Биомеханика - 2016
..pdfВ программе «Здоровое поколение», реализуемой специалистами ассоциации при поддержке государственных структур и г. Москвы, главное значение имеет привитие школьникам гигиенических навыков ухода за телом и, в частности, развитие контроля за его оптимальным механическим движением в повседневной учебной, производственной и спортивной практике. Формирование правильных двигательных навыков должно учитывать возрастные и половые особенности, а также мотивацию поступков, определяющих характер поведения учащихся.
Следует отметить распространенность среди детского и юношеского населения патологии опорно-двигательного аппарата, начиная от нарушений осанки и сколиозов и заканчивая ранними формами остеохондроза и хронической патологией суставов.
В основе этого явления лежат не только такие факторы, как гиподинамия, гипокинезия и несбалансированная диета, но и недооценка биомеханических мелочей, т.е. умений контролировать положение своего тела в пространстве, тонкой координации, достижения состояния расслабления при пассивном отдыхе в положениях сидя, лёжа, стоя и в ходьбе.
Обучение школьников и студентов элементарным правилам повседневного поведения будет, несомненно, более эффективным при наличии биомеханического сопровождения предлагаемых комплексов физических упражнений.
Биомеханическая оценка качества движений важна с позиции не только гигиены и медицины, но и эстетики, требующей воспитания подрастающего поколения в духе понимания красоты.
51
РОЛЬ СТРУКТУРЫ МЫШЕЧНЫХ ВОЛОКОН В МИОКАРДЕ: МОДЕЛИРОВАНИЕ КЛИНОВИДНОГО ПРЕПАРАТА
В.С. Зверев1, 2, С.Ф. Правдин1, 2, А.Г. Курсанов3, Л.Б. Кацнельсон1, 3, О.Э. Соловьева1, 3
1Уральский федеральный университет, Россия, 620042, г. Екатеринбург, пр. Ленина, 51, vladimir.zverev@urfu.ru
2Институт математики и механики УрО РАН, Россия, 620990, г. Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 16
3Институт иммунологии и физиологии УрО РАН, Россия, 620049, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 106
Ключевые слова: клиновидный препарат, волокна, метод конечных элементов.
Известно, что механоэлектрическая обратная связь важна для предсказания поведения миокарда. Ранее была предложена одномерная модель волокна сердечной мышцы [1]. Она количественно воспроизводит кинетику внутриклеточного кальция, соединения которого регулируют сократительную функцию. Модель позволяет рассматривать волны деполяризации и реполяризации, а также механические волны деформации как кооперативный эффект, возникающий вследствие электрического и механического соединения влияющих друг на друга кардиомиоцитов. Одной из ключевых задач для моделирования сердечной мышцы является изучение влияния расположения волокон в миокарде на его механическую функцию.
Доклад посвящен способам расширения одномерной модели на трехмерную область и численному анализу электромеханической активности свойств, демонстрируемых разными моделями внутренней структуры мышцы, на примере клиновидного образца, методика экспериментального исследования которого описана, например, в [2]. Рассмотрены способы комбинирования существующих моделей пассивного миокарда с реологической схемой кардиомиоцита.
Благодарность
Исследование выполнено при поддержке гранта РНФ № 14-35-00005.
52
Список литературы
1.Electro-mechanical coupling in a one-dimensional model of heart muscle fiber / L.B. Katsnelson [et al.] // Russ. J. Numer. Anal. Math. Model. – 2014. – Vol. 29, № 5. – P. 1–26.
2.Ventricular transmural repolarization sequence: its relationship with ventricular relaxation and role in ventricular diastolic function / T.G. Zhu [et al.] // Eur. Heart J. – 2008. – Vol. 30, № 3. – P. 372–380.
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЗУБНОГО РЯДА С ПОМОЩЬЮ ЭЛАСТОПОЗИЦИОНЕРА
М.Д. Иванова, А.А. Селянинов
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия,
614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, Ivanova-mashaa@mail.ru
Ключевые слова: зубочелюстные аномалии, эластопозиционер, прикус, зубочелюстная система.
Работа посвящена исследованию зубочелюстных аномалий, которые могут привести к нарушениям функций других органов и систем организма.
