一、气道阻力
以单位时间内推动一定容积的气体（F）流经呼吸道所需的压力差（肺泡内压与口腔压之差，P）来表示，正常人每秒推动1 L气体进出呼吸道需1～3 cm H2O 的压力差，故气道阻力为1～3 cm H2O／（L·s）。不同情况下气流阻力及克服阻力所需的气道压不同，其中气流形态影响最大。气流分层流、湍流两种基本形式，正常呼吸时该两种气流形式并存，湍流主要发生于中央气道和气道分叉处；层流则存于周围气道。由于两种气流产生的阻力不同，呼吸力学中常以下式表示呼吸驱动压（P）与其所克服的两种气流阻力（R）之间的关系（图5-6）。
图5-6 3种不同的气体流动形态
式中
为气流速率（流量）；K 1与K 2分别为层流与湍流的常数。
（一）典型层流的特性
1.层流的基本特性 在无分叉圆形直管中以一系列的“圆锥体”向前平缓流动，各圆柱体之间互相滑动，中央部位流速最大，周边部位流速渐小，气流与管壁的接触部位气流静止不动，流速为0（图5-7A）。
图5-7 层流的形态特点和阻力
层流的流体力学特点决定了在吸入气容积（潮气量）稍小于管道容积（气道无效腔）时，新鲜气体就能够到达远端的肺泡，即VT 小于VD 时可能产生肺泡通气量（V·A），当然在管道末端测定的气体浓度不能真实反映管道中央的气体浓度，故临床测定、评估时要充分考虑这些特点。
理论上，贴壁气流是静止的，管壁和气流之间的摩擦阻力为0；但这仅限于理想气体，实际上并非完全如此，由于气道壁非常光滑，阻力也非常小，可忽略不计。层流的阻力主要来源于流体之间的相互摩擦，这也是层流摩擦力明显小于湍流摩擦力的原因之一。进一步推论，光滑气道或其他光滑管道壁也基本不影响流体阻力。
2.层流的阻力 特定管道的层流阻力是恒定的，不随流速增大或减小而变化（图5-7B）。
层流阻力由管道的半径和长度及气体黏滞性决定，符合泊肃叶定律，其中主要受管道半径的影响（与半径的4次方成反比），半径缩小1／2，阻力增加16倍，所以临床上常通过扩张气道内径降低气道阻力。气体密度对阻力的影响较小，与半径相比几乎可忽略不计，所以尽管氦气密度很低，但对层流阻力的影响非常有限，氦氧混合气主要因通过改善湍流的强度降低阻力而被应用于治疗危重症支气管哮喘患者。
其中r 表示管道半径，L 表示管道长度，η 表示气体黏滞性。
3.层流阻力的测定 在流速恒定的情况下通过测定气流两端的压力差即可测定层流阻力（图5-8）；当然也可通过测定气道半径和长度计算气道阻力（见上述公式）。
图5-8 气流阻力的测定原理模式图
（二）湍流的特点
1.湍流的产生和基本特点 湍流发生在高速气流状态下，容易发生在管道的拐角、分叉处或管腔内径的变化处（图5-9A），气体流动呈不规则性，其阻力变化符合范宁方程。
图5-9 湍流的产生和阻力特定
在阻力较大的管道，湍流的产生不可避免，除非流速非常低。(https://www.daowen.com)
湍流的流动方式大体呈方形，吸入气容积（潮气量）大于管道容积（气道无效腔）时新鲜气体才会到达远段肺泡，即VT 必须大于VD 时才会产生V·A；当然湍流的这一特性也可有效地冲洗气道无效腔，在管道末端测定的气体浓度也能真实地反映管道中央的气体浓度。
2.湍流阻力 不仅来源于流体之间的相互摩擦，也来源于气流与气道壁之间的摩擦，这也是湍流摩擦力较大的原因之一。
湍流的阻力是可变的，随流速增大呈指数式增大，相应的驱动压也显著增大。湍流的阻力与气体的密度成正比，相应驱动压也与密度成正比，故氦氧混合气可改善湍流强度，显著降低湍流的阻力，用于危重支气管哮喘的治疗。湍流的阻力与管径的5次方成反比，在流量不变的情况下，半径每缩小1／2，阻力增加至原来的32倍；而同样情况下的层流阻力仅增加16倍。
