物理:泊肃叶流和湍流

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例子问题

例子问题1:泊肃叶流和湍流

扩散可以定义为分子沿不同浓度梯度的净转移。这是一个被动自发的过程,依赖于分子的随机运动和布朗运动。扩散是一个重要的生物过程,尤其是在呼吸系统中,氧气从肺泡(肺力学的基本单位)扩散到毛细血管中的红细胞。

捕获

图1描述这一过程,显示肺泡与相邻细胞被毛细血管与红细胞分离。给出了氧气和二氧化碳的分压。其中一个用于确定气体交换的方程是菲克定律,由:

ΔV =(面积/厚度)·D气体·(P1 -P2

其中ΔV为流速,面积和厚度为气体通过的透膜,在本例中为肺泡壁。P1和P2分别为上游和下游的分压。此外,维气体为气体的扩散常数,定义为:

D气体=溶解度/(分子量)^(1/2)

在剧烈运动中,血液流动大大增加。与沿毛细血管两侧运动的红细胞相比,向毛细血管中心运动的红细胞,氧的扩散会受到怎样的影响?

可能的答案:

向中心的较低扩散

向中心的扩散更大

向周边扩散较低

没有变化

正确答案:

向中心的较低扩散

解释

这是另一个测试流体动力学的问题。在任何流体中,流向血管中心的阻力都较小;因此,在毛细血管中心移动的红细胞将移动得更快,当氧气扩散到血液中时,有更少的时间“捕获”氧气。有趣的是,同样的特征也有助于解释为什么受损或割裂的血管凝结得如此之快——像血小板这样的凝血因子,向外围移动得更慢,因此在伤口附近聚集。

例子问题1:

使用以下信息回答问题1-6:

人体的循环系统是一个封闭的系统,由一个泵组成,它将血液通过动脉、毛细血管和静脉输送到全身。毛细血管又小又细,使血液可以很容易地灌注器官系统。作为一个封闭系统,我们可以像模拟电路一样模拟人体循环系统,通过使用流体而不是电子进行修改。心脏是液体运动的主要动力,液体通过动脉和静脉流动,血流的阻力取决于灌注率。

为了模拟循环系统中流体的行为,我们可以将欧姆定律V = IR修改为∆P = FR,其中∆P为压力变化量(mmHg), F为流速(ml/min), R为流动阻力(mmHg /ml/min)。管中流体流动的阻力用泊素叶定律描述:R = 8hl/πr4其中l是管道的长度,h是流体的粘度,r是管道的半径。血液的粘度比水的粘度高,这是由于红细胞、白细胞和血小板等血细胞的存在。

上述公式适用于光滑的层流。然而,当存在湍流时,就会出现偏差。湍流可以被描述为非线性或紊流,具有旋转、堵塞或其他不可预测的流速。当导管的解剖结构发生偏差时,例如在急剧弯曲或压缩时,就会发生湍流。当速度超过临界速度v时,我们也可以得到湍流c下面的定义。

vc= NRh / Dρ

NR为雷诺数常数,h为流体的粘度,ρ为流体的密度,D为管的直径。血液密度测量为1060kg /m3.

循环系统的另一个关键特征是,它的建立使器官系统是并行的,而不是串联的。这使得身体可以调整流向每个器官系统的血液量,这在串行结构下是不可能实现的。这个设置如图1所示。

Circulatory_system_circuit

以下哪一种紊乱最可能导致湍流的增加?

一、心排血量增加

2贫血

3肺癌

可能的答案:

二只

我只

我和二世

第二和第三

正确答案:

我和二世

解释

由方程可知,临界速度与雷诺数、粘度、管径、流体密度有关。如果我们假设心脏正常跳动且血液流速恒定,临界流速的降低将增加正常流速超过临界流速的几率。这将导致紊流。

看看这些选择,贫血会导致血液粘度下降,导致临界速度降低,增加湍流流动的机会。心排血量的增加会增加血液的平均流速,这样它就可能超过临界流速,导致更多的湍流。肺癌不应该对血液湍流有可测量的影响。

示例问题3:

使用以下信息回答问题1-6:

人体的循环系统是一个封闭的系统,由一个泵组成,它将血液通过动脉、毛细血管和静脉输送到全身。毛细血管又小又细,使血液可以很容易地灌注器官系统。作为一个封闭系统,我们可以像模拟电路一样模拟人体循环系统,通过使用流体而不是电子进行修改。心脏是液体运动的主要动力,液体通过动脉和静脉流动,血流的阻力取决于灌注率。

为了模拟循环系统中流体的行为,我们可以将欧姆定律V = IR修改为∆P = FR,其中∆P为压力变化量(mmHg), F为流速(ml/min), R为流动阻力(mmHg /ml/min)。管中流体流动的阻力用泊素叶定律描述:R = 8hl/πr4其中l是管道的长度,h是流体的粘度,r是管道的半径。血液的粘度比水的粘度高,这是由于红细胞、白细胞和血小板等血细胞的存在。

上述公式适用于光滑的层流。然而,当存在湍流时,就会出现偏差。湍流可以被描述为非线性或紊流,具有旋转、堵塞或其他不可预测的流速。当导管的解剖结构发生偏差时,例如在急剧弯曲或压缩时,就会发生湍流。当速度超过临界速度v时,我们也可以得到湍流c下面的定义。

vc= NRh / Dρ

NR为雷诺数常数,h为流体的粘度,ρ为流体的密度,D为管的直径。血液密度测量为1060kg /m3.