Признаком неправильного прикуса являются различные отклонения от нормы при смыкании верхних и нижних зубов [1]. Таким образом возникает необходимость исправления неправильного прикуса с применением эластопозиционера.
Применение эластопозиционера определяется при изучении перемещения двух передних верхних резцов, в результате чего возможно определение параметров эластопозиционера для создания рекомендуемой нагрузки на зубы. Математическая модель позиционера включает контактную задачу теории упругости взаимодействия эластопозиционера с зубными рядами [2].
Для построения модели эластопозиционера был использован пакет программ ANSYS, который позволяет создавать модели, имитирующие поведение биологических объектов, при различных видах и различной интенсивности нагрузки, рассчитывать их напряжение.
53
Список литературы
1.Гвоздева Ю.В., Данилова М.А. Миофункциональные нарушения у детей: моногр. – Пермь: Изд-во ГОУ ВПО ПГМА им. акад. Е.А. Вагнера Росздрава, 2009. – 134 с.
2.Селянинов А.А., Тотьмянина А.В., Подгаец Р.М. Биомеханическое сопровождение коррекции зубного ряда с применением эластопозиционеров // Российский журнал биомеханики. – 2012. – Т. 16, № 1 (55). – С. 57–79.
ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЯЗКОСТИ И ПЛОТНОСТИ ПИЩИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА ТЕЧЕНИЯ В АНТРОДУОДЕНУМЕ
M.Р. Камалтдинов1, 2
1Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения, Россия, 614000, г. Пермь, ул. Монастырская, 82, kmr@fcrisk.ru
2Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29
Ключевые слова: течение многофазных сред, желудочная эвакуация, перистальтика, пилорическое отверстие, функциональные нарушения.
Работа посвящена проблемам моделирования процесса многофазного течения в антродуоденальной области пищеварительного тракта в рамках многоуровневой модели накопления функциональных нарушений в человеческом организме [1]. Первая фаза является многокомпонентной жидкостью, частицы пищи с различным диапазоном размеров полагаются отдельными фазами и описываются моделью вязкой жидкости. В модели учитываются основные функции антродуоденума (моторная, секреторная и всасывательная) и их нарушения, биохимические реакции, межфазный обмен массой (растворение пищи) [2]. Расчет течения выполнен в решателе Fluent с учетом изменения конфигурации расчетной сетки (3D) при моделировании перистальтической волны в антруме и дуоденуме и моторики пилорического отверстия. Результаты численного исследования показывают, что амплитуда перистальти-
54
ческих волн, плотность и вязкость пищи являются существенными факторами, влияющими на процесс эвакуации пищи из желудка в кишечник и эффективность перемешивания содержимого тракта.
Благодарность
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-01-00126 A.
Список литературы
1.Математическая модель эволюции функциональных нарушений в организме человека с учетом внешнесредовых факторов / П.В. Трусов, Н.В. Зайцева, Д.А. Кирьянов, М.Р. Камалтдинов, М.Ю. Цинкер, В.М. Чигвинцев, Д.В. Ланин // Математическая биология и биоинформатика. – 2012. – № 2. – С. 589–610.
2.Trusov P.V., Zaitseva N.V., Kamaltdinov M.R. A multiphase flow in the antroduodenal portion of the gastrointestinal tract: a mathematical model [Электронный ресурс] // Computational and Mathematical Methods in Medicine. – 2016. – URL: https://www.hindawi. com/journals/cmmm/2016/5164029/cta/ (дата обращения: 12.08.2016).
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЙ ФИГУРИСТА
И.И. Катаев, Н.С. Шабрыкина
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, ivan.kataeff@gmail.com.
Ключевые слова: фигурист, угловая скорость, радиус кривизны, угол наклона.
Данное исследование посвящено изучению вращательного движения фигуриста, а именно нахождению угловой скорости фигуриста вокруг неподвижной оси в зависимости от угла его наклона
ирадиуса кривизны при вращении.
Вкачестве механической модели фигуриста для исследования геометрических характеристик его скольжения был принят обычный однородный стержень, длина которого равна росту фигуриста,
55
а по весу они одинаковые [1]. С учетом геометрии стержня была рассчитана угловая скорость в зависимости от угла наклона и радиуса кривизны.
