Teplotní změny v ústí nosní dutiny během dýchání

Pokus číslo: 1879

  • Cíl pokusu

    Budeme sledovat, jak se mění teplota v okolí ústí nosních dírek při nádechu a výdechu.

  • Teorie

    Primární vstupní cestou vzduchu do organismu zdravého člověka je nosní dutina, ve které je vstupující vzduch filtrován řasinkovým epitelem a tím zbavován prachu a nečistot. Z čistě fyzikálního hlediska dochází ve skořepinách dutiny nosní ke zvlhčení vzduchu a k jeho ohřátí před vstupem do plic na teplotu blízkou vnitřní teplotě těla. Naopak při výstupu vzduchu z organismu zde dochází k jeho částečnému ochlazení tak, aby tělo vydechováním neztrácelo velké množství tepla; nosní dutina tedy plní funkci jakéhosi tepelného výměníku.

    Při běžné pokojové teplotě je každopádně vydechovaný vzduch teplejší než vzduch nadechovaný, a právě to budeme pomocí termovizní kamery vizualizovat. Přesněji, nebudeme měřit přímo teplotu proudícího vzduchu, ale sliznice nosní dutiny, která se vydechovaným (nadechovaným) vzduchem ohřívá (ochlazuje).

  • Pomůcky

    Termovizní kamera, dobrovolník.

  • Postup

    Dobrovolníka vyzveme ke klidnému, hlubokému dýchání a termovizní kamerou sledujeme ústí nosních dírek.

  • Vzorový výsledek

    Úspěšné provedení pokusu ilustruje video níže. Je patrné, že během nádechů, kdy do nosní dutiny vstupuje vzduch o pokojové teplotě, se ústí nosních dírek prochlazuje, zatímco při výdeších, kdy tělo opouští ohřátý vzduch, k jeho ochlazování nedochází.

    Při přípravě tohoto videa byla použita termovizní kamera FLIR i7. Teplotní rozsah škály barev byl zvolen v intervalu 34 °C až 40 °C, emisivita ε = 0,95.

  • Technické poznámky

    • Popsaný experiment nemusí fungovat za extrémně vysokých teplot (např. 35 °C a více), kdy je teplota nadechovaného vzduchu blízká teplotě lidského těla a tedy i vzduchu v dýchací soustavě.

    • Protože je nosní sliznice vlhká, dochází k jejímu měřitelnému ochlazování nejen díky vstupu studeného vzduchu do nosní dutiny, ale také při jakémkoliv proudění vzduchu dutinou, které urychluje vypařování z povrchu dutiny (více viz pokus Jak proudění vzduchu urychluje vypařování kapalin).

  • Metodické poznámky

    • Experiment umožňuje mezipředmětové propojení fyziky a biologie, kdy procesy zajišťující fungování lidského těla měříme a vysvětlujeme z fyzikálního pohledu.

    • Vzhledem k výše uvedené mezipředmětové vazbě se můžeme i v hodině fyziky zabývat otázkami spíše biologickými – například v čem je dýchání nosem výhodnější a především zdravější než dýchání ústy. Odpověď se studenty najdeme například v teoretickém úvodu k tomuto pokusu – je zřejmé, že při dýchání ústy nedochází k filtrování ani předehřívání vzduchu před jeho vstupem do plic a stejně tak se vzduch před opuštěním dýchací soustavy neochlazuje a na výstupu tak odnímá tělu velké množství tepla.

    • Je třeba zdůraznit, že termovizní kamerou neměříme teplotu vlastního vzduchu, ale povrchovou teplotu vnitřní strany nosních dírek. Pro přímé proměření teploty nadechovaného a vydechovaného vzduchu lze doporučit bodová teplotní čidla, při jejich případném použití je však třeba dbát na hygienu zejména pokud dochází k přímému kontaktu nosní sliznice s čidlem.

    • Při výběru dobrovolníka postupujeme velmi obezřetně! V každém případě se vyvarujeme vybrání „nedobrovolného dobrovolníka“, který se rozhodne propůjčit k experimentování pod – byť třeba jen podvědomě cítěným – nátlakem (učitele, spolužáků apod.). Sledování vlastních nosních dírek skupinou spolužáků není právě činnost, kterou by každý student vítal.

  • Základy práce s termovizní kamerou - odkaz na PDF

    Tento experiment využívá termografické měření. Dokument Experimentujeme s termovizní kamerou shrnuje teorii termografie a základní doporučení a postupy, které mohou napomoci k přesnějším a nezkresleným výsledkům měření.

Typ pokusu: kvalitativní
Věková skupina: od 2. stupně základní školy
Potřebné vybavení: vyžaduje specifické pomůcky
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: do 3 minut
Pokus je zachycen na videu
Původní zdroj: Kácovský, P. (2016). Experimenty podporující výuku termodynamiky na
středoškolské úrovni. (Disertační práce.) Matematicko-fyzikální
fakulta UK, Praha.
×Původní zdroj: Kácovský, P. (2016). Experimenty podporující výuku termodynamiky na středoškolské úrovni. (Disertační práce.) Matematicko-fyzikální fakulta UK, Praha.