Pressione, volume, flusso e resistenza

Il movimento dei liquidi e dei gas nel sangue si verifica lungo un gradiente di pressione (ΔP) da regioni a pressione maggiore verso regioni a pressione minore. Il sangue può quindi scorrere nel sistema cardiovascolare solo se in una regione si sviluppa una pressione maggiore rispetto ad un'altra regione. Negli essere umani, l'aumento della pressione è generato a livello delle camere cardiache quando queste si contraggono. Il sangue scorre dal cuore (regione ad alta pressione) verso il circuito chiuso dei vasi sanguigni (regione a bassa pressione). Quando il sangue scorre attraverso il sistema, la pressione diminuisce a causa dell'attrito tra il liquido e la parete dei vasi sanguigni. Di conseguenza, la pressione diminuisce continuamente man mano che il sangue si allontana dal cuore. La pressione più elevata nei vasi del sistema circolatorio si trova a livello dell'aorta e delle arterie sistematiche, dato che esse ricevono il sangue dal ventricolo sinistro; la pressione più bassa è invece riscontrabile a livello delle vene cave proprio nel punto in cui queste si svuotano nell'atrio di destra. In generale, la pressione di un liquido corrisponde alla forza esercitata dal liquido stesso sulle pareti del contenitore ed è, spesso, misurata in millimetri di mercurio (mmHg). Se il liquido non è in movimento, la pressione è definita pressione idrostatica. Invece, la pressione esercitata da un liquido in movimento presenta due componenti: (1) una componente dinamica, che rappresenta l'energia cinetica del sistema e (2) una componente laterale, che rappresenta la pressione idrostatica (energia potenziale) esercitata sulle pareti del sistema. Di solito, la pressione all'interno del nostro sistema cardiovascolare è definita pressione idrostatica, nonostante questo sia un sistema in cui il liquido è in movimento. Se le pareti di un contenitore pieno di liquido si contraggono (si riducono), la pressione esercitata sul liquido aumenta. Possiamo dimostrarlo riempendo un palloncino di acqua e schiacciandolo con la mano. Poiché l'acqua non può essere compressa, la pressione applicata al palloncino sarà trasmessa al liquido, e si formeranno dei rigonfiamenti. A livello cardiaco, la contrazione del ventricolo ripieno di sangue è simile allo schiacciamento del palloncino pieno d'acqua: la pressione generata dalla contrazione muscolare è trasferita al sangue. Questo liquido ad alta pressione presente nel ventricolo fluisce poi vero le arterie, spostando il liquido che esse già contengono. La pressione generata all'interno dei ventricoli è definita pressione di spinta poiché corrisponde alla forza che spinge il sangue nei vasi sanguigni. Inoltre, se le pareti di un contenitore pieno di liquido si espandono, la pressione esercitata sul liquido diminuisce. Perciò quando il cuore si rilascia e si espande, la pressione presente nelle camere ripiene di sangue diminuisce. Variazioni di pressione possono verificarsi anche a livello dei vasi sanguigni: se i vasi si dilatano, la pressione al loro interno diminuisce, se invece, i vasi si contraggono, la pressione del sangue aumenta.
Come abbiamo visto prima, affinché il sangue possa scorrere attraverso il sistema circolatorio deve essere presente un gradiente di pressione; questo gradiente di pressione è analogo alla differenza di pressione presenta tra le due estremità di un tubo attraverso il quale scorre il liquido. Il flusso attraverso il tubo è direttamente proporzionale (∞) al gradiente di pressione (ΔP): Flusso ∞ ΔP, dove  ΔP=P1-P2. Questa relazione afferma che tanto più è elevato il gradiente di pressione tanto maggiore sarà il flusso di liquido. Dunque se un tubo ha una pressione assoluta, ad esempio, di 100 mmHg ad entrambe le estremità, il gradiente di pressione è nullo e non ci sarà alcun flusso attraverso il tubo. Se invece, abbiamo un tubo che presenta ad un estremità una pressione idrostatica di 100 mmHg e all'altra di 75 mmHg, ha un gradiente di pressione di 25 mmHg, quindi il fluido attraverserà il tubo. Bisogna ricordare che se abbiamo un altro tubo con lo stesso gradiente di pressione (25 mmHg) ma diversa pressione idrostatica alle due estremità, il flusso del liquido sarà identico nei due condotti.

In un sistema ideale, un oggetto o del materiale in movimento dovrebbero restare in movimento. Non esiste tuttavia un sistema ideale poiché tutti i movimenti generano attrito. Anche il sangue che scorre nei vasi incontra attrito: questo è dovuto allo scorrimento del sangue sulle pareti del vasi e alle cellule del sangue stesso che scorrono le une sulle altre durante il movimento. La tendenza del sistema cardiovascolare a opporsi allo scorrimento del sangue è detta resistenza del sistema al flusso. Il flusso sanguigno sceglie il percorso che presenta la resistenza minore. Un aumento della resistenza di un vaso sanguigno determina una diminuzione del flusso attraverso quel vaso. Possiamo descrivere questa relazione nel modo seguente:
Flusso ∞ 1/R
Questa espressione afferma che il flusso è inversamente proporzionale alla resistenza: se la resistenza aumenta, il flusso diminuisce; se la resistenza diminuisce, il flusso aumenta. Di solito, per un liquido che scorre in un tubo, la resistenza è influenzata da tre parametri: (1) il raggio del tubo, r, (2) la sua lunghezza, L, e (3) la viscosità (densità) del liquido, η (eta). La seguente equazione, descritta dal medico francese Jean Leonard Poiseuille e nota come legge di Poiseuille, mostra la relazione tra questi fattori:                          R = 8 Lη / πr4
Poiché il valore 8/π è costante, questo fattore può essere omesso dall'equazione e la relazione può essere riscritta, in questo modo:                    R ∞ Lη / r4
Questa equazione afferma che: (1) la resistenza al flusso aumenta se la lunghezza del tubo aumenta; (2) la resistenza al flusso aumenta se la viscosità del liquido aumenta; ma (3) la resistenza al flusso diminuisce se aumenta il raggio del tubo. Comunque, la lunghezza della circolazione sistematica è determinata dall'anatomia del sistema ed è essenzialmente costante. La viscosità del sangue è determinata dal rapporto tra globuli rossi e plasma e dalla concentrazione delle proteine plasmatiche. Anche in questo caso, in condizioni non patologiche, si mantiene costante. Quindi, ciò  rende i cambiamenti del raggio dei vasi il principale fattore che influenza la resistenza nel sistema circolatorio. Quindi se consideriamo solo la resistenza (R) e il raggio (r) nell'ultima equazione, la relazione tra raggio e resistenza può essere espressa come segue:
R ∞ 1/r4
Infatti, un piccolo cambiamento del raggio del tubo avrà un grande effetto sul flusso del liquido che scorre in quel tubo. Ne consegue che una piccola variazione del raggio di un vaso sanguigno ha un notevole effetto sulla resistenza al flusso offerta da quel vaso. Una diminuzione del diametro dei vasi sanguigni è definita vasocostrizione, mentre un aumento del diametro dei vasi è detto vasodilatazione. La vasocostrizione diminuirà il flusso del sangue attraverso il vaso, mentre la vasodilatazione lo aumenterà. In conclusione, dalla combinazione delle equazione  Flusso ∞ ΔP e Flusso ∞ 1/R, viste in precedenza, possiamo ricavare l'equazione:
Flusso ∞ ΔP/R
Quindi, possiamo dedurre, che il flusso del sangue all'interno del sistema circolatorio è direttamente proporzionale al gradiente di pressione nel sistema e inversamente proporzionale alla resistenza del sistema al flusso.

In generale il termine flusso, in fisiologia, è inteso nel senso di portata (flusso di volume), cioè il volume di sangue che passa attraverso una sezione trasversale di un condotto nell'unità di tempo. Nel sistema circolatorio, il flusso è espresso in litri al minuto (L/min) o in millilitri al minuto (mL/min). Per esempio, il flusso di sangue attraverso l'aorta in un uomo di 70 Kg a riposo è di circa 5 L/min. La portata non deve essere confusa con la velocità di flusso, la distanza che un determinato volume di sangue percorre in un'unità di tempo. La velocità di flusso misura la rapidità con cui il sangue attraversa una sezione perpendicolare all'asse longitudinale del vaso. Mentre, la portata misura la quantità (volume) di sangue che attraversa una sezione perpendicolare dell'asse longitudinale del vaso in un dato periodo di tempo. La relazione tra velocità di flusso (v), portata (Q) e area della sezione trasversa di un tubo (A) è espressa dall'equazione:
v = Q/A
che afferma che la velocità di flusso attraverso un tubo equivale al rapporto tra la portata e l'area della sezione trasversa. In un tubo di diametro costante (area costante) la velocità di flusso è direttamente proporzionale alla portata. In un tubo di diametro variabile, se la portata è costante, la velocità di flusso varierà in modo inversamente proporzionale al diametro del condotto. In altri termini, la velocità sarà maggiore attraverso una sezione stretta e minore attraverso una sezione ampia.