فشار هوا در تنفس: موتور نامرئی دم و بازدم
فشار هوا چیست و چگونه کار میکند؟
هوا، مانند آب، مادهای است که وزن دارد و به همهٔ سطوح اطراف ما نیرو وارد میکند. به این نیرو در واحد سطح، فشار هوا1 میگویند. یک مثال ساده: وقتی با نی نوشابه مینوشید، با کشیدن هوا از داخل نی، فشار در دهانهٔ نی کمتر از فشار هوای بیرون میشود. در نتیجه، فشار هوای بیشتر بیرون، نوشابه را به داخل نی و به سمت دهان شما میراند. در تنفس نیز دقیقاً همین اصل فیزیکی حاکم است.
هوا همیشه از ناحیهای با فشار بیشتر به سمت ناحیهای با فشار کمتر حرکت میکند تا تعادل برقرار شود. این قانون طلایی حرکت هواست.
اعضای اصلی سیستم تنفسی
برای درک بهتر، ابتدا با بازیگران اصلی این فرآیند آشنا شویم:
| عضو | وظیفه | تشبیه |
|---|---|---|
| بینی و نای | ورودی و لولهٔ اصلی انتقال هوا | درگاه ورود و لولهٔ کشی اصلی ساختمان |
| ششها (ریهها) | کیسههای کشسانی که تبادل گازها در آنها انجام میشود | دو بادکنک اسفنجی و انعطافپذیر |
| دیافراگم2 | مهمترین عضلهٔ تنفسی، کف قفسهٔ سینه | یک پیستون یا کفۀ متحرک |
| عضلات بین دندهای | عضلات بین دندهها که به باز و بسته شدن قفسهٔ سینه کمک میکنند | طنابهایی که قفس را گشاد و تنگ میکنند |
مراحل تنفس: از دم تا بازدم
حالا ببینیم این اعضا چگونه با تغییر فشار، هوا را جابهجا میکنند.
۱. مرحلهٔ دم (فشار منفی در ششها)
وقتی تصمیم میگیرید نفس بکشید، مغز به عضلات تنفسی فرمان میدهد. دیافراگم منقبض شده و به سمت پایین حرکت میکند (مانند فشردن سرنگ به پایین). همزمان، عضلات بین دندهای خارجی منقبض شده و قفسهٔ سینه را به سمت بالا و بیرون میکشند. نتیجه این کارها:
- حجم فضای درون قفسهٔ سینه (و ششها) زیاد میشود.
- با افزایش حجم، ذرات هوا درون ششها از هم دورتر میشوند.
- فشار درون ششها (فشار درون ریوی) از فشار هوای بیرون (فشار اتمسفر) کمتر میشود.
برای نشان دادن این رابطه از فرمول سادهای استفاده میکنیم: وقتی حجم زیاد شود، فشار کاهش مییابد (به شرط ثابت بودن دما).
حالا یک تفاوت فشار ایجاد شده است: فشار بیرون > فشار درون ششها. در نتیجه، هوای بیرون (که فشار بیشتری دارد) از طریق بینی و نای به سرعت به داخل ششها (ناحیهٔ کمفشار) رانده میشود. این همان دم است.
۲. مرحلهٔ بازدم (فشار مثبت در ششها)
پس از تبادل گازها (گرفتن اکسیژن و دفع دیاکسید کربن)، نوبت به خروج هوا میرسد. در یک بازدم معمولی و آرام:
- دیافراگم شل شده و به حالت گنبدی شکل اولیهٔ خود برمیگردد (مانند رها کردن سرنگ).
- عضلات بین دندهای شل میشوند و قفسهٔ سینه به حالت اول برمیگردد.
- خاصیت کشسانی طبیعی ششها (مانند یک بادکنک رها شده) باعث میشود آنها جمع شوند.
نتیجه این کارها:
- حجم فضای درون قفسهٔ سینه و ششها کم میشود.
- ذرات هوا درون ششها به هم فشرده میشوند.
- فشار درون ششها از فشار هوای بیرون بیشتر میشود.
حالا تفاوت فشار برعکس شده است: فشار درون ششها > فشار بیرون. بنابراین، هوا از داخل ششها (ناحیهٔ پرفشار) به سمت بیرون (ناحیهٔ کمفشارتر) رانده میشود. این همان بازدم است. در بازدم شدید (مثل فوت کردن شمع)، عضلات شکمی نیز برای فشرده کردن بیشتر قفسهٔ سینه فعال میشوند.
| ویژگی | دم (ورود هوا) | بازدم (خروج هوا) |
|---|---|---|
| وضعیت دیافراگم | منقبض و پایین میرود | شل و بالا میرود |
| حجم ششها | ↑ افزایش | ↓ کاهش |
| فشار درون ششها | ↓ کمتر از فشار بیرون | ↑ بیشتر از فشار بیرون |
| جهت حرکت هوا | از بیرون به داخل ششها | از داخل ششها به بیرون |
| مثال عملی | مکیدن شیر با نی | فوت کردن بادکنک |
فشار هوا در عمل: از آواز خواندن تا پزشکی
این اصل فشار فقط برای نفس کشیدن معمولی نیست. مثالهای جالب زیادی در اطراف ما وجود دارد:
- آواز خواندن یا نواختن ساز بادی: برای تولید صدای بلند و کنترل شده، باید هوای تحت فشار بیشتری را از ششها خارج کنید. کنترل این فشار هوای بازدمی، کلید تولید نتهای مختلف است.
- فوت کردن برای خنک کردن غذا: شما با منقبض کردن سریع عضلات شکم، حجم قفسهٔ سینه را به سرعت کاهش داده و فشار زیادی در ششها ایجاد میکنید. این هوای پرفشار با سرعت به سطح غذا برخورد کرده و آن را خنک میکند.
- عملکرد دستگاههای پزشکی: دستگاههای ونتیلاتور3 که به بیماران کمک میکنند، دقیقاً با ایجاد چرخههای مصنوعی فشار مثبت و منفی کار میکنند. هوا را با فشار به داخل ششها میفرستند (مثل یک دم اجباری) و سپس اجازه میدهند فشار با خروج هوا کاهش یابد.
- خمیازه یا آه عمیق: در این حالتها، یک دم بسیار عمیق میکشید که با انقباض شدید دیافراگم و عضلات قفسهٔ سینه، حجم را بسیار افزایش و فشار درون ششها را بسیار کاهش میدهد تا هوای بیشتری جذب شود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. ششها خودشان عضلهٔ فعالی برای مکش ندارند. آنها منفعل هستند. این حرکت دیافراگم و قفسهٔ سینه است که با بزرگ کردن فضای اطراف ششها، باعث کاهش فشار و ورود غیرفعال هوا میشود. مثل این است که با کشیدن پیستون سرنگ، مایع به داخل کشیده میشود، نه اینکه سرنگ مایع را بکشد.
پاسخ: در ارتفاعات، فشار کل هوای اتمسفر کمتر است. بنابراین، حتی اگر با حرکت دیافراگم فشار درون ششها را کاهش دهیم، تفاوت فشار بین بیرون و درون ششها کمتر از حالت عادی خواهد بود. در نتیجه نیروی رانش کمتری برای ورود هوا وجود دارد و در هر دم مولکولهای کمتری از اکسیژن وارد ششها میشود. به همین دلیل در کوهستان نفسنفس میزنیم تا کمبود اکسیژن را جبران کنیم.
پاسخ: خیر. اگر مجرای ورود هوا (بینی و دهان) کاملاً بسته باشد، هیچ ارتباطی بین هوای بیرون (با فشار استاندارد) و هوای درون ششها وجود ندارد. حتی اگر قفسهٔ سینه را منبسط کنید و فشار درون ششها کاهش یابد، هوای بیرون راهی برای ورود ندارد. تنها چیزی که احساس میکنید کشش در ناحیهٔ سینه و یک «خلأ نسبی» درداخل است، اما هوایی جریان نمییابد.
پاورقی
1فشار هوا (Air Pressure): نیروی وارد شده توسط وزن ستون هوا بر یک واحد سطح. واحد رایج آن اتمسفر (atm) یا میلیمتر جیوه (mmHg) است.
2دیافراگم (Diaphragm): یک صفحهٔ عضلانی گنبدی شکل که حفرهٔ قفسهٔ سینه را از حفرهٔ شکم جدا میکند. مهمترین عضله در تنفس آرام و طبیعی.
3ونتیلاتور (Ventilator): دستگاهی که به صورت مکانیکی با ایجاد فشار مثبت، تنفس را برای بیمارانی که قادر به تنفس کافی نیستند، امکانپذیر میسازد.
