„Kein Wind, keine Wellen“ und „Kein Wind, keine drei Fuß hohen Wellen“: Kann es auch in den Arterien zu „turbulenten Wellen“ kommen?

„Kein Wind, keine Wellen“ und „Kein Wind, keine drei Fuß hohen Wellen“ sind gängige Sprichwörter im täglichen Leben. Diese beiden scheinbar widersprüchlichen Aussagen haben tatsächlich wissenschaftliche Gründe.

Dies erinnerte mich daran, dass es in unserem Körper auch einen „Ozean“ gibt – das Meer aus Blut, das im Blutkreislauf fließt, und das ebenfalls „turbulent“ ist.

Begeben wir uns heute auf eine besondere „Meeresreise“, um das Geheimnis der Ausbreitung von Pulswellen im arteriellen System zu erforschen und herauszufinden, welche Ähnlichkeiten es mit der Wellenbildung im Ozean gibt.

1. Die wissenschaftliche Begründung für „Kein Wind, keine Wellen“ und „Kein Wind, drei Fuß hohe Wellen“

1. Der wissenschaftliche Grund, warum es „keinen Wind ohne Wellen gibt“

Aus der Perspektive der Energieübertragung werden Meereswellen hauptsächlich durch die Energie des Windes gebildet. Wenn Wind über das Meer weht, überträgt er Energie auf das Wasser. Wenn der Wind über das Meer weht, entsteht Reibung (d. h. viskose Scherkraft) zwischen dem Wind und der Oberfläche des Meerwassers. Diese Kraft „reibt“ das Meerwasser wie eine große Handfläche. „Flüssigkeiten bieten keinen Widerstand gegen Reibung“ ist eine wichtige Eigenschaft von Flüssigkeiten. Der Wind übt diese „Reibungskraft“ auf das Meerwasser aus, wodurch das Meerwasser in Bewegung gerät und kleine Wellen auf der Meeresoberfläche entstehen. Ist die Energie des Windes gering, kann er nur geringe Schwankungen an der Oberfläche des Meerwassers hervorrufen – ganz wie es im Crosstalk „Eight Screens“ heißt: „Der Wind weht und erzeugt Wellenschichten auf der Wasseroberfläche“ (Abbildung 1). Wenn der Wind stärker wird, erhöht sich die auf das Meerwasser übertragene Energie und die Höhe und Wellenlänge der Wellen nehmen entsprechend zu.

Abbildung 1 Das „Reiben“ der Wasseroberfläche durch den Wind verursacht „Wellenschichten auf der Wasseroberfläche“

Aus der Sicht der Wellentheorie ist der Wind die externe Antriebskraft für die Entstehung von Meereswellen. Der durch den Wind auf der Meeresoberfläche erzeugte Druckunterschied ist der entscheidende Faktor bei der Wellenbildung. Wenn der Wind über das Meer weht, bildet sich auf der Leeseite der Meeresoberfläche ein Tiefdruckgebiet, während auf der Luvseite ein relativ hohes Druckgebiet herrscht. Dieser Druckunterschied führt dazu, dass das Meerwasser von Hochdruckgebieten in Tiefdruckgebiete fließt und so Wellen bildet (Abbildung 2). Auch Dauer und Stärke des Windes bestimmen Dauer und Größe der Wellen. Wenn der Wind über längere Zeit gleichmäßig über das Meer weht, sammeln die Wellen weiterhin Energie an und werden heftiger.

Abbildung 2 Druckunterschiede führen zur Wellenbildung im Meerwasser

2. Der wissenschaftliche Grund für „es gibt drei Fuß hohe Wellen, auch wenn kein Wind weht“

Berücksichtigen Sie die Topographie des Meeresbodens und die Meeresströmungen. Auch ohne Wind können Veränderungen der Topographie des Meeresbodens zur Wellenbildung führen. Wenn beispielsweise in flachen Meeresgebieten der Meeresboden Grate oder Vertiefungen aufweist, wird der Meerwasserfluss gestört. Unterseeische Berge lassen das Meerwasser nach oben strömen und Wellen bilden (Abbildung 3). So wie Steine ​​in einem Fluss Wellen im Wasser verursachen, können Unregelmäßigkeiten in der Meeresbodentopographie dazu führen, dass das Wasser Kräuselungen erzeugt. Meeresströmungen beeinflussen auch die Meereswellen. Wenn Meeresströmungen mit unterschiedlichen Temperaturen und Salzgehalten aufeinandertreffen, kommt es zu Dichteunterschieden, die zu Strömungen und Schwankungen des Meerwassers führen. Wo beispielsweise kalte und warme Meeresströmungen aufeinandertreffen, ist die Bewegung des Meerwassers komplexer, was zu größeren Wellen führt.

Abbildung 3 Unterseeische Berge lassen das Meerwasser nach oben strömen und Wellen bilden

Bedenken Sie die Ausbreitung von Wind und Wellen aus der Ferne. Die Ozeane der Erde sind ein miteinander verbundenes Ganzes. In entfernten Meeresgebieten erzeugte Wellen können sich in windstille Meeresgebiete ausbreiten. Wenn eine Welle über den weiten Ozean reist, bleibt ihre Energie bis zu einem gewissen Grad erhalten. Beispielsweise können Wellen, die sich vom Zentrum eines entfernten Sturms ausbreiten, rund um einige Inseln im Pazifischen Ozean auch dann bis hierher gelangen und Wellen auf der Meeresoberfläche rund um die Inseln verursachen, wenn lokal kein Wind weht. Darüber hinaus unterliegen die Wellen während der Ausbreitung Brechungen, Reflexionen und anderen Phänomenen, die auch die Form und Größe der Wellen verändern, sodass selbst bei Windstille Wellen entstehen.

Berücksichtigen Sie astronomische und geografische Faktoren wie Gezeiten, Erdbeben und Tsunamis. Gezeiten sind das periodische Steigen und Fallen des Ozeanwassers, das durch die Gravitationswechselwirkung zwischen Erde, Mond und Sonne verursacht wird. Bei Ebbe und Flut kommt es zu großflächigen horizontalen Bewegungen des Meerwassers, die Wellen erzeugen. Auch ohne Windeinfluss strömt das Meerwasser bei Ebbe und Flut in Richtung Küste oder zieht sich von der Küste ins Meer zurück und bildet dabei Wellen. Beispielsweise strömt bei Flut des Qiantang-Flusses enorme Flutwellen in das schmale Flussbett. Wenn das Flussbett schmaler wird, konzentriert sich die Energie des Gezeitenwassers und es bilden sich sehr hohe Wellen (Abbildung 4). Die Entstehung dieser Wellenart ist hauptsächlich auf die Gezeitenkräfte und nicht auf den Wind zurückzuführen. Darüber hinaus sind Unterwasserbeben eine der Hauptursachen für Tsunamis. Bei einem Erdbeben auf dem Meeresboden wird durch die Bewegung der Erdkruste augenblicklich enorme Energie freigesetzt, die zu schweren Störungen des Wassers auf dem Meeresboden führt. Diese Störung breitet sich in Form von Tsunamiwellen nach außen aus, die sich in der Tiefsee extrem schnell fortbewegen, sehr lange Wellenlängen, aber relativ geringe Wellenhöhen haben. Wenn sich eine Tsunamiwelle der Küste nähert, nimmt ihre Höhe dramatisch zu, da das Meer flacher wird, und es bilden sich riesige Wellen. Die Entstehung dieser Wellen hat nichts mit Wind zu tun, sondern wird ausschließlich durch Erdkrustenbewegungen verursacht, die durch Unterwasserbeben verursacht werden. So hatte beispielsweise der Tsunami, der 2011 durch das Erdbeben in Fukushima in Japan ausgelöst wurde, Wellen von mehreren zehn Metern Höhe und verursachte in den Küstengebieten riesige Katastrophen.

Abbildung 4: Gezeiten am Qiantang-Fluss

Darüber hinaus können Veränderungen der Lufttemperatur und des Luftdrucks sowie die Bewegung großer Objekte wie Schiffe Wellen verursachen.

2. Die „turbulenten Wellen“ im menschlichen Körper

Der Grund, warum das Kreislaufsystem Blut durch den Körper transportieren kann, liegt darin, dass es über eine „Kraftpumpe“ verfügt, nämlich unser Herz. und das komplizierte Netzwerk der Blutgefäße ist wie ein „Fluss“. Es gibt auch ein „turbulentes“ Phänomen im Kreislaufsystem, nämlich die Pulswelle.

