1.5.4. Інфразвук

Інфразвукові коливання і хвилі - це пружні коливання з частотами до 16 Гц. Інфразвук дуже слабко поглинається в газах, рідинах та твердих тілах і тому може розповсюджу­ватися майже без втрат на великі відстані. Ця надзвичайно важлива властивість ультразвуку використовується у техніці - у звукометричних приладах (мікрофони, гідрофони тощо) для реєстрації різноманітних процесів, що відбуваються з інфразвуковими частотами. До таких процесів належать землетруси, вибухи, виробничі шуми і вібрації, грозові розряди, турбулентні явища в атмосфері, хвилі цунамі тощо.

Зрозуміло, що властивість інфразвукових хвиль розпов­сюджуватись на дуже далекі відстані повинна бути вико­ристаною в процесі біологічної еволюції як засіб передачі та прийому інформації між живими істотами. І хоча це питання ще недостатньо вивчене, слід зазначити, що такі тварини, як летючі миші, дельфіни, кити і деякі інші мають (окрім ультразвукової локації в діапазоні декількох десятків кГц) ще й органи інфразвукової локації.

Для людини інфразвукові коливання великої амплітуди можуть бути дуже шкідливими, оскільки деякі процеси в організмі людини відбуваються в інтервалі інфразвукових частот. Наприклад, а-ритми головного мозку мають частот­ний інтервал 9-13 Гц і тому дія інфразвукових хвиль може викликати шкідливі резонансні явища в мозку людини.

Високоінтенсивні виробничі шуми і вібрації, що мають складний неперіодичний характер в різних частотних інтер­валах, включаючи інфразвуковий, також є шкідливими для людини. Рівень інтенсивності цих звуків вимірюється за допомогою спеціальних приладів - шумомірів. Встановле­но, що гранично дозволений рівень інтенсивності низько­частотних шумів та вібрацій дорівнює тоді як їх нормальним рівнем вважається значення

1.6. Практикум з бюреології

1.6.1. Лабораторна робота №1 "Дослідження пружних властивостей біологічних тканин"

Мета роботи: а) одержати діаграми розтягу (для воло­сини) і стиснення (для кістки чи дерев'яного зразка) та ви­значити основні показники пружних властивостей тканин (модуль Юнга, межу міцності, залишкову деформацію); б) дослідити в'язко-пружні властивості біологічних тканин (текучість матеріалу).

Контрольні питання для підготовки до лабораторної

роботи

1. Поняття про деформацію. Види деформацій. Закон Гука. Модуль Юнга. Коефіцієнт Пуассона.

2. Діаграма розтягу (стиснення), її основні зони і характеристичні точки.

3. Пружні властивості деяких біологічних тканин (колагену, елас­тину, кістки, стінки кровоносних судин).

4. В'язко-пружні властивості біологічних тканин. Реологічні моде­лі. Повзучість (текучість) матеріалу. Релаксація напруження.

Додаткова література

1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. - М.: Выс­шая школа, 1996.-Гл. 10, с. 173-183.

2. Владимиров Ю.А. и др. Биофизика. - М.: Медицина, 1988 - Гл. 10.

3. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. - М.: Выс­шая школа, 1987. - Гл. 10, с. 192-200.

4. Эссаулова И.А. и др. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. - М.: Высшая школа, 1987.-С. 111-115.

Додаткові теоретичні відомості

Діаграма деформації являє собою графічне зображення експериментальної залежності напруження в зразку від йо­го відносної деформації. Як відомо, величина напруження а характеризує силу F, що діє на одиницю площі поперечного перерізу зразка (σ = F/S), а деформація розтягу або стис­нення оцінюється по абсолютній (Δl= l-l₀) або відносній (ε = = Δl/l₀) зміні довжини зразка. Для незначної лінійної деформації (Δl/l₀<< 1) виконується закон Гука: напружен­ня, яке виникло в зразку, прямо пропорційне відносній зміні його довжини (σ= Е -ε). Величина Е в цьому виразі нази­вається модулем Юнга. Він є однією з найважливіших ха­рактеристик пружних властивостей матеріалу і залежить від його природи.

Діаграми деформації біологічних тканин суттєво відрізняються від подібних діаграм для металевих зразків. Існують два типи діаграм, які схематично приведені на мал. 1.34. Для ряду зразків (колаген, волосина, кістка, шкіра) при збільшенні деформацій їх жорсткість змен­шується (див. мал. 1.34а). Межа пружних деформацій по­рядку 5%, після чого матеріал починає "текти" без помітного збільшення напруження в зразку.

Мал. 1.34. Діаграми деформації.

Для інших зразків їх жорсткість при розтязі різко збіль­шується (еластин, м'яз, стінка судини, мал. 1.34б), такий характер спостерігається аж до руйнування зразка. Руйну­вання зразка може відбутися при видовженні зразка більше ніж в два рази (для еластіну) або на 15-20% (для судини). Зона текучості на таких діаграмах проявляється слабко. Діаграми деформацій, отримані в діапазоні фізіологічних змін довжин, як правило, нелінійні. В цьому випадку мо­дуль Юнга Е, як характеристика пружних властивостей, може використовуватися тільки в діапазоні дуже малих де­формацій, для яких можна вважати справедливим закон Гука (σ= Е -ε). В фізіологічному діапазоні зміни довжин, як правило, користуються приведений модулем Юнга (Е_пр), який є усередненою характеристикою пружних властивостей зразка:

де е_i - ефективний або тангенціальний модуль Юнга, який визначається за формулою

(1.69)

У цій формулі Δσ_i и Δε_i є відповідно зміни напруження та деформації в довільно вибраній точці на діаграмі розтягу або стиснення зразка (див. мал. 1.34).

Із формули (1.69) випливає, що модуль Юнга в певній точці діаграми є похідною dotdε та чисельно дорівнює тан­генсу кута нахилу дотичної, проведеної в цій точці. Зако­номірності зміни модуля Юнга для діаграм деформацій, які тут розглядаються, приведені пунктиром на мал. 1.34.

Залишкові деформації (ε_зал) визначаються за розміром зразка після побудови діаграми деформації і зняття наван­таження до нуля (див. тонку пунктирну лінію на мал. 1.34а).

Межа міцності (ε_mах) визначається величиною макси­мального напруження, при якому відбувається руйнування матеріалу.

Порядок виконання лабораторної роботи

Завдання 1. Зняття діаграми розтягу волосини.

1. Ознайомтесь з макетом для розтягу волосини (мал. 1.35). Волосину 2 закріплюють між двома зажимами (неру­хомим - l і рухомим - 3). За шкалою б знімають початко­вий l₀ і поточні розміри l волосини при її деформації. За ру­хомою шкалою 7 визначають величину зовнішньої сили F, яка розтягує волосину і яку можна змінювати, розтягуючи пружину 4 переміщенням штока 5. Шкала 7 проградуйована в Ньютонах.

Мал. 1.35.

2. Підготуйте таблицю 1.

3. Мікрометром виміряйте діаметр волосини. Краще ці виміри провести за допомогою мікроскопа.

4. Закріпіть волосину зажимами і запишіть початкову довжину волосини (l_о). Дані занесіть в таблицю 1.

5. Переміщуючи шток 5, збільшіть прикладену силу F. Для кожного значення сили вимірюйте довжину волосини по шкалі 6 і дані заносьте в таблицю.

Примітка. Якщо при деякій силі ¥_т неможливо виміря­ти величину l (матеріал "тече"), то необхідно зменшити си­лу натягу до нуля, інакше волосина розірветься. За­пам'ятайте величину сили F,,,.

6. Після зняття навантаження визначте залишкову де­формацію ε_зал за положенням показника на шкалі 6.

Таблиия 1. Peзvльmamu зняття діаграми розтягу волосини

	F[H]	l[мм]	Δl [мм]	ε	σ[Н/М2]	Е [Н/м2]
0		l0 =
1	0.1
2	0.2
3	0.3
4	0.4
5	0.5

Діаметр волосини J₀ = ... [мм], площа перерізу S = ... [м²], початкова довжина волосини l₀ = ... \мм\. Приведений модуль Юнга волосини: E_пр=

Завдання 2. Дослідження повзучості волосини. 1. Підготуйте таблицю 2.

