ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 18.12.2021
Просмотров: 708
Скачиваний: 3
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
154
інерції. Стегнова кістка у вертикальному положенні витримує наванта-
ження до 1,5 т, а велика берцова – до 1,8 т.
5)
Відповідно до виконання фізіологічних задач з реалізації опорних
і локомоторних функцій у кістках формуються
з о н и р і з н о ї
т в е р д о с т і
відповідно розподіленню силових навантажень.
При постійних силових навантаженнях, наприклад, у спортсменів,
можлива робоча гіпертрофія кісток. Наприклад, у штангістів потовщуються
кістки ніг і хребту, у футболістів – зовнішня частина кістки плюсни, у
тенісистів – кістки передпліччя тощо.
Механічні властивості суглобів
«... геометричні форми суглобних поверхонь
так логічно пов’язані з оправленням суглобів, що за
аналізом форми можна визначити усі діючі в суглобі
рухи і, навпаки, за рухами, які спостерігаються у
живого, можна з мате-матичною точністю
визначити форму, яка лежить в основі цього
руху»
П. Ф. Лесгафт
Механічні властивості суглобів визначаються їхньою будовою.
Суглобна поверхня змочується синовіальною рідиною, яку, як у капсулі,
зберігає суглобна сумка. Синовіальна рідина забезпечує зменшення
коефіцієнту тертя в суглобі приблизно у 20 разів. Тут відбувається
наче «вижимальний» принцип мастила: при зниженні навантаження на
суглоб, воно поглинається губчастими утвореннями суглоба, а при
підвищенні – вижимається для змочування поверхні суглобу і
зменшення коефіцієнта тертя.
Величини сил, що діють на суглобні поверхні, великі і залежать від
виду діяльності та її інтенсивності (табл. 7.1.2.)
Таблиця 7.1.2.
Величини сил, що діють на головку стегнової кістки
(за Х. А. Янсоном, 1975 р.)
Вид діяльності
У відношенні до сили тяжіння тіла
Сидіння
0,087
Стояння на 2-х ногах
0,25
Стояння на 1 нозі
2,00
Ходьба по рівній поверхні
1,66
Підйом і спускання за поверхнею з нахилом
2,08
Швидка ходьба
3,58
Примітка.
Ще вищими є сили, які діють на колінний суглоб; при
масі тіла 90 кг вони досягають: при ходьбі 7 000 Н, при бігу – 20 000 Н.
Основи біофізики і біомеханіки
155
Міцність суглобів, як і міцність кісток, не є нескінченою. Так, тиск
у суглобному хрящі не повинен перевищувати 350 Н/см
2
. При більш
високому тиску припиняється змазування суглобного хряща і підвищується
небезпека його механічного стирання. Це потрібно враховувати, в
особливості, при проведенні туристичних походів (коли людина несе
вантаж) і при організації оздоровчих занять з людьми середнього і
похилого віку (з віком змазування суглобної сумки стає менш рясним).
Механічні властивості хребту. Хребет
складається з 23 хребетно-
рухових сегментів (ХРС), кожен з яких являє собою рухому ланку, яка
приймає участь у забезпеченні різноманітних функцій хребту як єдиної
функціональної системи. Складовими частинами ХРС є тіла двох
суміжних хребців, хрящевий диск, який розташовується між ними,
дугоотростчаті суглоби, зв’язочний апарат і м’язи, які здійснюють
фіксацію і рухомість цього комплексу.
Міжхребетний диск
складається з фіброзного кільця, студенистого
ядра і пластинок, які примикають безпосередньо до позвонків.
Фіброзне кільце утворено концентричними пластінками, які складаються
з колагенових і еластинових волокон, що визначає високу міцність на
розтягування, яка сполучається з пружністю під впливом навантаження.
Студенисте ядро
розташоване в середині міжхребетного диску. Його
складовими є фібробласти, хондроцити, колагенові волокна і основна
речовина, яка складається переважно з кислих гликозаміногліканів,
гіалуронової кислоти, пролину. Характерною особливістю основної
речовини є здатність адсорбувати і зв’язувати воду, що сприяє збереженню
і регуляції необходного внутридискового тиску, який відіграє істотну
роль в реалізації амортизуючих і фіксуючих властивостей міжхребетного
диску.
