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.
