Реферат механические свойства костей и суставов
Обновлено: 05.07.2024
Разбиение тела человека на звенья позволяет представить эти звенья как механические рычаги и маятники, потому что все эти звенья имеют точки соединения, которые можно рассматривать либо как точки опоры (для рычага), либо как точки отвеса (для маятника).
Рычаг характеризуется расстоянием между точкой приложения силы и точкой вращения. Рычаги бывают первого и второго рода.
Рычаг первого рода или рычаг равновесия состоит только из одного звена. Пример - крепление черепа к позвоночнику.
Рычаг второго рода характеризуется наличием двух звеньев. Условно можно выделить рычаг скорости и рычаг силы в зависимости оттого, что преобладает в их действиях. Рычаг скорости дает выигрыш в скорости при совершенствовании работы. Пример - локтевой сустав с грузом на ладони. Рычаг силы дает выигрыш в силе. Пример - стопа на пальцах.
Поскольку тело человека выполняет свои движения в трехмерном пространстве, то его звенья характеризуются степенями свободы, т.е. возможностью совершать поступательные и вращательные движения во всех измерениях. Если звено закреплено в одной точке, то оно способно совершать вращательные движения и мы можем сказать, что оно имеет три степени свободы.
Закрепление звена приводит к образованию связи, т.е. связанному движению закрепленного звена с точкой закрепления.
Поскольку руки и ноги человека могут совершать колебательные движения, то к механике их движения применимы те же формулы, что и для простых механических маятников. Основные вывод их них - собственная частота колебаний не зависит от массы качающегося тела, но зависит от его длины (при увеличении длины частота колебаний уменьшается).
Делая частоту шагов при ходьбе или беге или гребков при плавании или гребле резонансной (т.е. близкой к собственной частоте колебаний руки или ноги), удается минимизировать затраты энергии. При наиболее экономичном сочетании частоты и длины шагов или гребков человек демонстрирует существенный рост работоспособности. Простой пример: при беге высокий спортсмен имеет большую длину шага и меньшую частоту шагов, чем более низкорослый спортсмен, при равной с ним скорости передвижения.
Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями; кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции. Так кости черепа и грудной клетки защищают внутренние органы, а кости позвоночника и конечностей выполняют опорную функцию.
Выделяют 4 вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение.
Установлено, что прочность кости на растяжение почти равна прочности чугуна. При сжатии прочность костей еще выше. Самая массивная кость - большеберцовая (основная кость бедра) выдерживает силу сжатия в 16-18 кН.
Менее прочны кости на изгиб и кручение. Однако регулярные тренировки приводят к гипертрофии костей. Так, у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у теннисистов - кости предплечья и т.п.
Механические свойства суставов зависят от их строения. Суставная поверхность смачивается синовиальной жидкостью, которую хранит суставная сумка. Синовиальная жидкость обеспечивает уменьшение трения в суставе примерно в 20 раз. При этом при снижении нагрузки на сустав жидкость поглощается губчатыми образованиями сустава, а при увеличении нагрузки она выжимается для смачивания поверхности сустава и уменьшения коэффициента трения.
Прочность суставов, как и прочность костей, небеспредельна. Так, давление в суставном хряще не должно превышать 350 Н/см 2 . При более высоком давлении прекращается смазка суставного хряща и увеличивается опасность его механического стирания.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
1. Биомеханические свойства костей и суставов……………………………….3
1.1Общая характеристика ОДА…………………………………………. 3
1.2 Биокинематическая пара и кинематическая цепь…………………. 5
1. Биомеханические свойства костей и суставов
1.1Общая характеристика ОДА
Двигательная деятельность человека требует согласованной работы организма в целом, но главная роль при этом принадлежит двигательному аппарату. С механической точки зрения двигательный аппарат человека представляет собой механизм, состоящий из сложной системы рычагов, приводимых в действие мышцами. Однако при изучении движений человека и причин, их вызывающих, было бы неправильно ограничиваться только представлениями механики. Для того, чтобы понять устройство двигательного аппарата и принцип его действия, необходимо иметь в виду биологическую природу "механизмов" человеческого тела. Анализ деятельности двигательного аппарата с биологической точки зрения позволяет вскрыть своеобразие устройства и принципа действия "живых механизмов". Таким образом, изучая движения человека, необходимо хорошо знать, как устроен его опорно-двигательный аппарат с точки зрения биомеханики. Это означает, что следует ясно представлять себе принципы строения его пассивной (кости и их соединения) и активной (мышечная система) частей. В отличие от анатомии, которая изучает все детали строения тела, для биомеханики важно выявить именно те особенности строения, от которых зависят свойства органов опоры и движения, а также их участие в выполнении двигательной функции.
В биомеханическом исследовании невозможно учесть строение и функции тела во всех их особенностях. Для изучения движений строят модель тела — биомеханическую систему. Она обладает основными свойствами, существенными для выполнения двигательной функции, и не включает в себя множество частных деталей. Таким образом, биомеханическая система — это упрощенная копия, модель тела человека, на которой можно изучать закономерности движений.
Двигательную часть человека составляют костная и мышечная системы.
Основным свойством, которым обладает костная система, является свойство упругости.
Упругость - способность противодействовать нагрузкам.
Нагрузками называются силы, приложенные к телу и в совокупности вызывающие его деформацию. Различают нагрузки, вызывающие растяжении, сжатие, изгиб и кручение.
Нагрузки, обуславливающие растяжение, возникают, например, при висах или во время удержания груза в опущенных руках.
Нагрузки, создающие сжатие костей, встречаются чаще всего при вертикальном положении тела на опоре. В этом случае на скелет действуют, с одной стороны, силы тяжести тела и вес внешних отягощений, а с другой - давление опоры.
