiałyby zmaleć steki tysięcy razy w miejscu najszerszym błony w porównaniu do miejsca najwęższego.

2. Teoria fali wędrującej Bekesy’ego

- Wytworzona ruchem błony okienka owalnego fala hydrodynamiczna wytwarza na błonie podstawnej falę wędrującą (podobną do fal windsurfingowych na oceanie), w której maksimum wychylenia przemieszcza się w kierunku szparki osklepka

- Chwilowo powstające maksima wychylenia zmieniają swoja wartość w zależności od odległości od okienka owalnego

- Największe wartości maksimów wychylenia fali przypadają w różnych miejscach błony podstawnej i zależą od częstotliwości padającego dźwięku

- Ton o określonej częstotliwości pobudza do drgań określone miejsce na błonie podstawnej co jest również zgodne z założeniem teorii Helmholtza

Obie teorie, zarówno Helmholtza, jak i Bekesy’ego są teoriami miejsca.

Wzmacniacz ślimakowy

Drgania błony podstawnej są zamieniane na potencjały czynnościowe (impulsy neuronowe) w organie Cortiego usytuowanym wzdłuż błony podstawnej.

Zasadniczym elementem tego organu Cortiego są komórki rzęskowe(rzęsate) wewnętrzne i zewnętrzne umieszczone po obu stronach tzw. tunelu Cortiego, oraz błona pokrywkowa znajdująca się nad tym organem.

Wewnętrzne komórki rzęskowe umieszczone są w jednym rzędzie, po wewnętrznej stronie tunelu Cortiego. Jest ich około 3500, a każda z nich ma około 40 tak zwanych rzęsek formujących proste rzędy. Do każdej z nich dochodzi około 20 neuronów aferentnych przekazujących impulsy ze ślimaka na wyższe piętra drogi słuchowej.

Rzęski tych komórek nie mają najprawdopodobniej styczności z błoną pokrywkową, która jest utwierdzona po swej wewnętrznej stronie. Ruchy błony podstawnej w górę i w dół powodują cykliczne zbliżanie organu Cortiego i błony pokrywkowej oraz powstawanie pomiędzy nimi sił ściskających. Dzięki temu rzęski przeginają się raz w jedną a raz w

drugą stronę. Przeginanie to połączone jest z cyklicznym otwieraniem i zamykaniem kanałów jonowych znajdujących się w rzęskach, którymi do ujemnie spolaryzowanych komórek rzęskowych mogą napływać dodatnie jony potasu z endolimfy wypełniającej kanał ślimakowy.

Zewnętrzne komórki rzęskowe pełnią zupełnie inną funkcję. Uporządkowane są one w pięciu rzędach po zewnętrznej stronie tunelu Cortiego. Jest ich około 25 000, a każda z nich ma około 140 rzęsek uformowanych w kształcie litery V. Do komórek tych dochodzi około 1800 neuronów eferentnych, tj. takich, które przekazują sygnały z

mózgu. Komórki te charakteryzują się kurczliwością pod wpływem zmiany potencjału: wzrost potencjału powoduje ich skrócenie. Kurczliwość, która obserwuje się dla bodźców o częstotliwości do kilkunastu kHz, stanowi podstawę wzmacniacza ślimakowego.

Ruch błony podstawnej ku górze połączony jest z otwieraniem kanałów jonowych, dzięki czemu dodatnie jony z endolimfy napływają do zewnętrznych komórek rzęskowych. Jony te powodują wzrost potencjału komórek, a w związku z ich kurczliwością – również ich skrócenie. Skrócenie to jest największe w szczytowym wychyleniu błony podstawnej, kiedy kanały jonowe są maksymalnie otwarte.

Skrócenie zewnętrznych komórek rzęskowych prowadzi do lepszego zbliżenia błony pokrywkowej i wewnętrznych komórek rzęskowych, a więc do znacznie bardziej intensywnego stymulowania ich. Kurczliwość zewnętrznych komórek rzęskowych ma zasadnicze znaczenie zwłaszcza w przypadku najcichszych dźwięków.

Przy braku kurczliwości zewnętrznych komórek nie można wygenerować impulsu we włóknach dochodzących do wewnętrznych komórek rzęskowych wymagałaby znacznie większego wychylenia błony podstawnej, a więc i większego natężenia dźwięku.

Zanik elektromotorycznych cech zewnętrznych komórek rzęskowych oznacza upośledzenie wzmacniacza ślimakowego i prowadzi do tzw. odbiorczego uszkodzenia słuchu podwyższającego próg słyszalności utrudniającego rozumienie mowy prezentowanej na tle szumu.

