Вязкость жидкости. Вязкость крови

За счет сил взаимодействия между молекулами реальной жидкости при ее течении возникают силы трения, которые направлены по каса­тельной к поверхности перемещающихся слоев. Эти силы определяют внутреннее трение или вязкость жидкости. Наличие сил внутреннего трения в жидкости приводит к тому, что ее различные слои движутся с различными скоростями. На рис.9 представлен случай, когда для самого верхнего слоя жидкости помеха его движению минимальна, а для нижнего - максимальна (например, течение в реке).

В вязкой жидкости существует перепад скоростей ее движущихся слоев вдоль оси x, перпендикулярной направлению движения жидкости. Для частного случая, показанного на рис.9, этот перепад осуществляется по линейному зако­ну. Количественно величина различий в скорости движе­ния слоев жидкости характе­ризуется градиентом скорос­ти d v /dx, называемым также скоростью сдвига. Чем выше скорость сдвига, тем больше и сила трения между слоями движущейся жидкости. Эта сила F_тр пропорциональна площади соприкосновения S движущихся слоев жидкости и зависит от величины взаимодействия между ее молекулами. Из этих соображений вытекает формула Ньютона, определяющая силу внутреннего трения:

F_тр = h S . (12)

Коэффициент h, зависящий от свойств жидкости и температуры, назы­вают коэффициентом внутреннего трения или вязкостью или динамичес­кой вязкостью.

Единицей вязкости в Международной системе является паскаль-секунда (Па×с). Применяется и внесистемная единица вязкости - пуаз ( П ), причем,
1Па×с = 10П.

Если в движущейся жидкости ее вязкость не зависит от градиен­та скорости, то такие жидкости называют ньютоновскими. К ним отно­сятся однородные жидкости. Когда жидкость неоднородна, например, состоит из сложных и крупных молекул, образующих сложные прост­ранственные структуры, то при ее течении вязкость зависит от гра­диента скорости. Такие жидкости называют неньютоновскими. Кровь является типичной неньютоновской жидкостью, так как она представля­ет собой взвесь форменных элементов (эритроциты, лейкоциты и др.) в плазме. Это значит, что из-за различных градиентов скорости, ре­ализующихся в движущейся крови, ее вязкость в различных участках сосудистой системы может изменяться.

Вязкость воды при температуре 20^оС составляет 1мПа×c или 1сП (сантипуаз), а вязкость крови в норме - 4-5 мПа×с. При различных патологиях значения вязкости крови могут изменяться от 1,7 до 22,9 мПа×с. Отношение вязкости крови к вязкости воды называют относи­тельной вязкостью крови.

Следует подчеркнуть, что приведенные численные значения ха­рактеризуют среднюю вязкость крови в крупных кровеносных сосудах, или вязкость проб крови вне организма, измеренную капиллярными ме­тодами (см.1.6). Неоднородность структуры крови, специфика строения и разветвления кровеносных сосудов приводит к довольно сложному распределению вязкости крови, движущейся по сосудистой системе. Проанализируем основные факторы, влияющие на вязкость крови в жи­вом организме.

а) Температура. Влияние температуры на вязкость движущейся по сосудистой системеньютоновской жидкости достаточно тривиально. С ее повышением она уменьшается. Должна уменьшаться и вязкость крови. По-видимому, это могло бы несколько уменьшить нагрузку на сердце при развитии в организме патологических процессов, сопровождающихся повышением температуры тела как защитной реакции организма. Однако, следует учесть, что изменение температуры может приводить к изменению степени агрега­ции эритроцитов и вызывать другие изменения в структуре крови. Поэтому температурные изменения вязкости при патологических процес­сах отличаются большой сложностью. Воздействие температурного фак­тора на вязкость крови необходимо учитывать и при лечебных воз­действиях, в частности, при использовании для лечения ряда заболе­ваний гипертермии - повышения температуры всего тела или отдельных его частей за счет нагревания различными методами.

б) Гематокрит. Этот показатель представляет собой отношение суммарного объема эритроцитов (V_эр) к объему плазмы крови (V_пл), в котором они содержатся. В норме V_эр/V_пл» 0,4. Оказывается, что с повышением гематокрита вязкость крови возрастает. Увеличение гема­токрита может происходить из-за увеличения концентрации эритроци­тов, их агрегации и возрастания размеров. Вязкость венозной крови выше потому, что в венозной крови повышено содержание углекислого газа. Из-за этого эритроциты венозной крови имеют размеры большие, чем артериальные, и другую форму. В результате увеличивается гема­токрит и возрастает вязкость.

в) Скорость сдвига (градиент скорости). Линейная скорость крови и диаметры кровеносных сосудов в различных участках сосудис­той системы изменяются очень сильно. Следовательно, существенно отличаются и скорости сдвига в потоке движущейся крови. Поскольку кровь является неньютоновской жидкостью, то и ее вязкость, завися­щая от скорости сдвига, будет различной в разных отделах системы кровообращения.

Считается, что во многих крупных кровеносных сосудах скорость сдвига близка к 1000 с^-1. В этом случае проявление неньютоновского характера движения крови незначительно, и ее вязкость соответству­ет приведенным выше значениям 4-5 мПа×с в норме. Однако, при уменьшении скорости сдвига в мелких кровеносных сосудах эффектив­ная вязкость постепенно возрастает, причем, при скоростях сдвига, меньших 1 с^-1, этот рост происходит весьма резко.

г) Организация эритроцитов в потоке крови. Существуют доволь­но сложные и не до конца выясненные механизмы, приводящие к сниже­нию вязкости движущейся крови. Они связаны со специфической пе­рестройкой эритроцитов в плазме. Если бы по сосуду двигалась одно­родная ньютоновская жидкость, то скорость ее частиц по оси сосуда была бы максимальной, а у стенок - минимальной (см.рис.10). Соеди­няя концы векторов скорости различных частиц жидкости, получим линию - профиль скорости. Для ньютоновской жидкости он имеет вид па­раболы. В движущейся крови профиль скоростей существенно "уплощает­ся", т.е. скорости дви­жения частиц по центру сосуда и у ее краев от­личаются не так уж силь­но. Это происходит по нескольким причинам. Считается, что при дви­жении эритроцитов с по­током плазмы возникает их продольная ориентация в соответствии с направ­лением движения. У стенки сосуда образуется тонкий пристеночный слой плазмы крови, не содержащий эритроцитов и обладающий понижен­ной вязкостью. В итоге, эритроциты, как бы "построившиеся" друг за другом, продвигаются по сосуду в оболочке из плазмы. Это явления приводят к уменьшению вязкости крови и облегчают ее движение, осо­бенно, в мелких кровеносных сосудах.