Далее для более точных результатов модель усложнялась: была взята конструкция из нескольких тел, а именно в качестве туловища и ног был взят цилиндр, в качестве рук – однородный стержень, а вместо головы – шар. Применяя данную модель, необходимо было вычислить центробежные моменты инерции твердого тела относительно любых осей, проходящих через заданную точку. Это можно сделать, если известны направления его главных центральных осей инерции и моменты инерции тела относительно этих осей [2]. Также были найдены осевые моменты инерции с применением теоремы Штейнера и центры масс тел в зависимости от их расположения в системе координат.
Для исследования характеристик тела при вращении модель была построена в математическом пакете Matlab. В результате выяснилось, что угловая скорость уменьшается с увеличением радиуса кривизны и повышается, если угол наклона будет увеличиваться в обоих случаях – стержень и конструкция цилиндр–стержень–шар.
Список литературы
1. Виноградова В.И. Основы биомеханики прыжков в фигурном катании на коньках: моногр. – М.: Советский спорт, 2013. – 27 с.
Яблонский А.А., Никифорова В.М. Курс теоретической механики: учеб. – 16-е изд., стер. – М.: КНОРУС, 2011. – 355 с.
56
ОПТИМИЗАЦИЯ ДВУХЛИСТОВОГО УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА ПРОТЕЗА СТОПЫ С ШАРНИРОМ И БЕЗ НЕГО
А.А. Касаткин, М.А. Осипенко, Ю.И. Няшин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, 79519531265@yandex.ru
Ключевые слова: упругий элемент, оптимизация, контактная задача.
Листовые рессоры широко используются в качестве упругих элементов подвесок автомобилей и других транспортных средств [1], а также в качестве упругого элемента протеза стопы [2]. Поэтому контактные задачи расчета статического изгиба и оптимизации таких рессор являются актуальными. Но даже при использовании простейшей теории изгиба одного листа задача о совместном изгибе листов является контактной. В данной работе модель рессоры и постановка контактной задачи соответствуют схеме, принятой в [2, 3]. Каждый лист представляет собой консольно закрепленную прямолинейную балку (кроме случая, когда балка вместо жёсткой заделки оснащена шарниром), испытывающую слабый изгиб в одной плоскости. Нагрузка – сила, сосредоточенная на свободном конце длинного листа. Листы имеют различные толщины. Трением пренебрегаем. Изгиб каждого листа описывается моделью Бернул- ли–Эйлера.
В общем случае построен численный метод решения контактной задачи, основанный на итерационном уточнении области контакта. Метод позволяет решать задачи оптимизации двухлистового упругого элемента. Оптимизация состоит в отыскании параметров конструкции (толщина нижнего листа, длина и параметры профиля верхнего листа) по двум критериям: минимизация максимального напряжения в упругом элементе при заданных размере (длина нижнего листа) и прогибе и максимизация коэффициента использования материала. Найдены оптимальные параметры двухлистового упругого элемента с длинным листом постоянного профиля и коротким листом линейного профиля. Теория модифицирована для решения контактных задач с шарниром и найдены оптимальные параметры упругого элемента с шарниром.
57
Список литературы
1.Пархиловский И.Г. Автомобильные листовые рессоры. – М.: Машиностроение, 1978. – 232 с.
2.Mathematical modelling of the foot prosthesis elastic element under bending / M.A. Osipenko, Y.I. Nyashin, R.N. Rudakov, A.V. Ostanin, E.N. Kuleshova, T.N. Zhuravleva // Russian Journal of Biomechanics. – 2001. – Vol. 5, № 2. – P. 18–9.
3.Осипенко М.А., Няшин Ю.И. Об одном подходе к решению некоторых одномерных контактных задач // Известия Саратовского университета. Новая серия. – 2011. – Т. 11. Сер.: Математика. Механика. Информатика, вып. 1. – С. 77–84.
ОРОЛИ БИОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ТЕСТОВЫХ НАГРУЗОК ПРИ ДОПУСКЕ К СДАЧЕ НОРМ КОМПЛЕКСА ГТО
Н.А. Коротаев
Международная ассоциация специалистов оздоровительных практик, Россия, г. Москва, 107045, Костянский пер., 13, N.Korotaev@mail.ru
Ключевые слова: медицина, физическое развитие, биомеханика.
Одной из главных задач, стоящих перед учёными и практиками РФ, представляющих сферу медицины и физической культуры, является повышение уровня функциональной готовности всех слоёв населения. Введение комплекса ГТО, выступающего как форма ЕГЭ, предполагает прежде всего улучшение качества физической подготовки школьников и студентов. На основании этого возможно совершенствование их физического развития для улучшения физического здоровья. С целью выявления уровня функциональной готовности (в том числе физической подготовленности) учащихся предложена донозологическая форма обследования, названная «углублённое врачебно-педагогическое наблюдение» (УВПН). УВПН предполагает не только доклиническую оценку физического развития, но и характеристику всех двигательных качеств обследованных.
При оценке таких двигательных качеств, как сила, ловкость, скорость, гибкость, возникает вопрос, в какой последовательности
58
оптимально проведение подобранных тестов. Эмпирически доказывалось, что наилучшая последовательность следующая: 1) оценка ловкости; 2) оценка скорости; 3) оценка силы; 4) оценка гибкости.
Для объективного решения данной практической задачи необходимо подключение аппарата биомеханики, с помощью которого можно показать преимущество предлагаемой схемы обследования
сточки зрения экономии двигательных усилий и наименьшего повреждающего действия физических упражнений на функциональные системы организма.
Главными объективными показателями, определяющими качество тестовой нагрузки, являются пульс, артериальное давление, частота и характер дыхания. Их восстановление до исходной величины (в норме допускается 10–20 % увеличения) после периода реституции, равного 3–5 мин, говорит об адекватной переносимости нагрузки испытуемым и компенсаторных способностях организма, позволяющих принимать участие в сдаче норм ГТО. Однако такая оценка,
сточки зрения биомеханики, не является исчерпывающей и убедительно доказывающей возможность допуска к предстоящим физическим нагрузкам.
EXOARM – ТРЕНАЖЁР ДЛЯ РЕАБИЛИТАЦИИ МЫШЦ РУКИ ПОСЛЕ ИНСУЛЬТА
ИЛИ СПИНАЛЬНОЙ ТРАВМЫ
В.И. Костарев1, Н.В. Демянчук1, В.Н. Никитин2
1Средняя общеобразовательная школа № 2 с углубленным изучением предметов гуманитарного профиля, Россия, 614000, г. Пермь, ул. Советская, 33, vladsonic23@yandex.ru, dni1998@yandex.ru
2Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, Nikitinvladislav86@gmail.com
Ключевые слова: удалённая реабилитация мышц руки, восстановление после инсульта, тренажёр/подвижный ортез.
Согласно современной литературе инсульт является одним из самых распространенных заболеваний (стоит на втором месте после заболеваний сердца). Всего ежегодно фиксируется около 6 млн случаев возникновения инсульта во всем мире, из них около
59
400 тысяч в России1. К полноценной жизни после инсульта возвращаются лишь 10 % людей, а остальные 90 % требуют постоянной медицинской помощи или остаются людьми с ограниченными возможностями. На данный момент этой проблеме уделяется мало внимания и она является действительно актуальной. Реабилитация возможна лишь в специальных центрах и медицинских учреждениях, поэтому мы посчитали, что сможем помочь в решении этой проблемы, создав домашний тренажёр с эффективной методикой реабилитации, позволяющий врачу контролировать пациента удалённо.
Мы пришли к решению создать мобильный (нестационарный) тренажёр, способный диагностировать мышечную активность и реабилитировать основные функции парализованной руки на основе комплекса методик реабилитации кинезитерапии и миостимуляции. Тренажёр позволяет частично возвратить работоспособность руки людям с ограниченными возможностями с активной формой паралича и заменить функции руки людям с пассивной формой (использование тренажёра в качестве ортеза). Благодаря облачному сервису доктор может отправлять программы тренировок на тренажер и получать информацию о состоянии мышц пациента.
На данный момент мы закончили работу над прототипом тренажёра и вскоре планируем перейти к тестированию нашей методики реабилитации в сотрудничестве с лабораторией спортивной медицины Пермского государственного медицинского университета имени академика Е.А. Вагнера и центром комплексной реабилитации инвалидов в Перми.
1 Кадыков А.С., Черникова Л.А., Шахпаронова Н.В. Реабилитация после инсульта // Нервные болезни. – 2004. – № 1. – С. 21–24.
60