ГИДРОДИНАМИКА

ГИДРОДИНАМИКА — раздел гидромеханики, изучающий закономерности движения жидкостей и их взаимодействия с твердыми телами, а также движения газов при условии, что скорость этого движения значительно меньше скорости звука в этом газе (при скоростях движения, равных или превышающих скорость звука, начинает сказываться сжимаемость газов, и методы Г. уже неприменимы) .

В медицине и биологии методы Г. используются при решении задач, связанных с течением крови, лимфы и других жидкостей в организме, с изучением особенностей течения газа в системе органов дыхания и т. д. Закономерности Г. учитываются при исследовании микропотоков, возникающих в клетках при действии на них ультразвуком, при изучении распространения механических колебаний от барабанной перепонки к кортиеву органу, при взаимодействии целостного организма с набегающим потоком газа или жидкости и т. д.

Г. делится на теоретическую и экспериментальную. При решении какой-либо задачи в Г. применяют основные законы и методы механики. Основные уравнения теоретической Г. получают, описывая либо достижение отдельной частицы жидкости, рассматриваемой как совокупность материальных частиц, заполняющих весь объем, либо движение частиц жидкости через данную точку пространства. Решение общих уравнений Г. может быть доведено до конца в некоторых частных случаях, поэтому стремятся максимально упростить задачи. Напр., в некоторых случаях можно с достаточной точностью описать реально наблюдаемые течения жидкостей, не учитывая их вязкость. В случае движения вязких жидкостей часто можно пренебречь ускорением и т. д. Известно, что характер течения вязкой жидкости определяется так наз. числом Рейнольдса, представляющим собой отношение произведения плотности жидкости, скорости ее течения и диаметра сосуда, по к-рому она течет, к вязкости жидкости. При малых значениях этого числа отдельные слои жидкости не перемешиваются и имеет место так наз. слоистое, или ламинарное, течение. При увеличении числа Рейнольдса ламинарное течение сменяется турбулентным, при к-ром происходит хаотическое перемешивание слоев движущейся жидкости. Для большинства однородных жидкостей критическое число Рейнольдса (при к-ром наблюдается смена режимов течения жидкости) составляет 1000.

Экспериментальная Г. основывается на моделировании, в основе к-рого лежит либо воссоздание потока жидкости и движения граничащих с ней твердых тел в измененном масштабе, либо замена процесса движения жидкости другими физ. процессами, удобными для воспроизведения.

Первый существенный шаг в изучении законов движения в жидкостях или газах был сделан Леонардо да Винчи, открывшим существование сопротивления среды. Теоретическое обоснование закона сопротивления среды принадлежит Ньютону (I. Newton, 1642—1727), показавшему, что существует сопротивление, связанное с трением среды о поверхности движущегося тела.

Законы движения так наз. идеальных жидкостей (жидкостей, вязкостью и сжимаемостью которых можно пренебречь) обосновали Эйлер (L. Euler, 1707—1783) и Д. Бернулли. Дальнейшее развитие Г. получила в работах Лагранжа (J. L. Lagrange, 1736—1813), Кирхгофа (G. R. Kirchhoff, 1824—1887), Г. Гельмгольца.

Существенным вкладом в Г. биол, жидкостей явились работы И. С. Громеки (1851 —1889), который теоретически исследовал течение вязкой жидкости в тонких трубках с твердыми и упругими стенками, а также H. Е. Жуковского (1847— 1921), С. А. Чаплыгина (1869— 1942) и др. Успехи Г. связаны с переходом к изучению вязких жидкостей, с учетом процессов, протекающих в пограничном слое. Методами Г. решают разнообразные задачи авиации, артиллерийской и ракетной техники, кораблестроения, технологии хим. машиностроения, а также проблемы, связанные со строительством газопроводов, трубопроводов, плотин, дамб и других сооружений.

