Рассуждение о морфомеханике. 1.1.1 Механический фактор

 

Глава 1.

Синтез механики и морфологии 

1.1 Общие положения механики и морфологии

1.1.1 Механический фактор

Все живое на Земле постоянно испытывает влияние внешних и внутренних сил, сил - являющихся мерой механического действия одного материального тела на другое. Механического воздействия биологические объекты не смогли избежать на всех этапах своей эволюции. С его учетом они сформировались в конкретные формы в филогенезе, и изменяются в соответствии с ним в онтогенезе. Поэтому, думается правомерно считать механические влияния таким же фактором внешней среды живых систем как температуру, влажность, освещенность, радиоактивный и электромагнитный фон. Данный фактор мы назвали механическим, определяя его как совокупность всех механических воздействий на живую систему.

Механический фактор постоянная и, пожалуй, наиболее значимая компонента окружающего материального мира. Среди всех известных факторов среды обитания, исключительную роль и стабильность механическому фактору, придает его гравитационная составляющая. Жизнь, в известных нам формах, вне пределов планетарных систем невозможна, соответственно гравитация, а значит и механический фактор объективная реальность для всех живых систем.

Человек - живая система, поднявшаяся на вершину биологической эволюции, не исключение. Участие механических сил в становлении и совершенствовании его как биологического вида, представляется столь же значительным, как и мыслительная деятельность. Более того, механический фактор играет важную роль в развитии многих заболеваний. В определении значения механического фактора для живых систем нам видится главный смысл грядущего рассуждения.

В современной медицинской и биологической литературе, влияние механического фактора на организм, или если говорить более широко, живую систему, принято обозначать нагрузкой. При этом под нагрузкой, понимается воздействие механических сил (Богоявленский И.Ф., 1976).

Силы, действующие на живую систему, впрочем, как и на неживую, принято подразделять на внешние и внутренние (Беленький В.Е., Куропаткин Г.В., 1994). Внешняя сила в физике определяется как «...сила, действующая на какую-либо материальную точку механической системы, со стороны тел, не принадлежащих рассматриваемой механической системе…», а внутренняя как «...сила, действующая на какую-либо материальную точку механической системы со стороны других материальных точек, принадлежащих рассматриваемой механической системе» (Чертов А.Г., 1997).

Основными действиями сил, являются деформация тел и изменение их движения (Тарг С.М., 1998). Деформации есть эффект действия сил, мерой же количества силы, действующей на каждую единицу материала, именуют напряжением (Вильямс Д.Ф., Роуф Р., 1978). Понятие о напряжении одно их краеугольных в механике. Важность его для биологии не менее значима. Между элементами, образующими ткани человека и прочих живых систем, действуют внутренние силы, которые изменяются при нагрузке, и передаются потоком из одной области тела в другую. При этом на любой малой площадке воображаемой плоскости сечения твердого тела поток внутренних сил характеризуется определенным значением и направлением вектора их интенсивности. Таким образом, напряжение можно также определить, как - интенсивность внутренних сил, передающихся в точке через выделенную площадку. В объеме выделяется три взаимно перпендикулярных составляющих полного напряжения: нормальное и два касательных. Вектор нормального напряжения перпендикулярен избранной плоскости, а вектора касательных лежат в ней. Их совокупность образуют тензор напряжений (Александров А.В. и соавт., 1995).

Приведенные выше определения допустимо распространять и на живые системы. К внешним силам, действующим на человеческое тело, можно отнести - силу тяжести Земли, силы воздействия гравитирующих небесных тел - Солнца, Луны, планет солнечной системы, аэродинамические силы, силы инерции, реакции опоры, трения, силы воздействия внешних материальных тел включая биологические объекты, атмосферное давление, а в ряде случаев, силы давления воды, гидродинамические силы. К внутренним силам следует причислить - силы упругости тканей, давления близлежащих органов, силы, развиваемые различными сократительными элементами, силы давления газов, жидкостей в полых органах, силы поверхностного натяжения, силы реакции, силы трения.

