醫(yī)學(xué)資料§3-流體、血液的流動

1、 第三章 流體 血液的流動 醫(yī)學(xué)物理學(xué)2021/7/19 星期一目 錄一、流體二、流體的運動三、血液的層流2021/7/19 星期一1.1 流體與我們周圍的世界包括氣體和液體流體 與固體不同，流體是一種可以流動的物質(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。1.2 流體是什么？2021/7/19 星期一1.3 Density & Pressure流體密度和壓強剛體質(zhì)量和力密度壓強標量，kg/m3標量，N/m2，帕斯卡（Pa）2021/7/19 星期一例 1-1一個起居室高2.4m，其地板的尺寸為長4.2m寬3.5m。(空氣在200C,

2、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)當壓強為1.0 atm時，室內(nèi)的空氣有多重？(420N)2021/7/19 星期一1.4 靜止流體 潛水員和登山者所感知的壓強通常叫做流體靜壓強(Static pressure of fluids)。 在靜力平衡流體中，一點的壓強只與該點的深度有關(guān)，與流體或容器的水平尺寸無關(guān)。gauge pressureabsolute pressure2021/7/19 星期一例 1-2 一個初學(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?/p>

3、忽視了指導(dǎo)而沒有在上升過程中呼氣。當他到達水面時，他受到外界的壓強和他肺里的氣壓的差是9.3kPa。問他出發(fā)時的深度是多少？他面對什么樣的致命危險？2021/7/19 星期一1.5 測量壓強水銀氣壓計 當氣囊的壓強降至心縮壓以下時，血液湍流通過血管射出，產(chǎn)生聲振動，從聽診器可以聽到聲音稱為 Korotkoff音或 K音。2021/7/19 星期一 In an incompressible liquid, the increase in the pressure at any point is transmitted undiminished to all other points in the

4、 liquid. 用液壓杠桿可以將作用于一個給定距離的一個給定的力轉(zhuǎn)變?yōu)樽饔糜谝粋€較小距離的較大的力。帕斯卡原理 & 液壓杠桿1.6 Pascals Law2021/7/19 星期一 When a body is completely or partially immersed in a fluid,the fluid exerts an upward force on the body equal to the weight of the displaced fluid.1.7 Archimedes Principle 漂浮Buoyancy2021/7/19 星期一例1-3 漂浮在海面的冰山

5、的可見體積占多大比例？P.S. 已知冰和海水的密度分別為 0.917x103 kg/m3， 1.024x103 kg/m3Iceberg2021/7/19 星期一2.1 理想流體 在穩(wěn)流（或?qū)恿鳎┲?，流體內(nèi)任一固定點流速的大小和方向都不隨時間改變。1）穩(wěn)流 steady flow二、流體的運動2）不可壓縮的流動3）無粘性流動4）無旋流動圖2-1 一縷上升的煙霧從穩(wěn)流到非穩(wěn)(湍)流的過渡。2021/7/19 星期一圖2-2 在進行風(fēng)洞試驗時，煙在經(jīng)過汽車的空氣流中顯示出流線。2.2 流線 streamline,flow line 可以通過加一種示蹤劑使流體的流動看得見。示蹤劑可以是在液體中注入的

6、染料，也可以是加到氣流中的煙霧顆粒。（見右下圖）兩條流線不會相交 示蹤劑的每一小部分都形成一條流線，它就是流體流動時流體的一個微元所取的路徑。2021/7/19 星期一圖2-3 流體以穩(wěn)定的速率向右通過一段長為L的管子。（連續(xù)性方程）2.3 The Continuity Equation2021/7/19 星期一（連續(xù)性方程） 上式不僅能用于實際的管子，也可以用于任何所謂的流管或者說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(單位時間流過的體積) SI單位：m3/s2021/7/19 星期一例 1-4 正

