Действие системы терморегуляции проявляется в управлении механизмами теплопередачи на макроуровне органов и частей тела, микроуровне кровеносных сосудов и клеток окружающей их ткани, наноуровне мембран нервных окончаний терморецепторов и молекул белков.
Наиболее развиты модели, описывающие процессы на макро- и микроуровнях [1, 2]. Наноуровень рассматривается в локальных моделях, например, перемещения крови через капилляры [2, 3], сердечной деятельности [2, 4]. Глобальная модель терморегуляции человека ещё не создана. Построение такой модели связано с решением фундаментальных проблем нейрофизиологии, биомеханики и биоинформатики. Практическими приложениями могут быть объёмная медицинская термография, нанотехнологии управления нервной системой и кровообращением, нейро и рецепторное протезирование, нанотехнологии материалов, поддерживающих энергетический баланс с кожей и внутренними органами человека, и др.
Цель работы - промоделировать влияние резкого изменения температуры окружающей среды на тепловое поле человека.
Упрощённая макроскопическая модель теплового баланса включает 2 области: ядро, являющееся источником теплопродукции, и оболочку, контактирующую с окружающей средой. Пусть температура окружающей среды изменяется скачком от Tc1 до Tc2 на границе L. Тело пересекает границу L так, что часть 1 оболочки находится при температуре Tc1, а часть 2 - при температуре Tc2. Часть 2 обменивается теплом с ядром, частью 1 и внешней средой, а часть 1 с частью 2 и внешней средой. Тогда система уравнений теплового баланса имеет вид:
(1)
где ся, соб - теплоемкости; mя, mоб - массы; Tя, Tоб - температуры; Mя, Mоб - теплопродукции внутренних источников для ядра и оболочки, соответственно; Qд - тепловой поток в окружающую среду через органы дыхания; Qоб2 - тепловой поток от ядра к части 2; Qоб1 - тепловой поток от части 2 к части 1; Qвоб - тепловой поток от оболочки в окружающую среду (испарение, излучение, конвекция); t - время.
Величины mя, mоб1, mоб2, Mя, Mоб1, Mоб2 являются функциями температуры соответствующей области, потоки тепла через границы зависят от температур и характеристик контактирующих областей. Функциональные зависимости всех параметров системы (1) приведены в работе [5]. Эти зависимости построены на основе статистической обработки экспериментальных данных и законов теплообмена. Они включают реакцию организма на изменение условий окружающей среды, например, уменьшение размера ядра при температуре ниже критической.
Найдём изменение температур ядра и оболочки при резком изменении условий окружающей среды, решая систему уравнений (1) численно. Часть 1 оболочки занимает 10% площади поверхности тела. В исходном состоянии среда однородна, Tc1=Tc2=31 °C, относительная влажность воздуха φc=50 %, скорость движения воздуха υc=0.3 м/с, барометрическое давление pб=1.013 бар, мощность, развиваемая человеком при выполнении механической работы, Wт=0 (состояние покоя). Рассчитанные значения равновесной температуры Tоб1=32,788 °C, Tоб2=34,607 °С, Tяд=37,347 °С.
Изменим скачком окружающие условия: часть 1 находится в воде с Tc1=19,2 °C, а часть 2 в воздухе с Tc2=31 °C. Динамика изменения температуры тела показана на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость температуры части 1 (а), части 2 (б) оболочки и ядра (в) от времени
Температура ядра изменяется в достаточно узкой области, что отражает тенденцию к изотермии, присущую внутренним органам и головному мозгу. Температура части тела, находящейся в воде, резко уменьшается за первые 5 минут. Температура части тела, контактирующей с воздухом, за это время изменяется мало. Последнее обстоятельство подтверждается тепловизионным исследованием температуры поверхности тела, выполненным при тех же параметрах окружающей среды, что и расчёт.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Ермакова И.И. Математическое моделирование процессов терморегуляции у человека. Итоги науки и техники. ВИНИТИ, Физиология человека и животных, 1987, Т. 33. 136 с.
- Бегун П.И., Шукейло Ю.А. Биомеханика. СПб.: Политехника, 2000. 463с.
- Парашин В.Б., Иткин Г.П. Биомеханика кровообращения. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 224 с.
- Селищев С.В. Интеграция макро-, микро- и нанотехнологий миокарда // Нанотехнологии в электронике / Под ред. Ю.А. Чаплыгина. М.: Техносфера, 2005. С. 422-443.
- Голиков В.А., Бурденко А.Ф., Цюпко Ю.М. Математическое моделирование процессов теплообмена организма человека с окружающей средой // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. 2003. №9 С. 104-115.
Библиографическая ссылка
Богатов Н.М., Григорьян Л.Р., Лыжко Е.В. МАКРОСИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛЯЦИИ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА // Современные наукоемкие технологии. – 2008. – № 2. – С. 110-111;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=23185 (дата обращения: 21.11.2024).