Соединение костей. Сустав как рычаг

8.1. Сила инерции. Принцип д’Аламбера

В
ряде случаев возникает необходимость
описать движение, по­кой
или равновесие тела, находящегося в
неинерциальной
систе­ме отсчета.
Например, требуется выяснить какие
проблемы могут возникнуть у человека,
находящегося в кабине космического
ко­рабля.

Французский физик Д’Аламбер
сформулировал простой принцип, позволяющий
отвечать на вопросы о поведении тела в
неинерциальной системе. Рассмотрим
тело, которое находится в неинерциальной
системе, движущейся относительно
инерциаль-ной системы с ускорением ас.

Сила инерции не
является реальной силой, так как она не
дей­ствует
со стороны какого либо тела. Однако в
неинерциальной сис­теме
ее можно (и нужно!) рассматривать, как
обычную силу. При этом можно «забыть»
о том, что система неинерциальна.

Д’Аламбер установил,
что если ко всем реальным силам
(дейст­вующим со стороны других тел)
добавить силу
инерции, то
в не­инерциальной системе можно
использовать все законы и форму­лы,
которые справедливы для инерциальных
систем.

Пример

Пусть
тело массой т
подвешено
на нити в кабине космического ко­рабля,
который стартует с Земли и поднимается
вверх
с
ускорением «а».

Установлено, что
сила инерции неотличима
от силы
гравита­ции (силы тяготения). В
рассматриваемом примере это означает,
что никакие опыты, поставленные внутри
корабля, не
смогут дать ответ на вопрос, какая из
ситуаций имеет место:

  • либо мы находимся
    не в корабле, а на какой-то планете, где
    ускорение свободного падения равно g
    a;

  • либо мы движемся
    с ускорением g
    а
    на
    космическом ко­рабле вдали от
    каких-либо планет (гравитационные силы
    отсутст­вуют);

  • либо мы стартуем
    с Земли, поднимаясь с ускорением «а».

Во
всех этих случаях результаты любого
опыта будут совершен­но
одинаковы.

8.2. Сила тяжести. Вес тела

Сила тяжести

Так как сила
тяготения и сила инерции неотличимы,
то при ис­пользовании
неинерциальной системы их обычно
складывают (как вектора)
и эту сумму называют силой
тяжести.

Вес тела

Рассмотрим, что
происходит, когда некоторый груз кладут
на горизонтальную плоскость (опору). В
первый момент после того, как груз
отпустили, он начинает двигаться вниз
под действием си­лы тяжести (рис. 8.3).

Прогиб
опоры возник поддействием тела,
следовательно, со сто­роны
тела на опору действует некоторая сила
(Р), которую
назы­вают весом
тела (рис.
8.3, б). По третьему закону Ньютона вес

Вместо опоры можно
использовать подвес.

Весом тела
называют
силу Р, с которой тело действует на
не­подвижную относительно него
горизонтальную опору (или непод­вижный
относительно него подвес).

Вес не следует
путать с массой тела. Масса тела
характеризует его инертные свойства и
не зависит ни от силы тяготения, ни от
ускорения, с которым оно движется. Вес
тела характеризует силу, с
которой оно действует на опору и зависит
как от силы тяготения, так
и от ускорения движения.

Вес тела — понятие
скорее инженерное, чем физическое, и
ис­пользуется не часто. Например, при
проектировании моста указы­вают вес,
который он
должен выдерживать. В быту понятие «вес»
используется,
как правило, некорректно, поскольку
имеется в виду масса
тела.

Соединение костей. Сустав как рычаг

Например, когда говорят о весовых
категориях в
спор­те, то подразумевают не силу, с
которой спортсмен давит на по­мост,
а его массу. В то же время, говоря о весе
поднятой штанги, понятие «вес» употребляют
совершенно правильно, так как речь идет
о силе, с которой штанга действует на
человека.

