Капилляр в анатомии и технике¶

Капилляр (от лат. capillaris — «волосяной») — общее название для тонких трубчатых или нитевидных структур, встречающееся в нескольких областях знания. В биологии и медицине термин обозначает мельчайшие кровеносные и лимфатические сосуды; в физике и технике — узкие каналы, через которые жидкость поднимается под действием капиллярных сил; в материаловедении — тончайшие трещины и поры. Объединяющим признаком служит малый диаметр, обычно от долей микрометра до нескольких миллиметров, при котором определяющую роль начинают играть поверхностные явления.

¶Капилляры в биологии

¶Строение

Кровеносные капилляры — самые тонкие сосуды организма. Их стенка состоит из одного слоя эндотелиальных клеток, лежащего на базальной мембране. Диаметр просвета у человека составляет примерно 5–10 мкм, что сопоставимо с размером эритроцита (около 7 мкм). Именно поэтому эритроциты движутся по капиллярам поодиночке, а иногда деформируются, проходя через самые узкие участки.

Различают три основных типа капилляров:

• Непрерывные — с плотной стенкой без пор; характерны для мышц, кожи, лёгких, центральной нервной системы.
• Фенестрированные — со сквозными отверстиями (фенестрами) в эндотелии; встречаются в почках, кишечнике, эндокринных железах.
• Синусоидные (прерывистые) — с широкими щелями между клетками; находятся в печени, селезёнке, костном мозге.

¶Функции

Основная задача капилляров — обмен веществ между кровью и тканями. Через их стенки происходит переход кислорода, углекислого газа, воды, питательных веществ и продуктов обмена. Движущей силой служит разность гидростатического и онкотического давления на артериальном и венозном концах капилляра. Общая длина всех капилляров человеческого тела оценивается в 100 тыс. км, а суммарная площадь поверхности обмена — порядка 1000 м².

Лимфатические капилляры устроены иначе: они слепо замкнуты с одного конца и служат для сбора межклеточной жидкости, возвращая её в кровеносное русло.

¶Регуляция кровотока

Количество работающих капилляров в тканях меняется в зависимости от потребностей. В покое открыта лишь часть из них; при нагрузке происходит раскрытие дополнительных сосудов. Регуляция осуществляется гладкомышечными сфинктерами в местах отхождения капилляров от артериол, а также гуморальными факторами — гистамином, адреналином, оксидом азота.

¶Капиллярные явления в физике

В физике капилляром называют узкий канал, в котором поверхностное натяжение вызывает подъём или опускание жидкости. Высота подъёма описывается формулой Жюрена:

h = 2σ·cosθ / (ρ·g·r),

где σ — коэффициент поверхностного натяжения, θ — краевой угол смачивания, ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, r — радиус канала. Из формулы следует, что чем тоньше капилляр, тем выше поднимается смачивающая жидкость. Для воды в стеклянной трубке радиусом 0,1 мм подъём составляет около 15 см.

Если жидкость не смачивает стенки (θ > 90°), наблюдается обратный эффект — капиллярная депрессия, то есть опускание уровня, как у ртути в стекле.

¶Технические и природные примеры

Капиллярные эффекты широко распространены в природе и технике:

• Фитиль в керосиновой лампе или свече подаёт горючее к пламени за счёт капиллярного подъёма.
• Почва удерживает и перемещает влагу по тонким порам, что учитывается в агрономии и гидрогеологии.
• Бумага и ткань впитывают жидкость благодаря сети микроканалов между волокнами.
• Фитильные ручки и капиллярные пишущие узлы используют тот же принцип.
• Тепловые трубы в электронике и космической технике отводят тепло через пористые капиллярные структуры.
• Капиллярный электрофорез — аналитический метод разделения веществ в тонком канале под действием электрического поля.

¶Патологии и медицина

Нарушения в работе капилляров лежат в основе ряда заболеваний. Повышенная проницаемость стенок ведёт к отёкам; разрыв капилляров вызывает точечные кровоизлияния — петехии. Капилляроскопия — метод визуального осмотра капилляров ногтевого ложа — применяется для диагностики системных заболеваний, например системной склеродермии. Хрупкость капилляров связывают с недостатком витамина C (цинга) и некоторыми наследственными нарушениями соединительной ткани.

¶Капиллярность в материаловедении

В металловедении и строительной физике капиллярами называют тонкие трещины и поры, по которым проникает влага, что приводит к коррозии и разрушению конструкций. Контроль пористости бетона, керамики и композитов включает оценку капиллярного водопоглощения. В нефтедобыче капиллярные силы влияют на движение флюидов в пористой породе-коллекторе и учитываются при моделировании пласта.

¶Значение и обобщение

Понятие капилляра объединяет биологию, физику, технику и науки о материалах. Во всех случаях ключевую роль играют малый масштаб и поверхностные явления: в живом организме это обеспечивает обмен веществ, в неживой природе — перенос жидкости без внешних насосов. Изучение капиллярных систем остаётся актуальным для медицины, микрофлюидики, энергетики и материаловедения.