Физика ответы на экзаменационные вопросы стомат. 1. Основные понятия биомеханики. Внешние и внутренние силы, напряжения и деформации. Законы упругой
 Скачать 1.47 Mb.
|
|
Оп ре де лен ие п роч н ост и п ри сж атии . Этим испытание чаще всего подвергают хрупкие материалы. Для пластических материалов эти испытания не применяют, т.к. при сжатии такие материалы сильно деформируются, принимают бочкооб- разную форму и оказываются в условиях неравномерного объемного сжатия. Метод испытания заключается в нахождении нагрузки, при ко- торой наступает разрушение образца во время сжатия при статическом нагружении. Образец в форме параллелепипеда или цилиндра помеща- ют между двумя сближающимися с постоянной скоростью платами из закаленной стали. Во избежание продольного прогиба высота образца должна быть соизмерима с его поперечными размерами. 3) Оп ре де лен ие п роч н ост и на и зги б . Испытания стоматологических материалов на изгиб проводят с раз- рушением и без разрушения. При испытании с разрушением образец, свободно лежащий на двух опорах, нагружают посредине с помощью специального нагружающего наконечника, движущегося с постоянной скоростью относительно опор. Этот метод неприменим к некоторым пластмассам, образцы которых не разрушаются при изгибе. Для них проводят испытание без разрушения, при котором определяют макси- мальные величины изгиба при строго установленном нагружении (обычно 3,5 и 5 кг). 4) Оп ре де лен ие т ве рд ост и . Проводят одним из следующих способов: способ вдавливания шарика (метод Бринелля); измерение микротвердости вдавливанием алмазной пирамиды; способ Шора - вдавливается стандартная игла, измеряется глубина погружения. 5) Оп ре де лен ие и ст и ран ия . При трении соприкасающихся поверхностей двух материалов раз- личной твердости наблюдается дефект массы (т.е. потеря массы, ее уменьшение) того материала, у которого истираемость больше. Метод основан на определении потери массы стандартного образца, при обработке его под нагрузкой абразивом. Тепловые методы испытания К методам теплофизического контроля в первую очередь относятся методы измерения температур. Для этого применяют лабораторные ртутные термометры, полупроводниковые термометры (термисторы), Ответы на экзаменационные вопросы 11 термометры сопротивления и термопары. В последнее время часто ин- формация о тепловом режиме объекта снимается с помощью термоин- дикаторов, которые изменяют свое состояние (яркость или цвет) при на- греве. Применяя такие термоиндикаторы, можно просто и наглядно ус- тановить распределение температур в естественных и искусственных зубах при их локальном разогреве при обработке фрезой. Существуют приборы для неконтактного измерения температур и анализа, температурных полей: пирометры и тепловизоры. Пирометры бывают яркостные, цветовые и радиационные. Прин- цип действия яркостных пирометров основан на зависимости спек- тральной яркости нагретых тел от температуры, определяемой законами Планка и Вина. Принцип действия цветовых основан на сравнении ин- тенсивности излучения двух спектральных диапазонов, радиационных - на использовании закона Стефана-Больцмана, связывающего излучае- мую энергию с температурой. Пирометры применяют для контроля за температурой материалов в процессе их термообработки, температурой металлов и сплавов при литье протезов. Существует группа специаль- ных радиационных пирометров, позволяющих установить распределе- ние температур по поверхности объекта. Тепловизоры условно делят на три группы: 1. Тепловизоры, представляющие тепловое поле в виде черно-белого или цветного изображения на экране электронно-лучевой трубки; 2. Термографы, представляющие тепловое поле в виде изображения на специальной бумаге или другом носителе информации; 3. Тепловизионные микроскопы для анализа температурных полей микрообъектов. Метод дифференциального термического анализа применяется для определения температур, возникающих в материале за счет вы- деления или поглощения некоторого количества теплоты. Чаще всего этот метод применяют для изучения процесса кристаллизации. В этом методе используют одновременный нагрев и охлаждение испытываемо- го и эталонного образца. При