В
быту, технике, спорте вес часто указывают
не в ньютонах (Н), а
в килограммах силы (кгс). Переход от
одной единицы к другой осуществляется
по формуле

1кгс
=
9,8Н

Конспект интегрированного урока
БИОЛОГИЯ ФИЗИКА. 8-й класс

Цели и задачи урока: сформировать
знания о типах соединения костей; показать
взаимосвязь строения и функций этих соединений;
раскрыть особенности строения скелетных мышц, их
прикрепления к костям, действие
мышц-антагонистов и синергистов;

выяснить
функции мышц и нервной системы при движении
человека; убедиться в применимости законов
механики для человеческого организма и уяснить
себе целесообразность его устройства с точки
зрения физики; развивать умения решать
проблемные вопросы, конструировать ответы.

Оборудование: таблицы «Скелет
человека», «Типы соединения костей», «Мышцы
человека», модель скелета человека, отдельные
кости (трубчатая кость, кость черепа, позвонок),
видеофрагмент «Строение сустава».

Межпредметные связи: зоология,
анатомия, физика, химия, иностранные языки,
история, математика.

Ход урока

I. Организационный этап

II. Актуализация опорных знаний
(фронтальная работа)

  • В древности говорили: «Движение
    строит».

  • Древние греки высекли на камне:
    «Хочешь быть здоровым – бегай. Хочешь быть
    красивым – бегай. Хочешь быть умным – бегай».

  • Выдающийся французский просветитель
    Вольтер заметил: «Движение – это жизнь».

Учитель биологии. Благодаря какой
системе органов мы способны на перемещения в
пространстве?

Учащиеся. Опорно-двигательной.

Учитель биологии. Из каких частей
состоит опорно-двигательная система?

Учащиеся. Из трёх: скелета
(пассивная часть), мышц (активная часть) и
связочного аппарата.

Учитель биологии. Какие
механические функции выполняет скелет?

Учащиеся. Опорную, защитную и
двигательную.

Учитель биологии. Скелет – это
кости. А можно ли по форме кости определить её
функцию? Перед нами три кости – позвонок, кость
черепа, плечевая кость. Что вы можете сказать о
функциях каждой?

Учащиеся. Кости черепа – плоские,
они защищают головной мозг от повреждений.
Позвонок – опора для органов и тканей и защита
спинного мозга от повреждений, совокупность
позвонков образует позвоночный канал.

III. Изучение новой темы

Учитель биологии. Кости
определённым образом соединены друг с другом.

  • Проблемный вопрос: как
    соединяются между собой кости в скелете и в чём
    проявляется взаимосвязь строения и функции этих
    соединений?

(Рассказ учителя по таблице «Типы
соединения костей» и моделям скелета человека.)
Различают три типа соединения костей (чертит
на доске схему).

Неподвижное соединение
костей происходит путём их срастания. Движения
при этом ограничены или вовсе отсутствуют.
Неподвижность костей мозгового отдела черепа
достигается тем, что многочисленные выступы
одной кости входят в соответствующие углубления
другой.

Такое соединение костей получило
название шва. У ребёнка в первые годы жизни
тазовая кость состоит из трёх отдельных костей,
соединённых друг с другом прослойками хряща,
которые постепенно замещаются костной тканью,
кости срастаются друг с другом.

Как вы думаете, каково предназначение
неподвижного соединения костей?

Соединение костей. Сустав как рычаг

Учащиеся. Защитное.

Учитель биологии. Полуподвижное
соединение достигается за счёт упругих
хрящевых прокладок между костями, между
отдельными позвонками. При сокращении мышц
прокладки сжимаются, и позвонки сближаются.
Какое значение имеют прослойки упругого хряща
при ходьбе, беге, прыжках?

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:  Что делать при болях в тазобедренном суставе при ходьбе, вставании и сидении, ночью? Как лечить боли в тазобедренном суставе у женщин и мужчин препаратами и народными средствами?

