3.5.4. 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, -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 L = 100 дБ, тоді як їх нормальним рівнем вважається значення L < 50 дБ.

6. Практикум з біореології

3.6.1. 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  характеризує силу F, що діє на одиницю площі поперечного перерізу зразка ( = F/S), а деформація розтягу або стиснення оцінюється по абсолютній ( ) або відносній ( = = l/l₀) зміні довжини зразка. Для незначної лінійної деформації (l/l₀ << 1) виконується закон Гука: напруження, яке виникло в зразку, прямо пропорційне відносній зміні його довжини ( = E). 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. 3.34. Для ряду зразків (колаген, волосина, кістка, шкіра) при збільшенні деформацій їх жорсткість зменшується (див. мал. 3.34а). Межа пружних деформацій порядку 5%, після чого матеріал починає “текти” без помітного збільшення напруження в зразку.

Мал. 3.34. Діаграми деформації.

Для інших зразків їх жорсткість при розтязі різко збіль­шу­ється (еластин, м’яз, стінка судини, мал. 3.34б), 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 ( = Е). В фізіологічному діапазоні зміни довжин, як правило, користуються приведеним модулем Юнга (Е_пр), який є усередненою характеристикою пружних властивостей зразка:

Е_пр = ,

де Е_i – ефективний або тангенціальний модуль Юнга, який визначається за формулою

E_i = _i /_i = (_i+1 – _i)/(_i+1 – _i). (3.69)

У цій формулі _i и _i є відповідно зміни напруження та деформації в довільно вибраній точці на діаграмі розтягу або стиснення зразка (див. мал. 3.34).

Із формули (3.69) випливає, що модуль Юнга в певній точці діаграми є похідною d/d 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. 3.34.

Залишкові деформації (_зал) визначаються за розміром зразка після побудови діаграми деформації і зняття навантаження до нуля (див. тонку пунктирну лінію на мал. 3.34а).

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