МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІАЛІВ

Механічні властивості тканин організму (пружність, еластичність, міцність, твердість та ін.) забезпечують можливість виконання тканинами й органами їх фізіологічних функцій. Приміром, висока пружність і міцність кісткової тканини забезпечує опорну функцію кістяка, збереження форми організму в полі сили вагомості. При захворюваннях ці властивості змінюються, а їх визначення дозволяє виявляти наявність і оцінювати ступінь виразності патологічного процесу. У лікарській практиці широко розповсюджений спосіб мануальної (від слова manus - рука) діагностики - пальпація. У цьому випадку лікар натискає пальцями й долонею руки на поверхню й за опором оцінює щільність, еластичність, пластичність, пружність тих тканин і органів, які перебувають під ділянкою, яка підлягає пальпації.

Для дослідження механічних властивостей будь-яких матеріалів розроблена спеціальна теорія опору матеріалів. У зв'язку з винятковою важливістю цієї проблеми в медицині до теперішнього часу створений й успішно розвивається біофізичний напрямок – біологічний опір матеріалів - теоретичні положення, що описують механічні властивості тканин організму. Розглянемо деякі поняття й теоретичні уявлення щодо опору матеріалів.

Усі матеріальні тіла відчувають вплив зовнішніх сил при контакті з іншими тілами або з боку фізичних полів. Зміна розмірів і форми матеріальних тіл при впливі зовнішніх сил називається деформацією. Прийнято розрізняти зворотні й незворотні деформації. Якщо після усунення зовнішнього впливу зразок мимовільно відновлює свою вихідну форму, така деформація називається зворотною. Якщо в цих умовах не відновлюються вихідні геометричні розміри, деформація називається незворотною.

Залежно від співвідношення напрямку діючих сил і геометричних характеристик матеріальних об'єктів розрізняють наступні види деформацій: розтягання, стиск, зрушення, крутіння й вигин (рис. 30).

Рис. 30

Звичайно механічні властивості вивчають на зразках правильної геометричної форми (циліндрах, паралелепіпедах). Якщо сила спрямована уздовж осі циліндричного зразка й викликає збільшення його довжини має місце деформація розтягання (1), якщо змінюється напрямок сили - деформація стиску (2). Коли на тіло, закріплене на площині діє сила, паралельна цій площини, зміна форми зразка називається зрушенням (3). Якщо до зразка прикладена пара сил, що лежать у площині, перпендикулярній осі, спостерігається крутіння (4). І нарешті, коли сила перпендикулярна осі балки спостерігається вигин (5). Кількісно зміну геометричних розмірів зразків оцінюють за допомогою абсолютної й відносної деформації. В організмі людини під впливом зовнішніх сил і при скороченні м'язів спостерігаються всі перелічені види деформацій. Якщо після розтягання зразка його довжина дорівнює l, то абсолютна деформація Dl = l - l_o, де l_o - вихідна довжина зразка. Відношення абсолютної деформації до його вихідного розміру e = D l/l_o називається відносною деформацією. Важливим поняттям є внутрішнє напруження, що виникає при деформації.

Рис. 31

Як відомо з фізики, сили міжмолекулярної взаємодії залежать від відстані між молекулами (рис. 31). Негативні значення сил описують притягання, позитивні - відштовхування. Тому при r < r_о дуже швидко збільшується внутрішня сила відштовхування між молекулами, які перешкоджають зменшенню розмірів матеріальних тіл. При r > r_о внутрішні сили стають негативними й сприяють притяганню між молекулами.

Рис. 32

Розглянемо, приміром, розтягання циліндричного зразка під дією зовнішньої сили F_з (рис. 32). Ця сила, викликаючи збільшення відстані між молекулами, сприяє зростанню внутрішніх сил F_в притягання. Рівнодіюча всіх внутрішніх сил F_в спрямована протилежно зовнішній силі F_н. Коли вона стане рівною зовнішній силі, зміна розмірів зразка припиниться, і в матеріалі виникає внутрішня напруга, зумовлена деформацією. Значення напруги визначається величиною внутрішньої сили, що діє на одиницю площі поперечного перерізу зразка S. Оскільки в рівновазі (після деформації) F_з = F_в, величину напруги можна визначити як відношення зовнішньої сили F_н до площі поперечного перерізу s = F_н / S.

Уведення понять і кількісний розрахунок усіх механічних властивостей матеріалів засноване на вивченні взаємозв'язку між деформацією й внутрішнім напруженням матеріалів.