Учащиеся. Хрящи действуют как
амортизаторы, смягчая резкие толчки и
предохраняя тело от сотрясения.

Учитель биологии. А какие функции
выполняет полуподвижное соединение костей?

Учитель биологии. Подвижное
соединение костей встречается чаще всего. Это
сустав. В нашем скелете 230 суставов, например,
коленный, локтевой, плечевой, лучезапястный. Они
обеспечивают движение частей тела.

На суставе
особенно отчётливо видно соответствие строения
и функции. Сейчас мы просмотрим видеофрагмент
«Строение сустава», а затем разберём строение
сустава. (Просмотр видеофрагмента.) Вы
увидели, что, как и всё гениальное, суставы
устроены просто.

В каждом из них имеются кости 1
взаимно соответствующей формы, суставные
поверхности которых покрыты гладким хрящом 2.
Какую форму имеют сочленяющиеся кости?

Соединение костей. Сустав как рычаг

Учащиеся. Одна кость имеет
головку, а другая – соответствующую впадину.

Учитель биологии. Почему форма
именно такова?

Учащиеся. Она обеспечивает
максимальное сближение костей.

Учитель биологии. В состав
сустава входит также суставная сумка (капсула) 3,
которая удерживает сочленяющиеся кости друг
возле друга и защищает сустав от повреждений.
Сочленяющиеся кости плотно прилегают друг к
другу или нет?

Учащиеся. Нет, между ними есть
зазор, полость.

Учитель биологии. Это суставная
полость, или суставная щель 4. Она заполнена
суставной жидкостью. Как вы думаете, зачем здесь
нужна жидкость?

Учащиеся. Она служит смазкой,
уменьшает трение, питает хрящи, покрывающие
кости.

Учитель биологии. Усложняют
суставы вспомогательные элементы. Это связки и
сухожилия, которые скрепляют сустав. Суставы
бывают простыми (соединяются две кости) и
сложными (соединяются три и более костей).

Соединение костей. Сустав как рычаг

Итак, строение сустава обеспечивает
относительную прочность соединения костей и их
подвижность. Гений эпохи Возрождения Леонардо да
Винчи, исследуя движения человека, высказал
мысль, что они подчиняются законам механики.

Учитель физики. Почему у
сочленяющихся костей сустава именно такая форма:
одна кость имеет головку, а другая –
соответствующую впадину? Наверное, чтобы
обеспечить хороший контакт между костями
сустава. А как называется такой вид контакта?

Учащиеся. Плотный контакт.

Учитель физики. Чем плотный
контакт выгоднее, чем, например, вот такой
контакт?

Учащиеся. В разных контактах при
одном и том же усилии создаётся разное давление в
месте сопрокосновения поверхностей.
Действительно, давление р = F/S, где F
– сила, S – площадь поверхности контакта.

Учитель физики. Что ещё в суставе
целесообразно с точки зрения физики?

Учащиеся. Смазка – для уменьшение
трения.

Учитель физики. Да, поверхности
контактирующих костей очень гладкие (хрящи).
Трение тем больше, чем больше шероховатость, это
особенно существенно при большой поверхности
соприкосновения. Трение при наличии смазки
(суставной жидкости) существенно ниже, т.к.

Соединение костей. Сустав как рычаг

молекулы жидкости весьма подвижны. Суставная
жидкость уменьшает коэффициент трения в суставе
примерно в 20 раз. Поразителен характер действия
«выжимающейся» смазки: при снижении нагрузки на
сустав она поглощается губчатыми образованиями
сустава, а при увеличении давления выжимается
для смачивания его поверхности и уменьшения
коэффициента трения.

Прочность сустава ограничена. Так,
давление в суставном хряще не должно превышать 350
Н/см2. При более высоком давлении
смачивание суставного хряща прекращается,
увеличивается опасность его механического
истирания.

В среднем и пожилом возрасте из
суставной сумки выделяется меньше жидкости. В
живых организмах очень много мест, где
необходимо обеспечить низкое или, наоборот,
высокое давление в контакте. Назовите такие
места.

Учащиеся. Низкое давление – все
суставы, стопа при ходьбе; высокое давление –
челюсти, когти, ногти.

Учитель биологии. Скелет является
пассивной частью опорно-двигательной системы и
не может самостоятельно обеспечивать движение.
Какая часть системы выполняет эту функцию?

Учащиеся. Мышцы – активная часть
опорно-двигательной системы.

Учитель биологии. В организме
более шестисот разнообразных мышц. Слово «мышца»
произошло от латинского слова musculus, что
значит мышь. Связано это с тем, что анатомы,
наблюдая сокращения скелетных мышц, заметили,
что они как бы бегают под кожей, словно мыши.
Какие мышцы называют скелетными, как вы думаете?

Учащиеся. Те, что прикрепляются к
костям скелета.

Учитель биологии. Скелетных мышц
в организме около четырёхсот, они составляют
30–35% массы тела взрослого человека. Какие ещё
мышцы находятся в нашем организме? Какие органы
образованы этими мышцами?

Учащиеся. Гладкие мышцы –
образуют стенки внутренних органов: кровеносных
сосудов, желудка, кишечника и др.

Учитель биологии. Структурным
элементом мышц является мышечное волокно
(клетка). Мышечные волокна скелетных мышц
отличаются по строению и функ-циям от волокон
гладких мышц. Какой вид мышечной ткани образует
скелетные и какой – гладкие мышцы?

Соединение костей. Сустав как рычаг

Учащиеся. Поперечно-полосатая и
гладкая.

Учитель биологии. Какие свойства
характерны для мышечной ткани?

Учащиеся. Возбудимость и
сократимость.

Учитель биологии.
Поперечно-полосатая мускулатура не может так
сильно удлиняться, как гладкая, зато сокращается
быстрее. Попробуйте объяснить, почему улитка или
дождевой червь двигаются медленно, а пчела,
ящерица, орёл, человек – быстро? С чем это
связано?

Учащиеся. У улитки и дождевого
червя нет поперечно-полосатой мускулатуры, в
отличие от пчелы, ящерицы, орла и человека.

Учитель биологии. Скелетная мышца
состоит из поперечно-полосатых мышечных волокон,
собранных в пучки 1. Снаружи каждый из
мышечных пучков и вся мышца в целом покрыты
соединительнотканными оболочками 2.

Учащиеся. Кровь обеспечивает
клетки питательными веществами и кислородом и
выносит продукты распада; а нервные окончания
обеспечивают регуляцию работы мышц.

Учитель биологии. В скелетной
мышце различают начальную часть – головку,
среднюю – тело (брюшко) и конечную –
хвост. С помощью головки мышца прикрепляется к
одной кости, а с помощью хвоста через сустав или
суставы – к другой, так что при её сокращении
кости приходят в движение. Как вы думаете, какая
часть мышцы сокращается?

9.1. Консервативные силы,

потенциальная
энергия.

Закон сохранения
энергии в механике

В
механике есть силы, работа которых при
перемещении тела по
замкнутому
контуру равняется
нулю.
Такие
силы называют­ся
потенциальными,
или
консервативными.

Консервативной
называется
сила, работа которой при пере­мещении
тела по замкнутому контуру равняется
нулю.

Соединение костей. Сустав как рычаг

Нетрудно
показать, что консервативные силы
обладают еще дву­мя
свойствами:

  1. работа
    консервативной силы при переходе тела
    из одного по­ложения
    в другое не зависит от траектории
    движения, а определя­ется
    только начальным и конечным положениями
    тела;

  2. при
    изменении направления перехода работа
    консерватив­ной
    силы изменяет свой знак, не меняя
    величины Л, „ = —А2—г

Опираясь
на закон всемирного тяготения и закон
Гука, можно доказать,
что сила
тяготения и
упругая
сила являются
потенци­альными.