Elementy mechaniki płynów

Porównanie właściwości sprężystych ciał stałych, cieczy i gazów.

Ciała stałe - duże moduły sprężystości objętościowej i postaciowej

Ciecze - mniejszy moduł sprężystości objętościowej i bardzo mały moduł sprężystości postaciowej

Gazy - mały moduł sprężystości objętościowej i prawie zerowy moduł sprężystości postaciowej

Tak więc o cieczach możemy powiedzieć, że zmieniają kształt pod wpływem bardzo małych sił, nie posiadają sprężystości postaci i posiadają sprężystość objętościową.

Płyny doskonałe Wiele praw opisujących zachowanie się cieczy pod wpływem działających sił podana jest dla przypadku płynów doskonałych.

Model płynu doskonałego – płynem doskonałym nazywa się płyn nieściśliwy i nielepki, a więc płyn o nieskończenie dużym module sprężystości objętościowej i zerowym module sprężystości postaciowej.

Podstawowe określenia dotyczące przepływów.

- Ruch płynów nazywamy przepływem

- Przepływ jest stacjonarny, gdy w określonym punkcie przestrzeni prędkość przepływu jest stała i niezależna od czasu

- Przepływ płynu (lub gazu) jest laminarny gdy wszystkie cząsteczki płynu (lub gazu) poruszają się po torach równoległych do siebie

- Przepływ płynu (lub gazu) jest turbulentny (wirowy) gdy część cząsteczek nie porusza się po torach równoległych do siebie

Hydrostatyka i hydrodynamika

- Hydrostatyka zajmuje się opisem zachowania płynów pozostających w spoczynku

-Hydrodynamika zajmuje się zachowaniem się płynów znajdujących się w ruchu

Podstawowe prawa hydrostatyki

Prawo Pascala - Ciśnienie pochodzące od sił zewnętrznych działających na płyn nieściśliwy i nieważki jest we wszystkich punktach płynu jednakowe. Płyn nieściśliwy i nieważki nazywany jest również często modelem

Pascala, ciałem Pascala lub cieczą Pascala.

Ciśnienie hydrostatyczne p w cieczach określone jest wzorem: p = ρgh, $\left\lbrack p \right\rbrack = \frac{N}{m^{2}} = Pa\ (pascal)$

gdzie ρ jest gęstością cieczy, h – głębokością na której zanurzone jest ciało, natomiast g = 9. 81 m/s² jest przyśpieszeniem ziemskim.

Ze wzoru na ciśnienie hydrostatyczne wynika, że ciśnienie p rośnie liniowo wraz z wzrostem głębokości zanurzenia w cieczy i nie zależy od kształtu naczynia.

Ciśnienie całkowite p_c w cieczach określone jest wzorem: p_c = p_z + ρgh, $\left\lbrack p \right\rbrack = \frac{N}{m^{2}} = Pa\ (pascal)$

gdzie p_z jest ciśnieniem zewnętrznym.

Ciśnienie aerostatyczne p_a – jest to ciśnienie powietrza na danej wysokości nad poziomem morza.

Ciśnienie aerostatyczne jest często ciśnieniem zewnętrznym działającym na ciecz.

$p_{a} = e - \frac{\text{ρg}h_{\text{npm}}}{p_{0}},$ $\left\lbrack p \right\rbrack = \frac{N}{m^{2}} = Pa\ (pascal)$

gdzie e = 2.72…, ρ jest gęstością cieczy, h_npm – wysokością nad poziomem morza, natomiast p₀= 1,013251·10⁵Pa ciśnieniem atmosferycznym nad poziomem morza.

Ze wzoru na ciśnienie aerostatyczne wynika, że maleje ono wykładniczo wraz ze wzrostem wysokości h_npm.

Prawo Archimedesa – siła wyporu W działająca na ciało zanurzone w cieczy jest równa ciężarowi cieczy wypartej przez to ciało W = ρgV, [W] = N

gdzie ρ jest gęstością cieczy, g = 9.81 m/s²przyśpieszeniem ziemskim, V objętością części ciała zanurzonej w cieczy.

Podstawowe prawa hydrodynamiki

Pojęcie strumienia przepływu

Strumień masy: Φ_m = m / t , [Φ_m] = kg/s,

Strumień objętości Φ_V = V / t , [ Φ_V] = m³/s,

Strumień energii Φ_E = E / t , [ Φ_E] = J/s = W.