在特定长度的管道（如气管-支气管树）中，上述情况的总体效应是湍流阻力较层流大得多，相应的驱动压也显著增加，患者呼吸功将显著增加，也容易发生呼吸肌疲劳和呼吸衰竭，因此同时改善气流形态和气道内径（两者互相影响）才会显著降低气道阻力，但临床上容易忽视。
3.湍流阻力的测定 与层流相同，湍流阻力的测定比较简单，但计算方法比较复杂，较常用3种方式计算。
（1）两种系数计算：
，其中K 1与K 2分别为层流与湍流的常数，在健康成人，
。
（2）指数计算：P=KV·n，n=1时表示层流，n=2时表示湍流，介于两者之间为混合流，正常成人气道阻力的计算公式为：
R=P／VT。
（3）图形法：以横坐标为流速（流量）、纵坐标为压力作图（图5-9B），该法简单、直观，线性代表层流，指数式代表湍流。
（三）雷诺数 气体在光滑的直管中流动是湍流还是层流由雷诺数（Reynold，Re）决定。
雷诺数＞4 000是湍流，＜2 000是层流，介于两者之间为混合流。雷诺数与气体的物理特性和管道半径直接相关，在半径恒定的情况下主要取决于气体的物理特性。表5-1显示同样外在条件下，氦氧混合气的雷诺数要小得多，湍流强度显著降低，从而降低哮喘或大气道阻塞患者的气道阻力。
表5-1 几种临床常用的气体特性
平静呼吸时两种流态同时存在，且差异较大，气道阻力的计算公式仅为评估气道阻力的一种简化方法，可能会有较大误差。
（四）气道阻力 小气道阻力所占比例很小，绝大部分阻力在第8级以上支气管产生。
1.气道走行与阻力分布 气管-支气管树的形态结构自上而下逐渐改变，较大的气道行走在结缔组织包膜中，不直接接受外力的牵拉，其阻力大小与肺容积变化的关系不大，主要依靠软骨环的支撑维持气道的开放。第12级之后的细支气管和呼吸性细支气管脱离结缔组织包膜行走在肺实质内，直接受相邻肺泡隔膜的弹性牵拉，其口径和阻力受肺容积影响。肺弹性回缩是维持小气道开放的主要因素，肺弹性减退将导致小气道阻力显著增加。
2.气道横截面积与气流形态、气道阻力 从气管开始，气道逐渐分级，一般每1支分成2支或数支，长度不同，但几乎皆是直的，大的气道一般皆比下一级的分支长；但管道直径逐级减小，管道数目成倍增加，因此总的气道横截面积逐级增大。在呼吸性支气管以后的各级分支，直径减小不多，但分支后的数目仍然倍增，总横截面增大更甚，气道阻力显著降低，并对气流特征有重要影响，基本表现为层流，且流速很慢，故阻力非常低，不超过总气道阻力的20%（图5-10）。
与理论描述相比，气道内的气流形态更复杂，一般由不同比例的层流和湍流混合而成。气道内径和气流速度从气管的最大值开始逐级下降，到第15级的呼吸性细支气管，气流速率几乎接近0。
图5-10 各级气道的平均直径与截面积
上述因素导致在第11级以前气管分支几乎不可能存在单纯的层流。在传导性气道，气道壁的表面特点对湍流的影响较其对层流的影响更明显，如在多种气道疾病，气道黏膜充血、水肿、黏液分泌增多，导致气道阻力明显增加；吸入氦气等雷诺数低的气体对降低大、中气道的阻力较小气道显著。
总之，层流与湍流的同时存在导致呼吸周期中的气道阻力是可变的。平静呼吸时气道阻力主要来源于层流，气道直径对阻力变化发挥主要作用；黏滞系数影响阻力，但实际作用有限；气体黏度高，有利于维持层流。在湍流，驱动压成倍增加的情况下气流速度仅增加0.4倍（图5-11）；反之维持相同的流量或潮气量需要很高的驱动压，如层流的气流速率为15 L／min时驱动压约为15 cm H2O；而同样流速的湍流，其驱动压明显超过50 cm H2O，所以气道阻力增加、呼吸困难时，改善通气的手段不是首选提高通气压力或应用糖皮质激素、气道扩张剂，而是首选深慢呼吸等物理措施改善气流形态，使以湍流为主改为以层流为主。低密度气体可明显改善湍流，降低阻力；黏度影响层流，但作用有限，一般可忽略不计。
图5-11 不同气流形态下气流速率（流量）与驱动压的关系