Рассуждение о морфомеханике. 3.14.5 Моделирование формирования суставов

  

3.14.5 Моделирование формирования суставов

Поверхности костей, образующие сустав представляют собой сопряженную пару, одна из них практически всегда выпуклая, а другая вогнутая. Даже в том случае, когда речь идет о плоских суставах, их суставные поверхности рассматриваются как сегменты сферических поверхностей, но с очень большими радиусами кривизны. Вместе с тем закономерность формирования суставных концов костей не совсем понятна, при, казалось бы, одинаковых условиях в отдельных случаях образуется «ямка», а в других «головка».

С целью уточнения механизмов и причин формирования тех или иных суставных поверхностей костей было предпринято моделирование этих процессов в эксперименте.

За основу принят постулат о наличии у кости свойства вязкого течения и возможности ее пластического, необратимого деформирования. В качестве материала использован пластилин детский (ОСТ 6-15-1525-86), используемый применяемый для лепки и моделирования в детском творчестве. С целью уменьшения трения в моделях в узлы подвижности вносилось по несколько капель обычного растительного масла. Пластилин в наших экспериментах имитировал эмбриональный хрящ – предшественник костной ткани, а растительное масло - синовию.

С целью уточнения взаимодействия плоского и цилиндрического объектов, обладающих свойствами пластичности, был поставлен эксперимент №11. В эксперименте планировалось смоделировать возникновение суставных поверхностей ТБС, в котором, как известно, сочленяются плоская и трубчатая кости.

Из согретого при комнатной температуре пластилина была выполнена пластина толщиной 12 мм и диаметром 50 мм, а также цилиндр диаметром 14 мм и длинной 45 мм, имеющий плоские торцы. Пластина размещена на ровной, твердой поверхности, а на нее вертикально установлен пластилиновый цилиндр. После чего, производя некоторое давление по оси цилиндра, осуществлялось его качание в двух перпендикулярных плоскостях и вращение вокруг вертикальной оси. Амплитуда колебаний выдерживалась около 90° в каждой из плоскостей. После несколько десятков циклов бывший плоским нижний торец цилиндра приобрел выпуклую форму в виде сегмента шара, кроме этого, он расширился, став напоминать шляпку гриба. За счет описанной деформации площадь нижнего торца увеличилась, а края заострились и приобрели вид периферических выступов.

В области давления цилиндра на пластилиновую пластину появилась ямка, большая по размерам, чем диаметр нижнего, теперь уже закругленного торца цилиндра. Форма ямки была округлой, с радиусом кривизны несколько большим, чем радиус кривизны нижнего торца цилиндра. Края ямки оказались приподняты, возвышаясь над плоскостью поверхности пластины.

Затем исходные условия эксперимента были восстановлены за исключением того, что цилиндр предварительно охлаждался в морозильной камере бытового холодильника приблизительно в течение 5 минут. Давление и качательные движения более холодного, а, следовательно, менее вязкого пластилинового цилиндра, вызывали формирование ямки с глубиной большей по периферии и выпуклой в центре. Торец же цилиндра практически не деформировался.

Эксперимент был повторен, но охлаждалась уже пластилиновая пластина, что обуславливало уменьшение ее вязкости. Давление на нее более пластичного цилиндра с одновременным качанием в двух перпендикулярных плоскостях и вращению вокруг вертикальной оси, привело к деформации его нижнего торца. Как и в первой части опыта, нижняя часть цилиндра приобрела форму близкую к шляпке гриба. В то время как поверхность пластины не изменилась.

Данным экспериментом было продемонстрировано, что взаимодействие цилиндрического и плоского объектов одинаковой пластичности, приводит к возникновению специфической формы поверхностей контакта. На торце цилиндрического объекта формируется головка, а на поверхности плоского объекта ямка. Головка и ямка взаимодействующих в эксперименте объектов в целом напоминают ГБК и ВВ. Думается, что формирование реальных ГБК и ВВ происходит приблизительно также, вследствие воздействия механического фактора на одинаково пластичные тела. Разность в физических свойствах взаимодействующих объектов может приводить к возникновению поверхностей контакта отличных от нормальной формы суставных поверхностей ТБС.

