Научное общество учащихся

МАОУ «Лицей №82»

Тема работы

«Законы физики на службе нашего здоровья. Артериальное

давление»

Выполнила:

Ганеева Диана Маратовна

учащаяся 8А класса

Руководитель:

Толкова Светлана Валерьевна

учитель физики МАОУ «Лицей №82»

г. Нижний Новгород

2019

Оглавление

Введение        3

Глава 1. Как работает сердце?        4

1.1.        История открытия кровообращения        4

1.2.        Сердце – насос        5

    1.2.1.Режим работы сердца        7

    1.2.2.Пульс человека        8

1.2.3.        Скорость пульса        8

1.3.        Что действует на кровь при движении?        9

1.3.1.        Сила трения        9

1.3.2.        Давление        9

1.3.3.        Расчет давления в сосудах        10

1.4.

1.4.1.        Условия измерения давления        12

1.4.2.        Какие тонометры лучше использовать?        13

Глава 2. Экспериментальная часть        14

2.1. Моделирование работы сердца        14

2.2. Анкетирование        15

2.3. Результаты анкетирования        15

2.4. Измерение артериального давления        21

   2.4.1. Зависимость А/Д от пола        21

2.4.2. Зависимость А/Д от веса        22

2.4.3. Зависимость А/Д от возраста        22

2.4.4. Зависимость А/Д от физ. нагрузок        23

Заключение        24

Список использованных источников и литературы        24

Введение

Проблема:

В наше время болезни, связанные с сердечнососудистой системой, занимают второе место после онкологии по вероятности летального исхода.

Актуальность:

Понимание работы кровеносной системы с помощью законов гидродинамики, изучение способов влияния на показания артериального давления.

Цель:

Выяснить, какие физические законы определяют процесс движения крови по сосудам разного диаметра, и определить взаимосвязь между показаниями артериального давления и внешними факторами.

Задачи:

1. Изучить научную литературу, в которой рассматриваются законы гидродинамики, гемодинамики, работа системы кровообращения с точки зрения физических законов.
2. Доказать, что работу системы кровообращения можно описать с помощью законов физики.
3. Провести замеры артериального давления учащихся с целью выявления зависимости показателей от внешних факторов.
4. Провести мониторинг среди учащихся и выяснить, насколько внимательно они относятся к своему артериальному давлению.
5. Создать модель работы сердца.

Глава 1. Как работает сердце?

1. История открытия кровообращения

Клавдий Гален

Довольно близок к открытию кровообращения оказался Клавдий Гален. Он подробно разобрал механизм дыхания, причём последовательно разобрана работа мышц, легких и нервов; целью дыхания он считал ослабление теплоты сердца. Главным местом, где помещается кровь, признавал печень. Питание по Галену состоит в заимствовании из крови нужных частиц и удалении ненужных; каждый орган отделяет особую жидкость.

Клавдий Гален и все его последователи считали, что основная масса крови содержится в венах и сообщается через желудочки сердца, а также через отверстия («анастомозы») в сосудах, проходящих рядом. Несмотря на то, что все попытки анатомов найти отверстия в перегородке сердца, указанные Галеном, были тщетны, авторитет Галена был настолько велик, что его утверждение обычно не подвергалось сомнению. Арабский врач Ибн аль-Нафиз (1210-1288) из Дамаска, испанский врач М. Сервет, А. Везалий, Р. Коломбо и другие только частично исправляли недостатки схемы Галена, но истинное значение легочного кровообращения до Гарвея оставалось неясным.

Уильям Гарвей

Уильям Гарвей пришел к выводу, что укус змеи только потому опасен, что яд по вене распространяется из места укуса по всему телу. Для английских врачей эта догадка стала исходной точкой для размышлений, которые привели к разработке внутривенных инъекций. Можно, рассуждали врачи, впрыснуть в вену то или иное лекарство и тем самым ввести его в весь организм. Но следующий шаг в этом направлении сделали немецкие врачи, применив на человеке новую хирургическую клизму (так тогда называли внутривенное впрыскивание.

