Hãy thở vì sức khỏe của bạn!

Kvant 2020, số 4 tr. 35-37 Thẻ ENKR

Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →

TÙY CHỌN VẬT LÝ

A. MINEEV

BÀI VIẾT NÀY SẼ NÓI VỀ tác động của oxy và carbon dioxide đối với con người - riêng biệt và cùng nhau. Một số âm mưu thực sự đến từ việc xem xét vấn đề cả từ bên ngoài - từ không khí hít vào và từ bên trong - bên trong cơ thể. Hay khoa học hơn, cả từ phía hô hấp bên ngoài - sự trao đổi giữa khí quyển và các tế bào trong phổi, và hô hấp bên trong - các quá trình diễn ra trong tế bào và mô của cơ thể. Áp suất trung bình của khí quyển trái đất ở mực nước biển là khoảng $p_{атм} = 760$ mmHg. Nghệ thuật. Oxy chiếm 160 mmHg. Nghệ thuật. hoặc khoảng 21%. Oxy được cơ thể hấp thụ một phần, carbon dioxide được hình thành do các phản ứng oxy hóa hóa học. Thành phần của không khí hít vào và thở ra được thể hiện trong bảng.

Bảng 1. Thành phần không khí hít vào và thở ra

Tại sao những con số này lại thú vị? Cơ thể con người không sử dụng nitơ và argon (chúng trơ). Mức độ hấp thụ oxy thấp, khoảng 0,25. Sau khi hít vào, cơ thể sẽ thở ra phần lớn lượng oxy trở lại. Carbon dioxide thực tế không có trong không khí hít vào và được hình thành tích cực trong các phản ứng oxy hóa trong cơ thể. Tỷ lệ hấp thụ oxy của cơ thể (21% - 16% = 5%) hóa ra gần với tỷ lệ hình thành carbon dioxide (4%).

DOI: https://doi.org/10.4213/kvant20200405

Tính trơ của nitơ và argon trong quá trình trao đổi chất trong cơ thể đã dẫn đến sự cám dỗ từ bỏ chúng hoàn toàn trong điều kiện ở lâu trong một không gian hạn chế. Các phi hành gia người Mỹ đã đi theo con đường này trong chuyến bay vào vũ trụ đầu tiên của họ, chuyển sang thở oxy nguyên chất. Hơn nữa, áp suất trong trường hợp chỉ sử dụng $O_{2}$ thấp hơn đáng kể so với áp suất khí quyển và lên tới 260–280 mm Hg. Nghệ thuật. Tuy nhiên, khi thời gian của các chuyến bay vào vũ trụ tăng lên trong bầu không khí hoàn toàn chỉ có oxy như vậy, các phi hành gia bắt đầu gặp các vấn đề về đường hô hấp. Ngoài ra, bầu không khí hoàn toàn có oxy là nguy cơ hỏa hoạn. Các phi hành gia Nga ngay từ đầu đã sử dụng thành phần không khí gần giống với thành phần trên Trái đất, đòi hỏi một hệ thống tái tạo không khí phức tạp hơn. Hiện nay, khi bay trong không gian và chèo thuyền trên tàu ngầm, bầu khí quyển của trái đất được sử dụng.

Nhìn từ bên ngoài

Khoảng nồng độ oxy trong không khí thích hợp cho sự sống. Phạm vi hàm lượng oxy trong không khí $p_{O} 2$ , mà tại đó sự sống của con người có thể tồn tại trong một thời gian dài, được giới hạn ở các giá trị

$90 - 100$ mm Hg. Nghệ thuật. $< p_{O} 2 < 400 - 450$ mm Hg. Nghệ thuật.

