Physiologie des Menschen
HERZARBEIT
Die Arbeit ist definiert als als Produkt aus Kraft und Weg (A = N * m; Einheit Nm). Beim Herzen entspricht die dem Produkt aus Volumen und Druck (P * V) . Dabei wird ein bestimmtes Volumen unter Entwicklung von Druck gegen einen Strömungswiderstand verschoben. Im Druck / Volumendiagramm entspricht es der Fläche während des Herzzyklus.
Zur gesamten Herzarbeit addiert sich noch die Beschleunigungsarbeit, die aufgewendet werden muß, um die träge Masse des Blutes auf eine rel. große Geschwindigkeit zu beschleunigen. Sie errechnet sich nach der Formel für kinetische Energie mit ½ mv². Für den Druck P kann man dabei den systolischen Mitteldruck am Ventrikelausgang setzen (eigentlich müßte man die beiden zeitabhängigen Produktwerte über die Dauer der Austreibungszeit integrieren). Der systolische Mitteldruck beträgt ca. 110 mmHg ( 1mmHg = 133 N/m²) Für V setzt man das Schlagvolumen (Dimension m³). Bei der Beschleunigungsarbeit nimmt man die Masse des Blutes und die mittlere Auswurfgeschwindigkeit. Bei einem mittleren Druck von 110 mmHg in der linken Herzhälfte und 22 mmHg in der rechten Herzhälfte ergibt sich dabei:
Für den linken Ventrikel: 1,024 Nm
Für den rechten Ventrikel: 0,205 Nm
Für die Beschleunigungsarbeit im linken Ventrikel: 0,009 Nm
Für die Beschleunigungsarbeit im rechten Ventrikel: 0,009 Nm
Für die Gesamtarbeit: 1,089
Verglichen mit der Druck / Volumenarbeit des linken Ventrikels beträgt dessen Beschleunigungsarbeit nur 1%. Die vom ganzen Herzen zu leistende Arbeit wird überwiegend von der Größe des Schlagvolumens und von der Höhe des Aortendrucks bestimmt.
Der Anteil der Beschleunigungsarbeit an der gesamten Herzarbeit kann erheblich zunehmen, wenn die Auswurfleistung des Herzens größer wird und damit die Strömungsgeschwindigkeit des Blutes wächst. Auch bei Abnahme der Aortaelastizität im Alter wirkt sich im Sinne einer Vergrößerung der Beschleunigungsarbeit des Herzens aus, denn durch die Erstarrung des Windkessels sinkt die Geschwindigkeit während der Diastole ab. Der linke Ventrikel muß dann nicht nur das Schlagvolumen, sondern eine erheblich größere Blutmenge während der Systole beschleunigen. Unter derartigen Bedingungen kann die Beschleunigungsarbeit nahezu den Betrag der Druck / Volumen Arbeit erreichen.
Die Herzleistung ist Arbeit pro Zeit. Sie beträgt in Ruhe zw. 1 und 1,5 Watt.
Anmerkung:
Das für Leistungsmaschinen interessante sog. Leistungsgewicht (Gewicht pro Leistung) beträgt beim Herz etwa 3 N / W (= 3000 N / kW: sprich großes Gewicht und wenig Leistung; die Einheit für Gewicht ist Newton N: Gewicht ist Masse (ca.0,3 kg) mal Erdbeschleunigung ( 10 m/s); also ca. 3 N fürs Herz). Dies ist im Vergleich zu anderen Kraftmaschinen wie z.B. ein Automotor ( 40-70 N / kW) eine sehr ungünstige Relation, kann sich aber bei körperlicher Arbeit stark steigern, so daß sie dem technischer Pumpen nahe kommt.
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