1. „Kein Wind, keine Wellen“ in den Arterien

„Kein Wind, keine Wellen“ ist ein alltägliches Bild am Meer. Die Meeresbrise fegte über das Meer, wie ein Paar unsichtbarer großer Hände, die das Wasser rieben und Wellen verursachten. Im menschlichen Körper pumpt das Herz das Blut wie die Meeresbrise. Das Herz, diese unermüdliche „Kraftpumpe“, zieht sich während der Systole stark zusammen und pumpt so schnell Blut in das Arteriensystem (Abbildung 5). Diese Kraft ist vergleichbar mit der anfänglichen Kraft, die die Meeresbrise dem Meerwasser verleiht, wodurch das Blut seine „Reise“ durch die Arterien beginnt und so die erste Pulswelle erzeugt wird. Studien haben gezeigt, dass die Blutmenge, die das Herz bei jeder Kontraktion ausstößt, etwa 60–80 ml beträgt. Diese Kraft reicht aus, um eine Ausdehnung der Aortenwand zu bewirken, ähnlich wie die durch die Meeresbrise verursachten Wellen auf der Meeresoberfläche, die den ersten Schritt bei der Ausbreitung der Pulswelle einleiten.

Abbildung 5 Das Herz pumpt Blut in das Gefäßsystem

Wenn der Wind auffrischt, werden die Wellen heftiger. Ebenso können Änderungen der Kraft der Herzkontraktionen die Stärke der Pulswelle beeinflussen. Wenn wir trainieren, muss das Herz härter arbeiten, die Kontraktionskraft nimmt zu, der Blutdruck steigt und die Intensität der Pulswelle nimmt entsprechend zu. So wie wenn der Wind heult, brechen die Wellen auf dem Meer hoch auf. Durch die Überwachung des Pulses von Sportlern bei unterschiedlichen Trainingsintensitäten haben Wissenschaftler herausgefunden, dass bei anstrengenden Übungen die Amplitude der Pulswelle im Vergleich zum Ruhezustand um 50 bis 100 % zunimmt, was als „großartig“ bezeichnet werden kann. Dies verdeutlicht deutlich die Schlüsselrolle des Herzens als „Energiequelle“ der Pulswelle, ebenso wie der Wind einer der bestimmenden Faktoren für die Größe der Wellen ist.

2. „Drei Fuß hohe Wellen ohne Wind“ in den Arterien

„Auch bei Windstille gibt es drei Fuß hohe Wellen“ ist ebenfalls ein merkwürdiges Phänomen, das im Meer häufig auftritt. Auch ohne Wind kann die See rau sein. Unter ihnen sind die Meeresbodentopographie und die Meeresströmungen die „Helden hinter den Kulissen“. Unterwasserberge, Gräben und das Zusammentreffen kalter und warmer Meeresströmungen können Schwankungen im Meerwasser verursachen. In unserem Arteriensystem spielen die Wände der Blutgefäße abseits des Herzens eine entscheidende Rolle, ebenso wie die Topographie des Meeresbodens. Die Wände der Blutgefäße sind elastisch und wenn sich die Pulswelle entlang der Arterien ausbreitet, wirken die Wände der Blutgefäße wie ein sehr elastisches „Trampolin“. Unter dem Druck der Pulswelle verformt sich die Blutgefäßwand elastisch und speichert etwas Energie. Studien haben gezeigt, dass der Elastizitätsmodul der Arterienwand zwischen 1 und 10 MPa liegt und diese Elastizität es der Wand ermöglicht, Energie effektiv zu speichern und freizusetzen. Wenn der Druckgipfel der Pulswelle überschritten ist, zieht sich die Blutgefäßwand ohne den direkten Antrieb der „Meeresbrise“ der Herzpumpe elastisch zusammen, wodurch die gespeicherte Energie freigesetzt wird, das Blut weiter nach vorne strömen kann und die Ausbreitung der Pulswelle aufrechterhalten wird. Dies ist ebenso magisch wie die Art und Weise, wie die Meeresbodentopographie es dem Meerwasser ermöglicht, Energie zu speichern und auch dann noch Wellen zu erzeugen, wenn kein Wind weht.

Darüber hinaus ähneln die Verzweigungen, Biegungen und Durchmesseränderungen der Blutgefäße Riffen, Inseln und Meerengen im Ozean. Wenn die Pulswelle auf diese „Hindernisse“ trifft, kommt es zu Reflexionen und Interferenzen. Dabei spielt insbesondere die Elastizität der Blutgefäßwände eine wichtige Rolle. Es bewirkt eine Überlagerung der reflektierten Welle und der ursprünglichen Pulswelle und passt die Form und Intensität der Pulswelle an. Genau wie Meereswellen bei ihrer Ausbreitung auf Reflexionen von Riffen treffen, stören sie die ursprünglichen Wellen und bilden komplexe und veränderliche Wellenformen. Mithilfe von Angiographie- und hämodynamischen Simulationstechniken haben Medizinforscher herausgefunden, dass der Reflexionskoeffizient der Pulswelle an den Blutgefäßverzweigungen zwischen 0,3 und 0,6 liegen kann. Dies deutet darauf hin, dass der Einfluss des Reflexionsphänomens auf die Pulswelle nicht unterschätzt werden darf. Interessierte Studierende können den Artikel „Medizinische Biomechanik“ auf meinem persönlichen öffentlichen WeChat-Konto lesen: Warum weist die Pulswellenform Drehungen und Wendungen auf?