Следующий эксперимент №12 имел своей целью изучить взаимодействие двух одинаково пластичных цилиндрических тела. Одно их них имело больший диаметр. По нашему мнению, это позволило бы проследить влияние друг на друга зачатков костей различного диаметра.

Из пластилина, имеющего комнатную температуру, были выполнены два цилиндра. Один из них диаметром 22 мм и длиной 40 мм, а другой диаметром 13 мм и длиной 50 мм, оба с уплощенными торцами. Больший по размерам цилиндр установлен вертикально на ровную плоскую твердую поверхность. Сверху на него поставлен, также вертикально, меньший цилиндр. Удерживая одной рукой больший цилиндр, производилось давление на него меньшим цилиндром с одновременным его качанием в двух перпендикулярных плоскостях. Указанные действия приводили к деформации контактирующих торцов и увеличению диаметра соприкасающихся концов цилиндров. После нескольких десятков циклов, верхний торец большего цилиндра приобрел форму сферической ямки, а нижний торец меньшего цилиндра выпуклую округлую форму. Площади обоих торцов увеличивались за счет их расширения, а края нижнего торца меньшего цилиндра заострялись и загибались кверху. Чем больше было число циклов качаний, тем глубже была ямка на большем цилиндре. Радиус кривизны ямки были несколько большими, чем радиус кривизны закругления нижнего торца меньшего из цилиндров. Края ямки возвышались над окружающей плоскостью верхнего торца большего цилиндра. По конфигурации образующаяся поверхность ямки напоминала суставную поверхность седловидного сустава.

Результат эксперимента был практически одинаков вне зависимости от того, какой цилиндр, больший или меньший, был неподвижен, и каким из них оказывалось давление. Если в эксперименте, наряду с качением одной поверхности относительно другой допускалось скольжение, глубина возникающей ямки увеличивалась, а ее кривизна приближалась к кривизне контактирующей с ней поверхности. Данным экспериментом было продемонстрировано, что седловидные суставы возникают при взаимодействии различных по площади торцов объектов.

Эксперимент №13 поставлен с целью уточнения взаимодействия двух одинаковых по размерам и пластичности цилиндрических тел. Данный эксперимент моделировал влияние друг на друга двух приблизительно одинаковых по размерам костей.

Из пластилина комнатной температуры выполнены два одинаковых цилиндра, диаметром 14 мм и длинной 45 мм с плоскими торцами. Один из цилиндров устанавливался вертикально на ровную твердую поверхность и неподвижно удерживался рукой. Второй размещался по оси на его торце. Вдоль длинной оси верхнего цилиндра осуществлялось умеренное давление с одновременным его качанием в одной плоскости в пределах 90°. Так же как и в предыдущих экспериментах, контактирующие концы цилиндров деформировались и расширялись. Торцы обоих цилиндров закруглялись и приобретали одинаковую блоковидную форму. Радиус закругления зависел от числа циклов качания.

Во второй части эксперимента исходные условия восстанавливались. После того как торцы цилиндров приводились в соприкосновение, осуществлялось их сжатие, а также скольжение, сочетающееся с качанием верхнего цилиндра относительно нижнего. Качание осуществлялось в одной плоскости по дуге относительно воображаемой поперечной оси, пересекающей нижний цилиндр. Угол скольжения, сочетающегося с качанием, составлял около 90°.

Оба контактирующих конца деформировались и расширялись. Нижний торец верхнего цилиндра постепенно приобретал вогнутую форму, форму ямки, а верхний торец нижнего цилиндра выпуклую форму, форму головки. Радиус кривизны обеих поверхностей был одинаков. Края торцов оказывались заостренными и обращены вниз. В целом же конфигурация соприкасающихся поверхностей напоминала блоковидный сустав. Обе поверхности были гладкие, однако, намеренно или случайно привнесенная в узел трения песчинка обуславливала появление на них борозды скольжения.

Полученные в результате данного эксперимента формы поверхностей контакта оказались, аналогичными суставным поверхностям близким по размерам костей. Формы подобные естественным, возникали только при скольжении одной поверхности относительно другой.

««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