Sistem pernapasan
Mamalia > Mekanika pernapasan

"Gerakan gagang pompa" dan "gerakan gagang ember" oleh tulang rusuk
Efek otot-otot inhalasi dalam memperluas sangkar rusuk. Gerakan khusus yang diilustrasikan di sini disebut gerakan gagang pompa oleh tulang rusuk.
Dalam gambar sangkar rusuk ini, kemiringan tulang rusuk bagian bawah, mulai dari garis tengah ke arah luar dapat terlihat dengan jelas. Hal ini memungkinkan gerakan yang mirip dengan "efek gagang pompa", tapi pada kondisi ini disebut "gerakan gagang ember". Perbedaan warna mengacu pada klasifikasi tulang rusuk, dan tidak relevan di sini.
Pernapasan tenang dan pernapasan paksa
Otot-otot pernapasan saat istirahat: inhalasi di sebelah kiri, ekshalasi di sebelah kanan. Otot-otot yang berkontraksi ditunjukkan dengan warna merah; otot-otot yang berelaksasi dengan warna biru. Kontraksi diafragma umumnya berkontribusi paling besar pada ekspansi rongga dada (biru muda). Namun, pada saat yang sama, otot-otot interkostal menarik tulang rusuk ke atas (efeknya ditunjukkan oleh panah) yang juga mengakibatkan sangkar rusuk mengembang selama inhalasi (lihat diagram di sisi lain halaman). Relaksasi semua otot-otot ini selama ekshalasi mengakibatkan sangkar rusuk dan perut (hijau muda) kembali secara elastis ke posisi istirahat mereka. Bandingkan dengan Gambar 6, video MRI yang menunjukkan gerakan dada selama siklus pernapasan.
Otot-otot pada pernapasan paksa (inhalasi dan ekshalasi). Kode warnanya sama dengan di sebelah kiri. Selain kontraksi diafragma yang lebih kuat dan ekstensif, otot-otot interkostalis dibantu oleh otot-otot aksesori inhalasi untuk memperbesar pergerakan tulang rusuk ke atas, mengakibatkan ekspansi sangkar rusuk yang lebih besar. Selama ekshalasi, terlepas dari relaksasi otot-otot inhalasi, otot-otot perut secara aktif berkontraksi untuk menarik tepi bawah sangkar rusuk ke bawah sehingga mengurangi volume tulang rusuk, dan pada saat yang sama mendorong diafragma jauh ke atas, ke dalam toraks.
Pada mamalia, inhalasi saat istirahat (pernapasan tenang) terutama disebabkan oleh kontraksi diafragma, yaitu lembaran otot berkubah ke atas yang memisahkan rongga dada dari rongga perut. Ketika diagfragma berkontraksi menjadi rata (bergerak ke bawah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7), volume rongga dada akan meningkat. Diafragma yang berkontraksi mendorong organ perut ke bawah. Akan tetapi, karena dasar panggul mencegah organ perut paling bawah bergerak lebih jauh, isi perut yang lentur menyebabkan perut membuncit ke arah depan dan samping, karena otot perut yang rileks tidak menahan gerakan ini (Gambar 7). Penonjolan perut yang sepenuhnya bersifat pasif (dan menyusut saat ekshalasi) selama pernapasan normal kadang-kadang disebut sebagai "pernapasan perut", meskipun sebenarnya lebih tepat disebut "pernapasan diafragma", yang tidak terlihat dari luar tubuh. Mamalia hanya menggunakan otot perutnya pada ekshalasi paksa (lihat Gambar 8, dan penjelasan di bawah), dan tidak pernah selama inhalasi dalam bentuk apa apa pun.
Saat diafragma berkontraksi, secara bersamaan sangkar rusuk diperbesar karena tulang rusuk ditarik ke atas oleh otot-otot interkostal seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Semua tulang rusuk miring ke bawah, dari belakang ke depan (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4); tetapi tulang-tulang rusuk terbawah juga miring ke bawah, dari garis tengah ke arah luar (Gambar 5). Dengan demikian, diameter transversal sangkar rusuk dapat ditingkatkan dengan cara yang sama seperti peningkatan diameter antero-posterior, yaitu  dengan gerakan gagang pompa yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Pembesaran dimensi vertikal rongga dada akibat kontraksi diafragma, dan pembesaran kedua dimensi horizontalnya akibat mengangkatnya bagian depan dan sisi tulang rusuk, menyebabkan tekanan intratoraks menurun. Interior paru-paru terbuka ke udara luar, dan karena bersifat elastis, menjadi mengembang untuk mengisi peningkatan ruang. Udara masuk ke paru-paru melalui saluran pernapasan (Gambar 2). Pada kondisi sehat, saluran udara ini (mulai dari hidung atau mulut, dan berakhir di kantung buntu mikroskopis yang disebut alveoli) selalu terbuka, meskipun diameter berbagai bagian dapat diubah oleh sistem saraf simpatik dan parasimpatik. Oleh karena itu, tekanan udara alveolar selalu mendekati tekanan udara atmosfer (sekitar 100 kPa di permukaan laut) saat istirahat, dengan gradien tekanan yang menyebabkan udara bergerak masuk dan keluar dari paru-paru selama bernapas jarang melebihi 2-3 kPa.
Selama ekspirasi, otot diafragma dan otot interkostal berlaksasi. Hal ini mengembalikan dada dan perut ke posisi yang ditentukan oleh elastisitas anatomi mereka. Kondisi ini merupakan "posisi istirahat menengah" dari toraks dan perut (Gambar 7) ketika paru-paru menampung kapasitas residual fungsional udara (area biru muda di ilustrasi sebelah kanan Gambar 7), yang pada manusia dewasa volumenya sekitar 2,5-3,0 liter (Gambar 3). Ekshalasi saat istirahat berlangsung sekitar dua kali lebih lama dari inhalasi karena diafragma secara pasif berelaksasi dengan lebih tenang dibandingkan kontraksi aktif selama inhalasi.
Volume udara yang bergerak masuk atau keluar (di hidung atau mulut) selama satu siklus pernapasan disebut volume tidal. Pada manusia dewasa yang beristirahat, volume ini sekitar 500 ml per napas. Pada akhir ekshalasi, saluran udara mengandung sekitar 150 ml udara alveolar yang merupakan udara pertama yang dikembalikan ke dalam alveoli selama inhalasi. Volume udara ini, yang dihembuskan keluar dari alveoli dan kembali lagi, dikenal sebagai ventilasi ruang mati, yang memiliki konsekuensi bahwa dari 500 ml udara yang dihirup ke dalam alveoli setiap kali bernapas, hanya 350 ml (500 ml - 150 ml = 350 ml) yang merupakan udara segar yang hangat dan lembab. Karena 350 ml udara segar ini dicampur secara menyeluruh dan diencerkan oleh udara yang tersisa di alveoli setelah ekshalasi normal (yaitu kapasitas residual fungsional sekitar 2,5-3,0 liter), komposisi udara alveolar hanya sangat sedikit berubah selama siklus pernapasan (lihat Gambar 9). Ketegangan (atau tekanan parsial) oksigen tetap mendekati 13-14 kPa (sekitar 100 mm Hg), sedangkan karbon dioksida sangat mendekati 5,3 kPa (atau 40 mm Hg). Hal ini kontras dengan komposisi udara luar yang kering di permukaan laut, dengan tekanan parsial oksigen adalah 21 kPa (atau 160 mm Hg) dan karbon dioksida 0,04 kPa (atau 0,3 mmHg).
Saat bernapas dengan berat (hiperpnea), misalnya selama berolahraga, inhalasi terjadi akibat kontraksi diafragma yang bergerak lebih kuat dan lebih besar dibandingkan saat istirahat (Gambar 8). Selain itu, "otot aksesori inhalasi" turut melebih-lebihkan aksi otot interkostal (Gambar 8). Otot aksesori inhalasi ini adalah otot yang membentang dari tulang leher dan pangkal tengkorak hingga tulang rusuk atas dan sternum, kadang-kadang melalui perlekatan perantara pada tulang selangka (klavikula). Ketika mereka berkontraksi, volume internal sangkar rusuk meningkat jauh lebih besar dibandingkan yang dapat dicapai dengan kontraksi otot-otot interkostal saja. Dilihat dari luar tubuh, terangkatnya tulang selangka selama inhalasi berat kadangkala disebut pernapasan klavikular atau pernapasan dangkal, yang terlihat terutama selama serangan asma dan pada orang dengan penyakit paru obstruktif kronis.
Selama pernapasan berat, ekshalasi disebabkan oleh relaksasi semua otot inhalasi. Tetapi sekarang, otot-otot perut, bukannya tetap rileks (seperti saat istirahat), malah berkontraksi dengan paksa, menarik tepi bawah tulang rusuk ke arah bawah (depan dan samping) (Gambar 8). Hal ini tidak hanya mengurangi ukuran tulang rusuk secara drastis, tetapi juga mendorong organ-organ perut ke atas melawan diafragma, sehingga menggelembung jauh ke dalam toraks (Gambar 8). Volume paru akhir pernapasan sekarang jauh di bawah posisi tengah istirahat dan memuat jauh lebih sedikit udara dibandingkan "kapasitas residual fungsional" saat istirahat. Namun, pada mamalia normal, paru-paru tidak dapat dikosongkan sepenuhnya. Pada manusia dewasa selalu ada setidaknya 1 liter udara yang tersisa di paru-paru setelah pernapasan maksimum.
Irama pernapasan masuk dan keluar yang berlangsung otomatis, dapat terganggu oleh batuk dan bersin (bentuk pernapasan yang sangat kuat), oleh ekspresi berbagai emosi (tertawa, menghela nafas, menangis kesakitan) dan oleh tindakan seperti berbicara, menyanyi, bersiul, dan memainkan alat musik tiup. Semua tindakan ini bergantung pada otot-otot yang dijelaskan di atas, dan berpengaruh terhadap pergerakan masuk dan keluarnya udara dari paru-paru.
Meskipun bukan bentuk pernapasan, manuver Valsava melibatkan otot-otot pernapasan. Faktanya, tindakan ini adalah upaya pernapasan yang sangat kuat terhadap celah suara yang tertutup rapat, sehingga tidak ada udara yang bisa keluar dari paru-paru. Sebaliknya, isi perut digerakkan ke arah yang berlawanan, melalui lubang di dasar panggul. Otot-otot perut berkontraksi dengan sangat kuat, menyebabkan tekanan di dalam perut dan dada meningkat sangat tinggi. Manuver Valsava dapat dilakukan secara sukarela, tetapi umumnya terjadi secara refleks ketika mencoba mengosongkan perut selama, misalnya, buang air besar yang sulit, atau saat melahirkan. Pernapasan berhenti selama manuver ini.