Während dieser langen „Ozeanreise“ entdeckten wir auch einige interessante Phänomene des „Meereslebens“. Einige Tiefseefische verfügen beispielsweise über eine besondere Struktur, die ihnen hilft, sich an den enormen Wasserdruck in der Tiefsee anzupassen. In unserem Arteriensystem sind Endothelzellen wie diese „Meeresorganismen“. Einige der von ihnen abgesonderten Substanzen können die Spannung und Elastizität der Blutgefäße regulieren und dadurch die Ausbreitung der Pulswellen beeinflussen. Studien haben ergeben, dass von Gefäßendothelzellen abgesondertes Stickstoffmonoxid die glatte Gefäßmuskulatur entspannen, den Durchmesser der Blutgefäße vergrößern und den Widerstand gegen die Ausbreitung von Pulswellen verringern kann, genauso wie die besonderen Strukturen einiger Meeresorganismen ihnen beim Überleben in komplexen Meeresumgebungen helfen.

Denken Sie an die Gezeiten im Ozean, das periodische Steigen und Fallen des Meerwassers, das durch die Gravitationswechselwirkung zwischen Erde, Mond und Sonne verursacht wird. Dies weist gewisse Ähnlichkeiten mit der Blutdruckregulierung in unserem Körper auf. Auch der Blutdruck des menschlichen Körpers verändert sich im zirkadianen Rhythmus, genau wie das Steigen und Fallen der Gezeiten. Wenn Sie nachts schlafen, ist Ihr Blutdruck relativ niedrig, während er steigt, wenn Sie tagsüber aktiv sind. Diese rhythmische Veränderung des Blutdrucks beeinflusst auch die Pulswelle. Studien haben gezeigt, dass die Frequenz der Pulswellen nachts während des Schlafs leicht abnimmt und tagsüber relativ hoch ist, was den zirkadianen Rhythmusänderungen des Blutdrucks entspricht.

Wenn ein Erdbeben im Ozean einen Tsunami auslöst, wird durch die Bewegung der Meeresbodenkruste augenblicklich enorme Energie freigesetzt, wodurch das Wasser auf dem Meeresboden heftig aufgewühlt wird und Tsunamiwellen entstehen. Wenn in unserem Körper eine Erkrankung der Blutgefäßwände auftritt, wie etwa Arteriosklerose, die Blutgefäßwände versteifen, Aneurysmen platzen usw., ist das wie eine „geologische Katastrophe“, die sich auf dem Meeresboden ereignet. Zu diesem Zeitpunkt wird die Ausbreitung der Pulswelle ernsthaft beeinträchtigt. Die ursprünglich glatten Wände der Blutgefäße werden schroff und die Pulswellen werden während der Ausbreitung stärker reflektiert und gestreut, was zu einem ungewöhnlich hohen Blutdruck und einem erhöhten Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen führt. Laut Statistik ist das Risiko kardiovaskulärer Ereignisse bei Patienten mit Arteriosklerose drei- bis fünfmal höher als bei normalen Menschen. Dabei spielt eine abnorme Pulswellenausbreitung eine wichtige Rolle.

3. Zusammenfassung

Vom makroskopischen Kreislaufsystem des Körpers bis zu den mikroskopischen Zellen der Blutgefäßwände, vom kraftvollen Pumpen des Herzens bis zum elastischen Rückstoß der Blutgefäßwände – die Ausbreitung der Pulswellen im arteriellen System ähnelt der Entstehung und Ausbreitung der Wellen im Ozean und ist voller wunderbarer physikalischer Prinzipien und komplexer physiologischer Mechanismen. Unser Körper ist wie eine exquisite „Ozeanwelt“, in der verschiedene Teile zusammenarbeiten, um die normalen Lebensfunktionen aufrechtzuerhalten.

Das Verständnis dieser Geheimnisse kann uns nicht nur ein tieferes Verständnis unserer eigenen physiologischen Funktionen ermöglichen, sondern auch eine wichtige Grundlage für die medizinische Forschung sowie die Prävention und Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen schaffen. Ich hoffe, dass nach dieser arteriellen „Ozeanreise“ jeder seinen eigenen Körper und diese magische „Ozeanwelt“ wertschätzen und die „Pulswelle“ des Lebens für immer gesund und kraftvoll schlagen lassen wird.