Нагрузки, вызывающие изгиб, обычно встречаются, когда кости выполняют роль рычагов. В этих случаях приложенные к ним силы мышц и силы сопротивления направлены поперек костей и вызывают изгиб.
Нагрузки, обуславливающие кручение, чаще всего встречаются при вращательных движениях звена вокруг продольной оси.
Соединение звеньев. Соединения костных звеньев обусловливают многообразие возможностей движений. От способа соединения и участия мышц в движениях зависит их направление и размах (пространственная форма движений) .
Степени свободы движения. Суставы, связывая в единое целое части тела, сохраняют возможности для их движений. Если часть тела может двигаться только по одной траектории, причем возможности движений по всем остальным траекториям ограничиваются связями, в механике говорят об одной степени свободы, или о степени подвижности.
Совершенно свободное тело имеет шесть степеней свободы. Оно может вращаться вокруг трех основных взаимно перпендикулярных осей, а также двигаться вдоль каждой из этих осей.
Если закрепить тело в одной точке, то у него остается только три степени свободы: оно может вращаться вокруг этой точки в трех основных направлениях (плоскостях) . При закреплении тела еще в одной точке оно как бы насаживается на ось, соединяющую обе данные точки. В этом случае сохраняется лишь одна степень свободы: тело может вращаться лишь вокруг оси, проходящей через обе закрепленные точки.
Если же закрепить тело и в третьей точке, не лежащей на одной прямой с остальными двумя точками, то оно потеряет последнюю степень свободы: будет закреплено неподвижно.
Возможности движений отдельных точек тела при закреплении тела несколько иные. При одной закрепленной точке любая точка этого тела имеет только две степени свободы, т.е. она может двигаться только в двух направлениях по шаровой поверхности. При двух закрепленных точках тела у любой его точки будет лишь одна степень свободы, т.е. возможна одна траектория движения. Само собой разумеется, что у тела, закрепленного в трех точках, нет ни одной степени свободы. У совершенно свободного тела любая точка имеет всего три степени свободы, т.е. может двигаться в любом из трех направлений трехмерного пространства.
Понятие о степенях свободы поможет разобраться в вопросе о подвижности частей тела. Несколько подвижно соединенных звеньев составляет кинематические пары и цепи.
1.2 Биокинематическая пара и кинематическая цепь
Биокинематическая пара — это подвижное (кинематическое) соединение двух костных звеньев, в котором возможности движений определяются строением соединения и управляющим воздействием мышц.
Кинематическая цепь— это последовательное или разветвленное соединение ряда кинематических пар. Кинематическую цепь, в которой конечное звено свободно, называют незамкнутой, а цепь, в которой нет свободного конечного звена, - замкнутой.
В каждом соединении незамкнутой цепи возможны изолированные движения. Они геометрически независимы от движений в других соединениях (если не учитывать взаимодействия мышц) . Например, свободные конечности, когда их концевые звенья свободны, представляют незамкнутые цепи. Замкнутыми кинематическими цепями в теле человека являются, например, грудина, ребро, позвоночник, ребро и снова грудина.
Такие замкнутые цепи разомкнуть невозможно. Незамкнутые могут замыкаться, причем часто через опору. В сложной пирамиде, составленной несколькими акробатами, образуются даже своего рода "сети" (в плоскости) и "решетки" ( в пространстве) с очень сложной взаимной зависимостью движений звеньев.
В замкнутой или замкнувшейся цепи невозможно изолированное движение, т.е. движение в одиночном сочленении. Так, сгибая и выпрямляя ноги в выпаде, можно убедиться в том, что движение в любом суставе непременно вызывает движения и в других.
Таким образом, движения в незамкнутых цепях характеризуются относительной независимостью звеньев. В замкнутых же, а также замкнувшихся цепях движения одних звеньев влияют на движения даже отдаленных звеньев (помогают или мешают) .
В замкнутых цепях возможностей движений меньше, но управление ими точнее, чем в незамкнутых.
В открытой кинематической цепи подвижность каждого следующего звена равна его собственной подвижности плюс подвижность предыдущих звеньев. Так, если у бедра три степени свободы, а у голени относительно бедра еще две степени, то голень относительно таза имеет пять степеней свободы. Наибольшие возможности движений - у конечных звеньев цепи. Но больше шести степеней свободы конечное звено цепи иметь не может. Если же при суммировании степеней свободы получается, что конечное звено имеет их больше шести, то это только значит, что при фиксировании этого звена промежуточные звенья сохраняют степени свободы на шесть степеней меньше. Так, кисть имеет относительно лопатки семь степеней свободы (плечевой сустав - 3, плюс локтевой - 2, плюс лучезапястный - 2) . Если положить кисть на стол, то плечо и предплечье сохраняют 7-6=1 степень свободы. Они смогут двигаться лишь по одной траектории, вокруг оси, соединяющей плечевой и лучезапястный суставы.
Кости, соединенные подвижно, образуют основу биокинематических цепей. Приложенные к ним силы (мышечные тяги и др.) действуют на звенья биокинематической цепи, как на рычаги. Это позволяет передавать действие силы по цепям, а также изменять эффект приложения сил. Таким образом, рычаг как простейший механизм служит для передачи движения и силы на расстояние.
Различают рычаги первого рода (двуплечий) и второго рода (одноплечий) . Первый характеризуется тем, что две группы сил приложены по обе стороны от оси (точки опоры) рычага, а во втором случае - по одну сторону.
Вне зависимости от вида рычага в каждом из них выделяют:
2) точку приложения сил;
3) плечи рычага (расстояние от точки опоры до места приложения сил);
4) плечи сил (длина перпендикуляра, опущенного из точки опоры на линию действия силы).
