Динамические свойства мягких тканей

В течение многих лет представители различных научных лабораторий занимались изучением механических свойств мышцы и соединительной ткани. Биофизика — наука, изучающая биологические структуры и про­цессы с точки зрения физических явлений и законов. Понимание биофизи­ки мышцы и соединительной ткани при различных видах нагрузки крайне необходимо для определения оптимальных средств увеличения диапазона движения.

Биофизика — достаточно сложная наука (рис. 5.1). Принципы физики не всегда оказываются применимы к биологическим тканям, которые не­редко проявляют нелинейное поведение. Рассматривая такие ткани, необ­ходимо одновременно учитывать их механические, электрические и био­химические реакции, в частности на микроуровне (G.C.Lee, 1980). Кроме того, имея дело с живыми людьми, необходимо также принимать во вни­мание факторы, не входящие в понятие биофизики, такие, как чувства (боль, удовольствие и т. д.) и эмоции (страх, радость и т.д.).

Прежде чем приступить к изучению законов биофизики, познакомим­ся с терминологией и основными понятиями, которыми оперирует эта на­ука. В нашей книге мы постарались использовать наиболее точную терми­нологию.

Виды силы и деформаций. Всякий раз, когда на ткань или материал воздействует какая-то сила, может произойти изменение формы или разме­ра материала. Эта реакция, естественно, зависит от ряда переменных: ви­да материала, количества силы, продолжительности ее воздействия, темпе­ратуры материала и т.д.

Такие изменения называются деформациями; силы и результирующие деформации, которые испытывают биологические ткани и другие матери­алы, делятся на три основные категории (рис. 5.2). Так, под действием сжимающего усилия материал может уменьшаться в размере. Этот вид де­формации называется сжатием. Примером может служить действие массы тела на хрящ поверхности сустава. Когда на материал действует растяги-

Растяжение Сдвиг вающая ИЛИ горизонтальная сила,

его длина увеличивается. Такое уд­линение называется осевой дефор­мацией, или деформацией растя­жения. И наконец, в результате действия на объект сдвигающих сил возникает третий вид дефор­мации — деформация сдвига.

Рис. 5.2. Схематическое изображение трех основных видов напряжения: сжатия, растя­жения и сдвига

Эластичность представляет собой свойство, позволяющее тка­ни восстановить свою исходную форму или размер после устране­ния действия силы. Эластичность определяют количеством силы противодействия в материале. Поскольку эластичное растягива­ние характеризуется пружинопо-добным поведением, его нередко

изображают при помощи зигзагообразной линии, символизирующей пру­жину. Его также называют «Гуковским элементом» (рис. 5.3).

Напряжение. При действии на тело или материал какой-либо силы возникает противодействующая ей сила тела, называемая напряжением. Напряжение — это внутреннее сопротивление внешней силе. Его измеря­ют величиной приложенной к единице площади силы, которая вызывает или стремится вызвать деформацию тела, т.е. величину воздействующей силы делят на площадь поперечного сечения материала, который ей про­тиводействует. Единицами напряжения являются фунт-фут

Существует три основных вида напряжения: нормальное напряже­ние сжатия, растягивающее и напряжение сдвига. Нормальное напряже­ние сжатия представляет собой возникающую в материале силу, кото­рая противостоит его сжатию. Она является результатом двух сил, нап­равленных навстречу друг другу вдоль одной и той же прямой линии. Растягивающее напряжение — сила материала, противодействующая его растягиванию или разделению. Она является производной двух сил, направленных друг от друга вдоль одной и той же прямой линии. На­пряжение сдвига — это сила материала, противодействующая двум силам, направленным параллельно друг другу, но не вдоль одной и той же линии.

Читайте также: Из каких тканей сшить нижнее белье

Относительная деформация.Относительная деформация, или натя­жение, представляет собой изменение длины или количества деформации вследствие приложенной силы. Ее определяют в виде отношения длины после нагрузки к исходной длине. Так как это соотношение только таких

Глава 5- Механические и динамические свойства мягких тканей

Рис.5.3. Эластичная жесткость, представленная в виде идеальной пружины, демонстриру­ющей линейную взаимосвязь между усилием и смещением: более жесткая пружина прояв­ляет более высокую степень жесткости (более крутая кривая) (а); линейная и нелинейная эластичность общего типа, при которой жесткость увеличивается по мере смещения (б)

параметров, как длина, относительная деформация не имеет единиц изме­рения. Это — чистое число или процент исходной длины. Таким образом,

Исходная длина I

Количество относительной деформации, обусловленной напряжени­ем, определяется электрохимическими силами между атомами материала. Чем больше эти силы, тем выше напряжение перед производством данно­го количества относительной деформации. Все вышеизложенное достаточ­но точно описали Метьюз, Стейси и Гувер (1964). Молекулы материала удерживаются вместе силами притяжения. При отсутствии воздействия внешней силы длина материала определяется соотношением сил притяже­ния и отталкивания между молекулами. Когда материал удлиняется, рас­стояние между молекулами увеличивается; силы притяжения также увели­чиваются, тогда как силы отталкивания уменьшаются. «Таким образом, в молекулах материала генерируется сила, которая тянет концы образца в положение без нагрузки. Это — эластичная сила».

Жесткость. В биофизике жесткость — это отношение силы к деформа­ции. По мере увеличения силы деформация также увеличивается, однако ее степень, обусловленная любой данной силой, зависит от ткани. Жесткость можно изобразить кривой нагрузки-деформации; она отмечается наклоном в соотношении нагрузка-деформация. О ткани (такой, как кость), график которой характеризуется крутой кривой нагрузки-деформации, говорят, что она обладает высокой жесткостью. Такая ткань будет подвергаться дефор­мации в меньшей степени при данном количестве силы. О ткани же, график которой характеризуется более покатым наклоном при данном количестве силы (например, хрящ), говорят, что она обладает невысокой жесткостью. Она будет подвергаться деформации в относительно большей степени.

Закон Гукай модуль упругости

Роберт Гук первым выявил многочисленные взаимоотношения между напряжением и деформацией. Согласно закону Гука, существует постоян­ная или пропорциональная арифметическая взаимосвязь между силой и удлинением. Одна единица силы производит одну единицу удлинения, две единицы силы производят две единицы удлинения и так далее. В контек­сте закона Гука ткани тела могут быть совершенно упругими или эластич­ными. Чтобы материал был совершенно упругим, необходимо соблюдение двух условий. Первое — эластичный элемент должен полностью восста­навливаться и в точности восстанавливать свои исходные размеры после деформации. Второе — мгновенное действие силы или ее устранение должно сопровождаться соответствующим изменением размеров без за­держки.

Постоянной величиной в уравнении закона Гука является модуль уп­ругости материала. Для разных материалов этот показатель неодинаков. Материалы, имеющие более высокий модуль упругости, характеризуются более высокой жесткостью.

Таким образом, чтобы вызвать деформацию в более жестком материа­ле, необходима более высокая нагрузка. Модуль эластичности — это отно­шение единицы напряжения к единице деформации, где Y — пропорцио­нальная постоянная. Следовательно, модуль эластичности равен величине нагрузки, вызывающей одну единицу деформации.

Поскольку деформация — соотношение, не имеющее размеров, единицы

Y идентичны единицам нагрузки, а именно: силадлина

Читайте также: Регенерация костной ткани десны без операции

Y можно выразить так: фунт-дюйм^ 2 , Нм

2 . Значение Y раз­
ное для разных материалов и не зависит от размеров материала. Для попе­
речно соединенного полимера (материала, имеющего молекулы, «состав­
ленные» из большого числа более или менее похожих единиц) оно зависит
от расстояния между поперечными соединениями. Чем меньше длина мо­
лекулы между двумя поперечными соединениями, тем выше модуль упру­
гости и, следовательно, тем труднее материал подвергается растягиванию
(R.M.Alexander, 1975, 1988).

В материалах, которые не являются совершенно упругими, арифмети­ческое соотношение силы и удлинения достигает значения, которое назы­вают пределом эластичности. Эластичный предел — наименьшая величи­на нагрузки, необходимая для того, чтобы вызвать постоянную деформа­цию в теле. Ниже эластичного предела материалы восстанавливают свою исходную длину при устранении силы деформации. Если же приложить силу, превышающую предел эластичности, то после ее устранения матери-

Глава 5- Механическиеи динамические свойства мягкихтканей

ал не восстанавливает свою исходную длину. Разница между исходной и новой длиной называется остаточной деформацией. Это постоянное удли­нение называют также пластическим растяжением. Когда нагрузка превы­шает предел эластичности, между силой и деформацией уже не наблюда­ется линейной пропорциональной зависимости и материал удлиняется значительно больше с каждой единицей силы, превышающей предел элас­тичности.

При величине нагрузки, лишь немного превышающей предел эластич­ности, деформация происходит без дополнительной нагрузки. Это свой­ство называется пределом текучести. При воздействии силы, превышаю­щей предел эластичности, кривая, как правило, выравнивается. Дальней­шее приложение силы приводит к возникновению постепенной недоста­точности в сопротивляемости ткани к воздействующей на нее силе. В кон­це концов определяется максимальная сила, которую может выдержать ткань. Максимальная нагрузка, т. е. единица нагрузки на грани разрыва, называется пределом прочности материала.

Знание этих свойств ткани актуально не только для спортсменов, но и
для обычных людей. Если человек намерен снизить вероятность или сте­
пень повреждения ткани в результате чрезмерного растяжения, ему необ­
ходимо в первую очередь укрепить те части тела, которые скорее всего мо­
гут пострадать. Так, в спорте для укрепления мышц и соответствующих
тканей (связок и сухожилий) широко применяются различные формы си­
ловой тренировки (например, использование отягощений, тренажеров), в
результате чего ткани адаптируются к более высокому уровню нагрузок и
их предел прочности повышается.

Факторы, влияющие на жесткость

Степень жесткости может изменяться под воздействием таких факто­ров, как старение, иммобилизация, повторение нагрузок. Во всех этих слу­чаях степень жесткости снижается, сопротивление тканей относительно прикладываемой силы уменьшается, следовательно, увеличивается веро­ятность повреждений.

Пластичность — это способность материала к постоянной дефор­мации под воздействием нагрузки, превышающей ее диапазон упру­гости. Следовательно, восстановление не происходит. После преодоле­ния предела текучести пластическая реакция ткани включает значи­тельное количество деформации с незначительным увеличением силы. По-видимому, не существует совершенно пластичных материалов (рис. 5.4).

Пластичность имеет большое значение для лечения различных травм. Известно, что длительная, периодически возникающая микротравма мо­жет привести к деформации тканей, которые проявляют пониженную стабильность, ведущую к снижению эффективности и качества жизни. Классическим примером является неправильное положение тела при на­хождении на стуле. Со временем тело адаптируется к нагрузкам, увели­чивая деформацию тканей спины и сокращая длину тканей передней час-

Рис. 5.4. Пластичная или у пру го вязкая жесткость. Эластичная жесткость пласти­ческой субстанции обычно выше При более быстром растяжении (более крутой нак­лон). Сохранение постоянного усилия при­водит к непрерывному удлинению (крип). Если растянуть и поддерживать пос­тоянную длину, величина необходимого усилия снижается (нагрузка-расслабление) (Wright, Johns, I960)

Читайте также: Мир ткани часы работы в праздничные дни

Рис.5.5. Вязкая жесткость, иллюстрируе­мая при помощи пластины, перемешаю­щейся в идеально вязкой жидкости, кото­рая демонстрирует линейную взаимосвязь между усилием и скоростью. Увеличение вязкости приводит к повышению вязкой жесткости (более крутой наклон) (Wright, Johns, 1960)

ти туловища, что приводит к сокращению диапазона движения, возникно­вению дискомфорта и боли.

