ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.12.2021
Просмотров: 823
Скачиваний: 4
Структура кісткової тканини при життєдіяльності постійно змінюється. Протягом всього життя старі кісткові тканини відмирають і утворюються нові. Відомо, що кісткова тканина насамперед наростає в тих місцях, де на неї діють навантаження. На цих ділянках ростуть колагенові нитки, які потім обростають кристалами мінеральної речовини. Тривала відсутність фізичних навантажень призводить до вимивання кальцію і зменшення міцності кісткової тканини.
При дії динамічних навантажень на кістки вони адаптуються до них, змінюючи форму, структуру і хімічний склад. Важлива роль при зміні форми і структурної будови кісткової тканини належить її п'єзокристалічним ластивостям. Відомо, що у місцях розтягувальних деформацій кістки виникають додатні потенціали, а по лініях деформацій стиснення - від'ємні. У ділянках додатнІх деформацій кісткова тканина руйнується І наростає там, де піддається напруженням стиснення.
Для кісткової тканини найбільш небезпечними є розтягувальні зусилля. Встановлено (з експериментів in vivo та in vitro), що межа міцності при розтяганні коливається в межах від 91 до 134 МПа.
Міцність кісткової тканини на стиснення є високою. Стегнова кістка людини витримує в поздовжньому напрямі навантаження від 45000 Н для мужчин і до 39000 Н для жінок, а межа міцності при стисненні коливається в межах 120... 170 МПа.
Несуча властивість кістки при згині є меншою. Наприклад, для стегнової кістки вона становить лише 2500 Н.
Міцність кісток суттєво залежить від віку людини, наприклад, для деформації кручення у віці 25-35 років вона є максимальною - 105,4 МПа і поступово спадає до 90,3 МПа у віці 75-89 років. Це відбувається внаслідок збільшення пористості, підвищення мінералізації та зменшення в'яжучої речовини в кістках.
Кісткова тканина має властивості повзучості при дії тривалих навантажень. Наприклад, при прикладенні розтягувального зусилля деформація кістки через 200 хв зростає від 0,47 до 0,66 %. Крім різної міцності кісткової тканини до різного роду навантажень, вона володіє анізотропією властивостей пружності.
На рис.3.8 показана залежність модуля пружності стегнової кістки бика від кута орієнтації відносно повздовжньої осі.
Рис.3.8. Модуль пружності стегнової кістки бика як функція кута а відносно
повздовжньої осі.
Дослідження в'язкопружних властивостей кісток, а також їх дрейфу для людей різних вікових груп і різних професій приналежності має велике клінічне значення. Особливо це стосується космічної медицини, спортивної медицини, при розробленні матеріалів-замінників кісток і з'єднувальних матеріалів для внтурішнього протезування.
Тканини кровоносних судин. Аналіз міцності і деформаційних властивостей стінок кровоносних судин, а також зміни їх з віком мають велике значення для медицини. Ці властивості залежать від структури і біохімічного складу тканини, з якої збудовані кровоносні судини.
Кровоносні судини складаються з трьох концентричних шарів: інтими (внутрішній шар), середня судинна оболонка, зовнішня судинна оболонка.
Механічні властивості кровоносних судин зумовлені, головним чином, властивостями середньої судинної оболонки, яка складається з колагену, еластину і гладких м'язових волокон. Модулі пружності еластину, колагену І гладких м'язів, відповідно, становлять: 105...6*105 Па; 107...108 Па; 104...105 Па.
Хоча еластин допускає відносну деформацію до розриву є = 200%, його межа міцності становить лише 5 % від межі міцності колагену, який і визначає міцність судини при розтяганні. У нерозтягнутій стінці судини колагенові волокна не розпрямлені до кінця. Тому легко розтягуваний еластин визначає пружність стінки при малих деформаціях. При збільшенні внутрішнього тиску в судині деформація стінки зростатиме і при цьому її жорсткість визначатиметься високим модулем пружності колагену (рис.3.9).
Рис.3.9. Залежність радіуса судини R від напруження у її стінці а при
пасивному розтяганні.