З біомеханічної точки зору міжхребетний диск розглядається як
гідродинамічна система, властивості якої пов’язані з метаболічними
процесами в його тканинах і умовами діяльності.
Дугоотростчаті суглоби
мають різні форми і напрямки в різних
відділах хребетного стовба. Вони є основними утвореннями, які
визначають об’єм і напрямок рухів у кожному ХРС.
Суглоби вкриті еластичною, достатньо міцною сумкою, яка вміщує
меніскоїди у вигляді півмісяців, які проникають в суглобну щілину та
які оточені жировими подушками. Дугоотростчаті суглоби – це найбільш
інервовані частини ХРС, які є достатньо активними рефлексогеними
зонами.
Зв’язувальний апарат
хребетного стовба представлений декількома
потужними зв’язками, які відіграють стабілізуючу роль. Передня
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
156
повздовжна зв’язка, починаючись з передніх бугорків шийного хребця,
тягнеться через передню поверхню до копчика. При цьому вона
жорстко зв’язана з тілами хребців і рихло зв’язана з міжхребетними
дисками. Задня повздовжна зв’язка проходить через задню поверхню
тіл хребців, при цьому вона щільно прикріплюється до дисків і рихло –
до тіл хребців. Жовта зв’язка, прикріплюючись до передніх поверхонь
дуг хребців, обмежує рухомість у дуговідросткових суглобах. Крім
того, значну роль у стабілізації ХРС відіграють міжостисті, надостні і
міжпоперечні зв’язки.
Крім того, всередині хребетного стовба проходить спинний мозок,
від якого в кожному сегменті відходять корешки спинного мозку. Від
останніх, в свою чергу, беруть початок практично всі нерви соматичної
інервації.
Таким чином, хребет виступає складноорганізованою цілісною
структурою, зміни одних елементів якої обов’язково спричиняють
більш довгому ланцюгу змін у всьому організмі.
Механічні властивості шкіри.
Шкіра являє собою не лише
досконалий покрив тіла, але є органом, який виконує важливі функції:
підтримує гомеостаз, бере участь у процесі терморегуляції та регуляції
загального обміну речовин в організмі, виконує секреторну функцію
(через сальні і потові залози), захищає внутрішні органи від шкідливої
дії механічних, фізичних, хімічних, інфекційних агентів. Вона являє
собою велике рецепторне поле, яке сприймає зовні і передає до
центральної нервової системи (ЦНС) цілий ряд відчуттів.
Шкіра – це межа між тілом і оточуючим середовищем, тому їй
властива значна механічна міцність. Вона складається з волокон колагену,
еластину (такий самий волокнистий білок) і основної тканини – матриці.
Колаген складає близько 75 % сухої маси, а еластин – близько 4 %.
Приблизні дані механічних властивостей шкіри наведено в табл. 7.1.3.
Таблиця 7.1.3.
Механічні властивості складових шкіри
Матеріал
Модуль пружності
(модуль Юнга), МПа
Границя пружності
пр
.,
МПа
Колаген
10-100
100
Еластин
0,1-0,6
5
Еластин розтягується дуже сильно (до 200-300 %), приблизно, як
резина. Колаген може розтягуватися до 10 %, що відповідає капроновому
волокну. Оскільки шкіра є в’язкопружним матеріалом з високоеластичними
властивостями, вона дуже сильно розтягується і подовжується.
Основи біофізики і біомеханіки
157
Шкіру часто розглядають як гетерогенну тканину, яка складається з
3-х шарів, які накладені один на одний, що тісно пов’язані між собою,
але різняться за природою, структурою, властивостями.
Функції кожного шару, у т. ч. і механічні, відображують біомеханічну
природу її компонентів і їх структурну організацію. Співвідношення
товщини шару на різних ділянках тіла є різним. У таблиці 7.1.4. наведено
товщину епідермісу
L
і модуль пружності
E
для різних її ділянок.
Таблиця 7.1.4.
Механічні властивості шкіри для різних ділянок тіла людини
Частина тіла
Товщина епідермісу L,
мкм
Модуль пружності E,
Па
Лице, тулуб
34-92
10
4
-10
6
Долоні
500-600
10
7
Підошва
5 000-9 000
10
8
Механічні властивості шкіри в нормі змінюються з віком. На
прикладі шкіри грудини людини ці зміни наведено в таблиці 7.1.5.
Таблиця 7.1.5.
Механічні властивості шкіри грудини людини
для різних вікових груп
Параметр
До 1 року
5-9 років
25-30 років
пр
, МПа
2-3
17-20
15-27
, %
70-100
130-145
80-140
V
здвиг
, м/с
25-35
30-45
40-60
При дослідженні механічних властивостей шкіри за допомогою
акустичного аналізатора тканин, який дозволяє оцінювати швидкість
розповсюдження акустичних хвиль звукового діапазону (5-6 кГц) було
виявлено
а к у с т и ч н у а н і з о т р о п і ю
шкіри. Це проявляється в
тому, що швидкість розповсюдження поверхової хвилі (V) у взаємно
перпендикулярних напрямках: вздовж вертикальної (
У
) та горизонтальної
(
Х
) осей тіла різняться.
Для кількісної оцінки ступеня вираження акустичної анізотропії
використовується коефіцієнт анізотропії:
К
=
1
y
x
V
V
, де
V
x
– швидкість
вздовж вертикальної осі,
V
y
– швидкість вздовж горизонтальної осі.
Коефіцієнт анізотропії приймається додатнім (
К
+
) при
V
у
V
х
,
від’ємний (
К
-
) при
V
у
V
х.
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
158
Таблиця 7.1.6.
Прояв акустичної анізотропії шкіри
(для середньостатистичних осіб 18-30 рр.)
Область
вимірювання
Співвідношення
швидкостей
Коефіцієнт
анізотропії
Прояв
Лоб (середина)
V
у
V
х
К
+
90 %
Лоб (краї)
V
у
V
х
К
-
90 %
Передпліччя
V
у
V
х
К
+
83 %
Стегно
V
у
V
х
К
+
94 %
Коліно
V
у
V
х
К
-
75 %
Ступінь анізотропії шкіри при деяких патологічних станах сильно
підвищується: наприклад, при псоріазі, при дерматитах (особливо в
районах згиначів рук, ніг), або на шкіри верхнього вуха при
прогресуючій близькоокості.
Анізотропія проявляється також на деяких ділянках шкіри. Так,
коефіцієнти анізотропії є різними на шкірі голені для лівої та правої
рук. Існує деяка різниця механічних властивостей шкіри залежно від статі:
ступінь розтяжності шкіри у жінок є вищою, ніж у чоловіків;
ступінь стиснення шкіри в області задньої поверхні шиї, на
стегні, біцепсах, у надколінній областях у жінок є меншою, ніж у
чоловіків;
реакція шкіри на холод у жінок є вищою.
Механічні властивості шкіри залежать від вмісту в ній вологи.
Вологість оточуючого середовища істотно впливає на еластичність
шкіри. Ці властивості шкіри потрібно враховувати при проведенні
реабілітаційних заходів, у т. ч. при масажі.
§ 7.2. БІОМЕХАНІЧНА СИСТЕМА, БІОМЕХАНІЧНІ ПАРИ
ТА БІОКІНЕМАТИЧНІ ЛАНЦЮГИ
При вивченні рухів людини потрібно добре знати, як, з точки зору
біомеханіки, побудований його опорно-руховий апарат, тобто чітко
уявляти принципи будови його
пасивної
(кістки та їхня сполучання) і
активної
(м’язова система) частин. На відміну від анатомії, яка вивчає
усі деталі будови тіла, для біомеханіки важливо знати саме ті
особливості будови, від яких залежать властивості органів опори та
руху, а також участь у виконанні рухової функції.
При біомеханічному дослідженні неможливо врахувати будову і
функції тіла з усіма його особливостями. Для вивчення рухів будують