Giới hạn dưới tương ứng với thời điểm bắt đầu thiếu oxy, giới hạn trên tương ứng với thời điểm bắt đầu ngộ độc oxy. Về mặt tỷ lệ phần trăm, tình trạng thiếu oxy bắt đầu ở một người khỏe mạnh đã xảy ra khi hàm lượng $O_{2}$ trong không khí $p_{O} 2 p_{атм}$ nhỏ hơn 14% (ở mức $p_{атм} = 760$ mm Hg). Những dữ liệu này tương ứng với phạm vi hoạt động của con người ở mực nước biển. Khi bạn lên núi, áp suất giảm, điều này được phản ánh rõ ràng qua các đường cong của áp suất khí quyển và áp suất riêng phần của oxy (Hình 1). Có thể thấy, bắt đầu từ độ cao 4,5–5 km, áp suất oxy trở xuống dưới giới hạn áp suất thấp hơn cho phép là 90 mm Hg. Nghệ thuật. Trong trường hợp này, áp suất không khí trong phế nang là 105–110 mm Hg. Art., cũng gần với giới hạn dưới. Khi áp suất oxy giảm đến mức

Một lực 8N có thể chia thành hai lực mỗi lực 5N không? Thế còn hai, mỗi cái 9H thì sao? 10. Một khối nằm trên một mặt phẳng nghiêng. Làm thế nào để tìm đồ họa điểm áp dụng phản lực mặt đất bình thường? 11. Một ô tô đóng cửa chuyển động dọc theo mặt phẳng nằm ngang với gia tốc không đổi a. Một quả bóng bay chứa đầy khí heli được buộc vào sàn xe bằng một sợi dây. Sợi dây sẽ đi về đâu? 12. Một vật được ném nghiêng một góc so với phương ngang. Lực hấp dẫn thay đổi như thế nào trong quá trình chuyển động của nó? Bỏ qua sức cản của không khí. 13. Bằng cách cộng các điện trường có cường độ $E_{1}$ và $E_{2}$ , thu được trường E. Năng lượng của trường E có bằng tổng năng lượng của trường $E_{1}$ và $E_{2}$ không? 14. Kim la bàn chỉ chiều cảm ứng từ của từ trường Trái đất có phải là vectơ không? 15. Gần Mátxcơva, thành phần thẳng đứng của cảm ứng từ của trường Trái đất $B_{в}$ xấp xỉ 93% tổng cảm ứng B. Thành phần nằm ngang $B_{г}$ là bao nhiêu phần trăm của tổng cảm ứng từ? 16. Một người đi với vận tốc v về phía một tấm gương, mặt phẳng ngang của gương chuyển động hướng lên trên với vận tốc u. Vận tốc ảnh của một người trong gương là bao nhiêu? 17. Làm thế nào một vệ tinh hình cầu, một nửa được phản chiếu và nửa còn lại được bao phủ bởi các ống nhiệt điện màu đen, sẽ tự định hướng so với Mặt trời như thế nào?

Kinh nghiệm vi mô

Cố gắng đá bóng ở trạng thái nghỉ càng mạnh càng tốt (tất nhiên là trong phòng tập thể dục hoặc sân vận động lớn). Tốc độ của chân đá v liên hệ như thế nào với tốc độ của quả bóng bay u? Bạn sẽ phải đưa ra những giả định gì cho ước tính này?

