Физика ответы на экзаменационные вопросы стомат
.pdf
Ответы на экзаменационные вопросы
1. Основные понятия биомеханики. Внешние и внутренние силы, напряжения и деформации. Законы упругой деформации.
Биомеханика изучает свойства биологических тканей и жидкостей и процессы, протекающие в них.
Основные понятия
Внешние силы – силы, которые действуют на данное тело со стороны окружающих тел. Под этим действием тело деформируется. Деформация (безразмерная величина):
1.Упругие деформации - исчезают после снятия нагрузки
2.Остаточные деформации – не исчезают
3.Линейные деформации – изменение линейных размеров тела
4.Угловые деформации – изменение угловых размеров тела (γ)
5.Продольные деформации. Возникают при наличии объемного тела.
6.Поперечные деформации – отношение площади поперечного сечения к изначальной площади.
7.Относительная деформация (мера продольной деформации) – отношение измененных размеров тела к изначальному размеру.
|
E |
l |
|
F |
|
Па , |
||||
|
l |
S |
||||||||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
γ - угол сдвига |
|
|
→ |
|
|
|
|
→ |
|
|
|
|
|
σn |
|
|
|
|
σ |
|
|
γ |
|
|
|
|
|
|
|
|
→ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
στ |
Внутренние силы – это силы взаимодействия между частицами материала. Эти силы возникают в нем под воздействием внешних сил. Внутренние силы называют также силами упругости. Они стремятся вернуть частицы в первоначальное положение.
Мерой внутренних сил является напряжение
Механическое напряжение - внутренняя сила, действующая на единицу площади.
1
Физика |
стоматологический факультет |
|
|
|
|
Физический смысл: механическое напряжение численно равно отношению внутренних сил, действующих на единицу площади, к этой площади.
σ
С D B 
A
ε
Диаграмма напряжений.
ОА (проекция на ось ) – упругие деформации,
В - предел упругости, характеризует максимальное напряжение, при котором еще не имеют место остаточные деформации,
CD – предел текучести – напряжение, начиная с которого деформация возрастает без увеличения напряжения.
Предел прочности – напряжение, определяемое наибольшей нагрузкой, выдерживаемой перед разрушением.
Законы упругой деформации. Закон Гука
E
где
E – модуль юнга, характеризует жесткость материала, т.е. способность противостоять деформации.
Нормальное напряжение прямо пропорционально относительной деформации.
Для сдвига G , где
G – модуль упругости второго рода. Физический смысл: Модуль сдвига прямо пропорционален угловой деформации. tg E
2
Ответы на экзаменационные вопросы
σ
α
ε
График зависимости механического напряжения от линейной деформации.
Физический смысл Модуля Юнга: модуль Юнга численно равен напряжению, возникающему в теле при единичной деформации.
2. Классификация стоматологических материалов. Требования к материалам, применяемым в стоматологии.
Стоматологические материалы принято подразделять на три груп-
пы:
1)конструкционные,
2)вспомогательные,
3)клинические.
К основным материалам относят металлические сплавы, пластмассы, керамические материалы. Их применяют непосредственно для изготовления шин, протезов и аппаратов, пломб. Следует отметить, что пломбировочные материалы необходимы не только для замены разрушенных тканей зуба, но и для изготовления стоматологических конструкций.
К вспомогательным материалам относятся различные группы веществ. К ним относятся различные группы веществ - слепочные материалы, массы для моделей, формировочные массы, абразивы и т.д.
Клинические материалы используются только в клинических условиях главным образом для фиксации протезов в полости рта.
На зубные протезы, аппараты, шины, пломбы в полости рта действует комплекс факторов: физических, химических, биологических, и они подвергаются сильному механическому давлению. Кроме того, материал протеза при его изготовлении испытывает сложный комплекс воздействий (сжатие, растяжение, изгиб, истирание).
В связи с этим стоматологические материалы должны удовлетворять следующим требованиям.
Основные требования, предъявляемые к стоматологическим материалам:
1.Должны быть химически устойчивыми к среде полости рта, т.е. практически не растворяться в ротовой жидкости.
3
Физика |
стоматологический факультет |
|
|
|
|
2.Должны быть устойчивыми к механическим воздействиям при жевании - не стираться и не разрушаться (не откалываться).
3.Должны быть индифферентными к тканям зуба, т.е. не вызывать раздражения дентина и пульты, а также быть безвредными для слизистой оболочки полости рта и всего организма.
