Государственное бюджетное общеобразовательное
учреждение
города Москвы Школа на Северо-Востоке № 000.
Школьное отделение № 4.
Использование законов гидродинамики
в кровеносной системе человека
Ольга Валерьевна Каминская
Научный руководитель:
учитель физики Елена Натановна Балакирева
Москва 2017
Содержание
Введение………………………………………………………………………3
1. Теоретическая часть…………………………………………………….....4
1.1. Давление с точки зрения физики……………………………………4
1.2. Артериальное давление……………………………………………...4
1.3. Исторические данные………………………………………………..5
1.4. Артериальная гипертензия и гипотензия…………………………..6
1.5. Манометр………………..…………………………………………..10
1.6. Сфигмоманометр………………..…………………………………..11
2. Практическая часть………………………………………………………..13
2.1. Факторы, влияющие на артериальное давление…………………...13
2.2. 1 исследование……………………………………………………….14
2.3. 2 исследование……………………………………………………….14
2.4. 3 исследование……………………………………………………….15
2.5. 4 исследование……………………………………………………….16
2.6. 5 исследование……………………………………………………….16
Заключение…………………………………………………………………..17
3. Список использованной литературы и интернет-ресурсов……………18
Введение
В настоящее время многие люди, особенно подростки, часто жалуются на плохое самочувствие, вызванное повышением или понижением артериального давления. Также в нашей жизни часто встаёт вопрос о Здоровом Образе Жизни, о его нормах и о его связи со здоровьем человека.
Поэтому мне стало интересно самостоятельно разобраться, почему и как артериальное давление влияет на здоровье человека, и от каких факторов оно зависит.
Объектами моего исследования стали ученики 13-15 лет и учителя разного возраста моей школы. Предметами моего исследования стали изменения артериального давления человека и влияние различных факторов на него.
Цель
Исследовать зависимость артериального давления от различных факторов на примере учащихся и учителей в моей школе и сделать выводы.
Задачи
Показать синтез физики и биологии в медицине на примере артериального давления. Выявить и проверить факторы, влияющие на артериальное давление. Найти связь между изменениями артериального давления и нормами Здорового Образа Жизни (ЗОЖ).
Гипотеза
При изменении внешних и внутренних факторов артериальное давление человека изменяется. На него влияют физическая нагрузка, эмоциональное напряжение, образ жизни, масса тела, возраст.
Теоретическая часть
Давление с точки зрения физики
Давлемние — физическая величина, численно равная силе, действующей на единицу площади поверхности перпендикулярно ей.
В Международной системе единиц (СИ) измеряется в паскалях (русское обозначение: Па; международное: Pa). Паскаль равен давлению, вызываемому силой, равной одному ньютону, равномерно распределённой по нормальной поверхности площадью один квадратный метр.
Наряду с паскалем в Российской Федерации допущены к использованию в качестве внесистемных единиц измерения давления следующие единицы:
бар; килограмм-сила на квадратный сантиметр; миллиметр водяного столба; метр водяного столба; атмосфера техническая; миллиметр ртутного столба.Артериальное давление
Кровяноме давлемние — давление, которое кровь оказывает на стенки кровеносных сосудов, или, по-другому говоря, превышение давления жидкости в кровеносной системе над атмосферным. Один из показателей жизненно важных функций и биомаркеров.
Наиболее часто под кровяным давлением подразумевают артериальное давление. Кроме него, выделяют следующие виды кровяного давления: внутрисердечное, капиллярное, венозное. При каждом ударе сердца кровяное давление колеблется между наименьшим (диастолическим от лат. diastole — разрежение) и наибольшим (систолическим от лат. sustolḗ — сжатие).
Систолическое давление — это давление, которое развивается во время сокращения сердечной мышцы. Частично в его создании участвуют крупные артерии, такие как аорта, выполняя роль буфера, поэтому утверждение, что это сердечное давление, не совсем верное.
После сердечного сокращения клапан аорты закрывается, и кровь не может поступать обратно в сердце, в этот момент происходит его наполнение обогащенной кислородом кровью, для произведения следующего сокращения. На данном этапе кровь пассивно двигается по сосудам — это и будет так называемое диастолическое давление. Нужно сказать, что еще существует такое понятие как пульсовое давление. Это разность между систолическим и диастолическим давлением. Оно должно быть в пределах 40-60 мм рт. ст. Более низкое или высокое нежелательно, однако с другой стороны и не является ключевым как в диагностике, так и лечении болезни.
