Основоположник отечественной биомеханической школы

Обновлено: 05.07.2024

Биомеханика — одна из самых старых ветвей биологии. Ее исто­ками были работы Аристотеля и Галена, посвященные анализу дви­жений животных и человека. Но только благодаря работам одного из самых блистательных людей эпохи Возрождения — Леонардо да Винчи (1452—1519) — биомеханика сделала свой следующий шаг. Леонардо особенно интересовался строением человеческого тела (анатомией) в связи с движением. Он описал механику тела при пе­реходе из положения сидя к положению стоя, при ходьбе вверх и вниз, при прыжках и, по-видимому, впервые дал описание походок.

Р. Декарт (1596—1650) создал основу рефлекторной теории, показав, что причиной движений может быть конкретный фактор внешней среды, воздействующий на органы чувств. Этим объяс­нялось происхождение непроизвольных движений.

Биологическая механика как наука о механическом движении в биологических системах использует в качестве методического аппарата принципы механики.Механика человека есть новый раздел механики, изучающий целенаправленные движения человека.

Биомеханика — это раздел биологии, изучающий механиче­ские свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также происходящие в них механические явления (при движении, дыха­нии и т. д.).


Первые шаги в подробном изучении биомеханики движений были сделаны лишь в конце XIX столетия немецкими учеными Брауном и Фишером (V. Braune, О. Fischer), которые разработали совершенную методику регистрации движений, детально изучили динамическую сторону перемещений конечностей и общего цент­ра тяжести (ОЦТ) человека при нормальной ходьбе. К.Х. Кекчеев (1923) изучал биомеханику патологических похо­док, используя методику Брауна и Фишера.

Большой вклад в познание взаимодействия уровней регуляции движений внес Н.А. Бернштейн (1880— 1968). Им дано теоретиче­ское обоснование процессов управления движениями с позиций общей теории больших систем. Исследования Н.А. Бернштейна позволили установить чрезвычайно важный принцип управления движениями, общепризнанный в настоящее время. Нейрофизиоло­гические концепции Н.А. Бернштейна послужили основой форми­рования современной’теории биомеханики движений человека.

Идеи Н.М. Сеченова о рефлекторной природе управления движе­ниями путем использования чувствительных сигналов, получили раз­витие в теории Н.А. Бернштейна о кольцевом характере процессов управления.

B.C. Гурфинкель и др. (1965) клинически подтвердили это направ­ление, выявили принцип синергии в организации работы скелетной мускулатуры при регуляции вертикальной позы, а Ф.А. Северин и др. (1967) получили данные о спинальных генераторах (мотонейро­нах) локомоторных движений. R. Granit (1955) с позиции нейрофи­зиологии дал анализ механизмов регуляции движений.


Большой вклад в биомеханику спорта внесли R.G. Osterhoud (1968); Т. Duck (1970), R.M. Brown; J.E. Counsilman (1971); S. Pla-genhoef (1971); CW.Buchan (1971); Dal Monte et.al. (1973); M.Saito et al. (1974) и многие другие.

Из биологических наук в биомеханике более других использо­вались научные данные по анатомии и физиологии. В последующие годы большое влияние на становление и развитие биомеханики как науки оказали динамическая анатомия, физика и физиология, осо­бенно учение о нервизме И.П. Павлова и о функциональных сис­темах П.К. Анохина.

Большой вклад в изучение физиологии двигательного аппарата внесН.Е. Введенский (1852—1922). Им выполнены исследования процессов возбуждения и торможения в нервной и мышечной тка­нях. Его работы о физиологической лабильности живых тканей и возбудимых систем, о парабиозе имеют огромное значение для современной физиологии спорта. Большую ценность представля­ют также его работы о координации движений.

Вопросы физиологии спорта разрабатывал А.Н. Крестовиков (1885—1955). Они были связаны с выяснением механизма мышеч­ной деятельности, в частности, координации движений, формиро­вания двигательных условных рефлексов, этиологии утомления при физической деятельности и другими физиологическими функ­циями при выполнении физических упражнений.

М.Ф. Иваницкий (1895—1969) разработал функциональную (динамическую) анатомию применительно к задачам физкульту­ры и спорта, т. е. определил связь анатомии с физкультурой. Успехи современной физиологии, и, в первую очередь, труды ака­демика П.К. Анохина дали возможность с позиции функциональных систем по-новому взглянуть на биомеханику движений. Все это дало возможность обобщить физиологические данные с биомеханическими исследованиями и подойти к решению важ­ных вопросов биомеханики движений в современном спорте, спор­те высших достижений.


Американские специалисты (E.W. Schrader и др., 1964) созда­ли протез ноги, ампутированной выше колена. Была изготовлена гидравлическая модель коленного сустава, позволяющая добиться естественной ходьбы. Конструкция предусматривает нормальную высоту подъема пятки и вытягивание ноги при ее отводе независи­мо от скорости ходьбы.

