Реология. 1. 1 Твердые тела. Кристаллические и аморфные твердые тела. Полимеры

• Название: 1. 1 Твердые тела. Кристаллические и аморфные твердые тела. Полимеры
• Дата: 23.05.2023
• Размер: 364.5 Kb.
• Имя файла: Реология.doc
• Тип: Документы; #1154831
• страница: 2 из 4

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. 
   Какие тела называются твердыми? Каковы особенности их строения?
   
2. 
   Какие материалы называются аморфными?
   
3. 
   Каковы особенности строения полимеров?
   
4. 
   Что называется деформацией? Перечислите виды деформации.
   
5. 
   Что такое механическое напряжение? Запишите закон Юнга.
   
6. 
   Какой физический смысл имеет модуль Юнга?
   

II. Биореология.

Биореология – это область реологии, изучающая текучесть и деформацию биотканей.

2.1 Механические свойства костной ткани.

Костная ткань является основным материалом опорно-двигательного аппарата. Установлено, что большая часть компактной костной ткани (0.5 объема) составляет неорганический материал – гидроксилапатит (3 Са₃(РО₄)₂Са(ОН)₂); он представлен в форме микроскопических кристалликов. Остальная часть - органический материал, коллаген. Коллаген – волокнистый белок, обладающий высокой прочностью, а также эластичностью. Кристаллики гидроксилапатита расположены между коллагеновыми волокнами, образуя “стекловолокнистую структуру”. Прочность гидроксилапатита составляет 600700МПа, коллагена – 50100МПа (прочность стали для сравнения – 500 МПа).

Композиционное строение костной ткани придает ей высокие механические свойства: органическая основа – упругость, пропитывающие ее соли – твердость, а вместе – большую прочность. При небольших деформациях для костей справедлив закон Гука. В зависимости от типа кости ее механическое разрушение начинается при достижении напряжения 10⁷10⁸Н/м². Модуль упругости кости составляет Е=10⁹Н/м², что значительно превышает значение модуля упругости мышц и других биотканей. Механические свойства костной ткани зависят от многих факторов: возраста, индивидуальных условий роста, участка организма. Возраст оказывает существенное влияние на прочность костной ткани, т.к. появляются изменения ее химического состава, уменьшается биологическая активность, изменяется степень минерализации, увеличивается пористость.

Как показывает эксперимент, из всех видов деформации самым опасным для костной ткани является деформация растяжения. Прочность костей на сжатие высокая. Так, несущая способность бедренной кости в продольном направлении выше 45кН для мужчин и 39кН – для женщин. Выдерживаемая нагрузка при изгибе значительно ниже; у той же кости – 2.5кН.

Строение отдельных костей приспособлено к приходящимся на них нагрузкам; так длинные кости конечностей, подвергающиеся в основном изгибу, имеют трубчатое строение. Это обеспечивает наиболее экономичное использование костного вещества. Концы трубчатых костей, например, бедра, построены из губчатого вещества, которое состоит из тонких костных пластинок. Они образуют сводчатую структуру, приспособленную для передачи нагрузки от опоры в тазобедренном суставе к трубчатой части кости.





Рис. 2.1

При деформации костной ткани появляется пьезоэлектрический эффект: если костную полоску изгибать, то в зоне деформации между ее противоположными сторонами регистрируется разность потенциалов с минусом на вогнутой стороне (рис.2.1). В диапазоне упругой деформации эта разность потенциалов пропорциональна механическому напряжению, т.е. ₊_-.

Считают, что генерация пьезоэлектричества имеет место при механических нагрузках на кости в организме, и возникающие электрические токи могут стимулировать новообразование или рассасывание костной ткани.

2.2 Механические свойства мышц.

Двигательная деятельность и множество физиологических процессов происходит при помощи мышечной ткани, в состав которой входят сократительные структуры.

Мышцы состоят из мышечных волокон, которые окружены соединительной тканью, состоящей из волокон белков коллагена и эластина. В связи с этим, мышцы обладают упругими и вязкими свойствами подобно полимерам. Белок эластина обладает очень высокой эластичностью, он может растягиваться на 200-300 %. Коллаген имеет меньшую способность к растяжению, чем эластин, однако его больший модуль упругости обеспечивает большую прочность.



Z
тонкие линии - актин; толстые линии - миозин.

Рис. 2.2

Сократительными элементами в мышечном волокне являются миофибриллы. Они состоят из протофибрилл, которые представляют удлиненные молекулы (нити) белков актина и миозина. Эти нити-белки расположены чередующимися участками и соединены так, что концы нитей одного белка входят в промежутки между концами нитей другого белка, подобно, «сплетенным пальцам» (рис.2.2). Нити актина скреплены между собой перепончатыми дисками Z. В ненапряженном состоянии мышцы между концами нитей имеются промежутки I и H. При сокращении мышцы, концы нитей продвигаются в глубь и промежутки укорачиваются, при этом длина нитей не изменяется.

Сокращение мышц происходит либо под действием нервных импульсов, либо под действием химических стимуляторов. Сокращения мышц делятся на изотоническое и изометрическое. Сокращение, при котором мышца, изменяя свою длину, развивает постоянное усилие (=const), называется изотоническим (движение конечности или части тела). Сокращение, при котором мышца развивает усилие при неизмененной длине, т.е. без перемещения ее точек прикрепления называется изометрическим. Такое сокращение обеспечивает возможность удерживать предметы и орудия труда. Естественные сокращения в организме не бывают чисто изотоническими, т.к. даже поднимая постоянный груз, мышца изменяет свое напряжение, вследствие реальной нагрузки.

С
Рис.2.4
ила, развиваемая мышцей при максимальном сокращении, прямо пропорциональна количеству мышечных волокон, входящих в состав данной мышцы. Кроме того, она зависит от ряда физиологических условий (возраст, тренировка, питание, степень утомления и т.д.). Абсолютной мышечной силой (а.м.с.) называется сила, приходящаяся на 1 см² общего поперечного сечения мышечных волокон,образующих мышцу. Например, для икроножной мышцы она составляет 60 Н/см², для двуглавой мышцы плеча - 110 Н/см², трехглавой – 170 Н/см².

2.3 Механические свойства стенки кровеносных сосудов.

Стенки кровеносных сосудов состоят из трех концентрических слоев: внутренний, средней и внешней сосудистой оболочки. Прочностные и деформационные свойства стенок кровеносных сосудов обуславливаются, главным образом, механическими свойствами средней сосудистой оболочки, которая состоит из коллагена, эластина и гладких мышечных волокон. Как известно, эластин обуславливает эластичность, а коллаген – прочность стенок кровеносных сосудов. Гладкие мышечные волокна осуществляют активное поведение кровеносных сосудов, так как в результате их сокращения изменяется диаметр соответствующего кровеносного сосуда и механические свойства сосудистой стенки в целом. За счет этого достигается оптимальное распределение и регулирование кровеносного потока.

Количественная связь между параметрами кровеносного сосуда и давлением крови определяется уравнением Ламе:

 , (2.1)

где r – внутренний радиус сосуда, h – толщина стенки сосуда,  - механическое напряжение, возникающее в сосудистой стенке при избыточном внутреннем давлении крови p.

Из этого уравнения следует прямо пропорциональная зависимость между радиусом сосуда и напряжением в стенке сосуда. Радиус аорты больше в 10³ раз радиуса капилляра, поэтому в стенках аорты возникает очень большое напряжение.

Содержание компонентов сосудистой ткани изменяется по ходу кровеносной системы: отношение эластина к коллагену в общей сонной артерии 2  1, а в бедренной 1 : 2. Обладая высоким модулем упругости и прочностью, коллаген и эластин предотвращают рарыв стенок кровеносных сосудов. С удалением от сердца увеличивается доля гладких мышечных волокон; в артериолах они являются основной составляющей сосудистой ткани. Значит, крупные сосуды обладают упругими и вязкими свойствами.

Характерным для всех кровеносных сосудов является свойство криволинейной ортотропии, которое заключается в том, что механические свойства сосудов в радиальном, осевом, кольцевом направлениеях различны.

2.4 Механические свойства легких.

Структурными элементами легких являются альвеолы. Стенки альвеол обладают упругостью, за счет содержания в них белка эластина и коллагена. Внутренняя поверхность альвеол покрыта пленкой вещества толщиной 20100 нм с низким по-верхностным натяжением, называемой сурфактантом. Сурфактант обладает замечательным свойством: уменьшение размеров альвеол сопровождается снижением поверхностного натяжения. Это обуславливает стабилизацию состояния альвеол.

Значение упругости легочной ткани и поверхностного натяжения в альвеолах для функционирования легких было обнаружено при исследовании зависимости объема легких V от давления P. Если через вставленную в трахею спавшихся легких трубку, повышать давление, легкие почти не изменяют своего объема, а затем объем резко возрастает при сравнительно небольшом изменении давления Р (рис.2.5). Если понижать постепенно давление, то объем легких при тех же величинах давления окажется большим. Таким образом, цикл растяжения спавшихся легких и последующего их сжатия характеризуется сильным гистерезисом. Это объясняется наличием сурфактанта и упругостью стенок альвеол.



Количественно упругие свойства легких выражают растяжимостью G:

G= (2.2)

где ∆V – изменение объема при изменении давления на величину ∆P.

В норме растяжимость легких составляет G=2∙10^-5м³/Па. Растяжимость легких уменьшается при некоторых заболеваниях, например, фиброзе легких и грудной клетки, легочном застое.