Prawo Bernoulliego Suma energii kinetycznej, potencjalnej i ciśnienia jednostki masy (lub objętości) ustalonego

przepływu cieczy doskonałej jest wielkością stałą

Ciecze i gazy rzeczywiste - lepkość cieczy i gazów

Ciecze rzeczywiste różnią się od cieczy doskonałych tym, że wykazują zjawisko tarcia wewnętrznego, czyli lepkości.

Wyjątkiem są bardzo nieliczne ciecze – np. ciekły hel - wykazujące tzw. nadciekłość w temperaturach bliskich zera bezwzględnego. Nadciekłość polega na całkowitym zaniku lepkości.

Tarcie wewnętrzne jest zjawiskiem międzycząsteczkowym. W zjawisku tym sąsiednie warstwy cieczy działają na siebie podczas przepływu. Siły oddziaływań sprawiają, że od strony warstwy poruszającej się szybciej działa na warstwę poruszającą się wolniej siła przyśpieszająca. Odwrotnie – warstwy poruszające się wolniej hamują ruch warstw poruszających się szybciej.

Wzór Newtona (równanie transportu pędu)

$T = - F = - \eta S\frac{\Delta\vartheta}{\Delta h}$, gdzie:

T – siła lepkości,

F – siła wprawiająca w ruch warstwę o powierzchni S ,

Δh – odległość między warstwami o różnej prędkości ϑ₁i ϑ₂,

ƞ – współczynnik lepkości cieczy w paskalosekundach (Pa · s)

Ponieważ wzór Newtona możemy przekształcić do postaci $T = \frac{\text{dp}}{\text{dt}} = - \eta S\frac{\Delta\vartheta}{\Delta h}$

gdzie p jest pędem, więc nosi on również nazwę równania transportu pędu.

Ciecze stosujące się do prawa Newtona nazywamy cieczami newtonowskimi.

Krew jest cieczą newtonowską.

Lepkość cieczy zależy od temperatury

$\eta = B \bullet e\frac{E_{a}}{k \bullet T}$, gdzie B jest pewnym współczynnikiem, ΔE_a– energią aktywacji, k = 1.38·10^-23J/K jest stała Boltzmanna, T – temperaturą bezwzględną.

Przepływ laminarny - wzór Poiseuille’a

$\vartheta_{\text{sr}} = \frac{pR^{2}}{8\eta L}$, gdzie:

ϑ_sr– średnia prędkość przepływu cieczy przez rurkę kapilarną,

Δp – różnica ciśnień po obu stronach rurki,

R – promień rurki kapilarnej ,

ƞ – współczynnik lepkości cieczy w Pa·s,

L – długość rurki kapilarnej.

Liczba Reynoldsa

W pewnych warunkach przepływ laminarny przechodzi w turbulentny. Warunki te można ocenić na podstawie znajomości liczby Reynoldsa R_e określonej wzorem: $R_{e} = \frac{\text{ρdϑ}}{\eta}$, gdzie:

ρ – jest gęstością cieczy (lub gazu),

d – średnicą rury przez którą płynie ciecz,

ϑ – prędkością przepływu cieczy,

ƞ – współczynnikiem lepkości cieczy.

Przy liczbach Reynoldsa R_e< 2300 mamy przepływ laminarny, przy liczbach R_e> 3000 przepływ turbulentny,

natomiast gdy 2300 < R_e< 3000 to nie można ustalić charakteru przepływu (przepływ może być laminarny albo turbulentny).

Prędkość krytyczna

$\vartheta_{k} = \frac{R_{\text{ek}}\eta}{\text{ρd}}$ , gdzie R_ek jest krytyczną wartością liczby Reynoldsa, przy której zmienia się charakter przepływu cieczy.

Dla wody płynącej przez naczynie o średnicy 2,3 cm przepływ staje się burzliwy przy prędkościach większych od 0,1 m/s.

Układ krwionośny

Układ krwionośny człowieka jest układem zamkniętym. Krew krąży w systemie naczyń krwionośnych a serce pełni rolę pompy wymuszającej przepływ krwi.

Układ ten wraz z układem limfatycznym tworzą układ krążenia.

Krew jest zawiesiną erytrocytów, leukocytów i trombocytów w plazmie.

Podczas krążenia:

- krew dostarcza komórkom tlenu i substancji odżywczych, a odprowadza dwutlenek węgla,

- rozprowadza ciepło w organizmie (bierze udział w procesie termoregulacji),

- transportuje hormony, witaminy, enzymy i komórki fagocytów.

