Трещины

При разрушении однородных тел процесс образования и разви­тия трещины зависит от типа деформации. Схема основных час­тей трещины и их различные типы представлены на рис. 11.9,11.10.

Для наглядности в вершине трещины (рис. 11.10) помещена трехмерная система координат. Если деформация определяется си­лами, ориентированными по направлению ОУ, то края трещины симметрично расходятся в противоположных направлениях (I тип).

Если края трещины и ее поверхности скользят друг по другу в направлении ОХ (поперек фронта трещины), то возникают де­формации поперечного сдвига (II тип).

В случае, когда края и поверхность трещины движутся относи­тельно друг друга в направлении OZ (т. е. вдоль фронта трещины,

параллельно ему) формируются деформации продольного сдвига (III тип).

Зарождение трещины и ее рост приводят к изменению конст­рукционных качеств деформируемого тела и могут закончится раз­рушением тела.

Ниже для примера рассмотрены повреждения, характерные для длинных трубчатых костей. Разрушения таких костей можно

рассматривать как разрушения стержня при воздействии нагру­зок в продольном или поперечном направлениях.

Продольные нагрузки (сжатие) возникают, например, при па­дении на кисть вытянутой руки, на руку, согнутую в локтевом сус­таве или на согнутое колено (рис. 11.11).

В спортивной практике часто имеет место повреждение костей вследствие их изгиба под влиянием внешнего воздействия. Зона начала разрушения диафиза длинной трубчатой кости при изгибе располагается на выпуклой стороне (рис. 11.12.) дуги, где сосре­дотачиваются наибольшие значения растягивающих напряжений.

Другой вид повреждений больших трубчатых костей, сопровож­дающийся множественными переломами, возникает при ударе тупым предметом (рис. 11.13).

11.6. Механические свойства биологических тканей

Структура материала является главным фактором, опреде­ляющим его механические свойства и характер процесса разруше­ния. Большинство биологических тканей являются анизотропными композитными материалами, образованными объемным сочета­нием химически разнородных компонентов. Состав каждого типа ткани сформировался 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 (отсюда и произошел термин «опорно-двигательный аппарат»). У взрослого человека скелет ве­сит около 12 кг (18% общего веса).

В компактной костной ткани половину объема составляет неор­ганический материал, минеральное вещество кости — гидрокси-лапатит. Это вещество представлено в форме микроскопических

кристалликов. Другая часть объема состоит из органического ма­териала, главным образом коллагена (высокомолекулярное со­единение, волокнистый белок, обладающий большой эластично­стью). Способность кости к упругой деформации реализуется за счет минерального вещества, а ползучесть — за счет коллагена.

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

Механические свойства костной ткани зависят от многих фак­торов: возраста, заболевания, индивидуальных условий роста. В норме плотность костной ткани 2400 кг/м³. Модуль Юнга Е = 10'°Па, предел прочности при растяжении о_п = 100 МПа, от­носительная деформация достигает 1 %.

При различных способах деформирования (нагружения) кость ведет себя по-разному. Прочность на сжатие выше, чем на растя­жение или изгиб. Так, бедренная кость в продольном направлении выдерживает нагрузку 45000 Н, а при изгибе — 2500 Н.

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. Так, например, в головке бедрен­ной кости под каждую нагрузку формируется своя структура — так называемая ферма Мичелла. Все эти фермы связаны между собой и образуют сложную структуру (рис. 11.14).

Одной из важных особенностей конструкции костей скелета яв­ляется галтельность, т. е. скругление внутренних и внешних углов. Галтельность повышает прочность и снижает внутренние напря­жения в местах резкого перехода.

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 твердости. На рис. 11.15 приведена схема топогра­фии разнотвердостных зон в одном из поперечных сечений боль-шеберцовой кости.

Кожа

Кожа представляет собой не только совершенный покров тела, но является сложным органом, выполняющим важные функции: поддержание гомеостаза; участие в процессе терморегуляции, регу­ляция общего обмена веществ в организме, секреторная функция (работа сальных и потовых желез), защита от повреждающего дей­ствия механических, физических, химических, инфекционных агентов. Она представляет собой обширное рецепторное поле, вос­принимающее извне и передающее в ЦНС целый ряд ощущений. Кожа — граница раздела между телом и окружающей средой, по­этому она обладает значительной механической прочностью.

Кожа — самый крупный орган тела, важная анатомо-физиоло-гическая часть целостного организма. При различных заболева­ниях, в том числе и внутренних органов, в коже происходят те или иные изменения.

Кожу часто рассматривают как гетерогенную ткань, состоящую из трех наложенных друг на друга слоев, которые тесно связаны между собой, но четко различаются по природе, структуре, свой­ствам. Схематическое изображение основных трех слоев — эпи­дермиса, дермы, подкожной клетчатки представлено на рис. 11.16.Эпидермис покрыт сверху роговым слоем.

Функции каждого слоя, в том числе и механические, отражают биомеханическую природу ее компонентов и их структурную ор­ганизацию.

Соотношение толщины слоев на различных участках тела раз­лично, что показано для некоторых участков на рис. 11.17.

При исследовании механических свойств кожи с помощью аку­стического анализатора тканей, позволяющего оценивать скорость распространения акустических возмущений звукового диапазона (5—б кГц) была выявлена акустическая анизотропия кожи. Это проявляется в том, что скорость распространения поверхностной волны (V) во взаимно перпендикулярных направлениях — вдоль вертикальной (У) и горизонтальной (X) осей тела различается.

Проявление акустической анизотропии находится в соответст­вии с ориентацией линий естественного натяжения кожи, так на­зываемых линий Лангера. Сопоставление ориентации линий Лан-гера и вида акустической анизотропии показано на рис. 11.19.

Степень анизотропии кожи при некоторых патологиях сильно возрастает. Например, при псориазе, при атопических дерматитах (особенно в областях сгибательных поверхностей) или на коже верхнего века при прогрессирующей близорукости.

На некоторых участках кожи проявляется асимметрия. Так, ко­эффициенты акустической анизотропии на коже голени различны для левой и правой ноги.

Существуют некоторые различия механических свойств кожи в зависимости от пола.

Сжимаемость кожной складки у девушек в области ягодиц боль­ше, чем у юношей. В области задней поверхности шеи, на бедре, бицепсах, в надколенной и икроножной области наоборот, мень­ше у девушек, чем у юношей.

У женщин степень растяжимости кожи выше, а эластичность меньше по сравнению с мужчинами.

На тепловые раздражители реакции кожи (развитие терморе-гуляторных реакций) у мужчин и женщин одинаковы. Холодовые реакции существенно различаются у мужчин и женщин. Причем зимой толерантность к холодовому воздействию существенно вы­ше у женщин. Летом различия менее выражены.

Механические свойства кожи зависят от содержания в ней вла­ги. Влажность окружающей среды существенно влияет на эла­стичность кожи. Все указанные особенности кожи необходимо учитывать при проведении реабилитационных мероприятий, в част­ности, при проведении массажа.