После приезда из Падуи одновременно с практической врачебной деятельностью Гарвей проводил систематические экспериментальные исследования строения и работы сердца и движения крови у животных. Свои мысли он впервые изложил в очередной люмлеевской лекции, прочитанной им в Лондоне 16 апреля 1618 года, когда он уже располагал большим материалом наблюдений и опытов. Свои взгляды Гарвей коротко сформулировал словами, что кровь движется по кругу. Точнее по двум кругам: малому (через легкие) и большому (через все тело). Его теория была непонятна слушателям, настолько она была революционна, непривычна и чужда традиционным представлениям. «Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных» Гарвея появилось на свет в 1628 году, издание было опубликовано во Франкфурте-на-Майне. В этом исследовании Гарвей опроверг господствовавшее 1500 лет учение Галена о движении крови в организме и сформулировал новые представления о кровообращении.

Большое значение для исследования Гарвея имело подробное описание венозных клапанов, направляющих движение крови к сердцу, данное впервые его учителем Фабрицием в 1574 году. Самое простое и вместе с тем самое убедительное доказательство существования кровообращения, предложенное Гарвеем, заключалось в вычислении количества крови, проходящей через сердце. Гарвей показал, что за полчаса сердце выбрасывает количество крови, равное весу животного. Такое большое количество движущейся крови можно объяснить только исходя из представления о замкнутой системе кровообращения. Очевидно, что предположение Галена о непрерывном уничтожении крови, оттекающей к периферии тела, нельзя было согласовать с этим фактом. Другое доказательство ошибочности взглядов об уничтожении крови на периферии тела Гарвей получил в опытах наложения повязки на верхние конечности человека. Эти опыты показали, что кровь течет из артерий в вены. Исследования Гарвея выявили значение малого круга кровообращения и установили, что сердце является мышечным мешком, снабженным клапанами, сокращения которого действуют как насос, нагнетающий кровь в кровеносную систему.

2. Сердце – насос

Принцип работы сердца основан на законе гидродинамики в сообщающихся сосудах, жидкость течёт из сосуда с большим давлением с сосуд с меньшим давлением. 

Чтобы определить каким законам подчиняется движение крови по сосудам разного диаметра, причины возникновения артериального давления, пульса в организме человека, рассмотрим строение, функции и движение крови по сосудам разного диаметра.

Кровеносная система включает: сердце, кровеносные сосуды.

Причинами движения крови в сосудах являются сокращение миокарда, гладкомышечного слоя сосудов и разница давления крови в артериях и венах. Рассмотрим эти процессы с точки зрения физики. 

1.  Режим работы сердца

Хотя сердце выбрасывает кровь в аорту порциями, она течет по сосудам непрерывно. Стенка артерий и аорты обладает высокой эластичностью, поэтому, когда кровь поступает в аорту, ее стенки начинают расширяться, чтобы вместить очередную порцию крови. Это происходит до тех пор, пока приток крови не остановится. Стенки аорты приобретают максимум потенциальной энергии, пытаются под действием силы упругости вдавить кровь в отдаленные от сердца сосуды, чтобы принять свою первоначальную форму, т.к. обратному току препятствует клапан сердца. Приобретенная потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию движения крови. Запаса энергии, полученной аортой во время систолы, хватает на то, чтобы движение крови не прекращался в течение диастолы. И так повторяется до бесконечности. Таким образом, после каждого сокращения сердца вдоль артерии от сердца идет волна деформации.

2. Пульс человека

Сосуды образуют пульсовые волны. Эти удары волн мы ощущаем, приложив палец у основания большого пальца на запястье или боковой поверхности шеи– это пульс! Измерять частоту пульса люди научились еще III тыс. лет до н. э., когда китайский император Хоам Ту с придворным врачом Ли - Пе использовали регуляцию пульса для постановки диагноза.

Пульс является основным показателем здоровья и в настоящее время. У взрослого человека в состоянии покоя частота пульса составляет 60-70 уд. / мин.

Пульс - это колебания стенок сосудов. В момент расширения аорты в ее стенке возникают механические колебания. Они распространяются в стенках всех сосудов вплоть до мельчайших артериол и затухают только в капиллярах.

Источником пульсовых волн является сердце. Графическое изображение этих волн получают с помощью ЭКГ сердца.