У похилому віці властивості колагену змінюються, він стає менш жорстким (штрихова лінія на рис.3.9), а стінки судини більш піддатливі до розтягання.
Склад трьох основних компонент у різних судинах є різним. Відношення вмісту еластину до колагену в судинах, розміщених ближче до серця, дорівнює 2:1, але зменшується при віддаленні від нього (в стегновій артерії - 1:2). Із віддаленням від серця збільшується вміст гладких м'язових волокон. Все це відбивається на механічних властивостях кровоносних судин. Розміри, товщина судинної стінки і її основні структурні компоненти показані на рис.3.10.
Стінки судин in vivo мають в'язкопружні властивості, вважаємо що в основному це зумовлено присутністю гладких м'язів, здатних активно скорочуватися, хоча в'язкопружна поведінка в експериментах in vitro властива і для колагену. Еластин є суто пружним матеріалом. Залежність напруження-деформація для судин є нелінійною з характерною гістерезисною поведінкою.
Кровоносні судини мають криволінійну ортотропію властивостей -радіальний, осьовий і кільцевий напрямки. Модулі пружності артеріальних судин дорівнюють Е=0,6-104 ...7×105 Па, модуль зсуву G=0,84 МПа. Межа міцності при розтяганні дорівнює:
аорта-передня стінка — 0,111×104 Па
аорта-задня стінка — 0,071×105 Па
загальна сонна артерія — 0,199×107 Па
стегнова артерія — 0,132×107 Па
велика підшкірна вена — 0,392×102 Па
Гладкі м'язи своєю активною поведінкою забезпечують оптимальний режим кровообігу, змінюючи діаметр судин.
Рис.3.10. Розміри, товщина і складові будови кровоносних судин: Енд. -ендотелій; Ел. - еластин; Г.м. - гладкі м'язи і Кол. - колаген.
Шкіра є зовнішнім покривом організму і має складну мікроархітектуру. У дорослої людини її поверхня становить 1,5... 1,6 м , а товщина коливається від 0.5 до 3...4 мм. Вона виконує такі функції: захисну, виділення, відчуття, теплообміну. Еластичність шкіри визначають її структура і властивості складових компонент (колаген - 75 %, еластин - 4 %, аморфна основна тканина). Шкіра має анізотропні, нелінійні властивості, а її механічна поведінка суттєво залежить від поперечних зв'язків різної природи (ковалентні, іонні та інші). Вважають, що аморфна основна субстанція має малий механічний опір, еластин відіграє важливу роль при малих, а колаген при більш високих напруженнях розтягання.
М'язи. Рухова діяльність людини і багато фізіологічних процесів відбуваються за допомогою м'язової тканини, яка має скорочувальні властивості. Розрізняють скелетні, гладкі і серцеві м'язевІ тканини, їх густина знаходиться в межах 1 000... 1 200 кг/м3.
Скелетні м'язи складаються з поперечно-смугастої м'язової тканини, яка сухожиллями приєднується до скелету. Цим м'язам властива висока швидкість контрапції (стиснення) і вони швидко втомлюються. Частина цих м'язів активується під впливом центральної нервової системи, а інша частина скорочується автоматично і незалежно від свідомості.
Гладкі м'язові тканини скорочуються під дією гладких міофібрій І не підвладні свідомості, хоча і знаходяться під контролем кори головного мозку, їх скорочення належать до функцій внутрішніх органів (кровоносні судини, шлунок, кишечник).
Грубоволокниста з'єднувальна тканина сухожиль і суглобових зв'язок. Скелетні м'язи і сухожилля, які їх з'єднують з кістками, а також суглобові зв'язки, є своєрідними пружними акумуляторами механічної енергії. Здебільшого це стосується сухожиль та зв'язок. Оскільки сили внутрішнього тертя у них дуже малі, близько 90 % нагромадженої потенціальної енергії пружної деформації може бути перетворене у кінетичну енергію рухомих ланок опорно-рухової системи людини. Крім цього, сухожилля при більшій жорсткості допускають відносну деформацію розтягання, близьку до 20 %, зв'язки - понад 100 % без пошкоджень, а м'язи - лише 3 %. Ці властивості грубоволокнистих з'єднувальних тканин визначають їх основними елементами, які нагромаджують механічну енергію під час бігу та інших циклічних рухах тіла. Сухожилля також характеризуються високою міцністю на розтяг. П'яткове сухожилля людини здатне витримувати навантаження понад 4 000 Н, які можуть діяти на нього під час бігу.
