Лекция № 3


Презентация изнутри:

Слайд 0

Лекция № 3 Элементы биомеханики и механические свойства биологических тканей


Слайд 1

План лекции Определение и разделы биомеханики. Степень свободы перемещения. Число степеней свободы. Кости скелета как рычаги. Виды и типы рычагов. Эргометрия. Виды биомеханических процессов Общие закономерности деформации органов и тканей Закон Гука Модуль упругости различных тканей организма Мышцы как эластомер Соотношение скорости мышечного сокращения и напряжение мышц Уравнение Хилла и его биофизическая характеристика


Слайд 2

БИОМЕХАНИКА – это раздел биофизики, изучающий механическое движение материи животных и человека под влиянием различных воздействий


Слайд 3

РАЗДЕЛЫ БИОМЕХАНИКИ Кинематика сочленений костей Свойства костей как рычагов Действие мышечных сил


Слайд 4

Основной механической характеристикой механической системы является число степеней свободы


Слайд 5

ЧИСЛО СТЕПЕНЕЙ СВОБОДЫ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ – это количество независимых направлений, в которых могут перемещаться механические системы. Свободное твердое тело может иметь максимально 6 степеней свободы, то есть перемещаться и вращаться по 3 взаимно-перпендикулярным плоскостям.


Слайд 6

ЧИСЛО СТЕПЕНЕЙ СВОБОДЫ n = 6N – ?i P(i), i = 5, 4, 3 где: n – число степеней свободы N – число подвижных звеньев i – число ограничений степеней свободы в соединениях P(i) – число соединений, имеющих i ограничений Общее число степеней свободы равно разности между степенями свободы звеньев, когда они свободны, и числом ограничений (связей) в соединениях.


Слайд 7

ОБЩЕЕ ЧИСЛО СТЕПЕНЕЙ СВОБОДЫ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА 240


Слайд 8

Жесткое тело, которое соединяется шарниром с другим телом, называется ЗВЕНОМ


Слайд 9

КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ – это подвижная механическая система, состоящая из нескольких неподвижных звеньев


Слайд 10

ОДНООСНОЕ ДВУХЗВЕНЬЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ А В О О’ Система состоит из двух звеньев А и В, соединенных осью ОО’. При неподвижном звене В звено А имеет одну степень свободы как тело, вращающееся вокруг неподвижной оси. Пример: плечелоктевое, фаланговое соединение. 1 степень свободы – сгибание и разгибание.


Слайд 11

ДВУОСНОЕ ТРЕХЗВЕНЬЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ С А В L L’ О О’ Система состоит из трех звеньев: А, В и С, соединенных осями ОО’ и LL’. Закрепленное звено В не имеет свободы перемещения, второе звено А – имеет одну степень свободы и третье – С – две степени свободы. Пример: лучезапястный сустав. 1 степень свободы – сгибание, разгибание. 2 степень свободы – отведение, приведение.


Слайд 12

ТРЕХОСНОЕ ЧЕТЫРЕХЗВЕНЬЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ С А В D L L’ О О’ N N’ Трехосное соединение осуществляет вращение вокруг 3-х взаимно- перпендикулярных осей. Пример: тазобедренный и плечевой суставы. 1 степень свободы – сгибание, разгибание (в сагиттальной плоскости). 2 степень свободы – отведение, приведение (в фронтальной плоскости). 3 степень свободы – вращение вокруг продольной оси.


Слайд 13

РЫЧАГ – это твердое тело, имеющее неподвижную ось вращения (точку опоры), к которому приложены силы, создающие моменты относительно этой оси.


Слайд 14

Виды рычагов Рычаг I рода Рычаг II рода Рычаг силы Рычаг скорости


Слайд 15

РЫЧАГ I РОДА – точки приложения действу-ющей силы F и силы сопротивления R нахо-дятся по обе стороны от точки опоры. а b F R Fa = Rb О


Слайд 16

РЫЧАГ II РОДА –точки приложения сил находятся по одну сторону от точки опоры.


Слайд 17

ТИПЫ РЫЧАГОВ II РОДА Рычаг скорости, в котором происходит выигрыш в скорости перемещения, но проигрыш в силе. Рычаг силы, в котором происходит выигрыш в силе, но проигрыш в скорости.


Слайд 18

РЫЧАГ СКОРОСТИ F а b Fa = Rb a < b F > R R О


Слайд 19

РЫЧАГ СКОРОСТИ F R b а F ? sin ? ? Fsin?a = Rb a < b


Слайд 20

РЫЧАГ СИЛЫ а b F R Fa = Rb a > b F < R о


Слайд 21

ЭРГОМЕТРИЯ – это метод измерения совер-шенной человеком работы при помощи эргометра. A = Fтр ? l ? n , где А – работа Fтр – сила трения между лентой и ободом колеса l – длина окружности колеса n – число оборотов


Слайд 22

Биомеханические процессы организма функционирование опорно-двигательного аппарата восприятие звука в органе слуха сокращение и расслабление мышц деформация органов, тканей и клеток генерации и распространение волн упругой деформации


Слайд 23

Группы биомеханических процессов Биологическая подвижность – генерация механической силы и движения опорно-двигательного аппарата происходят благодаря действию сократительных белков и расходованию энергии АТФ. Биологическая пассивность-биомеханические процессы, протекающие под действием внешней силы.


Слайд 24

Под действием внешней силы в тканях и органах возникают деформации и течения


Слайд 25

Деформация тела - изменение взаимного расположения материальных точек тела, которое приводит к изменению его формы и размеров.