С другой стороны, использование упражнений на растягивание и дру­гих ремоделирующих процедур играет важную роль с точки зрения улуч­шения функций или реабилитации. Спортсмены знают, что упражнения на растягивание (тренировка пластичности) способствуют улучшению гиб­кости, т. е. ткани адаптируются к силам растягивания путем увеличения гибкости. Важную роль играет развитие пластичности в реабилитацион­ных процедурах.

Вязкость — это свойство материалов противодействовать нагруз­кам, вызывающим сдвиг и нарушения. В отличие от эластичности и пластичности вязкость зависит от времени. Плунжер, погруженный в вязкую жидкость, классически иллюстрирует свойства вязкости. Чем быстрее вы стараетесь перемещать плунжер, тем выше давление в жид­кости (рис. 5.5).

Вязкость особенно важна в спорте. Спортсмены знают о необходимос­ти разминаться. Одна из причин этого — снижение вязкости тканей. В ре­зультате разминки ткани и жидкости организма разогреваются. Это пони­жает вязкость, вследствие чего увеличивается растяжимость.

Упруговязкость. Большинство биологических материалов не являют­ся ни абсолютно эластичными, ни абсолютно пластичными. Они проявля­ют оба свойства, т. е. характеризуются упруговязким поведением. Под воз­действием небольших нагрузок они проявляют эластичность, более высо­ких — пластичность. Кроме того, при продолжительном воздействии наг­рузок ткани проявляют вязкую деформацию.

Гистерезис представляет собой феномен, связанный с потерей энергии упруговязкими материалами, когда они подвергаются циклам

Глава 5- Механические и динамические свойства мягких тканей

Рис. 5.6. Диаграмма жесткости суставов с выпрямлением влево, сгибанием вправо и вертикальным усилием (вращательный мо­мент) (Wright, Johns, 1960)

нагрузки и разгрузки (рис. 5.6). Вращение сустава начинается в среднем положении (О) и продол­жается до полного сгибания (А). После этого происходит выпрям­ление (А, В, С) и сгибание (С, D, А). Очевидно, что эластичная жесткость (наклон) нелинейная и что имеет место гистерезис. Как считает Фрост (1967), когда элас­тичная ткань подвергается нагруз­ке-разгрузке, кривая нагрузки-де­формации оказывается иден­тичной во время обеих фаз. Если же мы имеем дело с упруговязким материалом, кривые оказываются неидентичными. Если нагрузка прекращается до недостаточности ткани и осуществляется тест раз­грузки, ниспадающая кривая по­нижающейся нагрузки не совпада­ет с восходящей кривой, несмотря

на отсутствие остаточной деформации в конце. Участок между нагрузоч­ной и разгрузочной кривой отражает потерю энергии (конвертируемую в тепло).

Как и пластичность, гистерезис играет важную роль в различных те­рапевтических процедурах. Заслуживают внимания два момента, отмечен­ные Гардом (1988). Во-первых, гистерезис — желаемый эффект процедур, вызывающих положительную деформацию, направленную на достижение более благоприятного положения. Если бы ткани после начальной и отри­цательной деформации оставались упругими, то изменения состояния не произошло бы. Следовательно, не произошла бы благоприятная деформа­ция. Во-вторых, не следует забывать, что гистерезис является также час­тью патологического деформирующего цикла, обусловленного макротрав­мой или повторяющейся микротравмой.

Дата добавления: 2015-05-19 ; просмотров: 1934 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

• Правообладателям
• Политика конфиденциальности