Механические свойства и механическая модель мышцы реферат
Обновлено: 04.07.2024
При исследовании жёсткости в диапазоне малых синусоидальных деформаций напряжение сердечной мышцы удовлетворяет закону Гука. В этом случае модуль упругости зависит от начальной длины мышцы, температуры и вида объекта. В желудочке кролика при 300С и l = 1,14 l0 Е = 2,6 105 Н/м2, при l = 1,23 l0 Е = 5,7 105 Н/м2 и при l = 1,31 l0 Е = 8,9 105 Н/м2. В предсердии значения модуля упругости… Читать ещё >
Механические свойства биологических тканей ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )
Механические свойства биологических тканей
1. Механические свойства биологических тканей. Вязкоупругие, упруговязкие и вязкопластичные системы. Механические свойства мышц, костей, кровеносных сосудов, легких
1.1 Задачи, объекты и методы биомеханики
1.2 Значение биомеханики для медицины
1.3 Биомеханика опорно-двигательной системы человека. Биомеханические аспекты остеогенеза
1.4 Сочленения и рычаги в опорно-двигательном аппарате человека
1.5 Эргометрия. Механические свойства тканей организма Список использованных источников
На рисунке даны характерные диаграммы экспериментально установленных зависимостей между напряжениями и деформациями в продольном направлении различных артериальных сосудов: 1 — подвздошная артерия, 2 — внутренняя сонная артерия.
1.1 Задачи, объекты и методы биомеханики Биомеханика — раздел биофизики, изучающий механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также физические явления, происходящие в них в процессе жизнедеятельности и перемещения тела в пространстве (при движениях, дыхании, кровообращении).
Опираясь на данные анатомии и используя методы теоретической и прикладной механики, биомеханика исследует деформации структурных элементов тела, движение жидкостей и газов в живом организме, перемещения звеньев тела относительно друг друга и всего тела в пространстве, устойчивость и управляемость движений, и другие вопросы, доступные методам механики.
Биомеханика движений исследует структуру опорно-двигательного аппарата (характер подвижных сочленений, число степеней свободы), кинематику движений (скорость, ускорения, траектории), динамику движений — картину действующих сил. Чаще всего задача биомеханического исследования состоит в том, чтобы по кинематическим характеристикам движения определить картину действующих сил.
Современная биомеханика не ограничивается анализом движений. Сфера приложения биомеханики расширяется, и сейчас она включает в себя изучение дыхательной системы, системы кровообращения, специализированных рецепторов и т. п.
Биомеханика дыхательного аппарата изучает кинематику и динамику дыхательных движений, сопротивление дыханию, обусловленное трением воздуха при движении по гортани, трахее и бронхам (неэластическое сопротивление), сопротивление, связанное с упругостью грудной клетки, эластичностью тканей легких, а также поверхностным натяжением жидкости, тонким слоем покрывающим аловеолы (эластическое сопротивление).
Биомеханика кровообращения изучает реологические свойства крови, сосудистой стенки и периваскулярных тканей, особенности тока крови в ветвящихся сосудах, в сосудах малого диаметра и капиллярах, гидродинамические явления в полостях сердца и магистральных сосудах, возникновение акустических колебаний в сердечно-сосудистой системе, вопросы теплообмена и др.
Начало исследований по биомеханике было положено Леонардо да Винчи. Изучая полет птиц и движения человека, работу скелетных мышц и сердца, механику дыхания и голосообразования, он считал, что функционирование ряда систем организма подчинено законам механики.
Методы биомеханических исследований включают различные приемы регистрации положения и движения тела, измерений силы групп мышц, моментов инерции звеньев тела и др. Для изучения положения тела существуют приборы, позволяющие определять положение общего центра тяжести по отношению к поверхности опоры, величину опорного контура, степень устойчивости тела в пространстве. Для регистрации движений используются различные варианты световой записи.
Циклография заключается в регистрации на неподвижной фотопластинке нескольких избранных точек движущегося тела. Для регистрации движений, траектории которых могут накладываться друг на друга (например, циклические движения), применяют кимоциклографию — регистрацию движений на равномерно движущейся пленке. Система обработки циклограмм (циклограмметрия) позволяет по циклограмме определить амплитуду движения, скорости и ускорения. Большое распространение получили методы электрической регистрации биомеханических параметров движения. С помощью различных датчиков можно непосредственно регистрировать кривые движения в суставах, составляющие опорных реакций и точку приложения их равнодействующей, линейные и угловые скорости и ускорения и др.
При изучении рабочих движений человека используют специальные насадки к рабочему инструменту с датчиками, позволяющими регистрировать величину прилагаемых мышечных моментов в различных плоскостях, силу удара и т. п. При электрической регистрации параметров движения возможен их непосредственный ввод в ЭВМ. Это даёт возможность получения в реальном масштабе времени таких важнейших показателей движения, как моменты сил, действующих в суставе, работа и мощность.
1.2 Значение биомеханики для медицины Результаты биомеханических исследований представляют интерес для физиологии и клинической медицины. На основе этих исследований могут быть составлены биомеханические характеристики органов и систем организма, знание которых является важнейшей предпосылкой для изучения процессов регуляции. Значительный интерес биомеханика представляет для протезирования. Многие характеристики опорно-двигательного аппарата используются при проектировании других технических систем (бионика).
Ряд биомеханических показателей состояния кровообращения (например, баллистокардиография, динамокардиография) и дыхания играет роль важных количественных показателей в диагностике, в определении показаний и противопоказаний к операциям на сердце и лёгких.
1.3 Биомеханика опорно-двигательной системы человека. Биомеханические аспекты остеогенеза Остео — (греч. osteou) — кость.
Генез — (греч. genesis) — часть сложного слова, означающая: связанный с процессом образования, возникновения.
Изучение динамики опорно-двигательной системы человека имеет целью изучить закономерности движения организма в пространстве и во времени и определить эффективность этих движений.
Опорно-двигательная система человека состоит из костей, суставов, связок и мышц. Это основная система, которая оформляет структуру человека и дает ему возможность выполнять основное свойство — двигаться, что играет основную роль в жизни. Движение совершается в местах соединений костей — в суставах. Мышцы обладают основным свойством — сокращаться и приводить таким образом в движение рычаги костей. Поэтому кости и их соединения являются пассивной частью двигательного аппарата, а мышцы — активной.
Кости позвоночного столба и нижних конечностей выполняют, в основном, опорную функцию. Кости черепа, позвоночного столба и грудной клетки выполняют защитные функции соответственно по отношению к мозгу, спинному мозгу, лёгким и сердцу. Двигательная функция осуществляется главным образом конечностями.
Вес скелета составляет для мужчин 18%, а для женщин 16% общего веса. Он является местом накопления минеральных солей организма — фосфора, кальция, железа и др. Скелет взрослого человека имеет 206 костей. Любая кость скелета занимает определенное место и положение в человеческом теле, имеет свою форму и строение и выполняет определённые функции.
Соединений в скелете приблизительно 150. Почти половина из них — суставы, самые подвижные соединения скелета. Многочисленные связки скрепляют суставы, обеспечивающие определенную кинематику движения и очень часто ограничивают их диапазон. Существует множество суставов со сложной кинематикой взаимного движения соединяемых костей скелета.
Силы, которые появляются в человеческом теле при движении и в процессе труда, имеют динамический характер. И здесь наблюдается влияние принципа целесообразности в структуре опорно-двигательной системы, где развиты образования, имеющие целью ослабить удары.
Движение твердого тела описывается в прямоугольной системе координат. Произвольное перемещение и поворот тела вокруг произвольной оси можно разложить соответственно на три перемещения по координатным осям и на три поворота вокруг них. Поэтому для полного описания движения жесткого тела нужно 6 величин (то есть 3 поступательных и 3 вращательных).
Независимые друг от друга величины, определяющие состояние данной физической системы, называются степенями свободы этой системы.
Жесткое тело, которое соединяется шарниром с другим телом, называется звеном. Звено имеет ограниченную свободу движения и меньше степеней свободы. Когда звено прикреплено к другому телу, принимаемому за неподвижное, степени свободы определяются возможностями перемещений и поворотов.
