مفاهيم أساسية

علم الأحياء                               

الجسم

الرئتان

الفيزياء

ضغط الهواء

مقدمة

نتنفس كثيرًا، نحو عشر مرات في الدقيقة! هل تساءلت من قبل كيف تسير عملية التنفس بهذه السلاسة؟ تسمح لنا رئتنا باستنشاق الأكسجين الذي يحتاج إليه جسمنا، إلا أن عملها لا يقتصر على ذلك، فهي تقوم بدور أكبر منه بكثير. فهي تخلصنا أيضًا من ثاني أكسيد الكربون، أحد المخلفات التي تُنتج داخل الجسم، كما تؤدي دورًا حيويًّا في الغناء والصياح وحتى الضحك. في هذا النشاط ستصنع نموذجًا للرئة، وستستخدمه في اكتشاف كيف يتدفق الهواء إلى داخل الرئتين وخارجهما بسهولة.

معلومات أساسية

تحتاج جميع الخلايا في أجسامنا إلى الأكسجين لإنتاج الطاقة على نحو فعال. ومع هذا، عندما تنتج الخلايا طاقة تنتج كذلك ثاني أكسيد الكربون. نحصل على الأكسجين عن طريق استنشاق الهواء النقي، ونتخلص من ثاني أكسيد الكربون من الجسم عن طريق زفير الهواء الفاسد. ولكن كيف تعمل آلية التنفس؟

يتدفق الهواء إلى الداخل عبر الفم أو الأنف، ثم عبر القصبة الهوائية التي تتفرع أولًا إلى شعبتي القصبة الهوائية، واحدة لكل رئة. وتتفرع من شعبتي القصبة الهوائية بعد ذلك أنابيب أصغر حجمًا أكثر فأكثر، وتنتهي تلك الأنابيب بأكياس هوائية دقيقة تُدعَى الحويصلات الهوائية. نمتلك الملايين من الحويصلات الهوائية داخل رئتينا! جدران هذه الحويصلات الهوائية رقيقة لكي يستطيع الأكسجين وثاني أكسيد الكربون العبور خلالها للدخول إلى الدم أو الخروج منه. ينقل الدم الأكسجين إلى جميع أجزاء الجسم تقريبًا. وكذلك يحمل الدم ثاني أكسيد الكربون إلى الرئتين في رحلة العودة.

تحتل الرئتين معظم مساحة منطقة الصدر. يتألف قفصنا الصدري من 12 زوجًا من الأضلاع التي تحمي الرئتين وغيرهما من الأعضاء الموجودة داخل القفص الصدري مثل القلب.

يحدث التنفس الهادئ لا إراديًّا، ليس علينا أن نفكر لنتنفس. في أثناء الشهيق الذي يحدث بصورة فطرية، ينخفض الحجاب الحاجز، وهو عضلة تشبه القبة وتقع بين الصدر وتجويف البطن. يتسبب ذلك في توسيع القفص الصدري، ونتيجةً لذلك يُسحب الهواء إلى الداخل. وفي أثناء الزفير يرتخي الحجاب الحاجز وتنكمش الرئتان طبيعيًّا، ومن ثم يندفع الهواء برفق إلى الخارج.

يمكننا كذلك التنفس بقوة أشد. فعند ممارسة الرياضة أو الغناء بصوتٍ عالٍ، أو في حالة احتياجنا إلى المزيد من الهواء أو الأكسجين، نستطيع أن نأخذ نفسًا أعمق. نستخدم عضلات مختلفة لزيادة حجم الصدر على نحو أكثر حدة. ومثلما يحدث في أثناء التنفس الهادئ يَسحب تمدُّدُ القفص الصدري الهواءَ إلى الداخل بحيث تمتلئ الرئتان بالهواء. يتسبب ارتخاء القفص الصدري في دفع الهواء إلى الخارج. تستطيع العضلات كذلك الضغط على القفص الصدري بحيث ينكمش أكثر من ذلك ويدفع المزيد من الهواء إلى الخارج. وبما أن التمدد والانكماش يكونان أكبر في هذه الحالة، يندفع حجمٌ أكبر من الهواء داخل وخارج الرئتين، ويحصل جسمنا على إمداد أكبر من الأكسجين، أو يصير لدينا المزيد من الهواء لنصدر الصوت.

المواد المستخدمة

  • زجاجة شفافة فارغة قابلة للتخلص منها (بحجم 10 - 16 أونصة) مصنوعة من البلاستيك الصلب (مثل زجاجات المشروبات الرياضية)
  • مسطرة
  • بالونان (بالون بطول 8 بوصات سيفي بالغرض)
  • سكين مطبخ (اطلب مساعدة شخص بالغ، وكن حذرًا في أثناء استخدام السكين)
  • شخص بالغ للمساعدة
  • مقص
  • ماصَّة شراب (اختياري)
  • صلصال (اختياري)
  • شريط لاصق (اختياري)
  • بالون إضافي (اختياري)

التحضير

  • اطلب من شخص بالغ قَطْع الزجاجة البلاستيكية. اقطع قاعدة الزجاجة بحيث عندما يُعَلَّق البالون داخل الزجاجة من فوهة الزجاجة تبقى هناك مساحة فارغة بمقدار 1/3 إلى 3/4 بوصة أسفل البالون.
  • ضع الزجاجة المقطوعة من ناحية الفتحة الواسعة على المنضدة. أدخل البالون داخل الزجاجة بحيث لا يخرج منها سوى جزء من عنق البالون. لف عنق البالون على قمة الزجاجة. يمثل البالون الرئة.
  • اقلب الزجاجة (مع الإبقاء على البالون بالداخل) بحيث تكون قمة الزجاجة على المنضدة. في الخطوات التالية ستصنع الحجاب الحاجز وتضيفه إلى نموذجك.
  • اصنع عقدةً في عنق البالون الثاني، واقطع نحو ثلث البالون من الناحية المقابلة للعقدة بحيث يصبح لديك فتحة واسعة.
  • مُط الفتحة الواسعة بالبالون وضعها على الفتحة الواسعة بالزجاجة.
  • شد أطراف البالون إلى أعلى الزجاجة بما يكفي بحيث يكون سطح البالون مشدودًا برفق. تأكد من أن العقدة تقع على الجانب الخارجي وبالقرب من منتصف فتحة الزجاجة.
  • تشبه رئتاك الممتلئتان بالهواء البالون المنتفخ. لدينا رئتان محاطتان بالقفص الصدري ويحميهما 24 ضلعًا. عندما تأخذ شهيقًا يتدفق الهواء إلى داخل رئتيك، وعندما تطلق زفيرًا يتدفق الهواء إلى خارج رئتيك. البالون داخل الزجاجة يشبه إحدى رئتيك، والزجاجة تشبه قفصك الصدري.

الطريقة

  • أمسك الزجاجة بحيث تستطيع رؤية البالون في الداخل (ممثلًا الرئة). اسحب العقدة برفق إلى أسفل. ماذا يحدث للبالون داخل الزجاجة؟
  • دع العقدة تعود إلى وضعها المحايد، وادفعها برفق إلى الداخل. ماذا يحدث للبالون داخل الزجاجة الآن؟
  • كرر هاتين الخطوتين بضع مرات. هل هذا يشبه التنفس؟ لماذا؟
  • أي جزء يشبه الشهيق؟ وأي جزء يشبه الزفير؟
  • إذا كان نموذجك يعمل جيدًا، فسيندفع الهواء إلى داخل البالون عندما تسحب العقدة إلى الخارج وسيتدفق إلى الخارج عندما تدفع العقدة إلى الداخل. لماذا يحدث هذا برأيك؟
  • عندما نتنفس على نحو هادئ يتحرك حجابنا الحاجز، العضلة التي تفصل بين التجويف الصدري وتجويف البطن، بحيث يتمدد التجويف الصدري وينكمش. ما وجه الشبه بين هذا الأمر ونموذجك؟
  • ادفع العقدة واسحبها بضعَ مرات أخرى. هل يمكنك معرفة أي حركة للحجاب الحاجز ينتج عنها الشهيق وأيها ينتج عنها الزفير باستخدام النموذج؟
  • تحسس ضلوعك وتنفس بعمق ثم أخرج النفس. هل يمكنك الشعور بالقفص الصدري وهو يتمدد ويهبط مرةً أخرى؟
  • يتحرك منتصف الحجاب الحاجز أكثر عندما نأخذ أنفاسًا عميقة، بمعدل يصل إلى 4 بوصات! في النموذج الذي صنعت، الزجاجة البلاستيكية (القفص الصدري) ثابتة، لكنك تستطيع تحريك "الحجاب الحاجز" عن طريق سحب العقدة على نحو أقوى ودفعها إلى الداخل أكثر. جرِّب هذا الأمر. كيف يغير ذلك حجم الهواء المتدفق إلى الداخل البالون (الرئة) وإلى خارجه؟
  • نشاط إضافي: أضف قصبة هوائية إلى نموذجك. ولعمل هذا، أخرج البالون من الزجاجة وثبِّت رقبته على ماصَّة الشراب، استخدم شريط لاصق لتُحكم تثبيته.علِّق البالون وجزءًا صغيرًا من الماصَّة في عنق الزجاجة، واستخدم صلصالًا لتثبت الماصة في مكانها. تأكد من أن الصلصال يشكل سدًّا مانعًا للهواء حول الماصة وعنق الزجاجة. لا ضرورة لتغيير شيء في البالون الثاني الذي يغلق قاع الزجاجة. هل يمكنك رؤية أي جزء يمثل القصبة الهوائية؟
  • نشاط إضافي: السعال هو طرد الجسم للهواء بقوة للتخلُّص من شيء يسبب تهيُّجًا. في أثناء السعال تتنفس بعمق نسبيًّا، ولكن بدلًا من أن يتدفق الهواء إلى الخارج مع انكماش الصدر، ينغلق حلقك ويتراكم الهواء داخل الرئة. وعندما ينفتح الحلق ينكمش الصدر أكثر ويتدفق الهواء إلى الخارج بقوة. هل يمكنك محاكاة السعال باستخدام نموذجك؟
  • نشاط إضافي: ابحث عن طريقة لعمل نموذج يحتوي على قصبة هوائية تتفرع إلى شعبتي قصبة هوائية وكل واحدة ملحق بها رئة. يُعَد النموذج ذو القصبة الهوائية ورئة واحدة بدايةً جيدة. كيف يمكنك إضافة رئة ثانية؟ هل يمكنك معرفة فائدة امتلاكنا لرئتين؟

المشاهدات والنتائج

عندما سحبت العقدة إلى الوراء، زاد الفراغ داخل الزجاجة وعلى الأرجح امتلأ البالون بالهواء. وبالطريقة نفسها، عندما ينسحب الحجاب الحاجز في جسمك إلى الوراء يزداد حجم التجويف الصدري، ويتدفق الهواء إلى الرئة ويحدث الشهيق.

عندما دفعت العقدة إلى الداخل، تقلص الفراغ داخل الزجاجة وربما انكمش البالون. وبالطريقة نفسها، عندما يرتخي الحجاب الحاجز يتقلص حجم التجويف الصدري ويُدفَع الهواء إلى خارج الرئتين ويحدث الزفير.

عندما سحبت العقدة ودفعتها على نحو أشد زاد انتفاخ البالون وانكماشه. يعكس ذلك ما يحدث عند إزاحة حجم أكبر من الهواء في أثناء تنفُّسنا بعمق أكبر.

تحدث هذه الديناميكية بسبب ضغط الهواء، وهو قياس مدى شدة ضغط الهواء على الأجسام. يزداد ضغط الهواء عندما تقلِّص حجم الفراغ المتاح له ويقل ضغط الهواء عندما تعطي الهواء مساحةً أكبر. أغلق زجاجةً بلاستيكيةً رقيقةً فارغة وحاول الضغط عليها. ستجد أن الأمر صعب! الهواء في الداخل يضغط في المقابل. افتح الزجاجة وحاول الضغط عليها مرةً أخرى. الأمر هذه المرة أكثر سهولة، فالهواء يضغط بقوة أقل بكثير. ما لم يوجد شيء يعوق حركة الهواء، فإنه سيتحرك من المناطق ذات الضغط المرتفع إلى المناطق ذات الضغط المنخفض، وهذا ما يحدث عند اندفاع الهواء إلى داخل الرئتين أو خارجهما. عندما يتمدد التجويف الصدري يزداد الفراغ المحيط برئتيك. في هذه الحالة تتمدد الرئتان وتتحول إلى منطقة ذات ضغط منخفض، ويندفع الهواء إلى الداخل ليوازن الفرق في الضغط. وبعد ذلك ولكي يحدث الزفير، ينكمش التجويف الصدري والرئتان، مما يتسبب في زيادة ضغط الهواء داخل رئتيك ومن ثم اندفاع الهواء إلى الخارج مرةً أخرى.