Таблиця 2. Результати дослідження повзучості волосини. Початкова довжина волосини l₀ = ... [мм], F_пл = ... [Н].

№	Δl [мм]	t[c] Fпл1	t[c] Fпл2
1.	5
2.	10
3.	15
4.	20
5.	25

2. Для різних сил F_пл1 і F_пл2 зніміть залежність ε (t). Для цього швидко розтягніть пружину до значення F_пл1 та, підтримуючи це показання, фіксуйте час по мірі подовжен­ня волосини на величину Δl, зазначену в таблиці (час фіксується через кожні 5 мм подовження волосини в про­цесі повзучості). Примітка. Знімати цю характеристику не­обхідно втрьох (один студент підтримує сталу силу, другий - визначає величину подовження, третій - час в цей мо­мент).

Аналогічні виміри зробити для другої сили F_пл2.

Завдання 3. Зняття діаграми стиснення зразка (кістки, дерева тощо).

1. Ознайомтесь з установкою для стиснення зразка. Зра­зок розміщується між двома опорами і важельною систе­мою, стискується за допомогою вантажів, які підвішуються до кінця важеля. Розміри деформації вимірюються мікро­метром за допомогою електричних контактів.

2. Підготуйте таблицю 3.

3. Занесіть в таблицю значення початкової довжини d_з, зовнішнього d_в та внутрішнього d_e діаметрів зразка.

4. Підготуйте установку для роботи (закріпіть зразок, перевірте електричний контакт ланцюга).

5. Збільшуючи навантаження на зразок, визначте за до­помогою мікрометра відповідне значення його довжини. Дані занесіть в таблицю. (Попереднє навантаження в 1 кг використовується для усунення зазорів і люфтів в уста­новці).

Таблиця 3. Результати зняття діаграми стиснення зразка.

Приведений модуль Юнга: E_пр=

6. Обробка результатів вимірювання:

а) попередньо визначте значення абсолютної зміни дов­жин волосини та кістки в [мм\ та занесіть у відповідні стовпці таблиць;

б) обчислення проводяться за наступними формулами:

(k - співвідношення плечей важеля, його значення k приве­дено на макеті),

Отримані результати перенесіть в таблицю протокола.

7. Побудуйте за даними таблиць 1, 3 діаграми деформа­цій зразків. За даними таблиці 2 побудувати криву повзу­чості для волосини.

8. Зробіть висновки за результатами досліджень (оцініть ха-рактер зв'язку між напруженням і деформацією зразків, порівняйте модулі Юнга тощо).

Оформити протокол роботи. Протокол повинен місти­ти:

- стислу теоретичну частину (основна інформація щодо елементів біореології, формули для розрахунків);

- завдання 1, 2 та 3 з таблицями та розрахунками;

- графіки та висновки.

Завдання для самостійної роботи та самоконтролю

1. Визначити коефіцієнт Пуассона для м'язового волокна циліндричної форми завдовжки /о, діаметром do, вважаючи його практично нестисливим.

(Вказівка: знайти та порівняти об'єми м'яза до і після деформації при зміні розмірів).

2. Дати якісне пояснення наведених нижче діаграм деформацій різних зразків:

а) чим відрізняються пружні властивості цих зразків?

б) чи змінюється модуль Юнга?

в) як знайти ефективні значення модуля Юнга?

г) намалювати графіки зміни ефективного модуля Юнга.

3.Яке навантаження витримає гомілкова кістка (в кг), якщоКістку вважати полою трубкою, для якої внутрішній і зовнішній діаметри відповідно 2 та 3 см.

4. Визначити сталу релаксації напруження волосини, якщо за 1.5 хвилини напруження зменшилось на 50%.

5. Через який час напруження в м'язі зменшиться вдвічі, якщо ста­ла релаксації порядку однієї хвилини?

6. Поясніть фізичний зміст модуля Юнга.

7. У чому полягає доцільність збільшення жорсткості (регідності) стінки кровоносних судин при їх розширенні? Чому ця якість буде відсутня для інших біологічних структур (кістки, волосини, шкіри тощо)?