Мерой действия силы на рычаг служит ее момент относительно точки опоры. Поэтому для равновесия либо равномерного вращательного движения звена как рычага необходимо, чтобы противоположно направленные моменты сил относительно оси рычага были равны. Для ускорения (торможения) звена один момент силы должен быть больше другого. Так, момент движущих сил, преобладая над моментом тормозящих сил, придает звену положительное ускорение (в сторону движения). Если же большим оказывается момент тормозящих сил, то он вызывает торможение звена.
С помощью рычага можно выиграть в силе. Для этого нужно действовать мышечной силой на более длинное плечо. Согласно "золотому правилу механики", выигрывая в силе, одновременно проигрываем в пути и в скорости. Наоборот, если действовать мышечной силой на короткое плечо, то можно выиграть в пути и в скорости за счет проигрыша в силе.
В большинстве случаев мышцы прикрепляются недалеко от сустава и подходят к кости под острым углом. Поэтому плечо силы тяги мышцы, как правило, небольшое. Обычно плечо силы тяги мышц меньше плеча силы сопротивления, и, следовательно, при работе мышцы получается проигрыш в силе и выигрыш в пути и в скорости движения. Для некоторого увеличения плеча силы тяги мышц большое значение имеют костные выступы, бугры, сесамовидные косточки, к которым мышцы прикрепляются или через которые они переходят. Выступы, бугры, сесамовидные косточки увеличивают угол подхода мышцы к кости как к рычагу, тем самым увеличивают плечо силы тяги мышцы и момент вращения мышечной силы. Таким образом, можно выделить две причины проигрыша в силе. Первая -прикрепление мышцы вблизи сустава, вторая - тяга мышцы вдоль кости под очень острым (или тупым) углом.
Можно указать еще и на третью причину некоторых потерь в силе мышц. При больших нагрузках напрягаются все мышцы, окружающие сустав. Мышцы-антагонисты, создавая моменты сил, которые направлены противоположно, полезной работы не производят, а энергию затрачивают. Но в конечном счете в этом есть определенный смысл: хотя и возникают потери энергии, сустав во время больших нагрузок получает укрепление напряжением мышц, которые его окружают.
В связи с особенностями приложения мышечных тяг к костным рычагам необходимы весьма значительные напряжения мышц для выполнения не только силовых, но и скоростных движении.
Она ломается и разрушается, если поглощает слишком много энергии. Мягкие ткани абсорбируют намного больше энергии, но не разрушаются, так как более податливые. Нас, прежде всего, интересовал вопрос о биомеханических свойств кости с учетом ее анизотропии – неодинаковых механических свойств относительно продольной оси диафиза. Такая работа весьма важна, так как могут произойти дальнейшие нарушения целостности кости. Испытывали на сжатие образцы компактной костной ткани, выпиленные из средней трети диафиза бедренной кости мужчин, в продольном (0°) и поперечном (90°) направлениях в трех возрастных группах – 20–30, 40–50 и 70–80 лет. Образцы хранили в физиологическом растворе в замороженном состоянии. Минеральную плотность (МПК) образцов определяли на анализаторе минералов. В группе 40–50 лет МПК составляла 1,71 ± 0,09 г/см2, а в 70–80 лет – 1,58 ± 0,09 г/см2.
Параметрами биомеханических свойств служили предел прочности, модуль упругости, предел пропорциональности, относительные упругая деформация и разрушения. Учитывая, что кость является биологическим материалом, модуль упругости, предел пропорциональности и относительную упругую деформацию рассматривали как физиологические критерии, характеризующие скрытое деформационное состояние микроструктур кости до возникновения необратимых изменений, а предел прочности и относительную деформацию разрушения – как критерий перегрузки, так как выше предела пропорциональности появляются необратимые структурных изменения – фаза пластических деформаций. За счет их костная ткань приспосабливается к внешним воздействиям, изменяет структуру, форму и размер.
Анализ полученных данных показал, что снижение МПК в возрастной группе 70–80 лет на 8 ± 0,2 %, по сравнению с группой
40–50 лет, может приводить к серьезным изменениям как прочностных, так и деформационных свойств кости. В наибольшей мере изменялись модуль упругости (на 20 и 30 % соответственно для 0 и 90°) и относительная деформация разрушения (36 и 45 % для 0 и 90°). Предел прочности снижался на 15 и 18,6 % (для 0 и 90°), а относительная упругая деформация – на 10 и 16 %.
Результаты исследований свидетельствуют о том, что снижение МПК в кости после 70 лет приводит к глубоким изменениям
механических свойств костной ткани. Снижение модуля упругости, предела пропорциональности и относительной упругой деформации свидетельствует о том, что область функциональных нагрузок (0о) на кость снижается. Существует непосредственная зависимость между модулем упругости, характеризующим жесткость материала, и пределом прочности. Однако, в указанных возрастных группах снижение модуля упругости и предела прочности не было прямопропорциональным. Можно предположить, что изменение биомеханических свойств кости с возрастом связано не только со снижением МПК, но и качественным изменением коллагена, костного связующего вещества – мукополисахаридов и структурными изменениями в кости.
В процессе исследований определялась также поглощенная костью энергия и выражалась на единицу объема (Jm–3) или площади (Jm–2). У лиц до 30 лет поглощенная энергия составляла 2,8∙104 Jm–2, а к 90 годам ее величина уменьшалась в 2,8 раза.
Из рассмотренных материалов вытекает такое заключение: наибольшие изменения биомеханических свойств возникали на поперечном направлении. Они указывали на то, что кость теряет способность противостоять действию нефункциональных нагрузок, что может быть причиной спонтанных переломов.
