ชุดทดลอง: แบบจำลองปอดในครอบแก้ว
แผ่นยางอยู่ตำแหน่งพัก โก่งขึ้นเล็กน้อยเหมือนกะบังลมที่คลายตัว ลูกโป่งแฟบ ลองลากปุ่มลงบนภาพ หรือกดปุ่มหายใจเข้า
เทียบกับร่างกายและแบบจำลอง
อุปกรณ์ ↔ อวัยวะ (ชี้เพื่อดูในภาพ)
กฎของบอยล์ (อุณหภูมิคงที่)
V คือปริมาตรอากาศในช่องอก = ครอบแก้ว − ลูกโป่ง − หลอดแก้ว (mL)
อากาศไหลเมื่อไร
เป็นบวก ลมไหลเข้า เป็นลบ ลมไหลออก เป็นศูนย์ ลมหยุดไหล
สีในภาพ
คีย์ลัด
ตารางบันทึกผลและกราฟปริมาตรปอด
| ครั้งที่ | ดึงลง (มม.) | ช่องอก (mL) | ΔP (kPa) | ปอด (mL/ลูก) |
|---|---|---|---|---|
| ยังไม่มีผล ดึงปุ่มลงแล้วค้างไว้จนลมหยุดไหล ลองที่ 10, 20 และ 34 มม. | ||||
อธิบายสิ่งที่เห็น
ช่องอกเป็นช่องที่ปิดสนิท
ครอบแก้วกับแผ่นยางล้อมอากาศไว้ เหมือนช่องอกที่มีซี่โครงและกะบังลมล้อมรอบ อากาศในช่องนี้ไม่มีทางเข้าออก มีเพียงลูกโป่งที่ต่อกับอากาศข้างนอกผ่านหลอดแก้ว
กะบังลมหดตัว ช่องอกขยาย
ดึงแผ่นยางลง 34 มม. ช่องอกจุเพิ่มจาก 2,353 เป็น 2,586 mL หรือราว 233 mL เหมือนกะบังลมที่หดตัวแล้วเลื่อนต่ำลงจนช่องอกกว้างขึ้น
กฎของบอยล์: ปริมาตรเพิ่ม ความดันลด
อากาศปริมาณเท่าเดิมที่อุณหภูมิคงที่ ความดันคูณปริมาตรมีค่าคงที่ (PV คงที่) เมื่ออากาศในช่องอกได้ที่มากขึ้น ความดันจึงลดลงต่ำกว่าอากาศข้างนอก
ช่องอากาศโตขึ้น 1% ความดันจะลดลงราว 1% หรือประมาณ 1 kPa
อากาศไหลจากความดันสูงไปความดันต่ำ
อากาศข้างนอก (ราว 101.3 kPa) ดันเข้าทางหลอดลมไปพองลูกโป่ง จนแรงหดตัวของยางเท่ากับผลต่างความดัน ลมจึงหยุดไหล ที่ดึงสุด ลูกโป่งพองเป็นราว 98 mL ต่อลูก และความดันในช่องอกต่ำกว่าข้างนอก 2.76 kPa
ลูกโป่ง 2 ลูกรับอากาศเพิ่มรวมราว 168 mL จากที่ช่องอกขยาย 233 mL ส่วนที่เหลือคืออากาศในช่องอกที่ขยายตัว ความดันในช่องอกจึงยังต่ำกว่าข้างนอก
หายใจออก และข้อจำกัดของแบบจำลอง
ปล่อยแผ่นยางกลับขึ้น ช่องอกเล็กลง ลูกโป่งที่ยืดอยู่หดตัวดันลมออก ช่วงแรกของการหายใจออกความดันในช่องอกยังต่ำกว่าข้างนอกได้ แต่แรงหดของลูกโป่งมากกว่า ลมจึงไหลออก
แบบจำลองนี้ไม่มีซี่โครงและกล้ามเนื้อระหว่างซี่โครงที่ช่วยขยายช่องอกด้านข้าง และปอดจริงไม่ได้ลอยอยู่ในอากาศ แต่แนบผนังช่องอกด้วยเยื่อหุ้มปอด ความดันในช่องอกจริงต่ำกว่าบรรยากาศเพียงราว 0.5–0.8 kPa ความเร็วของลูกศรลมในภาพไม่ได้ย่อส่วนตามจริง
ตรวจความเข้าใจ
1แผ่นยางที่ก้นครอบแก้วเทียบได้กับส่วนใดของร่างกาย
แผ่นยางกั้นช่องในครอบแก้วไว้ด้านล่าง เหมือนกะบังลมที่กั้นช่องอกกับช่องท้อง ดึงแผ่นยางลงคือกะบังลมหดตัว
2เมื่อดึงแผ่นยางลง ความดันอากาศในครอบแก้วเป็นอย่างไร
ช่องอกจุมากขึ้นแต่อากาศข้างในเท่าเดิม ตามกฎของบอยล์ความดันจึงลดลง ที่ดึงสุดลดลงเพียงราว 2.8 kPa ไม่ใช่สุญญากาศ
3ลูกโป่งพองขึ้นเพราะอะไร
ลูกโป่งต่อกับอากาศข้างนอกทางหลอดแก้วเท่านั้น เมื่อความดันในช่องอกต่ำลง อากาศข้างนอกจึงดันเข้าไปในลูกโป่ง
4ถ้าครอบแก้วมีรอยรั่ว แล้วดึงแผ่นยางลง ลูกโป่งจะเป็นอย่างไร
ช่องอกต้องปิดสนิท ความดันจึงลดลงได้ ถ้ารั่ว อากาศข้างนอกจะไหลเข้าช่องอกโดยตรง ความดันไม่ลด ปอดจึงไม่พอง
5อากาศในช่องปิดมีความดัน 101 kPa ปริมาตร 2,000 mL ถ้าขยายช่องเป็น 2,020 mL ที่อุณหภูมิคงที่ ความดันใหม่ใกล้เคียงข้อใด
P₂ = P₁V₁ ÷ V₂ = 101 × 2,000 ÷ 2,020 = 100 kPa ปริมาตรเพิ่ม 1% ความดันลดราว 1%