Комплексными методами Г. и математической биологии исследуются проблемы, связанные с изменением гидродинамических параметров кровеносной и дыхательной систем при различных патол, нарушениях; методами Г. и физ. химии исследуются механизмы массообмена в капиллярах; методами Г. и фармакол, химии изучается возможность направленного воздействия на гидродинамические параметры биол, жидкостей.

Наибольшие успехи были достигнуты в Г. кровообращения, совершенствовании методов исследования и направленного изменения процессов, лежащих в основе кровообращения (см.), разработке новых методов диагностики, лечения и профилактики некоторых заболеваний, исследовании путей распространения лекарственных средств в организме, создании искусственных органов и устройств, действующих по тем же принципам, что и элементы. живого организма (см. Бионика).

В Г. кровообращения изучают процессы течения, регулирования тепло- и массообмена в системе кровообращения; физ. свойства крови, стенок сосудов и прилегающих тканей; гидродинамические явления в отдельных элементах системы кровообращения; турбулентность, кавитационные явления при течении крови, механику образования и движения тромбов; процессы в системах искусственного кровообращения, в аппаратах типа «искусственная почка» и в различных имплантируемых устройствах.

Одной из важнейших задач Г. является изучение закономерностей работы сердца, к-рое схематически может быть представлено в виде насоса с четырьмя камерами, соединенными попарно, и выполняющего свою работу благодаря ритмическим сокращениям сердечной мышцы.

Важное место в практической Г. занимает конструирование устройств для временной замены органов дыхания, кровообращения и др. Разработка таких приборов требует знания количественных характеристик кровеносной системы в норме и при патологии.

Наряду с традиционными методами измерения давления и скорости кровотока (термоанемометрическим, диафрагмальным и др.) находят применение современные пузырьковые, ультразвуковые, магнитогидродинамические и электродинамические методы, а также методы, основанные на явлении ядерного магнитного резонанса, и др.

Несмотря на значительные успехи Г. в области биологии и медицины, многие вопросы еще не решены окончательно. Спорными, напр., остаются вопросы о возможности турбулизации в потоке крови, о концентрировании форменных элементов в центре потока крови и т. д.

Особые трудности представляют гидродинамические исследования малых кровеносных сосудов (артериолы, капилляры, венулы) — прямое измерение давления и скорости движения крови, а тем более параметров, характеризующих массообмен с окружающими тканями (диффузии газов и фильтрации жидкости через стенки сосудов). Поэтому для изучения физиол. процессов необходимо развитие теоретических представлений, которые можно было бы сопоставить с экспериментальными данными о потоке крови, гидравлическом сопротивлении, потреблении кислорода и т. д.

В СССР научные исследования по Г. проводятся в Центральном аэрогидро динамическом ин-те, МГУ, ЛГУ и других вузах и отраслевых НИИ. За рубежом работы по Г. ведутся в США, Англии, Франции, ФРГ, Италии, Швеции, Японии и др.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований в области Г. публикуются в многочисленных периодических изданиях: «Известия АН СССР (серия Математика, Физика)», «Journal of Applied Mechanics», «J. Physics of Fluids», «Journal of Fluid Mechanics», «Comptes rendus hebdomadaires des seances de l’Academie des Sciences», «Zeitschrift fur Flugwissenschaften» и т. д. Мед. и общебиол. проблемы Г. освещаются в журналах «Biorheology» и «Circulating Research».

См. также Гемодинамика.

Библиография: Гидродинамика кровобращения, пер. с англ., под ред. С. А. Регирера, М., 1971, библиогр.; Кровоснабжение жизненно важных органов, под ред. Л. А. Тарасова, Барнаул, 1974; Павловский Ю. Н., Регирер С. А. и С к о-б e л e в а И. М. Гидродинамика крови, в кн.: Гидромеханика, Итоги науки, 1968, с.9, М., 1970; Blood flow measurement, ed.by

G. Roberts, L., 1972.

B. Б. Акопян.