Как человек ощущает холод. Что такое холод с точки зрения физики? Проблемы с кровеносными сосудами

Существует ряд очень простых вопросов, ответы на которые кажутся нам столь очевидными, что выдаются автоматически, без подключения мыслительного аппарата.


К примеру, всем, от мала до велика, известно, что такое холод. С точки зрения физики ответ будет далеко не простым, поскольку затронет основополагающие понятия этой науки.

Существует ли холод?

Многим из нас вопрос, существует ли вообще холод, покажется нелепым и бессмысленным. Конечно, холод существует, ведь вы не раз его ощущали и даже испытывали из-за него дискомфорт. Но если посмотреть внимательнее, мы увидим, что понятие холода – это всего лишь производное от понятия тепла: когда тепла много, мы ощущаем жар, когда его недостаточно – чувствуем холод.

Таким образом, с точки зрения физики, холода объективно не существует, это всего лишь недостаточное количество тепла. Согласно одной из легенд, популярных в мире учёных, впервые на эту проблему обратил внимание Альберт Эйнштейн, причём ещё в то время, когда был студентом.

При помощи собственных ощущений мы можем определять тепло и холод в достаточно узком диапазоне температур: всё, что нагрето выше 60-70 градусов Цельсия, будет для нас «очень горячим», а всё, что имеет температуру ниже нуля по Цельсию – «очень холодным».

Что говорят учебники физики?

Если открыть учебник физики, то именно это в нём и написано: холод – это состояние сравнительно низкой температуры, выражаемое в субъективном ощущении либо сравнении с более тёплым состоянием окружающей среды, предмета, субстанции. Т.е., говоря простыми словами, это недостаток тепла. На самом деле, какое-то количество тепла присутствует практически всегда, но если оно нам кажется недостаточным, то мы называем это состояние холодом.


В физике существует понятие абсолютного нуля, при котором вещества лишены тепловой энергии. Абсолютный нуль соответствует –273,15 градусам Цельсия, и в природе он возможен лишь в космическом вакууме и при полном отсутствии света или других излучений. В этом состоянии хаотическое движение элементарных частиц, свойственное всем без исключения веществам, полностью прекращается. Стоит веществу, находящемуся в состоянии полного покоя, получить хотя бы один квант тепловой энергии, движение частиц возобновляется.

Чем выше температура нагрева вещества, тем активнее и энергичнее движутся составляющие его частицы. Как известно, именно с этим связан процесс испарения: наиболее активные и подвижные отрываются от основной массы и в дальнейшем перемещаются уже среди молекул воздуха или иного газа.

Если же лишить частицы тепловой энергии, они становятся значительно менее подвижными. Внешне это выражается в выпадении капель конденсата или намерзании кристалликов инея на твёрдых поверхностях.

Охлаждение – процесс отъёма тепла

Чтобы сделать какой-либо предмет холодным, надо всего лишь отнять у него тепло, передав его излишек другому предмету или среде. Так, зимой достаточно поставить слишком горячий чай на открытый балкон, чтобы через несколько минут он остыл, отдав своё тепло окружающей среде. Летом мы, наоборот, охлаждаем свой напиток, бросая в стакан кусочки льда, которые постепенно тают, забирая лишнее тепло у сока или лимонада.

По принципу отъёма излишков тепла работают все современные холодильные установки. Изъятие тепловой энергии происходит за счёт испарения хладагента – специального вещества, которое активно испаряется при низкой температуре. Атомы хладагента отбирают тепловую энергию у воздуха, находящегося в камере холодильника, а тот, в свою очередь, охлаждает стенки камеры и лежащие на полках продукты.

Итак, что же такое холод?

Основываясь на вышеописанных примерах, мы можем уверенно утверждать: с точки зрения физики холода не существует. То, что мы называем холодом – всего лишь состояние недостаточного, с нашей точки зрения, тепла.


В целом же понятия «тёплого» и «холодного» являются нашими субъективными ощущениями: все предметы и среды, нагретые выше температуры нашего тела, будут казаться нам тёплыми или горячими, а всё, что имеет более низкую, чем наша кожа, температуру, покажется прохладным или холодным.

Наше тело — сложная система нерешённых химических уравнений. В неживой природе всё стремится к состоянию с наименьшей энтропией, хочет замереть или двигаться равномерно прямолинейно… Только жизнь заставляет атомы, из которых состоит тело, плясать, переходя из одной клетки в другую, распадаясь на части и объединяясь в новые группы, отдавая свои и забирая чужие электроны. Только смерть останавливает эту свистопляску. Иногда смерть наступает в результате того, что внешняя среда забирает энергию, которая должна быть потрачена на внутри- и межклеточное мельтешение. Тогда говорят, что человек замёрз насмерть.

Но быстро выкачать всю энергию из человеческого тела в обычных земных условиях очень сложно. Даже антарктический холод убивает не сразу. Остывая, человеческое тело борется со средой, мобилизует все ресурсы, затем начинает экономить остатки, и сдаётся только в самом конце.

До 32°С

Сначала сужаются кровеносные сосуды, ограничивая приток горячей крови к не очень жизненно важным конечностям: не до жиру, хватило бы для сердца и мозга. Это явление называется вазоконстрикцей. Затем поднимаются волоски на теле: организм пытается из наших небогатых человеческих материалов сделать теплоизолирующую шубу.

32 — 35°С

Человек начинает дрожать: это мышечные волокна бесконтрольно сокращаются в попытке согреть тело. Если вы не замерзали почти насмерть, вам такая дрожь вряд ли знакома: это настоящие конвульсии, а не лёгкое подрагивание в морозный вечер. Дрожь будет продолжаться, пока в мышечных клетках не закончатся запасы глюкозы.

Есть дрожь прекратилась, а тёплое убежище до сих пор не найдено, организму угрожает серьёзная опасность. Потратив на судороги все запасы энергии, и теперь их недостаточно даже для того, чтобы поддерживать активность мозга — самого ценного органа. Прошедшие через эти стадии люди рассказывают о спутанности мыслей, галлюцинациях, глухоте. Вазоконстрикция сменяется отчаянной попыткой организма согреть остывшие руки и ноги: кровь, до сих пор сосредоточенная вокруг внутренних органов груди и живота, а также мозга, вдруг устремляется по расширившимся сосудам к конечностям, и человеку становится… жарко. Помутнённый рассудок не позволяет воспользоваться этим внезапным согреванием для спасения; вместо этого замерзающие часто начинают раздеваться и оттого погибают быстрее.

30.5 — 29.5

В таком состоянии организм, как мобильный телефон, у которого садится батарейка, переходит в энергосберегающий режим: человек засыпает, а затем погружается в кому. Сердечный ритм нарушается, потом останавливается сердце. От кислородного голодания погибает мозг. Но на холоде — и это важно! — медленно идут не только процессы жизнедеятельности, но и процессы умирания. Это позволяет врачам реанимации вытаскивать с того света умирающих от холода в состояниях, в которых при нормальной температуре человека было бы не спасти.

Иногда это замедленное умирание от переохлаждение используют в медицине — правда, только в самых экстремальных случаях, для операций на сердце и мозге. Тело пациента охлаждают до 19−21 градусов. При такой температуре клетки потребляют меньше кислорода; это позволяет выключить из кровотока сердце или большую аневризму — патологическое расширение кровеносного сосуда. А чтобы пациент не дрожал на операционном столе, его заблаговременно погружают в глубокий наркоз. Охлаждают по‑разному: обкладывают мешками со льдом, обдувают холодным воздухом, чаще всего — погружают в холодную (8—10°С) воду, а иногда охлаждают кровь вне тела с помощью трубок и специальных воздушных или жидкостных холодильников.

Глубокая гипотермия даёт врачам несколько лишних минут для того, чтобы провести операцию, невозможную при нормальной температуре тела. Когда операция закончена, телу возвращают нормальную температуру. Особенно легко такие манипуляции переносят младенцы.

Почему мы чувствуем себя ужасно холодно от какой-либо лихорадки, однако наше тело становится горячее? Почему повышение температуры заставляет страдать холоднее? Кроме того, потоотделение символизирует улучшение условий. Зачем? {Этот вопрос был задан со ссылкой на личный опыт}

Ответы

Девашиш дас

Температура тела является результатом баланса между теплом, генерируемым нашими клетками, и теплом, «потерянным» для окружающей среды. Тепло, создаваемое нашими клетками, исходит от энергии, используемой для поддержания нашей жизни. Тепло теряется через нашу кожу и воздух, которым мы дышим. Люди имеют среднюю температуру 98,6 градусов по Фаренгейту. Мозг контролирует температуру тела и контролирует наши тела, чтобы поддерживать температуру в пределах нормы.

Если у вас жар, когда вы больны, это потому, что ваш мозг велел вашему телу нагреваться. Он направляет тело для внесения ряда изменений, чтобы исправить дисбаланс. Эти изменения включают в себя увеличение выработки тепла внутри тела (например, путем дрожания) и снижение потерь тепла в окружающую среду. Потеря тепла уменьшается за счет уменьшения притока крови к коже.

Shamayeta

Почему некоторые лихорадки также сопровождаются ознобом и дрожью... как малярийная лихорадка...?

Девашиш дас

@ Shamayeta: та же причина, тело пытаются нагреться, дрожа.

Shamayeta

@Devasish Сэр: Моя биографическая книга относится к HAEMOZOIN, который ответственен за дрожь во время малярии. Как работает гемозоин для повышения температуры тела?

Ощущение холода ниже 18 градусов проявляется как болезненное. Фото: bigpicture.ru

Теплая одежда зимой не дает нам замерзнуть. Шапка, пуховик, брюки, теплая обувь и перчатки предотвращают переохлаждение и обморожения. О том, как организм реагирует на холод и почему мы чувствуем низкие температуры, пишет likar.info.
Почему мы чувствуем холод
Реагировать на изменения температуры снаружи тела человек может благодаря наличию тепловых и холодовых рецепторов в коже. Вместе они называются температурными, но имеют отличие не только в функции, но и в месте расположения. Тепловые рецепторы расположены на глубине 0,3 мм от поверхности кожи, холодовые – 0,17 мм. Таким образом, на низкие температуры кожа реагирует быстрее, чем на высокие. И тепловые, и холодовые рецепторы располагаются в коже в шахматном порядке, на площадках около 1 мм2, в промежутках между ними есть болевые рецепторы, рецепторы давления.
Ощущение холода ниже 18 градусов проявляется как болезненное. Интересно, что равные по весу предметы разной температуры могут восприниматься по-разному: холодный предмет всегда будет казаться тяжелее.
Для того, чтобы воздействие холода воспринималось организмом, как ощущение, должно быть задействовано не менее 45 волокон, которые связывают рецепторы со спинным мозгом. Если доминанта уже сформировалась, то все прикосновения к охлажденному участку кожи будут восприниматься как холодные, утверждают ученые.
Что происходит в организме при воздействии холода
Когда реагируют рецепторы холода, сосуды капилляры кожи сужаются, и кровь перераспределяется в глубоких капиллярах. Основная часть крови концентрируется во внутренних органах: здесь усиливается кровоток, улучшается обмен. Это адаптационная реакция организма, которая помогает сохранить тепло и вырабатывать его больше.
В капиллярах кожи кровоток не останавливается: остается ровно столько, сколько необходимо для поддержания ее функций.
Потом кожа краснеет: это значит, что кровоток в капиллярах усилился, сюда стало поступать больше крови. Теперь организм заботится и о коже. Снижение температуры кожи уменьшает проницаемость сосудов и клеток, что повышает их сопротивляемость. Повышается тонус сосудов и мышц.
Если воздействие холода продолжается достаточно долго, то это приводит к снижению тонуса стенок сосудов и замедлению здесь кровотока. Это может привести к переохлаждению кожи и обморожению.
Почему холод бодрит
Проводящие пути от температурных рецепторов идут к ядрам таламуса и ретикулярной формации. Это образование в головном мозге, которое связывает нижние отделы мозга с корой, и активирует ее. Ретикулярная формация имеет важное значение в цикле сон-бодрствование. Когда сюда поступает большое количество импульсов от холодовых рецепторов, информация активно передается в кору головного мозга, и человек чувствует себя бодрее.
Резкое воздействие холода провоцирует выброс в кровь эндорфинов, и у человека повышается настроение.
Такая активация мозга приводит также к активаци защитных сил организма, укрепляет иммунитет. Тренировка организма холодом помогает каждый раз включать все адаптационные механизмы быстрее, и дольше сохранять их активность. Так работает закаливание.
Бодрящее воздействие оказывает только резкое охлаждение кожи, постепенное понижение температуры окружающей среды приводит к противоположному эффекту. Поэтому люди, которые долго находятся на морозе, могут заснуть и замерзнуть насмерть.
Польза холода для кожи
Воздействие холода на кожу может быть целительным, но эти свойства проявляются при резких кратковременных охлаждениях. Например, при умывании кубиком льда в коже активизируются процессы, которые отвечают за производство коллагена. Поэтому кожа при таком уходе долго будет оставаться подтянутой и свежей. Холод может быть средством от морщин.
При повышенном выделении кожного сала также помогает воздействие холода. Активность сальных желез постепенно снижается, выравнивается цвет лица.
Резкие охлаждения кожи способствуют активации обменных процессов, и кожа лучше снабжается питательными веществами. Это также продлевает ее молодость и улучшает внешний вид.
Такое же воздействие активирует иммунитет, и кожа становится менее склонна к воспалениям.