循环系统的另一个关键特征是,它的建立使器官系统是并行的,而不是串联的。这使得身体可以调整流向每个器官系统的血液量,这在串行结构下是不可能实现的。这个设置如图1所示。

Circulatory_system_circuit

下列哪项准确地说明了临界速度和阻力之间的关系?

可能的答案:

正确答案:

解释

粘度(h)对于两个方程都是相同的,所以要找出阻力和临界速度之间的关系,我们可以利用阻力方程求解粘度。

重新排列阻力方程使我们可以在临界速度方程中代入h。

这个方程可以进一步简化。直径是半径的两倍,所以D = 2r。

例子问题1:

扩散可以定义为分子沿梯度的净转移,这是由不同位置的不同浓度的分子形成的。这是一个被动自发的过程,依赖于分子的随机运动和布朗运动。扩散是一个重要的生物过程,尤其是在呼吸系统中,氧气从肺泡(肺力学的基本单位)扩散到毛细血管中的红细胞。

捕获

图1描述了这一过程,显示了肺泡与相邻细胞被毛细血管与红细胞隔开。给出了氧气和二氧化碳的分压。确定气体交换的一个方程是菲克定律,由:


在这个方程,为流量。面积和厚度是指气体通过的可渗透膜- - - - - -在本例中是肺泡壁。分别为上游和下游的分压。为气体的扩散常数,定义为:


吸气时,横膈膜收缩,允许氧气进入肺部。平均气道直径的变化如何影响氧气移动的速度?

可能的答案:

吸气时的氧气速度保持恒定,与气道直径无关

气道直径的减小会降低氧气速度

气道直径的减小会增加氧气的速度

气道直径的增加会降低氧气速度

气道直径不会影响氧气速度,但会影响吸气量

正确答案:

气道直径的减小会降低氧气速度

解释

注意,两个选项本质上说的是相同的关系。因此,人们可以立即推断出他们是错的。这个问题基于流体动力学的知识。通常情况下,气道直径的减小将提供更大的阻力,从而降低流体(或气体)移动的速度。想象一下通过一系列直径越来越小的吸管吹空气;吸管越窄,吹气越难;因此,气道直径的减小会导致氧气速度的降低。

示例问题5:

使用以下信息回答问题1-6:

人体的循环系统是一个封闭的系统,由一个泵组成,它将血液通过动脉、毛细血管和静脉输送到全身。毛细血管又小又细,使血液可以很容易地灌注器官系统。作为一个封闭系统,我们可以像模拟电路一样模拟人体循环系统,通过使用流体而不是电子进行修改。心脏是液体运动的主要动力,液体通过动脉和静脉流动,血流的阻力取决于灌注率。

为了模拟循环系统中流体的行为,我们可以将欧姆定律V = IR修改为∆P = FR,其中∆P为压力变化量(mmHg), F为流速(ml/min), R为流动阻力(mmHg /ml/min)。管中流体流动的阻力用泊素叶定律描述:R = 8hl/πr4其中l是管道的长度,h是流体的粘度,r是管道的半径。血液的粘度比水的粘度高,这是由于红细胞、白细胞和血小板等血细胞的存在。

上述公式适用于光滑的层流。然而,当存在湍流时,就会出现偏差。湍流可以被描述为非线性或紊流,具有旋转、堵塞或其他不可预测的流速。当导管的解剖结构发生偏差时,例如在急剧弯曲或压缩时,就会发生湍流。当速度超过临界速度v时,我们也可以得到湍流c下面的定义。

vc= NRh / Dρ

NR为雷诺数常数,h为流体的粘度,ρ为流体的密度,D为管的直径。血液密度测量为1060kg /m3.

循环系统的另一个关键特征是,它的建立使器官系统是并行的,而不是串联的。这使得身体可以调整流向每个器官系统的血液量,这在串行结构下是不可能实现的。这个设置如图1所示。

Circulatory_system_circuit

去甲肾上腺素的作用之一是血管收缩。如果药物使手部外周血管的直径减少1 / 2,这对手部血液流动有什么影响?

可能的答案:

流量将增加16倍

流量将减少16倍

流量将增加8倍

流量将减少8倍

正确答案:

流量将减少16倍

解释

用这个方程来测量电阻

如果直径减少一半,则半径减少一半。这将使阻力增加2倍4或16。我们知道循环系统是一个平行系统,所以任何分支的压力必须是恒定的,只允许流量变化。利用方程∆P = FR,如果阻力增加16倍,而流量保持不变,则流量减少16倍,因为压力是恒定的。

∆P = F2R2- F1R1= 0

16 r1= R2

F2R2= F1R1

F216 r1= F1R1

F2= F (1/16)1

例子问题1:

哪一种改变会使通过管道的流量增加最大?