Przepływ hormonów wraz z krwią można uznać za przepływ informacji gdyż kontrolują one i integrują czynności całego ustroju, natomiast przepływ enzymów za transport substancji katalizujących i kontrolujących przebieg reakcji chemicznych.

Z biofizycznego punktu widzenia krew jest cieczą o współczynniku lepkości ƞ = 2.084 · 10^-3[Pa·s] i gęstości ρ= 1.059·10³[kg·m^-3].

Układ krążenia składa się z serca, systemu naczyń krwionośnych, krwi.

Serce działa jak pompa ssąco-tłocząca przetłaczając krew w dwu obiegach: dużym i małym.

Praca serca

Niech cykl pracy serca rozpoczyna się rozkurczem komory prawej (faza rozkurczu serca). Wówczas przez prawy przedsionek wpływa do serca pozbawiona tlenu krew z żyły głównej obiegu dużego. Zastawka trójdzielna jest wówczas otwarta, a zastawka płucna zamknięta. W fazie skurczu serca, prawa komora kurczy się i zastawka trójdzielna zamyka się wówczas a otwiera się zastawka płucna. Krew tłoczona jest do tętnicy płucnej i systemu krwionośnego płucnego zwanego obiegiem małym. Z obiegu tego krew wpływa do lewego przedsionka serca.

W fazie rozkurczania się serca krew wpływa z przedsionka lewego do lewej komory serca. Zachodzi to przy zamkniętej zastawce aorty i otwartej zastawce dwudzielnej. W następnym etapie lewa komora kurczy się i przy zamkniętej zastawce dwudzielnej, a otwartej zastawce aorty, krew wtłaczana jest do aorty. Stąd poprzez zespoły tętnic i naczyń włoskowatych rozprowadzana jest po całym organizmie. Następnie dopływa do systemów żylnych i poprzez żyłę główną obiegu dużego powraca do serca.

Z fizycznego punktu widzenia przepływ krwi odbywa się dzięki energii skurczu mięśni serca. Podczas wzrostu ciśnienia krew wtłaczana jest do aorty i tętnicy płucnej. Wszystkie tętnice i tętniczki są naczyniami sprężystymi i przy wyższych ciśnieniach rozszerzają się sprężyście. Dzięki temu w chwili gdy serce kurczy się a zastawki aorty i tętnicy

płucnej są zamknięte, krew tłoczona jest dalej pod wpływem ciśnienia pochodzącego od sił sprężystości kurczących się tętnic. Proces ten trwa aż do chwili ponownego aktu kurczenia się serca. W ten sposób, mimo że serce tłoczy krew jedynie podczas skurczu, w tętnicach, naczyniach włoskowatych i żyłach płynie ona w sposób ciągły.

Ciągły przepływ krwi ma duże znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania centralnego układu nerwowego i mózgu.

Można więc powiedzieć, że przemieszczanie się krwi jest wynikiem rytmicznego kurczenia się zarówno serca, jak i całego systemu tętnic.

Właściwości sprężyste naczyń krwionośnych

- Naczynia krwionośne są sprężyste o module sprężystości zależnym od naprężenia i szybkości zmian ciśnienia krwi.

- Wzrost modułu sprężystości wraz ze wzrostem naprężenia zapobiega nadmiernemu rozszerzaniu się naczyń.

- Rozszerzanie się naczyń zmienia opór naczyniowy.

- Tętnice pełnią rolę powietrzni, natomiast żyły rolę zbiornika.

Fala tętna

- Podczas wtłaczania krwi do tętnicy ulega ona rozszerzeniu z uwagi na jej właściwości sprężyste.

- Powstałe odkształcenie przemieszcza się wzdłuż tętnicy tworząc fale tętna.

- Prędkość ϑ fali tętna (5-8 m/s) jest większa od prędkości krwi (0.5 m/s).

- Długość fali tętna wynosi około 4 m.

$\vartheta = \sqrt{\frac{\text{Eh}}{2\rho r}}$ , gdzie:

E – moduł Younga ścian naczynia,

h – grubość ścian naczynia,

ρ– gęstość,

r – promień przekroju poprzecznego.

Rozszerzenie tętnicy (fala tętna) zasysa krew i umożliwia jej dalszy ruch w chwili gdy serce jest w fazie rozkurczu.

Przepływ krwi

Szybkość przepływu krwi w czasie wyrzutu z lewej komory osiąga wartość do 140 cm/s (w aorcie wstępującej – przepływ turbulentny). W miarę oddalania się od serca krew zaczyna płynąć bardziej równomiernie (przepływ ciągły i laminarny w tętniczkach).