3. Скорость пульса

Так как волны - это колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени, то они распространяются с какой - то скоростью. Вследствие непрерывности движения крови ее отток от сердца равен притоку.

Впервые формула для скорости распространения пульсовых волн в артериях была выведена Томасом Юнгом в 1809 г.

Выражение для скорости распространения пульсовой волны:

=

υ- скорость

Е - модуль Юнга

h – толщина стенки

ρ – плотность

d - внешний диаметр артерии.

Скорость пульсовой волны зависит от упругости стенки артерии, ее модуля Юнга.

3. Что действует на кровь при движении?

Движение крови по сосудам подчинено законам гидродинамики и определяется:

• сопротивлением, которое она испытывает при трении о стенки сосудов;
• давлением, влияющим на движение крови.

1.  Сила трения

Причинами возникновения силы трения является шероховатость поверхностей соприкасающихся тел и взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел. При движении крови по сосудам возникает сила трения, которая препятствует перемещению крови, в результате скорость ее течения становится меньше.

2.  Давление

Давление в сосудистой системе создают сокращения сердца. Сопротивление кровотоку зависит от диаметра сосудов, их длины, тонуса, а также от объема циркулирующей крови и ее вязкости. При каждом сокращении сердца кровь выбрасывается в артерии под большим давлением. Вследствие сопротивления кровеносных сосудов ее передвижению в них создается давление, которое называют кровяным давлением. Величина его неодинакова в разных отделах сосудистого русла. Наибольшее давление в аорте и крупных артериях. В мелких артериях, артериолах, капиллярах и венах оно постепенно снижается; в полых венах давление крови меньше атмосферного. Итак, согласно законам физики, кровь движется от артерий к венам.

Кровообращение – это движение крови по «трубам» - кровеносным сосудам. Движение крови по сосудам напоминает движение воды по водопроводу. Согласно закону Паскаля, неподвижная жидкость в сосуде передает внешнее давление одинаково во всех направлениях. Но когда жидкость течет по трубе (кровь движется по сосудам без учета трения жидкости о трубу), площадь поперечного сечения которой на разных ее участках различна, то давление оказывается неодинаковым вдоль трубы (сосуда).

В узких местах трубы высота столбика жидкости меньше, чем в широких. Это значит, что в этих узких местах давление меньше.

3. Расчет давления в сосудах

 - скорость жидкости через сечение

 - скорость жидкости через сечение

За время ∆t объемы жидкостей, протекающих через эти сечения, будут равны:

∆=

∆ =

Так как жидкость несжимаема, то ∆V1 = ∆V2.

Следовательно,

Это значит, что частицы жидкости при переходе из широкой части трубы в узкую ускоряются. Следовательно, на жидкость, поступающую в более узкую часть трубы, действует со стороны жидкости, еще находящейся в широкой части трубы, некоторая сила. Такая сила может возникнуть только за счет разности давлений в различных частях жидкости.

= ps                                      ∆ = s*( –)

Так как сила направлена в сторону узкой части трубы, то на широком участке трубы давление должно быть больше, чем в узком.

Из уравнения следует, что скорости жидкости в двух любых сечениях обратно пропорциональны площадям сечений.

 =   => =   =>   =

Вывод: при стационарном течении жидкости давление меньше в тех местах, где больше скорость течения, и, наоборот, больше в тех местах, где скорость течения меньше. К этому выводу впервые пришел Д. Бернулли, поэтому данный закон называют законом Бернулли.

4. Артериальное давление

Систолическое давление – это уровень давления крови в момент максимального сокращения сердца.

Диастолическое – это уровень давления крови в момент максимального расслабления сердца.

Величина кровяного давления является одним из показателей функционального состояния организма.

4. Условия измерения давления

• Перед измерением артериального давления необходимо отдохнуть не менее 5 минут.
• Не менее 30 минут до измерения артериального давления необходимо воздерживаться от курения и употребления кофеина (кофе, кола, чай).
• Во время измерения нужно сидеть, опираясь на спинку стула, и неподвижная рука должна удобно лежать на столе.
• Не следует разговаривать во время измерения.
• Манжеты должна быть обернута вокруг предплечья с центром надувного мешка прямо над плечевой артерией.
• Надувной мешок манжеты должен быть на уровне сердца во время измерения.
• Ноги при измерении не должны быть скрещены.
• Ступни должны находиться на полу.
• Плечо не должно сдавливаться одеждой.

