Еластинові волокна

Еластин являє собою губоподібний матеріал, відрізняється значною розтяжністю та гнучкістю. Ці якості роблять його незамінним компонентом в структурах тих тканин, котрі в процесі функціонування значно змінюють свою форму та розміри (стінки судин, м'язи, покривні оболонки тощо). Гнучкість та розтяжність еластину пов'язані із властивостями його субодиниць - глобул, об'єднаних у сіткову структуру жорсткими хімічними зв'язками (сполуками, що звуться десмозинами). Сітка легко деформується без розривів цих зв'язків під впливом зовнішніх навантажень. Жорсткість ниток зростає по мірі розтягу, який супроводжується витягуванням глобул - субодиниць еластину. Саме це і знаходить відображення на діаграмі (рис. 2.6, а).

Діаграма розтягу судин

Стінки судин мають складну будову. Спостерігаються суттєві відмінності в будові стінок аорти, артерій, вен, венул та капілярів. їхні пружні властивості визначаються співвідношенням вмісту волокон трьох типів: еластинових, колагенових і м'язових. Колаген має більший модуль Юнга, ніж еластин та гладком'язові волокна, які мають приблизно однакову пружність. У великих судинах (аорті, венах) еластин та колаген становлять приблизно 50% сухої ваги, в еластом'язових судинах їх вміст зменшується до 40% і менше. Стінки судин неоднорідні за своєю будовою, відрізняються анізотропними механічними властивостями. До подібних тіл лише наближено можна застосовувати класичні методи дослідження пружних властивостей при визначенні модуля Юнга, межі пружності, межі міцності тощо.

На рис. 2.6, 6 наведено діаграму розтягу аорти під впливом трансмурального тиску Р (різниці тисків всередині і зовні судини).

Таким чином, при зростанні тиску (при фізичних навантаженнях, різних патологІях) жорсткість судин або їх тонус різко зростає (див. пунктирну лінію на рис. 2.6, б). Фізіологічний зміст цього явища зрозумілий - зростаюча жорсткість судини запобігає надмірному зростанню Його об'єму при збільшенні тиску, що, в свою чергу, запобігає надмірному стисненню внутрішніх тканин (наприклад, нервової тканини мозку) і дозволяє зменшити об'єм циркулюючої крові при навантаженнях.

Біофізичний механізм цього явища досить складний і досі недостатньо вивчений. Можна припустити, що він визначається пружними властивостями еластину (зростанням жорсткості при розтягуванні), а також активацією скорочуваності гладкої мускулатури судини при розтягуванні (гістомеханічна теорія). Зауважимо, що роль гладкої мускулатури надзвичайно велика у процесі деформації судин; без її участі неможливо пояснити в'язко-пружні властивості судин, а отже і такі явища, як диллатація та констрикшя судин, зміна їх тонусу, депонування та зігнання крові тощо.

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 ступенів вільності розуміють кількість незалежних координат, які необхідно задати, щоб визначити положення тіла в просторі. Абсолютно тверде тіло має шість ступенів вільності: три взаємноперпендикулярні переміщення та три обертання навколо взаємноперпендикулярних осей.

В важається, 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 з яких з'єднані так, що можуть взаємно переміщуватись. У скелеті приблизно 150 з'єднань, більша частина яких — суглоби.

Плечовий суглоб можна моделювати шарніром з трьома ступенями вільності обертання (рис. 1.6). 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 має приблизно 244 ступені вільності.

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

П ід 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 (рис.1.7). Для такого важеля сила, що розвиває м'яз, більша від величини навантаження в стільки разів, у скільки точка кріплення м'яза розміщена ближче до ліктьового суглобу, ніж утримуваний вантаж.