Section 8.11

Section 8.9 Arteriosclerosis and Blood Flow

For the body at rest, the flow velocity in the aorta is below this value. But as the level of physical activity increases, the flow in the aorta may exceed the critical rate and become turbulent. In the other parts of the body, however, the flow remains laminar unless the passages are abnormally constricted.

Laminar flow is quiet, but turbulent flow produces noises due to vibrations of the various surrounding tissues, which indicate abnormalities in the circulatory system. These noises, called bruit, can be detected by a stethoscope and can help in the diagnosis of circulatory disorders.

8.9Arteriosclerosis and Blood Flow

Arteriosclerosis is the most common of cardiovascular diseases. In the United States, an estimated 200,000 people die annually as a consequence of this disease. In arteriosclerosis, the arterial wall becomes thickened, and the artery is narrowed by deposits called plaque. This condition may seriously impair the functioning of the circulatory system. A 50% narrowing (stenosis) of the arterial area is considered moderate. Sixty to seventy percent is considered severe, and a narrowing above 80% is deemed critical. One problem caused by stenosis is made clear by Bernoulli’s equation. The blood flow through the region of constriction is speeded up. If, for example, the radius of the artery is narrowed by a factor of 3, the cross-sectional area decreases by a factor of 9, which results in a nine-fold increase in velocity. In the constriction, the kinetic energy increases by 92, or 81. The increased kinetic energy is at the expense of the blood pressure; that is, in order to maintain the flow rate at the higher velocity, the potential energy due to pressure is converted to kinetic energy. As a result, the blood pressure in the constricted region drops. For example, if in the unobstructed artery the flow velocity is 50 cm/sec, then in the constricted region, where the area is reduced by a factor of 9, the velocity is 450 cm/sec. Correspondingly, the pressure is decreased by about 80 torr (see Exercise 8-8). Because of the low pressure inside the artery, the external pressure may actually close off the artery and block the flow of blood. When such a blockage occurs in the coronary artery, which supplies blood to the heart muscle, the heart stops functioning.

Stenosis above 80% is considered critical because at this point the blood flow usually becomes turbulent with inherently larger energy dissipation than is associated with laminar flow. As a result, the pressure drop in the situation presented earlier is even larger than calculated using Bernoulli’s equation.

Further, turbulent flow can damage the circulatory system because parts of the flow are directed toward the artery wall rather than parallel to it, as in laminar Chapter 8 The Motion of Fluids flow. The blood impinging on the arterial wall may dislodge some of the plaque deposit which downstream may clog a narrower part of the artery. If such clogging occurs in a cervical artery, blood flow to some part of the brain is interrupted causing an ischemic stroke.

There is another problem associated with arterial plaque deposit. The artery has a specific elasticity; therefore, it exhibits certain springlike properties. Specifically, in analogy with a spring, the artery has a natural frequency at which it can be readily set into vibrational motion. (See Chapter 5, Eq. 5.6.) The natural frequency of a healthy artery is in the range 1 to 2 kilohertz. Deposits of plaque cause an increase in the mass of the arterial wall and a decrease in its elasticity. As a result, the natural frequency of the artery is significantly decreased, often down to a few hundred hertz. Pulsating blood flow contains frequency components in the range of 450 hertz. The plaquecoated artery with its lowered natural frequency may now be set into resonant vibrational motion, which may dislodge plaque deposits or cause further damage to the arterial wall.

8.10Power Produced by the Heart

The energy in the flowing blood is provided by the pumping action of the heart. We will now compute the power generated by the heart to keep the blood flowing in the circulatory system.

The power PH produced by the heart is the product of the flow rate and the energy per unit volume of the blood; that is,





cm3

erg

PH  Q × E× erg/sec

(8.9)

sec

cm2

At rest, when the blood flow rate is 5 liter/min, or 83.4 cm3/sec, the kinetic energy of the blood flowing through the aorta is 3.33 × 103 erg/cm3. (See previous section.) The energy corresponding to the systolic pressure of 120 torr is 160 × 103 erg/cm3. The total energy is 1.63 × 105 erg/cm3—the sum of the kinetic energy and the energy due to the fluid pressure. Therefore, the power produced by the left ventricle of the heart is  83.4 × 1.63 × 105  1.35 × 107 erg/sec  1.35 W Exercise 8-9 shows that during intense physical activity when the flow rate increases to 25 liters/min, the peak power output of the left ventricle increases to 10.1 W.