我們每天不斷地在呼吸,頻率是大約每分鐘呼吸10次!您是否有想過我們的呼吸過程為何能夠如此順暢?肺部讓我們吸入人體所需的氧氣,而且不只是這樣,它還能為我們清走人體內產生的廢物—二氧化碳,又讓大家能夠唱歌、大叫、甚至咯咯大笑。在這個活動裡,我們一起來製造一個肺部模型,藉此觀察空氣如何輕易地出入肺臟。
我們體內的所有細胞都需要氧氣,才能有效地產生能量。但細胞產生能量時,會製造二氧化碳。我們吸入新鮮空氣來獲取氧氣,然後呼出用過的空氣以清除體內的二氧化碳。然而,呼吸是如何運作的呢?
氣流通過我們的嘴或鼻子,沿著氣管,再分成兩條支氣管,進入左右兩邊肺臟;支氣管又會再分成許多越來越小的管道,這些管道的末端有微小的氣囊,稱為肺泡。我們的肺臟有數百萬個肺泡!這些氣囊的壁膜很薄,薄至氧氣和二氧化碳都可以穿過,然後進入或離開血液。血液則把氧氣輸送到幾乎人體的每個部位,然後又把二氧化碳帶回肺臟。
我們胸部大部分的空間都被肺臟佔用。胸廓的12對肋骨用來保護肺臟和其他器官,例如心臟。 我們不必細加思考,就能呼吸自如,因為這是個反射動作。當我們吸氣時,橫隔膜(即胸腔和腹腔之間的圓拱形肌肉)會變平,這樣胸腔會擴大,就可吸入空氣。呼氣時,橫隔膜放鬆,肺部自然收起,空氣被輕輕地擠出。
我們也可以用力呼吸。當我們運動、大聲唱歌或需要更多空氣或氧氣時,會用力深呼吸。我們會使用不同的肌肉來大幅增加胸部的容量。與放鬆呼吸的方式一樣,胸腔擴張會吸入空氣,進而填滿肺臟;胸腔鬆弛,就會把空氣排出來,肌肉還可以迫使胸腔進一步收縮,排出更多的空氣。在這種情況下,胸腔擴張和收縮的幅度較大,所以有更多的空氣流入和流出肺臟,使身體獲得更多氧氣供應,或者讓我們有更多的空氣來發出聲音。
當我們把結往後拉,寶特瓶裡的空間增加了,氣球也充滿空氣。同樣,當我們體內的橫隔膜向下移,胸腔的空間增加,空氣流進肺部,我們就吸入空氣。當我們把結往裡面推,寶特瓶內的空間減少,氣球變扁了。同樣道理,當橫隔膜放鬆,胸腔空間減少,空氣從肺部擠出來,我們就呼出空氣。
當我們把那個結用力往外拉或向內推,氣球會充氣和放氣多一點,這就與我們深呼吸的時候一樣,會有較大量的空氣進入或擠出。
這個情況是因為有氣壓(空氣擠壓物體的力量)的存在。當空氣所佔的空間減少,氣壓會增加,相反的,當空氣所佔的空間增加,氣壓就會減少。如果把空寶特瓶的瓶蓋扭緊,然後嘗試擠壓它;要把它壓扁很難!因為裡面的空氣會向外推(氣壓大) 。但如果打開寶特瓶,然後再次嘗試擠壓,這就容易得多了,因為空氣向外推的力量大大減小(氣壓較小)。除非遇到阻礙,否則空氣會從高壓區往壓力較低的地方移動,這就是空氣出入肺部的情況了。當胸腔擴大時,肺部周圍的空間多了,使肺部得以擴張,變成低壓區,空氣就會湧入,以平衡壓力的差距;呼氣時,胸腔和肺部收縮,肺部的氣壓增加,空氣就會跑出來。
本實驗來自《科學美國人》的「把科學帶回家」系列,並由3M科學家和合作夥伴主持。《科學美國人》准許複製由Science Buddies和Sabine De Branbandere創作的「我們如何呼吸」©2019。有關其他活動,請造訪「將科學帶回家」。