Пластичность, пластичные тела

Реальные тела при воздействии относительно небольших внешних сил ведут себя как упругие тела - т.е. способны обратимо деформироваться. При достижении некоторой деформации  в материале возникает напряжение _т, при котором происходит неограниченное изменение формы образца без увеличения внутреннего напряжения. В этом случае материальное тело ведет себя как жидкость - течет, не оказывая сопротивления. Поэтому величина _т называется пределом текучести. На рисунке 38 приведена зависимость между относительной деформацией и внутренним напряжением для такой ситуации. После подобной деформации образец самопроизвольно не восстанавливает своей исходной формы. Свойство материала, определяющее способ-

Рис. 38 ность к необратимой деформации, называется пластичностью. Чем меньше величина предела текучести, тем более выражены пластичные свойства. Поэтому для абсолютно пластичного тела величина _т  0.

Хрупкие тела

Материальные объекты, у которых отсутствуют пластичные свойства, называются хрупкими телами. При деформации такие тела ведут себя как упругие, а при достижении внутpеннего напpяжения некотоpой наибольшей величины _п они разрушаются (см. рис. 39). Величина внутреннего напряжения _п характеризует одно из важнейших механических свойств - прочность материалов, Хрупкие тела очень плохо выдерживают импульсные

Рис. 39 нагрузки - кратковременное воздействие внешних сил. К примеру, стекло, которое относится к хрупким телам, при воздействии небольших внешних сил деформируется обратимо. Однако, если внутреннее напряжение достигает предела прочности, наблюдается разрушение материала. Кроме того, стекло не выдерживает воздействия кратковременных ударов таких внешних сил, которые не вызывают разрушения при статическом воздействии.

Механические свойства тканей организма

Упругость и прочность костей значительно превосходят соответствующие механические свойства мягких тканей, что объясняется их химическим составом и строением. Кости представляют собой двухфазную систему (композиционый материал), включающую органические вещества белковой природы и кристаллы минеральных солей. В среднем костный материал содержит 30% белкового компонента, 60% неорганических соединений и 10% воды. Двухфазный материал включает костные пластинки толщиной от 5 до 10 мкм, между которыми располагаются клеточные элементы: остеобласты, остеоциты и остеокласты.

Основная функция остеобластов - синтез органических веществ - фибрилл коллагена и полисахаридов. Остеоциты обеспечивают постоянный обмен органических и неорганических соединений между клетками и межклеточным веществом, что способствует сохранению стабильной структуры костной ткани и ее механических свойств. Остеокласты участвуют во внутреннем разрушении (резорбции) кости. В месте взаимодействия этих клеток с межклеточным веществом наблюдается активный процесс его резорбции путем образования полостей. Таким образом, функциональные возможности костных клеток обеспечивают не только сохранение структуры, но и перестройку костной ткани.

Основную массу минерального состава образует гидроксиапатит с химической формулой 3Са₃ (РО₄)₂Са(ОН)₂. Это соединение формирует кристаллы с наибольшим размером 20 нм, причем длинные оси кристаллов располагаются параллельно оси фибриллам коллагена. По механическим свойствам минеральные и белковые компоненты существенно различаются.

Если для коллагена модуль упругости равен Е = 10⁹ Н/м², для кристаллов эта величина составляет 10¹¹ Н/м². Соответствующий модуль упругости для кости лежит между этими значениями Е = 10¹⁰ Н/м². С помощью химической обработки можно изменить соотношение минеральных и органических соединений. Если растворить и удалить все неорганические соединения, то оставшиеся вещества обеспечивают сохранение формы кости. Однако при этом резко уменьшается упругость и материал ведет себя подобно эластичным материалам (аналогично резине). Напротив, если удалить все органические компоненты, внешняя форма кости тоже сохраняется, но кость становится хрупкой с малой прочностью. Поэтому обеспечение оптимальных механических свойств достигается определенным соотношением минеральных и органических веществ. Нарушение обмена веществ в организме, особенно минеральных соединений, оказывает выраженное влияние на их механические свойства.