4.Должны сохранять постоянство формы и объема.
5.Должны обладать термоизолирующими свойствами, предотвращающими термическое раздражение пульпы.
Кроме того, пломбировочные материалы должны не деформироваться при твердении; иметь тепловой коэффициент расширения, близкий к коэффициенту расширения эмали зуба; быть пластичными и удобными при формировании пломбы, а также легко вводиться в полость зуба; хорошо прилипать к твердым тканям зубам, а также соответствовать по цвету и прозрачности эмали зуба и т.п.
3. Механические свойства стоматологических материалов: прочность, условия прочности, пластичность, хрупкость, твёрдость, упругость, усталость.
Прочность
Прочностью стоматологического материала называется его способность сопротивляться и быть устойчивым к действию механических нагрузок, постоянно действующих в полости рта и способных вызывать деформацию материала и его разрушение.
Нагрузки в полости рта очень велики. Так, например, три пары жевательных мышц человека, имеющие около 39 см2 площади, могут развивать силу порядка 3900 Ньютон, т.е. 1 см2 мышц развивает силу около 100 Ньютон, а коренные - 1200 - 1500 Н. Усилие более 1000 Н необходимо, чтобы раздавить сухую корку хлеба, более 2500 Н - для дробления кускового сахара. Все это говорит о том, что прочность стоматологического материала должна быть достаточно высокой.
В простейшем случае оценка прочности материала проводится по наибольшему нормальному напряжению или по наибольшему касательному напряжению (при расчете на сдвиг). Условия прочности при этом записываются в виде:
max доп
max доп ,
где max и доп - допустимые значения нормального и каса-
тельного напряжений, которые зависят от материала и условий работы рассчитываемого элемента.
Часто условия прочности материала выражают через коэффициент запаса прочности n - число, показывающее, во сколько раз следует уве-
4
Ответы на экзаменационные вопросы
личить все компоненты напряженного состояния, чтобы оно стало предельным. Он равен:
n |
проч |
, |
|
|
|
|
|
|
доп . |
|
|
где проч |
- предельное значение напряжения. |
||
Чтобы конструкция была прочной, коэффициент запаса прочности должен быть выше 1.
Минимально допустимое значение коэффициента запаса устанавливается с учетом имеющегося опыта эксплуатации материалов и конструкций. Конструкция считается прочной, если ее расчетный коэф-
фициент запаса не ниже допускаемого, т.е. n nдоп .
Прочностные свойства материала следует учитывать при определении ортопедических аппаратов и протезов. В стоматологии рекомендуется при конструировании деталей зубных протезов применять четырехкратный запас прочности.
Пластичность и хрупкость
Пластичность - это способность материала изменять свою форму под действием нагрузки и не возвращаться в первоначальное состояние после снятия этой нагрузки.
Пластичность необходима слепочным материалам для получения изделий методом штамповки, пластмассам, из которых формируют базисы протезов, а также пломбировочным материалам.
Пластичность материала характеризуется величиной относительного остаточного удлинения r и относительного остаточного су-
жения r
Относительное остаточное удлинение определяется:
г l1 l0 100% , где l0
l0 - первоначальная длина образца,
l1 - конечная длина образца, т.е. длина после разрыва (определяется
после стыковки двух частей образца).
Относительное остаточное сужение площади поперечного сечения определяется:
г S0 S1 100%
S0
S0 - первоначальная площадь поперечного сечения;
5
Физика |
стоматологический факультет |
|
|
|
|
S1 - площадь поперечного сечения в наиболее тонком месте шейки разрыва.
Чем больше величины r и r , тем более пластичным считается материал.
Кпластичным материала относят золото, серебро, железо, латунь
идр. К слабопластичным - нержавеющие стали. Противоположным свойству пластичности является хрупкость. К хрупким материалам от-
носят: фарфор, стекло, силикатные цементы, гипс.
Твердость
Твердость - это способность поверхностного слоя материала противостоять деформациям от статического или динамического сжимающего усилия.
Твердость является одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество различных материалов, их пригодность для того или иного назначения.
С понятием твердости в стоматологии приходится встречаться при составлении сплавов для штампов при определении качества базисных материалов.
В стоматологической практике по твердости определяют долговечность протезов и аппаратов, например стальных коронок, пластмассовых, металлокерамических и фарфоровых зубов.
Твердость материалов позволяет судить и об их гигиеничности. Базисы протезов, изготовленных из твердых материалов более гигиеничны, т.к. их поверхность - гладкая, блестящая, меньше задерживает остатки пищи в полости рта.
Упругость
Упругость - это свойство тел принимать первоначальную форму после снятия нагрузки. Основной показатель упругости материала - предел упругости, после снятия которого в материале не возникают остаточные деформации, т.е. образец полностью восстанавливает свою первоначальную форму и размеры. После снятия нагрузки этот показатель позволяет проводить сравнительную оценку различных материалов.
Материалы, применяемые для изготовления зубных протезов и аппаратов, обладают различной упругостью. Некоторые конструкции должны обладать повышенными упругими свойствами, т.к. они постоянно находятся под силовым воздействием (дуги, базисы протезов, кламмеры и т.д.)
В других случаях наличие упругих свойств мешает проводить ряд технологических операций. Например, штамповка коронок возможна, если металл будет находиться в состоянии наименьшей упругости.
6
Ответы на экзаменационные вопросы
Усталость
.
Усталость материалов - это изменение механических и химических свойств материала под действием циклически изменяющихся во времени напряжении и деформаций.
Эти изменения протекают по стадиям и зависят от свойств, вида напряженного состояния, истории нагружения, влияния среды. На определенных стадиях начинаются необратимые явления снижения сопротивления материала разрушению. Сначала образуются микротрещины, которые перерастают в макротрещины, приводящие к разрушению материала.
Усталость может наступить под воздействием самых минимальных следующих друг за другом противоположных по направлению нагрузок.
Эта характеристика важна для выбора конструкционного материала при изготовлении зубных протезов, т.к. они подвергаются воздействию часто повторяющихся знакопеременных сил в процессе жевания.
Трещины в материале возникают тогда, когда значения колеблющегося напряжения превосходят определенную границу - предел ус-
талости.
Пределом усталости (выносливости) называется наибольшее периодически меняющееся напряжение, при котором в материале при любом числе циклов нагружения трещины не возникают.
Предел усталости зависит от типа деформации (изгиб, кручение, сложная деформация). Так, предел усталости при кручении примерно в два раза ниже, чем при изгибе.
Свойство металла противостоять усталости называют сопротивлением усталости. На сопротивление усталости существенно влияет среда и повышенная температура. Сопротивление усталости уменьшается с увеличением загрязненности материала включениями, при повреждении поверхности и т.д. Сопротивление усталости увеличивается при такой обработке поверхности, которая повышает прочность поверхностного слоя материала (поверхностная закалка, химикотермическая обработка и т.д.).
4. Методы испытания стоматологических материалов (механические, тепловые, акустические).
Определение физико-механических свойств стоматологических материалов необходимо для контроля качества стоматологических протезов, вставок, пломб и других изделий.
Различают методы разрушающего и неразрушающего контроля стоматологических материалов.
Основными методами разрушающего контроля являются механические методы. Они редко используются в клинической практике, а применяются в основном при испытании новых материалов и новых видов протезов.
7
Физика |
стоматологический факультет |
|
|
|
|
Механические методы испытания
1. Определение прочности при растяжении .
Основано на измерении величины разрушающей силы на разрывной машине при постепенно возрастающем растягивающем усилии. Образец в виде двойной лопатки или прямоугольной плоскости закрепляют в зажимах разрывной машины и растягивают при постоянной скорости взаимного перемещения этих зажимов. При достижении предельного значения нагрузки происходит разрыв образца. Испытание материалов на растяжение в основном применяется для пластических материалов, у которых отчетливо наблюдается пластическая деформация. Результатом испытаний является снятие диаграммы растяжения.
Для изучения свойств материалов и установления предельных напряжений по разрушению или по пластическим деформациям проводят испытания на растяжение, т.к. они наиболее просты и в то же время дают возможность судить о поведении материала при других видах деформаций. Целью этих испытаний является определение механических характеристик материала. При этом автоматически записывается кривая зависимости между напряжением и деформацией при растяжении. Ее называют диаграммой растяжения. Сначала деформации растут пропорционально напряжениям. На этой стадии растяжений справедлив закон Гука. Предел пропорциональности - то наибольшее напряжение, до которого деформация в материале пропорционально напряжениям.
