Физика ответы на экзаменационные вопросы стомат. 1. Основные понятия биомеханики. Внешние и внутренние силы, напряжения и деформации. Законы упругой
 Скачать 1.47 Mb.
|
|
Ответы на экзаменационные вопросы 1 1. Основные понятия биомеханики. Внешние и внутренние силы, напряжения и деформации. Законы упругой деформации. Биомеханика изучает свойства биологических тканей и жидкостей и процессы, протекающие в них. Основные понятия Внешние силы – силы, которые действуют на данное тело со сто- роны окружающих тел. Под этим действием тело деформируется. Деформация (безразмерная величина): 1. Упругие деформации - исчезают после снятия нагрузки 2. Остаточные деформации – не исчезают 3. Линейные деформации – изменение линейных размеров тела 4. Угловые деформации – изменение угловых размеров тела (γ) 5. Продольные деформации. Возникают при наличии объемного тела. 6. Поперечные деформации – отношение площади поперечного сечения к изначальной площади. 7. Относительная деформация (мера продольной деформации) – отношение измененных размеров тела к изначальному размеру. l l E S F Па , где Внутренние силы – это силы взаимодействия между частицами материала. Эти силы возникают в нем под воздействием внешних сил. Внутренние силы называют также силами упругости. Они стремятся вернуть частицы в первоначальное положение. Мерой внутренних сил является напряжение Механическое напряжение - внутренняя сила, действующая на единицу площади. → σ n γ γ - угол сдвига → σ τ → σ Физика стоматологический факультет 2 Физический смысл: механическое напряжение численно равно от- ношению внутренних сил, действующих на единицу площади, к этой площади. Диаграмма напряжений. ОА (проекция на ось ) – упругие деформации, В - предел упругости, характеризует максимальное напряжение, при котором еще не имеют место остаточные деформации, CD – предел текучести – напряжение, начиная с которого деформация возрастает без увеличения напряжения. Предел прочности – напряжение, определяемое наибольшей нагрузкой, выдерживаемой перед разрушением. Законы упругой деформации. Закон Гука E где E – модуль юнга, характеризует жесткость материала, т.е. способность противостоять деформации. Нормальное напряжение прямо пропорционально относительной де- формации. Для сдвига G , где G – модуль упругости второго рода. Физический смысл: Модуль сдвига прямо пропорционален угловой деформации. E tg σ B A С D ε Ответы на экзаменационные вопросы 3 График зависимости механического напряжения от линейной деформации Физический смысл Модуля Юнга: модуль Юнга численно равен напряжению, возникающему в теле при единичной деформации. 2. Классификация стоматологических материалов. Требова- ния к материалам, применяемым в стоматологии. Стоматологические материалы принято подразделять на три груп- пы: 1) конструкционные, 2) вспомогательные, 3) клинические. К основным материалам относят металлические сплавы, пласт- массы, керамические материалы. Их применяют непосредственно для изготовления шин, протезов и аппаратов, пломб. Следует отметить, что пломбировочные материалы необходимы не только для замены разру- шенных тканей зуба, но и для изготовления стоматологических конст- рукций. К вспомогательным материалам относятся различные группы ве- ществ. К ним относятся различные группы веществ - слепочные мате- риалы, массы для моделей, формировочные массы, абразивы и т.д. Клинические материалы используются только в клинических ус- ловиях главным образом для фиксации протезов в полости рта. На зубные протезы, аппараты, шины, пломбы в полости рта дейст- вует комплекс факторов: физических, химических, биологических, и они подвергаются сильному механическому давлению. Кроме того, ма- териал протеза при его изготовлении испытывает сложный комплекс воздействий (сжатие, растяжение, изгиб, истирание). В связи с этим стоматологические материалы должны удов- летворять следующим требованиям. Основные требования, предъявляемые к стоматологическим материалам: 1. Должны быть химически устойчивыми к среде полости рта, т.е. практически не растворяться в ротовой жидкости. σ ε α Физика стоматологический факультет 4 2. Должны быть устойчивыми к механическим воздействиям при же- вании - не стираться и не разрушаться (не откалываться). 3. Должны быть индифферентными к тканям зуба, т.е. не вызывать раздражения дентина и пульты, а также быть безвредными для сли- зистой оболочки полости рта и всего организма. 4. Должны сохранять постоянство формы и объема. 5. Должны обладать термоизолирующими свойствами, предотвра- щающими термическое раздражение пульпы. Кроме того, пломбировочные материалы должны не деформи- роваться при твердении; иметь тепловой коэффициент расширения, близкий к коэффициенту расширения эмали зуба; быть пластичными и удобными при формировании пломбы, а также легко вводиться в по- лость зуба; хорошо прилипать к твердым тканям зубам, а также соот- ветствовать по цвету и прозрачности эмали зуба и т.п. 3. Механические свойства стоматологических материалов: прочность, условия прочности, пластичность, хрупкость, твёрдость, упругость, усталость. Прочность Прочностью стоматологического материала называется его спо- собность сопротивляться и быть устойчивым к действию механических нагрузок, постоянно действующих в полости рта и способных вызывать деформацию материала и его разрушение. Нагрузки в полости рта очень велики. Так, например, три пары же- вательных мышц человека, имеющие около 39 см 2 площади, могут раз- вивать силу порядка 3900 Ньютон, т.е. 1 см 2 мышц развивает силу около 100 Ньютон, а коренные - 1200 - 1500 Н. Усилие более 1000 Н не- обходимо, чтобы раздавить сухую корку хлеба, более 2500 Н - для дробления кускового сахара. Все это говорит о том, что прочность сто- матологического материала должна быть достаточно высокой. В простейшем случае оценка прочности материала проводится по наибольшему нормальному напряжению или по наибольшему каса- тельному напряжению (при расчете на сдвиг). Условия прочности при этом записываются в виде: доп max доп max , где max и доп - допустимые значения нормального и каса- тельного напряжений, которые зависят от материала и условий работы рассчитываемого элемента. Часто условия прочности материала выражают через коэффициент запаса прочности n - число, показывающее, во сколько раз следует уве- Ответы на экзаменационные вопросы 5 личить все компоненты напряженного состояния, чтобы оно стало пре- дельным. Он равен: доп проч n , где проч - предельное значение напряжения. Чтобы конструкция была прочной, коэффициент запаса прочности должен быть выше 1. Минимально допустимое значение коэффициента запаса уста- навливается с учетом имеющегося опыта эксплуатации материалов и конструкций. Конструкция считается прочной, если ее расчетный коэф- фициент запаса не ниже допускаемого, т.е. доп n n Прочностные свойства материала следует учитывать при определе- нии ортопедических аппаратов и протезов. В стоматологии ре- комендуется при конструировании деталей зубных протезов применять четырехкратный запас прочности. Пластичность и хрупкость Пластичность - это способность материала изменять свою форму под действием нагрузки и не возвращаться в первоначальное состояние после снятия этой нагрузки. Пластичность необходима слепочным материалам для получения изделий методом штамповки, пластмассам, из которых формируют ба- зисы протезов, а также пломбировочным материалам. Пластичность материала характеризуется величиной относи- тельного остаточного удлинения r и относительного остаточного су- жения r Относительное остаточное удлинение определяется: % 100 0 0 1 l l l г , где 0 l - первоначальная длина образца, 1 l - конечная длина образца, т.е. длина после разрыва (определяется после стыковки двух частей образца). Относительное остаточное сужение площади поперечного сечения определяется: % 100 0 1 0 S S S г 0 S - первоначальная площадь поперечного сечения; Физика стоматологический факультет 6 1 S - площадь поперечного сечения в наиболее тонком месте шейки разрыва. Чем больше величины r и r , тем более пластичным считается материал. К пластичным материала относят золото, серебро, железо, латунь и др. К слабопластичным - нержавеющие стали. Противоположным свойству пластичности является хрупкость. К хрупким материалам от- носят: фарфор, стекло, силикатные цементы, гипс. Твердость Твердость - это способность поверхностного слоя материала про- тивостоять деформациям от статического или динамического сжимаю- щего усилия. Твердость является одной из наиболее распространенных ха- рактеристик, определяющих качество различных материалов, их при- годность для того или иного назначения. С понятием твердости в стоматологии приходится встречаться при составлении сплавов для штампов при определении качества базисных материалов. В стоматологической практике по твердости определяют дол- говечность протезов и аппаратов, например стальных коронок, пласт- массовых, металлокерамических и фарфоровых зубов. Твердость материалов позволяет судить и об их гигиеничности. Ба- зисы протезов, изготовленных из твердых материалов более гигиенич- ны, т.к. их поверхность - гладкая, блестящая, меньше задерживает ос- татки пищи в полости рта. Упругость Упругость - это свойство тел принимать первоначальную форму после снятия нагрузки. Основной показатель упругости материала - предел упругости, после снятия которого в материале не возникают ос- таточные деформации, т.е. образец полностью восстанавливает свою первоначальную форму и размеры. После снятия нагрузки этот показа- тель позволяет проводить сравнительную оценку различных материа- лов. Материалы, применяемые для изготовления зубных протезов и ап- паратов, обладают различной упругостью. Некоторые конструкции должны обладать повышенными упругими свойствами, т.к. они пос- тоянно находятся под силовым воздействием (дуги, базисы протезов, кламмеры и т.д.) В других случаях наличие упругих свойств мешает проводить ряд технологических операций. Например, штамповка коронок возможна, если металл будет находиться в состоянии наименьшей упругости. Ответы на экзаменационные вопросы 7 Усталость Усталость материалов - это изменение механических и химических свойств материала под действием циклически изменяющихся во време- ни напряжении и деформаций. Эти изменения протекают по стадиям и зависят от свойств, вида напряженного состояния, истории нагружения, влияния среды. На опре- деленных стадиях начинаются необратимые явления снижения сопро- тивления материала разрушению. Сначала образуются микротрещины, которые перерастают в макротрещины, приводящие к разрушению ма- териала. Усталость может наступить под воздействием самых минимальных следующих друг за другом противоположных по направлению нагрузок. Эта характеристика важна для выбора конструкционного материала при изготовлении зубных протезов, т.к. они подвергаются воздействию часто повторяющихся знакопеременных сил в процессе жевания. Трещины в материале возникают тогда, когда значения колеб- лющегося напряжения превосходят определенную границу - предел ус- талости. Пределом усталости (выносливости) называется наибольшее пе- риодически меняющееся напряжение, при котором в материале при лю- бом числе циклов нагружения трещины не возникают. Предел усталости зависит от типа деформации (изгиб, кручение, сложная деформация). Так, предел усталости при кручении примерно в два раза ниже, чем при изгибе. Свойство металла противостоять усталости называют сопро- тивлением усталости. На сопротивление усталости существенно влия- ет среда и повышенная температура. Сопротивление усталости умень- шается с увеличением загрязненности материала включениями, при по- вреждении поверхности и т.д. Сопротивление усталости увеличивается при такой обработке поверхности, которая повышает прочность по- верхностного слоя материала (поверхностная закалка, химико- термическая обработка и т.д.). 4. Методы испытания стоматологических материалов (меха- нические, тепловые, акустические). Определение физико-механических свойств стоматологических ма- териалов необходимо для контроля качества стоматологических проте- зов, вставок, пломб и других изделий. Различают методы разрушающего и неразрушающего контроля стоматологических материалов. Основными методами разрушающего контроля являются механи- ческие методы. Они редко используются в клинической практике, а применяются в основном при испытании новых материалов и новых ви- дов протезов. Физика стоматологический факультет 8 Механические методы испытания 1. Оп ре дел ени е п рочн ост и п ри раст яж ени и . Основано на измерении величины разрушающей силы на разрыв- ной машине при постепенно возрастающем растягивающем усилии. Об- разец в виде двойной лопатки или прямоугольной плоскости зак- репляют в зажимах разрывной машины и растягивают при постоянной скорости взаимного перемещения этих зажимов. При достижении пре- дельного значения нагрузки происходит разрыв образца. Испытание ма- териалов на растяжение в основном применяется для пластических ма- териалов, у которых отчетливо наблюдается пластическая деформация. Результатом испытаний является снятие диаграммы растяжения. Для изучения свойств материалов и установления предельных на- пряжений по разрушению или по пластическим деформациям проводят испытания на растяжение, т.к. они наиболее просты и в то же время да- ют возможность судить о поведении материала при других видах де- формаций. Целью этих испытаний является определение механических характеристик материала. При этом автоматически записывается кривая зависимости между напряжением и деформацией при растяжении. Ее называют диаграммой растяжения. Сначала деформации растут про- порционально напряжениям. На этой стадии растяжений справедлив за- кон Гука. Предел пропорциональности - то наибольшее напряжение, до которого деформация в материале пропорционально напряжениям. Обозначают пр . Предел упругости - максимальное напряжение де- формации, т.е. образец восстанавливает свою первоначальную форму и размеры при снятии нагрузки. Обозначают его упр Обычно разница между пр и упр невелика и на практике часто не делают между ними различий. При дальнейшем увеличении нагрузки наступает момент, когда де- формации начинают расти практически без увеличения нагрузки - гори- зонтальный участок графика (площадка текучести). Это явление назы- вается текучестью материала. Напряжение, при котором происходит рост деформаций без увеличения нагрузки, называется пределом теку- чести и обозначается тек . Ответы на экзаменационные вопросы 9 После перехода за предел текучести материал начинает оказывать сопротивление деформации, и диаграмма за точкой Д поднимается вверх, но имеет более пологий вид, чем раньше. Точка Е соответствует пределу прочности - напряжение, равное отношению наибольшей на- грузки к первоначальной площади поперечного сечения. Предел проч- ности обозначается прочн При достижении предела прочности на образце появляется резкое местное сужение, называемое шейкой. Площадь сечения образца в шейке уменьшается, что приводит к уменьшению величины растягивающей силы и напряжения. Точка М соответствует разрушению образца. Если при нагружении образца не был превышен предел упругости, то при разгружении все деформации полностью исчезнут, и при повтор- ном нагружении образец будет вести себя так, как и при первом нагру- жении, т.е. будет записываться такая же диаграмма растяжения. Если же образец был нагружен до большего напряжения, то раз- грузка пойдет по прямой КL, параллельной линии ОА, т.е. при разгрузке удлинение полностью не исчезает, а лишь уменьшается на некоторую величину. Отрезок 0L представляет собой остаточное удлинение. При повторном нагружении образца диаграмма растяжения пойдет по линии LК и начиная с точки К пойдет так, как будто не было разгрузки и по- вторного нагружения образца. Итак, при нагружениях образца выше предела текучести и после- дующей разгрузки, металл изменяет свои свойства: пропадает площадка текучести, повышается предел пропорциональности и уменьшается де- формация при разрыве (теперь это отрезок LR, а было ОR) - металл стал как бы более хрупким. Указанное изменение свойств материала назы- вают наклепом. В ряде случаев наклеп полезен и его создают искусст- венно, т.к. материал подвергают предварительной вытяжке силами, пре- Физика стоматологический факультет 10 вышающими рабочие силы, с тем, чтобы избежать остаточных удлине- ний в дальнейшем. Если же наклеп нежелателен, то его можно устра- нить с помощью специальной термообработки. 2) |