Слайд 26

В деформируемых биообъектах в результате противодействия приложенным внешним силам возникают внутренние силы, противоположные по направлению и отличающиеся по физической природе: упругая сила сила внутреннего трения сила поверхностного натяжения


Слайд 27

Упругой называется сила, которая возникает в результате смещения частиц в новое положение равновесия. Частный случай упругости –эластичность.


Слайд 28

Виды деформации Упругая деформация (эластичная) – деформация, исчезающая после прекращения действия внешних сил. Неупругая деформация (пластическая) – деформация, которая сохраняется и после прекращения внешнего воздействия. Упругопластическая деформация – неполное исчезновение деформации после прекращения внешнего воздействия.


Слайд 29

Виды деформации Продольная деформация – деформация, возникающая в стержне при действии силы, направленной вдоль его оси. Сдвиговая деформация –деформация, возникающая под действием силы, касательно приложенной к одной грани прямоугольного параллелепипеда, превращающая его в косоугольный параллелепипед.


Слайд 30

Продольная деформация –изменение длины тела при растяжении и сжатии. |Fr| = |F|


Слайд 31

Закон Гука Величина растяжения мышцы пропорциональна величине деформирующей силы. ?е=E? ?=?l/l ?е=Fr/s=F/s F/S=E.?l /l , где ?е - механическое напряжение ? - относительная деформация l - исходная длина мышцы ?l - абсолютное удлинение F - деформирующая сила Fr - равновесная упругая сила E - модуль упругости или модуль Юнга


Слайд 32

Модуль Юнга представляет собой упругую характеристику материала, из которого сделано деформируемое тело. E= ?/ ?е, [ E ] = 1 Н/м2


Слайд 33

Модуль упругости, представленный коэффициентом Пуассона ??l /l = - ?h/?h, где ?l/l –относительная деформация растяжения - ?h/?h – относительная деформация поперечного укорочения ?-коэффициент Пуассона Связывает относительную деформацию рас-тяжения с относительной деформацией поперечного укорочения ?=0,25-0,5


Слайд 34

Закон Гука для костной ткани Зависимость механического напряжения (?) от относительной деформации (?) при сжатии диафиза бедренной кости человека.


Слайд 35

Механическая деформация костей, сопровождающаяся пьезоэлектрическим эффектом При изгибе образца кости в виде пластинки возникает разность электрических потенциалов со знаком «плюс» на выпуклой стороне. Эта разность потенциалов в интервале упругих деформаций пропорциональна вели-чине механического напряжения.


Слайд 36

Модуль упругости 1 Касательный модуль упругости статического растяжения. 2. Динамический модуль упругости.


Слайд 37

Скелетные мышцы определяют 3 вида механических явлений: Поддержание позы Перемещение тела в пространстве Движение частей тела относительно друг друга


Слайд 38

Виды мышечного сокращения Изометрическое – происходит при неизменной длине мышц. Изотоническое-происходит при неизменном напряжении.


Слайд 39

В процессе сокращения мышцы выделяется тепло, состоящее из 2 компонентов: Теплота активации, выделяемая в латентный период при генерации потенциалов действия Теплота поддержания сокращения (теплота укорочения).


Слайд 40

Важнейший тепловой феномен в сокращающейся мышце – эффект Фенна. Эффект Фенна – выделение дополнительной порции тепла в ходе укорочения мышцы


Слайд 41

Теплота поддержания сокращения qh = ah, где qh-теплота укорочения h – величина укорочения а – коэффициент пропорциональности Теплота поддержания сокращения ( теплота укорочения) при одной и той же нагрузке пропорциональна величине укорочения.


Слайд 42

Соотношение скорости мышечного сокращения и напряжения мышцы 10 20 30 40 50 60 70 Согласно Хиллу, скорость сокращения мышцы находится в гиперболической зависимости от величины нагрузки. Нагрузка, кг


Слайд 43

Уравнение Хилла Для вывода этого уравнения мы будем исходить из уравнения энергии в фазе сокращения: E = A + Px + ax, (1) где A – теплота активации (постоянная величина) Px — теплота работы, ax — теплота укорочения a — постоянная величина.


Слайд 44

Дифференцируя уравнение (1) по времени t, получим уравнение мощности теплообразования в фазе сокращения:   N = dE/dt = P dx/dt + a dx/dt = (P + a) v, (2)   где v – скорость сокращения.


Слайд 45

Кроме того, Хилл экспериментально установил, что скорость изменения энергии, выделяемой мышцей в фазе сокращения, есть линейная функция разности (Р0 - Р), где Р0 – максимальное напряжение, развиваемое мышцей в состоянии тетануса при данной длине, и Р – нагрузка, под которой мышца укорачивается. Отсюда dE/dt = b (P0 – P), (3) где b = const.


Слайд 46

Приравнивая (2) и (3), найдем   (P + a) v = b (P0 – P) (4)   Прибавляя к обеим частям уравнения (4) произведение ab, получим уравнение Хилла   Pv + av + ab = bP0 – bP + ab,   Pv + av + bP + ab = bP0 + ab


Слайд 47

и окончательно (P + a) (v + b) = (P0 + a) b = const, (5)  где v – максимальная скорость сокращения. Таким образом, кривая скорости представляет собой отрезок гиперболы с асимптотами a и b. Константа b имеет размерность скорости; она пропорциональна длине мышцы и сильно зависит от температуры. Константа a представляет собой силу, строго пропорциональную максимальной изометрической силе P0.


×

HTML:





Ссылка: