Основи біомеханіки

Механічний рух організму і його окремих частин є одним з найважливіших компонентів усіх біологічних процесів. В основі поділу клітин лежить зміна форми й перерозподіл внутрішньоклітинних органоїдів; рух крові по судинах забезпечується скороченням серця; травлення здійснюється в результаті транспортування й перемішування їжі в шлунково-кишковому тракті; подих супроводжується зміною обсягу грудної порожнини й легенів і т.п. Головним завданням опорно-рухового апарата є збереження стану рівноваги й переміщення організму, а також його складових частин (голови, кінцівок, тулуба) у просторі.

Вивченням законів руху, зміни форми тканин і органів, їх механічних властивостей займається біомеханіка - один з найстаріших напрямків у біологічній науці. Особливо велике значення біомеханіки у наш час. Інтенсифікація технологічних процесів у промисловості, розвиток транспорту, освоєння космосу вимагає розгляду біологічних ефектів в організмі під впливом механічних сил. Профілактика, лікування виробничого й транспортного травматизму, протезування елементів апарата руху ставлять нові завдання перед біомеханікою. Без знання фізичних закономірностей важко, а часом і неможливо забезпечити відновлення ушкоджених тканин і органів, дефектів зубощелепної системи, оцінити успіх хірургічного й ортопедичного лікування.

У медицині велика увага приділяється діагностичному дослідженню механічних властивостей організму - пружності, еластичності, міцності, пластичності, твердості й ін. Ці властивості визначають реакції тканин на вплив механічних сил, сприяють збереженню геометричної форми біологічних структур у полі сил ваги, контролюють зміну їх розмірів при виконанні біологічних процесів. При багатьох захворюваннях, а також у процесі старіння внутрішня структура тканин змінюється, а відповідні порушення механічних властивостей стають джерелом патологічних зрушень, які не сумісні з життям. Приміром, розвиток атеросклерозу приводить до такого збільшення твердості судин, яке сприяє підвищенню артеріального тиску, зростанню енергетичних витрат серця, порушенню кровообігу в різних регіонах судинного басейну. Зниження міцності судин при цьому може стати причиною розриву з наступною смертельною кровотечею. Напроти, надлишкова пластичність забезпечує незворотні зміни геометричної форми біологічних об'єктів: варикозне розширення, застій крові, утворення судинних аневризм, деформацію кістяка й ін.

Усе вищесказане пояснює, чому в останні роки сформувалася й швидко розвивається клінічна біомеханіка, досягнення якої широко використовуються в хірургії, травматології, ортопедії, судовій медицині й ін.

Механіка опорно-рухового апарату

Основними матеріальними структурами опорно-рухового апарата є кості кістяка, м'язи, а також зв'язки й сухожилля, що поєднують усі компоненти в єдину систему. Кістяк виконує опорну функцію й забезпечує збереження геометричної форми організму. Більшість кісток кістяка контактують одна з одною за допомогою рухливих зчленувань (суглобів), устрій яких визначає характер можливих рухів. У якості силового елемента служать м'язи, у яких для генерації механічних сил і здійснення роботи використовується енергія, запасена в АТФ. Величини напрямку сил, характер руху кісток кістяка, кількість виконаної роботи повинні залежати від структури, фізичних і біологічних властивостей м'язів, а також їх розташування в просторі.