◆李帥帥 胡亞非

作者：李帥帥，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，研究方向?yàn)檫^程裝備與控制工程；胡亞非，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院教授（221116）。

1 引言

流體力學(xué)是高校工科專業(yè)的基礎(chǔ)理論課程，流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)于流體力學(xué)的課程教學(xué)起到十分重要的作用。國(guó)內(nèi)90%左右的工科高校都采用浙江大學(xué)力學(xué)基地所研制的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器。為了直觀流動(dòng)現(xiàn)象，流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置多數(shù)采用透明的有機(jī)玻璃材料，非常容易損壞，而且裝置體積大，占用了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)較大的空間。北方地區(qū)高校為了避免水結(jié)冰，裝置脹裂，每年冬季會(huì)將大量的實(shí)驗(yàn)用水放掉，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。通過改進(jìn)使用血壓測(cè)量計(jì)，將人體血液循環(huán)和血壓測(cè)量相結(jié)合開發(fā)流體靜力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新教學(xué)方式，提高實(shí)驗(yàn)效率，增強(qiáng)教學(xué)質(zhì)量，服務(wù)社會(huì)公益，可以取得良好的教學(xué)效果和社會(huì)公益效果。

血壓的測(cè)量原理如圖1所示，在測(cè)量血壓時(shí)，在手臂上束緊袖帶1，袖帶1通過一根橡膠管2與一個(gè)小型氣泵3（通過反復(fù)捏擠給氣袋充氣）相連，通過氣泵給袖袋充氣而不斷擠壓手臂上的動(dòng)脈，這時(shí)用聽診器4可以聽到血管中由于血液流動(dòng)對(duì)管壁沖擊而發(fā)出的聲音；然后不斷束緊袖帶1來擠壓手臂上的血管，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，手臂上大動(dòng)脈的血液流動(dòng)將會(huì)完全停止，這時(shí)聽診器4聽不到原來有規(guī)律的脈搏聲；然后通過橡皮管2上的一個(gè)閥門慢慢把臂帶中的空氣釋放出來，袖帶對(duì)手臂大動(dòng)脈的壓力也會(huì)慢慢降低，當(dāng)下降到一定程度時(shí)大動(dòng)脈中的血液又開始恢復(fù)流動(dòng)，聽診器中就又可以聽到脈搏聲。此時(shí)血液對(duì)動(dòng)脈壁的壓力和臂帶對(duì)手臂的壓力值是相等的，是心肌收1縮時(shí)血液對(duì)動(dòng)脈的壓力，稱收縮壓；當(dāng)放出更多的空氣，臂帶的壓力進(jìn)一步減少，當(dāng)壓力降到某點(diǎn)，臂帶對(duì)于血管的壓力不會(huì)對(duì)肱動(dòng)脈內(nèi)血液的流動(dòng)產(chǎn)生影響，此時(shí)的壓力稱為為舒張壓。在將人體血液循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用到流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)中時(shí)，應(yīng)盡量保持血管的正常流通狀態(tài)，而不會(huì)因?yàn)闇y(cè)量的過程中外界的壓力作用而改變血管的形狀。因此，要使血管內(nèi)的血液保持舒張壓的流通狀態(tài)，利用血壓計(jì)對(duì)人體血液循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

圖1 血壓測(cè)量示意

血壓測(cè)量與流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)血壓的測(cè)量過程簡(jiǎn)單方便，作為一種人體健康的檢查手段，醫(yī)生乃至普通人只需按照上述操作讀出水銀柱的高度即可知血壓是否正常，而且人體血液循環(huán)系統(tǒng)具有類似于實(shí)際管路流通的流體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的組成結(jié)構(gòu)，借助血壓測(cè)量計(jì)來實(shí)現(xiàn)流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有簡(jiǎn)單方便而且高效的優(yōu)勢(shì)。本文探討的是：在大學(xué)工學(xué)專業(yè)流體力學(xué)課程教學(xué)活動(dòng)中如何利用血壓的測(cè)量過程解讀流體力學(xué)知識(shí)。

公式P=P0+ρgh是流體靜力學(xué)方程的延伸形式，是平衡（靜止和相對(duì)靜止）流體中壓力分布的普遍規(guī)律，也是流體靜力學(xué)最基本的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。但在流體力學(xué)教學(xué)中講課與實(shí)驗(yàn)是不同的，通常實(shí)驗(yàn)滯后于課程。因此，公式的解讀讓學(xué)生感覺枯燥、片面且印象不深，難以產(chǎn)生理想的教學(xué)效果。為此，借助血壓測(cè)量計(jì)來實(shí)現(xiàn)流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)血壓測(cè)量過程進(jìn)行拓展，設(shè)計(jì)了圖2所示的基于人體血壓測(cè)量的流體靜力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)。圖2中所示的實(shí)驗(yàn)裝置主要有：由袖帶1、小型氣泵2及其他測(cè)量裝置組成的血壓計(jì)3，在連接血壓計(jì)的橡膠管上連接另一條橡膠管并與玻璃導(dǎo)管4連接，接觸處安有閥門5，導(dǎo)管分別與兩個(gè)U型玻璃管6、7相連接，共同固定在帶有相同均勻刻度的木板8上，U型管中裝有密度不同的液體（如酒精、水等），其次是聽診器9。

圖2 基于血壓測(cè)量的流體靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)過程中，按照上述方法對(duì)人體的血壓進(jìn)行測(cè)量，待調(diào)整為舒張壓后打開閥門5，即可看到血壓計(jì)3、U型管6與U型管7有著不同的液柱高度差h。按照等壓原理，所測(cè)的部位血液作用于血管的壓力與袖帶內(nèi)氣體的壓力大小是相同的，袖帶外壓力通過氣體進(jìn)行傳輸，一直傳輸?shù)経型管中測(cè)量液體的表面。此時(shí)作用于三只U型管液體表面的氣壓P（即所測(cè)血壓）是相同的，對(duì)U型管左側(cè)液體施加壓力，液體通過U型管向右側(cè)流動(dòng)，U型管右端與空氣相連，使得U型管中右側(cè)液柱高度高于左側(cè)，形成高度差h。此時(shí)所測(cè)量的血壓值P等于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P0與高度為h的測(cè)量液柱的壓強(qiáng)ρgh之和，即：P=P0+ρgh。其中，ρ為液柱密度，g為重力加速度。因此，U型管中液體的密度不同，液柱高度h也不同，以此對(duì)流體靜力學(xué)方程進(jìn)行了很好的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 結(jié)論

本文首次提出以“人體血液循環(huán)”作為流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)血壓儀進(jìn)行拓展，開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)操作易行；可以很好地實(shí)現(xiàn)跟隨課堂教學(xué)，提高課堂的學(xué)習(xí)效率，加深學(xué)生的對(duì)流體力學(xué)的理解和認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)更高水平的教學(xué)。同時(shí)在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的過程中學(xué)習(xí)到的流體力學(xué)知識(shí)得以強(qiáng)化，以生動(dòng)形象的方式為流體力學(xué)教學(xué)服務(wù)。作為一種全新的工科流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，基于血液循環(huán)的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源還有待進(jìn)一步拓展。

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