Проведено также изучение механических свойств лучевых костей у 28 до гибели практически здоровых женщин в возрасте 40–80 лет. Кости были тщательно освобождены от периоста. Содержание минеральных веществ определено методом двуфотонной абсорбциометрии. Измерения сделаны на расстоянии 1 см от лучезапястного сустава. До исследования механических свойств образцы держали в замороженном виде при температуре –15 °С. Нагружение производили со скоростью 50 мм в мин. Испытание продолжалось несколько секунд. С возрастом статическая прочность уменьшалась однонаправленно с величиной минеральных веществ. В 40 лет величина нагрузки составляла 5,6 кН, а 90 лет – 2,6. Эластичность при испытании на разрыв не зависела от возраста и количества минералов.
Изучены также механические свойства лучевой кости у 37 людей уже на расстоянии 3 см от лучезапястного сустава. Перед исследованием образцы выдерживали в физиологическом растворе (0,9 %) 24 часа, что приближало их к состоянию ин виво. Между 16 и 90 годами абсорбция энергии удара кортикальным слоем бедренной кости уменьшалась в 3 раза. Это обусловлено снижением минерализации.
В позвоночнике при величине МПК в L1, равной 0,680 ± 0,037 г/см2,
предел прочности составляет 3195 ± 221 H, в L2 при МПК 0,736 ± 0,035 г/см2 – 3642 ± 259 Н, в L3 – 0,789 ± 0,036 г/см2 – 4022 ± 326 Н, L4 – 0,962 ± 0,039 г/см2 – 4749 ± 331 Н. Механическая прочность трабекулярной кости позвонка в 20–25 лет составляет у мужчин 85,5 ± 6,5 Н/мм2, у женщин – 77,8 ± 4,7 Н/мм2. В 46–50 лет эта величина уменьшается у мужчин в 1,8 раза, у женщин – в 2,0 раза. В 56–60 лет прочность более быстрыми темпами уменьшается у женщин (в 4,7 раза) по сравнению с мужчинами (3,2 раза). Дальнейшие глубокие изменения происходят в 61–70 лет: у женщин прочность снижается в 6 раз, у мужчин – в 3,6 раза. У мужчин в 71–80 лет дальнейшего снижения не происходит, а у женщин продолжает снижаться до 7,5 раз.
Однако точно определить возрастные сдвиги позволил лишь метод двуфотонной абсорбциометрии, в частности, удалось выявить разный процент возрастного снижения МПК в ребрах, костях таза и позвоночнике. Метод может быть использовано для непрямого определения предельной величины их компрессионной прочности [9].
Исследованиями [10] показано, что механическая прочность трабекулярной кости позвонка в 14–19 лет составляет у мужчин 85,5 ± 6,5 Н/мм2, у женщин 77 ± 4,7 Н/мм2. В 40–49 лет эта величина уменьшается у мужчин в 1,8 раза, у женщин – в 2,0 раза. В 50–59 лет прочность быстрыми темпами уменьшается у женщин (в 4,7 раза) по сравнению с мужчинами (3,2 раза). Дальнейшие глубокие изменения происходят в 60–69 лет: у женщин прочность снижается в 6 раз, у мужчин – в 3,6 раза. У мужчин в 70–79 лет дальнейшего снижения не происходит, а у женщин продолжает снижаться до 8,0 раз [10].
До внедрения в практику метода двуфотонной абсорбциометрии определение суммарной величины минералов во всем скелете было возможно только с помощью метода нейтронно-активационного анализа. Эта аппаратура технически сложная, поэтому исследования проводились всего лишь в нескольких научных центрах мира.
Результаты проведенных нами исследований показали, что быстрее (в 21–25 лет) минерализация скелета завершается у женщин и у них раньше (в 41–45 лет) выявляются первые признаки уменьшения костной массы. В 50–60 лет основной причиной быстрого снижения минералов у женщин является изменение половой функции и ослабление двигательной активности. У мужчин максимальная суммарная величина минеральных веществ отмечена в 31–35 лет и остается на таком уровне до 55 лет.
Суммарная масса минералов в скелете негров выше, чем у белых людей. Статистически достоверное уменьшение МПКу обоих полов выявляется в возрасте 70 лет, причем у женщин суммарная величина минералов снижается в это время на 17 %, у мужчин – на 9 %. В этих условиях большое значение придается занятию физкультурой, так как отсутствие механической нагрузки на скелет служит одной из причин резорбции кости. При систематическом занятии спортом МПК в месте приложения усилия (позвоночник, нижняя треть голени – у балерин) может увеличиваться до 20 %.
Наиболее выраженное снижение МПК возникает в 80 лет в осевом скелете, особенно в позвоночнике. Следствием старческого остеопороза являются переломы, иногда неоднократные в течение одного и того же года. Поэтому определение абсолютной МП в скелете представляется особенно важным для оценки общей убыли МПК.
Модуль эластичности и прочности на растяжение начинают медленно уменьшаться после 45 лет. При сгибании показатель максимален до 30 лет, а затем снижается и способность кости поглощать энергию.
Интересные наблюдения сделаны о числе полостей указывающих на порозность кости, в различных возрастных группах мужчин. У детей 3 лет их число составляет 9 %, в возрасте 18–45 лет – 3 %, затем медленно увеличивается и в 90 лет достигает 12 %. В связи с этим различна и поглощенная энергия удара: у детей до 10 лет – 2–6∙104 Jm–2, а с 13 лет – 0,9∙104 Jm–2. У женщин кость более порозная [11, 12], а это ведет к уменьшению объема, в котором поглощается энергия. Поэтому снижается ударная энергия, в частности, в кортикальном слое бедренной кости. Энергия абсорбции ниже у очень молодых и очень старых людей. Изменение энергии удара на 40 % зависит от содержания минералов. Высокая минерализация уменьшает способность образца к поглощению энергии. Из этого вывод: большое содержание минералов уменьшает способность кости переносить пластическую упругую деформацию. Наряду с этим следует иметь ввиду, что содержание минералов также приводит к увеличению максимума давления и оба эффекта как бы компенсируют друг друга, но это не сказывается на суммарной величине абсорбированной энергии.
