Чтобы вдохнуть воздух, человек при помощи мышц расширяет грудную клетку. Почему воздух входит при этом в лёгкие? Как происходит выдох?

Чтобы понять процессы вдоха и выдоха, нужно разобраться в принципах работы дыхательной системы человека и в законах физики, связанных с давлением и движением газов.

1. Принципы работы дыхательной системы:
   Лёгкие человека расположены в грудной клетке, которая образована рёбрами, межрёберными мышцами и диафрагмой (мышечной пластиной, находящейся между грудной и брюшной полостями). Сами лёгкие не содержат мышц, способных их расширять или сжимать. Вместо этого изменение объёма лёгких происходит за счёт работы мышц грудной клетки и диафрагмы.

2. Атмосферное давление и давление в грудной клетке:
   Давление газа — это сила, которую молекулы газа оказывают на стенки сосуда, в котором находятся. Атмосферное давление — это давление воздуха, окружающего тело человека. Внутри грудной клетки, в плевральной полости (пространство между лёгкими и грудной стенкой), давление отличается от атмосферного и играет ключевую роль в процессе дыхания.

3. Вдох:
   Чтобы воздух вошёл в лёгкие, необходимо, чтобы давление внутри лёгких стало меньше, чем атмосферное давление. Это происходит следующим образом:

   • Диафрагма сокращается и опускается вниз, увеличивая объём грудной полости.
   • Межрёберные мышцы сокращаются, поднимая рёбра и расширяя грудную клетку.
   • В результате увеличения объёма грудной клетки лёгкие также растягиваются, так как плевральная полость передаёт движение грудной клетки лёгким. Когда объём лёгких увеличивается, давление внутри них падает (по закону Бойля−Мариотта: при увеличении объёма газа его давление уменьшается).
   • Разница между атмосферным давлением и давлением внутри лёгких заставляет воздух из окружающего пространства входить в лёгкие через дыхательные пути (нос, гортань, трахею, бронхи).

4. Выдох:
   Выдох — это процесс, обратный вдоху, и он происходит, когда давление внутри лёгких становится больше, чем атмосферное давление. Это обеспечивается следующими механизмами:

   • Диафрагма расслабляется и поднимается вверх, уменьшая объём грудной полости.
   • Межрёберные мышцы расслабляются, рёбра опускаются, и грудная клетка возвращается в исходное положение.
   • Лёгкие, благодаря своей эластичности, сжимаются, уменьшая свой объём.
   • Уменьшение объёма лёгких приводит к увеличению давления внутри них (в соответствии с законом Бойля−Мариотта).
   • Разница между давлением внутри лёгких и атмосферным давлением заставляет воздух выходить наружу через дыхательные пути.

5. Роль диффузии газа:
   В процессе дыхания происходит газообмен между кровью и воздухом в лёгких. Кислород из воздуха поступает в кровь через альвеолы, а углекислый газ, образующийся в результате обмена веществ, выделяется из крови в лёгкие и выводится наружу при выдохе. Этот процесс осуществляется благодаря разнице концентраций газов (градиенту концентраций) и диффузии.

Таким образом, движение воздуха при вдохе и выдохе объясняется физическими законами, связанными с изменением объёма, давления и движением газов по градиенту давления. Мышцы грудной клетки и диафрагма играют ключевую роль в обеспечении изменений объёма лёгких и давления внутри них.