Лекція 1 Тема: Основи біомеханіки та біоакустики

Вміти:

• Назвати та пояснити основні поняття та закони механіки, які використовуються в біомеханіці;

• Пояснити відмінність між класичними поняттями механіки та використання їх для біологічних систем (біохімічні властивості системи);

• Дати визначення астрометричних та мас-інтерційних параметрів тіла людини; пояснити можливості використання фізичних моделей для дослідження механічних властивостей біологічних систем;

• Описати фізичні основи функціонування опорно-рухового апарату і механічні властивості кісток;

• Пояснити особливості механіки м’язової тканини, механічних процесів у легенях та механічні властивості кровоносних судин.

Вступ

Біомеханіка вивчає механічні властивості живих систем та рух в них. Основними параметрами механіки людини є показники її граничних можливостей, механічна та функціональна стійкість, міцність структур і системи тіла за впливу різних чинників. Цей аспект важливий для створення та використання штучних органів і тканин для ортопедії, розробки методів захисту від несприятливих дій статичного, динамічного та вібраційного характеру (травмобезпека).

Елементи механіки.

Результати аналізу рухів тіла людини (ходьба, стрибки тощо) свідчать, що вони складаються із простих поступальних і обертальних рухів.

Обертанням називається рух, за якого всі точки тіла переміщаються по колових траєкторіях, а центри цих кіл лежать на одній прямій (осі обертання).

Для того, щоб тіло рухалось, потрібно прикласти силу. Сила – це векторна величина, що характеризує взаємодію тіл, внаслідок якої вони деформуються або набувають прискорення.

Проте різні тіла за впливу однакової сили набувають різного прискорення. Ця властивість тіл називається інертністю. Мірою інертності тіла є його маса.

У механіці розрізняють три типи сил: сила тяжіння (mg), потужності (kΔx) , тертя (μN).

Якщо на тіло діє декілька сил, то їх дію можна замінити дією однієї сили, яка називається рівнодійною: F = F₁ + F₂ + … + F_n = ∑ F_i

І. Ньютон встановив: якщо рівнодійна усіх сил, прикладена до тіла, дорівнює нулеві, то швидкість тіла не змінюється, тобто тіло перебуває в стані спокою або рівномірному прямолінійному русі: якщо F = ∑ F_i = 0, то V = const.

Це перший закон Ньютона, він виконується лише в інерціальних системах відліку. Інерціальними називаються системи відліку, які рухаються одна відносно одної прямолінійно-рівномірно або перебувають у спокої.

Другий закон Ньютона стверджує, що прискорення, з яким рухається тіло, має такий самий напрям, як і рівнодійна сил, прямо пропорційне величині цієї сили і обернено пропорційне масі тіла: .

Два тіла взаємодіють із силами, рівними за величиною і протилежні за напрямом. Це третій закон Ньютона. Записати його можна так: F₁₂ = - F₂₁.

Якщо на тіло з масою m і швидкістю руху V₀ протягом часу t діяла стала сила F, то швидкість його руху змінилась і дорівнює V. Тоді згідно з другим законом Ньютона, маємо: _, звідси: Ft = mV – mV₀/

Добуток сили на час, протягом якого вона діяла, називається імпульсом сили, а добуток маси тіла на швидкість його руху – імпульсом тіла.

Якщо декілька тіл взаємодіють лише між собою, то вони утворюють ізольовану систему. Для такої системи векторна сума імпульсів тіл є величиною сталою:

m₁V₁ + m₂V₂ + … + m_nV_n = const.

Це закон збереження імпульсу. Ним пояснюється, наприклад, переміщення живих організмів (кальмари, медузи тощо) завдяки віддачі води, яку вони виділяють із порожнини тіла.

На законі збереження імпульсу ґрунтується метод діагностики – балістокардіографія. Балістокардіограф складається із легко рухомої платформи Р, на яку лягає людина, і датчика D, що перетворює механічні коливання платформи в електричний сигнал. Коли людина перебуває на платформі, можна зауважити ледь помітні коливальні рухи в поздовжньому напрямі. Ці коливання є результатом дії реактивних сил, які зумовлені роботою серця. Внаслідок скорочення лівого шлуночка в аорту викидається ударний об’єм крові; виникає сила реакції струмини крові майже на протилежній. Ця сила діє на стінки аорти, відтак – на тіло людини (спрямована від ніг до голови). Кожний цикл роботи серця супроводжується механічними коливальними рухами тіла і платформи, які реєструються датчиком і записуються у вигляді балістокардіограми.

Антропометричні та мас-інерційні характеристик тики тіла людини.

Антропометричні характеристики – це геометричні розміри тіла людини за окремих його частин. Ці величини зміні, їх зміни мають випадковий характер залежно від віку, статі, регіону проживання, виду занять. Вважається, що кожний параметр змінюється за нормальним законом розподілу. Статичні розміри тіла людини, тобто розміри, виміряні за фіксованого положення тіла:

Параметр, см	Чоловіки		Жінки
	М	у	М	у
Довжина тіла	167,8	5,8	156,7	5,7
Довжина тіла з витягнутою догори рукою	213,8	8,4	198,1	7,6
Ширина плечей	44,6	2,2	41,8	2,4
Довжина руки, витягнутої догори	64,2	3,3	59,3	3,1
Довжина руки, витягнутої вбік	64,2	3,3	56,8	3,0
Довжина плеча	32,7	1,7	30,2	1,6
Довжина ноги	90,1	4,3	83,5	4,1
Висота очей	155,9	5,8	145,8	5,5
Висота ротової точки	151,3	5,6	142,2	5,5
Висота долоневої точки	51,3	3,5	48,3	3,6
Висота плечової точки	137,3	5,5	128,1	5,2

Амплітуда рухів різних частин тіла використовується в біомеханічних та ергономічних задачах

Використання деяких фізичних дій пов’язане з великими силами, які діють у суглобах, сухожилках, зв’язках, що зумовлює виникнення певних захворювань. Для розрахунку цих сил необхідно знати мас-інерційні характеристики окремих частин тіла. Основними мас-інерційними характеристиками тіла людини є маса окремих частин тіла, координати центра тяжіння, момент інерції.

Механічна дія на біологічні тканини, органи, системи зумовлює рух, напруження і, як наслідок, деформацію

Деформацією твердого тіла називається зміна його розмірів та форми за впливу зовнішніх сил.

Одним із методів дослідження в біомеханіці є .моделювання. Використовуючи цей метод, необхідно зважати на складну анізотропію біологічних тканин. Своєю чергою, анізотропічна структура залежить від тих функцій, які вона виконує.

Дослідження механічних властивостей біосистем ускладнюється багатьма причинами. По-перше, у біологічних об'єктах на відміну від технічних у межах міцності спостерігається нелінійна залежність між напруженням і деформацією.

По-друге, модуль пружності для технічних матеріалів вважається сталою величиною, що не можна сказати стосовно біологічних тканин. На певному етапі деформації модуль Юнга помітно зростає, ніби прагне захистити живий організм від руйнування.

По-третє, живі та неживі біооб'єкти по-різному реагують на навантаження. Наприклад, нежива лапка жаби за властивостями схожа на технічний матеріал; відмінність живих об’єктів від технічних зумовлена їхньою емоційністю.