5.1.4 Общие понятия механики, биомеханики и морфомеханики
Движение
живой системы или ее частей представляет собой типичное механическое движение.
Поддержание определенной позы, является одним из примеров взаимодействия
материальных тел, составляющих живую систему, с поверхностью опоры.
Механическое движение и взаимодействие материальных тел изучается механикой в
основе, которой лежат законы Ньютона. Напомним, что зависимости от характера
рассматриваемых вопросов, механику принято подразделять на статику, кинематику
и динамику. Статика изучает условия равновесия материальных тел под действием
сил. Кинематика рассматривает общие геометрические свойства движения тел.
Динамика исследует движение материальных тел под действием сил (Тарг С.М.,
1998).
Как
можно заметить из приведенных выше определений, живые системы, включая
человека, в вопросах движения и состояния покоя, полностью подпадают под
«юрисдикцию» механики. Вместе с тем в биологии и медицине, в частности, была
введена особая дисциплина, решающая практически те же задачи – биомеханика. По
нашему пониманию, главной из причин ее выделения как науки, было неуловимое
отличие живого от неживого, а также особая сложность устройства живых систем.
Думается, что в вопросах изучения поз и движений живой системы, необходимо
придерживаться подходов классической механики. Попытки исследовать типичные
механические движения не с позиции механики, приводит к выводу об
исключительности движений живых систем. Это привносит некую двусмысленность в
получаемые результаты, а сами живые системы, как бы выпадают, из поля действия
законов Ньютона. Поэтому, не отрицая необходимость, биомеханики как науки, мы
считаем, что ее методы и понятия все-таки должны быть те же, что в классической
механике.
Ранее,
в главе 1, приводились несколько современных определений биомеханики, которые подчеркивали
отсутствие единого мнения на нее как науку. С целью уточнения позиции автора
приводим собственное определение:
Биомеханика – раздел биофизики, изучающий физические
свойства, явления и взаимодействия живых систем.
Из
приведенного определения явствует, что биомеханика отличается от классической
механики, прежде всего тем, что рассматривает только живые системы, их
механические движения и взаимодействия. Касательно отдельных явлений, она может
рассматриваться как частный случай классической механики или физики вообще. В
то же время, изучая механические отправления живых систем и их строение с
позиции механики, она можно считаться и разделом физиологии, и анатомии
одновременно. Биомеханика — это наука, возникшая на стыке физики, физиологии и
анатомии.
Биомеханика
как наука, изучающая физические явления, должна оперировать теми же понятиями,
что и физика (механика), а также использовать свойственные для нее методы
научного познания. Присутствие жизни естественно накладывает ограничения на
методики исследования. Бесспорно, необходим учет этических факторов, а также
элементарного здравого смысла в проведении и постановке экспериментов. Более
всего удовлетворяют этим требованиям наблюдение и моделирование. Именно эти
методы в основном и были использованы при получении представленных в этой главе
данных.
Ключевым
понятием биомеханики, так же как и механики является сила. Силой в механике
называют величину, являющуюся основной мерой механического взаимодействия тел.
Ее действие на тело определяется числовым значением, направлением и точкой
приложения. Основными действиями сил являются деформация тел и изменение их
движения (Тарг С.М., 1998).
Согласно второму закону Ньютона, сила может быть вычислена:
F=ma,
где
m
- масса тела, а – его ускорение.
Принято
различать внешние и внутренние силы. Внешняя сила — это сила, действующая на
какую-либо материальную точку механической системы со стороны тел, не
принадлежащих этой системе. Внутренняя сила - сила, действующая на какую-либо
материальную точку механической системы со стороны других материальных точек,
принадлежащих рассматриваемой механической системе (Чертов А.Г., 1997). Данное
разделение является условным и зависит от того, какая механическая система
рассматривается (Александров А.В. и соавт., 1995).
Абсолютного
покоя не существует. Все материальные тела движутся, различие движения
заключается в определении его скорости относительно избранной системы отсчета и
направлении. В зависимости от направления, выделяют поступательные движения и
вращательные. Направление движения любого тела определяют три линейные и три
независимые угловые координаты. Движение порождается действием силы, она же и
изменяет скорость движения. Мерой изменения скорости является ускорение.
Другим
действием силы является деформация. Деформацией называют изменение размеров и
формы тела под действием силы. Часть суммарной деформации, исчезающая после
снятия нагрузки, называется упругой, а остающаяся после разгрузки –
пластической (Александров А.В. и соавт., 1995). Различают деформацию растяжения,
сжатия, изгиба, кручения, сдвига и наклеп. Строго говоря, все известные виды
деформации можно свести к сочетанию только двух - растяжения и сжатия.
Поведение тела под нагрузкой, а также вид его деформации в значительной степени
определяется механическими свойствами образующего его материала. С некоторыми
допущениями можно выделять упругие, пластические и упругопластические
материалы. Для жидкостей вводится понятие вязкости – отношение напряжения
сдвига к градиенту скорости (Александер Р., 1970). К механическим свойствам
материала относят - прочность, пластичность и хрупкость (Дарков А.В., Шапиро
Г.С., 1989). Важными свойствами являются твердость и упругость. Твердость
определяется, как способность противостоять пластической деформации или
хрупкому разрушению. Вязкость материала это «…способность не разрушаясь,
поглощать механическую энергию деформации» (Любошиц М.И., Ицкович Г.М., 1969).
