ТЕРМИНОЛОГИЯ

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-

Наука о гибкости

Г л а в а 5 ■ Механические и динамические свойства мягких тканей

Факторы жесткости сустава

Смещение Смещение

а б

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)

(Wright, Johns, 1960)

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

Изменение длины L

Продольная деформация =------------------ = —.

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.

Наука о гибкости

Закон Гука и 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.

Продольное напряжение _ F / A FI Продольная деформация L /1 AL

Поскольку деформация — соотношение, не имеющее размеров, единицы

Y идентичны единицам нагрузки, а именно: сила-длина^-2. Таким образом,

Y можно выразить так: фунт-дюйм^-2, Н-м~² или дин-см~². Значение Y разное для разных материалов и не зависит от размеров материала. Для поперечно соединенного полимера (материала, имеющего молекулы, «составленные» из большого числа более или менее похожих единиц) оно зависит от расстояния между поперечными соединениями. Чем меньше длина молекулы между двумя поперечными соединениями, тем выше модуль упругости и, следовательно, тем труднее материал подвергается растягиванию (R.M.Alexander, 1975, 1988).

Предел эластичности

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. Механические и динамические свойства лтгких-тканей

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 степень повреждения ткани в результате чрезмерного растяжения, ему необходимо в первую очередь укрепить те части тела, которые скорее всего могут пострадать. Так, в спорте для укрепления мышц и соответствующих тканей (связок и сухожилий) широко применяются различные формы силовой 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-

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.

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

Глава 5- Механические и динамические свойства мягких тканей

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.