Рассуждение о морфомеханике. 6.5.3 Расчет среднесуточных напряжений

 

6.5.3 Расчет среднесуточных напряжений

На любой материальный объект, в том числе живые системы, находящиеся вблизи нашей планеты и на ней действует сила тяжести. Под силой тяжести Земли подразумевают силу воздействия гравитирующего тела Земли на притягиваемую массу, складывающуюся из силы ньютоновского притяжения, центробежной силы Земли и притяжения небесных тел (Чертов А.Г., 1997). Сила тяжести в свою очередь определяет вес тел. В Физическом энциклопедическом словаре (1983) читаем, вес – численная величина силы тяжести, действующей на тело, находящееся вблизи земной поверхности. Согласно другому определению, вес тела – модуль равнодействующей сил тяжести, действующих на частицы этого тела (Чертов А.Г., 1997). Следовательно, можно говорить, о том, что вес тела человека и любой живой системы связан с его координатой. Точнее с силой гравитационного взаимодействия тела и планет.

Как известно гравитация – универсальное взаимодействие между любыми видами материи, при этом масса одна из основных характеристик материального объекта, являющаяся мерой его инертности и гравитации. Массы взаимодействующих тел связаны законом всемирного тяготения Ньютона:

F = G(m₁m₂ / r²),

где, F – сила всемирного тяготения, m₁, m₂ - массы взаимодействующих материальных точек, r - расстояние между ними, G - гравитационная постоянная (G = 6.67259×10^-11 Нм²/кг²).

Как указывается в Курсе общей физики (Савельев И.В., 1977), тело, обладающее массой m, действует на опору с некоторой силой F, которая равна произведению массы тела на ускорение свободного падения g (g = 9.83 м/с²), при условии, что тело и опора неподвижны относительно Земли: 

F = mg, 

Любая сила, воздействующая на тело, может быть вычислена по второму закону Ньютона: 

F = mа,

где, F – сила, m - массы тела, а – его ускорение.

В ортостатическом положении в качестве опоры тела человека можно рассматривать ГБК, на которые опирается часть тела, лежащая выше ТБС. Для ГБК указанная часть тела будет являться нагрузкой, вызывающей в ГБК появление внутренних сил.

«Напряжением в данной точке сечения называется предел отношения элементарной внутренней силы к площади выделенной в сечении площадки при стремлении последней к нулю» и далее, «…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» (Любошиц М.И., Ицкович Г.М., 1969).

Напряжение — это мера количества силы, действующей на каждую единицу материала (Вильямс Д.Ф., Роуф Р., 1978).

Полное напряжение – p, величина векторная и может быть разложена на составляющие – нормальное (s) и касательное (t) напряжения. Полное напряжение равно сумме нормального и касательного напряжений: 

p²_n = s² + t²

Причем существует одно нормальное и два касательных напряжения в трехмерном теле, для трех его граней они образуют тензор напряжений (Александров А.В. и соавт., 1995).

Упрощенно напряжение (s) рассчитывается по формуле:

s = F/S,

Оно является отношением модуля силы - F к площади - S поперечного сечения. Выделяют напряжения первого, второго и третьего рода. Напряжения первого рода относятся к объемам соизмеримым с изделиями. Эти напряжения определяются теоретически с помощью методов теории упругости и сопротивления материалов. Напряжения второго рода уравновешиваются в микроскопических объемах, соизмеримых с объемом одного или нескольких зерен. Напряжения третьего рода уравновешиваются в ультрамикроскопических объемах – в пределах атомной решетки (Лощилов В.И., 1971).

Для ГБК, являющейся по форме близкой к шару, она контактирует с полулунной поверхностью ВВ также являющейся сферической формы. Наибольшее значение контактных напряжений при этом может быть определено по формуле:

где s_max максимальное напряжение, возникающее при сжатии с силой F, шара, радиусом R₁ со сферической поверхностью радиусом R₂, имеющих модуль упругости E (Александров А.В. и соавт., 1995).

