Для сомневающихся

О дыхательных тренажерах достаточно подробно ( часть 1 )
( рассуждения электрика )
УСТАНОВИВШИЙСЯ ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК
Установившимся воздушным потоком называется такое течение
воздуха, при котором скорость потока в любой точке, а также основные
параметры (давление, температура и плотность) не изменяются с течением
времени. То есть, если через определенные промежутки времени мы в одной и
той же точке будем измерять скорость и другие параметры воздуха и при всех
измерениях величины параметров одинаковы, то этот воздушный поток
установившийся. Если же измеряемые величины меняются, то поток неустановившийся. В аэродинамике рассматривают только установившийся
воздушный поток. Основным понятием аэродинамики является понятие
элементарной струйки воздуха.
Элементарная струйка - это мысленно выделенный поток (небольшой
замкнутый контур в виде трубки), через боковую поверхность которого воздух
протекать не может ни вовнутрь, ни наружу.
ЛАМИНАРНЫЙ И ТУРБУЛЕНТНЫЙ ВОЗДУШНЫЕ ПОТОКИ
Ламинарный - это воздушный поток, в котором струйки воздуха движутся в
одном направлении и параллельны друг другу. При увеличении скорости до
определенной величины струйки воздушного потока кроме поступательной
скорости
также
приобретают
быстро
меняющиеся
скорости,
перпендикулярные к направлению поступательного движения. Образуется
поток, который называется турбулентным, т. е. беспорядочным.
Типы потоков:
Ламинарный (вверху) и
турбулентный (внизу)
ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ (от лат turbulentus - бурный - беспорядочный),
течение жидкости или газа, при котором частицы жидкости совершают
неупорядоченные, хаотические движения по сложным траекториям, а скорость,
температура, давление и плотность среды испытывают хаотические
флуктуации. Турбулентное течение устанавливается при Рейнольдса числах
Re, больших некоторого критического Reкр, и отличается от ламинарного
течения интенсивным перемешиванием, теплообменом, большими значениями
коэффициента трения и пр. В природе и технике большинство течений
жидкостей и газов - турбулентные течения.
Фотография турбулентного течения.
ЛАМИНАРНОЕ ТЕЧЕНИЕ (от латинского lamina — пластинка, полоска) — вязкой
жидкости ил газа течение, в котором частицы среды движутся упорядоченно
по слоям и процессы переноса массы, импульса и энергии между слоями
происходят на молекулярном уровне. Типичным примером Л. т. является
обширный класс слоистых течений, в которых все частицы жидкости или газа
имеют одно и то же направление движения. Наиболее подробно изучено Л. т.
несжимаемой жидкости в трубках неограниченной длины и малого диаметра
(впервые экспериментально этот случай изучался нем, учёным Г. Гагеном в
1839 и французским учёным Ж. Пуазёйлем в 1840).
Фотография ламинарного течения.
Турбулентность, например, можно создать:

увеличив число Рейнольдса (увеличить линейную скорость или угловую
скорость вращения потока, размер обтекаемого тела, уменьшить
первый или второй коэффициент молекулярной вязкости, увеличить
плотность среды);

увеличив число Релея (нагреть среду);

увеличить число Прандтля (уменьшить вязкость);

задать очень сложный вид внешней силы (примеры: хаотичная сила,
удар);


создать сложные граничные или начальные условия, задав функцию
формы границ. Например, их можно представить случайной функцией.
Например: течение при взрыве сосуда с газом. Можно, например,
организовать вдув газа через тонкую трубку в среду, создать
шероховатую поверхность. Поставить сетку в течение;


облучить среду звуком высокой интенсивности.
КОНСТРУКЦИИ ДЫХАТЕЛЬНЫХ ТРЕНАЖЕРОВ
Если рассмотреть общие принципы построения почти всех дыхательных
тренажеров, то можно заметить определенные закономерности ( см. Рис.1 ). Они
содержат несколько последовательно соединенных смесительных камер,
расположенных в пространстве различным образом. Во всех камерах
дыхательных тренажеров существует неустановившийся режим движения газовой
смеси, а существует возвратно - поступательное движение газовой смеси
объемом не более 500 мл., определяемым дыхательным объемом легких 400 –
500 мл.
Рис.1. Конструкции дыхательных тренажеров
1. В тренажере Фролова камера 1 установлена внутри камеры 2, а на
последних этапах камера 2 устанавливается дополнительно внутрь камеры
3 ( стеклянную банку ). Камеры 1 и 2 связаны между собой слоем воды,
высота которого будет определять сопротивление дыханию.
Тренировки начинаются с 2-мя камерами.
Размеры камеры 1: цилиндр, внутренний диаметр - ? см., длина – ? см.,
объем – ? см3.
Размеры камеры 2: цилиндр, внутренний диаметр – ? см., длина – ? см.,
объем, за вычетом объема камеры 1 – ? см3.
Суммарный объем камеры в начале тренировок составляет ? см3 ( ? мл.)
Воздушный поток , например, при выдохе проходит по дыхательной трубке
– через камеру 1 – через слой воды между камерами 1 и 2 – через
пространство между внутренней стенкой камеры 2 и внешней стенкой
камеры 1- через выходные отверстия камеры 2.
2. В тренажере «Самоздрав» расположение камер такое же, как и в
тренажере Фролова, но камеры 1 и 2 связаны между собой несколькими
параллельно соединенными отверстиями, количество которых будет
определять сопротивление дыханию. На последних этапах тренировок
камера 2 устанавливается дополнительно внутрь камеры 3 ( стеклянную
банку, а в последнем варианте – в гофрированную банку, входящую в
комплект поставки ).
Тренировки начинаются с 2-мя камерами.
Размеры камеры 1: цилиндр, внутренний диаметр - 4,5 см., длина – 12 см.,
объем – 190 см3.
Размеры камеры 2: цилиндр, внутренний диаметр – 6,0 см., длина – 11 см.,
объем, за вычетом объема камеры 1 – 110 см3.
Суммарный объем камеры в начале тренировок составляет 300 см3 ( 300
мл.)
Воздушный поток , например, при выдохе проходит по дыхательной
трубке – через камеру 1 – через отверстия между камерами 1 и 2 – через
пространство между внутренней стенкой камеры 2 и внешней стенкой
камеры 1 - через выходные отверстия камеры 2.
3. В тренажере «Гипоксар» камеры 1 и 2 соединены между собой
соединительной трубкой, третьей камеры нет. Тренировки начинаются с
одной камерой, имеющей слой воды для регулирования сопротивления
дыханию. На последующих этапах дополнительно через соединительную
трубку подсоединяют камеру 2.
Размеры камеры 1: цилиндр, внутренний диаметр - ? см., длина – ? см.,
объем – ? см3.
Размеры камеры 2: цилиндр, внутренний диаметр - ? см., длина – ? см.,
объем – ? см3.
Воздушный поток , например, при выдохе проходит по дыхательной
трубке – через камеру 1 – через соединительную трубку – через камеру 2 –
через слой воды в камере 2 - через выходные отверстия камеры 2.
4. В тренажере Боркал содержится только одна камера 1 объемом 1000 см3, а
сопротивление дыханию определяется слоем воды, находящейся на дне
камеры.
Воздушный поток, например, при выдохе проходит по дыхательной трубке
– через камеру 1– через слой воды - через выходное отверстие камеры 1.
Практически аналогичную конструкцию имеет украинский дыхательный
тренажер «Эндогеник-01».
5. В тренажере «Суперздоровье» камеры 1,….8 выполнены одинаковыми в
виде полых цилиндров, соединяющихся в процессе тренировок между
собой последовательно без дополнительных перегородок и трубок.
Крышкой с отверстиями на каждом этапе закрывают только последнюю
камеру, применяемую на данном этапе тренировки.
Тренировки начинаются с одной камерой. При этом допускается
перемещение дыхательной трубки внутри камеры 1, что обеспечивает
начало дыхательных тренировок с малыми концентрациями СО2
( РСО2=0,5% ). Это позволяет освоить дыхательные тренировки даже
ослабленным людям.
Размеры всех камер ( полых цилиндров ) одинаковые: внутренний диаметр
каждого цилиндра – 5,3 см., длина – 16 см., объем - 350 см3.
6. Корректор дыхания Еременко содержит одну камеру, представляющую
