Л.В.Логінов, багатопрофільний комплекс (гімназія-ліцей) N 109, м. Москва
Напевно, у кожного вчителя є бажання пояснити матеріал по-своєму або розглянути його з позицій, відмінних від традиційних. Тим більше що розпочате профілювання навчання змушує це робити. Візьмемо, наприклад, тему, яку проходять в школі і в 8-м, і в 10-му класах, - В«ГазиВ». Властивості газів згадуються (або вивчаються) вже в курсі природознавства у 5-му класі (!). Пізніше хлопців ознайомлять із використанням стисненого повітря, з приладами для вимірювання атмосферного тиску, вчать вирішувати завдання на зміну тиску повітря при зміні інших параметрів, як правило, в автомобільній шині, кулі, гумовому човні. У наявності певний технічний ухил, хоча зрідка зустрічаються й інші завдання, наприклад, як надпити води з пляшки при щільно притиснутих до горлечка губах, так що повітря в пляшку не пропускається, або, як павуку Серебрянці побудувати повітряний будиночок у воді. Той факт, що газові закони активно працюють в живій природі, широко застосовуються в медицині, як правило, не акцентується, ні слова не говориться про те, навіщо павук сріблянка будує собі той самий повітряний будиночок, як він може сидіти в такому будиночку до півгодини, а в стані анабіозу (Сплячки) - і довше ... Адже при диханні кисень-то безперервно витрачається! Вдих і видих, газообмін у легенях у тварин і у людини відбуваються теж у Відповідно з газовими законами. Так що ця тема не тільки дуже жива, але і актуальна. І зупинитися на ній стоїть.
Почнемо з того, що закон Бойля-Маріотта починає В«працювати на людинуВ» (як, втім, і на будь ссавець) з моменту його народження, з першого самостійного подиху. При диханні міжреберні м'язи і діафрагма періодично змінюють обсяг грудної клітки. Коли грудна клітка розширюється, тиск повітря в легенях падає нижче атмосферного, тобто В«СпрацьовуєВ» ізотермічний закон (р0V0 = р1V1), і внаслідок утворився перепаду тисків відбувається вдих. Іншими словами, повітря йде з навколишнього середовища в легені самопливом до тих пір, поки величини тиску в легенях і в навколишньому середовищі не вирівняються.
Видих відбувається аналогічно: внаслідок зменшення об'єму легенів тиск повітря в них стає більше, ніж зовнішнє атмосферний, і за рахунок зворотного перепаду тисків він виходить назовні. Схематичне зображення процесу дихання дано на рис. 1.
Важливу роль у цьому процесі відіграє плевральна порожнина, в якій при диханні виникають розрідження. Якщо хірургічним шляхом відкрити зовнішньому повітрю (під нормальним атмосферним тиском) доступ в плевральное простір, то атмосферний тиск стисне легке, вимкнувши його з процесу дихання. Саме так роблять при лікуванні легеневого туберкульозу (метод пневмотораксу).
Тепер розглянемо процес В«переробкиВ» повітря, надходження до легень. Тиск повітря складається з парціальних тисків входять до нього газів (за законом Дальтона: рсмесі = р1 + р2 + р3 + ... + рn). Як відомо, свіже повітря складається з кисню (20,94%), вуглекислого газу (0,03%), азоту і інертних газів (79,03%). Склад же видихається інший: кисню - 16,3%, вуглекислого газу - 4%, азоту і інертних газів - 79,7%. Видно, що кисню стає менше, а вуглекислого газу - більше (кількість інших газів майже не змінюється). Це означає, що і парціальний тиск кисню зменшується, а вуглекислого газу - Зростає. Стінки легеневих пухирців (альвеол) здатні пропускати крізь себе в кров і назад молекули газів при наявності різниці тисків газів в альвеолах і в крові. В результаті після вдиху кисень з області з бо'льшім парціальним тиском рухається в область з меншою парціальним тиском, тобто з альвеол в кров. Вуглекислий ж газ виводиться з крові в альвеоли, після чого В«ПереробленийВ» повітря видихається. Так працюють В«звичайніВ» або, як їх ще називають, біологічні легкі.
Але існує ще й поняття фізичних легких. Це не біологічний орган, а фізична система, яка функціонує подібно біологічним легким. Завдяки фізичним легким дихає водяний павук сріблянка. Його тіло вкрите дрібним несмачіваемим пушком. Коли павук занурюється у воду, до тіла пристають найдрібніші бульбашки повітря, покриваючи його суцільний повітряної оболонкою. У воді ця оболонка блищить, роблячи павука схожим на кулька ртуті. Виставляючи з води кінчик черевця, павук забирає великий пляшечку повітря і, притримуючи його задніми ніжками, вирушає в глибину.
Серед водних рослин він натягує нитки своєї павутини, В«кліткуВ» для повітряного кульки, яка все більше і більше наповнюється повітрям у міру здійснення павуком чергових В«рейсівВ» на поверхню. Коли повітряний будиночок стає достатньо просторим, павук переходить до відпочинку. Він дихає повітрям свого ж будиночка, хоча принесеного запасу кисню в ньому навіть відпочиваючому павукові повинно було вистачити всього на кілька хвилин. Але можливість відпочивати дає сама природа. Вірніше, фізичні закони.
Справа в тому, що у воді навколо будиночка-пухирця також є повітря. Правда, в розчиненому вигляді. У міру витрачання кисню в бульбашці зменшується його парціальний тиск в порівнянні з тиском у воді, і розчинений у воді кисень дифундує в пухирець. Вуглекислий ж газ, навпаки, дифундує з будиночка в воду, де його парціальний тиск менше. Звичайно, цей газообмін не дозволяє повністю компенсувати витрати кисню на дихання, але тим не менш павук отримує можливість оновлювати атмосферу значно рідше, хвилин через 30, а то і більше. Якщо павук перебуває у стані анабіозу, то повітря від однієї ходки наверх вистачає на дуже тривалий час.
Таким чином, фізичні легкі - це В«пристосування природиВ», в якому В«дихаєВ» сам пляшечку, а не павук. А останній дихає вже своїми біологічними легкими, тобто повітрям, наявними в бульбашці.
Перейдемо до проблеми виміру робочого об'єму легень, тобто обсягу повітря, вдихуваного (Чи видихуваного) при глибокому вдиху (видиху). Відомо, що він менше повного об'єму легких. Отже, при кожному вдиху-видиху в легенях оновлюється не весь повітря. По робочому об'єму легенів (вірніше, по відношенню робочого обсягу до повного) можна зробити висновок про стан дихальної системи людини. Різні захворювання (наприклад астма), куріння, а також малорухливий спосіб життя призводять до зменшення робочого об'єму.
Для початку необхідно знати повний обсяг легких. Це завдання не з простих, оскільки експериментальним шляхом на живій людині цього робити не варто. Та й як? Реально проглядається тільки один спосіб: провести розтин, витягти легкі, наповнити водою В«під зав'язкуВ», після чого цю воду вилити в мензурку (Або велику мірну кружку). Та й то немає гарантії, що до моменту наповнення водою легкі будуть розправленими і зможуть вмістити води В«по максимумуВ».
В Нині повний об'єм легенів зазвичай визначають розрахунковим шляхом, по формулою Дюбуа, яка встановлює залежність площі поверхні тіла людини від його маси і зростання:
S = 0,167 •
де m - маса тіла в [кг], L - довжина тіла, зростання в [м]. (Зрозуміло, для одержання в Свого часу цієї емпіричної формули знадобилися і розтину.) Слід відразу звернути увагу учнів, що ця формула - тільки для чисел, тобто одиниці фізичних величин в ній не сходяться. Далі користуються відомої залежністю, згідно з якою на 1 м2 поверхні припадає у чоловіків - 2,5 л, у жінок - 2 л повного обсягу легенів.
В Як приклад можна розрахувати повний об'єм легенів кого-небудь з присутніх. До речі, учні зазвичай пропонують кандидатуру ... вчителі! Цим варто скористатися для того, щоб потім хтось з учнів розрахував і свій обсяг, якщо згадає масу і зростання. Це в подальшому, по ходу уроку, придасться. Наприклад, при масі 75 кг і зростанні 176 см площу поверхні тіла юнаки становить 1,92 м2. Отже, повний об'єм легенів 4,8 л.
Тепер про вимір робочого об'єму легенів. З ним справи йдуть простіше, тому можна організувати досить цікаву дискусію п...