Активное взаимодействие организма с внешней средой и опосредованное участие в этом всех его многочисленных систем и органов обеспечивается через опорно-двигательный аппарат. Основной же компонент аппарата движений - мышца - отличается от таких систем, прежде всего тем, что она непосредственно преобразует химическую энергию в механическую, достигая довольно высокого коэффициента полезного действия в условиях нормальной температуры тела человека.Основной структурно-функциональной единицей скелета человека является кость. В организме человека каждая кость-это живой, пластичный орган. Она имеет свою морфологическую структуру, функционирует как часть целостного организма и состоит из нескольких тканей. Каждая кость имеет определенную форму, величину, строение и находиться в связи с соседними костями. Костная ткань отличается особыми механическими свойствами,состоит из костных клеток(остеоцитов),замурованных в костное вещество,содержащееколлагеновыеволокна,и пропитанных неорганическими соединениями.
Если нужны ответы на билеты на заказ в Хабаровске , специалисты Work5 помогут.
. Морфофункциональные свойства костной ткани меняются в зависимости от возраста, физических нагрузок, условий питания, а также под влиянием деятельности желез внутренней секреции, иннервации и других факторов. Механические свойства костей и суставов Кость является твердым телом, для которого основными свойствами являются прочность и упругость. Прочность – это способность противостоять внешней разрушающей силе. Количественно прочность определяется пределом прочности и зависит от макро- и микроскопической конструкции и состава костной ткани. Что касается макроскопической конструкции, то каждая кость имеет специфическую форму, позволяющую выдерживать наибольшую нагрузку в определенной части скелета. Таблица №1 Модуль упругости (модуль Юнга) некоторых материалов. Материал Модуль Юнга, Е, Па Кость 2 х109 Коллаген 107– 108 Сухожилия 1,6 х108 Древесина 12 х109 Резина 5 х106 Сталь 2 х1011 Внутренняя конструкциясложная. Остеон (или гаверсова система) – это полая цилиндрическая трубка, стенки которой построены из множества пластин. Известно, что вархитеркурныхсооружениях полые колонны (трубчатые) имеют большую прочность на единицу массы, чем цельные. Следовательно, уже толькоостеоннаяконструкция кости предусматривает высокую степень прочности кости. Группы остеонов, располагаясь полиниям наибольших нагрузок, формируют костные перекладины губчатого вещества и костные пластинки компактного вещества. [-- Image: Рисунок 13 --] Рисунок 1. Внутреннее строение кости Необходимо учитывать, что в местах наибольших нагрузок костные перекладины располагаются дугообразно (арочно). Арочные системы, наряду с трубчатыми, относятся к числу наиболее прочных. Арочный принцип строения перекладин губчатого вещества характерен для проксимального эпифиза бедренной кости, для губчатого вещества пяточной кости и т. д. На прочность существенно влияет и состав кости. При декальцинации кость легко изгибается, сжимается и скручивается, при повышении содержания кальция она становится хрупкой. Прочность кости у здорового взрослого человека больше, чем прочность некоторых строительных материалов, она такая же, как у чугуна. Исследования по изучению прочности проводились еще в прошлом веке. Так, по данным П. Ф. Лесгафта, бедренная кость человека при растяжении выдерживала нагрузку 5500 Н/см2, при сжатии — 7787 Н/см2. Большеберцовая кость выдерживала нагрузку при сжатии 1650 Н/см,что может сравниться с грузом, равным массе тел более чем 20 человек.Указанные цифры свидетельствуют о высокой степени резервных возможностей костей по отношению к различным нагрузкам [2]. Изменение трубчатой структуры кости (как макро-, так и микроскопической) снижает ее механическую прочность. Например, после срастания переломов трубчатое строение нарушается, прочность костей существенно уменьшается. Упругость кости — это свойство приобретать исходную форму после прекращения воздействия факторов внешней среды. Упругость кости равна упругости твердых пород дерева. Она так же, как и прочность, зависит от макро- и микроскопической конструкции и химического состава кости. Таким образом, механические свойства кости — прочность и упругость — обусловлены оптимальной комбинацией содержащихся в ней органических и неорганических веществ. Нужно отметить, что костная ткань имеет высокие механические свойства. Удельный вес костной ткани - 1,93 (почти в два раза больше удельного веса воды). В живой костной ткани находится 50% воды. Кость пронизана огромным количеством каналов,в которых проходят тонкие кровеносные сосуды.В составе живой кости 15,7%жира.Кровеносные сосуды и жир придают кости желто-белый с розовым оттенком цвет.В составе живой кости 12,5%органических веществ белковой природы и 21,8% неорганических минеральных веществ[1]. Из неорганических веществ главное место занимает фосфат кальция, меньше карбонат кальция и хлорид натрия.Мацерированнаякость (извлеченная из тела,лишенная мягких тканей и обработанная путем вымачивания и высушивания)сохраняет свою форму,величину, структуру, крепость.Мацерированныевысушенные кости на 2/3 состоят из неорганических веществ, а 1/3 их массы приходится на долю органических веществ[4].
1. Кость является твердым телом, для которого основными свойствами являются прочность и упругость. 2. Механические свойства кости — прочность и упругость — обусловлены оптимальной комбинацией содержащихся в ней органических и неорганических веществ. 3. Физико-химические соединения органических и неорганических веществ обеспечивают высокие механические свойства кости. 4. Сустав - это важная составная часть опорно-двигательного аппарата. Сустав представляет собой место соединения двух костей. 5. Механические свойства суставов зависят от их строения.
