Анализ костной ткани на прочность

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Механические свойства биологических тканей

биологический кость прочность перелом

Структура материала является главным фактором, определяющим его механические свойства и характер процесса разрушения. Большинство биологических тканей являются анизотропными композитными материалами, образованными объёмным сочетанием химически разнородных компонентов. Состав каждого типа ткани формировался в процессе эволюции и зависит от функций, которые она выполняет.

Костная ткань. Кость - основной материал опорно-двигательного аппарата. Так в скелете человека более 200 костей. Скелет является опорой тела и способствует передвижению. У взрослого человека скелет весит около 12 кг (18% общего веса).

В компактной костной ткани половину объёма составляет неорганический материал, минеральное вещество кости - гидроксилапатит, Са₁₀( РО₄ )₆(ОН)₂. Это вещество представлено в форме микроскопических кристалликов. Другая часть объёма состоит из органического материала, главным образом коллагена (высокомолекулярное соединение, волокнистый белок, обладающий большой эластичностью). Способность кости к упругой деформации реализуется за счёт минерального вещества, а ползучесть за счёт коллагена.

Кость является армированным композиционным материалом. Например, кости нижних конечностей армированы высокопрочными волокнами в окружных и спирально перекрещивающихся направлениях.

Механические свойства костной ткани зависят от многих факторов: возраста, заболевания. Индивидуальных условий роста. В норме плотность костной ткани 2400 кг /м 3. При различных способах деформирования кость ведёт себя по-разному. Прочность на сжатие выше, чем на растяжение или изгиб. Так, бедренная кость в продольном направлении выдерживает нагрузку 45000Н, а при изгибе - 25000Н.

Запас механической прочности кости весьма значителен и заметно превышает нагрузки, с которыми она встречается в обычных жизненных условиях.

Вся архитектоника костной ткани идеально соответствует опорной функции скелета, ориентация костных перекладин параллельна линиям основных напряжений, что позволяет кости выдерживать большие механические нагрузки.

Кости обладают различной прочностью в зависимости от функции, которую выполняют. Бедренная кость в вертикальном положении выдерживает нагрузку до 1,5 т, а большая берцовая кость до 1,8 т (это в 25 - 30 раз больше веса нормального человека). Установлено, что в соответствии с выполнением физиологических задач по реализации опорных и локомоторных функций согласно распределению силовых нагрузок в костях формируются зоны разной твёрдости.

Однако кость по прочности уступает только твёрдым сортам стали и оказывается гораздо прочнее ставших образцами прочности гранита и бетона. На композитную природу кости указывает низкое значение её модуля Юнга по сравнению с однородными материалами, обладающими такой же прочностью. Средняя часть плечевой кости человека имеет площадь поперечного сечения около 3,3 см². Легко доказать, что максимальный вес груза, который может удерживать эта кость, находясь в вертикальном положении и работая на сжатие, близок к 60000Н. В от же время максимальная сила, которую может выдержать та же кость, если она работает на изгиб, а сила приложена к свободному концу кости перпендикулярно оси, близка к 5500Н.

2. Механика карате

Прекрасной иллюстрацией прочности костей человека может служить популярный сейчас вид спортивных упражнений - карате. Как может голая рука разбивать такие прочные предметы, как дубовые или бетонные бруски, не ломаясь сама? Попробуем оценить необходимую для этого энергию Ер. Используя закон Гука для деформации бруска и формулу для потенциальной энергии, запасённой в сжатой пружине, можно определить потенциальную энергию руки в момент удара.

Таким образом, рука каратиста обладает достаточным запасом энергии, чтобы разрушить брусок из бетона.

То, что рука каратиста не ломается при ударе о брусок, частично объясняется гораздо большей прочностью костей по сравнению с бетоном.

Если весь кулак в момент удара заменить костью длиной 6 см и диаметром 2 см, фиксированной в двух крайних точках, а удар о брусок моделировать силой, действующей на её середину, то в таких условиях кость может выдержать 25000Н. Это приблизительно в 8 раз больше, чем сила, действующая на кулак каратиста при разламывании бетонных брусков.

Однако, возможности руки каратиста противостоять таким ударам ещё больше, т.к. в отличии от бетонного бруска она не поддерживается по краям и удар не приходится точно в середину. Кроме того, между костью и бруском бетона всегда находится эластичная ткань, амортизирующая удар. Итак, ссылаться на хрупкость наших костей, оправдывая свою нерешительность, мы не вправе. Они не подведут.