Нервова тканина є основною складовою нервової системи. Вона складається з нервових клітин (нейронів) і нейроглії. Нервові клітини при переході до збудженого стану генерують біоелектричні імпульси і передають їх по нервових волокнах. Нервові волокна існують двох видів: аферентні або дендрити і еферентні або нейріти. Нейріти проводять імпульси від нервових клітин до виконавчого органа (ефектора).
Дендрити передають нервове збудження від інших клітин і тканин до нервової клітини. Дендріти мають чутливі закінчення - рецептори.
Мозкова тканина (2 % від маси тіла людини) має м'яку студенисту пластичну структуру (в'язкість як у гліцерину - 14,9). Мозок складається з 77...78 % води, 10... 12 % ліпідів, 8 % протеїнів (білків) і невеликої кількості неорганічних солей. Його густина незначно перевищує густину води.
ТЕМА 4. ОСНОВИ БЮСТАТИКИ
4.1. Міцність при розтяганні (стисненні), згинанні і крученні, ударна міцність - фізичні основи
Міцність тіла при деформації розтягання і стиснення визначається загальною площею поперечного (до напряму дії сили) перерізу цього тіла і не залежить від форми перерізу. Згин тіла можна звести до деформації розтягання і стиснення. Схематично це показано на рис.4.1.
Рис.4.1. Згин балки
Мірою згину є радіус згину R, або обернена величина 1/R - кривизн: Умовні шари, які лежать поза нейтральною площиною п-п, деформуються пропорційно до їх віддаленості (верхні шари - розтягуються, нижні стискаються). Нейтральна площина не деформується. Нейтральна площина проходить через центри мас плоских перерізів однорідного тіла. Довжина нейтральної площини в секторі дорівнює:
ln=R·a
Довжина площини на віддалі х від нейтральної площини:
lt=(R+x)·a
Відносна деформація εх дорівнює
В елементарному "волокні" з перерізом dA виникне напруження x:
(4.1)
Момент сили dM в цьому "волокні" відносно положення нейтральної площини дорівнює добутку сили dF на плече х
Якщо тіло однорідне, тобто E=const, то
(4.
2)
де
осьовий
момент інерції
перерізу.
Осьовий момент інерції перерізу визначається лише геометричними
характеристиками
поперечного
перерізу.
З виразу
(4.2)
отримаємо
Зробимо заміну
з виразу
(4.1)
Тоді
Отже, напруження в балці будуть залежати від форми її перерізу, значення згинаючого моменту і зростатимуть з віддаленням від нейтрального шару.
Тому ефективною формою перерізу, яка дозволяє полегшити конструкцію, буде така, у якій матеріал зосереджується у місцях дії максимальних напружень (зовнішні поверхні балки) і може бути відсутнім там, де напруження є незначними (області близькі до нейтрального шару).
На рис.4.2 показані чотири профілі простої геометрії і формули для визначення площ і моментів інерції таких поперечних перерізів.
Рис.4.2. Поперечні перерізи балок з однаковим осьовим моментом інерції відносно нейтральної площини:
Якщо розміри поданих перерізів такі, що осьові моменти інерції їх однакові, то балки називають рівноміцними. Але площі поперечних перерізів і, відповідно, маси балок будуть значно відрізнятися.
Площі рівноміцних балок з еліптичними перерізами співвідносяться як
Площі рівноміцних
балок з
круглим і
трубчастим
перерізом
співвідносяться
як
.
Ці співвідношення показують ефективність використання пустотілих балок (конструкцій), які "працюють" на згин. Будова кісток - яскраве підтвердження еволюційного процесу оптимізації організму людини і тварин.