氧气对人体极为重要,但呼吸是怎样的呢?
我们每天呼吸很多次,频率大约每分钟呼吸10次!您有否想过呼吸过程何以如此顺畅?肺部让我们吸入人体所需的氧气,但用处不止于此,它还能清走人体内产生的废物——二氧化碳,又让大家能够唱歌、大叫、甚至咯咯大笑。在这个活动里,您要制造一个肺部模型,借此观察空气如何轻易地出入肺部。
我们体内的所有细胞都需要氧气,有效地产生能量。但细胞产生能量时,会制造二氧化碳。我们吸入新鲜空气来获取氧气,然后呼出用过的空气以清除体内的二氧化碳。但是呼吸是如何运作呢?
气流通过我们的嘴或鼻子,沿着气管流入,气管首先会分成两条支气管,进入左右两边肺部;支气管又会再分成许多越来越小的管道,这些管道的末端有微小的气囊,称为肺泡。我们的肺部有数百万个肺泡!这些气囊的壁膜很薄,薄至氧气和二氧化碳都可以穿过,然后进入或离开血液。血液则把氧气输送到几乎人体每个部位,然后又把二氧化碳带回肺部。
我们胸部大部分的空间都被肺部占用。胸廓的12对肋骨用来保护肺部和其他器官,例如心脏。我们不必细加思考,就能呼吸自如,因为这是个反射动作。当我们吸气时,横隔膜(即胸腔和腹腔之间的圆拱形肌肉)会变平,这样胸腔会扩大,就可吸入空气。呼气时,横隔膜放松,肺部自然收起,空气被轻轻地挤出。
我们也可以用力呼吸。当我们运动、大声唱歌或需要更多空气或氧气时,会用力深呼吸。我们会使用不同的肌肉来大幅增加胸部的容量。与放松呼吸的方式一样,胸腔扩张会吸入空气,从而填满肺部;胸腔松弛,就会把空气排出来,肌肉还可以迫使胸腔进一步收缩,排出更多的空气。在这种情况下,胸腔扩张和收缩的幅度较大,所以有更多的空气流入和流出肺部,使身体获得更多氧气供应,或者令我们有更多的空气来发出声音。
当您把结往后拉,水瓶里的空间增加了,气球也充满空气。同样,当我们体内的横隔膜向下移,胸腔的空间增加,空气流进肺部,我们就吸入空气。当您把结往里面推,水瓶内的空间减少,气球变扁了。同样道理,当横隔膜放松,胸腔空间减少,空气从肺部挤出来,我们就呼出空气。
当您把那个结用力往外拉或向内推,气球会充气和放气多一点,这就与我们深呼吸的时候一样,会有较大量的空气进入或挤出。
这动态是因为有气压,即空气挤压物体的力度。当空气所占的空间减少,气压增加,相反,当空气所占的空间增加,气压就会减少。把脆弱的空胶樽的盖扭紧,然后尝试挤压它;要把它压扁很难!因为里面的空气向外推。但如果打开水瓶,然后再次尝试挤压,这就容易得多了,因为空气向外推的力度大大减小。除非遇到什么阻碍,否则空气会从高压区移到压力较低的地方,这就是空气出入肺部的情况了。当胸腔扩大时,肺部周围的空间多了,使肺部得以扩张,变成低压区,空气就会涌入,以抵销压力的差距;呼气时,胸腔和肺部收缩,肺部的气压增加,空气就会跑出来。
此实验来自《科学美国人》的「把科学带回家」系列,并由3M科学家和合作伙伴主持。 《科学美国人》准许复制由Science Buddies和Sabine De Branbandere创作的「我们如何呼吸」©2019。