Сопротивление дыханию

Незначительное сопротивление дыханию при применении противогаза не оказывает отрицательного физиологического действия: оно вызывает замедление ритма  и увеличение глубины дыхания. Увеличение сопротивления И длительное преодоление сопротивления дыханию вызывает утомление дыхательных мышц, которое особенно заметно на мышцах, обеспечивающих выдыхание, поскольку при нормальном дыхании эти мышцы вообще мало активны.

При значительном сопротивлении легкие не успевают засасывать и выдыхать достаточное количество воздуха, чтобы обеспечить нормальный газообмен, в частности, достаточное удаление углекислого газа. Накопление в крови углекислого газа вызывает усиленное раздражение дыхательного центра, который реагирует на раздражение ускорением дыхания. Из-за этого, с одной стороны, и из-за сопротивления, которое стремится, наоборот, замедлить дыхание, — с другой, оно становится поверхностным, в результате чего наступает дальнейшее ухудшение вентиляции легких и усиление раздражения дыхательного центра.

Автоматическое регулирование ритма дыхания происходит благодаря блуждающему нерву, разветвления которого — эфферентные или чувствительные волокна — раздражаются при расширении грудной клетки и передают дыхательному центру импульс, прекращающий вдох и вызывающий расслабление мышц. Усиленное раздражение дыхательного центра вызывает быстрое ого утомление, вследствие чего даже слабые начальные импульсы со стороны блуждающего нерва вызывают реакцию дыхательного центра, и акт вдоха, не доведенный до конца, сменяется актом выдоха. Если человеку при этом приходится выполнять мускульную работу, требующую усиленной вентиляции легких, то отрицательное влияние сопротивления усиливается и может повлечь за собой явления аноксемии и асфиксии.

Сопротивление дыханию на выдохе переносится труднее, чем сопротивление на вдохе. При продолжительной работе (3—4 часа),соответствующей потреблению кислорода до 2 л/мину максимальным сопротивлением на выдохе, измеряемым в момент наибольшей скорости движения воздуха, которое не вызывает еще расстройства дыхания, является сопротивление в 60—80 мм вод. ст. на скоростных пиках. Сопротивление в 80—100 мм при тех же условиях уже нежелательно, хотя и допустимо, если это сопротивление включается не постоянно, а периодически, т. е. если периоды работы чередуются с периодами отдыха. Сопротивление свыше 200 мм вод. ст. уже переносится с большим трудом даже в течение нескольких минут. Одним из движущих факторов в развитии респираторостроения является стремление возможно больше снизить сопротивление системы противогаза дыханию.

Сопротивление противогазов часто определяется путем пропускания через них потока воздуха с постоянной скоростью, соответствующей средней объемной скорости вентиляции легких. Получаемые при этом величины сопротивления значительно меньше величин избыточного давления и разрежения, получающихся в действительности во время дыхания в противогазе. Это происходит по следующим причинам: количество воздуха, которое проходит через легкие в единицу времени, попеременно то вдыхается, то выдыхается, вследствие чего объемная скорость воздуха, протекающего через дыхательные пути, увеличивается вдвое; вдохи и выдохи протекают не с равномерной скоростью, а с возрастающей и затухающей скоростями, благодаря чему и сопротивление на скоростных пиках вдоха достигает максимумов, значительно превосходящих средние величины; фаза вдоха отделяется от фазы выдоха небольшой паузой, что также увеличивает моментные скорости движения воздуха в дыхательных путях.

На рис. 51 показаи график изменения сопротивления противогаза дыханию при объеме вентиляции 50 л/мин. Сплошной кривой показано изменение моментной скорости вдоха (в л/сек), штриховой — соответствующие: изменения сопротивления (в мм вод. ст.), штриховая прямая изображает постоянную среднюю скорость воздуха 0,8 л/сек, соответствующую легочной вентиляции 50 л/мин, а пунктирная прямая — сопротивление противогаза при испытании на постоянном потоке. Ввиду того что при вентиляции 50 л/мин пауза между фазами вдоха и выдоха весьма мала, она на графике не показана. Рис. 51. График сопротивления противогаза в зависимости от режима и скорости  воздушного потока

Из графика видно, что скорость движения воздуха зависит от длительности фазы дыхания; поскольку длительность вдоха (нижняя половина графика) меньше длительности выдоха, скорость воздуха на вдохе больше.

Зависимость сопротивления движению воздуха по круглым воздуховодам (суммарное сопротивление трения и местных сопротивлений) от скорости может быть выражена формулой:

                          (56)

где Н—сопротивление в мм вод. ст.(или кг/м2); β — коэффициент сопротивления, зависящий от числа Реннольдса, т. е. от отношения произведения скорости воздуха на диаметр воздуховода к кинематической вязкости воздуха и от эмпирической константы, определяемой для каждого типа воздуховода и местных сопротивлений; γ — удельный вес воздуха, кг/м3; g — ускорение силы тяжести, 9,81 м/сек2; l — длина воздуховода, м; Р и S — соответственно его периметр и сечение, м и м2; υ — линейная скорость течения воздуха, м/сек.

Поскольку P/S=4/d

                      (57)

Вводя  понятие удельного сопротивления h=2βγ/g, получаем для случая турбулентного (вихревого) движения воздуха через воздухопроводы противогаза

                    (58)

Исследование сопротивления фильтрующих коробок, снаряженных твердыми дроблеными или гранулированными поглотителями, показало, что оно с достаточным приближением может быть подсчитано по формуле, характеризующей ламинарное (слоистое) течение воздуха в малых каналах между зернами фильтрующей среды:

               (59)

где υ₁ — удельная объемная скорость воздуха в л/мин·см2, которая легко может быть приведена, для сравнимости с предыдущей формулой, к линейной скорости, м/сек; d₁ — диаметр зерен поглотителя, который может быть выражен через диаметр воздуховодов между зернами. На практике, в последнем случае l и d₁ выражают в см, υ₁ — в л/мин·см2.

Таким образом, поскольку сопротивление противогаза складывается из  сопротивления его воздуховодов, местных сопротивлений и сопротивления регенеративного или фильтрующего патрона, суммарное сопротивление должно быть:

H = xυⁿ,            (60)

где x — коэффициент пропорциональности, учитывающий как коэффициент сопротивления, так и значения для различных частей противогаза, а ⁿ — для противогазов различных конструкций может принимать значение от 2 (для шлангового респиратора) до значений близких к 1 (для фильтрующих самоспасателей без соединительного шланга). Для изображенного на графике случая дыхания в изолирующем противогазе со сжатым кислородом n близко к 1,7 и x= 25 мм, вод. ст., при выражении υ в л/сек.