Закони механіки і тіло людини.

Біомеханіка вивчає рух біосистем (тіла людини), використовуючи принципи механіки. Важливим поняттям біомеханіки є функціональна міцність тіла людини, дослідження якої ускладнюється функціональною, віковою та індивідуальною мінливістю.

Механічна міцність тіла людини забезпечується опорно-руховим апаратом, що складається із кісток, їх з'єднань і м'язів. До скелету кріпляться м'які тканини (опорна функція), він захищає внутрішні органи від зовнішньої механічної дії та виконує рухову функцію завдяки кістковим важелям, які приводяться в рух м'язами. Дослідження функціонування опорно-рухового апарату необхідне для з'ясування закономірностей руху тіла в просторі та часі, а також у робототехніці.

Опорно-руховий апарат людини — це складна система з великою кількістю ступенів вільності. Під кількістю стуленів вільності розуміють кількість незалежних координат, які необхідно задати, щоб визначити положення тіла в просторі. Абсолютно тверде тіло має ШІСТЬ ступенів вільності: три взаємно перпендикулярні переміщення та три обертання навколо взаемноперпендикулярних осей.

Вважається, що в тілі людини є 29, 33 і 85 суглобів відповідно з трьома, двома та одним ступенем вільності.

Скелет дорослої людини складається з 206 кісток, більшість ;і яких з'єднані так, то можуть взаємно переміщуватись. У скелеті приблизно 150 з'єднань, більша частина яких - суглоби.

Плечовий суглоб можна моделювати шарніром з трьома ступенями вільності обертання. Ліктьовий суглоб забезпечує лише згинання або розгинання руки, тобто ще одне обертання. Променезап’ястковий суглоб можна уявити як шарнір з двома ступенями вільності обертання. Кисть руки може "захоплювати" або "відпускати", тобто забезпечує ще один ступінь вільності. Разом їх буде вісім. Таку модель можна використати для конструювання маніпулятора. Якщо розглядати складніші системи в тілі людини, то модель буде набагато складнішою як щодо конструювання, так і дослідження. Це пов'язано з наявністю великої кількості ступенів вільності; тіло людини мас приблизно 244 ступені вільності.

Скелет людини є каркасом для тіла, який рухається завдяки скелетним м'язам, кожний з яких кріпиться до двох різних кісток.

Під час скорочення м'яза його довжина зменшується, внаслідок чого зменшується також кут між відповідними кістками. Для пояснення механізму втримання вантажу рукою останню слід розглядати як важіль з відповідними довжинами кісток Плеча і передпліччя, навантаженням та положенням точок кріплення м'яза; це уможливить визначення сили, яку розвиває м'яз, щоб втримати вантаж. Для такого важеля сила, що розвивав м'яз, більша від величини навантаження в стільки разів, у скільки точка кріплення м'яза розміщена ближче до ліктьового суглобу, ніж утримуваний вантаж.

Механічні властивості кісток.

Кістки виконують опорну та захисну функції. За невеликих деформацій вони можуть розглядатися як пружні системи, тобто підлягають закону Гука. Модуль пружності кісток становить приблизно 10⁹Н/м². Проте різні частини опорно-рухового апарату мають різну міцність. Кістки можуть руйнуватися за напружень - 10⁷... 10⁸ Н/м².

Кістковій тканині властивий п'єзоелектричний ефект. Якщо до одного кінця смужки з кісткової тканини прикласти силу, а інший жорстко закріпити, то між протилежними сторонами виникає різниця потенціалів. Вона зумовлює виникнення в кістці п'єзоструму. Як виявляється, п'єзоструми відіграють негативну роль; еони призводять до розсмоктування тканини, а також сприяють росту новоутворень.

Для зрошення зламаних кісток або ліквідації інших ушкоджень необхідно фіксувати ушкоджені ділянки та усувати сили, які діють у місцях перелому доти, доки вони не зростуться. На практиці використовують різні системи витяжки, в яких застосовуються вантажі, троси та блоки. Конструкції цих систем ґрунтуються на тому, що натяг троса всюди однаковий.

Натяг троса є результатом дії будь-якого зовнішнього чинника, Згідно з третім законом Ньютона, трос діє з силою, рівною силі натягу, яка прикладена будь-де до нього.

а б

Рис. Система витяжки нош з використанням вантажів (а) та комбінації вантажів з блоком (б)

На рис. зображена дія зовнішньої сили на ногу пацієнта при використанні двох комбінацій вантажів і блоків. Дві сили натягу мають однакову величину Т₁ і Т₂. У цьому випадку загальна сила, що діє на ногу, дорівнює векторній сумі двох сил натягу.