Энерготраты и дыхание

СЛАЙД 8. С энергетической точки зрения человеческий организм представляет собой химический реактор, который вырабатывает энергию, используя в качестве топлива пищевые продукты (горючее) и О₂ (окислитель). В живом организме реакции окисления состоят из значительного количества сложных биохимических процессов. В результате которых лишь часть выделенной энергии трансформируется в работу, совершаемую человеком (до 20% общих энерготрат), а остальная, большая часть, выделяется в форме теплоты (теплопродукции). Фактором, ограничивающим мощность при длительной работе, является скорость, с которой О₂ достигает работающих мышц. С достаточной для практических случаев точностью можно принять экспериментальную зависимость количества О₂ от дыхательного коэффициента:

                            (1)

       Из этого выражения (1), можно получить формулу для определения выделения СО₂ на единицу энергии в зависимости от дыхательного коэффициента:

                 (2)

       Для нормального протекания процессов дыхания необходимо, чтобы   внутри легких было не менее 100¸105 мм. рт. ст. и =40 мм. рт. ст. Если человек дышит воздухом на уровне моря, первое условие обеспечивается естественным образом, так как  в воздухе 159 мм. рт. ст. Второе условие выполняется за счет физиологического механизма, регулирующего интенсивность дыхания. Т.е. сумма  и  внутри легких в нормальном случае должна быть не менее 140 мм. рт. ст. Кроме того, внутри легких всегда присутствуют водяные пары. Парциальное давление которых при нормальной температуре легких (+37°С) равно давлению насыщенного пара составляет 47 мм. рт. ст. Таким образом, общее минимальное давление вдыхаемого газа (допустимое для длительного пребывания) составляет 187 мм. рт. ст. (25 кПа), если на дыхание подается чистый О₂.

       Чем меньше давление внутри снаряжения, тем меньше перепад давлений на оболочке и тем легче обеспечить подвижность человека в СК. В современных космических СК, например, приблизительно 30¸50% своих энерготрат космонавт расходует на деформацию СК. Поэтому при конструировании космических СК и высотного защитного снаряжения летчиков, стремление выбрать минимальное общее давление газа, которым наполняется снаряжение, является целесообразным.

       С понижением давления снижается  и  в легких, причем понижение   идет медленнее, чем в окружающей атмосфере. Это вызвано тем, что на понижение  человеческий организм реагирует увеличением легочной вентиляции.

Снижение  ниже 40 мм рт. ст., является вредным фактором, поэтому причиной расстройств и потери сознания на высоте бывает не только кислородное голодание (гипоксия), но и снижение концентрации СО₂ в крови (гипокапния).

Аналогичные явления имеют место, если барометрическое давление атмосферы остается постоянным, а снижается концентрация О₂.

Гиперкапния

       Если человек дышит воздухом, то для вымывания одного грамма выделяющегося в легкие СО₂ должно проходить приблизительно 11 литров воздуха. При росте  во вдыхаемом воздухе интенсивность дыхания (легочная вентиляция) возрастает. Реакция человека на снижение концентрации СО₂ в легких за счет увеличения легочной вентиляции вызывает головокружение и может привести к обмороку, так как для поддержания нормальной скорости и направленности биохимических процессов необходим определенный уровень насыщения тканей СО₂.

       В то же время повышение содержания СО₂ сверх физиологически приемлемого уровня вызывает отравление. Приемлемым уровнем  для длительного пребывания в атмосфере космических СК и другого индивидуального защитного снаряжения считается 9¸15 мм. рт. ст. Признаки отравления наступают уже при  во вдыхаемом воздухе свыше 25 мм. рт. ст.

Гипоксия

       Человеческий организм способен существовать и в условиях пониженного . В аварийных случаях можно допустить снижение общего давления до величин, при которых внутри легких (альвеолярное) было бы таким же, как в случае дыхания воздухом на высотах 3¸4,5 км. Несколько часов здоровый человек может безопасно находиться и на высоте 4,5 км. Но на высоте 8 км неакклиматизированный человек теряет сознание через несколько минут, а свыше 12 км через 10¸15 с. Давление 187 мм рт. ст. соответствует давлению атмосферы на высоте 10500 м.

       Если человек дышит чистым О₂, условия кислородного питания, такие же, как если бы он дышал воздухом на высоте 3 км, обеспечиваются при барометрическом давлении 19,5 кПа (147 мм рт. ст.), что соответствует давлению на высоте 12 км. Для повышения  в легких человека на больших высотах О₂ на дыхание подается под избыточным давлением.

       При отсутствии внешней компенсации максимально допустимое избыточное давление в легких, при котором еще сохраняется удовлетворительная работоспособность человека, не превышает 30 мм рт. ст. (4 кПа). Поэтому, если О₂ на дыхание подается под избыточным давлением, то имеется возможность на короткое время поднять "потолок" высотного полета до 14¸16 км.