Принято различать компактную кость, в которой структура определяется пластиночным строением и спонгиозную (губчатую) с высокой и неоднородной пористостью. Спонгиозная кость состоит из перекладин (трабекул), формирующих сложную пространственную систему. Трабекулы представлены в виде цилиндрических или плоских элементов с толщиной 0,2 - 0,6 мкм и длиной 1,6 мкм. Поверхностные участки кости формируются из компактной (наиболее прочной), внутренние - из спонгиозной кости.

Исследование внутренней структуры костной ткани позволяет заключить, что трабекулы располагаются вдоль линий максимального напряжения. На рисунке 36 приведены линии наибольших напряжений в бедренной кости при воздействии на нее нагрузки Р. Костные балки, располагающиеся вдоль этих линий обеспечивают высокое сопротивление деформациям как при сжатии (линия 1), так и при растяжении (2). Если изменяются напряжения в костях скелета, происходит перераспределение пространственного расположения трабекул в зависимости от величины и направления действия внешних сил. Подобный эффект наблюдается при обездвиживании организма (при многодневном постельном режиме - до 9 месяцев), а также при продолжительных космических полетах. Уменьшение гравитационной нагрузки сопровождается снижением содержания минеральных соединений, ухудшением механических свойств и, прежде всего, падением прочности костей скелета. При этом удаление солей кальция происходит в тех костях, которые в условиях нормальной гравитации несут опорную нагрузку и содержат в основном губчатое вещество - в позвонках.

В процессе старения организма структура костной ткани изменяется в направлении уменьшения органических и соответственно повышения относительного содержания минеральных веществ. Такая химическая трансформация приводит к снижению прочности и повышению хрупкости костного материала. Поскольку хрупкие тела обладают малой устойчивостью к воздействию кратковременных импульсных сил, повышение хрупкости и снижение прочности костей скелета объясняют тот факт, почему у пожилых и старых людей так часто наблюдаются переломы костей при падениях и ударах. Следует отметить, что амортизационные прокладки (покрытия с вязкими свойствами) уменьшают разрушительное действие ударов по костной ткани в результате поглощения части механической энергии, которая расходуется на преодоление вязких сил. По существующим оценкам кожа увеличивает энергию, необходимую для разрушения кости на 37%.

Мягкие ткани организма: кожа, мышцы, связки, стенки кровеносных сосудов, внутренние органы обладают выраженными эластичными свойствами: существенно меньшей упругостью и прочностью по сравнению с костной тканью, а также способностью к большим относительным деформациям - до 200%. Эти ткани содержат различные, преимущественно, органические компоненты. Наиболее важное значение для их механических свойств имеют биополимеры коллаген и эластин.

Основным опорных элементом всех соединительных тканей является коллаген - фибриллярный высокомолекулярный белок. Особенность этого белка проявляется в том, что он способен формировать спирали на всех уровнях организации от полипептидной цепи до спиральных волокон в коллагеновом пучке. Коллагеновые волокна обладают относительно высокой прочностью на растяжение (50 - 100 МПа) и значительным модулем упругости (до 10⁹ Па).

Эластин состоит из цепей аминокислот, соединенных через определенные интервалы жесткими химическими связями. Этот белок обладает выраженными упругими свойствами и его деформация хорошо описывается законом Гука. Однако модуль упругости эластина ниже чем у коллагена и достигает 0,6 МПа.

Количественные соотношения и характер взаимодействия эластиновых и коллагеновых волокон определяют оптимальную взаимосвязь прочности и деформации мягких тканей. Например, в артериях и паренхиме легкого эластин придает упругость ткани. Коллагеновые волокна здесь расположены хаотично и распрямляются лишь в том случае, когда орган растягивается под действием внешних сил.

Механические свойства мягких тканей зависят от пространственного расположения волокон и клеток. Так например, в сухожилиях и связках коллагеновые волокна располагаются вдоль оси. При расслаблении биологического объекта коллагеновые волокна в сухожилии находятся в виде спирали, а при передаче усилия от мышцы к кости они распрямляются. В коже коллагеновые волокна образуют трехмерную сеть с ячейками ромбической структуры. Поэтому при воздействии на кожу внешних сил ее деформация осуществляется за счет изменения формы ячеек коллагеновой сети.