Обозначают пр . Предел упругости - максимальное напряжение деформации, т.е. образец восстанавливает свою первоначальную форму и размеры при снятии нагрузки. Обозначают его упр .
Обычно разница между пр и упр невелика и на практике часто
не делают между ними различий.
При дальнейшем увеличении нагрузки наступает момент, когда деформации начинают расти практически без увеличения нагрузки - горизонтальный участок графика (площадка текучести). Это явление называется текучестью материала. Напряжение, при котором происходит рост деформаций без увеличения нагрузки, называется пределом теку-
чести и обозначается тек .
8
Ответы на экзаменационные вопросы
После перехода за предел текучести материал начинает оказывать сопротивление деформации, и диаграмма за точкой Д поднимается вверх, но имеет более пологий вид, чем раньше. Точка Е соответствует пределу прочности - напряжение, равное отношению наибольшей нагрузки к первоначальной площади поперечного сечения. Предел проч-
ности обозначается прочн .
При достижении предела прочности на образце появляется резкое местное сужение, называемое шейкой.
Площадь сечения образца в шейке уменьшается, что приводит к уменьшению величины растягивающей силы и напряжения. Точка М соответствует разрушению образца.
Если при нагружении образца не был превышен предел упругости, то при разгружении все деформации полностью исчезнут, и при повторном нагружении образец будет вести себя так, как и при первом нагружении, т.е. будет записываться такая же диаграмма растяжения.
Если же образец был нагружен до большего напряжения, то разгрузка пойдет по прямой КL, параллельной линии ОА, т.е. при разгрузке удлинение полностью не исчезает, а лишь уменьшается на некоторую величину. Отрезок 0L представляет собой остаточное удлинение. При повторном нагружении образца диаграмма растяжения пойдет по линии LК и начиная с точки К пойдет так, как будто не было разгрузки и повторного нагружения образца.
Итак, при нагружениях образца выше предела текучести и последующей разгрузки, металл изменяет свои свойства: пропадает площадка текучести, повышается предел пропорциональности и уменьшается деформация при разрыве (теперь это отрезок LR, а было ОR) - металл стал как бы более хрупким. Указанное изменение свойств материала называют наклепом. В ряде случаев наклеп полезен и его создают искусственно, т.к. материал подвергают предварительной вытяжке силами, пре-
9
Физика |
стоматологический факультет |
|
|
|
|
вышающими рабочие силы, с тем, чтобы избежать остаточных удлинений в дальнейшем. Если же наклеп нежелателен, то его можно устранить с помощью специальной термообработки.
2) Определение прочности при сжатии .
Этим испытание чаще всего подвергают хрупкие материалы. Для пластических материалов эти испытания не применяют, т.к. при сжатии такие материалы сильно деформируются, принимают бочкообразную форму и оказываются в условиях неравномерного объемного сжатия.
Метод испытания заключается в нахождении нагрузки, при которой наступает разрушение образца во время сжатия при статическом нагружении. Образец в форме параллелепипеда или цилиндра помещают между двумя сближающимися с постоянной скоростью платами из закаленной стали. Во избежание продольного прогиба высота образца должна быть соизмерима с его поперечными размерами.
3) Определение прочности на изгиб .
Испытания стоматологических материалов на изгиб проводят с разрушением и без разрушения. При испытании с разрушением образец, свободно лежащий на двух опорах, нагружают посредине с помощью специального нагружающего наконечника, движущегося с постоянной скоростью относительно опор. Этот метод неприменим к некоторым пластмассам, образцы которых не разрушаются при изгибе. Для них проводят испытание без разрушения, при котором определяют максимальные величины изгиба при строго установленном нагружении (обычно 3,5 и 5 кг).
4)Определение твердости .
Проводят одним из следующих способов:
способ вдавливания шарика (метод Бринелля);
измерение микротвердости вдавливанием алмазной пирамиды;
способ Шора - вдавливается стандартная игла, измеряется глубина погружения.
5)Определение истирания .
При трении соприкасающихся поверхностей двух материалов различной твердости наблюдается дефект массы (т.е. потеря массы, ее уменьшение) того материала, у которого истираемость больше.
Метод основан на определении потери массы стандартного образца, при обработке его под нагрузкой абразивом.
Тепловые методы испытания
К методам теплофизического контроля в первую очередь относятся методы измерения температур. Для этого применяют лабораторные ртутные термометры, полупроводниковые термометры (термисторы),
10