Бурное развитие спорта в СССР послужило основанием разви­тия биомеханики спорта. С 1958 г. во всех институтах физической культуры биомеханика стала обязательной учебной дисциплиной, создавались кафедры биомеханики, разрабатывались программы, издавались учебные пособия, учебники, проводились научно-ме­тодические конференции, готовились специалисты.

Как учебный предмет биомеханика выполняет несколько ролей. Во-первых, с ее помощью студент вводится в круг важнейших физи­ко-математических понятий, которые необходимы для расчетов ско­рости, углов отталкивания, массы тела, расположения ОЦТ и его роли в технике выполнения спортивных движений. Во-вторых, эта дисци­плина имеет самостоятельное применение в спортивной практике, потому что представленная в ней система двигательной деятельно­сти с учетом возраста, пола, массы тела, телосложения позволяет выработать рекомендации для работы тренера, учителя физкульту­ры, методиста лечебной физкультуры и др.

Биомеханические исследования позволили создать новый тип обуви, спортивного инвентаря, оборудования и техники управ­ления ими (велосипеды, горные и прыжковые лыжи, гоночные лыжи, лодки для гребли и многое другое).

Изучение гидродинамических характеристик рыб и дельфинов дало возможность создать специальные костюмы для пловцов, изменить технику плавания, что способствовало повышению скорости плавания.

Биомеханику преподают в высших физкультурных учебных заведе­ниях во многих странах мира. Создано международное общество био­механиков, проводятся конференции, симпозиумы, конгрессы по био­механике. При Президиуме Российской академии наук создан научный Совет по проблемам биомеханики с секциями, охватывающими про­блемы инженерной, медицинской и спортивной биомеханики.


Введение в биомеханику и биомеханические особенности строения тела человека

Основные понятия механики материальной точки

И твердого тела

Механика— это раздел физики, в котором изучают механическое движение материальных тел.

Механическое движение является простейшей формой движения материи, которое представляет собой изменение взаимного положения тел в пространстве и во времени.

Механика включает в себя три основных раздела: статику, кинематику и динамику.

В статике рассматривают условия равновесия материальных тел под действием приложенных сил.

Кинематика изучает внешнюю картину движений. В динамике рассматривают причины возникновения и изменения движений. Остановимся на кратком изложении основных понятий кинематики и динамики.

Основные понятия кинематики

Для описания внешней картины движений используют линейные и угловые кинематические характеристики.

Деление кинематических характеристик на линейные и угловые связано с тем, что любое сложное движение твердого тела можно представить как сумму двух простых движений — поступательного и вращательного.

Поступательным называют такое движение тела, при котором все его точки двигаются одинаково, т. е. имеют одинаковые траектории и скорости.

При вращательном движении различные точки тела двигаются по концентрическим окружностям, а точки, лежащие на оси вращения, остаются неподвижными.

В отличие от твердого тела материальная точка не имеет ни вращательного, ни поступательного движения, она может двигаться либо по прямолинейной, либо по криволинейной траектории.

Поскольку механическое движение — это изменение взаимного положения тел в пространстве и во времени, то для его количественного описания используют пространственные и временные системы отсчета.

Существуют различные системы отсчета (естественная, прямоугольная декартова, полярная, цилиндрическая и др.).

Напомним определения основных кинематических характеристик.

Координата — это мера положения точки или тела в выбранной системе отсчета.

Данная характеристика показывает лишь то, в каком месте находится точка или тело. Положение точки на плоскости определяется двумя координатами. При вращательном движении тела в одной плоскости его положение определяется одной угловой координатой.

Перемещение — это изменение положения точки или тела в выбранной системе отсчета. Эта характеристика отражает кратчайшее расстояние, пройденное точкой из начального в конечное положение, или угол поворота тела при его вращении относительно какой-либо оси.

Перемещение численно равно разности координат конечного и начального положения точки или тела. Наряду с перемещением используют еще одну характеристику -путь. В отличие от перемещения эта величина скалярная. Путь характеризует пройденное расстояние без учета направления движения точки вдоль траектории.

Скорость — это изменения положения точки или тела с течением времени. Различают среднюю и мгновенную скорости (линейную и угловую). Средняя скорость — это отношение

перемещения ко времени, за которое оно произошло.

Мгновенная скорость — это первая производная координат по времени.

Ускорение — это изменение скорости точки или тела с течением времени. Как и для скорости, различают среднее и мгновенное ускорение (линейное и угловое).

Перемещение, скорость и ускорение — величины векторные, т. е. они характеризуются абсолютным значением (модулем), направлением и точкой приложения.

Между угловыми и линейными кинематическими характеристиками движущего тела существуют вполне определенные соотношения.

Так, например, линейная скорость любой точки вращающегося твердого тела равна произведению угловой скорости на расстояние этой точки до оси вращения.

Основные понятия динамики

В отличие от кинематики динамика изучает причины возникновения и изменения движений, т. е. силы и моменты сил, действие которых либо сохраняет тела в неподвижном положении, либо изменяет их движение.

Кроме того, в динамике рассматривается связь между свойствами материальных тел и характеристиками их движения, выраженная в соответствующих законах динамики.

Основными понятиями динамики являются сила, момент силы, масса, момент инерции тела и т. п.

Сила — это мера механического взаимодействия тел в данный момент времени в поступательном движении. В механике, в отличие от физики и биомеханики, не рассматривают природу сил, действующих на то или иное тело.

Мерой механического взаимодействия тел во вращательном движении является не сила, а ее момент.

Момент сипы численно равен произведению силы на ее плечо. Плечосилы — это кратчайшее расстояние от оси вращения до линии, вдоль которой действует сила.

Масса — это мера инертности тела в поступательном движении. Чем больше масса тела, тем труднее его заставить двигаться, а если оно двигалось, то его труднее остановить или изменить направление его движения.

Мерой инертности тела во вращательном движении является момент инерции.

Eго величина определяется произведением массы тела на радиус инерции в квадрате. Радиус инерции характеризует распределение масс в теле относительно оси вращения. Как и масса, момент инерции тела показывает, насколько трудно или легко изменить его движение, нотолько в данном случае речь идет о вращательном движении тела.

В основе динамики лежат три основных закона.

Первый закон — если на тело не действуют никакие силы, то оно будет сохранять покой или двигаться равномерно и прямолинейно.

В этом законе подчеркивается, что покой и равномерное прямолинейное движение — не различные состояния тела, свойство тел сохранять эти состояния определяется массой и моментом инерции.

Второй закон — сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на его ускорение.

Для вращательного движения в данной зависимости вместо силы нужно взять ее момент, вместо массы — момент инерции, а вместо линейного ускорения – угловое ускорение. Важно подчеркнуть, что второй закон динамики устанавливает связь между причиной изменения движения, свойством тела и его кинематикой.

Третий закон — всякому действию есть равное противодействие.

Не менее важными динамическими характеристиками являются: импульс силы и импульс тела, механическая работа, мощность, энергия (кинетическая и потенциальная) и т.п.

Связи между некоторыми из них настолько значимы, что получили статус самостоятельных законов. Среди них можно отметить закон сохранения импульса и кинетического момента, закон сохранения энергии и другие. Более подробные сведения об этих характеристиках можно получить в соответствующей литературе.

Однако для знакомства с основами некоторых разделов биомеханики рассмотренных выше характеристик будет вполне достаточно.

Введение в биомеханику и биомеханические особенности строения тела человека

Биомеханика— это наука, которая изучает механические явления в живых системах.

Живые системы и механические явления в них весьма многообразны.

К живым системам относят: различные ткани тела человека (костная, мышечная, соединительная и др.), органы и системы (сердечно-сосудистая, дыхательная, скелетно-мышечная и др.), человек или группа людей и т. п. Механические явления также многообразны. К ним относятся: механические свойства тканей тела человека, механика движения крови по сосудам, механика родового акта и другие. Но чаще всего основным предметом исследования биомеханики является механическое движение животных, в том числе и человека.

Биомеханика, как научная область знаний, развивается в разных направлениях.

Ее знания и методы широко используются в робототехнике, при изучении двигательных действий в условиях производства, в медицине, в космонавтике и т. п. Физическая культура и спорт также нуждаются в знаниях биомеханики.

Основными задачами спортивной биомеханики являются:

Изучение техники тренировочных и соревновательных спортивных упражнений.

2. Изучение строения и свойств двигательного аппарата человека.

Изучение двигательных способностей человека (силы, быстроты, выносливости и др.).

4. Биомеханическое обоснование конструкции тренажеров и требований по их
использованию в тренировочном процессе.

5. Биомеханические аспекты и профилактика спортивного травматизма.

6. Изучение индивидуальных и групповых особенностей движений и двигательных возможностей человека.

Биомеханика как наука о движениях человека

Предмет науки раскрывает, что именно и с какой целью изучается.

Биомеханика — наука о законах механического движения, в живых системах.

В самом широком смысле к живым системам (биосистемам) относят: а) целостные организмы (например, человек); б) их органы и ткани, а также жидкости и газы в них (внутриорганизменные системы) и даже в) объединения организмов (например, совместно действующая пара акробатов, противодействующие борцы).

Биомеханика спорта как учебная дисциплина изучает движения человека в процессе физических упражнений- Она рассматривает дви­гательные действия спортсмена как системы взаимно связанных ак­тивных движений (объект познания). При этом исследуют механические и биологические причины движений и зависящие 6т них (особенности двигательных действий в различных условиях.

Для лучшего понимания сути и роди механического движения человека рассмотрим основные понятия о движении вообще и о движениях организмов (например, человека) в частности.

Механическое движение в живых системах проявляется как а) передвижение всей биосистемы относительно ее окружения (среды, опоры, физических тел) и б) деформация самой биосистемы — пе­редвижение одних ее частей относительно других. Основные законы механики Ньютона описывают движение абс­трактных абсолютно твердых тел, которые не деформируются.

Таких (тел в природе не существует. Но в так называемых твердых телах Деформации бывают столь малы, что их нередко можно и не учиты­вать. В живых же системах существенно изменяется относительное расположение их частей.


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: