ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.12.2021
Просмотров: 1218
Скачиваний: 3
Рух тіла визначається не тільки м'язовими силами, але й силами реакцій, силою ваги, інерційними силами, силами тертя і пружними силами. Останні мають особливо важливе значення для нагромадження потенціальної енергії в деформованих пружних елементах опорно-рухової системи (зв'язки, сухожилля, м'язи) при виконанні рухів. Потенціальну енергію розтягнутого пружного елемента можна визначити за формулою
де Е - Модуль Юнга; S - площа перерізу; / , Д/ -початкова довжина і абсолютна деформація, відповідно.
Це дозволяє значно зменшувати енергетичні затрати організму при виконанні циклічних рухів. Наприклад, під час бігу реальні затрати енергії є в 2-3 рази меншими від розрахункових, в яких приймалося, що вся енергія деформації за рахунок сил тертя перетворюється в тепло.
Все це демонструє труднощі розрахунку динаміки реальних рухових процесів. Тому для дослідження просторових рухів людини часто використовують спеціальні методи.
Першою ланкою біомеханічного аналізу рухових процесів є біокінематичний аналіз, який здійснюється за допомогою широкого набору реєструючих пристроїв. Кінореєстрація використовується для виготовлення кінограм -послідовних фотографічних зображень всіх важливих фаз досліджуваних рухів з обов'язковою присутністю орієнтирів (міток) на тілі людини, інформації про швидкість кінознімання та інтервалів часу між відзнятими кадрами. Кінограми є основним матеріалом для побудови біокінематичних схем (рис.7.5). Отримані абстрактні біокінематичній ланцюги дозволяють за допомогою простих геометричних методів визначати їх рухомість, а також траєкторії переміщення, лінійні та кутові швидкості і прискорення біоланок.
Особливий інтерес у дослідників становить аналіз крокових рухів людини. Для дослідження хвороб рухового апарату в ортопедії, неврології, спортивній і космічній медицині широко використовуються методи аналізу крокових рухів людини.
Рис.7.5. Біокінематична схема крокових рухів.
Вперше подібний аналіз був проведений Бореллі у 60-х роках XVII ст. для дослідження поведінки центру ваги тіла людини під час руху. У 1873 р. Марні для дослідження центру ваги тіла під час крокування використав багатократне фотографування із системою орієнтирів (білі стрічки на фоні чорного одягу). У 1895 р. Брауне і Фішер вдосконалили метод фотореєстрації. Вони визначили траєкторії і швидкості переміщення сегментів тіла при крокуванні, а за відомими масами частин тіла та координатами центрів їх розміщення оцінили розмір задіяних сил на всіх стадіях крокування.
Сучасні методи біомеханічного аналізу рухового апарату характеризуються великим різноманіттям технологій і математичних моделей.
Експериментальні методи містять три головні компоненти: кінематичну, кінетичну і електроміографічну.
Кінематичні дослідження полягають у визначенні траєкторій, швидкостей і прискорень сегментів тіла без визначення причин руху. Для їх проведення використовуються тривимірні калібровані відео-комп'ютерні системи, які дозволяють отримувати кінематичні параметри виконаних рухів і проводити їх автоматизоване оброблення.
Кінетичні дослідження проводяться для визначення сил і моментів в сегментах тіла і точки їх прикладання при виконанні рухів. Наприклад, при дослідженні крокових рухів за виміряними на силовій (тензометричній) платформі опорними реакціями І встановленими зв'язками частин тіла з опорними реакціями розраховуються моменти сил, які діють на сегменти кінцівок. Знак моменту вказує на те, за рахунок якого м'яза (згинаючого чи розгинаючого) здійснюється рух. Аналіз отриманих даних дозволяє визначити виконану м'язову роботу і потужність м'язових скорочень.
Електроміографія - вимірювання електричної активності м'язів за допомогою поверхневих або інвазивних голчастих електродів.
Одним з напрямів біомеханічних досліджень рухового апарату людини є дослідження механізмів підтримування рівноваги тіла і поведінки людини в критичних, з точки зору можливості зберігання рівноваги, умовах. Визначення ступеня стійкості тіла і потенціальних можливостей механізмів регулювання рівноваги може здійснюватися як експериментальними дослідженнями, подібними до розглянутих, так і моделюванням.
Типовим прикладом пози є стояння людини. Зберігання рівноваги при стоянні можливе в тому випадку, якщо проекція центру ваги тіла знаходиться в межах площі, яку займають на площині опори стопи ніг.
Оскільки при стоянні вертикаль, проведена через центр ваги тіла, проходить перед гомілковостопними та колінними суглобами і ззаду від осі тазостегнових суглобів, тому на ці суглоби діють моменти сил ваги, які розміщені вище від ланок тіла. Для підтримування пози необхідне напруження багатьох м'язів. Підтримування пози - це активний процес, який супроводжується постійною активністю одних груп м'язів і періодичною активацією інших. Останнє пов'язане з невеликими коливаннями центру ваги тіла у сагітальній і фронтальній площинах {центр ваги тіла збігається з початком соматичної системи координат (рис.7.6).
Рис.7.6. Соматична система координат:
а - фронтальна площина; Р - сагітальна (медіальна) площина; У - поперечна
площина.
У підтримуванні пози беруть участь зворотні зв'язки від рецепторів, зокрема вестибулярного апарату. Коливання центру ваги можуть бути зареєстровані спеціальним приладом - стабілографом, в якому використовується система тензоперетворювачів. Аналіз записів коливань тіла людини (стабілограми) спільно із записами електричної активності м'язів (електроміограми) дозволяють виявляти ряд захворювань.
ТЕМА 8. ВЛАСТИВОСТІ РІДКИХ БІОМАТЕРІАЛІВ
Основну частину маси людини становлять біологічні рідини, які завдяки своїй текучості виконують серед інших функцію транспортування. І хоча вільне переміщення рідини в організмі обмежене, наприклад для протоплазми (внутрішньоклітинна рідина), такими бар'єрами є ендоплазматичний ретикулум і зовнішня мембрана клітини, питання реології рідких біологічних матеріалів має велике значення для медицини. І насамперед це стосується гідродинамічних властивостей крові. Становлять інтерес у медиків також в'язкі властивості слизових рідин шлунка, легенів, матки, а також слини для діагностики і випробувань фармацевтичних матеріалів. Не менш важливим для фізичного розуміння функціонування суглобів є дослідження властивостей синьовильної рідини, а дослідження тертя в суглобах стало початком спеціального напрямку в біомеханіці – біотрибології.
Крім перелічених об'єктів дослідження, є інші рідкі біоматеріали (жовч, лімфа, міжклітинна рідина, спинно-мозкова рідина, сеча, піт тощо), дослідження властивостей яких має велике значення для медицини.
8.1. В'язкість
Рух рідини – гидродинамічний процес, який вивчається наукою аерогідродинамікою. Розв’язання багатьох практично важливих задач аэрогидродинамики засновано на моделі приграничного шару. При зіткненні часток рідини з поверхнею тіла вони адсорбуються тілом, як би прилипають до його поверхні. У результаті біля поверхні внаслідок в’язкісних властивостей утвориться тонкий шар рідини, що рухається повільніше від потоку рідини – приграничний шар. Гідродинамічним приграничним шаром називають шар рідини, що прилягає до поверхні, яка омивається рідиною, у якому відбувається зміна швидкості руху рідини від нульової (на поверхні тіла) до значення v0 – швидкості основного потоку рідини.
Під час руху рідини вздовж плоскої поверхні твердого тіла можна визначити вектор швидкості часток v, який є функцією віддалі від поверхні z (рис.8.1).
П
Рис.8.1.
Ламінарний
рух
рідини
біля
поверхні твердого
тіла
v=v(z)
У 1883 р. англійський вчений Осборн Рейнольдс показав, що існують два основних режими руху рідини: ламінарний і турбулентний. При ламінарному русі окремі струмені потоку розташовуються паралельно один одному, тоді як при турбулентному вони хаотично переплетені один з одним.
Це було встановлено Рейнольдсом наступними дослідами. У воду, що протікає по трубі, уводився тоненький струмок пофарбованої рідини. При швидкостях плинів, що не перевищують деякої критичної vкр, окремі частини пофарбованого струмка рухалися тільки по напрямку всього потоку. При v>vкр пофарбований струмок на невеликій відстані від входу в трубу розчинявся й офарблював усю воду. Це пояснюється тим, що подовжній рух часток поступається місцем рухові, у якому частки здобувають також значні радіальні складові швидкості. У приграничному шарі з’являються завихрення рідини. При переході ламінарного режиму в турбулентний опір рухові рідини в трубі різко зростає.
Існує ще досить нестійкий перехідний режим руху рідини, при якому турбулентність (завихрення) виникає внаслідок зовнішніх факторів, як, наприклад, нерівності поверхні, що омивається. Нестійкий режим виникає при швидкостях, близьких до критичної.
Характер режиму плину залежить від декількох параметрів – в'язкості, густини, швидкості v відносно поверхні і розмірів тіла. Виділимо шар рідини, що рухається вздовж площини на відстані z від її поверхні. Для кожного шару характерне певне значення вектора швидкості z(v) (рис. 8.1.).
Між частками або шарами реальної рідини, що рухаються з різними швидкостями, унаслідок в'язкості виникає сила внутрішнього тертя (дотичні напруження), що протидіє рухові. Ця сила F пропорційна градієнтові швидкості v=dv/dn, де п – нормаль до вектора швидкості, а саме:
, (8.1)
де А – площа дотику шару, до якого прикладається сила F.
Коефіцієнт у цьому рівнянні називають динамічною в'язкістю (коефіцієнтом внутрішнього тертя). З (8.1) він дорівнює
.
Покладемо, dv/dn=1 і А=1, тоді коефіцієнт динамічної в'язкості дорівнює силі тертя, що приходиться на одиницю площі дотику шарів, що ковзають один по одному і при одиничному значенні градієнта швидкості. Він виражається в Па·с.
У рівняння аерогідродинаміки часто входить відношення динамічної в'язкості рідини до її щільності
=/,
яке називають кінематичною в'язкістю.
Нижче приводяться значення динамічної в'язкості деяких речовин, у залежності від зміни температури:
Найменування Зміна t , Па·с
Повітря —50°Сt1000°С (1550)·10-2
Вода 0°Ct370°C (180060)·10-6
Масло 10°Сt150°С (3500050)·10-4
У таблиці 8.1. приведені значення кінематичної в’язкості води у залежності від температури. Як видно із таблиці в’язкість води зменшується при зростанні температури. На відміну від рідин, в’язкість газів зростає при збільшенні температури.