Материал
считается упругим, если он может выдержать значительную нагрузку и принять
первоначальную форму. При малых напряжениях все твердые тела деформируются
упруго. В пластических же телах энергия побуждающая возвращаться атомы в
первоначальное положение отсутствует. Хрупкие материалы разрушаются на пределе
упругости без явлений пластичности. Жесткие материалы имеют высокий предел
упругости, а затем способны широко пластично деформироваться. Замечено, что
свойства материалов, в том числе и упругие, зависят от направления действия
силы, что определяется как анизотропия. Если модуль пластической деформации
постоянен и изменяется относительно времени, данный материал определяют как
линейно вязкоупругий. В случае же когда модуль пластической деформации является
постоянным относительно величины напряжения, материал считается нелинейно вязкоупругим.
Вязкоупругие свойства материала зависят от температуры, степени кристаллизации.
Вязкость обусловлена энергией необходимой для разрушения. Материал может
считаться вязким, если предел его текучести очень низок и пластическая
деформация возникает при слишком низком напряжении (Вильямс Д.Ф., Роуф Р.,
1978).
Одной из вязких
биологических тканей является синовия. Ярким представителем упругого материала
являются ткани, содержащие большой процент эластина. Хрупким материалом может
считаться костная ткань. В подавляющем же своем большинстве ткани образующие
органы человеческого тела представляют собой упругопластические материалы. В
подобных материалах при достаточно больших нагрузках проявляют как упругие, так
и пластические свойства.
В
сплошном и однородном материале внутренние силы передаются сплошным потоком от
одной части тела к другой. Поток внутренних сил характеризуется значением и
направлением вектора интенсивности внутренних сил. Интенсивность внутренних
сил, передающихся в точке через выделенную площадку, называется напряжением на данной
площадке. Иными словами, напряжение есть количественная мера
интенсивности потока внутренних сил в деформируемом теле. Полное напряжение
на данной площадке может быть разложено на две составляющие нормальное и
касательное напряжение. Вектор первого перпендикулярен выделенной площадке,
вектор второго лежит в ее плоскости. Для трехмерной структуры выделяют два
касательных и одно нормальное напряжение, образующих так называемый тензор
напряжений (Александров А.В. и соавт., 1995).
«Напряжением
в данной точке сечения называется предел отношения элементарной внутренней силы
к площади выделенной в сечении площадки при стремлении последней к нулю». «При
достижении напряжением предельного значения возникают заметные остаточные
деформации или появляются признаки хрупкого разрушения». Предельные напряжения
определяются экспериментально. «Допускаемые напряжения назначают как некоторые
доли от соответствующих предельных напряжений». Растяжение или сжатие — это
такой вид нагружения, при котором в поперечных сечениях возникают только
нормальные внутренние силы, ориентированные вдоль оси, продольно (Любошиц М.И.,
Ицкович Г.М., 1969).
Не
менее важным является понятие о моменте силы относительно точки. Различают
центр момента – точку, относительно которой берется момент и момент силы,
относительно этой точки. Перпендикуляр из центра момента на линию действия силы
называют плечом силы. Если под действием приложенной силы тело может совершать
вращение вокруг некоторой точки, то момент силы характеризуется вращательным
эффектом силы. Для равновесия любой системы сил необходимо и достаточно, чтобы
главный вектор этой системы сил и ее главный момент относительно любого центра,
были равны нулю (Тарг С.М., 1998). В свою очередь главный момент системы сил
относительно центра равен сумме моментов всех сил системы относительно данного
центра (Чертов А.Г., 1997).
На
практике понятие о моменте сил ярко иллюстрируется работой рычага - простейшего
механизма, служащего для преобразования силы. Рычаг — это твердое тело,
способное вращаться вокруг неподвижной опоры. В рычаге различают плечи, точку
опоры или ось вращения, точки приложения сил и центр тяжести рычага. Плечом
рычага является расстояние от точки опоры до точки приложения силы. С этим
понятием связано представление о плече силы – кратчайшем расстоянии от оси
вращения до направления действия сил. Плечи сил изменяются пропорционально углу
поворота рычага, в то время как плечи рычага остаются неизмененной длины.
Различают рычаги первого и второго рода. В рычаге первого рода силы к нему приложены
по обе стороны от точки вращения, действуя в одном направлении. В рычаге
второго рода силы приложены по одну сторону от точки опоры и действуют в
противоположных направлениях (Рис.5.1). Независимо от рода рычага для его
равновесия необходимо, чтобы алгебраическая сумма всех сил и алгебраическая
сумма всех моментов относительно оси вращения равнялись нулю (Гаузнер С.И. и
соавт., 1972).
 |
| Рис.5.1. Схемы рычагов а) рычаг первого рода, b) рычаг второго рода. |
В
ОДА практически все подвижные сочленения можно представить в виде рычагов.
Встречаются рычаги, как первого, так и второго рода. В частности, голеностопный
сустав является представителем рычага первого рода, а позвоночно-реберные
суставы рычаги второго рода. В отдельных случаях род рычага меняется в
зависимости от условий нагрузки кинематической пары. Примером может служить
локтевой сустав. Так при удержании груза кистью, при согнутом локтевом суставе,
он представляет собой рычаг второго рода. В положении «упор лежа» означенный
сустав работает как типичный рычаг первого рода (Иваницкий М.Ф., 1985).
Оси
вращения рычагов ОДА совпадают с центрами вращения суставов. Вследствие сложной
формы суставных поверхностей центр вращения зачастую подвижен в пространстве,
как например центр вращения коленного сустава - образующий центроиду (Рис.2.37,
2.38). Точками приложения сил являются области прикрепления связок, мышц и их
сухожилий, а также центры масс сегментов. Вследствие нестабильности положения
центров вращения суставов, длина плеч рычагов меняются в зависимости от угла
поворота в суставе.
Движение,
сообщаемое системе действующими силами, зависит от суммарной массы и ее
распределения. Масса системы равна арифметической сумме масс всех точек или
тел, образующих систему (Тарг С.М., 1998). Понятие о массе тела не совпадает с
понятием о его весе. Вес тела является силой, с которой тело действует на опору
или подвес вследствие его притяжения к Земле. Центром тяжести или центром масс
материальной системы (или тела) называется неизменно связанная с данной
системой (телом) точка, через которую проходит равнодействующая сил тяжести,
действующих на частицы этого тела (при любом положении тела в пространстве).
Положение центра тяжести совпадает с центром инерции (Гаузнер С.И. и соавт., 1972).
Силы инерции, возникающие при движениях тела или его частей, приложены к центру
инерции (центру масс). Инертность тела выражается его массой. Инертность
определяется как свойство материального тела, проявляющееся в сохранении
движения, совершаемого им при отсутствии действующих сил, и в постепенном
изменении этого движения, когда на тело начинает действовать силы (Чертов А.Г.,
1997).
Равновесие
рычага находится в зависимости от расположения центра его тяжести, по отношению
к точке опоры. Различают устойчивое равновесие, при малом отклонении тела из
данного положения оно пытается к нему вернуться. Неустойчивое равновесие
характеризуется тем, что при отклонении тела оно стремится удалиться от
положения равновесия. Отсутствие у системы тенденции ни к возвращению, ни к
удалению от положения равновесия, называется безразличным. Равновесие рычага
будет устойчивым, если центр его масс расположен ниже точки опоры. Неустойчивое
равновесие рычага наблюдается при размещении центра масс выше точки опоры.
Совпадение центра масс с точкой опоры обуславливает безразличное положение
рычага (Гаузнер С.И. и соавт., 1972).
В
живых системах действие сил приводит не только к изменению их движения и формы,
но и строения. Изменения строения могут быть как качественные: изменения
физических, химических свойств, так и количественные - увеличение или
уменьшение общего объема, массы отдельных элементов. Изменение строения живых
систем под действием сил является третьим эффектом их механического
взаимодействия с материальными телами. Думается, что именно этот эффект и есть
кардинальное отличие живого от неживого.
В
предыдущих главах было продемонстрировано наличие влияния действующих сил на
клетки, ткани и целые органы. Современная морфология накопила обширный фактический
материал о зависимости строения живых систем от воздействующих на них сил. При
этом изменения, наблюдающиеся в живых системах, происходят на всех уровнях без
исключений. Они могут быть как следствием банальной деформации, так и
результатом ряда сложных многоступенчатых биологических процессов. Строго
говоря, сила неким образом инициирует тот или иной биологический процесс.
Мишенью действия силы может быть только клетка, именно она, являясь
элементарным кирпичиком и функциональной единицей живого, реализует
биологические процессы.
Силы воздействуют на нижнюю конечность, а также ТБС, не только как на механическую систему. На действие силы реагируют образующие их клетки, ткани и структуры. Предшествующими исследователями строения ТБС было обращено особое внимание на связь между действующими силами и архитектоникой образующих его костей. Эти некоторые другие наблюдения позволили сформулировать закон трансформации костной ткани (Закон Вольфа). Однако вопросов в отношении механического взаимодействия живых систем с другими материальными телами не уменьшилось. Необходимость дальнейшего изучения влияния на морфологию живых систем механического фактора обусловил появление, новой науки – морфомеханики. Она представляет собой синтез классической механики и морфологии. Главной ее задачей является изучение третьего, особого эффекта механического взаимодействия живой системы с другими материальными телами, а именно эффекта трансформации живой материи, вследствие влияния механического фактора на биологические процессы. Таким образом, морфомеханику можно определить как - раздел биофизики, изучающий влияние механического фактора на протекающие в живых системах биологические процессы. Это наука о трансформациях живых систем под воздействием механического фактора. Последующие рассуждения и факты явятся дополнительными свидетельствами в пользу наших представлений о действии механического фактора на живые объекты.
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