人体身上的物理问题

人体身上的物理问题

段增志

（河池学院 物理与电子工程系05A ， 广西 宜州 546300）

[摘 要]随着医学与物理学的发展，医学与物理学相交叉的知识越来越明显地被体现出来，这使得人体不只是生命科学的研究对象，也是物理科学的研究对象。人体身上有很多与物理有关的问题，本文通过讨论几个人体身上的物理问题，体现物理学与人体的密切联系。

[关键词]泊肃叶定律；伯努利方程；流速；流量；流阻；血压；分辨能力；弦的振动

我们人体自身是一台充分运用物理知识装备起来的机器，它的许多部位和器官都是物理知识运用的体现，人体身上的物理问题是一个长盛不衰的话题，人体身上有很多方面与物理学有密切联系。下面我们就来谈论几个人体身上的物理问题。

1 水对人体的物理作用

血液内含有大量的水份，而水的比热比较大，可以通过热传导吸收较多的热量而本身温度升高很少，即血液中的水份能够大量吸收体内产生的热量，使体温不至于因为产热而有较大的变动，这是血液中水份的缓冲作用。

人体内深部器官产生的热量几乎全靠血液运输到体表散发，在这个过程中血液中的水份运输了大部分热量，即血液中的水份起到了运输热量的作用。

汗液中含有大量的水份，通过汗液中水份的蒸发吸热可带走人体表面的热量。此外，尿液中的水分也带走了人体身上的一部分热量。

2 血液和血管中的物理

2.1 血管中的“欧姆定律”

当血液在血管中的流速较低时，血液呈现出层流的流

态。在一段长为l 的水平血管中，血管的半径0r 、血液流速

v 与各流层到血管的中心轴的距离r 有如下关系：

220()4p v r r l

η∆=- （1） （1）式中p ∆是长度为l 的血管两端的压强差，η是血液的黏 图1

度。[1]血液的黏度主要决定于血液中红细胞数，每立方毫米血液中红细胞数越多，则黏度

越大；此外，血液中胆固醇或蛋白纤维原浓度增高，也能使血液黏度增大。[2]

由（1）式可知：血液在血管中流动时，血管中心轴处的血液的流速最大，随着r 的增

大，血液流速逐渐减小，如图1所示。 单位时间内流过血管横切面的血液体积称为血液流量，用字母Q 表示。

408r Q p l

πη=∆ （2） （2）式称为泊肃叶定律。[1]血液平均流速[1]为：

4200220088r p r p Q v r l r l

ππηπη∆∆=== （3） 电学中的欧姆定律为U I R

∆= （其中I 为电流、U ∆ 为电压、R 为电阻），（2）式可以写成与电学中欧姆定律类似的形式，即 p Q R ∆=

（4） (4)式中

40

8l R r ηπ= （5） R 称为血液的流阻。把（4）式称为血管中的欧姆定律。由（5）式可知，一段血管的血液流阻的大小与血液的黏度成正比，与血管的长度成正比，而与血管半径的4次方成反比。血液黏度越大，血液流阻越大；血管半径越大，血液流阻越小。反之，血液黏度越小，血液流阻越小；血管半径越小，血液流阻越大。

把（4）式推广非水平的血管中则为：

p g h Q R

ρ∆+∆= （6） 其中，h ∆是血管两端的高度差。[1]

2.2 血管变窄的后果

血管变窄后，假设其它因数不变，则血液流阻增大，血液流速减小，血液流量减小。

血液能携带机体所需的各种物质并把它们运送到全身各部分的组织细胞，组织细胞的代谢产物也要由血液携带运送到人体相应部位而排出体外。当血液流量减小后，人体所需的各

种物质运送到全身各部分的组织细胞的速度变慢，使人体不能及时得到所需的各种物质。当血液流量减小后，血液携带代谢产物的速度变慢，使代谢产物不能及时地排出体外。

血液流量变小，血液运送体内深部器官产生的热量的速度变慢，使体内深部器官产生的热量得不到及时地散发，导致人体的体温升高。

2.3 血液黏度对人体的影响

黏性流体的流动状态分为层流和湍流，当流速增大到临界值时，层流就突变为湍流。英国的雷诺在1883年首先确定流体流动的性质由一个无量纲的数值——雷诺数的大小来确定，在血管中雷诺数[3]为：

e vd

R

ρ

η

=（7）

（7）式中ρ为血液密度，v为血液流速，d为血管直径，η为血液黏度。当

e

R较小时，血液运动的黏性力较大，此时血液的粘性力足以削弱和消除引起血液发生杂乱运动的扰

动，血液流动保持层次分明，呈现出层流流态。当

e

R较大时，血液的粘性力不足以削弱和消除引起血液发生杂乱运动的扰动，因而血液的流动是杂乱无章的，呈现出湍流流态。

当人体贫血时，血液中的红细胞数减少，血液黏度变小，假设其它因素不变，则

e

R变

大，当

e

R大于其临界值时，血液就会呈现湍流流态，湍流时能量损耗大，会加重心脏的负担。

人体被烧伤后，血浆流失，使每立方毫米血液中的红细胞数增多，血液黏度增大。假设其它因数不变，则血液流速减慢，血流量减小，导致人体内深部器官产生的热量得不到及时的散发以及人体新陈代谢变慢。

2.4 血液能量的变化

动脉壁内含有丰富的弹力纤维，动脉在力的作用下可发生弹性扩张，在左心室收缩期，血液从左心室向动脉内喷射，受到小动脉阻力的作用，所以射入动脉的血液不能及时通过小动脉，不少血液停留在动脉中，充满和压迫动脉血管壁，使动脉扩张。在这个过程中血液的动能转化为血管壁的弹性势能。

左心室舒张时，由于射血停止，膨胀了的动脉产生弹性回缩，其压力继续推动血液向前流动。在这个过程中血管壁的弹性势能转化为血液流动的动能。

3 伯努利方程与收缩压、舒张压的关系