Способность к независимому, целенаправленному перемещению живой системы в целом или ее частей, одно из важнейших ее свойств. Оно присуще подавляющей части представителей царства животных. Движения порождаются внешними и внутренними силами, приложенными к составным элементам организма.

Действующие на тело и в теле человека силы не только вызывают изменение скорости его перемещения или его частей, но и деформацию образующих организм структур. Все органы и ткани, равно как и составляющие их клетки, волокна и кристаллы, находящиеся под нагрузкой, деформируются строго определенным образом в соответствие со своими механическими свойствами, и тем самым, физически реагируют на приложенную силу. Забегая несколько вперед, здесь следует отметить, что кроме как деформацией, ткани могут реагировать на действие механического фактора различного рода биологическими процессами и реакциями.

Основными видами деформации являются - деформация сжатия, растяжения, сдвига, кручения и изгиба (Александров А.В. и соавт., 1995), последние три вида можно рассматривать как сочетание двух первых. Обращает на себя внимание тот факт, что ткани, принимающие участие в построении тела живой системы, имеют различные механические свойства. Они неким образом соотносятся с величиной и направлением действующих на них сил, вызывающих тот или иной вид деформации характерный именно для них. Примерами органов, испытывающих преимущественно растягивающие нагрузки, являются мочевой пузырь, желудок, пищевод, кишечник, легкие, кровеносные сосуды. Деформация растяжения для них наиболее характерна. В противоположность им зубы, хрящи, кости воспринимают, прежде всего, сжимающие нагрузки. Для них наиболее характерна деформация сжатия.

Так, например, в жевательном движении нагрузка в области резцов составляет около 100-250 Н, а при максимальном усилии, сжатие в области коренных зубов достигает 1500 Н (Дудель Й. и соавт., 1996). В нормальных условиях, среднее артериальное давление в восходящей аорте, растягивающее ее стенку изнутри, у молодого человека составляет 100 мм рт. ст. или 13300 Н/м², а в артериолах 30-35 мм рт. ст. (Циммерман М. и соавт., 1996). В соответствии с этим, строение и форма указанных органов как нельзя более всего приспособлены противостоять деформациям сжатия и растяжения. Соответственно коренные зубы больше, прочнее и надежнее закреплены, нежели чем резцы, а стенка аорты толще, прочнее, сложнее устроена, чем стенка артериолы.

Даже при таком поверхностном анализе, напрашивается вывод о неком соответствии строения и формы органа, либо его элемента, обычно воздействующей на него нагрузке. Обнаруживаемая зависимость нагрузки и строения живых объектов не нова, в частности «...по-видимому, первым, кто рассматривал связь формы костей с механическими условиями, в которых они находятся, был Галилей (1638)» (Образцов И.Ф., Ханин М.А., 1989). На механическое значения формы костей, также указывал Monro (1776). Bell (1827) и Bourgery (1832) считали, что трабекулярная архитектура кости есть результат влияния механических сил, полагая, что это увеличивало прочность относительно количества используемого материала (Martin R.B. et al., 1998).

Действительно, наиболее приспособленными к восприятию различного вида нагрузок, являются элементы опорно-двигательной системы (ОДС). Это связано с тем, что, она выполняет, прежде всего, опорную, защитную и двигательную функции, отправление которых связано с нейтрализацией как внешних, так и внутренних сил. Кроме этого, функционирование органов желудочно-кишечного тракта, мочевыводящей, кровеносной, дыхательной и некоторых других систем, так или иначе, то же связано с действием нагрузок.

Механические явления, происходящие в органах и тканях, в основном рассматривают две научные дисциплины - физиология и биофизика. Биофизика определяется как «...наука, изучающая физические и физико-химические процессы, которые протекают в биологических системах на разных уровнях организации и являются основой физиологических актов» (Губанов Н.И., Утепбергенов А.А.М., 1978). Известно и другое определение биофизики, по Ю.А.Владимирову и соавт. (1983) «…это наука, изучающая физические свойства биологических объектов, физические и физико-химические процессы, протекающие в этих объектах и лежащие в основе их функционирования».

«Раздел биофизики, изучающий механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также физические явления, происходящие в них в процессе жизнедеятельности и перемещения тела в пространстве» согласно принятому сейчас определению, изучает биомеханика.*

Существуют и другие мнения по поводу определения предмета биомеханики. В частности, В.А.Богданов (1976) считает, что современная биомеханика это «…раздел биофизики, который изучает простейшие (механические) формы движения материи в живом организме».

F.Copf, U.Holz (1994) под биомеханикой понимают механику, соответственно законы и методы механики, которые применяются к биологическим структурам. По мнению данных авторов, биомеханика – это отрасль науки, которая помогает понять способ функционирования здоровых органов, предсказывает реакции на изменения, базирующееся на физических законах и предоставляет методы, на основании которых возможна их коррекция.

В.С.Гурфинкель (1970) определяет биомеханику «…как раздел биофизики, изучающий механические свойства живых тканей и органов, а также механические явления, происходящие в них в процессе жизнедеятельности».

По Д.Д.Донскому, В.М.Зациорскому (1979) «биомеханика – наука о законах механического движения в живых системах».

«Биомеханика – наука, изучающая жизнедеятельность животных и человека с позиций механики и ее смежных областей» читаем в труде «Клиническая биомеханика» (1980).

Л.П.Николаев (1947) приводит следующее определение – «биомеханика есть раздел механики (то есть физики), трактующий о статических, кинематических и кинетических явлениях у человека и животных».

«Биомеханика является разделом физиологии, в котором излагается применение законов механики к телу человека» (Недригайлова О.В., 1967).

Согласно Д.Д.Донскому (1981) биомеханика в целом изучает законы механического движения в живых системах, а именно в организме в целом, в отдельных его частях (подсистемах), а также в объединениях организмов.

Известно и другое мнение, «основные задачи, решаемые биомеханикой, посвящены изучению двигательных функций, таких как координация движений, статокинетическая регуляция и т.д.» (Вибрационная биомеханика..., 1989).

С точки зрения М.Ф.Иваницкого (1948) задачей биомеханики является «…изучение «усилий», испытываемых при том или ином движении всем телом и его отдельными звеньями».

У Л.П.Николаева (1947) находим - «биомеханика изучает условия, при которых тело человека или животных пребывает в равновесии при неподвижном состоянии (статика) осуществляет различные виды движений (кинематика) и проявляет силовые воздействия или подвергается им (кинематика)». Автор различает следующие разделы биомеханики – общую биомеханику, патологическую биомеханику, а также частную биомеханику, изучающую биомеханические особенности отдельных частей тела. Еще одним ее разделом является гистомеханика, она «…рассматривает значение силовых воздействий на возникновение определенных тканевых структур». Отдельных аспектов биомеханики в своих трудах затрагивали Гиппократ, Аристотель, Гален, Леонардо да Винчи, Виллис, Галилей, Борелли. Известны работы по гистомеханики – Мейера, Кульмана, Хютера, Фолькмана, Ру, Вольфа, Гебхардта, Томаса, Вейтольдта, Лесгафта и его учеников, они касались преимущественно строения костной ткани.