7、常人其主動脈橫截面積A0是3cm2，通過它的血液的流速是30cm/s。典型的毛細血管的橫截面積 A是3x107cm2,流速是1mm/s。這樣一個人有多少毛細血管？所有毛細血管的總橫截面積是主動脈橫截面積的300倍。2021/7/19 星期一例 1-5 右圖表示從杯中流出的水流如何“收縮下去”。標出的兩處橫截面積為 A01.2cm2 和A=0.35cm2。兩個截面的豎直距離為 h=45mm。 從此杯中流出的體積流量是多少？2021/7/19 星期一對該流體應(yīng)用能量守恒原理，可以證明：（伯努利方程）2.4 Bernoullis Equation2021/7/19 星期一對靜止流體應(yīng)用伯努利方程，得

8、主要推論：如果令h1=h2，即流體水平流動時， 流體沿水平流線流動時，若流速增加，壓強必定減小，反之亦然。 （教材35頁）2021/7/19 星期一伯努利方程的證明2021/7/19 星期一伯努利方程與連續(xù)性方程的應(yīng)用P35 小孔流速;流速計;虹吸管;噴霧器2021/7/19 星期一例 1-6 面積為A的飛機機翼上方空氣的流速為vt，機翼下側(cè)空氣的流速是vd。在這種簡單情形下，證明伯努利方程所預(yù)言的對機翼的向上的升力為2021/7/19 星期一流體圖片流體中的圓柱繞流現(xiàn)象太平洋風(fēng)暴云協(xié)和式飛機著陸時的流場2021/7/19 星期一早期的箱型車現(xiàn)代的流線型車運動員進行風(fēng)洞實驗動物與流線型2021

9、/7/19 星期一2021/7/19 星期一 由于黏性，在管道中流動的流體出現(xiàn)了分層流動。與血管壁接觸的血液層基本是靜止的，液層越靠近管軸流動得越快。三、血液的流動3.1 粘性流體的層流2021/7/19 星期一層流與湍流 在循環(huán)系統(tǒng)中有幾個地方出現(xiàn)湍流。例如，血液急速地通過心臟瓣膜時，該處就出現(xiàn)湍流。 層流的一個重要特點是無聲。聽診器所聽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，就會達到速度的臨界值Vc ，這時層流就轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。如果管?nèi)有障礙物或液流受到限制時，則臨界速度會降低。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

10、密度和管半徑成反比，即 2021/7/19 星期一式中比例常數(shù)Re 稱為雷諾數(shù)。成年人的主動脈半徑約為1cm，其臨界速度： 主動脈血流速度約在00.5m/s之間，因此在心縮的一部分時間，血液是湍流。劇烈運動時。心臟搏血量增加4至5倍，血流在心縮的一段較長時間內(nèi)都超過臨界速度，作劇烈運動的人的心音與休息者不同。2021/7/19 星期一黏度與黏性力其中：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2021/7/19 星期一速度梯度單位 s-1定義 在垂直于流動方向上,每增加單位距離流體速率的增加量.較小較大2021/7/19 星期一3.2 人的血液流得多快？

11、血液流速：主動脈靜脈毛細血管總截面面積：主動脈靜脈毛細血管2021/7/19 星期一3. 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肺。也使同樣多的血液從左心室進入體循環(huán)系統(tǒng)。心臟在這一過程中作了功。2021/7/19 星期一 根據(jù)泊肅葉定律，血液在流到小動脈及毛細血管之前，壓強只有少許損失。差不多所有的壓降都產(chǎn)生在循環(huán)系統(tǒng)中的小動脈與毛細血管上。 因為重力的緣故，循環(huán)系統(tǒng)的壓強各處不同。圖示體位對血壓的影響。2021/7/19 星期一心臟每分功心臟做功（每秒）在恒壓 P下工作的泵，所作的功 WPV2021/7/19 星期一黏性流體的伯努利方程對于理想流體對于黏性流體,黏力所做的功根據(jù)功能原理2021/7/19 星期一P1舒張壓1/3(收縮壓舒張壓)13.33kPa體循環(huán)：v10.3m/s; p20; v20; h1h2肺循環(huán)：2021/7/19 星期一心臟每搏功、每分功心臟做功（每單位體積血液） 2021/7/19 星期一3.4 泊肅葉定律 Poiseu