Исторические данные
Артериальное давление впервые было измерено в 1733 году английским естествоиспытателем Стивеном Хейлзом. Во введенной в артерию лошади стеклянной трубке он зафиксировал подъем крови на 8 футов и 3 дюйма выше уровня левого желудочка сердца. В дальнейшем Хейлз неоднократно повторял этот эксперимент на разных животных. Ему удалось измерить давления в периферических артериях и венах и, по-видимому, даже в легочной артерии, поскольку известно, что Хейлз впервые измерил температуру «крови в легких». Должно было пройти около 100 лет, чтобы эксперимент Стивена Хейлза нашел применение в практической медицине. Жан Луи Пуазёйль в 1828 году для прямого измерения давления в артерии животного применил ртутный манометр, a Карл Людвиг, соединив его с движущимся барабаном, впервые записал пульсирующую кривую артериального давления (сфигмограмму). Прибор был автором назван кимографом и в течение многих последующих лет служил основным средством для регистрации различных физиологических процессов. Карл фон Верордт использовал сфигмографию для непрямого измерения давления крови у человека. В течении последующих лет кимограф Людвига многократно совершенствовался. На его базе Этьен-Жюль Маре в 1876 г. изготовил плетизмограф, который позволял непрямым методом определять систолическое и диастолическое артериальное давление. В последствии этот метод получил название осциллометрического. Г. Гартнер в 1899 году создал следующее поколение аппарата для неинвазивного измерения артериального давления и назвал его тонометром. Тремя годами раньше 15 декабря 1896 г. в Туринской газете «Gazzetta medica di Torino» была опубликована статья «Un nuovo sfigmomanometro», в которой автор Шипионе Рива-Роччи описал оригинальный метод неинвазивного измерения артериального давления с помощью ртутного сфигмоманометра своей конструкции. Метод Рива-Роччи был предельно прост. В велосипедную шину, опоясывающую верхнюю треть плеча и соединенную с ртутным сфигмоманометром, резиновой грушей, нагнетался воздух. Фиксировалось давление, при котором прекращалась пульсация, что соответствовало систолическому давлению. Затем из шины давление постепенно стравливалось. Первые появления пульсации соответствовали диастолическому давлению. Узкая шина создавала много неудобств и нередко извращала результаты исследования. Метод Рива-Роччи в 1906 г. усовершенствовал Фридрих Даниель фон Реклингхаузен. Он заменил узкую шину на манжету шириной от 5 до 13 см, а ртутный манометр — на пружинный. В остальном методика Рива-Роччи осталась неизмененной. Следующий весьма важный этап в развитии неинвазивных методов измерения артериального давления относится к 1905 году. Военный врач из С.-Коротков, используя сфигмоманометр Рива-Роччи, предложил аускультативный метод определения уровня систолического и диастолического давления. Метод основан на выслушивании шумов, возникающих при постепенном стравливании воздуха из раздутой манжеты. Давление в манжете, зафиксированное при появление первого шума, соответствовало систолическому давлению, давление, зафиксированное при прекращении шумов — диастолическому давлению. Короткова и в настоящее время, спустя 100 лет, является основным методом мониторинга артериального давления в клинической медицине, широко используемым во всех странах. На основе этого метода проводятся скрининговые исследования артериального давления различных контингентов здоровых и больных людей. Более того, он является эталоном, по которому тестируются другие приборы.
Артериальная гипертензия и гипотензия
Артериамльная гипертензимя (АГ, гипертония, гипертоническая болезнь; др.-греч. ὑрЭс «над, выше» + др.-греч. фьнпт «натяжение; тон») — стойкое повышение артериального давления от 140/90 мм рт. ст. и выше. Артериальная гипертензия — одно из самых распространённых заболеваний сердечно-сосудистой системы. Установлено, что артериальной гипертонией страдают 20—30 % взрослого населения. С возрастом распространённость болезни увеличивается и достигает 50—65 % у лиц старше 65 лет.