отсутствии в материале фазовых превра- щений его размеры меняются плавно, без скачка. Фазовый переход со- провождается скачкообразным изменением длины или объема образца. В момент фазового перехода возникает разность температур между об- разцом и эталоном. Эта разность фиксируется специальной термопарой. Метод дилатометрического анализа заключается в регистрации изменений линейных и объемных размеров образца в изотермических условиях, либо при нагреве или охлаждении. Измерения проводят на специальных приборах - дилатометрах. Конструкции приборов раз- личается по способу регистрации образца: механическому, элект- рическому или оптическому. Температура образца измеряется тер- мопарой. Кроме названных используют такие методы определения теплофи- зических характеристик материалов, как определение теплоемкости, те- плопроводности и теплоотдачи. Физика стоматологический факультет 12 Акустические методы испытания Акустические методы контроля подразделяют на два вида: 1. методы, в основе которых лежит излучение и прием ультразвуковых волн; 2. Методы, основанные только на регистрации акустических волн, возникающих в материалах за счет каких-либо внешних воздейс- твий. Методы, основанные на излу- чении и приеме УЗ-волн: Методы, основанные на приеме УЗ-волн: 1. Эхометод 2. Теневой метод 3. Импедансный метод 4. Резонасный метод 5. Метод свободных колеба- ний 1. Эмиссионный метод 2. Шумовибрационный метод Эхометод заключается в том, что посылается короткий УЗ импульс. Он отражается от различных дефектов и неоднородностей изделия и принимается тем же излучателем. На экране электронно-лучевой трубки можно зафиксировать время посылки и прихода УЗ импульса. Зная ско- рость распространения ультразвука в данном материале, можно рассчи- тать глубину расположения дефекта или неоднородности. В частности, этот метод получил широкое распространение в медицинской диагно- стике. Теневой метод - сквозное прозвучивание исследуемого материала. Излучатель и приемник расположены по разные стороны образца. Де- фект на пути УЗ волн ослабляет или задерживает регистрируемый сиг- нал, что наблюдается на экране электронно-лучевой трубки. Импедансный метод - наблюдение колебаний стержня, который контактирует с поверхностью исследуемого изделия. При наличии де- фектов наблюдается уменьшение акустического импеданса, что и реги- стрируется соответствующими приборами. При разонансном методе определяют частоту, на которой воз- никают резонансные колебания в исследуемом участке изделия. Дефект приводит к ослаблению резонанса. В методе свободных колебаний производится анализ спектра час- тот собственных колебаний изделия после удара по нему (этот метод напоминает проверку стеклянной посуды по звону). В эмиссионном методе регистрируются УЗ волны, возникающие в момент образования трещин. При этом излучателем ультразвука яв- ляется сам дефект. Шумовибрационный метод - основан на регистрации звуковых колебаний работающего изделия. Ответы на экзаменационные вопросы 13 5. Основные понятия реологии. Биореология. Реологические модели. Реология – наука о деформациях и течении вещества. Рассматри- ваются сплошные среды, т.е. все характеристики распределены равно- мерно, не учитывается атомное и молекулярное строение. Биореология исследует течение различных биологических жидко- стей (кровь, плевральная жидкость и тд.), а также деформации различ- ных тканей человека. Свойства упругости заключаются во взаимной зависимости напря- жения и деформации. Модель – упругая пружина. Рис. 1. График зависимости напряжения и длины пружины от времени Свойства вязкости заключены во взаимной зависимости напряже- ния и скоростей деформации. Постоянным во времени напряжениям со- ответствуют стационарное течение с постоянными скоростями дефор- мации. Разгрузке соответствует остановка течения. Модель - вязкая жидкость в цилиндре. При движении поршня жидкость протекает через отверстие между поршнем и стенками цилиндра, создает сопротивление, которое про- порционально скорости движения. Большинство тел сочетают и вязкие, и упругие свойства – вязкоуп- ругие тела. Свойства вязкоупругих тел: 1. Релаксация – спонтанное уменьшение напряжения при неизменной деформации. Δl t σ t σ σ Физика стоматологический факультет 14 Рис. 2. График зависимости напряжения от времени. 