собой низкий цилиндр достаточно большого диаметра. Дыхательная трубка
подключена сбоку указанного цилиндра, а в круглой вращающейся по оси
плоскости цилиндра размещено выходное отверстие указанной камеры.
Изменение местоположения этого отверстия относительно присоединения
дыхательной трубки приводит к плавному регулированию среднего
значения РСО2 в широком диапазоне ( от 0,5 до 3,0% ).
Рассмотренные выше дыхательные тренажеры по конструкции образуют 1-ю
группу дыхательных тренажеров.
Во 2-ю группу дыхательных тренажеров по конструкции входят дыхательный
тренажер «Карбоник» и дыхательные тренажеры серии «Мирон», в которых
формирование дыхательных газовых смесей осуществляется несколько иначе..
Такое построение дыхательных тренажеров 1-ой группы базируется на
медицинском опыте. Исторически в медицине получение определенной газовой
смеси, например, дыхательной, всегда применялся резервуар (смесительная
камера), в который подавались определенные газы в нужных пропорциях, где они
перемешивались и затем поступали в нужное место. Объем этой камеры
определяется дыхательным объемом легких ( 400-500 см3 ) и составляет чаще
всего не менее 5 000 см3.
В дыхательных тренажерах 1 группы пришлось искать компромисс между
объемами смесительных камер и удобствами эксплуатации.
Но какой тот предел объема этих камер должен существовать?
Для того, чтобы ответить на этот вопрос следует остановиться сначала на
физиологии дыхания. Рассмотрим капнограмму при естественном дыхании
человека, представленную на Рис.2.
Рис.2. Капнограмма при естественном дыхании человека.
Капнограмма – это графическое представление изменения концентрации СО2
на выходе верхних дыхательных путей ( на выходе носа ) во времени ( см. Рис.2 ).
В интервале времени t0-t1 осуществляется вдох и в носу практически мгновенно
значение РСО2 падает до нулевого значения ( точнее до РСО2 = 0,03%,
находящегося в атмосферном воздухе ). При этом при окончании вдоха
атмосферный воздух заполняет дыхательные пути ( мертвое пространство
объемом в среднем 150 мл.).
В интервале времени t1-t4 осуществляется вдох. При этом в интервале времени
t1-t2 из мертвого пространства выходит 150 мл. атмосферного воздуха, в
интервале времени t2-t3 практически мгновенно значение РСО2 увеличивается,
т.к. начинает выходить газовая смесь из паренхимы легких, смешанная
незначительно с атмосферным воздухом, находящимся в мертвом пространстве.
В конце выдоха t4 концентрация СО2 выдыхаемой газовой смеси становится
практически равной РСО2 в паренхиме легких. Отличия РСО2 в точках t3 и t4
отличаются у относительно здоровых людей не более 5%. Поэтому в расчетах
принимается, что в альвеолярном плато РСО2 равно РСО2 в конце выдоха.
Анализ капнограммы при естественном дыхании показывает, что она имеет
цифровую форму, т.е. наличие нулевого значения РСО2.
Теперь вернемся к вопросу о пределе объема смесительных камер
дыхательных тренажеров. Рассмотрим ответ на этот вопрос на основе расчетной
схемы тренажера, выполненного на базе «Суперздоровье» ( см. Рис. 3 ).
В исходном состоянии в одной камере диаметром 5,3 см. и длиной 16 см.
( объем 350 мл.) находится атмосферный воздух. При выдохе ( см. Рис. 3 ) за счет
разных диаметров дыхательной трубки и указанной камеры на интервале L1
существует турбулентное движение газов, что обеспечивает их существенное
перемешивание. В тренажерах 1 группы зона турбулентного движения
выдыхаемой газовой смеси L1= 8-16 см. и зависит от многих факторов, таких как
время выдоха, диаметров дыхательной трубки и камеры и т.д. При этом из
верхних дыхательных путей в камеру поступает сначала 150 мл. атмосферного
воздуха, оставшегося там после предыдущего вдоха, и 350 мл. газовой смеси из
паренхимы легких, например с РСО2 = 5,2% и РО2 = 14,7% ( примем дыхательный
объем легких 500 мл.)
Рис. 3. Расчетная схема дыхательного тренажера при выдохе
При этом в конце выдоха в камере формируется дыхательная газовая смесь, в
которой среднее значение концентрации СО2 ( РСО2 ) распределяется по длине
камеры неравномерно согласно Рис. 4. ( точки 1, 2, 3 ). Такая зависимость РСО2
от объема камеры определяется физиологией дыхания и движением газов в
трубах круглого сечения.
Здесь существует особые точки объемов камеры - Vк = 350 мл. и Vк =500 мл.,
которые обусловлены соответственно объемом выходяшей из паренхимы легких