Dựa trên nguyên lý không đổi của động lượng (xung của cơ thể), nhà khoa học, theo một cách kỳ lạ đối với ông, coi tốc độ không phải là một vectơ mà là một đại lượng vô hướng, điều này đã trở thành lý do cho sự sai lầm của các quy tắc hình thành nên lý thuyết va chạm của Cartesian. …vào năm 1669, Huygens đã làm rõ rằng khi các vật tương tác, không phải số học mà là tổng hình học của các đại lượng chuyển động được bảo toàn, và ông đã rút ra định luật va chạm của các vật đàn hồi. …trong sách giáo khoa vật lý bằng tiếng Anh phân biệt hai khái niệm: vận tốc - tốc độ (đại lượng vectơ) và tốc độ - tốc độ chuyển động (đại lượng vô hướng). Thuật ngữ thứ hai tạo thành gốc của từ “đồng hồ tốc độ”. …nhà toán học và cơ khí người Ireland W. Hamilton đề xuất chia các đại lượng vật lý thành vô hướng và vectơ, đồng thời phát triển các quy tắc đặc biệt để tính toán với vectơ. Phép tính mới hóa ra lại phù hợp một cách đáng ngạc nhiên để xây dựng lý thuyết điện từ của Maxwell, và sau đó được phát triển bởi nhà vật lý người Mỹ J. Gibbs và nhà khoa học người Anh O. Heaviside. …lý thuyết về vectơ trượt, được sử dụng trong các bài toán cần tính đến không chỉ khối lượng mà còn cả kích thước của vật thể, được sử dụng rộng rãi trong tĩnh học, cơ học kết cấu, động học và động lực học của vật thể rắn. …các vectơ liên quan đến chuyển động quay, hướng của nó được xác định theo “quy tắc gimlet” nổi tiếng, là mômen lực, vận tốc góc và gia tốc. Và một vectơ khác - động lượng góc - đã “thâm nhập” từ cơ học vào lý thuyết về các hạt cơ bản, trở thành một trong những đặc tính quan trọng nhất của chúng, gọi là spin.

Những gì cần đọc trong «Kvant» về vectơ trong vật lý

(xuất bản những năm gần đây)

Thật thú vị rằng…

…vào cuối thế kỷ 16, kỹ sư và nhà toán học người Hà Lan Simon Stevin đã nhận ra bản chất vectơ của lực và đề xuất một cách biểu diễn lực bằng cách sử dụng các đường thẳng và một quy tắc cộng hình học của chúng. … vào đầu thế kỷ 17, Galileo, khi nghiên cứu hành vi của các vật thể được ném theo một góc so với đường chân trời, đã đưa ra một nguyên lý cơ bản - định luật cộng các chuyển vị. …trong chuyên luận “Các yếu tố của triết học” của Descartes xuất bản năm 1644 trong việc xây dựng nguyên tắc

“Hình học của vectơ trượt” – 2014, Phụ lục số 4, tr. 114; 2. “Trường và tuyến trường” – 2015, số 2, tr. 35; 3. “Tốc độ và khả năng tăng tốc” – 2016, Phụ lục số 4, tr.6; 4. “Làm sao để không là kẻ ngốc” – 2018, số 7, tr. 37; 5. “Mr.Great Cosine” – 2019, số 1, tr. 39; 6. “Tính tương đối của chuyển động trong các bài toán động học” – 2019, số 2, tr.43; 7. “Thuyết tương đối của chuyển động trong các bài toán động lực học” – 2019, số 4, tr. 40.

Tài liệu do A. Leonovich chuẩn bị

THUỘC VẬT CHẤT

Hình 3. Khoảng cách hẹp (“điểm nguy hiểm”). Để bơi qua khe hở phải tháo thiết bị lặn nên mỗi em được hai thợ lặn cứu

Những khó khăn khi bơi qua khe hở được thể hiện trên Hình 3. Lực lượng cứu hộ phải liên tục bơm nước ra khỏi hang. Vì vậy, trong đó có rất đông nhân viên cứu hộ, giúp bơm nước ra và chuẩn bị cho bọn trẻ rời đi. Trong tình huống này, tất cả các đặc điểm nêu trên về hoạt động của oxy và carbon dioxide trong một thể tích kín đều trở nên quan trọng. Để chống lại tình trạng giảm dần lượng oxy trong hang, việc cung cấp oxy được tổ chức bằng một đường ống đặc biệt. Người ta quyết định rằng sự tích tụ carbon dioxide trong hang động gây ra mối nguy hiểm lớn hơn đáng kể so với việc thiếu oxy. Bằng cách bơm oxy qua đường ống vào phần trên của hang động, carbon dioxide đã được dịch chuyển. Sự phân tầng của không khí thành các phần cũng đã được tính đến - $CO_{2}$ tích lũy ở phần dưới của hang động. Đó là lý do bọn trẻ và huấn luyện viên biến mất ở phần trên của nó. Việc tìm kiếm các chàng trai và công việc chuẩn bị mất gần hai tuần. Trong thời gian này, nhà phát minh và tổ chức nghiên cứu nổi tiếng Elon Musk (tàu vũ trụ, ô tô điện) đã chế tạo được một chiếc tàu ngầm thu nhỏ cho một người từ các phụ tùng thay thế cho tên lửa và chuyển nó đến Thái Lan. Nhưng do khoảng cách quá hẹp nên họ từ chối sử dụng. Càng ngày tình hình càng trở nên khó khăn hơn. Sự có mặt liên tục của những người tham gia bơm nước từ hang là cần thiết (nếu không hang sẽ hoàn toàn bị đóng băng).

KHÔNG BẮT BUỘC

chứa đầy nước) và lắp đặt đường ống cung cấp oxy. Hơn chục thợ lặn đã chuyển nước, thức ăn và bình oxy vào hang. Các bác sĩ và những người chuẩn bị cho hoạt động cứu hộ liên tục có mặt ở đó. Khi những người cứu hộ trưởng thành này thở, thành phần không khí thậm chí còn xấu đi nhanh hơn. Đã đến lúc, do khí carbon dioxide tích tụ nên không thể chờ đợi được nữa. Nhiều bình oxy được đặt dọc theo toàn bộ tuyến đường từ hang đến lối ra (mỗi bình được thiết kế chỉ để sử dụng trong một giờ). Một nghìn nhân viên cứu hộ bên ngoài, trong đó có một trăm thợ lặn, đã bắt đầu hoạt động. Trong ngày đầu tiên, 13 thợ lặn đã cứu được 4 thiếu niên. Vào ngày thứ hai, 18 thợ lặn (và 70 thợ lặn đi cùng) đã cứu được thêm 4 người nữa. Cuối cùng, đến ngày thứ ba, 4 em còn lại và huấn luyện viên cũng như 4 người còn lại trong hang đã được giải cứu. Làm tốt!

Một cái nhìn từ bên trong

Ở cấp độ tế bào cơ thể, thành phần của môi trường không khí hoàn toàn khác. Hàm lượng oxy trong các tế bào của cơ thể là khoảng 1–2% (ngoại trừ hồng cầu, có thể chứa tới 96–98% oxy), carbon dioxide trong tế bào là khoảng 6%. Nếu nồng độ $CO_{2}$ trong tế bào giảm đi thì ngày càng xuất hiện nhiều vấn đề về hô hấp. Hình 4 cho thấy sự phụ thuộc của thời gian đặc trưng mà một người (không phải người giữ kỷ lục) có thể nín thở, nhịp tim và mức độ

Hình 4. Sự phụ thuộc đặc trưng của thời gian nín thở (giây), nhịp tim (nhịp đập mỗi phút) và mức độ suy giảm nguồn cung cấp máu (phần trăm) vào nồng độ carbon dioxide trong máu

KVA NT 2020/№4

suy giảm nguồn cung cấp máu đến các cơ quan do nồng độ carbon dioxide. Kết luận chung là: khi nồng độ $CO_{2}$ giảm, thời gian nín thở giảm và nếu đạt tới mức 3%, các tế bào sẽ chết; nhịp tim tăng nhanh; việc cung cấp máu đến các cơ quan bị suy giảm. Do đó, nồng độ mong muốn của $CO_{2}$ trong tế bào phải là 6% hoặc thậm chí cao hơn một chút. Hàm lượng gần đúng của oxy và carbon dioxide trong các bộ phận khác nhau của cơ thể con người, được đưa ra trong Bảng 3, xác nhận những số liệu trên.

Bảng 3. Hàm lượng oxy và carbon dioxide

quấn chặt với một mạng lưới mao mạch (Hình 5). Thông qua các thành của phế nang (đường kính của chúng khoảng 0,3 mm, số lượng phế nang trong phổi của con người là khoảng một tỷ, và tổng bề mặt xấp xỉ $100 м^{2} )$ , quá trình trao đổi khí xảy ra: oxy đi vào máu và lượng carbon dioxide xấp xỉ từ máu đi vào phổi. Chính xác hơn, trung bình mỗi ngày, 500 lít oxy đi vào máu từ không khí phế nang và 430 lít carbon dioxide được thải ra từ máu vào Thông tin chi tiết về các đặc tính của phế nang được mô tả trong cuốn sách của K.Yu. Bogdanov “Một nhà vật lý đến thăm một nhà sinh vật học” (Thư viện «Kvant», số 49, 133).

Điều gì là chính đối với cơ thể: $O_{2}$ hoặc $CO_{2}$ ?

Trong phổi, oxy và carbon dioxide được trao đổi giữa phế nang và máu. Phế nang là những khối hình thành cuối cùng trong phổi trông giống như các túi khí

Hình 5. Hình ảnh phế nang vướng vào mao mạch. Trình bày cách oxy đi vào hồng cầu và cách carbon dioxide rời khỏi hồng cầu.

Hãy nhớ nghịch lý nổi tiếng: cái nào có trước - con gà hay quả trứng? Sẽ không thể giải quyết được nếu chúng ta không tính đến quá trình tiến hóa và hình thành loài mới. Nhưng nếu bạn thu hút thì quả trứng sẽ được ưu tiên hơn, nó già hơn. Vì vậy, khủng long cũng đẻ trứng và chim xuất thân từ một trong những nhánh của khủng long. Hóa ra quả trứng già hơn con chim và theo nghĩa tiến hóa này là chính… Trong trường hợp của chúng tôi, vấn đề lựa chọn - là vấn đề chính (nói cách khác, yếu tố kích hoạt các quá trình trong cơ thể con người): oxy hoặc carbon dioxide - được giải quyết như sau. Trước đây, oxy được coi là chính - xét cho cùng, nó là nguồn năng lượng chính, tạo động lực cho mọi quá trình trong cơ thể. Nhưng bây giờ con lắc lựa chọn đã chuyển sang carbon dioxide. Họ dần dần đi đến kết luận rằng cơ chế kích hoạt chính là sự tích tụ carbon dioxide trong cơ thể. Sự tích tụ $CO_{2}$ trong cơ thể trong quá trình phân hủy chất béo và protein trong tế bào sẽ đưa ra tín hiệu cho não rằng carbon dioxide cần được loại bỏ khỏi tế bào - nó “nằm” trên các tế bào hồng cầu và di chuyển đến các phế nang của phổi. $O_{2}$ “ngồi” trên những chiếc ghế trống trong “đoàn tàu” hồng cầu và lan ra khắp cơ thể. Do đó, quan điểm hiện đại về quá trình hô hấp như sau: đầu tiên, carbon dioxide được thở ra, sau đó hít vào oxy. Đồng thời, cùng với carbon dioxide, lượng oxy dư thừa sẽ được thở ra.