Опорно-двигательный механизм человека представляет собой исключительно сложную систему со многими степенями свободы. Когда две кости соединяются между собой суставом, они образуют кинематическую пару, а когда несколько костей соединяются последовательно суставами, они образуют кинематическую цепь.
Общее число степеней свободы равно разности между степенями свободы звеньев, когда они свободны, и числом ограничений (связей) в соединениях. Число степеней свободы определяется по формуле:
n = 6N — i P (i), i = 5,4,3,
Общее число степеней свободы человеческого тела равно около:
6 144 — 5 81 — 4 33 — 3 29 = 240.
В процессе движения тела степени свободы находятся под контролем нервно-мышечного аппарата. Основная задача координации движений состоит в подчинении лишних степеней свободы, одной единой управляющей системе. Трудность этой задачи видна из того, что число степеней свободы больше двухсот.
Динамические модели опорно-двигательного аппарата принадлежат к классу склерономных голономных механических систем, к которым можно применить результаты классической механики. Живые организмы тоже подчиняются принципу сохранения механической энергии.
где Е — механическая энергия, Ек — кинетическая энергия, Еп — потенциальная энергия, Fl — внешние силы, Vl — скорости точек приложения внешних сил, Мk — моменты сил в суставах, k — угловые скорости, соответствующие моментам ["https://westud.ru", 7].
Кинетическая энергия определяется только скоростью движения материальных частиц организма, а потенциальная — положением этих частиц в гравитационном поле. Компоненты механической энергии определяются при помощи циклограммы или другими способами. Ими определяются положения и скорости центра тяжести отдельных звеньев. Выражая механическую энергию через измеренные таким образом величины, получаем:
; (1)
где обозначает суммирование по всем звеньям тела; - масса звена; V — скорость центра тяжести звена; Iik — компоненты тензора моментов инерции относительно осей i, k локальной системы координат с началом в центре тяжести звена; i, k — проекции угловых скоростей звена по тем же осям, g — гравитационное ускорение, Н — высота центра тяжести звена над некоторым гравитационным уровнем.
Первые два члена определяют компоненты кинетической энергии в зависимости от перемещений и поворотов, а третий член — потенциальную энергию. В уравнении (1) фигурируют движения, которые совершаются при помощи сил мышц в связи с трудовыми процессами: при перемещении предметов в пространстве или при некоторых ручных операциях и т. д. Положение тела можно определить при помощи уравнений Лагранжа второго рода, имеющих вид:
(2)
При помощи системы уравнений (2) устанавливается связь между кинематическими и силовыми характеристиками движения живого организма. Эта связь очень сложна, поскольку не всегда нервное возбуждение мышцы, которое увеличивает его тягу, приводит к повороту сустава в направлении действия этой силы.
1) кисть имеет две степени свободы;
2) локтевом суставе — 1 степень свободы;
3) сочленение между плечевой и локтевой и между локтевой и лучевой костями относятся к типу суставов, допускающих только одну степень свободы. Таким образом, предплечье обладает двумя степенями свободы движения относительно плеча;
4) тазобедренный сустав относится к типу шаровидных суставов, допускающих три степени свободы.
1.4 Сочленения и рычаги в опорно-двигательном аппарате человека Опорно-двигательный аппарат человека состоит из сочлененных между собой костей скелета, к которым в определенных точках прикрепляются мышцы. Кости скелета действуют как рычаги, которые имеют точку опоры в сочленениях и приводятся в движение силой тяги, возникающей при сокращении мышц.
Рычагом называется твердое тело, которое может вращаться около неподвижной оси. Различают три вида рычагов:
1) Когда точка опоры лежит между точками приложения действующей силы F и силы сопротивления R.
Условие равновесия рычага Fа = Rb.
Пример: череп, рассматриваемый в сагиттальной плоскости. (Сагиттальный — расположенный в переднезаднем направлении. Сагиттальные плоскости (мнимые) проходят вертикально спереди назад вдоль тела; только срединная сагиттальная плоскость делит его на две симметричные половины). Ось вращения О проходит через сочленение черепа с первым позвонком. R — сила тяжести головы, приложенная в центре тяжести. F — сила тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости.