Биомеханика- это раздел биофизики, в котором рассматриваются механические свойства живых тканей и органов, а также механические явления, происходящие как с целым организмом, так и с отдельными органами. Говоря кратко, биомеханика- это механика живых систем.
Термин биомеханика составлен из двух греческих слов: bios - жизнь и mexane - орудие.
Биологические конструкции имеют сложную структуру и форму. Их механические свойства зависят от индивидуальных особенностей организма, возраста, функционального состояния, внешних факторов и в значительной степени определяются напряженно- деформированным состоянием, так как биологическая система адаптируется к внешним воздействиям.
В биомеханике принять выделять следующие разделы:
1. Биомеханика биологических материалов и систем.
Этот раздел биомеханики изучает особенности строения, деформационные и прочностные свойства, а также разрушение различных тканей и систем.
2. Биомеханика управления и регулирования биологических систем. Исследует механические процессы в биологических системах.
3. Биомеханика заменителей биологических тканей.
Вопросы создания искусственных материалов, заменяющих биологические ткани и системы (искусственное сердце, почки, системы искусственного кровообращения и тому подобное) решает данный раздел биомеханики.
4. Медицинская биомеханика
Связана с восстановлением трудоспособности людей. Пока наибольшее развитие получило восстановление опорно- двигательной системы.
Биомеханика делится на общую, дифференциальную и частную. Общая биомеханика решает теоретические проблемы и помогает узнать, как и почему человек двигается. Дифференциальная биомеханика изучает индивидуальные и групповые особенности двигательных возможностей и двигательной деятельности. Изучаются особенности, зависящие от возраста, пола, состояния здоровья, уровня физической подготовленности, спортивной квалификации и т. Основной вопрос частной биомеханики - как научить человека правильно выполнять разнообразные движения или как самостоятельно освоить культуру движений. Механические свойства биологических тканей.
Биологическая ткань представляет собой сложную композиционную структуру с анизотропными свойствами, которые отличны от свойств отдельных компонентов и зависят от функции ткани. Основу биотканей составляют эластин, коллаген и связующее вещество.
Эластин – упругий белок. Это типичный эластомер: он очень сильно растягивается (выдерживает относительное удлинение, достигающее 200-300 %), обладает ярко выраженными нелинейными механическими свойствами и переменным модулем упругости, значение которого изменяется от 105 Па до 6 105 Па.
Чистый коллаген- группа волокнистых белков- растягивается меньше (предельное относительное удлинение не превышает 10 %) и ,ж как эластин, обнаруживает нелинейные механические свойства. Его модуль упругости достигает значений от 10 7 Па до 10 8 Па. Коллаген- главный компонент сухожилий, связок и дермы ( соединительной части кожи).
Каждый из указанных биополимеров действует в составе структуры более высокого порядка. Количественное соотношение и способ взаимодействия эластиновых и коллагеновых волокон определяют прочностные и деформационные свойства биологической ткани.
Изучать механические свойства биологических тканей значительно сложнее, чем свойства традиционных материалов. Кроме механических факторов (форма и размеры образца, температура и влажность, скорость деформации, вид испытания) при испытании биологических образцов необходимо учитывать и биологические функции (расу, пол, возраст, степень активности физиологических функций, вид и степень патологических изменений).
Например, прочность тканей и органов увеличивается до 20 лет, а после этого начинает убывать. Прочность кожи из зубов растет до 50 лет.
Некоторые биологические материалы, например, компактная костная ткань, обладают пьезоэлектрическими свойствами. Переменное механическое нагружение создает в них электрическое поле.
Ряд биоконструкций являются саморегулирущимися системами. Так, в тех участках кости, на которые приходится наибольшая нагрузка, откладывается дополнительное костное вещество, снижающее концентрацию напряжений.
Клинические и экспериментальные исследования Г.А. Илизарова и его учеников позволили установить, что напряжение растяжения, возникающее в тканях при дозированной дистракции, является фактором общебиологического значения, стимулирующим регенерацию, кровообразование и рост как костной , так и других тканей. При напряжении растяжения возбуждается и поддерживается необходимая для роста высокая биосинтетическая активность клеточных элементов костной ткани, мышц, фасций, сосудов и нервов удлиняемой конечности. Установлено, что напряжение растяжения стимулирует не только рост интактных тканей, но и регенерацию поврежденных костей, мышц и нервов.
Под влиянием механических воздействий в биологических тканях возникают механические движения, распространяются волны, возникают деформации и напряжения, отражающие поведение биологической системы в целом. Поэтому, как правило, экспериментальные исследования образцов, удаленных из организма (in vitro), позволяют судить только о пассивном механическом поведении, а не о функциональном действии ткани в организме (in vivo).
Многообразие биологических материалов и конструкций обусловлено многообразием биологических объектов и различием уровней организации (клетка, орган, ткань). Например, клетку можно рассматривать как самостоятельную конструкцию и как совокупность структурных элементов субклеточного уровня. Биологическая ткань является материалом, образующим орган, и в то же время сложно организованной конструкцией. Условно выделяют конструкции из твердых (кости) и мягких (сосуды, кожа, мышцы, нервные ткани) биологических материалов.
Механические свойства костной ткани.
Кости, как строительный материал скелета, работают на сжатие, растяжение, кручение или на изгиб. Эти режимы работы предъявляют к костям как элементам скелета совершенно разные требования. Самое главное при этом в скелете - сочетание прочности с легкостью.
Пример- подъем тяжести кистью при сгибании в локтевом суставе. В этом случае кости предплечья работают на изгиб.
Рассмотрим несколько профилей сечения и выясним при каком из них балка способна выдержать заданный груз, имея наименьший вес.