Артериальная гипотензия (от др.-греч. ὑрь — под, внизу и лат. tensio — напряжение) — снижение артериального давления более, чем на 20 % от исходного/обычных значений или в абсолютных цифрах — ниже 90 мм рт. ст. систолического давления или 60 мм рт. ст. среднего артериального давления. Снижение давления может быть острым и хроническим. Острая артериальная гипотензия (коллапс, шок) как правило возникает при нарушениях деятельности сердца, большой кровопотере, дегидратации и быстро приводит к гипоксии мозга и внутренних органов. Таким образом, острая гипотензия — это всегда осложнение какого-то заболевания или внешнего воздействия, всегда имеет очевидную причину, которая должна учитываться при лечении.
Хроническая артериальная гипотензия обусловлена совсем другими причинами, нежели острая. У людей с пониженным давлением обычно нарушена его регуляция, истинные причины которой могут иметь разную природу.
Люди с пониженным давлением не имеют такого высокого риска инфаркта и инсульта, как гипертоники, поэтому стандарты и методы лечения хронической гипотонии разработаны хуже. При этом качество жизни гипотоников может быть очень низким из-за постоянной слабости, головных болей, снижения активности и других симптомов.
Четче всего прослеживается связь повышенного АД с шейным остеохондрозом. В шейных позвонках проходит достаточно крупная вертебральная артерия, кровоснабжающая головной мозг. При патологии позвоночника она может быть пережата спазмированными мышцами, отечными тканями или позвонками. Сужение просвета артерии приводит к кислородному голоданию мозга.
Естественной реакцией на это событие становится повышение артериального давления. За счет высокого АД организм пытается увеличить кровоток в головном мозге. Параллельно с этим учащается и сердцебиение, что тоже ведет к повышению давления.
Данными факторами объясняются скачки давления при шейном остеохондрозе и его обострении. При хронической же форме заболевания повышенное давление отмечается всегда.
Менее отчетлива связь между грудным или поясничным остеохондрозом и давлением. При этих формах болезни главным фактором, способствующим повышению АД, становится болевой синдром. Боль сопровождается постоянным выбросом адреналиноподобных веществ, поддерживающих кровяное давление на высоком уровне. Особо высокие скачки отмечаются в период обострения.
Ошибочным является мнение, что скачки артериального давления присущи пожилым людям, в период непогоды или перепадов атмосферного давления. Это верно лишь отчасти. Конечно, наличие высокого или низкого давления у людей, которым исполнилось 50 лет – не редкость. Почему так происходит? Это связано с тем, что эластичность сосудов с возрастом снижается. Кровь давит на стенки сосудов, а артерии при этом не поддаются натиску, вследствие чего наблюдается повышение артериального давления, отсюда и зависимость от возраста.
Немного статистики: каждый десятый факт стабильно повышенного давления вызван внутренним заболеванием (ВСД, болезни сосудов). Внутренние причины резкого изменения АД и постоянно повышенного АД идентичны. К ним относятся такие заболевания, как:
- Вегето-сосудистая дистония (ВСД); Межпозвоночная грыжа (в основном в шейном отделе), радикулит, миозит; Воспаление нерва в затылочной области; Остеохондроз, сколиоз; Гайморит.
Кроме того, есть ряд заболеваний, когда высокое или низкое давление не просто симптом, а и фактор, усугубляющий процесс протекания болезни:
- Болезни почек. Сосудистые поражения почек – не редкость и в молодом, и в пожилом возрасте. Поднимается давление одинаково и у женщин и у мужчин при любых заболеваниях почек и всей мочеполовой системы. Повышается давление при пиелонефрите, цистите, мочекаменной болезни, простатите, гломерулонефрите. Непорядок с гормонами. Высокое давление может возникать при недостатке альдостерона в совокупности с недостатком калия в крови. Причины снижения данного гормона – дисфункция в работе надпочечников. Лечение надпочечников, стабилизация их работы – важный шаг, вызывающий понижение давления. Сердечные болезни. Любая сердечная патология может вызывать перепады АД. Независимо от локализации заболевания (предсердие, желудочки, аорта и др.), одинаково «скачет» и верхнее и нижнее давление. Однако следует отметить, что повышенное нижнее давление может свидетельствовать о таком серьезном заболевании, как атеросклероз. Высокое верхнее давление, в отличие от нижнего, говорит об анемии, гиперинсулинемии, диабете. Травмы (даже застарелые) и воспаления. Многие специалисты считают, что существует прямая зависимость между высоким АД и воспалением, вызванным инфекциями.
Кроме внутренних факторов, на повышение АД влияет и ряд внешних факторов:
- Погодные условия. То, что изменение атмосферного давления влияет на артериальное – не секрет. Есть ряд исследований, благодаря которым доказано - артериальное давление тем выше, чем выше отметки атмосферного. При этом установлено, что изменение атмосферного давления больше влияет на нижнее (диастолическое) давление. Еще один интересный момент, когда происходит снижение атмосферного давления, у большинства здоровых людей случается небольшой скачок артериального (как нижнего, так и верхнего) давления. При этом, когда показатели атмосферного давления без изменений (даже если атмосферное давление очень высокое), 50% больных гипертонией не чувствуют ухудшения состояния. Плохое самочувствие появляется в момент падения атмосферного давления, что связано с изменением уровня кислорода в крови. То есть, нестабильность атмосферного давления – важный фактор повышения АД. Ведение нездорового образа жизни. Зависимость «в здоровом теле – здоровый дух» никто не отменял. Малоподвижный образ жизни, хронический недосып, пребывание в стрессовых ситуациях, злоупотребление алкоголем и неправильное питание – причина высокого и низкого давления.
Во-первых, употребление в пищу большого количества углеводов ведет к развитию болезней почек, печени, щитовидной железы, провоцирует развитие диабета и гипертонии. Вот почему, когда падает количество потребляемых углеводов, нормализуется АД.
Во-вторых, острая пища повышает давление, порой до критического уровня. Слезы и испарина на лбу после острого перца – реакция организма на огромный скачек АД. Организм, избавляясь от лишней жидкости, снижает давление.
- Отсутствие стрессов. Следует отметить, что адреналин и низкое АД – вещи несовместимые, так как адреналин сужает сосуды. Поэтому, чтобы артериальное давление оставалось в норме, нужно по возможности, избегать ситуаций, вызывающих панику и страх. Иначе повышение АД не избежать.
Есть еще несколько причин, повышающих АД. Но они не влекут никакой угрозы для здоровья:
- Утром и ночью АД ниже, что связано с расслаблением организма во время сна. В жаркие месяцы АД снижается, в холодное время года – повышается.
В теплую сухую погоду АД ниже, чем в холодную и дождливую.
Манометр
Манометр (греч. manуs, неплотный + metrйф, измеряю) — прибор, измеряющий давление жидкости или газа. По назначениям манометры можно разделить на несколько видов — общетехнические, электроконтактные, специальные, самопишущие, железнодорожные, виброустойчивые (глицеринозаполненые), судовые и эталонные (аналоговые).
Общетехнические: предназначены для измерения не агрессивных к сплавам меди жидкостей, газов и паров.
Электроконтактные: в конструкции имеют специальные группы электрических контактов (обычно 2). Одна группа контактов соответствует минимальному заданному давлению, вторая группа — максимальному. Величины заданий могут изменяться обслуживающим персоналом. Группа минимального давления может быть включена в электрическую цепь позиционного регулирования или сигнализации минимального давления. Аналогично и группа максимального давления. В некоторых случаях могут быть задействованы обе группы. Как минимальная так и максимальная группы могут быть выведены за минимальное или максимальное (соответственно) значение шкалы манометра и не использоваться. Электроконтактные манометры как правило не должны использоваться в качестве приборов для снятия показаний ввиду того, что показывающая стрелка при механическом взаимодействии с одной из контактных групп может неточно указывать величину давления — возникает заметная погрешность. Особенно популярным прибором этой группы можно назвать ЭКМ 1У, хотя он давно снят с производства. Для работы в условиях возможной загазованности горючими газами необходимо использовать электроконтактные манометры во взрывозащищенном исполнении.
Специальные:
- кислородные — должны быть обезжирены, так как иногда даже незначительное загрязнение механизма при контакте с чистым кислородом может привести к взрыву. Часто выпускаются в корпусах голубого цвета с обозначением на циферблате О2 (кислород); ацетиленовые — не допускают в изготовлении измерительного механизма сплавов меди, так как при контакте с ацетиленом существует опасность образования взрывоопасной ацетиленистой меди; аммиачные — должны быть коррозионностойкими.
