Bài 1: Chuyển động của Vật chất trong Cơ thể Sống (PDF)

BÀI 1: CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT CHẤT TRONG CƠ THỂ SỐNG MỤC TIÊU 1. Nêu được đặc điểm của các hiện tượng vận chuyển vật chất trong cơ thể sống. 2. Thiết lập được các công thức liên quan đến chuyển động của chất lưu và nêu được ý nghĩa của chúng. 3. Giải thích được sự vận chuyển của máu trong hệ tuần hoàn...

BÀI 1: CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT CHẤT TRONG CƠ THỂ SỐNG MỤC TIÊU 1. Nêu được đặc điểm của các hiện tượng vận chuyển vật chất trong cơ thể sống. 2. Thiết lập được các công thức liên quan đến chuyển động của chất lưu và nêu được ý nghĩa của chúng. 3. Giải thích được sự vận chuyển của máu trong hệ tuần hoàn và phân tích được các yếu tố khách quan chính ảnh hưởng quá trình vận chuyển này. NỘI DUNG 1. CÁC HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN CHẤT TRONG CƠ THỂ 1.1. Hiện tượng khuếch tán Các phân tử luôn chuyển động hỗn loạn và va chạm vào nhau, cho nên khi ta để hai tập hợp phân tử lại gần nhau dù chúng ở thể rắn, lỏng hay khí chúng cũng chuyển động ngẫu nhiên xuyên lẫn vào nhau. Đó là hiện tượng khuếch tán phân tử. Với chất rắn ta khó quan sát được hiện tượng này nhưng với chất lỏng hoặc chất khí ta có thể quan sát được ở dạng vĩ mô. Nếu chất khí hoặc chất lỏng không có sự đồng nhất ở mọi điểm về nồng độ thì chuyển động nhiệt của các phân tử sẽ có tác dụng làm mất sự không đồng nhất đó. Nói cách khác nó sẽ dẫn đến sự san bằng nồng độ ở mọi điểm. Và như vậy đã có sự di chuyển vật chất từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp. Hiện tượng khuếch tán là hiện tượng di chuyển vật chất có bản chất là sự chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử không tạo phương ưu tiên dẫn đến trạng thái cân bằng nồng độ, là trạng thái có xác suất nhiệt động cực đại hoặc có entropy cực đại khi không có tương tác với môi trường ngoài. 1.1.1. Khuếch tán không qua màng Nghiên cứu hiện tượng khuếch tán, Fick đã khảo sát sự phụ thuộc của số phần tử khuếch tán dn qua diện tích S trong khoảng thời gian dt và thiết lập được công thức: dn = −D.S.gradC.dt (2. 1) (2.1) là công thức của định luật Fick với gradC là gradient nồng độ chất C và D là hệ số khuếch tán của loại phân tử khảo sát. Hệ số D phụ thuộc vào khối lượng và hình dạng của phân tử, độ nhớt của dung môi, nhiệt độ của dung dịch. Einstein đã thiết lập hệ thức biểu diễn sự phụ thuộc giữa hệ số khuếch tán D và các yếu tố liên quan: 𝑅𝑇 1 𝑘𝑇 𝐷=. = (2. 2) 𝑁 𝜑 𝜑 Trong đó: R = 8,314 J/ mol.K - là hằng số khí lí tưởng. N là số Avogadro. k = 1,38.10-23 J/K = 8,617.10-5 eV/K là hằng số Boltzmann.  T - là nhiệt độ tuyệt đối của dung dịch. φ - là hệ số ma sát phân tử, biểu diễn sự cản của môi trường lỏng đối với chuyển động nhiệt của phân tử. Có thể coi𝜑 = 𝐾. 𝜂 với η là hệ số nhớt của môi trường, K là hệ số đặc trưng cho hình dạng của phân tử. - Trường hợp phân tử có dạng hình cầu bán kính r thì: 𝑘𝑇 𝜑 = 6𝜋. 𝑟. 𝜂 ⇒ 𝐷 = (2. 3) 6𝜋. 𝑟. 𝜂 - Nếu biểu diễn công thức này theo khối lượng phân tử μ, ta có: A D (2. 4) 3  Trong đó A là hằng số phụ thuộc nhiệt độ và loại dung môi. Định luật Fick là định luật thực nghiệm, cho biết số phần tử tham gia khuếch tán khi có sự chênh lệch về nồng độ chất tan giữa các vùng trong dung dịch. Các phân tử hòa tan sẽ dịch chuyển từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp tức là theo chiều ngược với gradient nồng độ. Tốc độ khuếch tán tăng theo nhiệt độ và giảm khi phân tử lượng chất tan và độ nhớt của môi trường tăng. Ngoài ra ta cũng thấy rằng hiện tượng khuếch tán không chỉ xảy ra với phân tử chất tan mà còn xảy ra với cả dung môi. Các phân tử dung môi sẽ chuyển động ngược chiều với các phân tử chất tan có nghĩa là từ nơi có nồng độ dung môi lớn đến nơi có nồng độ dung môi nhỏ. 1.1.2. Khuếch tán qua màng xốp thấm tự do Màng xốp thấm tự do là loại màng có những lỗ với đường kính rất lớn so với đường kính phân tử khuếch tán. Khi ta đặt 2 dung dịch nồng độ khác nhau ở 2 phía của màng thì xảy ra hiện tượng khuếch tán. Giả sử rằng ở mỗi phía của màng luôn duy trì nồng độ nhất định C1 và C2(hình 2.1a), khi đó chỉ có phần bên trong giữa 2 mặt màng là có nồng độ biến đổi (coi là biến đổi tuyến tính liên tục) tức là gradC có giá trị không đổi. 𝑑𝐶 𝐶2 − 𝐶1 𝑔𝑟𝑎𝑑𝐶 = = (2. 5) 𝑑𝑥 𝑙 Với l là chiều dày của màng.  Hình 2.1a Hình 2.1b Áp dụng định luật Fick ta có: 𝐶2 − 𝐶1 ∆𝑛 = −𝐷𝑆 ∆ (2. 6) 𝑙 𝑆 Trong đó gọi là hằng số màng. 𝑙 Ta không biết được chính xác diện tích S của các lỗ màng và chiều dày màng, nhưng bằng thực nghiệm có thể xác định được giá trị trung bình của hằng số màng. Trên đồ thị (hình 2.1b) biểu diễn sự biến thiên nồng độ theo không gian ứng với các thời điểm khác nhau t’ > t, ta thấy sự chênh lệch nồng độ giữa hai phía của màng giảm dần theo thời gian, dần tiến tới trạng thái cân bằng khuếch tán tức là trạng thái mà số phần tử chuyển động qua màng theo hai phía bằng nhau. 1.2. Hiện tượng thẩm thấu Trong tự nhiên có những loại màng chỉ cho một loại hoặc một số loại phân tử xuyên qua, còn những loại khác thì không thể qua lại; có loại màng chỉ cho dung môi đi qua mà không cho các chất hòa tan đi qua. Các loại màng có tính chất như vậy gọi là màng bán thấm. Các màng trong cơ thể sống hầu hết là màng bán thấm bởi vì sự tồn tại của tế bào phụ thuộc vào sự thấm những chất cần thiết từ môi trường bên ngoài và loại trừ những chất chuyển hóa cặn bã từ nó ra ngoài. Ngoài những màng bán thấm có trong tự nhiên ở các cơ thể sinh vật còn có các màng bán thấm nhân tạo. Chính vì có tính thấm chọn lọc của màng mà chúng ta có hiện tượng thẩm thấu. Đối với cơ thể sống thì thẩm thấu đóng vai trò rất quan trọng trong các phương thức vận chuyển chất ở cơ thể sống. Thẩm thấu là một quá trình vận chuyển dung môi qua một màng ngăn cách hai dung dịch có thành phần khác nhau khi không có các lực ngoài như trọng lực, lực điện từ, lực đẩy pitton… Hai dung dịch có thể khác nhau về bản chất, nồng độ chất hòa tan. Động lực của quá trình thẩm thấu là áp suất thẩm thấu. 1.2.1. Áp suất thẩm thấu Mỗi dung dịch đều có một áp suất thẩm thấu nhất định. Áp suất thẩm thấu sinh ra do sự có mặt của các chất hòa tan trong dung dịch. Nó có tác dụng làm dung môi chuyển động về phía dung dịch và có độ lớn bằng áp suất thủy tĩnh cần thiết làm ngừng sự thẩm thấu khi đặt dung dịch ngăn cách với dung môi bằng một màng bán thấm. - Đối với những dung dịch loãng chứa chất không điện li: coi các phân tử chất tan trong dung dịch tương tự như chuyển động của các phân tử khí lí tưởng trong bình. Áp suất thẩm thấu có thể xác định bằng phương trình Claperon – Mendeleev: m p= RT μVm Trong đó: p là áp suất thẩm thấu của dung dịch. m là khối lượng chất hoà tan.  là trọng lượng phân tử chất hoà tan. Vm là thể tích dung dịch. R là hằng số khí, R = 8,31.103 J/kmol.độ. m Thay = C là nồng độ của dung dịch. Ta có phương trình Van’t Hoff: μ.Vm p = C.R.T Khi nhiệt độ không đổi, áp suất thẩm thấu tỷ lệ thuận với nồng độ chất tan của dung dịch. - Đối với dung dịch loãng điện li ta có thể suy rộng phương trình Van’t Hoff để tính áp suất thẩm thấu. Gọi N0 là số phân tử của chất hoà tan trong một đơn vị thể tích dung dịch nếu chất hòa tan là không điện ly; a% là số phần tử chất tan bị phân li và mỗi phân tử bị phân li thành n ion. N là số phân tử có trong một đơn vị thể tích dung dịch sau khi phân li thành các ion. Ta có: N = N0.a.n + (1 – a).N0 N = [ 1 + a(n – 1)].N0 Vì áp suất thẩm thấu tỷ lệ với số phân tử có trong một đơn vị thể tích nên đối với dung dịch điện li áp suất thẩm thấu sẽ tăng lên i lần với i = 1 + a(n - 1) và i gọi là hệ số đẳng trương. Như vậy phương trình Van’t Hoff viết cho dung dịch loãng điện li sẽ là: p = i.C.R.T 1.2.2. Cân bằng Donnald Thực tế màng tế bào không cho các đại phân tử và các ion lớn đi qua nhưng cho các ion nhỏ của chất điện li đi qua do vậy có sự phân phối lại các chất điện li trong và ngoài màng tế bào ảnh hưởng lên áp suất thẩm thấu. Giả sử trong một màng bán thấm ngăn cách dung dịch điện li đại phân tử R-Na+ ở phần I với dung dịch điện li NaCl ở phần II (hình 2.2). Các ion Na+ và Cl- có thể qua lại 2 phía của màng còn R- thì không thể thấm qua màng. Do xu hướng cân bằng “trung hoà về điện” nên số ion âm và dương qua màng phải bằng nhau khi đó chi phí năng lượng là tối thiểu. Số cặp ion di chuyển từ II sang I là n21 = k.