- •Медицинская
- •Содержание
- •Механические свойства тканей
- •§ 1. Способы деформирования
- •§ 2. Виды деформаций
- •§ 3. Механические свойства биологических тканей
- •§ 4. Уравнение Ламе
- •Механические колебания и волны
- •§ 5. Механические колебания
- •§ 6. Механические колебания сердца
- •§ 7. Вибрации
- •§ 8. Механотерапия
- •§ 9. Механические волны
- •§ 10. Эффект Доплера
- •Акустика. Физика слуха
- •§ 11. Акустика, звук
- •§ 12. Закон Вебера-Фехнера
- •§ 13. Звуковые методы исследования
- •§ 14. Физика слуха
- •§ 15. Бинауральный эффект
- •§ 16. Тимпанометрия
- •§ 17. Ультразвук
- •Гемодинамика
- •§ 18. Вязкость жидкости
- •§ 19. Ньютоновские и неньютоновские жидкости
- •§ 20. Формула Пуазейля
- •§ 21. Физические основы гемодинамики
- •§ 22. Измерение давления крови
- •§ 23. Сердце как насос
- •Электрография
- •§ 24. Физические основы электрографии
- •§ 25. Теория отведений Эйнтховена.
- •§ 26. Факторы, влияющие на экг
- •§ 27. Допущения теории Эйнтховена
- •Электромагнитные колебания и волны
- •§ 28. Электромагнитные колебания
- •§ 29. Импульсная электротерапия
- •§ 30. Электромагнитные волны
- •§ 31. Физические процессы в тканях при воздействии током и электромагнитными полями
- •§ 32. Воздействие импульсными токами
- •§ 33. Воздействие токами высокой частоты
- •§ 34. Действие переменного электрического поля
- •§ 35. Действие свч волн
- •Магнитное и электрическое поля
- •§ 36. Действие магнитного поля
- •§ 37. Действие постоянного электрического поля
- •§ 38. Импеданс тканей организма
- •Физика зрения
- •§ 39. Физические основы зрения
- •§ 40. Недостатки оптической системы глаза
- •Действие различного рода излучений
- •§ 41. Тепловое излучение
- •§ 42. Рентгеновское излучение
- •§ 43. Использование рентгеновского излучения в медицине
- •§ 44. Рентгеновская компьютерная томография
- •§ 45. Радиоактивность
- •§ 46. Биофизическое действие ионизирующего излучения
- •§ 47. Дозиметрия
- •Физические поля человека
- •§ 48. Собственные физические поля организма человека
- •§ 49. Акустические поля человека
- •Процессы в мембранах
- •§ 50. Физические процессы в мембранах
- •§ 51. Уравнение Нернста-Планка
- •§ 52. Виды транспорта через мембрану
- •§ 53. Биоэлектрические потенциалы
- •§ 54. Потенциал действия
- •Литература
§ 2. Виды деформаций
З
Рис. 5.
ОА – участок упругой деформации, которая исчезает сразу после снятия нагрузки. Точка А называется пределом упругости (). На участкеОА действует закон Гука. Участок АВ – появление деформации, которая не исчезает после снятия нагрузки это пластическая деформация. Участок ВС – деформация текучести, которая происходит без увеличения напряжения. Напряжение (), соответствующее точкеB – называется пределом текучести. Участок СД – упрочнение, происходящее за счет накопления дефектов. Точка Д – предел прочности (). При этих напряжениях происходит разрушение образца. Предел прочности зависит от материала и от способа его деформирования.
а) Ползучесть ‑ еще один вид деформации ‑ это процесс изменения во времени размеров образца под действием постоянной нагрузки. Этот процесс длится очень долго (рис. 6).
б) Релаксация – это процесс изменения механического напряжения в образце при постоянной относительной деформации (рис. 7).
в) Прочность – способность тел выдерживать без разрушения, приложенную к ним нагрузку. Прочность зависит от вида нагружения (см. табл. 2).
г) Разрушение – макроскопическое нарушение сплошности тела в результате механических или каких-либо иных воздействий.
В разрушении выделяют обычно две стадии: начальную – развитие пор, микротрещин и конечную – разделение тела на две и более частей. Различают хрупкое и вязкое разрушения. Костная ткань разрушается хрупко.
|
|
Рис. 6. |
Рис. 7. |
Таблица 2
Прочность при сжатии, растяжении, МПа
Бедренная кость |
Человек |
Лошадь |
Сжатие |
170 |
145 |
Растяжение |
124 |
121 |
Таблица 3
Характеристики прочности, МПа
Вид ткани |
Предел прочности на сжатие |
Сплошная кость |
147 |
Компактное вещество бедренной кости |
1470–2940 |
Связки суставов |
10–16 |
Позвонок |
7 |
Губчатое вещество бедренной кости |
68 |
Белковый компонент |
0,1 |
Вид разрушения зависит от многих факторов (структура материала, температура, скорость нагружения, качество поверхности и т.д.) (табл. 3).
ЛЕКЦИЯ 2 |
§ 3. Механические свойства биологических тканей
Большинство биологических тканей являются анизотропными композитными материалами, образованными объемным сочетанием химически однородных компонентов. Состав каждого типа ткани сформировался в процессе эволюции и зависит от функций, которые она выполняет.
а) Костная ткань – это основной материал опорно-двигательного аппарата. В скелете человека более 200 костей. Скелет это опора тела и он обеспечивает передвижение. В компактной костной ткани половину объема составляет минеральное вещество – гидроксилапатит Ca10(PO4)6(OH)2 в форме микроскопических кристалликов. Другая часть – органика – коллаген (высокомолекулярное соединение ‑ волокнистый белок, обладающий высокой эластичностью). Способность кости к упругой деформации реализуется за счет минерального вещества, а ползучесть ‑ за счет коллагена. Кость является армированным материалом.
Механические свойства костной ткани зависят от многих факторов: возраста, заболеваний, индивидуальных условий роста. В норме плотность костной ткани 2400 кг/м3, модуль Юнга до 1010 Па, предел прочности при растяжении 100 МПа, относительная деформация 1 %. Прочность на сжатие выше, чем на изгиб или растяжение. Бедренная кость выдерживает на сжатие нагрузку 45000 Н, а на изгиб всего 2500 Н, т. е. на сжатие нагрузка в 25‑30 раз больше веса человека.
б) Кожа (линии Лангера). Это самый крупный орган человека, выполняющий важные функции: поддержание гомеостаза, участие в процессе терморегуляции, регуляция обмена веществ, секреторная функция (работа сальных и потовых желез), защита от повреждающего действия механических, физических и химических, инфекционных агентов. Кожа – это обширное рецепторное поле, воспринимающее извне и передающее в ЦНС (центральная нервная система) целый ряд ощущений. Кожа – граница раздела между телом и окружающей средой, поэтому она обладает значительной механической прочностью. Кожу часто рассматривают как гетерогенную ткань, состоящую из трех слоев: эпидермис, дерма, подкожная клетчатка. В общий состав кожи входят коллаген (75 %), эластин (4 %) и основная ткань – матрица. Плотность кожи в норме (1100 кГ/м3). Эластин растягивается на 200‑350 %, коллаген до 10 %. Предел прочности коллагена 100 МПа, эластина 5 МПа.
При исследовании механических свойств кожи с помощью акустического анализатора, позволяющего оценивать скорость распространения акустических сигналов с частотами 5‑6 кГц была выявлена акустическая анизотропия кожи. (Скорости распространения поверхностной волны вдоль осей x и y различны). Проявление акустической анизотропии находится в соответствии с ориентацией линий естественного натяжения кожи (линии Лангера) (рис. 8).
Д
Рис.
8. Проявление
акустической анизотропии и ориентация
линий Лангера на различных участках
кожи
–скорости акустических волн вдоль y и x. K+, если иK–, если .
Степень анизотропии кожи при некоторых патологиях сильно изменяется, например, при псориазе, при атопических дерматитах. Анизотропия кожи лица, особенно в области лба, позволяет оценивать возрастные изменения. Анизотропия кожи является объективным диагностическим критерием в различных областях медицины.
в) Мышечная ткань. Вся жизнедеятельность человека связана с мышечной активностью. Она обеспечивает работу отдельных органов и целых систем. Нарушение работы мышц приводит к патологии, а ее прекращение к летальному исходу. Механические свойства мышц подобны механическим свойствам полимеров. Состав мышц: мышечные клетки (волокна) и внеклеточное вещество (коллаген, эластин, соединительная ткань). Мышцы бывают гладкие (кишечник, желудок, сосуды) и скелетные (обеспечивают движение, работу сердца). Плотность мышечной ткани 1050 кГ/м3. Модуль Юнга 105 Па. Гладкие мышцы могут деформироваться на десятки процентов. Этому способствует распрямление молекул коллагена.
г) Сосудистая ткань. Механические свойства кровеносных сосудов определяются главным образом свойствами коллагена, эластина и гладких мышечных волокон. Содержание этих составляющих сосудистой ткани изменяется по ходу кровеносной системы. С удалением от сердца увеличивается доля гладких мышечных волокон, в артериолах они уже являются основной составляющей.
Стенки кровеносных сосудов построены из высокоэластичного материала, поэтому способны к значительным обратимым изменениям размера при действии на них избыточного внутреннего давления.