Эталонные: обладая более высоким классом точности (0,15;0,25;0,4), эти приборы служат для поверки и калибровки других манометров. Устанавливаются такие приборы в большинстве случаев на грузопоршневых манометрах или каких-либо других установках, способных развивать нужное давление.
Судовые манометры предназначены для эксплуатации на речном и морском флоте.
Железнодорожные предназначены для эксплуатации на Ж/Д транспорте.
Самопишущие: манометры в корпусе, с механизмом позволяющим воспроизводить на диаграмной бумаге график работы манометра.
Сфигмоманометр
Сфигмоманомметр (греч. sphygmуs, пульс + manуs, неплотный + metrйф, измеряю[1]) — манометр для неинвазивного измерения артериального давления. Сфигмоманометр состоит из манометра, измеряющего давление воздуха; манжеты, надеваемой на руку пациента; и нагнетателя воздуха с регулируемым клапаном спуска.
Существует три вида сфигмоманометров: ртутный, механический (анероидный), автоматический и полуавтоматический.
Ртутный — исторически первый вид сфигмоманометра, дающий наиболее точные показания за счёт своей простоты: давление измеряется столбиком ртути, перемещающимся в вертикально расположенной стеклянной трубке. Именно поэтому, по традиции, артериальное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба, как это и было изначально, а не в современных единицах измерения давления килопаскалях (кПа). В настоящее время, ртутные тонометры практически не используются.
Механический
Механический — следующий в истории развития вид сфигмоманометра, который ещё называют анероидным, то есть не имеющим жидкости (как противопоставление ртутному тонометру).
Ртутный и механический тонометры сами не определяют уровень артериального давления, они лишь показывают уровень давления воздуха в манжете. Артериальное давление определяет человек по звуковому методу Короткова при помощи стетоскопа. Во время плавного спускания воздуха из манжеты, над пережатой артерией появляются, а затем исчезают звуки пульсации, называемые тонами Короткова. Показание манометра в момент появления тонов означает уровень систолического АД, показание в момент исчезновения тонов — уровень диастолического АД.
Согласно Приказу Минздрава № 4 от 01.01.01 г., метод Короткова является эталонным неинвазивным методом измерения артериального давления, по которому сверяют давление, измеренное автоматическими или полуавтоматическими тонометрами.
Автоматический и полуавтоматический
Автоматический и полуавтоматический электронные тонометры определяют давление без участия человека, за счёт улавливания кратковременных скачков давления в манжете, происходящих в момент пульсации артерии (расширения артерии во время прохождения по ней пульсовой волны). Такой метод автоматического измерения давления называют осциллометрическим.
Автоматические тонометры бывают двух видов: для измерения на плече и запястье. В медицинской практике измерение давления на запястье (лучевой артерии) не используется, по причине более низкой точности измерений. Это связано не только с возможными сердечно-сосудистыми заболеваниями, но и с нормальными анатомо-физиологическими особенностями организма. В области лучезапястного сустава артерии тоньше, поэтому амплитуда пульсовой волны ниже. Запястный тонометр не подходит тем людям, у которых пульс прощупывается слабо, а также для людей старше 40 и тем более пожилых (старше 60), так как стенки артерий уже не такие эластичные, как в молодом возрасте: происходит склерозирование (затвердевание) сосудов, поэтому они начинают плохо поддаваться воздействию пульсовой волны. Как следствие — прибор может не определить или неточно определить скачок давления в манжете, происходящий из-за растяжения артерии.
Схема процесса
Сначала избыточное давление воздуха в манжете отсутствует и кровоток не прерывается. По мере закачивания воздуха в манжету последняя сдавливает плечевую артерию. Когда давление в манжете превысит систолическое давление, кровоток прекращается. Выпуская воздух, уменьшают давление в манжете. Когда давление на артерию станет равным систолическому, кровь начнёт проталкиваться через сдавленную артерию. В ней создаётся поток, сопровождаемый шумами. В момент появления шумов по манометру регистрируется систолическое давление. Когда давление в манжете станет меньше диастолического давления, манжета перестанет пережимать артерию. Кровоток прерываться перестанет, и шумы прекращаются. В момент прекращения шумов по манометру регистрируется диастолическое давление.Практическая часть
Я провела практическую часть проекта в декабре 2017 года. Я измерила артериальное давление у 13 своих одноклассников (13-15 лет) и 4 учителей разного возраста с помощью электронного сфигмоманометра.