[Na+]2[Cl-]2 và từ I sang II là n12 = k.[Na+]1[Cl-]1. Khi đạt trạng thái cân bằng thì n12 = C22 n21 nên [Na+]1[Cl-]1 = [Na+]2[Cl-]2, hay: x(C1 +x) = (C2- x)2 suy ra x =. C1 +2C2 C2 - Trường hợp 1: khi C1 > C2 ( nồng độ R- rất lớn) thì x = 0, NaCl ở ngoài hầu như không thấm vào trong màng tế bào. C2 - Trường hợp 3: khi C1 = C2 thì x = lúc đó có 1/3 số phân tử chất điện ly ở ngoài 3 màng sẽ di chuyển vào trong màng. Do vậy, khi cho tế bào tiếp xúc với các chất điện li có cùng loại ion với muối protein trong tế bào thì trong mọi trường hợp đều có một lượng chất điện li đi vào tế bào dẫn đến sự thay đổi áp suất thẩm thấu và giá trị của áp suất thẩm thấu của màng tế bào luôn lớn hơn áp suất thẩm thấu của môi trường đó chính là động lực gây nên dòng chảy về phía các tế bào sống. 1.2.3. Ý nghĩa của áp suất thẩm thấu (ptt) Hiện tượng thẩm thấu có vai trò quan trọng trong sự sống của các cơ thể động thực vật. Giá trị áp suất thẩm thấu của các cơ quan khác nhau trong cơ thể thường khác nhau. Dịch tiết ra từ cơ thể ếch có áp suất ptt nhỏ hơn cơ thể người. Ví dụ, thực vật hút nước từ lòng đất nhờ ptt = 5 - 20 atm, một số cây ở sa mạc ptt = 170 atm. Các tế bào ở lá và ngọn cây áp suất thẩm thấu lớn hơn các tế bào ở thân và rễ. Đối với con người chỉ cần một thay đổi nhỏ về ptt của các dịch trong cơ thể đặc biệt là máu (máu, bạch huyết, dịch các tổ chức của cơ thể người có ptt = 7,7atm ở 370C) cũng đủ gây ra những ảnh hưởng đến các hoạt động sinh lý bình thường. Trên cơ thể người thận đóng vai trò điều chỉnh áp suất thẩm thấu. - Nếu ptt bị hạ thấp (do nước đưa vào cơ thể nhiều hoặc do mất muối) có thể dẫn đến gây co giật, nôn mửa. - Nếu ptt tăng cao (do đưa vào cơ thể lượng muối lớn) dẫn tới sự phân phối lại nước, gây ra phù nề ở các tổ chức. Sự mất nước của các niêm mạc gây cảm giác khát nước, mất thăng bằng của hoạt động thần kinh. Dung dịch mà áp suất thẩm thấu của nó bằng áp suất thẩm thấu của một dung dịch chuẩn gọi là dung dịch đẳng trương với dung dịch chuẩn. Dung dịch có áp suất thẩm thấu nhỏ hơn áp suất thẩm thấu của một dung dịch chuẩn gọi là dung dịch nhược trương. Dung dịch có áp suất thẩm thấu lớn hơn hơn áp suất thẩm thấu của một dung dịch chuẩn gọi là dung dịch ưu trương. Dung dịch đẳng trương Dung dịch ưu trương Dung dịch nhược trương Hình 2.3: Tế bào hồng cầu trong các dung dịch khác nhau Nếu để trong dung dịch ưu trương, tế bào sẽ bị mất nước mà teo lại; nếu để trong dung dịch nhược tương tế bào sẽ bị vỡ vì lượng nước quá nhiều đi vào. Vì vậy khi rửa hồng cầu người ta phải dùng nước muối sinh lý (dung dịch muối có nồng độ 0,9%) với áp suất thẩm thấu 7,7atm là dung dịch đẳng trương của máu.  Khi mổ, để bù lại sự mất máu người ta phải đưa vào máu các dung dịch đẳng trương bằng cách truyền huyết thanh hay nước muối sinh lý,…Trong phẫu thuật ổ bụng thường đặt những miếng gạc tẩm nước muối sinh lý để chống lại sự khô các dịch ở mặt trên của vùng phẫu thuật. Dung dịch ưu trương cũng được dùng để chống lại sự tăng nhãn áp, tạm thời người ta dùng dung dịch ưu trương để rút lượng nước dư thừa từ buồng trước của mắt. Để rút mủ, vi khuẩn và các sản phẩm thoái hoá từ vết thương người ta thường băng vết thương bằng những miếng gạc có tẩm dung dịch ưu trương. 1.3. Hiện tượng lọc và siêu lọc Ta thường gặp hiện tượng lọc trong thực tế và trong đời sống hàng ngày. Ví dụ: lọc bột để loại bỏ các hạt to, lọc nước để loại bỏ các cặn đất... Lọc là hiện tượng dung dịch chuyển thành dòng qua các lỗ của màng ngăn cách dưới tác dụng của lực đặt lên dung dịch như trọng lực, lực thủy tĩnh, lực ép của thành mạch. Giả sử các lỗ màng giống nhau và những vật chất tan trong dung dịch có kích thước lớn hơn kích thước của lỗ không thể đi qua màng. Mật độ dòng thể tích JV là thể tích dung dịch chuyển qua một đơn vị diện tích của màng trong một đơn vị thời gian có thể tính theo công thức: V .r 4.N.p JV    L.p (2. 7) t 8 Trong đó: ΔV là thể tích dung dịch chuyển qua màng trong thời gian Δt. r là bán kính của lỗ màng. N là số lỗ trong 1 đơn vị diện tích màng. η là hệ số nhớt của dung dịch. ℓ là chiều dài trung bình của lỗ màng hay chiều dày của màng. Δp là hiệu áp suất giữa hai đầu lỗ L là hệ số lọc. Như vậy tốc độ vận chuyển của dung dịch qua màng lọc phụ thuộc vào hiệu áp suất giữa 2 đầu lỗ, độ nhớt của dung dịch, vào các kích thước của lỗ và số lỗ trong một đơn vị diện tích. Siêu lọc là hiện tượng lọc qua màng ngăn với các điều kiện sau: - Màng lọc ngăn lại các đại phân tử (protein, polime cao phân tử...) và cho các phân tử, các ion nhỏ đi qua tuân theo nguyên lý cân bằng Gift - Donald. - Có thêm tác dụng của áp suất thủy tĩnh. Tác dụng của áp suất thủy tĩnh làm thay đổi lưu lượng của dòng dung dịch qua màng, cũng có thể làm đổi chiều của dòng. Bản chất: trong hiện tượng lọc - siêu lọc dòng vật chất là dòng dung dịch (gồm cả dung môi và các chất hoà tan). Cơ chế: dòng vật chất có thể vận chuyển ngược hoặc cùng chiều các gradient. Chiều vận chuyển của dòng vật chất trong trường hợp này là chiều của tổng hợp các lực tác dụng lên dung dịch. Động lực: trong hiện tượng vận chuyển này cơ thể phải tiêu tốn năng lượng (ví dụ năng lượng duy trì lực đẩy của tim, sự co giãn của thành mạch...). Năng lượng này sẽ do các phân tử dự trữ năng lượng ATP cung cấp. Vai trò: sự vận chuyển của nước qua thành mao mạch xảy ra theo cơ chế lọc: trong đó huyết áp có khuynh hướng dồn nước trong máu ra khoảng gian bào, ngược lại áp suất thẩm thấu keo lại dồn nước từ gian bào qua thành mao mạch vào máu. Trong các động mạch huyết áp lớn hơn áp suất thẩm thấu thì nước từ máu thoát ra mao mạch, còn trong các tĩnh mạch áp suất thẩm thấu lớn hơn huyết áp thì nước từ gian bào qua thành mạch vào máu. Sự trao đổi chất đó thường xảy ra ở thành mao mạch như một hiện tượng siêu lọc mà động lực là sự chênh lệch áp suất giữa hai phía của thành mạch. * Siêu lọc ở cầu thận: cầu thận nằm ở vùng vỏ thận, nó có hai thành phần hợp thành là bọc Bowman và búi mao mạch cầu thận. Vật chất trong huyết tương chảy qua búi mao mạch cầu thận sẽ lọt qua thành mao mạch để vào trong lòng bọc Bowman. Bởi vậy thành mao mạch và thành bọc Bowman gắn với nhau tạo thành màng lọc cầu thận. Màng lọc cầu thận cũng giống như các màng mao mạch khác trong cơ thể, nhưng vì chức năng lọc lớn hơn nên có độ xốp lớn hơn khoảng 25 lần. Siêu lọc cầu thận là giai đoạn đầu của quá trình tạo thành nước tiểu. Hàng ngày có tới 180 lít nước tiểu ban đầu được hình thành Vật chất chuyển qua màng lọc vào bọc Bowman là do sự chênh lệch áp suất ở cầu thận: Áp suất máu trong mao mạch ph là 70 mmHg đóng vai trò lực đẩy dịch chuyển vào bọc Bowman. Áp suất keo trong mao mạch cầu thận tạo ra do nồng độ protein hòa tan trong huyết tương pk là 32 mmHg. Áp suất thủy tĩnh trong bọc Bowman tạo ra do dịch lọc chứa trong bọc Bowman pb là 14 mmHg. Như vậy áp suất lọc là áp suất đẩy nước và chất hòa tan từ lòng mao mạch cầu thận qua màng lọc vào bọc Bowman pe là: pe = ph – (pk + pb) = 24 mmHg Bình thường trong dịch lọc không có hồng cầu và lượng protein rất thấp vì chúng không lọt qua được màng, còn nước và các phân tử, các ion nhỏ xuyên qua được màng lọc cầu thận ra đài bể thận. Do vậy nồng độ các anion cao còn các thành phần cation lại thấp hơn trong huyết tương. Khi cầu thận bị bệnh lý, tức là khi màng lọc giảm hoặc mất chức năng lọc hiện tượng siêu lọc bị phá vỡ và vì vậy trong dịch lọc ta thấy có các hồng cầu và các phân tử protein (hiện tượng đái ra máu trong bệnh viêm thận). Trong y học, hiện tượng lọc - siêu lọc được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật thẩm phân máu. Đó là phương pháp loại bỏ ra khỏi máu các chất có hại do bệnh lý trong cơ thể sinh ra (thiểu năng thận) hoặc do các chất từ ngoài thâm nhập vào (nhiễm chất độc). 