Механические и динамические свойства тканей

В течение многих лет представители различных научных лабораторий занимались изучением механических свойств мышцы и соединительной ткани. Биофизика — наука, изучающая биологически....





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. 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.).

                                   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 вающая ИЛИ горизонтальная с 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.

Эластичность представляет собой свойство, позволяющее ткани восстановить свою исходную форму или размер после устранения действия силы. Эластичность          определяют количеством                             силыпротиводействия в материале. Поскольку       эластичное

растягивание характеризуется пружинопо-добным поведением, его нередко

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

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.

 

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 параметров как длина, относительная деформация процентной исходной длины. Таким образом 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 Меть юз, 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».

 


 

 

 


Эластичность— 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.

 

 

У Продольное напряжение __ F/A _ FI Продольная деформация L/l AL

Поскольку деформация — соотношение, не имеющее размеров, единицы

Y   идентичны единицам нагрузки, а именно: силадлина-2. Таким образом,

Y   можно выразить так: фунт-дюймА2, Нм~2 или дин-см~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).

                                      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 материал 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.

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 .

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.

Упруго вязкость. 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.

нагрузки и разгрузки . 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.воздействии нагрузок ткани проявляют вязкую деформацию.

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