2) Когда точка опоры лежит за точкой приложения силы сопротивления R, а сила F приложена на конце рычага.
Условие равновесия рычага Fa = Rb, но, а > b, следовательно, F > R, то есть рычаг дает выигрыш в силе, но проигрыш в перемеще;
нии и называется рычагом силы.
Пример: действие свода стопы при подъёме на полупальцы. Опорой О служат головки плюсневых костей. R — сила тяжести всего тела, приложена к торанной кости. F — мышечная сила, осуществляющая подъём тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости.
Когда сила F приложена ближе к точке опоры, чем сила R.
Условие равновесия рычага. Fa=Rb, но, а R, то есть рычаг дает проигрыш в силе, но выигрыш в перемещении и называется рычагом скорости.
Пример: кости предплечья. Точка опоры О находится в локтевом суставе. F — сила мышц, сгибающих предплечье, R — сила тяжести поддерживаемого груза, приложенная обычно к кисти, а также сила тяжести самого предплечья.
То есть мышечная сила F, необходимая для преодоления данной силы R сопротивления, должна быть тем больше, чем под мышечным углом к оси рычага она направлена. Поэтому, например, человек удерживает относительно большой груз при согнутом предплечье и значительно меньший — при разогнутом.
Кости опорно-двигательного аппарата соединяются между собой в сочленениях или суставах.
Основной механической характеристикой сустава является число степеней свободы. Различают суставы с 1, 2 и 3 степенями свободы.
Примеры: плечево-локтевой сустав — одна степень свободы;
лучезапястный сустав — две степени свободы;
тазобедренный сустав, лопаточно-плечевое сочленение — три степени свободы (сгибание и разгибание, приведение и отведение, вращение).
1.5 Эргометрия. Механические свойства тканей организма Человек с помощью мышц совершает механическую работу, которая обусловлена силой мышц и развиваемой ими мощностью. Средняя мощность, развиваемая человеком, не занятым специально физическим трудом, весьма невелика и, например, при ходьбе по ровной местности составляет 100−200 вт в зависимости от скорости.
Усталость свидетельствует о том, что мышцы совершают работу, хотя перемещения нет и работа равна нулю. Такую работу называют статической работой мышц.
Исследование работоспособности мышц называется эргометрией, а соответствующие приборы — эргомерами.
Пример: тормозной велосипед (велоэргометр). F — сила трения между лентой и ободом колеса, измеряемая динамометром. Вся работа испытуемого затрачивается на преодоление силы трения.
Когда мышцы совершают работу, в них освобождается химическая энергия, накопленная в процессе метаболизма; она частично превращается в механическую работу, а частично теряется в виде тепла.
Во время работы используемых на велоэргометре можно рассчитать к.п.д. превращения химической энергии в механическую. КПД варьирует в зависимости от скорости вращения педалей и достигает максимальной величины — 22% - при нажимании ногой на педаль через каждые 0,9 (то есть при одном обороте педалей за 1,8 с). С помощью велоэргометра можно измерить не только к.п.д. мускулатуры ног, но и максимальную мощность, которую она способна развить — эта мощность достигает 40 Вт на 1 кг мышечной ткани. На таком уровне она может оставаться лишь короткое время, так как мышцы не могут получать кислород с необходимой для этого скоростью.
Список использованных источников
1. Аккерман Ю. Биофизика: Учебник. — М.: Мир, 1964. — 684 с.
2. Волькенштейн М. В. Общая биофизика: Монография — М.: Наука, 1978. — 599 с.
3. Basic biomechanics of the musculoskeletal system / Ed. By Nordin M., Frankel V. H. — Philadelphia, London: Lea & Febiger, 1989. — 323 p.
4. Биофизика: Учебник / Тарусов Б. Н. , Антонов В. Ф. , Бурлакова Е. В. и др. — М.: Высшая школа, 1968. — 464 с.
5. Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика: Учеб. для мед. спец. Вузов. — М.: Высшая школа, 1999. — 616 с.
Читайте также: