ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 18.12.2021
Просмотров: 705
Скачиваний: 3
Основи біофізики і біомеханіки
149
ГЛАВА 7
БІОМЕХАНІКА ОПОРНО-
РУХОВОЇ СИСТЕМИ
«Наука механіка тому така благородна і більш
корисна, ніж інші науки, що, як виявляється, усі
живі істоти, які мають здібність до руху, діють
за її законами»
Леонардо да Вінчі
Рухова діяльність людини потребує узгодженої роботи організму в
цілому, але головна роль при цьому належить опорно-руховому апарату.
З
механічної точки зору
руховий апарат людини являє собою
механізм, який складається з системи важелів, що приводяться у дію
м’язами. Тобто людина – це система рухомо з’єднаних ланок, які мають
деякі розміри, масу, моменти інерції і м’язові двигуни. Анатомічними
структурами, які створюють ці ланки і з’єднання, є кістки, сухожилля,
м’язи і фасції, фіброзні та синовіальні з’єднання кісток, а також
внутрішні органи, шкіра та інше.
Для того, щоб зрозуміти устрій рухового апарату і принцип його
дії, необхідно враховувати біологічну природу «механізмів» тіла
людини. Аналіз діяльності рухового апарату з біологічної точки зору
дозволяє розкрити своєрідність принципу дії «живих механізмів» по
відношенню до «неживих» механізмів.
Г о л о в н і
б і о л о г і ч н і
о с о б л и в о с т і , які відрізняють
руховий апарат тварин і людини від неживих технічних механізмів,
полягають у наступному:
1.
Апарат руху живих істот побудований з живих тканин і органів,
у яких постійно, в тому числі і у стані спокою, відбувається обмін
речовин. Структурною і функціональною основою живої матерії є
білок
– складна, хімічно активна і нестійка речовина. Хімічні перебудови
білкових молекул, які вступають у різні реакції з органічними та
неорганічними речовинами, є основою внутрішньоклітинного обміну
речовин і специфічної робочої діяльності клітин (наприклад, скоро-
чувальної).
2.
Для підтримання тканин і органів рухового апарату в стані високої
працездатності необхідно їх постійно використання, бо тривале перебування
у стані спокою знижує працездатність. Тобто під впливом роботи
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
150
маємо морфологічне і функціональне вдосконалення тканин і органів
рухового апарату і, навпаки, деградацію – при відсутності діяльності. Це
є важливою відмінністю рухового апарату живих організмів від неживих.
3.
У техніці усі рухи є наперед заданими самою формою сполучань
між рухомими частинами. Навпаки ж, руховий апарат людини
побудовано таким чином, що з одних і тих самих структурних одиниць
(кістки, зв’язки, м’язи) може бути утворена різноманітність механізмів
з різними робочими завданнями (тобто одні й ті ж самі структурні
одиниці є спроможними виконувати різні завдання).
4.
Управління діяльністю опорно-рухового апарату здійснюється
через нервову систему, яка спрямовує його рух у необхідному напрямку.
Рухову діяльність людини можна представити як систему безумовних і
умовних рефлексів на подразнення із зовнішнього і внутрішнього
світу, які діють у даний час або які діяли раніше і що збереглися у
нервових центрах у вигляді сліду. Таким чином, рухова діяльність
забезпечується не лише роботою безпосередньо опорно-рухового
апарату, але й роботою органів чуття і центральної нервової системи.
Саме рефлекторний механізм і, особливо, здатність до утворення
тимчасових зв’язків (умовних рефлексів), забезпечує широке використання
одних і тих самих структур рухового апарату для виконання різних
рухових дій. Тому саме нервова діяльність визначає робоче застосування
рухового апарату, як органу біологічно цілеспрямованих рухів.
§ 7.1. МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ БІОЛОГІЧНИХ ТКАНИН ТА
АПАРАТІВ ОПОРНО-РУХОВОЇ СИСТЕМИ ЛЮДИНИ
Під
механічними властивостями
біологічних тканин розуміють два
їх види. Один пов’язаний з процесами біологічної рухомості: скорочення
м’язів, зростання клітин, рух хромосом у клітинах при їх поділі тощо.
Ці процеси зумов158
лені хімічними процесами і енергетично забезпечуються АТФ, їх
природа розглядається у курсі біохімії. Умовно цю групу називають
активними
механічними властивостями біологічних систем. Другий
вид – це
пасивні
механічні властивості біологічних тіл. Цей вид
механічних властивостей біологічних тканин розглядається в курсі
біомеханіки.
Як технічний об’єкт, біологічна тканина – це композиційний матеріал,
який утворюється через об’ємне поєднанням хімічно різнорідних
компонентів. Механічні властивості біологічної тканини відрізняються
від механічних властивостей кожного компонента окремо. Методи
визначення механічних властивостей біологічних тканин є аналогічними
Основи біофізики і біомеханіки
151
методам визначення цих властивостей у технічних матеріалів.
Механічні властивості кісткової тканини.
Кістка – це основний
матеріал опорно-рухового апарату людини. В скелеті людини більше
200 кісток. У спрощеному вигляді можна вважати, що 2/3 маси компактної
кісткової тканини (0,5 об’єму) складає неорганічний матеріал – мінеральна
речовина кістки –
гідроксилапатит
. Ця речовина представлена у вигляді
мікроскопічних кришталиків. Іншу частину маси складає органічний
матеріал, головним чином,
колаген
(високомолекулярна сполука, волок-
нистий білок, який характеризується високою еластичністю). Кришталики
гідроксилапатиту розташовані між колагеновими волокнами (фібрилами).
Властивість кості до пружної деформації зумовлюється присутністю в
ній саме мінеральної речовини, а повзучість – за рахунок колагену.
Композиційна будова кості придає потрібні їй механічні властивості:
твердість, пружність і міцність. Її механічні властивості залежать від
багатьох факторів, у т. ч. від віку, індивідуальних умов росту організму, і,
звичайно, від ділянки організму. В нормі щільність кісткової тканини
2 400 кг/м
3
, модуль Юнга
E
= 10
10
Па (10 ГПа), ліміт міцності при
розтягуванні
= 100 МПа, відносна деформація досягає 1 %. За цими
параметрами кісткова тканина є дуже близькою до капрону (табл. 7.1.1.):
Таблиця 7.1.1.
Механічні властивості деяких матеріалів
Матеріал
Модуль Юнга, ГПа
Границя міцності, МПа
Сталь
200
500
Капрон склонаповнений
8
150
Органічне скло
3,5
50
Завдяки цим характеристикам залежність
= f(
)
для компактної
кісткової тканини має характерний вигляд твердого тіла: при
невеликих деформаціях виконується закон Гука (
рис. 7.1.1.
):
Рис. 7.1.1.
Залежність деформації
кісткової тканини від її
напруженості
= f(
)
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
152
Приблизний вигляд кривої повзучості компактної кісткової
тканини, при дії на неї навантаження, наведено на
рис. 7.1.2.
Ділянка
ОА
відповідає швидкій деформації, ділянка
АВ
– повзучості кісткової
тканини при прикладеному навантаженні. В момент
t
, який відповідає
точці
В
, навантаження було знято. Ділянка
ВС
відповідає швидкій
деформації скорочення,
СD
– зворотній повзучості. В результаті навіть
за тривалий період зразок кістки не досягає своїх попередніх розмірів,
зберігається деяка
залишкова деформація
зал
.
Рис. 7.1.2.
Поведінка компактної кістки на напруження (залежність
деформації від часу з моменту прикладення сили)
Цій залежності деформації кісткової тканини відносно часу відповідає
приблизно модель Кельвіна-Фойхта (
рис. 7.1.3
).
Рис. 7.1.3.
Механічна модель Кельвіна-Фойхта (а) кісткової тканини та
часова залежність деформації кісткової тканини (б).
Основи біофізики і біомеханіки
153
Розглянемо цю модель. При дії постійного навантаження миттєво
розтягується пружина 1 (це відповідає ділянці
ОА
), потім витягується
поршень (повзучість
АВ
), після припинення навантаження відбувається
швидке стиснення пружини 1 (ділянка
ВС
), а пружина 2 втягує поршень у
попередній стан (повзучість
СD
). Різницею є те, що в цій моделі не
передбачається залишкової деформації.
Швидку деформацію кісткової тканини забезпечує її мінеральна
складова, а повзучість кісткової тканини визначає полімерна частина
(колаген).
Тобто
за моделлю Кельвіна-Фойхта мінеральна складова
кісткової тканини
може бути
представлена у вигляді поршня, а
еластична компонента – у вигляді пружини
.
Поведінка кісткової тканини на деформацію характеризується
наступними особливостями:
1)
Кісткова тканина веде себе по-різному при різних способах
деформації (навантаження). Міцність на стискання є вищою, ніж на
розтягування чи на згинання. Так, стегнова кістка у прямому напрямку
витримує навантаження 45 000 Н, а при згинанні – 2 500 Н. Але запас
механічної міцності кісток дуже значний і помітно перевищує
навантаження, з якими вони зустрічаються у звичайних життєвих
умовах. Встановлено, що міцність кістки на розтягування є вищою,
ніж у дуба, і майже дорівнює міцності чавуну.
2)
Уся архітектоніка кісткової тканини відповідає опорній функції
скелету, а орієнтація кісткової перекладини паралельна лініям основних
напружень, що дозволяє кісткам витримувати великі механічні
навантаження. Так, наприклад, довгі кістки кінцівок, які підвернені в
основному згинанню, мають у середній частині трубчасту форму. Це
забезпечує найбільш економічне використання кісткової речовини, бо
при згинанні шари речовини, які знаходяться поблизу від поздовжньої
осі тіла, майже не беруть участі в опорі навантаженню. В голівці
стегнової кості, заради цього, під кожне навантаження формується
своя структура –
ф о р м а М і т ч е л л а
. Усі форми пов’язані між
собою і утворюють складну структуру.
3)
Однією із важливих особливостей кісток скелету є
г а л т е -
л ь н і с т ь
, тобто округлення внутрішніх і зовнішніх кутів.
Галтельність підвищує міцність і знижує внутрішні напруги у місцях
різкого переходу.
4)
Кістки мають різну міцність залежно від функції, яку виконують.
Кістки черепу, грудини і тазу захищають внутрішні органи. Опорну
функцію виконують кістки кінцівок і хребту. Кістки ніг та рук довгі і
трубчасті. Трубчаста будова забезпечує протидію значним навантаженням
і, разом із цим, у 2-2,5 рази знижує їх масу і значно зменшує моменти