2. Связь, между и нелинейная Рис. 3. График зависимости напряжения от линейной деформации. При нагрузке и разгрузки зависимости между мгновенными значениями различны - гистерезис. Реологические модели. 1. Модель Максвелла При быстрой нагрузке работает пружина. При медленной нагрузке – поршень. При средней нагрузке - происходит удлинение на lу – на- чальное мгновение удлинения упругого элемента, а затем постепенно начинает удлиняться вязкостный элемент. σ σ t σ ε Ответы на экзаменационные вопросы 15 Рис. 4. График зависимости длины пружины от времени. 2. Модель Фойгта – Кельвина Рис. 5. График зависимости напряжения и длины пружины от времени Δl σ t t Δl Δlу t Вязкость оказывает сопротивле- ние установлению упругого рав- новесия σ Физика стоматологический факультет 16 6. Механические свойства биологических тканей - костной ткани, мышечной ткани, сосудистой стенки. Механизм возникновения пульсовой волны. Механические свойства костной ткани. Костная ткань – один из видов соединительной ткани. Костная ткань состоит из трех видов клеток и межклеточного вещества. Меха- нические свойства определяются ее составом, свойствами ее компонен- тов и зависят от некоторых механических факторов (форма, размер, скорость и продолжительность нагрузки) и биологических факторов (возраст, пол, месторасположение и тд.). В экспериментах можно полностью удалить органическую или не- органическую часть, при этом размер и форма не меняется, а свойства отличаются. При удалении минеральных веществ, кость становится ре- зиноподобной, а при удалении органических веществ – хрупкой. Кост- ная ткань должна обладать прочностью, т.е. сопротивлением разруше- нию. Прочность костей на сжатие выше прочности на растяжение и кручение. Существование в костях полостей для клеток и каналов для кровеносных сосудов увеличивает прочность костей, т.к. они задержи- вают распространение трещин. При постоянной очень быстрой скоро- сти деформации зависимость от выглядит следующим образом: Рис. 6. График зависимости напряжения от линейной деформации. Если кость деформировать медленно, то наблюдается ползучесть костной ткани – непрерывная деформация при действии постоянной на- грузки. Механические свойства существенно зависят от содержания в них влаги. При увеличении влаги, модуль упругости разрушающего на- пряжения понижается. Механические свойства костей человека изме- няются с возрастом, так как изменяется их химический состав, внутрен- няя структура, степень минерализации. Пока продолжается рост костей, модули упругости сдвига и разрушающего напряжения костной ткани возрастают, после 25 лет – уменьшаются. В покое нагрузка на кость обусловлена силой тяжести, а при движении – мышечным движением, силами инерции и тяжести. Ограничение движения приводит к измене- σ ε Ответы на экзаменационные вопросы 17 нию в костях (плотность, пористость). Срастание обломков имеет мак- симальную скорость при сжимающих напряжениях близких к напряже- ниям, имеющимся в нормальных физиологических условиях. Механические свойства мышечной ткани. Модель скользящих ни- тей. Мышечная ткань - совокупность мышечных клеток, внеклеточно- го вещества и густой сети нервных волокон и кровеносных сосудов. Мышцы относят к биологическим эластомерам, т.е. веществам, обла- дающим упругостью, пластичностью и эластичностью. Рис. 7. График зависимости механического напряжения от деформации. Сократимость - способность генерировать механическое напряже- ние и укорачиваться. Общепринятой теорией мышечных сокращений является модель скользящих нитей, основныеположения которой заключаются в сле- дующем: 1. В ходе сокращения длины нитей актина и миозина не меняются 2. Изменение длины саркомера происходит при продольном смещении нитей относительно друг друга 3. Процесс скольжения обусловлен взаимодействием мостиков миози- на с активными центрами на актине. Мостики прикрепляются к ак- тину не одновременно. Замкнувшись, они развивают усилие, про- двигают нить вдоль нити и размыкаются. Сокращение и расслабле- ние состоит в нарастании и последующем уменьшении числа