3 ТАРАУ. БҰЛШЫҚ ЕТ ҰЛПАСЫНЫҢ МЕХАНИКАСЫ
Адамның қозғалыс белсенділігі - жиырылатын құрылымға ие болатын бұлшықет ұлпасымен қамтамасыз етіледі. Функционалды түрде бұлшық еттің үш түрін айқындайды: қаңқалық, жүрек және жұмыр (тегіс).
Жүрек бұлшықеттері ықшамдалып жиырыла келе қанның үздіксіз ағынын сақтайды. Жұмыр бұлшықеттер тамырдың түрлі жүйелеріндегі барлық қозғалысты қамтамасыз етеді. Қаңқалық бұлшық еттің жұмысы сіңірдің қаңқаға жалғануы арқылы жүзеге асады.
Желбезек пен сіңірдің қызметі тамырдың бекінуі және бұлшықет күшінің сүйек тұтқышына берілуінде негізделеді. Олар қаттылықтың сызықты емес сипаттамасын иелік етеді, түрлі режимде гистерезисті жоғалтудың түрлі деңгейімен ерекшеленеді. Деформациялаудың жоғарылауымен желбезек пен сіңірдің қаттылығы үнемі тәжірибелі түрде жүктемені бұзу моментіне жеткенге дейін өседі. Желбезек пен сіңірдің серпімділік (тығыздық) модулі деформациялаудың түрлі деңгейінде және көптеген әр түрлі факторларға тәуелділігінен 10 - 120Н/мм2 шегінде ауысады.
Бұлшықетте шымыр байланыстар аз емес меншікті салмақты иелік етеді. Бұлшықеттер өзінің биомеханикалық құрылымымен үш негізгі элементті қосатын құрылымды қамтамасыз етеді. Бұл - ең алдымен бұлшықет ұлпасы күшінің генерирлеуіне және бұлшықеттің жиырылуына әкеп соғатын ағып өту процесінің қысқартатын компоненті. Ол жоғары демпфирлеуге ие.
Бұлшықеттің өзге екі элементі пассивті серпімді байланыстардан тұрады. Олардың біреуі жиырылушы элементпен тізбектей, ал екіншісі параллельді байланысқан. Бұл элементтерде деформациялану болмашы ғана(аз).
3.1. Бұлшықет ұлпасының феноменологиялық әдістері
Бұлшықетті реологиялық сызбаның (3.1 - сурет) бірі түрінде ұсынуға болады. Бұл сызбалар тек қана тізбектей серпімді Е2 элементінің орналасуымен ерекшеленеді. Бірінші сызбада бұл элемент η қысқаратын элементімен, ал екінші сызбада ол қысқаратын элемент - параллельді серпімді Е элементінің жүйесімен тізбектей орнатылған. Екі сызба да нақты бұлшықеттің жеткілікті анық сипаттамасын береді.
3.1 - сурет. Бұлшықеттің феноменологиялық әдістері
Параллельді серпімді элементтер созылатын пассивті бұлшықет пен күштің арасындағы ұзындыққа тәуелділікті модельдейді. Тізбектей элементтер бұлшықеттің серпімді құрылымын анығырақ іске қосуға мүмкіндік береді. Мұндай есепті сызбалар биомеханикада талдамалы тексерулер жүргізу кезінде кеңінен қолданылады. Олар көбіне жүргізілген тексерулер шеңберінде анық нәтижелер алуға қажетті нақтылықтың талаптарына жауап береді.
Алайда, тексеру процесі кезінде процестің маңызды физикалық ерекшеліктері жоғалмау үшін астарлы әсер мен кепілді білу мақсатында инерциялық элементтің қолда барымен және бұлшықеттің күмәнсіз үлкен реологиялық жинағы бар феноменологиялық әдісін қолдану қажет.
Инерциялық серпімді байлау моделінде күмәнсіз η, Е1, Е2 денелері бұлшық еттің сызықты емес гистерезисті және серпімді құрылымын есепке алады; m элементтері - оның екпінділігі.
Бұлшықеттің серпімді сипаттамасын анықтау үшін пассивті шиеленіспеген (ненапряженный) күйде зерттеу жүргізіледі. Бұлшықетті сыртқы күшпен салмақ салады және оның шамасын тізімге алады. Егер бұл өзгерістерді координатта көрсететін болсақ, жүктелу - ұзындық, онда тәуелділік экспоненциальды сипаттаманы есепке алады. Бұлшық еттің өсуі жүктеме өскен сайын баяу жүреді. Бұл бұлшықет қаттылығының коэффициенті тұрақты емес және жүктеменің өсуімен көтеріледі.
Серпімді деформация жүктемемен біруақытта пайда болады және жоғалады және энергия шашырауымен жанамаласпайды.
ε деформацияның аз серпімділігі Гук заңымен айқындалады:
σ = Еε, (3.1)
мұндағы Е - зат табиғатымен анықталатын Юнг модулі;
σ - кернеу, күш, қуат.
Жалпы жағдайда түрлі материалдардың созылуы кезінде Е = f(ε). ε аз деформациялау кезінде Е = const. Түрлі материалдар үшін Е мәндері кестеде келтірілген, оның ішінде бұлшықет ұлпалары эластин мен коллаген құрамдас бөліктері үшін. АЙДАНА 106
Әр түрлі материалдар үшін Юнг модулінің мәні
Материал |
Юнг мәні (Па) |
Эластин Коллаген Сүйек Резеңке Емен Болат |
6∙105 109 1010 106 109 2∙1010 |
Эластин - негізінен күретамыр қабырғасында кездесетін омыртқаның серпімді ақуызы. Коллаген - талшықты ақуыз. Бұлшықетте бүкіл ақуыздың 20% - ын шеміршекте, сіңірде, сүйекте кездесетін коллаген құрайды.
Қоршаған ортаның байламы үшін кернеу σВ деформацияның жылдамдығымен dε/dt анықталады:
σB
= η
(3.2)
мұндағы η - орта тұтқырлығының коэффициенті
Тұтқыр серпімді деформация үшін ε анық тәуелділік барлық уақытта салмақ процесіне тәуелді. Белгілі уақыт аралығында деформацияның жүксалмағын түсіру кезінде өздігінен нөлге ұмтылады.
Тұтқыр серпімді ортаның пассивті механикалық құрылымын тұтқыр және серпімді элементтердің сәйкестігімен модельдеуге болады.
Тұтқырлық η демпфермен, ал серпімділік Е серіппемен бейнеленеді.
Пассивті созылу. Бұлшық еттің механикалық құрылымына дұрыс жеткіліктілікті беретін есептік және тәжірибелік мәліметтердің ерекше қарапайым моделінің негізі - Хиллдің үшкомпонентті моделі қарастырылады (3.2 - сурет).
3.2 - сурет. Бұлшықеттің үшкомпонентті моделі (ҚЭ - қысқаратын элемент). АЙДАНА БИТТИ 106
СЕЗИМ 107 БАСТАЛДЫ
Бұлшықет деформациясының оған лездік әсерін енгізген уақыттағы тәуелділік сипаттамасын орнату үшін модельді жеңілдетеміз.Е2 элементі жоқ деп есептейік. Онда тұтқырлы-серпімді орта үшін жүйедегі кернеу σ серпімді σy және тұтқырлы σB құраушыларымен анықталады.
σ = σy +σВ (3.3)
(3.4)
ε(t) тәуелділігін (3.4) дифференциалды теңдеуін және бастапқы уақыт моменті t=0, деформациясы ε=0 деп есептеу арқылы отырып шешеміз.
Нәтижесінде төмендегідей өрнекті аламыз:
,
(3.5)
мұндағы
шамасы кешігу уақыты деп аталады.
t=0 кезінде деформацияның өсу жылдамдығы максималды:
(3.6)
Бұдан
шығатыны, тұтқыр құраушысының мөлшері
неғұрлым көп болған сайын қисықтың
көлбеу бұрышы соғұрлым аз болады.
Деформация жылдамдық төмендеген сайын өседі және стационарлық мәнге εст асимптоталық түрде жақындайды:
(3.7)
(3.5) тәуелділігі тәжірибеде алынған деформацияның өсу процесін (үдерісін) жеткілікті түрде сипаттайды.
Осы модельде (үлгіде) бұлшық еттің тұтқыр құраушының бар екені белгілі , бірақ оның физикалық табиғаты белгісіз болып қалады.
Бұлшықеттің белсенді (активті) жиырылуы. Жиырылатын бұлшық еттердің сипаттамаларын зерттеу үшін екі жасанды режим қолданылады:
Изометриялық режим, бұл кезде бұлшық ет ұзындығы l=const, ал өсу күші F(t) тіркеледі;
Изотониялық режим, бұл кезде бұлшық ет тұрақты жүкті көтереді P=const, оның ұзындығының уақыт бойынша l
t)
шамасының өзгерісі тіркеледі.
Изометриялық режим кезінде фиксатор көмегімен бұлшық ет ұзындығын алдын ала белгілейді. Осыдан кейін электродтағы Э электрлік стимулдар(ширатқы, түрткі) беріледі және датчиктің көмегімен функция F(t) тіркеледі.
АЙЖАН 108 БАСТАЛДЫ
3.3 - сурет. Экспериментте орындау үшін изометриялық (а) және изотониялық (б) режимдердің тәжірибелі қондырулардың сызбасы:
ДF - күш тетігі;
ДL - ұзындықты өлшеу тетігі;
М - бұлшық ет;
Эл - ынталандыру (стимуляция) электроды;
Р - жүктеме;
Ф - ұзындық бекіткіші (фиксатор)
Екі түрлі ұзындық үшін изометриялық режимде F(t) функциясы 3.4 - суретте көрсетілген.
3.4 - сурет. Жеке ықшамдаудың уақытша тәуелділігі: бұлшық еттің изометриялық режим кезіндегі ықшамдалуы (а); изотониялық кезіндегі (б) (l - бұлшық ет ұзындығы)
Бұлшық еттің бекітілмеген соңына изотониялық режимде Р жүк іледі. Бұдан кейін стимул беріледі және ∆l(t) уақыт бойынша бұлшық ет ұзындығының өзгерісі тіркеледі. Екі әр түрлі жүктеме үшін изотониялық режимде функцияның бұл түрі 3.4 - суретте көрсетілген.
Суретте көрсетілгендей, неғұрлым көп жүксалмақ Р болса, соғұрлым бұлшық еттің жиырылуы азырақ және жүксалмақты шегеру уақыты азырақ. Кейбір Р жүктемеде Р0 бұлшық еті жүксалмақ көтеруді мүлдем тоқтатады. Бұл Р0 мәні және келтірілген бұлшық ет үшін изометриялық шегерудің максималды жүгі болып табылады (3.4 - сурет).
Жүктемені арттыру кезінде бөліктің өршімелі көлбеу бұрышы қысқарудың изотондық айнымалы түрінде кішірейетінін а йта кеткен жөн (3.4 - сурет): α2 < α1. Басқаша айтқанда, жүктеменің артуымен жеделдету жылдамдығы төмендейді.