Балка изгибается под действием внешней силы так, что ее верхние слои сжимаются, а нижние растягиваются. При этом в середине балки существует слой, длина которого не изменяется при изгибе палки. Этот нейтральный слой. Материал, находящийся в этом слое, не работает (то есть , не деформируется), а лишь утяжеляет балку. Поэтому часть материала около этого нейтрального слоя можно удалить без большого ущерба для прочности балки, работающей в таких условиях.
Природа и процесс эволюции использовала способ полой трубчатой структуры, что привело к уменьшению массы человека при сохранении прочности их скелета. Наиболее отчетливо это проявляется у птиц. В 1679 году итальянский физик Дж. Борели отметил, что тело птицы непропорционально легче, чем у человека или у любого другого четвероногого, так как кости у птиц пористые, полые с истонченной до предела стенкой. Например, у птиц фрегата, имеющих размах крыльев около 2 метров, скелет имеет массу всего 110 грамм. Изучение отношения внутреннего диаметра поперечного сечения к внешнему длинной трубчатой кости бедра показали, что примерно равно 0.5-0.6, что дает приблизительно на 25 % уменьшить массу скелета при сохранении той же прочности.
Приведем значения прочности различных материалов, испытанных на сжатие и растяжение, а также их модули Юнга.
Из таблицы видно, что кость уступает по своей прочности только стали и оказывается гораздо прочнее гранита и бетона.
Прочность кости является результатом сочетания твердости и эластичности, обусловленных наличием в ее составе химических веществ
В упрощенном виде можно считать , что ⅔ компактной костной ткани (0.5 объема) составляет неорганический материал, минеральное вещество кости – гидроксилапатит 3Ca3(PO4)2 Ca(OH)2. Это вещество представлено в виде микроскопических кристалликов. В остальном кость состоит из органического материала, главным образом коллагена (высокомолекулярное соединение, волокнистый белок, обладающий высокой эластичностью). Кристаллика гидроксилапатита расположены между коллагеновыми волокнами (фибриллами). Если подвергнуть кость воздействию соляной кислоты, то минеральные элементы костной ткани растворятся. Кость сохраняет свою форму и цвет, но становится совершенно мягкой. Особую прочность кости придает и ее структура.
Например, структура длинных костей ближе к суставам переходит из плотной в пористую, за счет чего плавно изменяется жесткость и обеспечивается равномерное распределение напряжений.
Так, трубчатая кость представляет собой прямую пустотелую трубку или замкнутую оболочку переменной толщины и диаметра, заполненную вязкой жидкостью. В ее расширенных концевых, или эпифизарных, отделах преобладает рыхлая (спонгиозная ) ткань, а в диафизарном, среднем, отделе – плотная (компактная ) , толщина которой максимальна в центральной части диафиза и уменьшается в направлении к эпифизам.
Выделяют пять структурных уровней компактной костной ткани.
Первый уровень составляет биополимерная макромолекула тропоколлагена, построенная из трех левых спиральных полипептидных цепочек, которые образуют правую спираль инеорганические кристаллы.
Второй структурный уровень из микрофибрилл коллагена, образуемых 5 молекулами тропоколлагена.
Третий структурный уровень- это волокно, состоящее из большого количества микрофибрилл и связанных с ними микрокристаллов. Между отдельными кристаллами образуются связи в продольном и поперечном направлениях.
Четвертый структурный уровень образуется из ламелл- тонких изогнутых пластинок, представляющих наименьший самостоятельный конструкционный элемент компактной костной ткани. Коллагеноминеральные композиции, объединенные при помощи вяжущего вещества, служат материалом этих пластинок.
Пятый структурный уровень представлен остеоном- конструкционным элементом, который образуется вокруг кровеносных сосудов, включающихся в объем кости при ее образовании. Остеон формируется из концентрически расположенных костных ламелл.
С увеличением возраста костная ткань претерпевает ряд изменений, которые затрагивают ее химический состав и внутреннюю структуру. Например, возникает множество вторичных остеонов, образующих новую внутреннюю конструктивную систему. Старение снижает биологическую активность костной ткани, меняет степень минерализации, а также порядок расположения минеральных кристаллов и остеонов, уменьшает количество связующего вещества, некоторая часть ткани исчезает, а появляются поры.
Путем экспериментов in vivo и in vitro установлено, что для костной ткани самым опасным является напряжение растяжения. Хотя прочность кости на растяжение приблизительно равна прочности чугуна.
Зависимость между напряжением σ и деформацией ε при исследовании на растяжение- сжатие одномерных образцов выражается уравнением.
где εmax- максимальная относительная деформация растяжения, εy упругая часть ε max в момент разрушения, U,W - площади, определяемые графическим методом.
Прочность костной ткани при растяжении меняется от 150 до 170 МПа в зависимости от зоны поперечного сечения, с которой взят экспериментальный образец. Она определяется прочностью отдельных компонентов- гидроксилапатита (от 600 до 700 МПа) и коллагена (от 50 до 100 МПа).
Волокна костной ткани претерпевают преимущественно упругие деформации, а матрица (остальная часть) – пластические деформации и хрупкое разрешение. Модуль упругости определяется по формуле
где Ea – начальный модуль упругости армирующих волокон, V=Va + Vm – общий объем, состоящий из объемов арматуры Va и матрицы Vm, Gm- модуль сдвига матрицы.
Прочность костей при сжатии высока. Так, несущая способность бедренной кости в продольном направлении составляет 45 000 Н для мужчин и 39 000 Н для женщин.
Несущая способность костей при изгибании значительно меньше. Например, бедренная кость выдерживает нагрузку на изгиб до 2 500 Н.
Прочность при кручении наиболее высока в 25-35 лет (105.4 МПа) и после этого постепенно убывает, снижаясь к 75-89 годам в среднем до 90 МПа. Это объясняется главным образом увеличением пористости. Установлено, что старение не влияет на пористость в продольном направлении. С увеличением возраста от 50 до 75 лет она не меняется и составляет около 28.5%. Но в окружном направлении пористость увеличивается в среднем на 39.8% с 50 до 75 лет. Известно, что регулярные тренировки приводят к гипертрофии костей. Так, у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у теннисистов- кости предплечья.
Разрушение кости рассматривают главным образом как макроскопическое явление, при котором кость ломается на две или более частей. Обычно до разрушения появляются пластические деформации и микротрещины. При исследовании взаимной связи между упругими и прочностными свойствами , которые компактная костная ткань проявляет при растяжении и кручении, с одной стороны, и биохимическим составом, с другой стороны, установлено, что наряду с минеральными компонентами и коллагеновыми волокнами существенное влияние на механические характеристики оказывает и содержимое межфибриллярного вещества. Следовательно, компактная костная ткань является не двухфазным, а трехфазным композиционным материалом по отношению к механическим нагрузкам. При помощи ультразвукового метода исследовалась способность кости приспосабливаться к нагрузкам. Установлено, что под влиянием внешних нагрузок меняются структура, форма и химический состав кости.
Спонгиозная костная ткань., составляющая около 20 % массы скелета,образуе5т позвонки, концевые отделы трубчатых костей, внутренний слой ребер и лопаток.
Первичная спонгиозная ткань состоит из минеральных ламелл. Она образуется при перестройке хрящевой ткани.
Пространственная структура вторичной спонгиозной ткани формируется из трабекул (костных балочек), которые образованы из тонких костных ламелл цилиндрической или плоской формы. Значения механических характеристик спонгиозной ткани, приводимые в литературе, имеют очень большой разброс: для модуля упругости при сжатии этот разброс составляеть 26-600 МПа, для разрушающей деформации при сжатии 1.25-24 %, для разрушающего напряжения при сжатии- 3.7-11.4 МПа.
Плотность костной ткани 2 400 кгм3. Ее механические свойства зависят от многих факторов, в том числе от возраста, индивидуальных условий роста организма, от участка организма.
Модуль Юнга около 10 ГПа, предел прочности 100 МПа.
Используя данные из таблицы, можно рассчитать, что максимальный вес груза, который может удерживать плечевая кость (в средней части ее площадь поперечного сечения около 3.3 см2), находясь в вертикальном положении и работая на сжатие, близок к 60 кН.
Иллюстрацией прочности костей человека может служить разбивание голой рукой кирпича или бетона в практике восточных единоборств. Хорошо натренированный каратист может в течение нескольких миллисекунд передавать в ударе мощность в несколько киловатт.
Прочность кости такова, что она способна разбивать такие предметы, как дубовые или бетонные бруски, не ломаясь сама.
Оценим энергию, необходимую для разрушения бруска. Используем формулу для упругой энергии в виде
Максимальное напряжение, которое выдерживает материал, модуль Юнга. Бетонный кирпич обычно имеет размер 0.4 02. 0.05 м. Используем данные из таблицы, получаем величину энергии 0.55 Дж. Скорость движения руки каратиста 12 мс, а ее масса 0.7 кг. Поэтому энергия, которую передает рука каратиста в момент удара – 50 Дж. Таким образом, рука каратиста обладает вполне достаточным запасом энергии, чтобы разрушить брусок из бетона.
То, что рука каратиста не ломается при ударе частично объясняется гораздо большей прочностью кости по сравнению с бетоном. Замедление кулака в момент удара составляет 4000 мс2, то есть сила, действующая со стороны бруска на кулак, масса которого 0.7 кг, должна быть равна 2.8 Н. Если весь кулак в момент удара заменить костью длиной 6 см и диаметром 2 см, фиксированной в двух крайних точках, а удар действует на ее середину, то в таких условиях кость может выдержать 25 кН, то есть приблизительно в 8 раз больше. Однако, возможности руки каратиста противостоять таким ударам еще больше, так как в отличие от бетонного бруска она не поддерживается по краям и удар не приходится точно в середину. Кроме того, между костью и бруском находится эластичная ткань, амортизирующая удар.
Зависимость σ= f (ε) для компактной костной ткани имеет вид
то есть подобна аналогичной зависимости для твердого тела, при небольших деформациях выполняется закон Гука.
Примерный вид кривой ползучести представлен на рис
Участок ОА соответствует быстрой деформации, АВ- ползучести. В момент , соответствующий точке В, нагрузка была снята. ВС соответствует быстрой деформации сокращения, СД- обратной ползучести. В результате даже за длительный период образец кости не восстанавливает своих прежних размеров, сохраняется некая остаточная деформация.
Для этой зависимости можно предложить следующую примерную модель. При действии постоянной нагрузки мгновенно растягивается пружина 1 (участок ОА), затем вытягивается поршень (релаксация АВ), после прекращения нагрузки происходит быстрое сжатие пружины 1 (ВС), а пружина 2 втягивает поршень в прежнее положение (обратная релаксация СД).
Можно заключить, что минеральное содержимое кости обеспечивает быструю деформацию, а полимерная часть (коллаген) определяет ползучесть.
Если в кости быстро создать постоянную деформацию, то скачкообразно возникает и напряжение. На модели это означает растяжение пружины 1 и возникновение в ней напряжения. Затем (участок АВ) эта пружина будет сокращаться, вытягивая поршень и растягивая пружину 2, напряжение в системе будет убывать. Однако , даже спустя значительное время сохранится остаточное напряжение. Это означает, что не возникнет такой ситуации, чтобы пружины вернулись в недерформированные состояния.
Читайте также: