1. Деформація, її види, фізичні характеристики.

Деформа́ція (від лат. deformatio — «спотворення») — змінарозмірів і форми твердого тілапіддієюзовнішніх сил (навантажень) абоякихосьіншихвпливів (наприклад, температури, електричнихчимагнітнихполів).

Деформації поділяють на оборотні (пружні) і незворотні (пластичні, повзучості). Пружні деформації зникають після закінчення дії прикладених сил, а незворотні - залишаються.

Деформація — зміна форми чи розмірів тіла (або частин тіла) під дією зовнішніх механічних сил, нагрі­вання чи охолодження, під дією електричного й магнітного полів та інших впливів, які зумовлюють зміну відносного розміщення частинок тіла. Внаслідок деформації змінюються між­атомні відстані та відбувається перегрупування блоків атомів. У твердих тілах розрізняють пружну й пластичну деформацію.

Пружна деформація — деформація, яка зникає після припинення дії зовнішньої сили.

Плас­тична деформація — деформація, в результаті якої змі­нюються розміри й форма тіла, що не зникають після припинення дії зовнішньої сили. Тіло, яке зазнало плоскої деформації, зберігає частково чи повністю набуту форму й змінені розміри. Найпростіші види плоскої деформації тіла в цілому — розтяг, стиск, згин, кручення.

Розтяг (стиск) — найпростішадеформація, яка ви­никає в стержні, коли до йогокінцівприкладеносили, спрямованівздовжосі стержня в протилежністорони.

• Усі реальні тіла здатні деформуватись.Зміну форми чи об’єму тіла під дією зовнішніх сил називають деформацією. Розрізняють пружні та пластичні деформації.

• Пружніми називають деформації, які повністю зникають після припинення дії зовнішніх сил. Відновлення первинної структури тіла відбувається під дією внутрішньої сили – сил пружності, що виникають під час деформації.

• При пластичних деформаціях тіло залишається у деформованому стані після припинення дії зовнішніх сил.

• Кількісною мірою деформації тілі є абсолютна та відносна деформації.

• Якщо при деформації тіла деяка величина, яка характеризує розміри чи форму тіла, набуває значення Х, то зміна цієї величини ΔХ= Х – Хо під дією прикладеної сили зветься абсолютною деформацією.

2. Механічна напруга. Закономірності залежності між деформацією і механічною напругою. Закон Гука.

Механічна напруга — міра внутрішніх сил, які виникають у деформованому тілі під дією зовнішніх впли­вів. Визначаєтьсявідношенням модуля силипружностіF_пр до площі поперечного перерізуS:

.

Закон Гука – закон, за яким сила пружності, щовиникаєпід час деформаціїтіла, пропорційнавидовженнютіла і напрямленапротилежнонапрямупереміщеннячастиноктілапід час деформації. Встановлений у 1660 р. англійськимученим Р. Гуком:

F_пр.=-k∆l,

де k – жорсткістьтіла,

∆l – йоговидовження.

Закон Гукаможназаписатитакож у вигляді: ,

де ε–відносневидовження .

Зазвичайдеформаціясупроводжуєтьсязміною величин міжатомних сил, заходом якого є пружнемеханічненапруження.

3. Особливості механічних властивостей біологічних тканин.

Розглянемо найважливіші механічні властивості біологічних тканин, завдяки яким здійснюються різноманітні механічні явища- такі, як функціонування опорно-рухового апарата, процеси деформацій тканин і клітин, розповсюдження хвиль пружної деформації, скорочення і розслаблення м’язів, рух рідких і газоподібних біологічних середовищ.

• пружність – здатність тіл відновлювати розміри (форму чи об’єм) після зняттянавантажень;

• жорсткість- здатність матеріалу протидіяти зовнішнім навантаженням;

• еластичність- здатність матеріалу змінювати розміри під дією зовнішніх навантажень;

• міцність- здатність тіл протидіяти руйнуванню під дією зовнішніх сил;

• пластичність- здатність тіл зберігати(повністтю або частково)зміну розмірів після зняття навантажень;

• крихкість- здатність матеріалу руйнуватися без утворення помітних залишкових деформацій;

• в’язкість- динамічна властивість, яка храктеризує властивість тіла протидіяти зміні його форми при дії тангенціальних напружень.;

плинність- динамічна властивість середовища, яка характеризує здатніть окремих його шарів перемішуватись, з деякою швидкісттю у просторі відносно інших шарів цього середовища.

Опорно-рухова система людини, що складається із з’єднаних між собою кісток скелета і м’язів, являє собою з точки зору біомеханіки сукупність важелів, що підтримують людину у стані рівноваги.Наприклад, череп знаходиться в сагітальній площині (рис. 2.1, б). Вісь обертання важеля проходить через з’єднання черепа з першим хребцем. Спереду від точки опори на відносно короткому плечі діє вага голови , прикладена в центрі мас черепа, позаду сила натягу м’язів і зв’язок, прикріплених до потиличної кістки.

• Біологічні структури (м’язи, судини, сухожилля, тканини легенів, шкіра тощо) являють собою в’язко - пружні системи.

У тілі людини нараховується близько 600 м’язів, які складають до 40% маси людини. Їм властива еластичність, здатність відновлювати початкову форму після припинення дії сил, які викликають їх деформацію.З віком м’язи змінюються: вони ростуть, збільшуються в об’ємі. Від довжини м’яза залежить їх скорочення (рис. 4). В похилому віці товщина м’язевих пучків і сила їх зменшується. Сила їх падає. Проте, якщо людина веде активний спосіб життя, атрофія м’язів сповільнюється.

Шкіра складається з волокон колагену та еластину розташованих в основній матриці. Еластин являє собою волокнистий високо гнучкий та розтяжний білок. Він розтягується до 200-300%, приблизно, як гума. Колаген може розтягуватись 10%, що відповідає капроновому волокну. Модуль пружності колагену (10-100) МПа, еластину – (0, 1-0, 6) МПа. Границя міцності відповідно: 100 МПа і 5 МПа. Отже, шкіра є пружним матеріалом з високо еластичними властивостями. Вона добре розтягується та скорочується.

М’язи. До їх складу входить сполучна тканина, що складається з волокон колагену та еластину. Через те механічні властивості м’язів подібні до механічних властивостей полімерів. Між пружними властивостями полімерів і кристалічних мономерів існує принципова відмінність. В останніх сили пружності повністю визначається зміною міжатомних відстаней. Полімери складаються з дуже довгих і гнучких молекул. Частини молекул перебувають хаотичному тепловому русі, через те їх форма і довжина постійно змінюється. Під дією навантаження молекули випрямляються у відповідному напрямі і довжина зразка зростає. В полімерах випрямлення молекул при навантаженні матеріалу та ковзання макромолекул триває значно довше, ніж повзучість в металах. В певній мірі процеси повзучості в полімерах аналогічні течії в’язкої рідини. Поєднання в’язкої плинності з високою еластичністю дозволяє називати деформацію, характерну для полімерів, в’язкопружною. Пружні та в’язкі властивості зручно моделювати.

Судинна тканина. Механічні властивості судин визначаються головним чином властивостями гладких м’язевих волокон, еластину і колагену. Стінки судин неоднорідні за своєю будовою, відрізняються анізотропними механічними властивостями. До них можна застосовувати вище згадані методи дослідження пружних властивостей лише наближено.

При дії зовнішніх механічних коливань, резонансні коливання відбуваються і у внутрішніх органах. У цьому, очевидно, одна з причин негативного впливу інфразвукових коливань і вібрацій на організм людини.

Процес поширення коливань у пружному середовищі називається хвилею. Механічною хвилею називають механічні коливання, що поширюються у просторі і несуть енергію.

Розрізняють два основні види механічної хвилі: пружні хвилі – поширення пружних деформацій – і хвилі на поверхні рідини.

Звук є джерелом інформації про стан внутрішніх органів людини. Робота серця, легенів та інших органів супроводжується такими звуковими явищами, що виникають під час їх роботи. Знаючи, якими повинні бути ці звуки при нормальному функціонуванні органів і тканин, можна визначити характер захворювання або пошкодження органа при тому чи іншому захворюванні.

Прослуховування і аналіз тонів та шумів, що виникають під час функціонування внутрішніх органів, називається аускультацією. Для прослуховування звуків використовують фонендоскоп. Його дія ґрунтується на резонансному підсиленні звуку. Резонансні порожнини дають характерні (з малим затуханням) звукові коливання і по-різному проводять звуки, що використовується в іншому методі звукового дослідження – перкусії.

Іншим методом звукового клінічного дослідження є перкусія.

Перкусія — це аналіз перкуторних звуків, що виникають при постукуванні молоточком по плесиметру або кінчиком зігнутого пальця однієї руки по фаланзі пальця другої руки, прикладеної до певної ділянки тіла хворого. При постукуванні резонують порожнини всередині організму, по-різному реагують на звук молоточка або пальця м'які, пружні, тверді та порожнисті органи. При ударі по пружних тканинах або тканинах, що оточують порожнини тіла, заповнені повітрям, внутрішній звук підсилюється і стає дзвінким (тимпанічним). Якщо черевна порожнина містить багато рідини (водянка), перкуторний звук буде коротким і глухим.

Добрий резонанс дають порожнини тіла, заповнені повітрям, кістки та еластичні перетинки (ясний звук).

Для діагностики серцевих захворювань використовують метод фонокардіографії (ФКГ). Цей метод полягає у графічній реєстрації тонів та шумів серця. Запис фонокардіограм здійснюють за допомогою фонокардіографа. Він складається з мікрофона, підсилювача, системи частотних фільтрів і реєструю чого пристрою.

Втрату слуху досліджують методом аудіометрії. З цією метою визначають поріг чутності для різних тонів на спеціальному приладі – аудіометрі. Отримана крива називається аудіграмою. Порівняння аудіограми хворої і здорової людини дозволяє діагностувати захворювання органів слуху.

Нормальне людське вухо сприймає достатньо широкий діапазон інтенсивностей звуку: так на частоті 1000 Гц від () – поріг чутливості, до () – порогу больового відчуття.

Ультразвуком називають механічні коливання і хвилі з частотами більшими 20 кГц. Застосування ультразвуку в різних галузях, включаючи медицину, пов'язані з тією їх важливою властивістю, що будь-які зміни в середовищі, через яке проходить ультразвукова хвиля, приводять до зміни швидкості розповсюдження і поглинання цієї хвилі, відбиття хвилі від границі розділу, акустичної кавітації - появи мікропорожнин в матеріальному середовищі (наприклад, в рідині) під дією коливань тиску.

Реологія – наука, що вивчає плинність і деформацію речовини, біореологія займається плинністю біологічних середовищ, а гемореологія вивчає реологію крові.Рух ньютонівської рідини (в’язкість якої постійна і не залежить від швидкості зсуву) можна описати законом Ньютона. До таких рідин відносяться легеневі гази, вода, сеча, низькомолекулярні рідини.