Вертикальных сил: картина изоклин и траекторий главных напряжений. Лабораторная работа № 8

ЭПИФИЗАРНЫЕ ПЛАСТИНКИ И КОСТНЫЕ ТРАБЕКУЛЫ

У растущего млекопитающего кости конечностей – не монолитные образования; их концы представляют собой обособленные участки кости, соединяющиеся с телом кости лишь тонким слоем хряща. Эти обособленные части называют эпифизами, а хрящевые прослойки – эпифизарными пластинками. Сочленовные хрящи суставов находятся не на теле кости, а на эпифизах. К эпифизам же прикрепляются многие сухожилия. Как полагают, благодаря этому процессы роста меньше сказываются на функции суставов и мест прикрепления мышц, чем если бы кость росла как единое целое.

Хрящ менее прочен по сравнению с костью, поэтому в растущей кости эпифизарные пластинки представляют собой слабые участки. Могла бы возникнуть опасность отлома эпифизов под воздействием нагрузок. Это не относится к сжимающим напряжениям, направленным перпендикулярно эпифизарной пластинке: они должны были бы, напротив, прочнее удерживать эпифизы на месте. Опасными могли бы быть нагрузки, вызывающие растяжение или сдвиг.

Для того, чтобы определить вероятные направления напряжений в эпифизарных пластинках, методом фотоупругости исследовались модели различных костей конечностей, изготовленных из оптически активного материала.

На рис. 1 показана модель, использованная при изучении

Рис.1. Модель пяточной конечности при опоре на переднюю часть.

напряжений в пяточной кости человека. На заднем конце этой кости имеется эпифиз, к которому прикрепляется ахиллово сухожилие. Модель вырезана из листа оптически активного материала, и общий контур ее соответствует сагиттальному разрезу костей предплюсны и плюсны. Сочленение этих двух групп костей представлено шарниром (Е). Выступ D соответствует ахиллову сухожилию, а выступы С и Н, соединенные шнуром, - связкам и мышцам подошвы. Модель показана в том положении, при котором она воспроизводит напряжения, возникающие при беге и при ходьбе в тот момент, когда пятка отрывается от земли. В области голеностопного сустава приложена сила А, направленная вниз и слегка назад, а в точке D – направленная вверх сила, имитирующая натяжение ахиллова сухожилия. Эти силы автоматически натягивают шнур СН, так как передний конец модели имеет под собой твердую опору.

Рис. 2. Картина изоклин в области пятки.

Рис. 3. Траектории главных напряжений в области пятки.

На рис. 2 изображена область пятки с 9 системами изоклин. Справа указаны соответствующие направления оптических осей обоих поляроидов (поляризатора и анализатора). На рис. 3 представлены траектории главных напряжений, выведенные из картины изоклин (см. Методические указания).

Напряжения, направленные вдоль пунктирных линий, являются растягивающими, а вдоль сплошных линий – сжимающими. Растягивающие напряжения действуют в ахилловом сухожилии и связках подошвы (продольно) и в лежащей между ними части пяточной кости (тангенциально). Сжатие действует в пяточной кости по радиальным линиям, везде под прямым углом к растягивающим напряжениям.

Положение эпифизарной пластинки показано на рис. 3 широкой полосой пунктира. Передняя ее часть параллельна растягивающим напряжениям и перпендикулярна сжимающим напряжениям. Последние в этом случае должны способствовать закреплению эпифиза на месте. В своей задней части эпифизарная пластинка образует ряд уступов. Она поочередно располагается то по растягивающим, то по сжимающим напряжениям, так как нигде не идет параллельно напряжениям сдвига. Это, вероятно, наилучшее расположение, сводящее к минимуму опасность отлома эпифиза.

Когда на той же модели воспроизводили нагрузки, действующие при стоянии, картина главных напряжений была совершенно иной (рис. 4, 5).

Рис. 4. Модель стопы при стоянии.

Так как пятка давит на землю сверху вниз, сжимающие напряжения в большей части пяточной кости направлены здесь вертикально, а не радиально.

Рис. 5. Траектории главных напряжений в пяточной области при стоянии.

Линия эпифизарной пластинки уже не совпадает с направлениями главных напряжений. На эту пластинку почти всюду действуют напряжения сдвига, которые стремятся сместить эпифиз в дорзальном направлении (но в области Е они стремятся сдвинуть его вперед).

Основной вывод, который можно сделать по результатам приведенных данных, следующий.

Расположение эпифизарной пластинки уменьшает опасность, связанную с теми напряжениями, которые должны возникать при опоре на передний конец стопы, а не с теми, которые действуют при стоянии.

Если пятка приподнята, то напряжение гораздо выше, чем при опоре на всю стопу. Эпифизарные пластинки представляют собой приспособление, уменьшающее опасность смещения эпифиза при таком распределении нагрузок, при котором можно ожидать наибольших напряжений.

Аналогичные черты адаптации можно обнаружить и в эпифизах других костей. Эпифизарные пластинки, по видимому, располагаются преимущественно таким образом, чтобы возникающие наибольшие сжимающие напряжения были направлены перпендикулярно к ним.