DINAMICA DEI FLUIDI con applicazioni al sistema circolatorio
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- Sebastiano Lupi
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1 CLASSE DELLE LAUREE TRIENNALI DELLE PROFESSIONI SANITARIE DELLA RIABILITAZIONE DINAMICA DEI FLUIDI con applicazioni al sistema circolatorio PORTATA PRESSIONE MOTO STAZIONARIO APPLICAZIONI AL SISTEMA CIRCOLATORIO MOTO LAMINARE, VISCOSITA E MOTO TURBOLENTO MISURA PRESSIONE ARTERIOSA A. A Fabrizio Boffelli pag.1
2 Portata di un fluido portata = volume di fluido intervallo di tempo Q= V/Δt V Δt SI cgs pratico m 3 /s cm 3 /s l/min Es. Portata del sangue: 5 l/min = (5000 cm 3 )/(60 s) = cm 3 /s pag.2 2
3 Pressione (grandezza scalare) pressione = n componente perp. della forza superficie F P= F n /ΔS Pa =N/m 2 ΔS F n SI cgs pratici pascal baria atm,mmhg Relazione tra pascal e baria: Es. 1 Pa = 1 N/m 2 = (10 5 dine)/(10 4 cm 2 ) = dine/cm 2 = 10 barie pag.3 3
4 atmosfere e mmhg Pressione atmosferica Torricelli: a livello del mare, la pressione esercitata dall aria equivale a quella di una colonna di mercurio alta 760 mm Unità di misura pratiche di pressione: 1 atm = 760 mmhg 1 mmhg (torr) = (1/760) atm Relazione tra atmosfera e pascal: (v. pressione idrostatica) p = dgh = ( kg/m 3 ) (9.8 m/s 2 ) (0.76 m) Pa 1 atm = Pa = barie Pressione sanguigna (sempre in mmhg): 120 mmhg = (120/760) atm = atm = = ( ) Pa Pa = barie Es. pag.4 4
5 Equazione di continuità - 1 Def. MOTO STAZIONARIO: Q = costante nel tempo v Δt in ogni sezione S v v'δt v' S' volume di fluido Nello stesso intervallo di tempo Δt: SvΔt = S v Δt Q = V Δt = S v Δt = S v = costante Δt pag.5 5
6 Equazione di continuità - 2 Q = 100 cm 3 /s Se il condotto si apre in più diramazioni, bisogna considerare la superficie totale. A B S 2 = 1.25 cm 2 C S 3 = 0.5 cm 2 x 5 rami= 2.5 cm 2 S 1 = 5 cm 2 S 1 = 5 cm 2 S v 1 = Q/S 1 =20 cm/s 2 = 1.25 cm 2 v 2 = Q/S 2 =80 cm/s S 3 = 2.5 cm 2 v 3 = Q/S 3 =40 cm/s pag.6 6
7 Sistema circolatorio - 1 VENA CAVA CUORE POLMONI AORTA ARTERIE Sperimentalmente si vede che nel passaggio aorta arterie arteriole capillari venule vene vena cava valvole VENE VENULE ARTERIOLE CAPILLARI la pressione diminuisce sempre, mentre la velocità prima diminuisce e poi aumenta Perché? pag.7 7
8 Sistema circolatorio mmhg AD VD 25 mmhg CUORE AS VS 8 mmhg 100 mmhg Circuito chiuso 5 litri/ min 10 mmhg POLMONI GRANDE CIRCOLO CAPILLARI 40 mmhg 5 litri/ min Portata costante (no immissioni, no fuoruscite) pag.8 8
9 Sistema circolatorio 3 pressione media velocità media CUORE AORTA ARTERIE ARTERIOLE CAPILLARI VENULE VENE VENA CAVA (nel tempo) (nel tempo) velocità media (cm/s) <0.1 < deve sempre diminuire diminuisce poi aumenta pressione media (mmhg) pag.9 9
10 Velocità del sangue ARTERIE 140mila ARTERIOLE 4 miliardi CAPILLARI 300 milioni 200 VENULE VENE Nei capillari la velocità è bassissima perché il loro numero è altissimo -> sezione grande -> vel. piccola (eq. continuità: Sv=costante) cm cm/s S v totale CAPILLARI ARTERIE ARTERIOLE VENULE 60 VENE cm cm/s pag.10 10
11 Velocità del sangue - 2 Es. Portata del sangue: Q= 5 l/min = (5000 cm 3 )/(60 s) = cm 3 /s Velocità del sangue nei vari distretti: AORTA (r=0.8 cm) S = π r 2 2 cm 2 v = Q/S 40 cm/s ARTERIOLE S 400 cm 2 v = Q/S 0.2 cm/s CAPILLARI S 4000 cm 2 v = Q/S 0.02 cm/s VENA CAVA (r=1.1 cm) S = π r 2 4 cm 2 v = Q/S 20 cm/s Es. la bassissima velocita del sangue nei capillari ( 0.2 mm/s) permette gli scambi di sostanze (reazioni chimiche) necessari alla vita. pag.11 11
12 Caratteristiche di un fluido Def. FLUIDO: sostanza senza forma propria (assume la forma del recipiente che lo contiene) liquido: volume limitato dalla superficie libera gas: diffusione nell intero volume disponibile fl. omogeneo: caratteristiche fisiche (ad es. la densità) costanti fl. disomogeneo: caratteristiche fisiche non costanti Sangue Es. (sospensione di cellule in soluzione acquosa di sali e molecole organiche) a livello macroscopico è omogeneo, a livello microscopico è disomogeneo pag.12 12
13 Moto di un fluido in un condotto Tipo di moto: stazionario portata costante nel tempo pulsatile portata variabile in modo periodico Tipo di condotto: rigido non cambia forma (sottoposto a qualunque forza) deformabile cambia forma se sottoposto a una forza ideale reale deformaz.elastica deformaz.non elastica arterie e vene Tipo di fluido: senza attriti (=non viscoso) con attriti (=viscoso) pag.13 13
14 Regime laminare Modello di fluido come lamine che scorrono le une sulle altre (con attrito) A v 2 δ v 1 Forza di attrito: si oppone al moto: F A - v F A = η A v δ v=v 1 -v 2 = velocità relativa tra lamine A = area lamine δ = distanza tra lamine η = coefficiente di viscosità A pag.14 14
15 Viscosità F A = η A v δ η coefficiente di viscosità Unità di misura cgs: poise = g/(s cm) La viscosità diminuisce al crescere della temperatura. Acqua Es. a 0 o η acqua = poise a 20 o η acqua = poise Sangue Plasma: η plasma = 1.5 η acqua (liquido in cui sono sospese le cellule sanguigne) Sangue con ematocrito (% eritrociti) 40%: η sangue = 5 η acqua pag.15 15
16 Moto in regime laminare (1) Condizione per il moto di un liquido reale: differenza di pressione Q = π r 4 8 η h (p 1 p 2 ) (legge di Hagen- Poiseuille) p 1 Q p 1 > p 2 p 2 h r la portata è direttamente proporzionale alla differenza di pressione tra gli estremi del condotto e a r 4, ed è inversamente proporzionale al coefficiente di viscosità e alla lunghezza del condotto J. Poiseuille pag.16 16
17 Moto in regime laminare (2) Q = π r 4 8 η h (p 1 p 2 ) Q Δp Q = Δp/R (ponendo R=8 ηh/πr 4) Resistenza meccanica di un condotto (dipende da: raggio e lunghezza del tubo, viscosità del liquido) asse del condotto v La velocità è maggiore al centro del condotto (profilo parabolico) Il moto è silenzioso pag.17 17
18 Regime turbolento Quando la velocità supera una certo valore critico, il modello laminare non funziona più: il moto si fa disordinato e si creano vortici v>v c velocità critica la portata non è più direttamente proporzionale alla differenza di pressione, ma alla sua radice quadrata: Q Δp ->per ottenere la stessa portata, serve una Δp decisamente maggiore La velocità non ha più un profilo regolare Il moto è rumoroso pag.18 18
19 Moto dei fluidi: sintesi MOTO STAZIONARIO di un LIQUIDO REALE e OMOGENEO in un CONDOTTO RIGIDO approx. iniziale REGIME LAMINARE v > v c - lamine, profilo velocità parabolico - Q Δp - silenzioso (conservazione dell energia) REGIME TURBOLENTO - vortici - Q Δp - rumoroso (alta dissipazione di energia per attrito) pag.19 19
20 Misura di pressione arteriosa In generale il sangue scorre con moto laminare, che può diventare turbolento in alcuni casi particolari (apertura valvola aortica, esercizio fisico ). Il moto turbolento, essendo rumoroso, può essere rilevato mediante auscultazione con un fonendoscopio. Lo SFIGMOMANOMETRO, usato per misurare la pressione arteriosa, sfrutta il passaggio da moto laminare a moto turbolento: pompaggio di aria nel manicotto -> compressione dell arteria brachiale: la sezione dell arteria diminuisce e quindi la velocità del sangue aumenta finché, raggiunta la velocità critica, il moto diventa turbolento e quindi rumoroso. Aumentando ulteriormente la pressione esterna, la circolazione si interrompe e quindi il rumore scompare Uscita dell aria dal manicotto -> diminuzione della pressione e ripresa del moto (inizialmente turbolento, e quindi rumoroso). Diminuendo ulteriormente la pressione, il moto diventa laminare e quindi silenzioso. Si assume come pressione massima (o sistolica) il punto di ripresa del moto turbolento (inizio del rumore), e come pressione minima (o diastolica) il punto di ritorno al moto laminare (cessazione del rumore). pag.20 20
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