可能的答案:

将管子长度减半,同时将压力增加两倍

翻倍半径

四倍的压力

两倍的压力

将管子的长度增加两倍,同时将压力减半

正确答案:

翻倍半径

解释

用泊欧拉定律给出了管段流速的计算公式。虽然您不需要记住这个等式,但您必须熟悉它在概念基础上描述的关系。

在这个方程,是半径,就是压强的变化,是液体的粘度,和是管子的长度。

对于给定的答案选项,将半径加倍将使流速乘以,导致增长最大。

例子问题1:

泊肃叶定律是一种有助于解释管道中流体阻力的关系,它的变体由:

的公式,粘度,是管子的长度,和是管子的直径。

以下哪一种影响会减少抵抗?

可能的答案:

延长管

增加液体温度

减少流

提高流体压力

缩小管道

正确答案:

增加液体温度

解释

这个问题可以从逻辑上很快地得到答案,不需要多少数学运算。温度本身在这个方程中不是直接变量;然而,它确实与粘度有关,.流体的温度越高,粘度就越低,粘度越低的流体流动起来就越容易,产生的阻力就越小。

其他选项要么给出与流阻无关的变化,要么增加流阻。根据所给的方程,管道变窄和长度增加会增加阻力。流量和压力会受到阻力的影响,但不能改变系统中给定的阻力。

示例问题8:

扩散可以定义为分子沿梯度的净转移,这是由不同位置的不同浓度的分子形成的。这是一个被动自发的过程,依赖于分子的随机运动和布朗运动。扩散是一个重要的生物过程,尤其是在呼吸系统中,氧气从肺泡(肺力学的基本单位)扩散到毛细血管中的红细胞。

捕获

图1描述了这一过程,显示了肺泡与相邻细胞被毛细血管与红细胞隔开。给出了氧气和二氧化碳的分压。确定气体交换的一个方程是菲克定律,由:


在这个方程,为流量。面积和厚度是指气体通过的可渗透膜- - - - - -在本例中是肺泡壁。分别为上游和下游的分压。为气体的扩散常数,定义为:


利用图1中的值,假设氧和二氧化碳的渗透率相等,用二氧化碳的流速表示氧的流速是多少?

可能的答案:

正确答案:

解释

这个问题很棘手,因为它问的是氧气的流速与二氧化碳的流速的关系;然而,这个问题也可以通过分别计算每个流量快速解决。值得注意的是,由于我们已经被告知它们具有相同的渗透率,它们唯一不同的值是它们的分压差和分子量。氧气的分压差是100 - 50或50毫米汞柱,而二氧化碳的分压差是50 - 40或10毫米汞柱。

从这里,我们可以看到,就分压而言,氧气的流速将是二氧化碳的5倍(50/10 = 5);然而,我们仍然必须考虑分子质量,它在方程的底部。氧的分子量是32,二氧化碳的分子量是44;因此,我们可以建立方程来找到某个因子X,当它乘以P二氧化碳得到P氧气

P氧气=(区域/厚度)·溶解度/ 321/2·50 = (x) p二氧化碳=(区域/厚度)·溶解度/ 441/2·10

把两边相等的部分划掉,我们得到:

50/321/2= (X)·10/441/2

而且,X =5·441/2/ 321/2

示例问题9:

扩散可以定义为分子沿不同浓度梯度的净转移。这是一个被动自发的过程,依赖于分子的随机运动和布朗运动。扩散是一个重要的生物过程,尤其是在呼吸系统中,氧气从肺泡(肺力学的基本单位)扩散到毛细血管中的红细胞。

捕获

图1描述这一过程,显示肺泡与相邻细胞被毛细血管与红细胞分离。给出了氧气和二氧化碳的分压。其中一个用于确定气体交换的方程是菲克定律,由:

ΔV =(面积/厚度)·D气体·(P1 -P2

其中ΔV为流速,面积和厚度为气体通过的透膜,在本例中为肺泡壁。P1和P2分别为上游和下游的分压。此外,维气体为气体的扩散常数,定义为:

D气体=溶解度/(分子量)^(1/2)

在一定条件下,肺泡会放大或收缩。这两项改变将如何影响ΔV?

可能的答案:

ΔV放大时减少,收缩时增加。

ΔV放大时减少,收缩时减少。

没有任何影响

ΔV放大时增加,收缩时减少。

正确答案:

ΔV放大时增加,收缩时减少。

解释

根据菲克定律,我们看到ΔV,即流速,与表面积成正比。因此,如果肺泡扩大,表面积也会增加,因此流速也会增加。同样,如果肺泡收缩,那么总表面积也会收缩,因此流速也会下降。

这道题主要是测试考生是否能迅速看出ΔV和表面积之间的关系。而且,直觉上,人们可能会猜测表面积越大,气体就越容易扩散,扩散的区域也就越多。

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