О.В.Недригайлова (1967) выделяет нормальную и патологическую биомеханику. «Нормальная биомеханика изучает биомеханические особенности тела здорового человека». Она в свою очередь подразделяется на общую, частную биомеханику, а также гистомеханику. «В разделе общей биомеханики излагаются общие данные о применении законов механики к телу человека». «В разделе частной биомеханики трактуются вопросы о биомеханических особенностях отдельных систем и частей тела». «Раздел гистомеханики посвящен изучению механических свойств различных тканей опорно-двигательного аппарата…» в нем «…рассматривается также влияние весовой нагрузки, мышечной тяги и других силовых воздействий на строение тканей, в частности на архитектонику костей, хрящей, связок, сухожилий». «Патологическая биомеханика (патомеханика) изучает биомеханические особенности у больных с нарушением целостности или заболеваниями опорно-двигательного аппарата». В патомеханике различают те же разделы, что и в нормальной биомеханике. «Специальным разделом является биомеханика протезирования и аппаратотерапии».

Особым разделом является ортопедическая биомеханика, она определяется как «…наука, изучающая ортопедические аспекты функционирования биологических тканей, органов и систем на основе методов теоретической и экспериментальной механики» (Смирнов Г.В., 1997).

З.М.Мителева и соавт. (1982) также различает ортопедическую биомеханику, и видит основную ее задачу в оценке механических свойств и процессов, характерных для опорно-двигательного аппарата (ОДА) и его подсистем в условиях нормы и патологии.

Выделяется клиническая биомеханика (Менделевич И.А. и соавт., 1980), а также биомеханика спорта, как особое функционально-анатомическое направление в биомеханике (Донской Д.Д., 1981).

Известен самостоятельный раздел - вибрационная биомеханика, рассматривающий «…участие широкого частотного спектра волновых и вибрационных процессов в функционировании биосистем» (Вибрационная биомеханика..., 1989).

Кроме этого, в научной литературе присутствует также ряд других терминов, обозначающих разделы биомеханики, изучающие патологию. В частности, термин «патобиомеханика» мы находим в предисловии О.Г.Когана к книге Л.Ф.Васильевой (1996). Известен термин производный от «патобиомеханика» – «патомеханика» (Тыльман Д., 1973). Термином – «патобиомеханический» широко пользуются в своей работе А.Ф.Галямов и соавт. (2001). Понятием «морфо-биомеханический» оперирует Г.В.Лобанов (1996).

Как можно заметить, механика и биология связаны меж собой не только в природе, но и на страницах научных работ. Это подчеркивает наличие у современных исследователей представления о влиянии механического фактора на живые системы, как в норме, так и патологии, что закреплено в научных терминах. В то же время, общепринятого определения биомеханики как науки не выработано, впрочем, как и круга решаемых ею задач. Более того, также не определено место биомеханики среди биологических наук. Остается не ясным, раздел ли это физиологии, биофизики или механики. Учитывая клиническую направленность отдельных разделов биомеханики, вполне обоснованно ее относить к медицинским наукам.

---

* Энциклопедический словарь медицинских терминов: В 3-х томах. / Гл. ред. Б.В. Петровский. - Т.1. - М.: Советская энциклопедия, 1983. - С. 137.

««назад || СОДЕРЖАНИЕ КНИГИ || вперед»»

                                                                     

Автор:

Архипов С.В. – С.В. Архипов-Балтийский является псевдонимом, который использовался до начала 2006 года с целью более точной дифференцировки на научном поле.

Цитирование:

Архипов-Балтийский СВ. Рассуждение о морфомеханике. Норма. В 2 т. Т. 1. Гл. 1-4. - Испр. и доп. изд. Калининград, 2004. [aleph.rsl.ru]

Архипов-Балтийский СВ. Рассуждение о морфомеханике. Норма. В 2 т. Т. 2. Гл. 5-6. - Испр. и доп. изд. Калининград, 2004. [aleph.rsl.ru]

Примечания:

Первая крупная публикация автора, посвященная морфомеханике живых систем, биомеханике пояса нижних конечностей и связки головки бедра, ligamentum capitis femoris (LCF).

Ключевые слова

ligamentum capitis femoris, ligamentum teres, связка головки бедра, анатомия, морфомеханика, биомеханика

СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Биомеханика и морфомеханика