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动脉工作与结构及功能相承,原理揭晓

时间:2023-11-02 理论教育 版权反馈
【摘要】:心脏其实是个往复泵,靠一连串相当迅猛的脉冲将血液送往动脉。事实上,动脉的弹性功能和压缩空气瓶差不多,工程师经常给压缩空气瓶接上机械往复泵。现在,大动脉——比如为我们的腿供血的动脉——的直径可能约为1厘米,长度大概为1米。一种极端的情况是,这种情况发生在大脑的血管中。[4]毫无疑问,身体内的动脉一直被拉伸,这是针对任何残余纵向应变的防备措施。

动脉工作与结构及功能相承,原理揭晓

心脏其实是个往复泵,靠一连串相当迅猛的脉冲将血液送往动脉。心脏舒缓地做功,身体健康的总体状况也将得到保障,这靠的是在心搏周期的泵出或收缩阶段,大部分多余的高压血液通过主动脉和较大动脉弹性膨胀来调节;其效果是使血压平滑涨落,促进血液循环。事实上,动脉的弹性功能和压缩空气瓶差不多,工程师经常给压缩空气瓶接上机械往复泵。在这种简单的装置中,随泵活塞的排出冲程而来的压强激增得到缓和,靠的就是暂时泵出的液体压缩了在适当的球泡或容器中的空气储备。当泵的阀门随冲程结束而关闭(如同心脏在舒张期)时,液体通过被困空气的恢复和膨胀继续受到驱动而前进(见图8-6)。

图8-6 主动脉和动脉的弹性膨胀在平滑血压涨落方面发挥的功能,同工程师接在往复泵上的空气室一样

这种有节奏的动脉扩张和松弛是必要的,也是有益的;事实上,若动脉壁随时间流逝而日趋强劲和硬化,血压可能升高,心脏则需要做更多的功,这对心脏来说可能并非好事。我们大多数人都明白这一点,但没多少人会停下来考虑动脉壁上的应变是什么情况。

我们在第6章中计算过,对像动脉壁这样的圆柱形容器而言,纵向应力只是周向应力的一半;无论容器的外壳是用什么做的,情况总是这样。因此,若正好大致遵循胡克定律,纵向应变也会是周向应变的一半,考虑到容器的尺寸,总的延伸会符合适当的比例。现在,大动脉——比如为我们的腿供血的动脉——的直径可能约为1厘米,长度大概为1米。如果应变比实际上是2∶1,通过简单计算可知,半毫米的直径变化——在身体内很容易适应——与约25毫米或1英寸的动脉长度的总变化相关。

显然,这种规模的长度变化(每分钟出现70次)不可能也不会发生。这类事情一旦发生,我们的身体就没法工作了。一种极端的情况是,这种情况发生在大脑的血管中。

幸运的是,在真实的生命体中,各种承压管道上的纵向应变和延伸造成的影响远小于这种过于简单的论证带来的预期或畏惧。这种情况归因于所谓的“泊松比”。

如果你拉伸一根橡皮筋,它会非常明显地变细;同样的事情也会发生在所有固体上,虽然对大多数材料而言,效果不太明显。反之,若你压缩材料使之缩短,它会向一侧凸起。这两种情况都是弹性效应,当载荷卸下时,它们都会消失。

我们之所以没注意到钢材和骨骼等物体中有这些侧向运动,是因为纵向应变和横向应变都太小了,但发生的效应却是一样的。这发生于所有固体身上,且这种行为对实际的弹性而言具有重要的意义,这个事实最初是由法国人泊松(S.D.Poisson)观察到的。尽管出身相当贫寒,在15岁之前也没接受过多少正规教育,但泊松32岁就当选法兰西科学院院士(法国官方的最高荣誉之一),凭的就是他在弹性领域的工作成果。

我们在第3章提到,胡克定律指出:

因此,如果我们在一块平板上施加拉应力s1,材料会弹性延长或拉伸,以至于在我们拉动的方向上会产生抗拉应变:

但是,材料也会侧向(与s1垂直的方向)收缩,这源于我们可以称之为e2的其他应变。泊松发现,对任意给定材料,e2与e1之比是恒定的,它就是我们现在所说的“泊松比”。在本书中,我们用符号q表示泊松比。因此,对于受单轴拉应力s1的给定材料,我们有:

① 在所有这类情况中,因为e2总是与e1符号相反,所以q或泊松比应该是负的,故而它应该带一个负号。但是,我们选择忽略这一点并省略负号;这要靠在结果中加一个负号来补偿,正如我们现在做的那样。

s1方向上的应变e1常被称为“主应变”,s1在垂直于自身方向上产生的应变可被称为“次应变”(见图8-7)。

图8-7 当固体被拉应力s1拉伸时,它会依靠主应变e1沿s1的方向延伸,但它也会依靠次应变e2侧向收缩,泊松比(www.xing528.com)

根据上文可知,

e2=q·e1

且因为e1=s1/E(胡克定律),则有

e2=q·s1/E

因此,如果我们知道q和E,就能计算出主应变和次应变。

对金属、骨骼和混凝土等工程材料来说,q几乎总是介于之间。对生物固体而言,泊松比一般会比这个高,通常在左右。教授初等弹性的教师会告诉你泊松比的值不能高于,否则,各种莫名其妙且不可思议的事情就会发生。这种说法只是部分正确,一些生物材料的泊松比有时真的非常高,甚至远高于1。[3]我肚子的泊松比是我最近在浴缸里测得的,约为1.0。

因此,正如我们说过的那样,泊松比的效应在于,若我们朝一个方向拉一种材料,比如膜或动脉壁,它就会沿该方向变长,但它也会在垂直方向上收缩或变短。所以,若施加相互垂直的两个张力,效果就会叠加,应变则会低于我们在单独施加某个应力的情况。

对于两个同时存在的应力s1和s2,在s1方向上的总应变是

而在s2方向上的总应变是

回顾第6章我们发现,泊松比存在的后果是,遵循胡克定律的管状压力容器壁上的纵向应变为

其中,r为半径,p为压强,t为壁厚。

由此可知,一根管的纵向弹性延伸要比我们预期的低得多;对泊松比为的胡克材料来说,根本不会有任何运动。事实上,如我们所见动脉壁不遵循胡克定律,其泊松比也可能高于;这两种效应可能相互抵消,因为实验中几乎观察不到纵向运动。[4]毫无疑问,身体内的动脉一直被拉伸,这是针对任何残余纵向应变的防备措施。

动物组织中,泊松比的效应可能非常重要;但它在工程中也有至关重要的意义,还会在各种连接中不断出现。

或许应该补充一下,虽然主动脉和大动脉随心脏的每一次搏动做弹性扩张和收缩,但按我们刚才探讨的方式,较小动脉的情况往往很不一样。这些较小血管的外壁有肌肉组织,能增加其有效的刚度,故而通过约束其直径就能控制传送到身体任何特定部位的血量,供血的局域分布就是这样调整的。

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