Механические колебания. 
Механические свойства биологических тканей

КГБОУ СПО «Бийский педагогический колледж»

Контрольная работа

По дисциплине: Основы биомеханики

Тема работы: Механические колебания. Механические свойства биологических тканей

Выполнил студент______304 гр.

Специальности — Физическая культура Никанорова Виталия Валерьевича

2014 г.

Содержание Введение

1. Виды колебаний

2. Растяжение (сжатие), сдвиг, изгиб, кручение

3. Виды деформации

4. Костная ткань

5. Кожа

6. Мышечная ткань (режим работы мышц — изометрический, изотонический)

7. Сосудистая ткань Заключение Список литературы

Введение

Биомеханика движений человека представляет собой одну из частей более общей дисциплины, кратко называемой «биомеханика».

Биомеханика — это раздел биофизики, в котором изучаются механические свойства тканей, органов и систем живого организма и механические явления, сопровождающие процессы жизнедеятельности.

Пользуясь методами теоретической и прикладной механики, эта наука исследует деформацию структурных элементов тела, течение жидкостей и газов в живом организме, движение в пространстве частей тела, устойчивость и управляемость движений и другие вопросы, доступные указанным методам. На основе этих исследований могут быть составлены биомеханические характеристики органов и систем организма, знание которых является важнейшей предпосылкой для изучения процессов регуляции. Учет биомеханических характеристик дает возможность строить предположения о структуре систем, управляющих физиологическими функциями. До последнего времени основные исследования в области биомеханики были связаны с изучением движений человека и животных. Однако сфера приложения этой науки прогрессивно расширяется; сейчас она включает в себя также изучение дыхательной системы, системы кровообращения, специализированных рецепторов и т. д. Интересные данные получены при изучении эластичного и неэластичного сопротивления грудной клетки, движений газов через дыхательные пути. Предпринимаются попытки обобщенного подхода к анализу движения крови с позиций механики сплошных сред, в частности, изучаютсяупругие колебания сосудистой стенки. Доказано также, что с точки зрения механики структура сосудистой системы оптимальна для выполнения своих транспортных функций. Реологические исследования в биомеханике обнаружили специфические деформационные свойства многих тканей тела: экспоненциальную нелинейность связи между напряжениями и деформациями, существенную зависимость от времени и т. д. Полученные знания о деформационных свойствах тканей помогают решению некоторых практических задач, в частности, они используются при создании внутренних протезов (клапаны, искусственное сердце, сосуды и пр.). Особенно плодотворно применяется классическая механика твердого тела в изучении движений человека. Часто под биомеханикой понимают именно это ее приложение. При изучении движений биомеханика использует данные антропометрии, анатомии, физиологии нервной и мышечной систем и других биологических дисциплин. Поэтому часто, может быть, в учебных целях, в биомеханику ОДА включают его функциональную анатомию, а иногда и физиологию нервно-мышечной системы, называя это объединение кинезиологией.

1. Виды колебаний колебание костный мышечный ткань Внутри любого живого организма и в окружающей его среде непрерывно происходят разнообразные повторяющиеся процессы, например, работа сердца, движение маятника. Все эти явления подчиняются общим закономерностям, которые рассмотрим на примере механических колебаний.

Колебания — это движения или изменения состояния, обладающие той или иной степенью повторяемости.

Свободные колебания Система из нескольких взаимодействующих тел, в которой могут происходить колебания, называется колебательной системой. Для колебательной системы характерно наличие состояния равновесия — такого взаимного расположение тел, которое при отсутствии внешнего воздействия может сохраняться сколь угодно долго. Для возбуждения колебаний необходимо вывести систему из равновесного состояния. Это можно сделать двумя способами:

* однократным внешним воздействием отклонить одно или несколько тел системы от равновесного положения;

* однократным внешним воздействием сообщить одному или нескольким телам системы начальные скорости.

Свободными механическими колебанияминазывают колебательные движения системы, выведенной из положения равновесия вследствие начального смещения или сообщения начальной скорости.

Такие колебания совершаются при отсутствии внешнего воздействия за счет первоначально накопленной энергии. Свободныеколебания возможны только в том случае, когда при отклонении тела от равновесного положения возникает сила, направленная в сторону положения равновесия. Такую силу называют возвращающей.

Пример Колебательными движениями являются движения при свободных качаниях гимнаста в висе (вис — это положение тела, при котором гимнаст располагается плечами ниже опоры, удерживаясь руками или ногами) на перекладине. При движении его вниз момент силы тяжести относительно оси перекладины ускоряет движение. Во время движения вверх момент силы тяжести замедляет движение, так как действует ему навстречу.

Рис. 1.1. Силы, изменяющие движение вокруг оси: при движении вниз сила тяжести ускоряет тело гимнаста, при движении вверх — замедляет Гармонические колебания. Рассмотрим движение пружинного маятника — материальной точки массой т, подвешенной на пружине с жесткостью k. Если пружину оттянуть (сжать) на расстояние кот положения равновесия, то возникнет дополнительная упругая сила, величина и направление которой определяются законом Гука:

F = —k?x. 1.1

Знак «—» показывает, что сила упругости всегда направлена в сторону, противоположную направлению смещения, т. е. к положению равновесия.