Opór naczyniowy

Zakładając, że przepływ krwi w naczyniach krwionośnych jest laminarny należy przyjąć, że strumień objętości, φ_V, krwi przepływającej przez poprzeczny przekrój naczynia krwionośnego jest określony wzorem: $\phi_{V} = \frac{V}{t} = \frac{\pi R^{4}\Delta p}{8\eta L}$ , $\phi_{V} = \frac{\Delta p}{R_{\text{lep}}}$, $R_{\text{lep}} = \frac{8\eta L}{\pi R^{4}}$ , gdzie:

R_lep jest oporem hydrodynamicznym (naczyniowym) przepływu krwi w naczyniach krwionośnych.

Opór naczyniowy R_n pochodzący od n równolegle połączonych tętniczek o promieniu r_i, i = 1,2,3,…, n wynosi R_n = n • R , gdzie R jest oporem naczyniowym tętnicy o polu przekroju poprzecznego równym sumie pól przekrojów poprzecznych wszystkich tętniczek małych.

Praca i moc serca

Praca wykonywana przez mięsień serca zużywana jest na przepompowywanie pewnej objętości krwi, Δ V , oraz na nadanie tej objętości krwi pewnej prędkości ϑ $W = p_{\text{sr}} \bullet V + \frac{1}{2}\rho\vartheta^{2}V$, gdzie p_sr jest średnią różnicą ciśnienia w komorach i przedsionkach serca, natomiast ρ jest gęstością krwi.

-Dla komory lewej W_L= 0.924 + 0.006 [J/skurcz]

- Dla komory prawej W_P= 0.139 + 0.006 [J/skurcz]

- Całkowita moc serca P = 1.4 [W]

Wpływ ciśnienia hydrostatycznego na ciśnienie krwi w naczyniach krwionośnych

Efekt hydrostatyczny nie ma wpływu na krążenie. Wpływa natomiast na wartości ciśnienia w partiach ciała położonych powyżej i poniżej serca.

Napięcie powierzchniowe

Warstwa powierzchniowa cieczy jest napięta przez niezrównoważone oddziaływania międzycząsteczkowe.

Praca, W , potrzebna na powiększenie powierzchni cieczy o Δ S jest proporcjonalna do ΔS i wyraża się wzorem

W = σS

gdzie σ jest współczynnikiem napięcia powierzchniowego cieczy.

Współczynnik napięcia powierzchniowego

Współczynnik napięcia powierzchniowego σ zależy od rodzaju cieczy i temperatury.

Dla wody w temperaturze pokojowej σ= 0.072 N/m, dla alkoholu etylowego σ = 0.022 N/m.

Wartości współczynnika σ dla wody są bardzo duże w porównaniu do innych cieczy.

Układ oddechowy

Jest odpowiedzialny za utrzymanie stałej wymiany gazów między organizmem a środowiskiem.

Oddychanie jest jedną z najważniejszych czynności życiowych i podstawowym przejawem życia.

Wdychany tlen jest wykorzystywany przez komórki jako paliwo do produkcji energii, a wydychany dwutlenek węgla jest pozostałością tego procesu (jego nadmiar jest w organizmie toksyczny).

Układ oddechowy składa się z:

- dróg doprowadzających powietrze (nos, gardło, krtań, tchawica, oskrzela),

- płuc,

- narządów pomocniczych umożliwiających wprowadzanie powietrza do płuc i wyprowadzanie powietrza z płuc.

Wymiana powietrza w płucach

W płucach ciśnienie wewnątrzpłucne, p_w, jest niższe od atmosferycznego, p_a. Równowaga jest utrzymywana dzięki sprężystości pęcherzyków płucnych.

Równowaga w płucach jest utrzymywane dzięki sprężystości pęcherzyków płucnych. Siły sprężystości pęcherzyków płucnych wytwarzają ciśnienie p_S.

Podczas wdechu pęcherzyki płucne ulegają rozciągnięciu gdyż ciśnienie p_S maleje poniżej atmosferycznego.

Podczas wydechu sprężystość pęcherzyków powoduje skurczenie się ich. Właściwości sprężyste pęcherzyków uzupełniane są działaniem sulfakantów.

Napięcie powierzchniowe sulfakantu zależy od grubości jego warstwy w pęcherzyku. Dla warstw grubych wynosi 0.05 N/m, natomiast dla cienkich 0.5 N/m.