19 января по церковному календарю было Крещение, и тысячи людей в Петербурге окунались в проруби, называемые «купели». Температура воздуха при этом была -11 °С. Мороз и Солнце. Судя по данным из газет, окунулось в холодную воду Невы, Финского залива и озер более 60 000 человек. Отвечая на вопросы корреспондентов, большинство людей говорят, что они после такого купания испытывают обновление, подъем душевных сил и эйфорию, причем многие окунаются только раз в год - в Крещение. Безусловно, психологический настрой, вера в освященную воду, в очищение от грехов, делает погружение в холодную воду 19 января особенным. Известный факт, что в состоянии определенного психического настроя человек может перенести многое, что кажется невероятным в обычной жизни. Люди могут бегать по раскаленным углям, острым стеклам, поднимать тяжелые предметы и т.д. Однако не всем доступен такой настрой. В этой заметке мы не будем касаться психологии. Попробуем разобраться с точки зрения физиологии, как нормальный средний организм реагирует на холодную и горячую воду, как вообще мы способны оценить температуру воды и что может произойти с человеческим организмом при той или иной температуре.

Обратимся к ученым биологам.

В книге The Nervous System in Action , Майкл Мэн выделяет четыре основных типа рецепторов на коже человека, реагирующих на: прикосновение, боль, тепло и холод. Как видите температурных рецепторов два вида - некоторые реагируют только на тепло, другие только на холод. Рецепторов прикосновения больше всего - в среднем 50 на каждый кв. см. кожи. Они распределены по телу почти равномерно. Температурных рецепторов в десятки раз меньше и расположены они крайне не равномерно. Наибольшая концентрация рецепторов холода кончике носа, на ушах и на груди человека.

Согласно наблюдениям ученого, более или менее точно оценить температуру воды человек может только в диапазоне 37-38 °С, т.е при температурах, близким к нормальной температуре своего тела. Интересно, что люди, как правило, переоценивают высокие температуры и недооценивают низкие. Особенно ошибочные оценки даются для низких температур. Если температура воды 25 °С, то многие говорят, что это всего 10 °С. Ощущения и оценка температуры очень сильно зависит от того, какова первоначальная температура среды и какова скорость ее изменения. Рецепторы холода и рецепторы тепла меняют чувствительность. Например, начиная с 28 °С температура воды должна повысится на 1 °С, чтобы вызвать ощущение нагрева, и понизится только на 0,15 °С, чтобы вызвать ощущение охлаждения.

Измеряя частоту нервных импульсов от рецепторов на коже, ученые выяснили, что тепловые рецепторы начинают хорошо чувствовать тепло при 30 °С, максимальная чувствительность возникает при 45 °С, при более высокой температуре включаются рецепторы боли, предупреждая человека об опасности ожога. Рецепторы холода включаются ниже 35 °С (в диапазоне 30-35 °С действуют оба типа рецепторов: холода и тепла). Однако при температуре около 5 °С рецепторы холода отключаются! Человек больше не ощущает холода или боли - поверхность кожи немеет. Поэтому при быстром погружении в ледяную воду холод и боль не ощущаются.

Вернемся к зимнему плаванью. Очевидно, что человек для такого вида развлечений не приспособлен. В отличие от животных, у нас нет ни перьев, ни достаточного слоя жира или меха. Как показывают наблюдения спасателей, даже длительное пребывание в воде с температурой ниже 25 °С может вызвать гипотермию (переохлаждение организма). Без надлежащей подготовки и экипировки мы беззащитны перед холодом.

Однако у человека есть развитый мозг, с помощью которого он может проанализировать все опасности зимнего плаванья и даже получать от этого удовольствие. Именно эта мысль мне очень понравилась в статье на интересном Интернет сайте loneswimmer.com, соданном одним опытным пловцом, увлекающимся зимним плаванием. Нельзя просто лезть в ледяную воду, не подготовившись и не зная возможных последствий и реакции организма. Это очень опасно.

Само по себе погружение в холодную воду обычно мысленно отторгается человеком, причем даже опытные моржи практически каждый раз преодолевают определенного рода барьер перед входом в воду. Это нормально, это защитный рефлекс.

Опасность для организма представляет не столько переохлаждение, сколько термический шок. Первые несколько секунд погружения кажутся новичку самыми трудными, но это не так. Самое опасное время после погружения - от 30 сек до 3 мин. Именно в это время может произойти термический холодный шок. Что происходит в это время? У человека есть рефлекс ныряния, как отклик на внезапное погружение. Под водой автоматически происходит задержка дыхания, уменьшение частоты пульса и скорости циркуляции крови. Но при температуре воды ниже 15 °С рефлекс ныряния выключается от холодного шока.

Что при этом происходит?

Частота дыхания увеличивается, недостаток кислорода при учащенном дыхании может вызвать головокружение и спутанность сознания;

Способность задерживать дыхание в воде снижается с 1 мин. до 10 сек.;

Поверхностные кровяные сосуды закрываются, вызывая внезапное повышение кровяного давления, что может привести к инсульту;

Самое страшное, что Вы можете случайно вдохнуть с опущенным в воду лицом и захлебнуться;

Шок может спровоцировать неспособность управлять телом и плыть, что также приводит к тому, что пловец тонет.

Все эти симптомы возникают при первых погружениях в холодную воду и это необходимо отчетливо представлять. Регулярные тренировки организма устраняют острую реакцию организма на холод, но не до конца. Температура, при которой наступает холодный шок, различная для разных людей в зависимости от тренированности. Некоторые опытные пловцы чувствуют шок только при температурах ниже 10 °С.

Есть люди, которые действительно регулярно плавают зимой в проруби и получают от этого удовольствие. Но не верьте тем, кто говорит, что любой из нас может сразу же войти в ледяную воду и ничего плохого от этого ему не будет. Хочу закончить словами автора вышеупомянутого великолепного сайта, созданного опытным человеком для зимних пловцов:

Плавать в холодной воде опасно и трудно. Для этого требуются постоянные тренировки организма. Никто не делает этого естественно и легко, и здесь главный ваш помощник - знание.