Предположим, что силы сопротивления отсутствуют. Тогда, подставив выражение (1.1) в формулу второго закона Ньютона, получим дифференциальное уравнение свободных колебаний при отсутствии трения:

1.2

Преобразуем выражение (1.2) следующим образом: Отношение положительно, поэтому целесообразно заменить его квадратом некоторой величины:

1.3

Получили дифференциальное уравнение второго порядка:

1.4

Его решение приводит к гармоническому закону:

1.5

гдеА— амплитуда колебаний, щ0 — собственная круговая (циклическая) частота колебаний, ц= (ц0t+ ц0) — фаза колебаний, ц0—начальная фаза колебаний (при t = 0).

Амплитуда и начальная фаза колебаний определяются начальными условиями движения, т. е. положением и скоростью материальной точки в момент времени t= 0.

Гармоническими колебанияминазываются колебания, при которых наблюдаемая величина изменяется во времени по закону синуса или косинуса.

Таким образом, пружинный маятник совершает гармонические колебания.

График зависимости смещения от времени при гармонических колебаниях для случая ц0 = 0 представлен на рис. 1.2.

Наряду с круговой частотой щ0используют и другие характеристики колебательного движения:

* частота колебаний v, равная числу колебаний, совершаемых за единицу времени:

v= 1.6

* период колебаний Т, равный времени, в течение которого совершается одно полное колебание:

1.7

Рис. 1.2. График зависимости смещения от времени при гармонических колебаниях Связь между указанными характеристиками определяется формулами:

Закон движения (1.5) позволяет определить скорость и ускорение колеблющегося тела в любой момент времени:

1.8

где vmax= А? щ0 — максимальная скорость (амплитуда скорости);

1.9

где аmах = A•щ02— максимальное ускорение (амплитуда ускорения).

Колеблющаяся материальная точка в любой момент времени обладает кинетической энергией собственного движения — Еки потенциальной энергией Eп, связанной с деформацией пружины.

Полная энергия колеблющегося тела складывается из его кинетической и потенциальной энергий:

1.10

1.11

1.12

Как видно из (1.12), в этом случае полная механическая энергия системы не изменяется.

Затухающие колебания. Учет сил трения и сопротивления в реальных системах существенно изменяет характер движения: энергия движения постоянно убывает и колебания либо становятся затухающими, либо колебательное движение вообще не возникает.

Если в рассматриваемой системе появляются силы сопротивления среды (силы трения), то второй закон Ньютона можно записать так:

1.13

Предполагают, что при не очень больших амплитудах и частотах сила сопротивления пропорциональна скорости движения и, естественно, направлена противоположно ей:

1.14

где r— коэффициент трения, характеризующий свойства среды оказывать сопротивление движению. Учитывая (1.13) и (1.14),

1.15

в-коэффициент затухания;щ0 — круговая частота собственных колебаний системы.

Решение полученного дифференциального уравнения зависит от знака разности щ2= щ02— в2, т. е. от соотношения между величинами в и щ0. Параметр есть круговая частота затухающих колебаний.

а) Если щ02— в2> 0 и круговая частота соявляется действительной величиной, то решение уравнения (10.15) имеет вид:

1.16

где щ = круговая частота затухающих колебаний. График таких колебаний представлен на рис. 1.3.

Рис. 1.3. График зависимости смещения от времени при затухающих колебаниях (ц0-. 0)

В этом случае колебательный характер движения сохраняется, но амплитуда колебаний уменьшается со временем по экспоненциальному законуА = Б0? ехр (—в?t). Круговая частота колебаний становится меньше, чем при отсутствии силы трения. Период затухающих колебаний в этом случае возрастает и определяется формулой, показывающей зависимость от коэффициента трения:

1.17

Быстрота убывания амплитуды колебаний зависит от коэффициента затухания: чем больше р, тем сильнее тормозящее действие среды и тем быстрее уменьшается амплитуда.

Количественно степень затухания характеризуется безразмерной величиной — логарифмическим декрементом затухания л:

б) щ02< в2 (сильное затухание), то колебательное движение не возникает. Период колебаний становится мнимой величиной. В этом случае запас механической энергии тела к моменту его возвращения в положение равновесия полностью или почти полностью расходуется на преодоление сил трения и тело останавливается. Такое движение называется апериодическим.

Вынужденные колебания. Резонанс В некоторых случаях колебания могут происходить под действием внешних сил.

Вынужденные колебания возникают в системе при участии внешней силы, изменяющейся по периодическому закону.

Рассмотрим случай, когда на тело помимо упругой силы Fи силы трения Fтрдействует еще и вынуждающая гармоническая сила fb= F0? соs (щв?t), где F0— амплитуда силы; щв — круговая частота ее колебаний.

Запишем дифференциальное уравнение движения, вытекающее из второго закона Ньютона:

1.18

Можно показать, что для больших значенияхtрешение этого уравнения определяется формулой:

1.19

где цв — разность фаз между силой Fви смещением х.

