Механические свойства параллельно и последовательно упругих компонентов

Функции связок и сухожилий заключаются в укреплении суставов и передаче костным рычагам усилий мышечной тяги. Для спортивной биомеханики интересно изучение механических свойств связок и сухожилий по двум причинам: во-первых, для понимания причин и предупреждения травматизма (на долю травм сухожильно-связочного аппарата приходится у спортигровиков 66%, гимнастов 36%, легкоатлетов 14-16%), во-вторых, для оценки величин потенциальной энергии упругой деформации, которая может накапливаться при растягивании сухожилий в естественных условиях и переходить в кинетическую

Ранее считалось, что соединительные ткани состоят из биохимически инертных веществ. В настоящее время доказано, что в них протекают активные процессы жизнедеятельности. Они способны к адаптации, изменяя структуру при изменении внешних воздействий. Основой связок и сухожилий является фибрилла – ряд единиц, соединенные между собой поперечными сцеплениями.

Механические свойства сухожилий и связок:

1. Предельная прочность. Прочность самого сухожилия выше, чем у места прикрепления, поэтому в большинстве случаев сухожилие отрывается от места прикрепления, а не разрывается. Самая прочная связка – связка надколенника, выдерживающая нагрузку на разрыв 42-239 кг, чем больше поперечное сечение, тем больше прочность.

Предел прочности рассчитывается по формуле: δ = F / S (кг/мм²), где F – нагрузка при разрыве, S – площадь поперечного сечения. Предел прочности колеблется от 0,3 до 1,4 кг/мм²

2. Предельное удлинение (растяжимость). Например, связка надколенника удлиняется на 113-160%. При растягивании препаратов кость-связка-кость регистрируется типичная картина, кривая сила-время может быть разбита на четыре зоны:

· Первая зона характеризуется относительно медленным нарастанием напряжения. Если учесть, что волокна коллагена изначально находятся в гофрированном состоянии, при растягивании происходит их распрямление. Оно составляет 1,0-4,0% от изначальной длины

· Вторая зона начинается с момента появления линейной зависимости между приростом напряжения и удлинения. В это время начинают растягиваться эластичные волокна. 2-5% от длины. Во второй половине этой зоны начинают происходить микроповреждения

· Третья зона начинается с момента первого нарушения линейной зависимости, появления первых серьезных повреждений сухожилий. В этой зоне регистрируется предельная прочность препарата

· Четвертая зона начинается с резкого падения напряжения, когда основные структурные элементы препарата разрушены.

Относительное удлинение: ε = Δl / l * 100%, где l – начальная длина препарата, Δl - удлинение

Модуль Юнга:

Е = δ / ε (Н/мм²) для разных связок от 9,8 до 120 Н/мм²

1. Жесткость
2. Релаксация - при быстром растягивании и затем при его прекращении связка или сухожилие останутся в растянутом состоянии, а затем начнется релаксация
3. Гистерезис. Циклические воздействия вызывают явление гистерезиса, по мере продолжения эксперимента петля гистерезиса уменьшается, что отражает явления уменьшения рассеивания энергии в тканях

Механические свойства сухожилий и связок зависят от следующих факторов:

· пол и возраст. У доноров женского пола меньшие показатели. Наибольшие изменения в свойствах приходятся на пубертатный период. Максимальная прочность достигается к 21-25 годам.

· иммобилизация – необходимы месяцы для восстановления механических свойств. Тренировки увеличивают сопротивление к разрыву.

· содержание гормонов. Многократное введение кортикостероидов приводит к значительному ухудшению функциональных возможностей связочного аппарата.

· характер физических упражнений. Механическая прочность повышается очень медленно. Интенсивное развитие скоростно-силовых способностей может не соответствовать возможностям сухожильно-связочного аппарата. У представителей скоростно-силовых видов спорта необходимо укреплять сух.-св. аппарат. Это достигается длительной работой невысокой интенсивности. Желательно, чтобы движения выполнялись с максимально возможной для данного сустава амплитудой и во всех направлениях.

1. Биокинематическая система: звено, пара, цепь.

Звено – часть тела, расположенная между двумя суставами или суставом или дистальным концом.

В человеческом теле около 70 звеньев, но для биомеханического моделирования чаще всего достаточно 14-звенной модели человеческого тела (например, голова, бедро, стопа, кисть и т.д.), выделенные методом сигментирования.

Выбор способа сигментирования был обусловлен в основном требованиями биомеханики: начало и конец сегмента должны качаться оси вращения в суставе, а масса сегмента в процессе выполнения физических упражнений должна быть постоянна. Он основывается на исторически сложившемся способе расчленения трупов.

Кинематической парой называют два смежных звена, соединенные суставом. Подвижное соединения звеньев предполагает наличие в них движений, или как их называют в биомеханике – степеней свободы. Свободное тело имеет 6 степеней свободы (вдоль и вокруг осей), если оно закреплено в 1 точке, остается 3 степени свободы (вращение вокруг каждой из осей), если в 2 точках закреплено тело, то 1 степень свободы, и если в 3 – нет движения.

С точки зрения теории механизмов, число степеней свободы определяется по формуле:

Б = 6n – ⁵_i=3∑ik_i

где Б – подвижность механизма (количество степеней свободы), n – число подвижных костей, k_i – число суставов, принадлежащих к определенным классам, где i = 3, 4, 5.

Таким образом, всего человек имеет подвижных костей n=148, суставов третьего класса (с тремя степенями свободы) К₃=29, суставов четвертого класса (с двумя степенями свободы) К₄=33, суставов пятого класса (с одной степенью свободы) К₅=85. Число степеней свободы всего механизма будет равно: Б = 6×148 – (29×3 + 33×4 + 85×5) = 888 – (87 + 132 + 425) = 244.

Аналогичным способом можно определить, что рука и нога имеют по 30 степеней свободы Б = 6×22 – (5×15 + 4×6 + 3×1)

Помимо степеней свободы, в суставах различают ось, плоскость и размах движения. Количество осей совпадает с количеством степеней свободы. Плоскость движения в суставе – та плоскость, в которой звено движется и она перпендикулярна оси вращения. Размахом движения измеряется подвижность в каждом отдельном суставе. В тазобедренном суставе размах достигает 160⁰, в межпозвоночных соединениях – около 10⁰.

Последовательное соединение более двух кинематических звеньев называется кинематической цепью (например, рука).

Различают открытые (незамкнутые) и замкнутые кинематические цепи. В открытых конечное звено свободно. В замкнутой кинематической цепи последнего свободного звена нет (например, позвоночник, ребра, грудина, ноги на опоре, рука фехтовальщика со снарядом, нога велосипедиста при педалировании). Закрытые кинематические цепи накладывают ограничение на подвижность в суставах. При ходьбе нога теряет степени свободы.

Число степеней свободы в цепи равно сумме числа степеней свободы во всех суставах цепи.

Для удобства использования положений теоретической механики для биомеханической системы делают следующие предположения:

1.Звенья модели (тела человека) являются абсолютно твердыми. Поскольку это предположение для туловища не совсем подходит, его моделируют как трехзвенную модель.

2.Геометрические параметры звеньев тела (их длина) совпадают с соответствующими параметрами сегментов тела человека.

3.Звенья модели соединены в идеальные кинематические пары 3 класса (шаровидными шарнирами).

Модели такого типа получили название базовых.

1. Рычаги и маятники в теле человека

Разбиение тела человека на звенья позволяет представить их как механические рычаги и маятники, потому что все эти звенья имеют точки соединения, которые можно рассматривать либо как точки опоры (для рычага), либо как точки отвеса (для маятника).

Рычаг – всякое твердое тело, которое вращается около оси и на которое действуют две силы: одна движущая (сила мышц), другая – сила сопротивления. Рычаг характеризуется плечом - расстоянием между точкой приложения силы и точкой вращения.

Каждый рычаг имеет точку опоры – ось рычага, точки приложения двух взаимно противодействующих сил и плечи рычага.

В зависимости от расположения сил вращения различают рычаги 1, 2 и 3 рода.

В рычаге 1 рода (двуплечий рычаг) ось вращения находится между точками приложения сил и обе силы имеют одинаковое направление (череп).

Рычаг второго рода (одноплечий) имеет ось вращения на конце и точки приложения сил находятся по одну сторону от оси вращения. Приложенные силы имеют противоположные направления. Мышечная сила действует на короткое плечо рычага (рука с удержанием груза).

Рычаг третьего рода является одноплечим, но мышечная сила действует на длинное плечо рычага.

По сути костные рычаги являются составными, нагруженными на конце, в них сложные механизмы передачи работы мышц на плечи рычага.

«Золотое» правило механики: выигрывая в силе, проигрываешь в расстоянии и наоборот. Условно можно выделить рычаг скорости и рычаг силы в зависимости от того, что преобладает в их действиях. Рычаг скорости дает выигрыш в скорости при совершенствовании работы. Пример – локтевой сустав с грузом на ладони. Рычаг силы дает выигрыш в силе. Пример – стопа на пальцах.

Звено тела, продолжающее после разгона движение по инерции, имеет сходство с физическим маятником и для них применимы те же формулы, что и для простых механических маятников. Основные вывод их них – собственная частота колебаний не зависит от массы качающегося тела, но зависит от его длины (при увеличении длины частота колебаний уменьшается). Маятник в поле действия силы тяжести, выведенный из равновесия, сначала под действием момента силы тяжести качается вниз, а далее, затрачивая приобретенную кинетическую энергию, поднимается вверх по инерции. Период качения маятника: , где I – момент инерции маятника относительно оси, m - его масса, g - ускорение свободного падения, r - радиус до центра масс.

Колебательные движения можно встретить при выполнении циклических движений, где многократно повторяется одинаковый ряд движений.

Делая частоту шагов при ходьбе или беге или гребков при плавании или гребле резонансной (т.е. близкой к собственной частоте колебаний руки или ноги), удается минимизировать затраты энергии. При наиболее экономичном сочетании частоты и длины шагов или гребков человек демонстрирует существенный рост работоспособности. Простой пример: при беге высокий спортсмен имеет большую длину шага и меньшую частоту шагов, чем более низкорослый спортсмен, при равной с ним скорости передвижения.

При воздействии на упруго-вязкую систему циклической нагрузки амплитуда отклика системы будет зависеть от соотношения между частотой воздействия и собственной частотой системы. Максимальную амплитуду перемещения системы можно наблюдать, если частота действия силы будет равна собственной частоте колебания мышечного компонента биомеханической системы. Это и есть резонанс. В этом случае значение силы, необходимой для получения заданной амплитуды, будут минимальными.

Известны собственные частоты колебания отдельных частей тела человека (Гц) глаза 12-17, горла – 6-27, грудной клетки – 2-12, рук и ног 2-8, головы – 8-27, живота 4-12. Большой разброс отражает различия в морфологии.

Дата добавления: 2014-01-07