2. CHUYỂN ĐỘNG CỦA CHẤT LỎNG 2.1. Khái niệm Chất lưu gồm chất lỏng và chất khí, giống như các môi trường liên tục được cấu tạo từ nhiều chất điểm gọi là hệ chất điểm, chúng liên kết với nhau bởi những nội lực tương tác (gọi chung là lực hút). Khác với vật rắn, các phân tử của chất lưu có thể chuyển động hỗn loạn bên trong khối chất lưu, điều này giải thích tại sao chất lưu luôn có hình dạng thay đổi mà không phải cố định như vật rắn. Chất khí khác với chất lỏng bởi vì thể tích của một khối khí biến đổi không ngừng. Ở điều kiện bình thường, các phân tử của chất lỏng luôn giữ khoảng cách trung bình cố định ngay cả trong quá trình chuyển động hỗn loạn vì vậy chất lỏng được xem là không chịu nén dưới tác dụng của ngoại lực. Trong chất khí, lực đẩy của các phân tử chỉ xuất hiện khi các phân tử bị nén đến một khoảng cách khá nhỏ, cho nên ở điều kiện bình thường chất khí bị nén dễ dàng. Chất lỏng lí tưởng là chất lưu không nén được, không có lực nội ma sát giữa các lớp chất lỏng, giữa chất lưu và thành bình. Chất lỏng thực khác với chất lỏng lý tưởng là khi chảy trong lòng chất lỏng thực có ma sát đồng thời có thể nén (dù rất nhỏ). Chuyển động dừng là chất lỏng chuyển động với vận tốc không phụ thuộc vào thời gian, chỉ phụ thuộc vị trí điểm xét. Đường dòng là quỹ đạo chuyển động của các chất điểm trong chất lưu. Ống dòng là một bó các đường dòng tựa trên Hình 2.2: Đường dòng và ống dòng một đường cong kín (hình 2.2). Tùy thuộc vào vận tốc mà chất lỏng chảy chia thành hai dạng. Khi vận tốc nhỏ chất lỏng chảy thành từng lớp, khi vận tốc lớn chất lỏng chảy xoáy (chảy rối). 2.2. Chuyển động của chất lỏng lý tưởng 2.2.1. Phương trình liên tục (định luật bảo toàn dòng)  Xét một khối chất lỏng lý tưởng chuyển động liên tục trong ống dòng. Ở vị trí (1) của ống dòng, chất lỏng có vận tốc 𝑣⃗1 và tiết diện của ống là S1. Ở vị trí (2) của ống dòng, chất lỏng có vận tốc 𝑣⃗2 và tiết diện của ống là S2 (hình 2.3). Sau một đơn vị thời gian, thể tích chất lỏng chảy qua diện tích S1 là V1 và qua diện tích S2 là V2. Hình 2.3 Vì chất lỏng đang xét là lý tưởng và chuyển động ở trạng thái dừng nên, lưu lượng chảy của chất lỏng qua tiết diện S1 và S2 phải bằng nhau hay: V1 = V 2. Khi đó biểu thức liên hệ giữa tốc độ chảy v1, v2 với diện tích tương ứng S1 S2 là: 𝑣1. 𝑆1 = 𝑣2. 𝑆2 (2. 8) 𝑣1 𝑆2 hay = (2. 9) 𝑣2 𝑆1 Định luật bảo toàn dòng được phát biểu như sau: Đối với chất lưu lý tưởng chuyển động dừng, lưu lượng chất lưu chảy qua mọi tiết diện của ống dòng là như nhau và bằng một hằng số. 𝑣. 𝑆 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 (2. 10) Từ phương trình (2.16) cho thấy nơi thiết diện bé chất lỏng chảy nhanh, nơi thiết diện lớn chất lỏng chảy chậm. Một giọt nước đi từ chỗ rộng có tốc độ nhỏ sang chỗ hẹp có tốc độ lớn hơn là được gia tốc, nói cách khác, trong ống tồn tại lực hướng từ phần rộng sang phần hẹp. Ví dụ, khi rửa ống tiêm, nước trong ống tiêm chảy chậm nhưng nước ở kim phun ra rất nhanh do thiết diện kim nhỏ hơn nhiều lần so với ống. 2.2.2. Phương trình Bernoulli Xét khối chất lỏng lý tưởng chuyển động trong ống dòng giới hạn bởi vị trí (1,2), chuyển động tới chiếm vị trí (1’,2’). Áp suất và vận tốc ở vị trí (1) là p1 và 𝑣⃗1 , ở vị trí 2 là p2 và 𝑣⃗2 (hình 2.4). Chất lỏng chảy được là bởi công gây chảy do sự chênh lệch áp suất giữa đầu ống với cuối ống dòng: 𝑑𝐴 = 𝑝1 𝑆1 𝑑𝑥1 − 𝑝2 𝑆2 𝑑𝑥2 (2. 11)  Giữa vị trí (1,2) và (1’,2’) có chung nhau phần (1’,2) nên ta có thể coi công do áp suất này đã làm cho khối chất lỏng ở vị trí (1,1’) chuyển động tới vị trí (2,2’), nghĩa là làm cho khối chất lỏng này có năng lượng cơ học E1 ở Hình 2.4 vị trí (1,1’) là: 1 𝐸1 = 𝑚𝑔ℎ1 + 𝑚𝑣12 2 thành năng lượng cơ học E2 vị trí (2,2’): 1 𝐸2 = 𝑚𝑔ℎ2 + 𝑚𝑣22 2 Trong đó: m là khối lượng chất lỏng. h1, h2 là chiều cao so với mặt phẳng chọn làm mốc ở các vị trí tương ứng. Độ biến thiên cơ năng ở hai vị trí (2,2’) và (1,1’) là: 1 1 𝑑𝐸 = (𝑚𝑔ℎ2 + 𝑚𝑣22 ) − (𝑚𝑔ℎ1 + 𝑚𝑣12 ) (2. 12) 2 2 Theo định luật bảo toàn và biến thiên năng lượng thì công thực hiện do áp suất chất lỏng bằng độ biến đổi năng lượng cơ học, ta có: 𝑑𝐴 = 𝑑𝐸 1 1 𝑝1 𝑆1 𝑑𝑥1 − 𝑝2 𝑆2 𝑑𝑥2 = (𝑚𝑔ℎ2 + 𝑚𝑣22 ) − (𝑚𝑔ℎ1 + 𝑚𝑣12 ) (2. 13) 2 2 Vì 𝑆1 𝑑𝑥1 = 𝑆2 𝑑𝑥2 = 𝑉 là thể tích khối chất lỏng (1,1’) và (2,2’) có khối lượng m nên: 1 1 𝑝1 𝑉 − 𝑝2 𝑉 = (𝑚𝑔ℎ2 + 𝑚𝑣22 ) − (𝑚𝑔ℎ1 + 𝑚𝑣12 ) (2. 14) 2 2 1 1 Hay: 𝑝1 𝑉 + 𝑚𝑔ℎ1 + 𝑚𝑣12 = 𝑝2 𝑉 + 𝑚𝑔ℎ2 + 𝑚𝑣22 (2. 15) 2 2 1 Tức là: 𝑝𝑉 + 𝑚𝑔ℎ + 𝑚𝑣 2 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 (2. 16) 2 (2.16) là phương trình Bernoulli hay định luật bảo toàn năng lượng đối với chất lỏng lí tưởng (bỏ qua ma sát trong lòng chất lỏng). 𝑚 Vì 𝜌 = là khối lượng riêng của chất lỏng nên chia hai vế phương trình (2.16) cho 𝑉 V ta được: 1 𝑝 + 𝜌𝑔ℎ + 𝜌𝑣 2 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 (2. 17) 2 Với ống nằm ngang, 𝜌𝑔ℎ không đổi nên (2.17) trở thành: 1 𝑝 + 𝜌𝑣 2 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 (2. 18) 2  Định luật Bernoulli được phát biểu như sau: Đối với chất lỏng lý tưởng chuyển động dừng trong ống nằm ngang, áp suất tăng tại nơi tốc độ chảy chậm và ngược lại. Biểu thức (2.17) và (2.18) là các biểu thức toán học của định luật Bernoulli. Ta dễ dàng chứng minh định luật Hình 2.5 Bernoulli bằng thực nghiệm: cho nước chảy theo ống hình (2.5), cột nước h2 thấp hơn cột nước h1 vì v1 < v2. Sự thay đổi áp suất trong hệ tuần hoàn chủ yếu được quy định bởi hao phí năng lượng để khắc phục lực ma sát mà không phải bởi sự thay đổi tốc độ chảy của dòng máu trong những đoạn mạch khác nhau theo nguyên tắc Bernoulli. Điều này phù hợp với nhận xét rằng thành phần động năng (ứng với áp suất động của máu) không vượt quá một vài phần trăm so với công toàn phần. Người ta áp dụng trực tiếp hệ quả của biểu thức (2.17) về mối quan hệ giữa áp suất tĩnh pt và vận tốc cho dòng máu. Điều này giải thích được hiện tượng trong dòng máu mật độ hồng cầu ở trục lớn hơn ở biên, vận tốc chảy ở trục lớn hơn ở gần thành. Theo hệ quả sẽ tồn tại gradient áp suất hướng từ thành bình tới trục làm cho hồng cầu tập trung vào trục. * Một số ứng dụng khác của định luật Bernoulli: - Đo một số đại lượng vật lý như: áp suất tĩnh, áp suất toàn phần, vận tốc chất lỏng, vận tốc của máy bay nhờ ống Pitot,... - Giải thích một số hiện tượng tự nhiên như: các tàu biển hút lẫn nhau, cửa sổ bật mở khi có gió, … - Cơ sở để chế tạo bình xịt nước, bộ chế hòa khí, … 2.3. Chuyển động của chất lỏng thực 2.3.1. Hiện tượng nội ma sát Khi chất lỏng chuyển động thành lớp, ta có thể hình dung chất lỏng xếp thành nhiều lớp khác nhau có bề dày vô cùng nhỏ, mỗi lớp có một tốc độ chảy khác nhau. bằng thực nghiệm người ta xác định được rằng, vận tốc lớp chất lỏng tiếp xúc với thành ống luôn luôn bằng không. Vận tốc các lớp tăng dần Hình 2.6: Chất lỏng chuyển động thành lớp theo hướng ra xa thành ống. Xét hai lớp chất lỏng A và B tiếp giáp nhau có bề dày vô cùng nhỏ dz (hình 2.6). Tốc độ chảy của lớp B là v và lớp A là (v + dv). Lớp A có xu hướng kéo lớp B chuyển động nhanh hơn, ngược lại lớp B có xu hướng kìm chuyển động của lớp B chậm lại. Đó là vì giữa hai lớp có một lực ma sát, gọi là nội lực ma sát của chất lỏng. Lực nội ma sát làm thay đổi tốc độ chảy của lớp chất lỏng. Newton đã chứng minh rằng, giá trị của lực nội ma sát tỷ lệ thuận với diện tích tiếp xúc giữa hai lớp S, gradient 𝑑𝑣 vận tốc giữa chúng và hệ số nhớt của chất lỏng η. 𝑑𝑧 𝑑𝑣 𝐹𝑚𝑠 = 𝜂.. ∆𝑆 (2. 19) 𝑑𝑧 Công thức (2.19) được gọi là phương Newton trong cơ học chất lưu và có thể viết thành: 𝑑𝑧 1 𝜂=𝐹. (2. 20) 𝑑𝑣 𝑆 𝑑𝑣 Nếu các đại lượng và S bằng 1 thì η = F. Nghĩa là hệ số nội ma sát là lực ma sát 𝑑𝑧 xuất hiện giữa hai lớp chất lỏng thực chuyển động thành lớp có tốc độ và diện tích tiếp xúc đều là 1 đơn vị. Vì vậy người ta có thể sử dụng hệ số nhớt để biểu diễn nội lực ma sát (độ nhớt) của một chất lỏng. Trong hệ SI, hệ số η được tính bằng N.s/m2 gọi là Poiseuille (đọc là poadơi): 𝑁. 𝑠 𝑘𝑔 1𝑝𝑜𝑖𝑠𝑒𝑢𝑖𝑙𝑙𝑒 = 1 2 = 1 𝑚 𝑚. 𝑠 Tuy nhiên người ta thường dùng đơn vị khác của η là Poise (đọc là Poa), viết là P. 𝑁. 𝑠 𝑑𝑦𝑛. 𝑠 1𝑃 = 100 𝑐𝑃 = 0,1𝑝𝑜𝑖𝑠𝑒𝑢𝑖𝑙𝑙𝑒 = 0,1 2 = 1 = 100 𝑚𝑃𝑎. 𝑠 𝑚 𝑐𝑚2 Hệ số nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và nhiều yếu tố khác của chất lỏng. Thực nghiệm cho thấy hệ số nhớt của một dung dịch hòa tan cho bởi công thức: 𝜂 = 𝜂0. 𝐴𝑚 (2. 21) Trong đó: η0 là hệ số nhớt của dung môi. m = C/M là nồng độ phân tử của chất hòa tan. A là hằng số. Độ nhớt của những chất lỏng đồng nhất (ví dụ: nước, nước hoa, dung dịch điện giải …) có thể được mô tả bởi phương trình Newton được gọi là chất lỏng Newton (Newtonian fluid). Ngoài ra, còn có các chất lỏng là một hệ không đồng nhất, phức tạp mà phương trình Newton không thể mô tả được bản chất của nó. Độ nhớt của chất lỏng như vậy được gọi là chất lỏng phi Newton (Non-Newtonian fluid) phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy tại các tiết diện của ống. Chất lỏng phi Newton bao gồm hệ huyền phù (dung dịch lơ lửng), nhũ tương và dung dịch các đại phân tử (ví dụ: máu, protein, kem đánh răng, sốt cà chua, sơn, …). Đại phân tử trong dung dịch có thể bị vướng vào nhau, cản trở khả năng phản ứng của chúng và làm thay đổi tốc độ dòng chảy của dung môi. Chất lỏng phi Newton có độ nhớt lớn hơn so với chất lỏng Newton. Máu là hỗn dịch huyết cầu trong một chất lỏng có thành phần phức tạp được gọi là huyết tương. Huyết cầu bao gồm hồng cầu, bạch cầu và tiểu cầu. Huyết tương là một dung dịch có dung của các chất điện giải, protein, chất dinh dưỡng, sản phẩm trao đổi chất, … Máu chiếm khoảng 7% khối lượng cơ thể con người, trong đó hồng cầu chiếm khoảng 45% thể tích máu, huyết tương chiếm 54,3% và các tế bào máu khác. Máu đặc và nhớt hơn nước. Ở người bình thường, giá trị trung bình độ nhớt tương đối của máu gần bằng 5,0 mPa.s (4,2 mPa.s - 6,0 mPa.s). Độ nhớt tương đối của huyết tương là 2,2 mPa.s (1,9 mPa.s – 2,6 mPa.s). Độ nhớt của máu được đo trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng một thiết bị đặc biệt – nhớt kế. Máu là một chất lỏng phi Newton, nhưng với tốc độ dòng chảy được duy trì trong các đoạn mạch của hệ tuần hoàn nên đặc tính nhớt của máu có thể được coi là chất lỏng Newton. Độ nhớt của dung dịch có những hạt nhỏ phụ thuộc vào độ nhớt của chất lỏng và thể tích tổng cộng V của tất cả các hạt chứa trong một đơn vị thể tích dung dịch theo hệ thức: 𝜂 = 𝜂0 (1 + 2,5𝑉) (2. 22) trong đó 𝜂0 là hệ số nhớt của dung môi. Như vậy, máu chảy trong hệ tuần hoàn chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi độ nhớt làm ảnh hưởng đến lưu lượng chảy. Trong hệ tuần hoàn có các tế bào máu lưu thông, chúng được coi như những vật tròn có bán kính r chỉ chuyển động trong chất dịch có độ nhớt thì sẽ bị bao bọc một lớp chất lỏng đó và bị tác động bởi lực cản Fms. Stokes đã xác định được lực cản Fms cho bởi: 𝐹𝑚𝑠 = 6𝜋. 𝜂. 𝑟. 𝑣 (2. 23) Biểu thức (2.23) là công thức Stokes về hiện tượng nội ma sát, nó cho biết lực nội ma sát Fms tăng tỷ lệ thuận với vận tốc v và chỉ đúng với những vận tốc v không lớn (cỡ vài m/s). Hệ số nhớt (hệ số nội ma sát) phụ thuộc vào bản chất của chất lưu, áp suất, thể tích, nhiệt độ và nhiều yếu tố khác. Một số giá trị của hệ số nhớt được cho ở bảng 2.2. Bảng 2.1: Hệ số nhớt của một số chất ở nhiệt độ 200C Chất 𝑁.𝑠 η( ) Chất 𝑁.𝑠 η( ) 𝑚2 𝑚2 Nước 0,01 Glycerin 8,5 Rượu etylic 0,0012 Máu 0,038 ÷ 0,045  Trong y học, người ta có thể đo gián tiếp độ nhớt của máu bằng cách đo tốc độ lắng của hồng cầu. 𝑁.𝑠 𝑁.𝑠 𝑁.𝑠 Hệ số nhớt của nước: 100C là 0,013 ( ); 200C là 0,01 ( ); 300C là 0,008 ( ). 𝑚2 𝑚2 𝑚2 2.3.2. Chuyển động của chất lỏng thực trong ống trụ nằm ngang Do ảnh hưởng của lực nội ma sát, tốc độ chảy của các lớp chất lỏng khác nhau. Ta xét chất lỏng chảy qua ống trụ có bán kính R, chiều dài 𝑙 và hiệu áp suất ∆p giữa đầu ống và cuối ống. Khối chất lỏng nhỏ trong lòng ống đồng trục có bán kính r. Hình 2.7 Hình 2.8 Với 0 < r < R (hình 2.7), diện tích thiết diện ngang của khối trụ đó là: S = π.r2 Lực gây chảy do sự chênh lệch áp suất ∆𝑝 giữa đầu ống với cuối ống của khối trụ là: Fc = π.r2. ∆p (2. 24) Lực nội ma sát tác dụng lên lớp ngoài khối chất lỏng tức là lên mặt xung quanh của khối trụ là: 𝑑𝑣 𝐹𝑛 = 𝜂. 2𝜋. 𝑟. 𝑙. (2. 25) 𝑑𝑟 Giả sử vận tốc của lớp chất lỏng ngoài cùng bằng không, có nghĩa: 𝐹𝑐 + 𝐹𝑛 = 0 (2. 26) Thay (2.24) và (2.25) vào (2.26) ta được: 𝑑𝑣 2𝜋𝑟. 𝑙. 𝜂 + 𝜋𝑟 2. ∆𝑝 = 0 (2. 27) 𝑑𝑟 Do r >0 nên chia hai vế (2.27) cho πr và có: 𝑑𝑣 2𝑙𝜂 + 𝑟. ∆𝑝 = 0 𝑑𝑟 ∆𝑝 𝑑𝑣 = − 𝑟. 𝑑𝑟 (2. 28) 2𝑙𝜂 Tích phân hai vế (2.28) ta được: ∆𝑝 ∆𝑝. 𝑟 2 𝑣=− ∫ 𝑟𝑑𝑟 = − +𝐶 2𝑙𝜂 4𝑙𝜂 ∆𝑝.𝑅2 C là hằng số và khi 𝑟 → 𝑅 thì 𝑣 → 0 thì 𝐶 =. 4𝑙𝜂 Suy ra:  ∆𝑝 2 𝑣= (𝑅 − 𝑟 2 ) (2. 29) 4𝑙𝜂 Như vậy tốc độ chảy của chất lỏng phụ thuộc vào khoảng cách từ lớp chất lỏng đến trục ống. Khi r = 0 tức là chính lớp chất lỏng ở trục ống, tốc độ chảy v0 là: ∆𝑝. 𝑅2 𝑣0 = (2. 30) 4𝑙𝜂 Có thể tính lưu lượng chảy của chất lỏng, tức là thể tích chất lỏng được vận chuyển qua ống trụ trong một đơn vị thời gian. Xét khối chất lỏng thực có hệ số nhớt η trong ống trụ rỗng chiều dài 𝑙, có đáy là hình vành khăn bán kính r và lớp mỏng dr (hình 2.8). Diện tích hình vành khăn chứa đoạn dr là: 𝑑𝑆 = 𝜋(𝑟 + 𝑑𝑟)2 − 𝜋𝑟 2 Vì (dr)2 nhỏ coi như không đáng kể cho nên có thể viết: 𝑑𝑆 = 2𝜋𝑟𝑑𝑟 Lưu lượng chất lỏng chảy qua hình vành khăn là: 𝑑𝑄 = 𝑣. 𝑑𝑆 = 2𝜋𝑟𝑑𝑟. 𝑣 (2. 31) Lấy tích phân hai vế (2.31) ta được lưu lượng chảy của chất lỏng qua ống trụ có bán kính r là: 𝜋∆𝑝 𝑅 2 𝑄= ∫ (𝑅 − 𝑟 2 ). 𝑟𝑑𝑟 2𝑙𝜂 0 𝑅 𝑅4 Giá trị tích phân: ∫0 (𝑅2 − 𝑟 2 ). 𝑟𝑑𝑟 = 4 4 𝜋∆𝑝𝑅 Nên 𝑄= (2. 32) 8𝑙𝜂 Biểu thức (2.32) là công thức Poiseuille, nói lên sự phụ thuộc giữa thể tích chất lỏng chảy qua ống trụ với độ nhớt 𝜂, độ chênh lệch áp suất chảy ∆p, chiều dài l và bán kính R của ống. Trong trường hợp tốc độ chảy không quá lớn, chất lỏng trong ống sẽ chuyển động thành lớp, Q được gọi là cường độ dòng thủy động và phương trình (2.32) gọi là phương trình Hagen – Poiseuille. 8𝑙𝜂 Gọi ω là trở thủy động, 𝜔 = thì (2.32) có dạng: ∆𝑝𝑅4 ∆𝑝 𝑄= (2. 33) 𝜔 Ý nghĩa của phương trình (2.33): - Nếu ω không đổi thì cường độ dòng thủy động tỉ lệ với chênh lệch áp suất giữa hai đầu ống. - Viết lại (2.33) thành ∆p = Qω. Nếu xét chất lỏng chuyển động trong hệ ống có thiết diện thay đổi nối tiếp nhau, giả sử cường độ dòng thủy động không đổi theo các vị trí khác nhau dọc theo chiều dài, khi chuyển động từ đoạn này sang đoạn khác ω thay đổi, ∆p thay đổi tỷ lệ với ω. Tiêu chí định lượng xác định dòng chảy chuyển động thành lớp (dòng phẳng) hay chuyển động xoáy (dòng rối) là hệ số Reynolds (Re). 2𝜌𝑅 𝑅𝑒 = 𝑣 𝜂 Re< 2.300: dòng phẳng; Re> 2.300: dòng rối. Thực nghiệm chỉ ra rằng hệ số Re của máu trong hệ mạch khoảng 1.000 nên dòng máu có thể xem là phẳng. Trong các trạng thái sinh lý bình thường, điều kiện này bị vi phạm khi máu qua van tim, ngay sau van tim dòng máu bị rối. Trong trạng thái bệnh lý, mạch bị co hẹp đột ngột, van đóng mở không hoàn toàn, độ nhớt máu giảm. Trường hợp này, dòng phẳng chuyển sang rối và xuất hiện các âm thanh lạ gọi là tiếng ồn, là chỉ thị cho biết tình trạng bệnh lý. Phương trình Hagen – Poiseuille cho thấy lưu lượng chất lỏng chảy qua một đoạn mạch phụ thuộc vào các yếu tố hình học của đoạn mạch đó. Nó được ứng dụng để giải thích sự thay đổi áp suất trong hệ mạch, xác định độ nhớt chất lỏng, phân tích lưu lượng máu, phân tích dược phẩm… 3. CHUYỂN ĐỘNG CỦA MÁU TRONG HỆ TUẦN HOÀN 3.1. Cấu tạo hệ tuần hoàn 3.1.1. Vai trò của máu trong hệ tuần hoàn Sự vận chuyển máu đóng vai trò quan trọng trong cơ thể, nó đem dinh dưỡng, O 2 cung cấp cho các cơ quan, nhận từ các cơ quan chất thải, khí CO2, ngoài ra còn có tác dụng điều hòa thân nhiệt. Vì vậy nếu chỉ cần ngừng hoạt động tuần hoàn trong thời gian ngắn thì cơ thể sẽ chết. Trong hệ tuần hoàn máu tim và mạch máu đóng vai trò động lực. 3.1.2. Sơ lược cấu tạo hệ tuần hoàn Hệ tuần hoàn gồm hai vòng khép kín: vòng đại tuần hoàn và vòng tiểu tuần hoàn (hình 2.9). Vòng đại tuần hoàn đưa máu từ tim trái qua hệ thống động mạch xuống tất cả các phủ tạng, tổ chức, cơ quan của cơ thể, ở đó máu cung cấp oxy, lấy CO2 và trao đổi các vật chất cần thiết, cuối cùng qua hệ tĩnh mạch về tim phải. Vòng tiểu tuần hoàn vận chuyển máu từ tim Hình 2.9: Sơ đồ hoạt động phải đến phổi, tại đó máu hấp thụ oxy thải CO2 rồi của hệ tuần hoàn trở về tim trái. Các dòng máu trong và ngoài tim chảy theo một chiều nhất định nhờ sự co bóp của tim, tính đàn hồi của thành mạch, các van trong buồng tim và trong lòng mạch. 3.2. Sơ lược tính chất vật lí của tim 3.2.1. Cấu tạo giải phẫu của tim Tim là bộ phận quan trọng trong hệ tuần hoàn của động vật, với chức năng bơm đều đặn để đẩy máu theo các động mạch và đem dưỡng khí cùng chất dinh dưỡng đến toàn bộ cơ thể; lấy máu từ tĩnh mạch về tim sau đó đẩy máu đến phổi để trao đổi khí CO2 và O2. Quả tim là một cơ rỗng được vách ngăn chia làm hai nửa: tim phải và tim trái. Mỗi nửa chia làm hai ngăn tâm thất và tâm nhĩ nhờ van tim. Van chỉ cho máu chảy theo một chiều từ tâm nhĩ sang tâm thất mà không có chiều ngược lại. Cơ tim có cấu tạo đặc biệt gồm những sợi cơ vân liên kết với nhau thành một mạng. Cơ tim chỉ co khi cường độ kích thích đạt tới “ngưỡng” và khi đó lực co của cơ tim tăng nhanh để đạt giá trị cực đại ngay. Trong cơ tim có cấu tạo tổ chức đặc biệt với chức năng phát động và dẫn truyền xung động để kích thích cơ tim co bóp đều đặn (hình 2.10). Tổ chức đó bao gồm: - Nút Kett -Flack (nút xoang nhĩ), nằm ở nhĩ phải và là nơi kích thích nhịp co đều của tim - Nút Tawara (nút nhĩ thất), xung động truyền từ nút Kett -Flack dọc theo cơ nhĩ đến nút Tawara. - Bó Hiss gồm hai nhánh phân ra hai tâm thất. Đây là đường độc nhất để xung động truyền sang tâm thất. Nó có hai nhánh chính, phân làm Hình 2.10: Hệ thống dẫn truyền của tim nhiều nhánh nhỏ gọi là Purkinje. Xung động theo nhánh Purkinje chạy tới khắp tâm thất và xuống mỏm tim. 3.2.2. Hoạt động của tim Quả tim co bóp đều đặn, hoạt động của cơ tim co dãn tuần tự dọc theo chiều từ tâm nhĩ đến tâm thất, nhưng lại đồng thời với nhau theo chiều ngang nghĩa là hai nhĩ và hai thất co giãn đồng thời, nhưng nhĩ co rồi mới đến thất co. Quá trình đó được lặp đi lặp lại theo một chu kỳ điều hòa. Chu kì hoạt động của tim bao gồm các giai đoạn tâm nhĩ thu (co) tâm thất thu, tâm nhĩ trương (giãn) và tâm thất trương. Thời gian tồn tại các giai đoạn này tùy thuộc vào nhịp đập của tim. Ở người bình thường chu kỳ này chiếm 0,8s trong đó tâm nhĩ thu 0,1s, tâm nhĩ trương 0,7s; còn tâm thất thu 0,3s và tâm thất trương 0,5s. Thực tế, tâm thất thu gồm hai giai đoạn: giai đoạn tăng áp chiếm 0,25s và giai đoạn đẩy máu chiếm 0,05s. Có thể quan niệm đơn giản là một chu kì hoạt động của tim gồm một thời kì tâm thu kéo dài 0,4s và một thời kỳ tâm trương kéo dài 0,4s. Tim hoạt động đều đặn tạo nên nhịp điệu 60 đến 80 lần co giãn trong một phút. Hoạt động của tim trước hết cung cấp cho máu một áp suất nhất định. Do tâm thất co, máu từ tâm thất trái vào động mạch chủ và từ tâm thất phải vào động mạch phổi. Khi tâm thất giãn, máu từ hai tâm nhĩ chảy xuống hai tâm thất. Khi tâm thất trái co áp suất trong đó lên tới 120 ÷ 150 mmHg, khi tâm thất trái giãn áp suất chỉ còn 50 ÷ 80 mmHg. Tim co bóp được là do sự hoạt động của sợi cơ tim. Theo quy luật Starling, trong thời kì tâm trương sợi cơ tim càng giãn thì khi co lại cho một giá trị lực càng lớn. Nguyên nhân của sợi cơ kéo dài ra trước khi co là do tác dụng của lượng máu chứa trong tim. Buồng tim có thể coi là dạng cầu có bán kính R, khi máu chứa đầy buồng tim các sợi cơ được giãn dần ra dưới tác dụng của lực F. 𝐹 = 𝑝. 𝑆 (2. 34) Trong đó p là áp suất trong buồng tim, S là diện tích mặt trong buồng tim và S = 4πR2. Giá trị lực F cực đại khi máu về tim nhiều nhất, lúc đó giá trị p tăng buồng tim được giãn rộng nhất làm cho S tăng. Ở người bình thường, cuối thời kỳ tâm trương thể tích tâm thất là 85ml, cuối thời kỳ tâm thu giá trị đó là 25ml. Giá trị lực F vào đầu tâm thu là 89N, cuối tâm thu là 67N. Mỗi lần co bóp lượng máu được lấy ra với áp suất gần bằng áp suất buồng thất trái (khoảng 120 ÷ 15 mmHg). Lượng máu được lấy ra phụ thuộc vào sức co bóp của tim, trung bình một lần là 40 ÷ 70ml tức là khoảng 4 ÷ 6 lít trong một phút. 3.3. Sơ lược tính chất vật lí của hệ mạch 3.3.1. Cấu tạo thành mạch Hệ thống mạch máu dày đặc và phân bố tương đối đồng đều khắp cơ thể. Các mạch máu được phân nhánh nhiều lần và có kích thước khác nhau. Động mạch chủ và tĩnh mạch chủ có đường kính lớn nhất, mao mạch có đường kính bé nhất. Thành mạch cấu tạo gồm nhiều lớp. Thành phần chủ yếu của thành động mạch lớn là tổ chức liên kết các sợi đàn hồi và các thớ cơ trơn. Trong thành động mạch lớn nhiều sợi đàn hồi, ít thớ cơ trơn, thành mạch nhỏ lớp cơ trơn nhiều hơn. Lớp cơ trơn có khả năng giữ một thế co nhất định và kéo dài trong một thời gian đáng kể để tạo nên trương lực cơ. Tình trạng trương lực cơ quyết định tiết diện của ống mạch. Sự co giãn của cơ trơn được điều khiển bởi hệ thần kinh thực vật và các nội tiết tố. Một số nội tiết tố như adrenalin, vasopressin,... có tác dụng làm co mạch, ngược lại một số chất như acetylcholin, histamin làm giãn mạch. Các chất này không những chỉ tác dụng lên cơ trơn ở động mạch mà còn tác dụng lên hệ thống mao mạch. Thành mao mạch cấu tạo bởi một lớp nội bào và sự co giãn của nó ảnh hưởng đến tính thẩm thấu của mao mạch đối với vật chất. Ngoài ra trong lòng mạch còn có hệ thống van. Hệ thống van của động mạch làm cho máu chảy theo một chiều nhất định từ tim tới các nơi trong cơ thể, nghĩa là từ mạch máu lớn đến mạch máu nhỏ mà không có chiều ngược lại. Ở các tĩnh mạch lớn cũng có một hệ thống van. Các van tĩnh mạch làm cho máu chỉ chảy được từ tĩnh mạch nhỏ về tĩnh mạch lớn rồi về tim. Van trong hệ thống tĩnh mạch cũng rất quan trọng vì do tư thế của cơ thể, có lúc dòng máu tĩnh mạch phải chảy ngược với chiều của trọng lực. 3.3.2. Tác dụng đàn hồi của thành động mạch Tính đàn hồi của thành động mạch là một trong những đặc tính quan trọng giúp cho thành mạch tích trữ thế năng nhằm giúp duy trì áp suất dòng chảy và làm cho chế độ chảy của máu trong hệ mạch dừng. Người ta cho nước chảy qua hệ thống hai đoạn mạch, một đoạn mạch ống cứng và một đoạn có khả năng đàn hồi cao (cao su) (hình 2.11a). Tháo cho nước chảy bằng cách đóng mở khóa K một cách tuần hoàn thì thấy nước trong ống cao su chảy thành dòng và trên thành ống xuất hiện sóng đàn hồi có thể quan sát được. Dòng nước ở ống cứng chảy ngắt quãng theo nhịp đóng mở của khóa K. Để giải thích cho thí nghiệm trên có thể thấy rằng mỗi lần khóa K đóng mở thì chất lỏng được cung cấp áp suất do độ cao của cột nước trong bình chứa gây nên chuyển động, đồng thời khi đó thành mạch của ống đàn hồi cũng nhận được một phần năng lượng để giãn rộng ra, bị biến dạng. Lực gây biến dạng tác dụng lên thành mạch có dạng: 𝐸. 𝑆 𝐹= ∆𝑙 𝑙 Trong đó: l là chiều dài mạch ban đầu khi chưa biến dạng. 𝑙 là độ biến dạng theo chiều dài. E là modul đàn hồi hay suất Young. S tiết diện mặt cắt ngang vật bị biến dạng. Áp lực của máu lên thành mạch gây nên sự biến dạng đàn hồi của thành mạch, ta Hình 2.11a: Nước chảy qua ống cứng và nói áp lực máu đã thực hiện một công. Công ống đàn hồi gây biến dạng đàn hồi được tính như sau: 1 𝐸. 𝑆 2 𝐴 = 𝐹. ∆𝑙 =. ∆𝑙 (2. 35) 2 𝑙 Công gây biến dạng được chuyển thành thế năng đàn hồi dự trữ của thành mạch. 1 𝐸. 𝑆 2 𝐸𝑡 =. ∆𝑙 (2. 36) 2 𝑙 Từ công thức (2.36) ta thấy thế năng của thành mạch phụ thuộc vào hệ số đàn hồi E và bình phương độ biến dạng ∆𝑙2 , mạch giãn càng rộng (∆l càng lớn) thì thế năng dự trữ càng lớn. Thế năng này rõ ràng có giá trị biến thiên tùy thuộc vào ∆l ở từng thời điểm. Trong thời kì tim không co bóp, áp suất dòng chảy tại một vị trí giảm dần theo thời gian, khi đó thành mạch co lại giải phóng thế năng dự trữ và cung cấp áp suất cho dòng chảy liên tục và điều hòa trong suốt thời kì tâm trương. Như vậy, sự biến dạng đàn hồi của thành mạch đóng vai trò quan trọng đối với chuyển động của máu trong hệ mạch. 3.3.3. Sóng mạch đập Nhờ tính đàn hồi của thành mạch và quá trình co bóp tuần hoàn của tim mà thành mạch bị dao động và dao động này được lan truyền theo chiều dòng máu. Sự lan truyền dao động đó được gọi là sóng đàn hồi thành mạch hay sóng mạch đập. Vận tốc truyền sóng mạch đập được xác định bằng công thức: 𝐸𝑑 𝑣 = 𝐾√ (*) 2𝜌𝑟 E: modul đàn hồi; d: độ dày thành mạch; r: bán kính trong của thành mạch; ρ: khối lượng riêng của máu; K: hằng số thực nghiệm. Dựa vào công thức (*) xác định v bằng thực nghiệm, các thông số khác coi như đã biết, có thể tính được modul đàn hồi thành mạch. Phép đo này có ý nghĩa quan trọng trong việc chẩn đoán tình trạng mạch. Cần phân biệt tốc độ sóng mạch đập với tốc độ chảy của máu. Tốc độ sóng mạch đập khoảng 8- 10m/s, ở động mạch chủ là 4-5m/s tức là sau một co bóp của tim (tâm thu) kéo dài khoảng 0,3 giây sóng đã lan truyền được 1,2 - 1,5m trong khi tốc độ của máu trong động mạch lớn khoảng 0,3 – 0,5m/s. Tốc độ lan truyền của sóng mạch không liên quan đến tốc độ dòng chảy của máu trong lòng mạch. Ở người lớn tuổi, do thay đổi về thành phần cấu tạo của thành mạch, tính đàn hồi của thành mạch giảm do đó tốc độ lan truyền của sóng mạch tăng lên. Vì vậy, việc giữ cho thành mạch đảm bảo tính đàn hồi là vấn đề quyết định đến điều trị bệnh tim mạch. Nếu uống rượu, hút thuốc hoặc sử dụng các chất kích thích sẽ làm xơ cứng, xơ vữa động mạch và làm giảm khả năng đàn hồi gây nên các bệnh tim mạch. Sóng đàn hồi thành mạch được gọi là sóng đập mạch vì có thể cảm giác được qua tay. Bằng cách bắt mạch sẽ nhận biết được sóng này (đập nhẹ, đều đặn vào ngón tay). Việc bắt mạch thường được thực hiện ở động mạch quay ở cổ tay: dao động thành mạch ghi được ở động mạch quay cổ tay (hình 2.11b). Dao động này xảy ra gần như đồng thời với sự hoạt động của tim (một hồng cầu cần 2,15 giây để đi từ lỗ động mạch đến động mạch quay cổ tay, trong khi đó sóng đàn hồi thành mạch chỉ cần 0,2 giây). Sóng mạch đập thể hiện tình trạng đàn hồi của mạch và quan trọng hơn nó thể hiện tình trạng làm việc của tim. Trên hình 2.11a, đỉnh a biểu hiện máu đi từ tâm thất vào động mạch chạm vào máu có sẵn trong động mạch. Đỉnh b do tâm thất tiếp tục co giãn thêm máu vào động mạch. Đỉnh c do cột máu trong động mạch chủ dội về chạm vào van tổ chim rồi dội đi, cùng lúc với van tổ chim đóng lại. Đỉnh c đi kèm ngang sau đỉnh b nên người ta gọi đỉnh b và đỉnh c là nhịp sóng đôi, đỉnh c đánh dấu hết giai đoạn tâm thu bắt đầu sang giai đoạn tâm trương. Biên độ mạch phụ thuộc vào lực tâm thu. Tần số mạch trùng với nhịp tim. Như vậy sóng mạch đập (hình dạng, biên độ và tần số) là thông số quan trọng cho biết tình trạng tuần hoàn của máu trong cơ thể. Hình 2.11b: Hình dạng sóng mạch đập 3.3.4. Trương lực mạch máu - huyết áp động mạch Quá trình máu lưu thông trong hệ tuần hoàn luôn có ba loại áp suất: áp suất tĩnh, áp suất động và áp suất thủy tĩnh. Đối với đa số trường hợp dòng chảy song song với thành mạch nên ở đó áp suất từ trong lòng mạch tác động ra thành mạch chủ yếu là áp suất thủy tĩnh. Dưới tác dụng của áp suất này, thành mạch giãn ra; nếu không có áp suất tác động ngược lại thì thành mạch giãn nở tối đa, có thể làm vỡ mạch. Có lực chống lại là nhờ cấu trúc thành mạch và các yếu tố sinh học phức tạp khác gọi chung là áp lực mô. Tuy nhiên ở động mạch bao giờ cũng tồn tại sự chênh lệch giữa hai giá trị đó để cho máu lưu thông: p = pi - pe > 0 Với pi là áp suất từ trong lòng mạch ra, pe là áp suất từ ngoài vào. Ở trạng thái cân bằng thành mạch phải có lực chống lại áp suất p đó, p gọi là áp suất thành mạch và là nguồn gốc trương lực mạch máu. Mạch máu có hình trụ với bán kính r và nếu xét trên một đơn vị chiều dài thì lực từ trong ra tác dụng vào toàn bộ thành mạch của đoạn mạch đó là: 𝐹𝑖 = 2𝜋. 𝑟. 𝑝𝑖 Hình 2.12 Và lực tác dụng từ ngoài vào là: 𝐹𝑒 = 2𝜋. 𝑟. 𝑝𝑒 Hợp lực tác dụng lên thành mạch là: 𝐹 = 𝐹𝑖 − 𝐹𝑒 = 2𝜋. 𝑟. (𝑝𝑖 − 𝑝𝑒 ) Lực đó do các sợi đàn hồi và tổ chức liên kết trong thành mạch gây ra. Ở đây phải dùng đến khái niệm trương lực của thành mạch T là giá trị năng lượng tác dụng lên một đơn vị diện tích thành mạch hay lực căng tác dụng lên một đơn vị chiều dài mạch. Đơn vị được biểu diễn bằng dyn/cm hay N/m.  𝐹 𝐸 𝑇= = (2. 37) 𝐿 𝑆 Suy ra : E = T.S Do vậy: dE = T.2π.dr Sự cân bằng đạt được khi giá trị năng lượng của lực căng bằng giá trị năng lượng của lực co: 𝑑𝐸 2𝜋. 𝑟. 𝑝. 𝑑𝑟 𝑇= = = 𝑟. 𝑝 (2. 38) 𝑑𝑆 2𝜋. 𝑑𝑟 Ở biểu thức (2.38), T không phải là áp suất dòng chảy trong lòng mạch. Trong vật lý, T được gọi là huyết áp động mạch. Huyết áp động mạch là đại lượng đo bằng tích của bán kính lòng mạch và áp suất thành mạch. Áp suất thành mạch p là hiệu số của áp suất từ trong lòng mạch ra trừ đi áp suất từ ngoài vào. Hiệu số đó nói lên khả năng đàn hồi của thành mạch. Chính vì vậy, khi thành mạch bị biến chất, tính đàn hồi thay đổi thì huyết áp T cũng thay đổi mặc dù áp suất dòng chảy trong lòng mạch không đổi. Tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến áp suất dòng chảy trong lòng mạch như sự co bóp của tim, lưu lượng và thể tích máu, … đều ảnh hưởng đến huyết áp T. Do đó, với một giá trị T xác định, bán kính r càng nhỏ thì giá trị áp suất thành mạch p càng lớn, nghĩa là chất lỏng chảy với áp suất lớn, những ống có bán kính r nhỏ chịu đựng tốt hơn các ống lớn. 3.3.5. Sự thay đổi tốc độ chảy và áp suất của máu trong hệ tuần hoàn a. Tốc độ dòng chảy, áp suất chảy của máu phụ thuộc vào tiết diện lòng mạch. Tốc độ chảy của máu ở động mạch chủ là 10 - 20m/s, động mạch cổ là 5,2m/s. Lúc xuống mao mạch chỉ còn là 5mm/s. Theo định luật Bernoulli, ở mao mạch, do tốc độ chảy rất chậm nên khả năng trao đổi thể dịch giữa máu và tổ chức xung quanh đã tăng lên vì ở đó áp suất thủy lực tăng lên nhiều và tốc độ chảy giảm xuống thấp nhất. Khi về đến tĩnh mạch đùi, tốc độ chảy của máu là 4,5cm/s, tĩnh mạch cổ là 14,7cm/s. Như vậy tốc độ chảy của máu giảm dần từ động mạch lớn đến mao mạch rồi lại tăng dần từ mao mạch đến tĩnh mạch. Ta biết lượng máu chảy qua các đoạn mạch đều giống nhau, nghĩa là ở các đoạn mạch đó vẫn đảm bảo quy luật tích số giữa vận tốc máu chảy và tiết diện lòng mạch là không đổi. Do đó vận tốc chảy của máu nơi có tiết diện nhỏ cao hơn nơi có tiết diện lớn. Cần lưu ý ở đây là tiết diện của các mạch không phải là tiết diện của một mạch riêng biệt mà là tổng tiết diện của tất cả các mạch ở từng phần. Tuy tiết diện của một tiểu động mạch nhỏ hơn động mạch chủ nhưng do phân thành nhiều nhánh nên tổng tiết diện của tiểu động mạch lớn hơn của động mạch chủ và ngược lại tổng tiết diện của tiểu động mạch lại nhỏ hơn của mao mạch. Các đo đạc cụ thể cho thấy tổng tiết diện tăng dần từ động mạch chủ đến mao mạch rồi giảm dần từ mao mạch đến tĩnh mạch chủ. Tổng tiết diện của mao mạch lớn gấp 400 -800 lần tiết diện của động mạch chủ và bằng 200 - 400 lần tổng tiết diện của các tĩnh mạch nhỏ. Do đó tốc độ chảy máu không giống nhau ở các đoạn mạch. b. Tốc độ dòng chảy, áp suất chảy của máu phụ thuộc vào chiều dài mạch. Lượng máu chảy qua đoạn mạch trong một đơn vị thời gian sẽ lớn khi đường kính Hình 2.13: Tương quan giữa tốc độ chảy của Hình 2.14: Sự thay đổi áp suất của máu máu với tổng tiết diện lòng mạch trong các đoạn mạch lớn, chiều dài ngắn và ngược lại. Có thể biểu diễn độ chênh lệch áp suất Δp ở hai đầu một một đoạn mạch để hiểu rõ những yếu tố ảnh hưởng đến áp suất đó theo công thức: 8𝜂𝑙𝑄 ∆𝑝 = (2. 