Все исследования проводились анонимно.
Факторы, влияющие на артериальное давление
Таблица №1
Внешние | Внутренние |
1. Увеличение физической нагрузки (урок физической культуры) | 1. Возраст |
2. Эмоциональное напряжение (контрольная работа) | 2. Масса тела |
3. Образ жизни |
1 исследование
Выявление зависимости артериального давления от физической нагрузки.
Я измеряла артериальное давление у своих одноклассников дважды: до и после урока физической культуры.
Таблица №2
АД до урока физической культуры | АД после урока физической культуры | Изменения |
126/83 | 177/94 | Увеличилось |
128/67 | 137/75 | Увеличилось |
108/68 | 139/64 | Увеличилось |
92/61 | 134/70 | Увеличилось |
Выводы
2 исследование
Выявление зависимости артериального давления от эмоционального напряжения
Я измеряла артериальное давление у своих одноклассников перед текущей контрольной работой.
Таблица №3
АД нормальное | АД перед текущей контрольной работой (эмоциональное напряжение) | Изменения |
120/61 | 132/70 | Увеличилось |
111/59 | 165/81 | Увеличилось |
92/61 | 126/78 | Увеличилось |
Выводы
Артериальное давление зависит от эмоционального напряжения. Чем больше человек волнуется, тем выше поднимается его артериальное давление.3 исследование
Выявление зависимости артериального давления от образа жизни
Я измеряла артериальное давление у учеников 8 класса, которые ведут активный образ жизни и у их ровесников, которые ведут малоподвижный образ жизни.
Таблица №4
Компьютер | АД нормальное | АД измеренное | Разница |
Активный образ жизни | |||
- | 129/69 | 125/76 | Приблизительно равно |
- | 128/69 | Приблизительно равно | |
Малоподвижный образ жизни | |||
+ | 129/69 | 142/85 | Намного больше нормы |
- | 137/80 | Больше нормы |
Выводы
Артериальное давление зависит от образа жизни. У людей, которые ведут ЗОЖ, артериальное давление не отклоняется от нормы. У людей, которые ведут малоподвижный образ жизни, артериальное давление часто повышается. У людей, которые много сидят за компьютером, повышенное артериальное давление.4 исследование
Выявление зависимости артериального давления от массы тела
Я измеряла артериальное давление у учеников 8 класса с избыточной массой тела и у их ровесников с нормальной массой тела.
Таблица №5
Избыточная масса тела | Нормальная масса тела | Разница |
117/75 | 120/85 | У людей с повышенной массой тела АД более высокое. |
108/68 | 115/75 |
Выводы
Артериальное давление зависит от массы тела человека. Чем больше масса тела, тем выше артериальное давление.5 исследование
Выявление зависимости артериального давления от возраста
Я измеряла артериальное давление у подростков 13-15 лет, у взрослых 20-30 лет и у взрослых старше 40 лет.
Таблица №6
13-15 лет | 20-30 лет | Старше 40 лет |
115/75 | 125/81 | 142/75 |
99/71 | 120/78 | 139/94 |
Выводы
Артериальное давление зависит от возраста человека. Чем старше человек, тем выше артериальное давление.Заключение
Я подтвердила выдвинутую гипотезу. При изменении внешних и внутренних факторов артериальное давление человека изменяется. На него влияют физическая нагрузка, эмоциональное напряжение, образ жизни, масса тела, возраст.
Также я доказала, что нужно вести ЗОЖ, так как несоблюдение его норм отражается на здоровье человека. Ведь люди, которые ведут активный образ жизни, следят за своим весом, не сидят часами за компьютером чувствуют себя гораздо лучше, чем другие.
Список использованной литературы
и
интернет-ресурсов:
, «Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами реабилитологии. Лекции и семинары» , «Медицинская и биологическая физика. Курс лекций с задачами» , , «Большая медицинская энциклопедия» www. ru. wikipedia. org www. med. vesti. ru www. nkj. ru www. dic. academic. ru