Потенциальность
этих сил связана с тем, что на одном
участке замкнутой
траектории силы совершают положительную
работу, а
на другом — отрицательную так, что в
сумме получается ноль. Покажем
это на примере силы тяготения, действующей
у поверх­ности Земли. Пусть тело
проходит по замкнутой прямоугольной
траектории
1—2—3—4—1 (рис. 9.1).

Не
все силы являются потенциальными.
Например, сила трения скольжения
всегда направлена против движения тела
и ее работа на
всем пути — отрицательна. Сила трения
не консервативна.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:  Выпадает сустав в бедре

Работу
консервативной силы удобно рассчитывать
через умень­шение
специальной величины — потенциальной
энергии. Полу­чим
соответствующую формулу.

Пусть
тело переходит из положения 1 в положение
2 (рис. 9.2). Выберем
некоторую точку пространства (О) в
качестве точки отсчета
и рассмотрим траекторию движения,
проходящую через эту
точку: 1—О—2.

Потенциальной
энергией тела
(£п)
называется скалярная вели­чина,
равная работе, совершаемой консервативной
силой, при пере­ходе тела из данного
положения на выбранный уровень отсчета
(О).

Соединение костей. Сустав как рычаг

Таким
образом, доказано, что работа консервативной
силы рав­на
убыли потенциальной энергии.

Гравитационная
потенциальная энергия

Найдем потенциальную
энергию тела, поднятого над землей. За
уровень отсчета возьмем любой удобный
горизонтальный уро­вень (О). Пусть
тело массой m
находится над этим уровнем на вы­соте
h(рис. 9.3).

(рис. 9.4, а), которую
мы возвращаем в исходное (недеформиро-ванное)
состояние (рис. 9.4, б), придерживая рукой.
При этом на руку действует сила упругости,
совершающая работу. Выберем в
качестве уровня отсчета положение, в
котором пружина не дефор­мирована
(б).

В соответствии с
законом Гука сила упругости, действующая
на руку, пропорциональна величине
деформации (х)
и направлена
в сторону уменьшения деформации F= —kx.
Пусть
пружина, рас­прямляясь, переместила
руку на небольшой отрезок dx.
Тогда она
совершила работу

Формула (9.3)
определяет потенциальную энергию,
связанную с гравитационным взаимодействием.

Соединение костей. Сустав как рычаг

Потенциальная
энергия упругих тел

Существует еще
один вид потенциальной энергии, связанный
с упругим взаимодействием молекул при
небольших
деформаци­ях почти
всех тел. Для наглядности рассмотрим
сжатую пружину

где k— жесткость
пружины; х
— ее
деформация.

Из приведенных
примеров видно, что энергию можно
накопить в форме потенциальной энергии
(поднять тело, сжать пружину) для
последующего использования. Кроме
того, следует заметить,

что, если для
кинетической энергии тела (частицы)
существует единое универсальное
выражение, то для потенциальной энергии
такого выражения нет; аналитический
вид формул для вычисле­ния потенциальной
энергии зависит от рассматриваемых
сил.

По­тенциальная энергия всегда
связана с той или иной силой, дейст­вующей
со стороны одного тела на другое.
Например, Земля силой тяжести
действует на падающий предмет, сжатая
пружина — на шарик, натянутая тетива
— на стрелу.

Потенциальная
энергия — это энергия, которой обладает
тело благодаря своему положению по
отношению к другим телам, или благодаря
взаимному расположению частей одно­го
тела.

или

Таким образом, в
данном случае сумма кинетической и
потен­циальной энергий тела осталась
неизменной. Эта сумма называ­ется
полной
механической энергией тела.

Мы получили закон
сохранения механической энергии.

Если в системе
действуют только консервативные силы,
то полная механическая энергия входящих
в систему тел не изменяется: Е = const.

сохраняется, а
лишь указывает условие, при котором
такое сохра­нение имеет место: работу
должны совершать только
консерва­тивные силы. В
этом случае при движении тела происходит
пере­ход кинетической энергии в
потенциальную или наоборот.

Примеры

Соединение костей. Сустав как рычаг

1) Падение камня

Тело падает на
землю с высоты hoбез начальной
скорости, а силой сопротивления воздуха
можно пренебречь (рис. 9.5). На тело
действует только сила тяжести, которая
является консерва­тивной. Следовательно,
полная механическая энергия сохраня­ется.

Закон сохранения
энергии в механике имеет ограниченный
характер. Он не утверждает, что
механическая энергия всегда

«| 74 Глава 9.

Законы
сохранения

11.3. Прочность

Соединение костей. Сустав как рычаг

Прочность —
способность тел выдерживать без
разрушения приложенную к ним нагрузку.

Прочность обычно
характеризуют величиной предельного
на­пряжения, вызывающего разрушение
тела при данном способе де­формирования.

Предел прочности
— это
предельное напряжение, при кото­ром
образец разрушается.

При различных
способах деформирования значения
предела прочности отличаются.

Ниже (табл. 11.2) это
показано на примере бедренной кости
не­которых биологических объектов.

Разные ткани одного
органа имеют разные пределы прочности.
В
табл. 11.3 приведены характеристики тканей
различных органов.

11.4. Твердость

Одним из важных
показателей многих материалов является
их твердость. Под твердостью понимают
разнообразные характери­стики
сопротивляемости материала местной,
сосредоточенной в
небольшом объеме деформации на его
внешней поверхности или на
поверхности его разреза.

Соединение костей. Сустав как рычаг

Твердость —
сопротивление материала местной
пластичес­кой деформации, возникающей
при внедрении в него более твер­дого
тела — индентора.

Используются
различные методы измерения твердости,
осно­ванные на определении размеров
лунок, получаемых при вдавли­вании в
поверхность испытуемого образца одного
из следующих тел-инденторов:

  • алмазного конуса
    (твердость по Роквеллеру, HJ;

  • трех-
    или четырехгранной призмы (твердость
    по Виккерсу, Hv);

  • стального шарика
    (твердость по Бринеллю Нв).

В первом методе
твердость определяется величиной,
связанной с
осевым перемещением наконечника конуса
при заданной нагруз­ке.
В последних двух методах мерой твердости
служит величина, определяемая отношением
нагрузки к площади поверхности отпе­чатка.

В табл. 11.4 приведены
значения твердости для тканей челюст­ных
костей и зубов.

11.5. Разрушение

Разрушение —
макроскопическое нарушение целостности
те­ла (материала) в результате
механических или каких-либо иных
воздействий.

В процессе разрушения
тела можно выделить две стадии: начальную
— развитие пор, трещин и конечную —
разделение те­ла на две, три и более
частей.

В зависимости от
того, как протекают эти стадии, различают
хрупкое и
пластическое
(вязкое)
разрушения.

Рассмотрим, как
происходит разрушение однородного
стержня при
его растяжении. Пусть один конец стержня
закреплен, а к дру­гому
приложена продольная растягивающая
сила, величину кото­рой постепенно
увеличивают.

Эта сила вызывает
относительное удлинение стержня (е), в
результате которого в материале
возни­кает механическое напряжение
(а). На рис. 11.8 показано, как из­меняется
величина механического напряжения в
зависимости от величины
относительного удлинения при вязком
(/)
и хрупком (2)
разрушениях.

Вязкое разрушение

Прямолинейный
участок на диаграмме соответствует
упругой
де­формации, при
которой напряжение в материале возрастает
пропор­ционально
величине относительного удлинения.
Затем начинается

Соединение костей. Сустав как рычаг

область необратимых
изменений размеров и формы тела,
обуслов­ленная зарождением и развитием
трещин в наиболее слабом месте. Скорость
протекания процесса вязкого разрушения
обычно не­велика, а сам процесс можно
замедлить (остановить), снизив при­ложенную
нагрузку.

Хрупкое разрушение

Это разрушение
начинается практически сразу после
заверше­ния упругой деформации
(прямолинейный участок) и характери­зуется
высокой скоростью протекания процесса.
Зародившаяся трещина довольно быстро
достигает критического размера, после
чего происходит ее стремительное
самопроизвольное распростра­нение,
завершающееся разрушением.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:  Какими медикаментами лечить суставы

Основными
факторами, определяющими характер
процесса раз­рушения,
являются:

  • свойства материала
    и состояние вещества (структура
    веще­ства, температура, влажность и
    т. п.);

  • свойства объекта
    (конструкционные особенности, размеры,
    форма, качество поверхности);

  • динамика силового
    воздействия (скорость нагружения).

Трещины

При разрушении
однородных тел процесс образования и
разви­тия трещины зависит от типа
деформации. Схема основных час­тей
трещины и их различные типы представлены
на рис. 11.9,11.10.

Соединение костей. Сустав как рычаг

Для наглядности
в вершине трещины (рис. 11.10) помещена
трехмерная
система координат. Если деформация
определяется си­лами,
ориентированными по направлению ОУ, то
края трещины симметрично
расходятся в противоположных направлениях
(I
тип).

Если края трещины
и ее поверхности скользят друг по другу
в направлении ОХ (поперек фронта трещины),
то возникают де­формации поперечного
сдвига (II
тип).

В случае, когда
края и поверхность трещины движутся
относи­тельно друг друга в направлении
OZ
(т. е. вдоль фронта трещины,

параллельно ему)
формируются деформации продольного
сдвига (III
тип).

Зарождение трещины
и ее рост приводят к изменению
конст­рукционных
качеств деформируемого тела и могут
закончится раз­рушением
тела.

Ниже для примера
рассмотрены повреждения, характерные
для длинных трубчатых костей. Разрушения
таких костей можно

рассматривать как
разрушения стержня при воздействии
нагру­зок в продольном или поперечном
направлениях.

Продольные нагрузки
(сжатие) возникают, например, при па­дении
на кисть вытянутой руки, на руку, согнутую
в локтевом сус­таве
или на согнутое колено (рис. 11.11).

В спортивной
практике часто имеет место повреждение
костей вследствие их изгиба под влиянием
внешнего воздействия. Зона начала
разрушения диафиза длинной трубчатой
кости при изгибе располагается на
выпуклой стороне (рис. 11.12.) дуги, где
сосре­дотачиваются наибольшие значения
растягивающих напряжений.

Другой
вид повреждений больших трубчатых
костей, сопровож­дающийся
множественными переломами, возникает
при ударе тупым предметом (рис. 11.13).

11.6. 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.

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
— гидрокси-лапатит.
Это вещество
представлено в форме микроскопических

кристалликов.
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
= 10’°Па,
предел прочности при растяжении оп
= 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 45000 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. 11.14).

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.

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. 11.

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-физиоло-гическая 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.

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. 11.17.

При
исследовании механических свойств кожи
с помощью аку­стического анализатора
тканей, позволяющего оценивать скорость
распространения
акустических возмущений звукового
диапазона (5—б
кГц) была выявлена акустическая
анизотропия кожи.

Проявление
акустической анизотропии находится в
соответст­вии с ориентацией линий
естественного натяжения кожи, так
на­зываемых линий Лангера. Сопоставление
ориентации линий Лан-гера и вида
акустической анизотропии показано на
рис. 11.19.

Соединение костей. Сустав как рычаг

Степень анизотропии
кожи при некоторых патологиях сильно
возрастает. Например, при псориазе, при
атопических 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.