Таким образом, установившиеся вынужденные колебания, происходящие под воздействием гармонически изменяющейся силы, являются тоже гармоническими. Их частота равна частоте вынуждающей силы.

АмплитудаАустановившихся вынужденных колебаний зависит от собственной частоты колебаний, массы материальной точки, амплитуды и частоты вынуждающей силы и коэффициента затухания:

1.20

Вибрация. Одним из проявлений вынужденных колебаний является вибрация. Вибрация используется при массаже. При ручном массаже массируемые ткани приводятся в колебательное движение при помощи рук массажиста. При аппаратном массаже используются вибрационные аппараты, которые подразделяются на аппараты для общей вибрации, вызывающие сотрясение всего тела (вибрационные «стул», «кровать», «платформа» и др.) и аппараты местного вибрационного воздействия.

Резонанс. Если щ0 и в для системы заданы, то амплитуда вынужденных колебаний имеет максимальное значение при некоторой определенной частоте вынуждающей силы, называемой резонансной. Само явление — достижение максимальной амплитуды вынужденных колебаний при определенном значении частоты вынуждающей силы называется резонансом.

Резонансную круговую частоту можно найти, если определить условие минимума знаменателя в (10.20):

1.21

При этой частоте имеет место максимум амплитуды вынужденных колебаний, определяемый формулой:

1.22

2. Растяжение (сжатие), сдвиг, изгиб, кручение Растяжение (сжатие). К стержню (бруску) длиной l и площадью поперечного сечения Sприкладывается сила F, направленная перпендикулярно сечению (рис. 11.1). В результате этого в теле возникает механическое напряжениео, которое в данном случае характеризуется отношением силы к площади поперечного сечения стержня (малое изменение площади поперечного сечения не учитывается):

В СИ механическое напряжение измеряется в паскалях (Па).

Рис. 2.1. Деформации растяжения и сжатия Под действием приложенной силы длина стержня изменяется на некоторую величину? l, которая называется абсолютной деформацией. Величина абсолютной деформации зависит от первоначальной длины стержня, поэтому степень деформации выражают через отношение абсолютной деформации к первоначальной длине. Это отношение называется относительной деформацией (е):

Относительная деформация — величина безразмерная. Иногда ее выражают в процентах:

При небольшой величине относительной деформации связь между деформацией и механическим напряжением выражается законом Гука:

гдеЕ— модуль Юнга, Па (модуль продольной упругости).

При упругой деформациинапряжение прямо пропорционально величине деформации.

Модуль Юнга численно равен напряжению, увеличивающему длину образца в два раза (практически разрушение образцов наступает при значительно меньших напряжениях). В табл. 11.1 представлены значения модулей упругости некоторых материалов.

В большинстве случаев при растяжении или сжатии степень деформации в различных сечениях стержня различна. Это можно увидеть, если на поверхность тела нанести квадратную сетку. После деформирования сетка исказится. По характеру и величине этого искажения можно судить о распределении напряжения вдоль образца (рис. 11.2).

Таблица 11.1

Модуль упругости (модуль Юнга) некоторых материалов

Видно, что изменения формы ячеек сетки максимальны в средней части стержня и почти отсутствуют на его краях.

Сдвиг. Деформация сдвига возникает, если на тело действует касательная сила, приложенная параллельно закрепленному основанию (рис. 11.3). В этом случае направление смещения свободного основания параллельно приложенной силе и перпендикулярно боковой грани. В результате деформации сдвига прямоугольный параллелепипед превращается в косоугольный. При этом боковые грани смещаются на некоторый угол г, называемый углом сдвига.

Рис. 2.2.Искажениеквадратнойсетки при растяжении стержня Рис. 2.3. Деформация сдвига Абсолютная деформация сдвига измеряется величиной смещения свободного основания (?l). Относительная деформация сдвига определяется через тангенс угла сдвига tgг, называемый относительным сдвигом. Так как угол у обычно мал, то можно считать При сдвиге в образце возникает напряжение сдвига ф (касательное напряжение), которое равно отношению силы (F) к площади основания (S), параллельно которому действует сила:

При небольшой величине относительной деформации сдвига связь между деформацией и механическим напряжением выражается эмпирическим соотношением:

где G— модуль сдвига, Па.

Изгиб. Этот вид деформации характеризуется искривлением оси или срединной поверхности деформируемого объекта (балка, стержень) под действием внешних сил (рис. 11.4). При изгибе один наружный слой стержня сжимается, а другой наружный слой растягивается. Средний слой (называемый нейтральным) изменяет лишь свою форму, сохраняя длину. Степень деформирования бруска, имеющего две точки опоры, определяется по перемещению X, которое получает середина стержня. Величина А, называется стрелой прогиба.

Рис. 2.4. Деформации изгиба Применительно к прямому брусу в зависимости от направления действующих сил изгиб называют продольным или поперечным. Продольный изгиб возникает под действием сил, направленных вдоль бруса и приложенных к его концам навстречу друг другу (рис. 11.5, а). Поперечный изгиб возникает под действием сил, направленных перпендикулярно, брусу и приложенных как к его концам, так и в средней части (рис. 11.5, б). Встречается также и смешанный продольно-поперечный изгиб (рис. 11.5, в).

Рис. 2.5. Различные виды изгиба: а) продольный, б) поперечный, в) продольно-поперечный Кручение. Этот вид деформации характеризуется взаимным поворотом поперечных сечений стержня под влиянием моментов (пар сил), действующих в плоскости этих сечений. Кручение возникает, например, когда нижнее основание стержня закреплено, а верхнее основание поворачивают вокруг продольной оси, рис. 11.6.

При этом расстояние между различными слоями остается практически неизменным, но точки слоев, лежащих на одной вертикали, сдвинуты относительно друг друга. Этот сдвиг в разных местах будет различен. Например, в центре сдвига совсем не будет, по краям он будет максимальный. Таким образом, деформация кручения сводится к деформации сдвига, различному в разных частях, т. е. к неоднородному сдвигу.

Основание фиксировано Рис. 2.6. Деформации кручения Рис. 2.6,а. Устранение асимметрии лица с помощью лейкопластыря Абсолютная деформация при кручении характеризуется углом поворота (ц) одного основания относительно другого. Относительная деформация (и) равна отношению угла ц к длине стержня:

Сравнивания различные способы деформирования однородных тел, можно увидеть, что все они сводятся к комбинации растяжения (сжатия) и сдвига.

Пример Для устранения асимметрии лица после травмы проводится лейкопластырное натяжение со здоровой стороны на больную, рис. 11.6, а.

Лейкопластырное натяжение направлено против тяги мышц здоровой кожи и осуществляется прочной фиксацией другого свободного конца пластыря к специальному шлему — маске, изготовленному индивидуально.

3. Виды деформации

Зависимость механического напряжения от относительной деформации для твердых тел при растяжении представлена на рис. 3.1

Рис. 3.1 Зависимость напряжения от деформации — диаграмма растяжения Участок ОВ соответствует упругой деформации, которая исчезает сразу после снятия нагрузки.

Точка В — предел упругости уупр — напряжение, ниже которого деформация сохраняет упругий характер (т. е. справедлив закон Гука).

Участок ВМ соответствует пластической деформации, которая не исчезает после снятия нагрузки.

Участок MNсоответствует деформации текучести, которая возрастает без увеличения напряжения. Напряжение, начиная с которого деформация становится текучей, называется пределом текучести.

Точка С — предел прочности уп — механическое напряжение, при котором происходит разрушение образца. Предел прочности зависит от способа деформирования и свойств материала.

В области упругих деформаций (линейная область) связь между механическим напряжением и деформацией описывается законом Гука.

Механические свойства биологических тканей

Структура материала является главным фактором, определяющим его механические свойства и характер процесса разрушения. Большинство биологических тканей являются анизотропными композитными материалами, образованными объемным сочетанием химически разнородных компонентов. Состав каждого типа ткани сформировался в процессе эволюции и зависит от функций, которые она выполняет.

4. Костная ткань Кость — основной материал опорно-двигательного аппарата. Так, в скелете человека более 200 костей. Скелет является опорой тела и способствует передвижению (отсюда и произошел термин «опорно-двигательный аппарат»). У взрослого человека скелет весит около 12 кг (18% общего веса).

В компактной костной ткани половину объема составляет неорганический материал, минеральное вещество кости — гидроксилапатит. Это вещество представлено в форме микроскопическихкристалликов. Другая часть объема состоит из органического материала, главным образом коллагена (высокомолекулярное соединение, волокнистый белок, обладающий большой эластичностью). Способность кости к упругой деформации реализуется за счет минерального вещества, а ползучесть — за счет коллагена.

Кость является армированным композиционным материалом. Например, кости нижних конечностей армированы высокопрочными волокнами в окружных и спиральных перекрещивающихся направлениях.

Механические свойства костной ткани зависят от многих факторов: возраста, заболевания, индивидуальных условий роста. В норме плотность костной ткани 2400 кг/м3. Модуль Юнга Е = 1010Па, предел прочности при растяжении упр= 100 МПа, относительная деформация достигает 1%.

При различных способах деформирования (нагружения) кость ведет себя по-разному. Прочность на сжатие выше, чем на растяжение или изгиб. Так, бедренная кость в продольном направлении выдерживает нагрузку 45 000 Н, а при изгибе — 2500 Н.

Запас механической прочности кости весьма значителен и заметно превышает нагрузки, с которыми она встречается в обычных жизненных условиях.

Вся архитектоника костной ткани идеально соответствует опорной функции скелета, ориентация костных перекладин параллельна линиям основных напряжений, что позволяет кости выдерживать большие механические нагрузки. Так, например, в головке бедренной кости под каждую нагрузку формируется своя структура — так называемая ферма Мичелла. Все эти фермы связаны между собой и образуют сложную структуру (рис. 4.1).

Одной из важных особенностей конструкции костей скелета является галтельность, т. е. скругление внутренних и внешних углов. Галтельность повышает прочность и снижает внутренние напряжения в местах резкого перехода.

Рис. 4.1. Схема расположения костных перекладин губчатого вещества в виде фермы Мичелла в верхнем эпифизе бедра Кости обладают различной прочностью в зависимости от функции, которую выполняют. Бедренная кость в вертикальном положении выдерживает нагрузку до 1,5 т, а большая берцовая кость до 1,8 т (это в 25—30 раз больше веса нормального человека).

Установлено, что в соответствии с выполнением физиологических задач по реализации опорных и локомоторных функций согласно распределению силовых нагрузок в костях формируются зоны разной твердости. На рис. 4.2 приведена схема топографии разнотвердостных зон в одном из поперечных сечений большеберцовой кости.

Рис. 4.2. Схема топографии разнотвердостных зон в одном из поперечных сечений большеберцовой кости

5. Кожа Кожа представляет собой не только совершенный покров тела, но является сложным органом, выполняющим важные функции: поддержание гомеостаза; участие в процессе терморегуляции, регуляция общего обмена веществ в организме, секреторная функция (работа сальных и потовых желез), защита от повреждающего действия механических, физических, химических, инфекционных агентов. Она представляет собой обширное рецепторное поле, воспринимающее извне и передающее в ЦНС целый ряд ощущений. Кожа — граница раздела между телом и окружающей средой, поэтому она обладает значительной механической прочностью.

Кожа — самый крупный орган тела, важная анатомо-физиологическая часть целостного организма. При различных заболеваниях, в том числе и внутренних органов, в коже происходят те или иные изменения.

Кожу часто рассматривают как гетерогенную ткань, состоящую из трех наложенных друг на друга слоев, которые тесно связаны между собой, но четко различаются по природе, структуре, свойствам. Схематическое изображение основных трех слоев — эпидермиса, дермы, подкожной клетчатки представлено на рис. 5.2. Эпидермис покрыт сверху роговым слоем.

Рис. 5.1. Толщина слоев кожи для отдельных участков тела

Функции каждого слоя, в том числе и механические, отражают биомеханическую природу ее компонентов и их структурную организацию.

Соотношение толщины слоев на различных участках тела различно, что показано для некоторых участков на рис. 5.1.

Толщина эпидермиса Lи такая механическая характеристика, как модуль упругости ЮнгаЕ, для различных участков сильно отличаются:

Среднюю толщину эпидермиса часто принято характеризовать его поверхностной плотностью, значения которой для различных участков на теле показано на рис. 5.3

В общий состав кожи входят волокна коллагена, эластина и основной ткани — матрицы. Коллаген составляет 75% сухой массы, а эластин — около 4%. Плотность кожи в норме (область рук, груди) составляет 1100 кг/м3. Эластин растягивается очень сильно (до 200—300%). Коллаген может растягиваться до 10%. Механические характеристики компонентов кожи:

* коллаген — Е = 10—100 МПа, упр =100 МПа;

* эластин — Е = 0,5 МПа, упр = 5 МПа.

Рис. 5.2Схематическое изображение слоев кожи Рис. 5.3. Поверхностная плотность эпидермиса для различных участков тела Механические свойства кожи в норме изменяются с возрастом. Это показано ниже на примере кожи груди.

При исследовании механических свойств кожи с помощью акустического анализатора тканей, позволяющего оценивать скорость распространения акустических возмущений звукового диапазона (5—6 кГц) была выявлена акустическая анизотропия кожи. Это проявляется в том, что скорость распространения поверхностной волны (V) во взаимно перпендикулярных направлениях — вдоль вертикальной (У) и горизонтальной (X) осей тела различается.

Для количественной оценки степени выраженности акустической анизотропии был использован коэффициент анизотропии, который вычислялся по формуле

5.1

где Vу— скорость вдоль вертикальной оси, Vx— вдоль горизонтальной оси.

Коэффициент анизотропии принимается за положительный (К+), еслиVу>Vx;npи Vу

Проявление акустической анизотропии на различных участках кожи представлено в табл. 5.1, где указаны преимущественные соотношения скоростей и коэффициенты акустической анизотропии (данные указаны для лиц 18—30 лет). Доля проявления соответствующей акустической анизотропии указана для лиц нормального телосложения.

Таблица.5.1

Проявление акустической анизотропии в коже

Проявление акустической анизотропии находится в соответствии с ориентацией линий естественного натяжения кожи, так называемых линий Лангера. Сопоставление ориентации линий Лангера и вида акустической анизотропии показано на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Проявление акустической анизотропии и ориентация линий Лангера на различных участках тела Степень анизотропии кожи при некоторых патологиях сильно возрастает. Например, при псориазе, при атонических дерматитах (особенно в областях сгибательных поверхностей) или на коже верхнего века при прогрессирующей близорукости.

На некоторых участках кожи проявляется асимметрия. Так, коэффициенты акустической анизотропии на коже голени различны для левой и правой ноги.

Существуют некоторые различия механических свойств кожи в зависимости от пола.

Сжимаемость кожной складки у девушек в области ягодиц больше, чем у юношей. В области задней поверхности шеи, на бедре, бицепсах, в надколенной и икроножной области наоборот, меньше у девушек, чем у юношей.

У женщин степень растяжимости кожи выше, а эластичность меньше по сравнению с мужчинами.

На тепловые раздражители реакции кожи (развитие терморегуляторных реакций) у мужчин и женщин одинаковы. Холодовые реакции существенно различаются у мужчин и женщин. Причем зимой толерантность к холодовому воздействию существенно выше у женщин. Летом различия менее выражены.

Механические свойства кожи. зависят от содержания в ней влаги. Влажность окружающей среды существенно влияет на эластичность кожи. Все указанные особенности кожи необходимо учитывать при проведении реабилитационных мероприятий, в частности, при проведении массажа.

6. Мышечная ткан Мышечная активность — это одно из общих свойств высокоорганизованных живых организмов. Вся жизнедеятельность человека связана с мышечной активностью. Она обеспечивает работу отдельных органов и целых систем: работу опорно-двигательного аппарата, легких, сосудистую активность, желудочно-кишечного тракта, сократительную способность сердца и т. д. Нарушение работы мышц может привести к патологии, а ее прекращение — даже к летальному исходу (например, смерть при электротравме от удушья в результате парализации дыхательных мышц).

Мышцы разнообразны по форме, размерам, особенностям прикрепления, величине максимально развиваемого усилия. Количество мышц превышает число звеньев тела. Мышца состоит из большого числа двигательных единиц, каждая из которых управляется через собственный мотонейрон. Таким образом, количество управляющих воздействий в мышечной (нервно-мышечной) системе огромно. Тем не менее эта система обладает удивительной надежностью и широкими компесаторными возможностями, способностью не только многократно повторять одни и те же стандартные комплексы движений, но и выполнять нестандартные произвольные движения. Помимо способности организовывать и активно заучивать необходимые движения, эта система обеспечивает приспособляемость к быстро меняющимся условиям окружающей и внутренней среды организма, изменяя применительно к этим условиям привычные действия.

Пример Испытуемым предлагалось выполнить дифференцированные нажимы пальцем руки на жесткую опору в следующих ситуациях:

1) при переходе в невесомость;

2) в состоянии невесомости;

3) при возвращении в нормальные условия.

Наихудшее выполнение данного навыка наблюдалось в случае (1), к концу (2) в известной мере восстанавливалась способность дифференцировать нажимы. Переход (3) вновь нарушает координацию данного движения, которая, однако, вскоре полностью восстанавливается.

Деятельность мышц отражается в структуре движения. Благодаря этому становится возможным, наблюдая движение, получать информацию о мышечной регуляции движения и ее нарушениях. Такой возможностью широко пользуются при диагностике заболеваний, при разработке специальных тестов для контроля двигательных навыков у спортсменов.

Независимо от назначения, особенности строения и способов регуляции принцип работы различных мышц организма одинаков.

В состав мышц входит совокупность мышечных клеток (волокон), внеклеточное вещество (соединительная ткань), состоящее из коллагена и эластина, а также густая сеть нервных волокон и кровеносных сосудов.

Мышцы по строению разделяются на два вида:

Режим работы мышц может быть весьма разнообразным. Различают три основных вида таких режимов: изометрический, изотонический, ауксотонический, когда сокращение мышцы происходит в условиях некоторого предварительного растяжения.

Для исследования характеристик сокращения мышц реализуют два искусственных режима.

Изометрический режим — когда напряжение мышцы происходит в искусственных условиях сохранения ее длины, что достигается с помощью фиксатора. Схема опыта для реализации этого режима показана на рис. 6.1, а.

После установки длины на электроды (Эл) подается электрический стимул. В возбужденной мышце развивается сила F (напряжение), которая регистрируется датчиком силы (ДF). Максимальная сила Р0, которую может развивать мышца, зависит от ее начальной длины и области перекрытия актиновых и миозиновых нитей, в которой могут замыкаться мостики: при начальной длине саркомера 2,2 мкм в сокращении участвуют все мостики.

Рис. 6.1 Изометрический режим: а) схема установки для реализации режима:

Ф — фиксатор длины, М — мышца, Эл — электрод, ДF — датчик силы; б) временная зависимость развиваемой силы F одиночного сокращения мышцы при изометрическом режиме сокращения, I — длина мышцы, Р —, максимальная сила Если длина мышцы больше, то и количество мостиков в мышце больше, поэтому и возникающая сила будет больше. На рис. 6.1, б большей длине мышцы (l1>l2) соответствует большая сила (Р01> Р02).

Изотонический режим — когда искусственно поддерживается постоянство напряжения мышцы. Например, мышца поднимает постоянный груз Р = const, а регистрируется изменение ее длины при сокращении.

Схема опыта для реализации этого режима показана на рис. 6.2, а.

При этом режиме к незакрепленному концу мышцы подвешивается груз Р, а на электроды подается электрический импульс. Регистрируется сокращение мышцы, т. е. изменение ее длины? l со временем. В изотоническом режиме мышца быстро сокращаетсядо определенной длины, а затем расслабляется. Вид зависимости? l (t) для двух различных нагрузок показан на рис. 6.2, б. При изотоническом режиме имеет место следующее: чем больше груз Р, тем меньше укорочение мышцы и короче время удержания груза. При некоторой нагрузке Р = Р0мышца совсем перестанет поднимать груз. Это значение Р0и будет максимальной силой изометрического сокращения для данной мышцы (рис. 6.1, б).

Рис. 6.2. Изотонический режим:

а) схема установки для реализации режима: Р — нагрузка, Д, — датчик изменения длины; б) временная зависимость изменения длины мышцы? lодиночного сокращения мышцы, Р — нагрузка При увеличении нагрузки угол наклона восходящей части кривой изотонического сокращения уменьшается: б2< б2 рис. 6.2, б. Это означает, что скорость укорочения с ростом нагрузки падает.

Примеры режимов сокращения

Уравнения Хилла Между нагрузкой (Р) и скоростью укорочения мышцы (v) при изотоническом сокращении существует зависимость, выражаемая уравнением Хилла:

6.1

6.2

где, а — постоянная, имеющая размерность силы; Ро— постоянная, соответствующая максимальной силе, развиваемой в изотоническом режиме (максимальный груз, который удерживает мышца без ее удлинения); b— константа, имеющая размерность скорости.

Анализ уравнения (6.2) показывает, что в зависимости от нагрузки Рповедение мышцы, т. е. ее сокращение, проявляется по-разному. Рассмотрим два крайних случая.

Рассмотрим энергетические характеристики процесса. РаботаА, совершаемая мышцей при одиночном укорочении на величину? l, определяется известной формулой:

А = Р•?l.

Эта зависимость очевидно нелинейная, так как скорость сокращения мышцы (v) зависит от нагрузки (Р). Но на ранней стадии сокращения этой нелинейностью можно пренебречь и считать v = const. Тогда

?l = v•?t,

развиваемая мышцей мощность имеет вид:

W=P•v. (6.3)

Подставляя (6.2) в (6.3), получим зависимость полной мощности от развиваемой силы Р:

(6.4)

График функции (6.4) имеет колоколообразную форму и представлен на рис. 6.3 в относительном виде.

Рис. 6.3. Зависимость мощности мышцы от нагрузки Эта кривая, полученная из уравнения Хилла, хорошо согласуется с опытными данными. В зависимости от нагрузки Р мощность имеет разные значения

При работе мышц КПД при сокращении может быть определен как отношение совершенной работы к затраченной энергии Развитие наибольшей мощности и эффективности сокращения достигается при усилиях 0,3—0,4 от максимальной изометрической нагрузки Р0 для данной мышцы. Это используют, например, спортсмены-велогонщики: при переходе с равнины на горный участок нагрузка на мышцы возрастает и спортсмен переключает скорость на низшую передачу, тем самым уменьшая Р, приближая ее к Ропт.

Практически КПД может достигать 40—60% для разных типов мышц.

Среднее значение плотности мышечной ткани 1050 кг/м3. Модуль ЮнгаЕ=105 Па.

Сосудистая ткань Механические свойства кровеносных сосудов определяются главным образом свойствами коллагена, эластина и гладких мышечных волокон. Содержание этих составляющих сосудистой ткани изменяется по ходу кровеносной системы. С удалением от сердца увеличивается доля гладких мышечных волокон, в артериолах они уже являются основной составляющей сосудистой ткани.

Так как стенки кровеносных сосудов построены из высокоэластического материала, то они способны к значительнымобратимым изменениям размера при действии на них деформирующей силы. Деформирующая сила создается внутренним давлением. При заданном внутреннем давлении Рравновесное состояние сосуда описывается уравнением Ламе:

6.5

где r— внутренний радиус кровеносного сосуда, h— толщина стенки сосуда, у— механическое напряжение в стенке сосуда.

Следует иметь в виду, что живой организм имеет два механизма сопротивления нагрузкам. Некоторые части организма (кости, зубы) воспринимают нагрузку так же, как и неживое тело. Другие (мышцы) — непрерывно подстраиваются под внешнюю нагрузку. Но сохранение напряжения в мышечной ткани требует непрерывного притока энергии. Расход энергии приводит к усталости мышц. Только обморок или смерть прерывают мышечные процессы.

Представления о механических свойствах биологических тканей важны для различных направлений:

* в спортивной и космической медицине;

* результативность спортивных достижений и ее возрастание побуждают спортивных медиков обращать внимание на физические возможности человека;

* в спортивной медицине следует знать устойчивость биологических структур по отношению к различным деформациям;

* в спортивной травматологии и ортопедии вопросы механического воздействия на организм являются определяющими.

7. Сосудистая ткань Механические свойства кровеносных сосудов определяются главным образом свойствами коллагена, эластина и гладких мышечных волокон. Содержание этих составляющих сосудистой ткани изменяется по ходу кровеносной системы. С удалением от сердца увеличивается доля гладких мышечных волокон, в артериолах они уже являются основной составляющей сосудистой ткани.

Так как стенки кровеносных сосудов построены из высокоэластического материала, то они способны к значительнымобратимым изменениям размера при действии на них деформирующей силы. Деформирующая сила создается внутренним давлением. При заданном внутреннем давлении Рравновесное состояние сосуда описывается уравнением Ламе:

где r— внутренний радиус кровеносного сосуда, h— толщина стенки сосуда, у— механическое напряжение в стенке сосуда.

Следует иметь в виду, что живой организм имеет два механизма сопротивления нагрузкам. Некоторые части организма (кости, зубы) воспринимают нагрузку так же, как и неживое тело. Другие (мышцы) — непрерывно подстраиваются под внешнюю нагрузку. Но сохранение напряжения в мышечной ткани требует непрерывного притока энергии. Расход энергии приводит к усталости мышц. Только обморок или смерть прерывают мышечные процессы.

Представления о механических свойствах биологических тканей важны для различных направлений:

* в спортивной и космической медицине;

* результативность спортивных достижений и ее возрастание побуждают спортивных медиков обращать внимание на физические возможности человека;

* в спортивной медицине следует знать устойчивость биологических структур по отношению к различным деформациям;

* в спортивной травматологии и ортопедии вопросы механического воздействия на организм являются определяющими.

Заключение

Любая отрасль человеческих знаний, в том числе такая дисциплина как биомеханика, оперирует некоторым набором исходных определений, понятий и гипотез. С одной стороны, используются фундаментальные определения из математики, физики, общей механики. С другой — биомеханика базируется на данных экспериментальных исследований, важнейшими из которых являются оценка различных видов двигательной деятельности человека, управления ими; определение свойств биомеханических систем при различных способах деформирования; результаты, полученные при решении медико-биологических задач.

Биомеханика находится на стыке разных наук: медицины, физики, математики, физиологии, биофизики, вовлекая в свою сферу различных специалистов, таких как инженеры, конструкторы, технологи, программисты и др.

Биомеханика спорта как учебная дисциплина изучает как движения человека в процессе выполнения физических упражнений, во время соревнований, так и движения отдельных спортивных снарядов.

Существенное значение в современном спорте и физической культуре придается механической прочности, устойчивости тканей опорно-двигательного аппарата, органов, тканей к многократным физическим нагрузкам, особенно при тренировках в экстремальных условиях (среднегорье, высокая влажность, низкая и высокая температура, гипотермия, изменение биоритмов) с учетом телосложения, возраста, пола, функционального состояния человека. Все эти данные могут быть использованы в совершенствовании методики и техники выполнения тех или иных упражнений и тренировочных систем, а также в совершенствовании инвентаря, экипировки и других факторов.

Физическая культура и спорт в нашей стране в последнее десятилетие утратили свое влияние. Это никак не способствует укреплению здоровья человека. Это также сказывается в виде снижения способности противостоять негативным факторам окружающей среды.

Значение спорта во все времена было существенным в предупреждении преждевременного старения, в восстановлении функциональных возможностей организма после болезней и травм.

С развитием науки медицина активно внедряет ее достижения, разрабатывая новые методы лечения, оценки их эффективности, новые методики диагностики. Это, в свою очередь, обогащает спортивную медицину и физическую культуру. В данном учебнике предложены знания физических основ многих вопросов спортивной медицины, которые необходимы преподавателю физкультуры, тренеру, спортивному врачу, массажисту. Эти знания не менее важны, чем знания основ тренировочного процесса. В зависимости от того, как понимается физическая сущность того или иного направления спортивной медицины, в совокупности с медицинскими аспектами можно прогнозировать, дозировать оздоровительный (лечебный) эффект, а также уровень спортивных достижений.

3. Биомеханика: Учеб. для сред, и высш. учеб, заведений. — М.: Изд-во ВЛАДОС-ПРЕСС, 2003. — 672 с.: ил. ISBN5−305−101−3.

4. Адольф Э. Развитие физиологических регуляций. М., 1971.

5. Александер Р. Биомеханика. М., 1970.

6. Анохин П. К. Физиология и кибернетика / Вопросы философии. 1957. Вып. 4.

7. Антонов В. Ф., Черныш AM., Пасечник В. И., Вознисенский С. А., Козлова Е. К. Биофизика. М., 2000.

8. Механика заменителей биологических тканей. Современные проблемы биомеханики. 1987. Вып. 4.

9. МэрионДис. Б. Общая физика с биологическими примерами. М., 1986.

10. Наглядный словарь человека. Лондон; Нью-Йорк; Штутгарт; М., 1995.

11. Норма в медицинской практике. М., 2000.

12. Обысов А. С. Надежность биологических тканей. М., 1971.

13. Перкурова И. С., Лузинович Е. М., Сологубов Е. Г. Регуляция позы и ходьбы при ДЦП и некоторые способы коррекции. М., 1996.