5. Какие тонометры лучше использовать?

Для измерения артериального давления существует несколько типов устройств: 

• Аускультативный метод: ртутные устройства, анероидные ("циферблатные") и электронные ("гибридные") устройства для измерения артериального давления используются одновременно со стетоскопом. 
• Электронные автоматизированные приборы для измерения артериального давления на уровне плеча, запястья и пальцев.

Электронные приборы для измерения артериального давления на уровне плеча, будь то полуавтоматические (ручные манжеты надуваются путем сжатия груши) или автоматические (работающие на батарейках или от сети) являются более предпочтительными для самостоятельного измерения артериального давления в домашних условиях. Эти устройства просты в использовании, требуют минимальной подготовки и многие из них доступны по разумной цене. Предпочтительными являются тонометры с памятью, которые автоматически хранят каждое измерение (с указанием даты и времени) и средние величины всех измерений до визита врача. Наручные устройства менее точны и не рекомендуются, кроме случаев, когда плечевое измерение артериального давления невозможно или очень затруднительно. Пальцевые устройства не рекомендуются. Ртутные тонометры требуют тщательного обучения и были запрещены в некоторых странах по экологическим соображениям. Анероидные устройства также требуют подготовки и регулярной калибровки. Использование этих устройств должно быть ограничено пациентами, у которых автоматические измерения невозможны или неточны.

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1. Моделирование работы сердца

Для демонстрации работы сердца мной была построена модель.

Шарик и нижняя часть воздушного шарика на построенной модели служат клапаном, который пропускает жидкость в одном направлении, как и клапаны сердца. Натянутый воздушный шарик на горлышко воронки - это сердечный мускул, который сжимается и разжимается ритмично, и в результате кровь под давлением течёт ко всем органам.

При надавливании на «сердечный мускул» создаётся давление, которое выталкивает кровь из «сердца» в «артерию». Количество «крови», которое выбрасывается очень мало, т.к. мы создаём очень низкое давление. Этот факт свидетельствует о том, насколько высокое давление создаёт сердце, чтобы за сутки перекачивать больше 8000 литров крови.

2.2. Анкетирование

В мониторинге приняли участие 32 школьника 14-17 лет.

Целью мониторинга является выявление уровня осведомленности подростков в теме артериального давления.

Вопросы анкеты:

1. Знаете ли вы, что такое артериальная гипертония?

2. Как часто вы измеряете давление?

3. Какое у вас обычно давление?

4. Знаете ли вы о последствиях, к которым может привести повышенное артериальное давление?

5. Как думаете, какие методы борьбы с изменением АД наиболее эффективны?

6. Что, по-вашему, влияет на показатели давления?

2.3. Результаты анкетирования

1. Знаете ли вы, что такое артериальная гипертония?

«Да» - 14 человек

«Нет» - 18 человек

Артериальная гипертония – это заболевание, при котором отмечается устойчивое повышенное артериальное давление.

Более половины опрашиваемых не знакомы с данным заболеванием.

2. Как часто вы измеряете давление?

«Почти никогда» - 9 человек  

«Каждый день» - 2 человека

«Только во время болезни» - 5 человек

«Раз в неделю» - 2 человека      

«Раз в 1-3 месяца» - 5 человека    

«Раз в 6-12 месяцев» - 10 человек

Проводить мониторинг артериального давления необходимо каждому человеку. Частота измерений, конечно, будет разной. Кардиологическим больным рекомендуют контролировать уровень АД ежедневно. Среднестатистическому человеку нужно проводить измерение хотя бы раз в полгода при условии отсутствия характерных жалоб.

3. Какое у вас обычно давление?

«Нормальное» - 19 человек

«Повышенное» - 2 человека

«Пониженное» - 7 человек

«Не знаю» - 4 человека

4. Знаете ли вы о последствиях, к которым может привести повышенное артериальное давление?