мос- тиков. Энергия для работы – АТФ. Уравнение Хилла. Мощность одиночного сокращения. Для исследования характеристик сокращения мышц используют 2 вари- анта опытов: 1) Изометрический режим. σ ε Физика стоматологический факультет 18 Рис. 8. График зависимости силы сокращения мышцы от времени (слева) и график зави- симости длины мышцы от времени (справа). С помощью фиксатора длины устанавливается длина мышцы, затем на электроды стимуляции подается электрический импульс и регистри- руется сила, как функция от времени. На рис. 8 показан вид этой функ- ции для двух различных длин. Максимальная сила соответствует на- грузке 0 P , которую может развивать мышца. Она зависит от ее началь- ной длины и области перекрывания актиновых и миозиновых нитей, в которой могут замыкаться мостики. При начальной длине саркомера 2,2 мкм в сокращении участвуют все мостики. 0 P генерируется тогда, когда мышца растянута на установке, чтобы длины ее саркомеров были близ- ки к 2,2 мкм (на рис. 8 соответствует 1 l и 2 l ), но так как количество мостиков в мышце 2 1 l l , то 02 01 P P 2) Изотонический режим. Поддерживается постоянное напряжение, т.е. к незакрепленному концу мышцы подвешен груз P , затем подается электрический стимул и регистрируется изменение длины мышцы во времени. Чем больше груз P , тем меньше укорочение мышцы и время удерживания груза. При некоторой нагрузке 0 P P , мышца не сможет поднять груз, но может его удержать. 0 P – Максимальное изометрическое напряжение для данной мышцы. Уравнение Хилла: a P P P b v ) ( 0 , где P - напряжение, наблюдаемое в данный момент l 2 l 1 F Po 1 Po 2 Δl t t Ответы на экзаменационные вопросы 19 b – константа, имеет размерность v (скорость укорочения мышцы) a – константа, имеет размерность F (силы) Механические свойства сосудистой стенки . Механические свойства сосудистой стенки обусловлены волокна- ми, входящими в ее состав: 1. Коллагеновые. Состоят из фибриллярного белка коллагена и явля- ются наиболее жесткой составляющей. Модуль Юнга равен 10 8 Н/м 2 . Проявляют свойства вязко-упругих тел. 2. Эластиновые. Состоят из фибриллярного белка эластина, более по- датливые волокна, способны растягиваться до удвоенной длины. Модуль Юнга равен 3•10 5 Н/м 2 3. Гладкомышечные (клетки диаметром 5 мкм и длиной 25-60 мкм) Модуль упругости 10 5 -10 6 Н/м 2 В зависимости от относительного количества разных волокон в стенке выделяют сосуды эластического, смешанного и мышечного типа. Сосуды эластического типа: аорта, легочная артерия, общая сонная артерия. Поддерживают кровоток во время диастолы сердца и тем са- мым обеспечивают непрерывность движения крови в сосудистой систе- ме. В артериях других типов (смешанного и мышечного) относитель- ная масса эластина снижается. Сосуды мышечного типа создают пере- менное сопротивление кровотоку и регулируют уровень кровяного дав- ления в системе кровообращения, а также объемную скорость кровотока в каждом из органов. В венах относительная масса эластина составляет 1/3 массы колла- гена, они являются емкостными сосудами. Благодаря значительной пла- стичности вены способны сильно растягиваться без развития напряже- ния и вмещать в себя много крови. В венах может находиться около 80% крови, протекающей по большому кругу кровообращения. В нерастянутой стенке сосуда коллагеновые волокна не распрямле- ны до конца. Поэтому механические свойства при низких внутрисосу- дистых давлениях (т.е. при малом растяжении) определяются свойства- ми эластина. При больших деформациях сопротивление растяжению оказывают и исходно нерастянутые волокна. Наиболее существенной внешней силой, влияющей на просвет со- суда, является трансмуральное давление Рнар Р Pт , т. е. раз- ность внутрисосудистого давления. Оно создает исходно напряженное состояние. Увеличение Рт ведет к повышению напряжения и растяже- нию сосуда. Если продолжительность действия такого увеличенного Ртр невелика и затем эта нагрузка снимается, то кровеносные сосуды почти упруго восстанавливают свои исходные размеры и форму. Разме- ры сосуда и механические свойства стенки могут также изменяться вследствие изменения тонуса, т.е. сократительной активности гладко- мышечных волокон. |