6.2.7 Средние напряжения в
волокнистых хрящах
Наиболее близкими к связкам и
сухожилиям по своему строению являются структуры ОДС, состоящие из волокнистого
хряща. К таковым, как известно, относятся мениски, межпозвонковые диски,
лобковое сращение, вертлужная губа и ряд других образований. В отношении их,
так же как и в отношении костей, сухожилий и связок, отмечается зависимость
строения от средних напряжений.
Для волокнисто-хрящевых элементов,
расположенных внутри суставов характерной особенностью, является гладкая
поверхность. Именно такая, без неровностей поверхность обеспечивает отсутствие
зон концентрации напряжений и низкий коэффициент трения. Соответственно
оказываются низкими по величине касательные напряжения в волокнисто-хрящевых
структурах.
Как правило, все внутрисуставные
волокнисто-хрящевые элементы испытывают действие сжимающих и растягивающих сил.
Адаптацией к значительным сжимающим нагрузкам является увеличение площади их
контакта с суставными концами костей. В связи с этим, как в тех, так и в других
снижается уровень напряжений за счет того, что давление распределяется на
большую площадь. Практически все внутрисуставные волокнисто-хрящевые элементы
имеют уплощенную форму поверхности, соответствующей контактирующей суставным
концам костей. Наличие у волокнистого хряща свойства упругой эластичности
позволяет структурам, состоящим из него адекватно приспосабливаться к текущим
изменениям формы суставной поверхности. Следовательно, даже при движениях в
суставе, когда с волокнисто-хрящевыми структурами контактируют различные по
форме участки суставных концов костей действующие напряжения остаются
приблизительно одинаковыми.
В качестве примера можно привести
функционирование менисков коленного сустава. Смещаясь в различные фазы
движения, мениски не только подвергаются сжатию и растяжению, но также и
изгибаются в соответствии с кривизной контактирующих с ними суставных
поверхностей. Форма сочленяющихся в коленном суставе концов бедренной и
большеберцовой костей такова, что в момент наибольшей нагрузки они контактируют
максимальной площадью поверхности. При этом часть нагрузки воспринимают
мениски, которые под ее действием смещаются к периферии сустава. Вследствие
чего, в них возникают кроме сжатия, еще и растягивающие усилия, обуславливающие
появление концентрических потоков внутренних сил. Анализ строения менисков
свидетельствует, что в точном соответствии с потоками внутренних сил в их толще
имеются циркулярно расположенные коллагеновые волокна. Кроме этого, в менисках
обнаруживаются и вертикальные волокна, сонаправленные потокам внутренних сил,
возникающих при сжатии менисков между суставными концами костей. Осевую
жесткость вертикальным волокнам придает скрепление их основным веществом. Оно
же, в значительной степени, предопределяет общие упругие свойства менисков, их
способность противостоять сжатию. Смещение менисков к периферии сустава и
обратно порождает в них еще и радиальные потоки внутренних сил. Их ориентация
совпадает с ходом радиальных коллагеновых волокон, пересекающих вышеуказанные
под прямым углом. Следовательно, каждый из потоков внутренних сил, возникающих
в менисках, отражается на их внутреннем строении. Влияние каждого из потоков равнозначно
несмотря на то, что порождающие их силы могут быть как растягивающие, так и
сжимающие, то есть иметь разный знак. Как видно потоки внутренних сил не
взаимодействуют друг с другом, что отражается на их материализации – ориентации
волокнистых структур.
Силы, действующие на мениски, а
значит и возникающие в них потоки внутренних сил, непостоянны во времени. Они
возникают как при пассивных, так и активных движениях в суставе. В свою очередь
движения процесс периодический. В одну их фазу в менисках появляются
циркулярные потоки внутренних сил, в другую вертикальные, в третью -
радиальные. Также закономерно изменяется интенсивность внутренних сил. При
неподвижности сустава, в зависимости от угла сгибания в нем, отдельные потоки
могут вообще исчезать. Следовательно, непостоянна и величина действующих в
мениске напряжений. Существование человека в относительно одинаковых условиях,
с однотипной физической нагрузкой, в течение достаточно длительного времени
позволяет говорить о том, что и мениски, представляющие собой
волокнисто-хрящевые образования, адаптированы к средним напряжениям. В связи с тем,
что строение нижних конечностей у особей одного вида одинакова, одинаковы и потоки
внутренних сил в менисках, одинаково и их внутреннее строение.
Другим примером влияния средних
напряжений на волокнисто-хрящевые структуры является строение и форма
вертлужной губы. Обе ее поверхности гладкие как та, что соприкасается с
суставной сумкой, так и та, что контактирует с ГБК. Представляя собой
упруго-эластическое кольцо ТБС, вертлужная губа участвует в удержании ГБК в ВВ.
Эта ее функция наблюдается в фазу переноса конечности во время локомоций и в
одноопорном ортостатическом положении - ГБК стремиться сместиться в латерально,
встречая на своем пути вертлужную губу. При этом последняя растягивается в двух
направлениях – радиально и циркулярно. В ней возникают пресекающиеся, но не
взаимодействующие потоки внутренних сил радиальные и циркулярные. В
соответствии с ними, в вертлужной губе возникают и существуют две системы
волокон – радиальная и циркулярная. Так как сила сжатия вертлужной губы между
суставной сумкой и ГБК невелика, выраженной третьей системы коллагеновых
волокон не формируется. Воздействие ГБК на вертлужную губу непостоянно, как и
возникновение в ней потоков внутренних сил. Они, как уже было сказано,
появляются при неопорном состоянии нижней конечности. В период опоры, когда ГБК
прижимается к ВВ, величины действующих напряжений в вертлужной губе уменьшаются
практически до нуля.
В фиброзном кольце межпозвоночного
диска, образованного из волокнисто-хрящевой ткани, также отмечается зависимость
внутреннего строения от возникающих в нем потоков внутренних сил. Несмотря на
то, что межпозвоночные диски испытывают преимущественно сжатие, в их фиброзных
кольцах действуют значительные растягивающие силы. Основную сжимающую нагрузку
воспринимает студенистое ядро, которое изнутри стремиться растянуть фиброзное
кольцо. В соответствии с возникающими в нем циркулярными потоками внутренних
сил ориентируется часть волокон, располагающихся циркулярно. Непосредственное
сжатие фиброзного кольца в вертикальном направлении обуславливает наличие
косо-вертикальных волокон. По нашему мнению, подобное расположение части
коллагеновых волокон связано с тем, что вертикальная нагрузка на диск, как
правило, сопровождается его скручиванием вокруг вертикальной оси. Это
предопределяет появление потоков внутренних сил в направлении близким к
спиральному.
Соединение волокон фиброзного
кольца между собой основным веществом хрящевой ткани, придает первым осевую
жесткость, а второй необходимую упругость и способность противостоять сжатию.
Потоки внутренних сил в межпозвонковом диске появляются и исчезают в
зависимости от действующей на позвоночный столб нагрузки. Соответственно и
величины действующих в дисках напряжений переменны. Они уменьшаются в периодах
покоя и во сне, возрастают при физической нагрузке. Однако средние напряжения
остаются постоянными, если образ жизни и физическая активность субъекта не
изменяется. Именно к ним, как мы считаем, и адаптированы межпозвонковые диски.
Значительные усилия испытывает и
межлобковый диск. В фазу опоры на две ноги, происходит сближение лобковых
костей, что обуславливает сжатие межлобкового диска. При этом жидкость,
находящаяся в нем, приводит к его растяжению изнутри, появлению концентрически
расходящихся волн внутренних сил. В соответствии с ними часть волокон обретает
циркулярное направление. В фазу переноса нижней конечности, лобковые кости в
области лобкового сращения, отдаляются друг от друга, растягивая
волокнисто-хрящевую ткань межлобкового диска. Вследствие чего в нем,
циклически, появляются значительные растягивающие усилия, порождающие потоки
внутренних сил, имеющие направление от одной кости к другой. В этом же
направлении ориентирована часть волокон межлобкового диска.
Все сказанное подтверждает точку
зрения о том то, что адаптация волокнисто-хрящевых образований происходит
именно к средним напряжениям, доказывает равнозначность влияния на их
внутреннее строение различных по направлению потоков внутренних сил. Так же как
и в костных и соединительнотканных структурах, в элементах ОДС образованных из
волокнистых хрящей, волокна ориентируются параллельно потокам внутренних сил.
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
Биомеханика и морфомеханика