«Да» – 19 человек

«Нет» – 13 человек

Учащиеся назвали последствия, к которым, по их мнению, может привести повышенное артериальное давление: сердечная и почечная недостаточность, инфаркт миокарда, инсульт, головокружение, тошнота, плохое самочувствие, снижение тонуса сосудов, гипотония, истощение сердечной мышцы, ишемия, смерть.

Последствия гипертонии бывают довольно серьезными. Формируются либо тяжелая сердечно-сосудистая недостаточность, либо ишемическая болезнь сердца. Помимо этого, гипертоники всегда страдают от одышки. При гипертонической болезни в первую очередь страдают сосудистые структуры. Они становятся неэластичными, их стенки утолщаются. Появляются такие осложнения, как ишемическая болезнь. На ее фоне происходят инфаркт миокарда либо недостаточность мозгового кровообращения и инсульт.

5. Как думаете, какие методы борьбы с изменением давления наиболее эффективны?

Не знаю – 9 человек

Лекарства – 9 человек

Соблюдать режим питания и ЗОЖ – 3 человека

Выполнять специальные упражнения – 2 человека

Не волноваться – 5 человек

Сон и отдых – 4 человека

6. Что, по-вашему, влияет на показатели давления?

Не знаю – 2         Ничего – 2

Кофе – 5              Алкоголь – 2

Таблетки – 2       Климат – 2

Погода – 7          Состояние здоровья – 3

Режим дня – 3    Окружающая среда – 3

Стресс – 7           Образ жизни – 3

Генетика – 2       Курение – 2

Возраст – 1         Пол – 1

Существует множество факторов, влияющих на изменение кровяного давления. Самыми распространенными из них являются:

• наследственность;
• избыточный вес;
• злоупотребление алкоголем и соленой пищей;
• стрессы;
• шейный остеохондроз.

2.4. Измерение артериального давления

2.4.1. Зависимость А/Д от пола

У мужчин среднее давление выше, чем у женщин.

2.4.2. Зависимость А/Д от веса

Чем больше масса тела, тем выше давление.

2.4.3. Зависимость А/Д от возраста

С возрастом давление повышается.

2.4.4. Зависимость А/Д от физ. нагрузок

Чем тяжелее физические нагрузки, тем выше давление.

Заключение

Моя задача состояла в том, чтобы изучить физические процессы в кровеносной системе человека. В ходе работы было выяснено, что сердце работает подобно поршневому насосу, в чем я убедилась при создании модели его работы. На кровь при движении действуют сила трения и давление, которое мы можем рассчитать по закону Бернулли. Также, мы можем рассчитать скорость пульсовой волны, пользуясь законом Юнга.                                         

Проведя замеры давления среди испытуемых, я на примере убедилась, от каких факторов зависят показания артериального давления.

Проведя мониторинг среди учащихся, было выявлено, что не многие из них следят за своим давлением. Следовательно, эту тему стоит поднимать в школах чаще, ведь она очень важна для здоровья человека.

Изучая физику, мы приближаемся к разгадке одной из важнейших для нас тайн – устройства человеческого тела.

Список использованных источников и литературы

https://www.syl.ru/article/142378/mod_normalnoe-atmosfernoe-davlenie-i-ego-vliyanie-na-nash-organizm артериальном давление и способы его измерения

http://tepka.ru/fizika/5.13.html зависимость давления жидкости от скорости ее течения

http://webkonspect.com/?id=4850&labelid=37438&room=profile гемодинамика

https://cardiolog.org/pacientam/vashe-rukovodstvo-po-snijeniju-ad/kak-izmerjat-ad-doma.html условия измерения давления и виды тонометров

https://bolitsosud.ru/davlenie/kogda-i-skolko-raz-izmeryat-arterialnoe-davlenie.html как часто нужно измерять давление

https://1cardiolog.ru/gipertoniya/posledstviya-vysokogo-arterialnogo-davleniya.html последствия повышенного АД

https://giperton.com/metody-lecheniya.html#h2_2 методы борьбы с повышенным АД

http://expertpokrovi.ru/obshhaya-informatsiya/chto-vliyaet-na-izmenenie-arterialnogo-davleniya.html что влияет на АД

http://biofile.ru/bio/21019.html https://studbooks.net/799521/meditsina/otkrytie_krovoobrascheniya история открытия кровообращения