газовой смесью ( 350 мл.), попадающей в камеру, и общим дыхательным объемом
легких ( 500 мл.).
Поэтому участок камеры объемом 350 мл. примыкающей к дыхательной трубке,
имеет максимальное значение РСО2, которое определяется высоким значением
РСО2 выдыхаемой газовой смеси из паренхимы легких.
Резко падающий участок РСО2 между Vк = 350 мл. и Vк = 500 мл. определяется
относительно низким значением РСО2 газовой смеси, получаемой при
перемешивании выдыхаемой газовой смеси с атмосферным воздухом при
движении ее по камере.
Рис.4. Зависимость изменения концентрации СО2 ( РСО2) по длине ( объему )
расчетной схемы дыхательного тренажера в конце выдоха ( 1, 2, 3 ) и в конце
вдоха ( 4, 5, 6 ) при объеме камеры до 800 мл.
Рис.5. Зависимость изменения концентрации СО2 ( РСО2) по длине ( объему )
расчетной схемы дыхательного тренажера в конце выдоха ( 1 ) и в конце вдоха
( 6 ) при объеме камеры до 100 мл.
Объем камеры свыше Vк = 500 мл. вообще практически не участвует в
газообмене при выдохе, а обеспечивает только увеличение сопротивления
дыханию на выдохе.
Рис. 6. Расчетная схема дыхательного тренажера при вдохе
Уточним, что при выдохе участок камеры больше 500 мл. заполнен
практически атмосферным воздухом. Поэтому при вдохе в камеру поступает 500
мл. атмосферного воздуха ( дыхательный объем легких 500 мл.). В процессе
движения дыхательной газовой смеси к дыхательной трубке она дополнительно
перемешивается с этим атмосферным воздухом и в конце вдоха концентрация
СО2 по длине камеры распределится согласно зависимости 4, 5, 6 ( красная
цветом ). Последующие циклы дыхания обеспечивают подъем всех точек 1 – 6
диаграммы, представленной на Рис.4.
Например, при максимальном мгновенном значении РСО2 = 5,2% в конце
выдоха, максимальном расчетные значения РСО2 в точках 1 и 6 с погрешностью
+/-10-15%:
на первом цикле РСО2(1) = 2,15%, РСО2(6) =0,90% ;
на втором цикле РСО2(1) = 2,67%, РСО2(6) = 1,12%;
………………………………………………………………
На шестом ( установившемся ) цикле РСО2(1) = 3,1%, РСО2(6) = 1,5%, среднее
значение РСО2ср. = 2,3%.
Результаты, полученные на базе расчетной схемы, можно распрастранить на
все дыхательные тренажеры 1-ой группы.
Таким образом, для тренажеров 1-ой группы капнограмма дыхания с их
применением будет иметь вид, представленной на Рис.7.
Рис.7. Капнограмма дыхания с применением 1-ой группы дыхательных
тренажеров
Следует отметить, что при малых значениях объема смесительной камеры ( 50100 мл., см. Рис.5.) капнограмма на этапе вдоха и выдоха на Рис. 7 будет иметь
зависимость 1. По мере увеличения емкости смесительной камеры значение
РСО2 конце выдоха будет увеличиваться ( см. на Рис.7 зависимости 2 и 3 ).
Видно, что капнограмма дыхания с применением рассматриваемых тренажеров
существенно отличается ( имеют аналоговую форму ) от капнограммы
естественного дыхания, т.к. нет явно выраженного нулевого значения РСО2.
Из проведенного анализа видно, что максимальное значение объема всех
смесительных камер не должно превышать 1000 мл. ( 2 дыхательного объема
легких ), а может быть и 500 мл, как это сделано предположительно ( не знаю
точных объемов и сужу по фотографии ) в тренажере «Гипоксар».
Дальнейшее увеличение объема смесительной камеры приводит к ухудшению
газообмена с внешней средой, повышению концентрации СО2 в зоне L1 Рис.3,
Рис.6, объем которой не превышает 500 мл., паренхиме легких и артериальной
крови, переходу к дыханию практически одной и той же газовой смесью, что
может вызвать нежелательные последствия.
Если посмотреть дальше, то газообмен с внешней средой обеспечивается
только камеры в зоне L3 Рис.3 и Рис.6, объем которой тоже не превышает 500 мл.
Объем камеры в зоне L2 Рис.3 и Рис.6 практически не влияет на газообмен между
паренхимой легких и внешней средой, является бесполезным и обеспечивает
только увеличение сопротивления дыханию. Увеличение объема смесительных
камер более 1000 мл. приводит только к увеличению сопротивления дыханию, что
можно сделать гораздо проще за счет локального уменьшения сечения
дыхательного тракта в дыхательной трубки или выходных отверстий крышки
смесительной камеры.
Теперь вопрос к производителям дыхательных тренажеров, может я гденибудь не прав в своих рассуждениях, ведь я электрик по образованию
Продолжение следует.