THUỘC VẬT CHẤT

Hô hấp cần cả hai loại khí, luân phiên nhau “đẩy” các tế bào hồng cầu. Trong trường hợp này, máu tĩnh mạch có màu đỏ sẫm do carbon dioxide và máu động mạch có màu đỏ tươi do oxy. Tỷ lệ trung bình giữa lượng carbon dioxide và oxy trong cơ thể của một người khỏe mạnh là khoảng 3:1 (6% $CO_{2}$ và 2% $O_{2} ).$ Tương tác giữa “bên ngoài” và “bên trong”. Vì vậy, carbon dioxide là cần thiết cho cuộc sống con người. Điều quan trọng là phải duy trì một mức độ nhất định $CO_{2}$ trong cơ thể. Và sự thiếu hụt và dư thừa của nó đều có hại. Tích lũy quá cao $CO_{2}$ có lẽ ở những nơi thông gió kém: với tỷ lệ lớn (hơn 0,08–0,1%), nồng độ của nó trong cơ thể cũng tăng lên (hậu quả của tình trạng này đã được thảo luận ở trên). Việc thiếu carbon dioxide trong máu (dưới 4%) cũng rất nguy hiểm (xem Hình 4). Sự thiếu hụt như vậy có thể xảy ra trong trường hợp nào? Một ví dụ điển hình là thở nhanh: quá nhiều $CO_{2}$ được thở ra và còn lại rất ít trong cơ thể. Khi thiếu carbon dioxide, oxy sẽ “gắn chặt” vào các tế bào hồng cầu. Và ngay cả khi có nhiều oxy trong máu, nó vẫn bị ràng buộc và không đi vào các mô của cơ thể tốt. Nếu bạn thở thường xuyên hơn trong tình huống như vậy, nó sẽ chỉ làm tình hình trở nên tồi tệ hơn. Phải làm gì? Vận động, thể dục dụng cụ, thể thao ngoài trời hoặc ở nơi thông thoáng - tất cả những điều này sẽ làm tăng nội dung $CO_{2}$ . Các mao mạch mở rộng và thậm chí các mạng lưới mao mạch mới được hình thành, lưu lượng máu tăng lên, oxy được tách ra khỏi huyết sắc tố tốt hơn và đi vào tế bào… Hãy đưa ra một ví dụ khác về tầm quan trọng của việc thở ít thường xuyên hơn. Khi chạy, người ở lại được khuyên nên nín thở càng lâu càng tốt, khi không còn đủ sức để “làn gió thứ hai” mở ra và họ có thể chạy xa hơn. Cung cấp sơ cứu. Thở bằng miệng. Khi sơ cứu người bị ngạt thở, một trong những phương pháp hữu hiệu là hô hấp nhân tạo bằng phương pháp miệng-miệng kết hợp với ép ngực. Người cứu hộ nên thở vào miệng nạn nhân bằng gạc hoặc khăn tay.

KHÔNG BẮT BUỘC

không khí với tần suất 12–15 lần mỗi phút. Nó dường như là vô nghĩa. Thật vậy, ở đầu bài viết, chúng tôi đã lặp lại nhiều lần thành phần của không khí hít vào (21% oxy và 0,4% carbon dioxide). Và sau đó hóa ra nạn nhân bị buộc phải tiếp nhận không khí “khi thở ra” (16% $O_{2}$ và 4% $CO_{2} ).$ Tuy nhiên, hóa ra trong không khí thở ra vẫn còn tồn dư oxy với nồng độ vượt quá mức tối thiểu cho phép (16% > > 13–14%). Và nồng độ cao hơn $CO_{2}$ hóa ra rất hữu ích trong việc kích thích trung tâm não gây ra phản xạ hô hấp, dẫn đến mở phế nang. Trong tình huống này, có một số điểm tương đồng với hành vi của người cứu khi ngừng tim: anh ta phải lật nạn nhân nằm ngửa và dùng mép bàn tay đánh vào ngực nạn nhân, điều này sẽ khiến tim bắt đầu ngừng đập. Vì vậy, vai trò của $CO_{2}$ trong việc ngừng thở hơi khác so với khi thở bình thường, thở ra. 1: 1.3. Ý nghĩa của các bài tập thở cơ bản là làm tăng mức độ carbon dioxide trong máu bằng cách trì hoãn, làm suy yếu, làm chậm hoặc làm phức tạp quá trình thở một cách giả tạo. Trong trường hợp này, việc tăng nồng độ $CO_{2}$ (lên đến một giới hạn nhất định, khoảng 8%) sẽ cải thiện khả năng hấp thụ oxy của cơ thể con người bằng cách nín thở sau khi hít vào hoặc sau khi thở ra, hoặc bằng cách thở ra kéo dài, hoặc sự kết hợp của chúng. Giai đoạn thở ra vượt quá đáng kể so với hít vào. Phương pháp hiện đại nhất quán là hệ thống Buteyko - thở nông với độ trễ nhằm mục đích giảm lượng oxy tiêu thụ và bão hòa cơ thể bằng carbon dioxide.