Активное взаимодействие организма с внешней средой и опосредованное участие в этом всех его многочисленных систем и органов обеспечивается через опорно-двигательный аппарат. Основной же компонент аппарата движений - мышца - отличается от таких систем, прежде всего тем, что она непосредственно преобразует химическую энергию в механическую, достигая довольно высокого коэффициента полезного действия в условиях нормальной температуры тела человека. Основной структурно-функциональной единицей скелета человека является кость. В организме человека каждая кость-это живой, пластичный орган. Она имеет свою морфологическую структуру, функционирует как часть целостного организма и состоит из нескольких тканей. Основной тканью в кости является костная ткань; кроме неё имеются плотная соединительная ткань, образующая, например, оболочку кости, которая покрывает её сосуды снаружи, рыхлая соединительная ткань, одевающая сосуды, хрящевая ткань, покрывающая концы костей или образующая зоны роста, ретикулярная ткань, являющаяся основой костного мозга, и элементы нервной ткани - нервы нервные окончания. Каждая кость имеет определенную форму, величину, строение и находиться в связи с соседними костями. В состав скелета входит 206 костей - 85 парных и 36 непарных. Кости составляют примерно 18% веса тела. Функция костной ткани многообразна. Первая и наиболее важная функция опоры для мягких тканей, подавляющее большинство которых располагается в области костных образований и прикрепляется к костям. Мышцы, проходят над местами соединения костей, и производят смещение одной кости в отношении другой или перемещение всего тела относительно поверхности Земли.

Тем самым кости как опорные образования (в основном, рычаги) принимают участие в выполнении всех движений, совершаемых человеком. Кости также формируют полости (черепная, спинномозговая, тазовая и грудная) для защиты внутренних органов. В кости находится красный костный мозг, который выполняет функцию кроветворения. Кости осуществляют функцию депо для минеральных веществ и микроэлементов. Прочность костной ткани обеспечивается сложным сочетанием важнейших ее химических компонентов - органических, неорганических соединений и воды. В зависимости от питания, условий жизни и ряда других факторов в кости меняется процентное соотношение этих компонентов и ее прочность. В костях детей относительно больше, чем в костях взрослых, оссеина, они более эластичны, меньше подвержены переломам, но под влиянием чрезмерных нагрузок легче деформируются. Кости, выдерживающие большую нагрузку, богаче известью, чем кости, менее нагруженные. При недостатке в пище ребенка витамина D в костях плохо откладываются соли извести, сроки окостенения нарушаются, а недостаток витамина А может привести к утолщению костей, запустению каналов в костной ткани. Процессы, которым подвергается кость, включают развитие, укрепление и резорбцию. Они имеют собирательное название - ремоделирование, или реконструкция. Полный цикл ремоделирования (замены всех структур) костей конечности взрослого человека составляет около 10-20 лет. Физические нагрузки являются основным фактором, определяющим увеличение костной массы у людей. Среди компонентов нагрузки, способствующих увеличению плотности минералов кости, основным является величина отягощения. Конроем (1996) экспериментально установлено, что адаптация костной массы юных штангистов на 30-50% (в зависимости от анатомического участка и индивидуальных особенностей спортсмена) зависит от силы, развиваемой при выполнении упражнений. Обнаружены различия в минеральном составе, плотности и массе костей доминирующих конечностей по сравнению с не доминирующими. Проявляется это в том, что кости доминирующих конечностей, имеют большую массу, ширину и плотность минералов.

В целом следует отметить, что повышение уровня плотностей костей отмечается в тех участках скелета, которые подвергаются наиболее интенсивным механическим воздействиям. Плотность костей в значительной мере определяется квалификацией спортсменов, спецификой тренировочной и соревновательной деятельности в различных видах спорта. У спортсменов высокого класса отмечается повышенная плотность костей по сравнению со спортсменами низкой квалификации и особенно лицами, не занимающимися спортом. Представители скоростно-силовых видов спорта, вольной и греко-римской борьбы имеют достоверно более высокие показатели плотности костей по сравнению со спортсменами, специализирующимися в циклических, игровых и сложнокоординационных видах спорта (фигурное катание, художественная и спортивная гимнастика). На снижение плотности костей приводят большие объёмы работы на выносливость. Особенно низкая плотность костей отмечается у пловцов на длинные дистанции, что обусловлено не только большим объёмом работы аэробного характера, спецификой отбора пловцов, способных показать высокие результаты на стайерских дистанциях, но и спецификой водной среды, резко снижающей нагрузки на опорно-двигательный аппарат. Кости как органы представлены у человека в виде единой функциональной системы, относящейся к пассивному двигательному аппарату. По форме и виду соединений костей можно представить объем движений и тем самым судить о функциональных особенностях аппарата движений.

Таблица 1. Твёрдость по Бринеллю для тканей челюстных костей зубов

Таблица 2. Прочность тканей

Таблица 3. Пределы прочности бедренной кости различных объектов

Таблица 4. Прочностные характеристики различных тканей

Таблица 5. Модуль упругости (модуль Юнга) некоторых материалов

Литература

1. Алтер М.Ф. Наука о гибкости. - К.: Олимпийская литература, 2001. - 421с.

2. Белинцев Б.М. Физические основы биологического формообразования. - М.: Наука, 1991.-252с.

3. Энока P.M. Основы кинезиологии. - К.: Олимпийская литература, 1998. С. 40- 60.

Размещено на Allbest.ru