El modelo de globo para la ventilación humana

Question

El modelo de globo se utiliza a menudo para mostrar cómo funciona la ventilación en los pulmones humanos. Se tira del diafragma, ampliando el volumen del recipiente, y el globo comienza a llenarse. Mi interpretación (que puede ser errónea) es la siguiente:

1. El aire en el recipiente está aislado del aire del exterior, por lo que cuando el volumen del recipiente aumenta, la presión del gas del recipiente disminuye de acuerdo con la ley de Boyle.
2. Se produce un desequilibrio de fuerzas entre el lado de la pared del globo que da al contenedor (es decir, a presión reducida) y el que está abierto a la atmósfera (es decir, a presión atmosférica). Esto empuja el globo hacia fuera, aumentando su volumen.
3. La expansión del globo hace que el volumen del recipiente disminuya, aumentando de nuevo la presión del mismo. Al mismo tiempo, la presión del gas dentro del globo disminuye a medida que el volumen del globo aumenta. Esto continúa hasta que las presiones de gas en ambos lados del globo son iguales.
4. La presión de equilibrio es inferior a la presión atmosférica, y pronto el aire atmosférico se precipita por un gradiente de presión hacia el interior del globo.

Estoy confundido en cuanto a lo que sucedería después de esto (si es que estos eventos ocurren; si mi análisis es erróneo, por favor díganlo y explíquense). ¿Aumenta la presión en el globo? ¿Aumenta su volumen? Estoy pensando en la ley de los gases ideales $PV=nRT$ y está claro que $RT$ es constante y $n$ está cambiando. Sin embargo, cuál es la variable dependiente: $P$ o $V$ ?

(Y aunque esta parte es probablemente más adecuada para el Bio SE, también me gustaría preguntar si este modelo de globo, a la luz de lo que escribí anteriormente, es una representación exacta del mecanismo de ventilación de los pulmones. No hay ninguna unión entre el globo y la pared del contenedor, sin embargo, en el cuerpo humano, los alvéolos están anidados en el tejido pulmonar, el tejido pulmonar está conectado a la cavidad torácica a través de las membranas pleurales, y la cavidad torácica está limitada por las costillas y el diafragma, cuyos músculos realizan el proceso de expansión del volumen).

Answer 1

La demostración del "globo en un frasco" sólo ilustra el principio de la ventilación pulmonar, pero realmente no debería aceptarse demasiado en el modelado de la dinámica de la respiración. En un pulmón real, el único espacio lleno de gas es el que se comunica con las vías superiores, y termina en el otro extremo con estructuras en forma de saco llamadas alvéolos. El espacio situado fuera de esta estructura ramificada de vías respiratorias que terminan en los alvéolos es el espacio pleural, que está lleno de líquido que se mantiene a una presión ligeramente inferior a la atmosférica. Esto mantiene el pulmón expandido incluso en condiciones de reposo. Sin esa presión negativa, la estructura ramificada se colapsaría hasta convertirse en bolas del tamaño de una nuez.

El espacio fuera del saco pleural que rodea los pulmones y dentro de los límites de la caja torácica y el diafragma por debajo también está lleno de líquido y tejidos. La acción inspiratoria, realizada principalmente por el diafragma y en parte por los músculos intercostales de la parte superior del tórax, puede reducir la presión hidráulica de estos fluidos, lo que reduce aún más la presión en el espacio pleural y hace que los alvéolos aumenten de tamaño. En conjunto, la expansión crea una diferencia de presión entre estos espacios internos y el espacio por encima de la tráquea. Y esta diferencia de presión es la que hace que el aire fluya hacia el pulmón.

Durante la espiración, los músculos se relajan y la expulsión de aire se vuelve mayoritariamente pasiva, durante la respiración tranquila. Los pulmones son muy elásticos, pero en lugar de replegarse bruscamente como lo hace el modelo del globo en una botella, se colapsan lentamente contra las fuerzas de viscosidad causadas por el deslizamiento de los tejidos entre sí. El pulmón es una estructura altamente viscoelástica.

Para obtener excelentes modelos matemáticos del pulmón que pueden proporcionarle una mayor comprensión sobre la demostración del globo en una botella, puede buscar en Google autores como Jason Bates y Ken Lutchen. También he escrito algunos artículos sobre el tema.

Answer 2

Creo que el experimento referenciado es interesante pero no es un modelo exacto de los pulmones. Pero en el ámbito "suficientemente cercano", lo que ocurre es que el movimiento del diafragma (y de la caja torácica) se produce cuando varios músculos actúan contra la presión del aire exterior. Una vez que hay un volumen adicional en el interior (y suponiendo que no colapso pulmonar El interior de los pulmones, unidos por tubos al aire exterior, se expande porque su presión interna es cercana a 1 atmósfera, mientras que la cavidad torácica (al retroceder el diafragma) está a una presión inferior. Los pulmones no están unidos a la estructura muscular, por lo que se produce la forma más común de colapso pulmonar: el aire entra en la cavidad entre el pulmón y la estructura, y al no haber un diferencial de presión, el pulmón no tiene forma de expandirse.

Prueba esto: exhala, cierra la nariz y la boca, e intenta expandir el pecho. No podrás, o no mucho. La cuestión es que tu cuerpo no puede mantener una gran diferencia de presión, por lo que la $PV=nRT$ El funcionamiento de la ecuación consiste en $\Delta n$ siguiente $\Delta V$ bastante cerca ( $P$ permaneciendo casi constante).