В процессе роста и развития организма происходит его адаптация к среднесуточным напряжениям. При этом увеличиваются размер и масса элементов ОДС, а также внутренних органов. Закономерно растет общая масса тела, что приводит к увеличению силы, действующей на ГБК в течение суток. Это значит, что с возрастом, растет среднесуточное напряжение в ГБК. Как явствует из вышеприведенного выражения, увеличение диаметра компонентов ТБС позволяет уменьшить величину напряжений в них. Большая площадь контакта и площадь поперечного сечения, позволяют снизить величину не только контактных, но и нормальных напряжений.* Как видно даже самые простые формулы убеждают нас в том, что рост — это приспособительный процесс.

Динамика изменения среднесуточных напряжений стабилизируется после прекращения роста организма, и обретения необходимого качества ГБК (трансформации ее из хрящевой в костную с дифференцировкой трабекулярных систем). При этом фактические среднесуточные напряжения оказываются равными оптимальным. Приспособительные процессы в ГБК и ТБС завершаются. Это состояние следует признать нормальным состоянием ТБС.

Модуль упругости костной ткани одна из объективных характеристик ОДС. Она определяется генетически, изменяется в процессе роста и развития организма, а также при некоторых заболеваниях. Из приведенного выше выражения следует, что увеличение модуля упругости приводит к росту напряжений. Соответственно повлиять на величину фактических напряжений могут процессы, приводящие к изменению механических свойств гиалиновых оболочек. Вместе с тем оказывается, что оптимальные напряжения генетически обусловлены, так же как и механические свойства тканей ОДС.

Пользуясь, в том числе и приведенными выше формулами, можно найти напряжение в элементах ТБС, хотя это достаточно непростая задача. Однако ее сложность меркнет перед проблемой вычисления фактических среднесуточных напряжений. На него влияет множество различных факторов – образ жизни, тип нервной деятельности, достаток, область проживания, увлечения, профессия и многие другие.

В упрощенном виде решение можно представить в виде нескольких основных шагов. Изначально необходимо выяснить средний уровень напряжений в отдельно избранном элементе ТБС, например, в ГБК, за каждый цикл известных видов движений. Затем, зная количество каждого из движений в ТБС за сутки, можно вычислить среднее напряжение «периода работы».

Напряжение в элементах ТБС неодинаково при различных позах. В зависимости от положения бедра, по отношению к тазу, числа и величины напряжения тазобедренных мышц, можно приблизительно найти напряжение в ГБК в каждой позе. Если известна продолжительность каждой из поз за сутки, то появляется возможность вычислить усредненное напряжение в ГБК за «период отдыха».

Напряжение в элементах ТБС в «периоде сна» зависит от его фазы, а также позы, в которой пребывает человек. И то и другое отражается на величине сил, воздействующих на ГБК, соответственно и на напряжении в ней. Для нахождения среднего напряжения необходимо знать и учитывать продолжительность сна и каждого из его периодов, а также число разнообразных поз, принимаемых человеком во сне и время пребывания в каждой из них. Полученное среднее значение напряжений за каждый из суточных периодов уже позволяет получить более или менее приближенную величину фактических среднесуточных напряжений. Очевидно, что чем больше число учитываемых параметров, тем точнее получаемый результат.

Определение оптимальных среднесуточных напряжений задача столь же сложна. Ее сложность определяется необходимостью проведения неких экспериментальных и исследовательских работ. Методика еще не разработана. Базируясь на известных объективных показателях функционирования ТБС, динамики биологических процессов в нем, можно утверждать, что оптимальные среднесуточные напряжения в ГБК равны фактическим, при отсутствии изменений в ней. Уровень же фактических среднесуточных напряжений может быть рассчитан. Однако необходимо учесть, что изменения в ГБК происходят медленно, соответственно сказать в каждый конкретный момент какова точная величина оптимальных среднесуточных напряжений невозможно. Заключение об этом можно сделать только с той или иной долей вероятности.

Рассчитывая среднесуточные напряжения необходимо учитывать, что на все элементы ОДС воздействуют силы гравитации, атмосферного давления, инерции, на отдельные из них силы трения, давления полых органов и многие другие. Все это делает расчет среднесуточных напряжений исключительно сложной задачей.

---

* Изменение разности диаметров ГБК и ВВ, которое может наблюдаться при ряде патологических состояний ТБС, это приводит к росту контактных напряжений, увеличению фактических среднесуточных напряжений индицировании приспособительных процессов. Несомненно, изменение формы и внутреннего строения костной и хрящевой ткани ГБК результат действия биоэффективных напряжений в ней.

««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