呼吸力学基本特性的模拟说明

更新于 2026年10月28日 版权声明
二、呼吸力学基本特性的模拟说明

分析呼吸力学时,应首先认识呼吸系统静态与动态特性,这些特性可用物理学中的运动方程模式表达(图4-1)。在该模式中,具有一定质量(M)的物体,连接着一个弹簧,在外力(F)作用下,欲使物体沿箭头方向向前移动,必先牵拉弹簧。被牵拉的弹簧由于弹性回位而产生的阻力,称为弹性阻力。弹性阻力大小取决于弹簧的弹性系数(K)和弹簧位移的距离(l);弹性系数越大,位移越大,则弹性阻力越大。在牵动物体时,物体与表面因摩擦而产生摩擦阻力(也称为黏性阻力)。摩擦阻力大小取决于摩擦系数(R)与物体位移的速度(i);R 和i越大黏性阻力越大,其中摩擦系数大小与摩擦表面的粗糙程度有关。移动物体在启动与加速时还会克服惯性阻力,惯性阻力大小取决于被移动物体的质量M(确切说是单位容积的质量,也就是密度)与位移的加速度(ii),加速度为单位时间内速度的变化率,M 或ii越大,惯性阻力越大。因而,外力在克服阻力移动物体时,可分解成需克服弹性、黏性(摩擦)、惯性三部分阻力,即:

图示

图4-1 运动方程的模式图

F=F弹+F摩+F惯

此式亦可表示为运动方程(equation of motion),即F=K×l+R×i+M×ii。

上述力学模式也可用于呼吸力学。在呼吸系统中,气体流动通过压力差(P)推动。呼吸系统弹性阻力(弹性系数)习惯用顺应性的倒数(1/C)表示;呼吸器官(胸廓和肺)位移的距离用肺容积的变化幅度(ΔV)表示。呼吸器官的摩擦阻力主要为气道阻力,以R 表示;位移速度以呼吸气体流量(F 或V·)表示;惯性阻力以I 表示;位移的加速度以气流加速度(σ)表示。因此,在呼吸系统中,运动方程式可以表达为下述公式。(https://www.daowen.com)

P=1/C×ΔV+R×F+I×σ

在呼吸系统中,驱动气体运动的动力P 也可被分解为克服弹性、黏性(摩擦)、惯性这3种阻力的分压力,即:

P=P弹+P摩+P惯

由于空气密度极小(可以粗略认为是0),而整个呼吸器官(包括肺和胸廓)主要由空气构成(肺几乎是含气器官,故密度可以认为是0;胸廓尽管是由肌肉、骨骼等组成,密度很高,但覆盖在肺表面,也相当于是中空的,故密度也接近于0),因此呼吸器官的惯性阻力极小,可以忽略不计,上述公式可分别简化为:

P=1/C×ΔV+R×F

P=P弹+P摩

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