22 декабря 2007 года

Как отличаются силы, действующие на молекулы в глубине жидкости и на её поверхности?
Как пытаются изменить величину поверхности силы поверхностного натяжения?
Как зависит сила поверхностного натяжения от «полярности» молекул жидкости?
Как используют силы поверхностного натяжения для изготовления ружейной дроби?
Какой должна стать вода, чтобы лучше отмыть грязь?
Почему мыло (детергент) уменьшает поверхностное натяжение водного раствора?
Как мыло удаляет жир?
Почему бельё полощут в холодной воде?
Почему мыло плохо «моет» в жёсткой воде?
Вопросы для повторения

Какие примеси в воде особенно опасны?
Из чего состоят одноразовые кассеты портативных фильтров воды?
Как получают активированный уголь и какие его свойства?
От чего нельзя избавиться с помощью портативных фильтров воды?
Почему хлорируют воду?
Откуда в воде образуется красный осадок?
Что такое ультрафильтрация?
Вопросы для повторения

Смертность от различных заболеваний
острая дыхательная недостаточность-основная причина смерти

Атипичная пневмония
или
Severe Acute Respiratory Syndrome (SARS)
инкубационный период, 2 - 10 дней.
признаки инфекции - высокая температура (> 38oC), озноб, головная и мышечная боль.
сухой кашель, развивающийся через 3-7 дней, часто приводит к гипоксемии (уменьшенному содержанию кислорода в крови). Около 10-20 % больных задыхаются, и их может спасти только искусственная вентиляция лёгких.
смертность от SARS во время последней эпидемии составила 11%.
Почему нам становится тяжело дышать?
Как устроены лёгкие?

Снимок грудной клетки,
сделанный в рентгеновских лучах,
после того, как человек вдохнул воздух,
содержащий газ (какой?), задерживающие Х-лучи
Строение лёгких

Строение лёгких
трахея
первичные бронхи
верхняя доля лёгкого
нижняя доля
средняя доля
вторичные бронхи
альвеолы
около 20 разветвлений бронхов диаметр альвеол 0,3 мм
300 млн альвеол

Дыхание и поверхностное натяжение
В 1929 г. швейцарский ученый Карл фон Нииргард показал, что давление, необходимое для раздувания легких, можно значительно уменьшить, если заполнить легкие физиологическим раствором солевым раствором, близким по своему составу к межклеточной жидкости. Этот факт был продемонстрирован им на установке, изображенной на рисунке
воздушный насос
манометр
легкие раздуваются воздухом
легкие раздуваются водой

Как поверхностное натяжение МЕШАЕТ нам дышать
для того, чтобы легче раздувать альвеолы плёнка жидкости на их внутренней поверхности должна иметь низкое поверхностное натяжение
специальные клетки в альвеолах вырабатывают “мыльные” молекулы (сурфоктанты), но при инфекционных заболеваний их синтез нарушается и тогда...

Когда поверхностное натяжение растёт
поверхностное натяжение внутриальвеолярной жидкости мало:
альвеолы расправлены,
кислород заходит внутрь и переходит в кровь
здоров

Оcтрую дыхательную недостаточность,
включая АТИПИЧНУЮ ПНЕВМОНИЮ (SARS),
можно лечить, вдыхая искусственный сурфактант
… и если синтез сурфоктанта нарушен у новорождённого

Как дышать под водой?

Под водой можно дышать только сжатым воздухом
1 атм = 100 кПа
Но дыхание сжатым воздухом часто приводит к кессонной болезни. ПОЧЕМУ?

Люди никогда бы не болели кессонной болезнью, по крайней мере, она называлась бы по-другому, если бы не изобрели воздушный насос. Воздушный насос позволял выгонять воду из кессонов (колоколов), опущенных в реку, и таким образом образовывать рабочие места для создания и ремонта опор мостов (у доски). Таким образом в начале 1870 годов создавался мост через Миссиссиппи в городе Сент-Луисе. 600 рабочих, сделавшие своё дело на глубине, находясь под высоким давлением, быстро проходили декомпрессию, но в последствии 119 из них жаловались на боли в суставах, а для многих из них всё оканчивалось очень серьёзно - их разбивал паралич и 14 из них умерли. Характерной чертой рабочих, работавших в кессонах, была “сутулость”, возникшая из-за болезненности в пояснице. Эти мужчины принимали позу дам при дворе правившей тогда королевы Виктории, и окружающие так и прозвали их BENDs.
История кессонной болезни

Причины кессонной болезни
Что мы вдыхаем и выдыхаем

на уровне моря
на глубине 30 м
парциальное давление азота, 0.8 атм,
парциальное давление кислорода, 0.2 атм
парциальное давление азота, 3.2 атм,
парциальное давление кислорода, 0.8 атм
Причины кессонной болезни
Насыщение лёгких газами у аквалангиста

на уровне моря
1-ая минута дыхания под высоким давлением
насыщение тканей газами через 10 минут
Причины кессонной болезни
Насыщение тканей газами происходит медленно

Ткани аквалангиста, всплывающего на поверхность, содержат избыток азота. При этом, концентрация кислорода в тканях гораздо ниже, чем азота потому что:
(1) кислорода в 4 раза меньше, чем азота и
(2) кислород усваивается тканями.
В результате происходит то же самое, что с бутылкой газированной воды, когда её открывают - в тканях аквалангиста образуются пузырьки азота. Однако, пузырьки образуются не в кровеносных сосудах, а на границе движушихся тканей (в суставах, например), где существуют т.н. ядра, необходимые для образования пузырьков.
Что такое “хрустеть” суставами?
Причины кессонной болезни

Как избежать кессонную болезнь
Аквалангисты-любители, ныряющие под воду, чтобы отдохнуть, используют для дыхания сжатый обычный воздух, позволяющий находиться под водой не более 10 минут на глубинах не более 39 метров. Короткое время пребывания под водой и относительно малые глубины позволяют избежать кессонную болезнь.

Как избежать кессонную болезнь

Заболевшего опять помещают в кессон под высокое давление, где он дышит чистым кислородом (?), пока давление медленно понижают, что позволяет уменьшить размер газового пузырька.
Почему лететь на самолёте нельзя сразу после занятий подводным плаванием?
Гипербарическая (декомпрессионная) камера
Как избежать и лечить кессонную болезнь

Опасность кессонной болезни для людей с дефектом межпредсердной перегородки (10 %)
нормальное сердце
сердце с дыркой между предсердиями
пузырьки газа застревают в тонких капиллярах легких, не принося большого вреда
пузырьки газа застревают в тонких капиллярах мозга, приводя к серьёзным осложнениям

Как нырнуть на глубину около 100 м
Если просто сжать воздух до 11 атм, то окажется, что парциальное давление кислорода в нём 2,3 атм, а это много,
так, как кислород
ТОКСИЧЕН!!!

Вывод 1:
Хочешь нырять на большую глубину сжимай до нужного давления газовые смеси, содержащие меньший процент кислорода, чем в атмосфере
Как быть с азотом?
Как нырнуть на глубину около 100 м

Почему азот при давлении 5 - 10 атм
(40 - 90 м глубины)
не годится для аквалангистов:
(1) обладает наркотическим действием,
(2) становится очень густым (плотным) и им тяжело дышать
Вывод 2: в составе газовых смесей надо заменить азот на ГЕЛИЙ, так как он:
(1) не обладает наркотическим действием,
(2) и имеет плотность в 7 раз меньше, чем азот

Чем глубже плавает аквалангист, тем больше ему требуется баллонов со сжатым воздухом: на глубине 90 метров одного баллона хватает на 10-12 минут,
а на глубине 1-2 метра того же баллона хватит на 120 минут
Газовые законы для аквалангиста

Для того, чтобы провести полчаса на глубине, например, 80 м, аквалангисту нужно нести с собой 4 баллона с различными газовыми смесями. Два больших баллона со смесью ТРИМИКС (кислород, гелий и азот), которые помещаются за спиной аквалангиста, будут необходимы во время спуска на глубину, 30 мин нахождения там и поднятии до 37 м. После чего начнётся долгая процедура декомпрессии, в течение которой используется уже другая смесь НИТРОХ-2 (36 % кислорода и 64 % азота) и чистый кислород, баллоны с которыми привязаны по бокам. Декомпрессия будет продолжаться часа полтора и будет заключаться в двенадцати 6-8 минутных остановках через каждые три метра подъёма.
дисплей компьютера
фонарь и батареи
стальной “рюкзак”
компенсатор плавучести
вторичный
редуктор
давления
первичный
редуктор
давления
компьютер
радио-буй
маяк

Стоимость курса тренировки опускания на глубину, большую 39 метров составляет несколько тясяч долларов, а стоимость костюма и оборудования, которое изображено на рисунке ещё 9000 $, включая памперсы, так как погружение на такую глубину вместе с периодом декомпрессии может занимать более 2,5 часов. Затраты конечно могут окупаться, когда речь идёт о поднятии, например, сокровищ со дна морей и океанов.

Чем глубже плавает аквалангист, тем больше ему требуется баллонов со сжатым воздухом: на глубине 90 метров одного баллона хватает на 10-12 минут,
а на глубине 1-2 метра того же баллона хватит на 120 минут
А, если не выдыхать в воду, а использовать для дыхания тот воздух, который только-что выдохнул?
Как не соблюдать газовые законы аквалангиста,

Усовершенствованный акваланг (rebreather)
Позволяет увеличить длительность пребывания под водой в 10 раз, так как регенерирует дыхательную смесь - из выдыхаемого воздуха делает смесь, пригодную для дыхания
очиститель от CO2
кислород
кислород, 15 %
гелий, 85 %
кислород, 14,8 %
CO2, 0,2 %
гелий, 85 %
компьютер
нагубник
вдох
выдох

Места постоянного обитания под водой

Жак-Ив Кусто (1910-1997)
- изобретатель акваланга (Aqua-Lung) или
СКУБА (Self-Contained Underwater Breathing Apparatus)

Как избежать кессонную болезнь?
Почему кессонной болезни нет у рыб?
Ответ: потому что они дышат водой.
Может ли человек дышать водой?
Ответ: нет, не может, потому что растворимость кислорода воде очень мала, 1/20
А если найти жидкость, которая бы хорошо удерживала в себе кислород?

Перфторуглероды (perfluorocarbons) - жидкости, которыми можно дышать
Перфторуглероды (углеводороды, где водород заменили на фтор) могут содержать до 65 % кислорода, который может бысто выходить из них в ткани с меньшей его концентрацией