Кровь – неньютоновская жидкость

То, что кровь является неньютоновской жидкостью, обусловлено в наибольшей степени тем, что она обладает внутренней структурой, представляя собой суспензию форменных элементов в растворе – плазме. Плазма – практически ньютоновская жидкость. Поскольку 93% форменных элементов составляют эритроциты, то при упрощенном рассмотрении кровь – это суспензия эритроцитов в физиологическом растворе. Характерным свойством эритроцитов является тенденция к образованию агрегатов. Если нанести мазок крови на предметный столик микроскопа, то можно видеть, как эритроциты «склеиваются» друг с другом, образуя агрегаты, получившие название «монетных столбиков». Условия образования агрегатов различны в крупных и мелких сосудах. Это связано в первую очередь с соотношением размеров сосуда, агрегата и эритроцита (характерные размеры: d _эр» 8 мкм, d _агр» 10 · d _эр» 80 мкм).

Здесь возможны варианты (рис. 2).

1. Крупные сосуды (аорта, артерии): d_сос > d_агр, d_сос >> d_эр. При этом градиент скорости небольшой, эритроциты собираются в агрегаты в виде монетных столбиков (рис.2а). В этом случае вязкость крови h = 0,005 Па×с.

 

Рис.2а

2. Мелкие сосуды (мелкие артерии, артериолы): d_сос» d_агр, d_сос = (5 ¸ 20) d_эр. В них градиент значительно увеличивается и агрегаты распадаются на отдельные эритроциты (рис. 2б), тем самым уменьшая вязкость системы. Для этих сосудов, чем меньше диаметр просвета, тем меньше вязкость крови. В сосудах диаметром d_сос» 5 d_эр вязкость крови составляет примерно 2/3 вязкости крови в крупных сосудах.

 

 

Рис.2б

3. Микрососуды (капилляры): d_сос < d_эр. В живом сосуде эритроциты легко деформируются, становясь похожими на купол (рис.2в), и проходят, не разрушаясь, через капилляры даже диаметром 3 мкм. В результате поверхность соприкосновения эритроцитов со стенкой капилляра увеличивается по сравнению с недеформированным эритроцитом, способствуя обменным процессам.

 

Рис.2в

Таким образом, внутренняя структура крови, а, следовательно, и ее вязкость, оказывается неодинаковой вдоль кровеносного русла в зависимости от условий течения. Кровь является неньютоновской жидкостью. Зависимость силы вязкости от градиента скорости для течения крови по сосудам не подчиняется формуле Ньютона и является нелинейной.

Вязкость крови возрастает как с ростом числа эритроцитов, так и с увеличением их объема, например, когда в крови повышается содержание СО₂ (явление Гамбургера). Отсюда понятно, что венозная кровь менее текуча, чем артериальная.

Изменение вязкости крови – одна из причин изменения скорости оседания эритроцитов (СОЭ).

Вязкость крови человека обычно колеблется от 4 до 5 мПа×с, а при патологии может изменяться от 1,7 до 22,9 мПа×с. Вязкость крови имеет диагностическое значение. При некоторых инфекционных заболеваниях вязкость крови увеличивается, а при туберкулезе, например, уменьшается.

Для сравнения в таблице 1 приведены коэффициенты вязкости некоторых жидкостей, здесь же указана температура, при которой измерялась вязкость, так как температура оказывает весьма значительное влияние на вязкость.

 

Таблица 1. Коэффициенты вязкости некоторых жидкостей

Жидкость	Температура, °С	Коэффициент вязкости h, 10-3 Па×с
Вода		1,8
		1,0
		0,3
Кровь		» 4
Плазма крови		» 1,5
Глицерин
Этиловый спирт		1,2

 

Режимы течения крови

Режимы течения жидкости разделяют на ламинарное и турбулентное. Ламинарное течение – это упорядоченное течение жидкости, при котором она перемещается как бы слоями, параллельными направлению течения. Частицы жидкости движутся по гладким параллельным траекториям.

С увеличением скорости движения ламинарное течение переходит в турбулентное течение, при котором происходит интенсивное перемешивание между слоями жидкости, в потоке возникают многочисленные вихри различных размеров. Частицы совершают хаотические движения по сложным траекториям. Для турбулентного движения характерно чрезвычайно нерегулярное, беспорядочное изменение скорости со временем в каждой точке потока.

Режим течения жидкости характеризуется числом Рейнольдса Re. Для течения жидкости по круглой трубе:

, (2)

где R - радиус трубы, v - скорость течения, r - плотность жидкости, h - коэффициент вязкости. Когда значение Re меньше критического Re _кр » 2300, течение жидкости является ламинарным, если Re > Re _кр, то течение становится турбулентным.