39) 𝜋𝑅4 η là hệ số nhớt của máu, Q là lưu lượng máu, l là chiều dài đoạn mạch và R là bán kính lòng mạch. Ở đây chỉ mới lưu ý đến yếu tố hình học (l và r) của đoạn mạch. Như vậy độ chênh lệch áp suất Δp lớn khi máu chảy qua một đoạn mạch dài và hẹp, ngược lại độ chênh lệch áp suất chảy giữa hai đầu đoạn mạch liên quan với lực ma sát giữa dòng chảy và thành mạch. Độ chênh lệch này càng lớn sẽ làm cho áp suất ở cuối đoạn mạch càng xuống thấp (hình 2.14). Trong hệ tuần hoàn, độ chênh lệch áp suất giữa 2 đầu đoạn mạch sẽ tùy thuộc vào đoạn mạch đó là động mạch, mao mạch hay tĩnh mạch. Lòng mạch có bán kính R càng bé làm cho áp suất chảy ngày càng giảm xuống. Ở người bình thường chiều dài tổng cộng các mạch lên tới trên 10.000km. Hình 2.13 và hình 2.14 cho thấy sự thay đổi của tốc độ chảy và áp suất của máu trong các đoạn mạch. Một trong những nguyên nhân chủ yếu của sự thay đổi đó là sự phân nhánh của các mạch máu. Hệ thống mạch máu trong cơ thể đi từ tim gồm động mạch chủ, các động mạch lớn, động mạch nhỏ rồi đến mao mạch, tĩnh mạch nhỏ, tĩnh mạch lớn và tĩnh mạch chủ. Mạng mạch càng xa tim càng phân nhánh nhiều, vì vậy áp suất dòng chảy ngày càng giảm. c. Tốc độ dòng chảy, áp suất chảy của máu phụ thuộc vào sức cản ngoại vi của mạch.  Nhìn chung áp suất dòng chảy bị giảm dần. Nguyên nhân của sự hao hụt áp suất đó là do lực ma sát xuất hiện giữa thành mạch và máu chảy trong lòng mạch. Nếu gọi Δp là độ giảm áp suất giữa 2 đầu một đoạn mạch và Fc là sức cản của đoạn mạch. Người ta đã chứng minh được rằng: 𝛥𝑝 = 𝐹𝑐. 𝑉 V là thể tích máu chảy qua đoạn mạch trong một đơn vị thời gian. 𝛥𝑝 8𝜂𝑙𝑄 Khi đó: 𝐹𝑐 = hay 𝐹𝑐 = 𝑉 𝑉𝜋𝑅4 Như vậy sức cản chung của mạch ngoại vi phụ thuộc vào các yếu tố hình học (r và l) của hệ mạch và phụ thuộc vào hệ số nhớt của máu. Áp lực ở đầu hệ tuần hoàn tức là trong tâm thất trái khoảng 130mmHg, áp suất máu ở cuối hệ tức là trong tâm nhĩ phải khoảng 5mmHg. Thể tích máu lưu thông khắp hệ mạch trong vòng 1 phút là 5lít (tức là 83ml/s). Như vậy sức cản của hệ mạch ngoại vi: 130 − 5 𝐹𝑐 = ≈ 1,5 đơ𝑛 𝑣ị 83 Khi gắng sức, áp lực ở động mạch chủ có thể tăng lên đến 150mmHg và lưu lượng tăng lên gấp 3 lần. Lúc đó sức cản ngoại vi: 130 − 5 𝐹𝑐 = ≈ 0,5 đơ𝑛 𝑣ị 83 × 3 Điều đó có nghĩa khi cần thiết, do hoạt động của tim nhanh lên và ảnh hưởng của nhiều yếu tố mạch máu, lưu lượng máu tăng lên đã làm cho sức cản ngoại vi của hệ mạch chỉ còn 1/3 giá trị lúc bình thường. Ở những bệnh nhân cao huyết áp, áp lực ở động mạch chủ có thể tăng lên đến 200 mmHg nhưng lưu lượng máu lại không tăng lên được liên quan với việc giá trị của sức cản ngoại vi tăng lên: 200 − 5 𝐹𝑐 = ≈ 2,3 đơ𝑛 𝑣ị 83 Sức cản tăng lên hơn gấp đôi làm cho hoạt động của tim càng khó khăn thêm. 3.4. Một số yếu tố ảnh hưởng tới hệ tuần hoàn Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tuần hoàn của máu trong đó hoạt động chủ quan của cơ thể làm tăng các quá trình chuyển hoá, các rối loạn bệnh lí ở tim mạch và các hoạt động sinh học khác của cơ thể. Ở đây ta chỉ đề cập đến các yếu tố khách quan ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của tim, thành mạch hay khối lượng thể dịch trong cơ thể. 3.4.1. Hoạt động của cơ bắp Trọng lượng của cơ vân chiếm đến 40% trọng lượng cơ thể. Khi cơ hoạt động mạnh (lao động chân tay,...) nhu cầu năng lượng của nó tăng lên, do đó hệ tuần hoàn phải tăng cường hoạt động để đáp ứng nhu cầu vật chất và năng lượng. Người ta thấy lúc lao động nhu cầu oxy tăng gấp 8 - 10 lần so với lúc nghỉ. Cơ thể đáp ứng bằng cách tăng tần số co bóp của tim. Ngoài ra tuần hoàn của mao mạch cũng thay đổi theo nhu cầu của cơ thể. Trong cơ vân bình thường có một mạng mao mạch dày đặc, các nghiên cứu chi tiết cho biết 1mm3 cơ chứa đến 3000 mao mạch. Kích thước của mao mạch rất nhỏ (chiều dài từ 0,2 - 0,4mm và đường kính khoảng 0,007mm) và máu ở mao mạch chảy cũng rất chậm (khoảng 5mm/s). Ở cơ vân hoạt động bình thường chỉ có một lượng nhỏ mao mạch hoạt động tuần hoàn tức là có máu vận chuyển qua. Số lượng mao mạch hoạt động lúc này chỉ khoảng 200 - 300 mao mạch trong 1mm3 tổ chức tức dưới 10%. Tùy theo nhu cầu năng lượng và oxy của cơ thể, lúc cơ hoạt động mạnh hơn (lao động) số lượng các mao mạch tham gia vận chuyển máu sẽ tăng lên. Cơ chế này thực hiện được là nhờ hoạt động cơ trơn nằm ngay trước mao mạch đó. Thành mao mạch cũng giãn ra hay co vào dưới ảnh hưởng của áp suất dòng máu và tác dụng của nội tiết tố. Tuy nhiên sự co rút cơ quá mức có thể gây trở ngại cho sự vận chuyển máu tại cơ đó. Tăng quá trình chuyển hóa khi tăng hoạt động của cơ cũng tạo nên nhiều sản phẩm mới như acid adrenalin, histamin, acetylcholine,... Các sản phẩm mới này ảnh hưởng đến tính co giãn của thành mao mạch do đó ảnh hưởng đến sự lưu thông máu. 3.4.2. Ảnh hưởng của trọng trường Ở tư thế đứng, máu từ động mạch dễ dàng chảy xuống các phủ tạng ở bụng và các chi dưới nhờ tác dụng phụ của trọng lực. Tuy vậy ở người khỏe mạnh điều đó không làm thay đổi áp suất máu nhiều ở chi dưới. Nếu từ tư thế nằm chuyển sang tư thế đứng, nhịp tim bao giờ cũng tăng lên đôi chút để đảm bảo khối lượng máu được tim đẩy ra trong một đơn vị thời gian là không thay đổi. Ở tư thế đứng lượng máu ra trong một lần co bóp ít hơn tư thế nằm. Cơ chế quá trình này được giải thích theo định luật Starling là sức đẩy của quả tim tùy thuộc vào độ giãn dài của sợi cơ tim. Độ giãn đó lại tùy thuộc vào lượng máu chảy từ tĩnh mạch vào tim. Ở thời kỳ tâm trương lượng máu từ các tĩnh mạch phía dưới tim đổ về tim đã bị giảm bớt phần nào vì tác dụng của trọng lực. Do đó áp suất máu do tim co bóp sẽ giảm đi. Độ giảm áp suất đó cân bằng với tác dụng của trọng trường mà dòng máu động mạch chảy từ tim xuống chi dưới thu nhận được. Cần nhắc lại rằng trong tĩnh mạch của phần dưới cơ thể, máu chuyển động ngược chiều được với trọng lực là do ở đó vẫn còn tác dụng của công tim co bóp và thành mạch đàn hồi, áp suất máu giảm dần và thấp nhất ở tĩnh mạch chủ, nơi máu đổ về tim. Ngoài ra các van trong lòng mạch, áp suất âm của lồng ngực và các cơ chế điều khiển co thành mạch... cũng đã làm cho máu chỉ chuyển động theo một chiều nhất định trong tĩnh mạch. Đây là cơ chế rất phức tạp đã hình thành trong điều kiện sống bình thường trên cơ sở những phản xạ có điều kiện. Chính vì vậy khi con người ở trong những điều kiện về trường trọng lực bị thay đổi trong vũ trụ, rối loạn hoạt động của hệ tuần hoàn rất sớm xuất hiện. 3.4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường Nhiệt độ xung quanh tăng lên gây ảnh hưởng trực tiếp đến thân nhiệt. Một trong những cơ chế tự điều chỉnh thân nhiệt của cơ thể là tăng lưu lượng máu tới bề mặt da do các mao mạch ở da được giãn rộng ra. Bản thân sự tăng nhiệt độ môi trường cũng làm giãn các mao mạch ở da. Thực nghiệm trên thỏ ta thấy khi nhiệt độ xung quanh lên tới 450C lưu lượng máu tối đa tăng lên đến 6 - 7 lần so với lúc ở nhiệt độ 200C. Để giữ vững áp suất trong máu, cơ thể tự điều chỉnh bằng cách co mạch ở trong các phủ tạng. Một số phủ tạng chứa một khối lượng máu rất lớn như gan, lách, phổi. Về phương diện tuần hoàn các phủ tạng đó đóng một vai trò như những hồ chứa để điều chỉnh lưu lượng máu trong toàn thân thích hợp với nhu cầu cơ thể. Do những tình trạng bệnh lý nào đó, cơ chế điều chỉnh đó rối loạn nên sự tăng nhiệt độ môi trường đột ngột có thể gây nên hạ huyết áp tạm thời. Cũng theo một cơ chế tương tự, khi cơ thể tăng cường hoạt động, nhu cầu máu tối đa tăng lên (cơ quan tiêu hóa sau khi ăn, não khi lao động trí óc) sẽ có ảnh hưởng đến lưu lượng máu ở vùng khác nhau trong cơ thể hoặc hoạt động của chính bản thân tim, mạch. Hoạt động của hệ tuần hoàn liên quan chặt chẽ với các hoạt động chức năng khác trong cơ thể nhất là chức năng hô hấp. Đánh giá đặc điểm chức năng tuần hoàn là công việc quan trọng của các nhà sinh học và y học. Dựa vào các đặc điểm hoạt động của nó, ngày nay có rất nhiều biện pháp theo dõi hoạt động của hệ tuần hoàn. Người ta có thể đánh giá hoạt động của tim thông qua các dấu hiệu về hiệu suất co bóp của tim như đo huyết áp và vận tốc máu. Xác định lượng máu do tim đẩy ra qua một lần co bóp hay trong một đơn vị thời gian... Đánh giá hoạt động của cơ tim, van tim và của thần kinh tự động bằng cách ghi điện tim có một giá trị rất lớn. Cũng có thể theo dõi hoạt động của thành mạch trước các tác nhân kích thích làm co hoặc làm giãn mạch. Một đối tượng quan trọng của hệ tuần hoàn là khối lượng toàn bộ thể dịch trong cơ thể cũng như thể tích và thành phần của máu, của huyết tương... Thể tích và cấu tạo của máu ảnh hưởng rõ rệt đến hoạt động của tim, mạch và toàn bộ hệ tuần hoàn. 4. CHUYỂN ĐỘNG CƠ HỌC TRONG CƠ THỂ 4.1. Chuyển động quay trong cơ thể 4.1.1. Đòn bẩy Đòn bẩy là loại vật rắn chịu tác dụng của lực cản và lực phát động, có một điểm tựa gọi là trục quay. Điều kiện cân bằng của đòn bẩy là tổng moment của lực cản và lực phát động phải bằng không. Trong cả 3 loại đòn bẩy ta đều có: Mp + MF = 0 P.LP + F.LF = 0 𝐿𝑃 𝐹 Hay =− (2. 40) 𝐿𝐹 𝑃 4.1.2. Các loại đòn bẩy trên cơ thể Chuyển động quay trên cơ thể chủ yếu là chuyển động của xương do tác dụng của các bộ cơ xương. Giả sử một đầu cơ bám vào xương A, đầu còn lại bám vào xương B. Khi cơ này co lại, có thể làm cho xương A chuyển động lại gần xương B hoặc ngược lại, hoặc làm cho cả hai xương tiến lại gần Hình 2.15 nhau. Trong cả ba trường hợp đều có trục quay xuyên qua ổ khớp. Trong mọi chuyển động của xương do tác dụng của cơ, chúng ta có thể coi hệ thống xương – cơ như một đòn bẩy: xương là tay đòn, lực phát động là lực của một hay nhiều cơ bám vào xương, lực cản là lực mà cơ phải thắng (phần lớn là trọng lực) còn điểm tựa nằm trong ổ khớp. Ta có thể tìm thấy cả 3 loại đòn bẩy trong cơ thể: + Loại đòn bẩy thứ nhất (hình 2.16), điểm tựa nằm ở giữa điểm đặt của lực cản và lực phát động. Ví dụ: Đầu chúng ta được giữ cân bằng trên trên cột sống. Điểm tựa là điểm nằm trong khớp chẩm – cột sống (tạo bởi lồi cầu của xương chẩm và hõm khớp của đốt sống cổ thứ nhất), lực phát động F là lực của cơ gáy, còn lực cản là trọng lực P của đầu (có khuynh hướng gục về phía trước). Hình 2.16 + Loại đòn bẩy thứ hai (hình 2.17), điểm đặt của lực cản nằm ở giữa điểm tựa và điểm đặt của lực phát động. Trường hợp chúng ta đứng một chân và nhón cao gót chân, lực cản là trọng lượng P của cơ thể tác dụng qua các xương cẳng chân đặt ở trước điểm đặt của lực phát động F, lực phát động này do các cơ dép và sinh đôi sinh ra đặt ở điểm mà gân Asin bám vào xương gót. Trong loại đòn bẩy này, điểm đặt của lực phát động xa điểm tựa nên nó có thể cân bằng với một lực cản lớn do đó loại đòn bẩy này gọi là đòn sức. + Loại đòn bẩy thứ ba (hình 2.18), điểm đặt của lực phát động F ở giữa điểm tựa và điểm đặt của lực cản. Loại đòn bẩy này khá phổ biến trong cơ thể. Trường hợp gấp cẳng tay vào cánh tay là một Ví dụ: điểm tựa là một điểm nằm trong khớp khuỷu, lực phát động F là lực do cơ nhị đầu và cơ cánh tay trước sinh ra, còn lực cản là trọng lực P của cẳng tay, bàn tay và vật nặng cầm ở bàn tay. Ở đây, điểm đặt của lực phát động ở gần điểm tựa hơn lực cản. Khi gấp tay điểm đặt lực cản đi quãng đường dài hơn điểm đặt lực phát động, do đó đòn bẩy này gọi là đòn bẩy vận tốc.  Hình 2.17 Hình 2.18 Hình vẽ (2.18), ta thấy sơ đồ cấu tạo và hoạt động của cánh tay phải. Tâm của chuyển động nằm ở khớp khuỷu tay. Vật nặng Q nằm trong lòng bàn tay tạo ra moment lực Qb. Cơ nhị đầu cánh tay B dịch vào cẳng tay với một khoảng cách đến tâm chuyển động d. 𝑎 1 Thông thường tỷ lệ đó là =. 𝑏 12 Như vậy, muốn nâng một vật Q lên, lực P do cơ nhị đầu tạo ra phải lớn hơn 12 lần giá trị Q. Tỷ lệ đó tạo ra một lợi thế là độ co rút của cơ không lớn. Khi các lực phát động hoặc lực cản không thẳng góc với tay đòn, muốn tìm điều kiện cân bằng của các loại đòn bẩy trên chúng ta phải tính moment lực của các thành phần vuông góc với tay đòn của các lực trên. Trong các loại đòn bẩy trên ta phải chú ý đến vai trò của các đầu xương. Ví dụ trong trường hợp gấp cẳng tay vào cánh tay, nếu không có đầu xương phình ra để các cơ bám vào thì chúng sẽ bám sát vào chỗ xương ngay sát điểm tựa, như thế moment của lực phát động sẽ hết sức nhỏ và không thể gấp cánh tay lại được. Cũng cần chú ý là mỗi động tác cần phải sử dụng một số cơ, trong quá trình cơ co lại, dễ sinh ra lực phát động làm một số cơ đối kháng dãn ra. Khi một động tác nhanh mạnh sắp chấm dứt, các cơ đối kháng co lại để giảm bớt vận tốc di chuyển. 4.2. Tính mềm dẻo của các mô Tính mềm dẻo của tổ chức đóng vai trò quan trọng trong cơ thể người bởi vì tất cả các mô ở mức độ khác nhau luôn bị biến dạng đàn hồi do bị ép, kéo, gập hoặc xoắn vặn. Nhờ sự đàn hồi của sụn sườn mà lồng ngực trở về được vị trí ban đầu sau khi thở ra, tính đàn hồi của các đĩa đệm giữa các đốt sống mà cơ thể giữ được thế thăng bằng. Tính đàn hồi của thành mạch máu góp phần tạo ra dòng chảy liên tục trong đó. Ngoài ra cấu trúc của một số xương tạo ra những hình dạng đặc biệt để có sự đàn hồi tốt nhất (Ví dụ: xương đầu, xương cổ và xương đùi). Tổ chức liên kết trong xương tạo nên tính đàn hồi, các muối vô cơ (đặc biệt là photpho và canxi) tạo nên độ vững chắc của xương. Trong cơ thể, do xương có cấu tạo dạng ống nên chịu đựng sức nặng lớn (dạng ống có số lượng vật chất nhất định tạo được sức chống đỡ tốt hơn so với cấu tạo đặc). Bảng (2.2) dưới đây liệt kê giá trị module đàn hồi E và giới hạn về độ dẻo dai Q của các mô trong cơ thể (ghi chú: 1 kg/mm = 9,81N/m2). Cơ thể có gần 300 cơ bắp, chúng có nhiệm vụ duy trì sự cân bằng và tư thế của cơ thể (qua khung xương) và vận động. Bảng 2.2 Mô Giá trị Q (kg.mm2) Module E (kg/mm2) Xương người trẻ 9,2 – 12,4 2200 - 2700 Xương người già 6,4 – 7,7 1800 -2200 Cơ bắp 0,038 0,95 Động mạch 0,14 0,05 Tĩnh mạch 0,18 0,85 Thần kinh 1,35 10 – 30 Khi cơ co hai đầu tiến lại gần nhau có thể làm ngắn 50 – 60%, ta gọi là sự co cơ đẳng tính, lúc này sản sinh lực (công cơ học dương) lớn nhất thắng một lực từ ngoài tác động vào. Trong trường hợp giãn ra cơ sinh một công âm được tính như một cái hãm, năng lượng được giải phóng lúc này dưới dạng nhiệt năng. Trong trường hợp cơ cho là đủ thắng lực tác động lực bên ngoài mà không cần co ngắn lại thì cơ sẽ ở trạng thái không trương lực (trạng thái isometric). Thông thường một động tác gồm nhiều co duỗi đồng thời để làm cho động tác đều đặn, nhịp nhàng. Người ta tính được lực tạo ra trên mặt cắt ngang của cơ co lúc co là 6kg/10-4m2. Như vậy, lực của một sợi cơ sẽ là 0,1 – 0,3g và có khối lượng khoảng 1kg. khi làm việc 8 giờ sẽ tiêu hao năng lượng trung bình là 14,7W. Công suất đó có khi tăng lên đến 20 – 40% nhờ luyện tập và phụ thuộc vào giới tính, tuổi tác. 4.3. Sự cân bằng (thăng bằng) của cơ thể người Cơ thể luôn phải thực hiện sự cân bằng trong môi trường có trọng lực (sức nặng của cơ thể). Đầu người có điểm tựa trọng lực ở phía trước cột sống một chút. Vì vậy, xuất hiện một moment lực do trọng lực của đầu ở hai phía của điểm tựa. Để giữ cân bằng các cơ ở sau gáy phải căng lên. Vì vậy khi ngủ ngồi đầu thường đổ xuống phía trước (ngủ gật). Khảo sát sự cân bằng của cơ thể ở tư thế đứng, phải xem xét không chỉ trên bình diện của hai bàn chân mà cả bình diện giữa hai bàn chân. Ta biết, tư thế cân bằng của cơ thể sẽ rất chắc chắn nếu bình diện đó dang rộng. Vì vậy, con người đứng hai chân dang rộng sẽ vững hơn khi chụm hai chân lại, nhất là khi co một chân. Sở dĩ như vậy là vì trọng lượng của các phần cơ thể không rơi vào cùng một Hình 2.19 đường thẳng đứng nên sẽ tạo ra các moment quay và dễ làm đảo lộn cơ thể. Để được cân bằng, các cơ phải hoạt động để tạo ra những moment ngược lại làm triệt tiêu các moment trọng lực trên. Khi bị một ngoại lực tác động vào (gió, lực quay, lực xô đẩy, …) cơ thể người sẽ ở vào một tư thế sao cho tổng hợp của tất cả các lực thành phần vẫn rơi vào chân đế của cơ thể (giữa hai chân) nếu không sẽ bị ngã (hình 2.19). Vì vậy con người thường cúi xuống khi bị gió đẩy trước mặt hay mang vật nặng sau lưng.