Bioloģisko materiālu un audu mehāniskās īpašības PhD J. Lanka
Mehāniskās slodzes veidi: a stiepe, b spiede, c liece, d - bīde
Traumatisms skriešanā 1 gada laikā iegūto traumu skaits (dažādu autoru dati): cilvēku skaits vecums kilometri nedēļā traumu skaits 693 33 >10 v. 37%, s. 38% 438 44 40 24% 757v. 50 s. 15 70 70 vieglas 36%, ārstēš. 38% 4335 v. 17-64 24 45,8% 1310 v. 34 30 31% pārtrauca skriešanu 19 sprinteri 21 68% 13 visusdist. 19 77% 28 gargabalnieki 35 57% Sportistiem visbiežāk - tendinits, sastiepumi (cīpslu), iekaisumi Bērniem - periostits, noguruma lūzumi Visvairāk novēro noguruma traumas (līdz 75% no kopējā skaita) ar tendenci atkārtoties
Traumu profils šķēpa mešanā
Bioloģisko audu galvenās mehāniskās īpašības: izturība, cietība, stingums, elastība, viskozitāte, slīdamība, dempferspēja (enerģijas disipācijas, izkliedēšanas spēja), iestiepjamība, relaksācija, histerēze Biomehāniskās īpašības muskuļu mehānisko īpašību izmaiņas pēc stimulācijas Muskuļu kontraktīlo elementu īpašības sauc par kvazimehāniskām, jo tās ir atkarīgas arī no nemehānisku faktoru ietekmes
Mehāniskas slodzes ietekmē bioloģiskos audos, orgānos un sistēmās rodas mehāniskā kustība, izplatās viļņi, rodas dažāda rakstura deformācijas un spriegumi. Organisma fizioloģiska reakcija uz minētiem faktoriem ir atkarīga no bioloģisko audu un šķidrumu mehāniskām īpašībām. Tieši tāpēc organisma profilaksei un stiprināšanai ir ļoti svarīgi zināt, kā mainās bioloģisku audu un orgānu reakcijas un īpašības. Šīs zināšanas palīdz precīzāk izprast bioloģisko audu un orgānu, sistēmu pareizo fizioloģiju un patoloģiskus stāvokļus.
Bioloģisko materiālu mehāniskie raksturlielumi un īpašības Creep (slīdamība): deformācijas palielināšanās konstantas slodzes ietekmē Blīvums: masa uz tilpuma vienību Elastības (Junga) modulis: deformējošā spēka attiecība pret deformācijas lielumu. Slodze (load, force, stress, tension): visu spēku un spēka momentu summa Deformācija (strain): preparāta relatīvais pagarinājums garuma izmaiņa pret sākuma garumu. Deformācijas straujums (strain rate) deformācijas izmaiņa laikā. Strength (spēks, izturība) maksimālais spēks ko spēj izturēt materiāls. Compressive strength, tensile strength. Stress (spriegums, напряжение) spēks uz laukuma vienību. Compressive stress, shear stress, tensile stress, ultimate stress maksimālais spēks, pie kura sākas materiāla sabrukšana
Materiāla mehānisko izturību raksturo ar tā maksimālā sprieguma vērtību, pie kura notiek tā sabrukums. Piemēram, stiepē preparāts pārtrūkst. Spriegums - spēks uz laukuma vienību. Blīvo kaulaudu izturība: stiepē 110-150 kg/mm 2, spiedē 180-220, bīdes slodzē 70-90 kg/mm 2. Ahileja cīpslas noslogojums var sasniegt 9 kn, t.i., būt 10-12,5 reizes lielāks par cilvēka svaru. Spēks uz šķērsgriezuma laukuma vienību ~ 1100 N/cm 2. Svarīga ir maksimālā deformācija, ko materiāls sasniedz sabrukuma brīdī. Izturības raksturlielumu vērtības var ietekmēt mehāniskie faktori: noslogošanas veids, spēka pieaugšanas ātrums (gradients), slogošanas ilgums, parauga orientācija, parauga izmēri, temperatūra u.c. Izturības raksturlielumu vērtības ietekmē arībioloģiskie faktori: trenētība, vecums, dzimums, rase, pataloģiskās izmaiņas u.c.
Maksimālā mehāniskā izturība: blīvā kaulviela stiepē 1100-1500 N/mm 2 (tas ir 30 reizes vairāk, kā spēj izturēt ķieģelis), spiedē 1800-2200 N/mm 2, bīdes slodzē 700-900 N/mm 2 skrimslis 350 N/cm 2 cīpsla, saite 4,1-24,3 N/mm 2 (vīriešiem), 3,6-14,0 N/mm 2 (sievietēm) muskuļi 0,1-0,4 N/mm 2
Kaulaudu mehāniskās izturības izmaiņas cilvēka dzīves laikā (Knēts, 1980)
Treniņu slodzes un imobilizācijas ietekme uz audu mehānisko izturību
Stress (σ) deformējošais spēks, strain (έ) deformācijas lielums
Tā kā preparātu iestiepj ar nemainīgu ātrumu, tad iestiepšanas laiks ir proporcionāls preparāta pagarinājumam
1. zona lēni pieaug pretestība, kolagena pavedieni atrodas gofrētā stāvoklī. 1-4% no pavediena sākotnējā garuma 2. zona sākas ar lineārā posma parādīšanos starp deformējošo spēku un pagarinājuma lielumu 2-5% no cīpslu un 20-40% no saišu sākotnējā garuma 3. zona sākas ar lineārās sakarības beigšanos, parādās pirmie mikrobojājumi 4. zona sākas ar lineārās sakarības beigām, sākas nopietni audu bojājumi Maksimālā izturība atkarīga no preparāta ģeometriskajiem izmēriem. Jo lielāks šķērsgriezuma laukums, jo augstāka izturība Kā izmēra? 1. Normālais spriegums: ϭ = F/S (N/mm), kur F pieliktais spēks, S šķērsgriezuma laukums 2. Relatīvais pagarinājums: ϵ = l/l 100%, kur l pagarinājums, l preparāta sākuma garums 3. Junga modulis (elastības modulis): E = ϭ/ϵ (N/mm2)
Elastība materiāla īpašība atjaunot sākotnējo ģeometrisko formu pēc deformējošā spēka darbības pārtraukšanas. Garumu, ko cenšas ieņemt muskulis pēc tā atbrīvošanas no slodzes, sauc par muskuļa līdzsvara garumu. Līdzsvara garumā elastības spēki ir vienādi ar nulli. Elastīgās deformācijas spēks (F d ) deformētā ķermeņa iedarbības mērs uz ķermeņiem, kuri šo deformāciju ir izsaukuši: F d = c l, kur c stinguma koeficients, l deformācijas lielums. Elastīgās deformācijas enerģija: E el = c l 2 / 2
Stingums (stiffness) audu īpašība pretoties iestiepjošiem spēkiem. Stinguma koeficients N/m. Parāda, kāds spēks ir jāpieliek, lai kermeni deformētu par vienu vienību. No stinguma atkarīga audu spēja uzkrāt elastīgās deformācijas enerģiju. Muskuļu stingums atkarīgs no: muskuļa uzbūves uzbudinājuma līmeņa muskuļa maksimālā spēka lieluma iestiepšanas ātruma iestiepšanas atkārtošanas biežuma (pie 2-4 hercu frekvences stingums palielinās par 30%) sporta veida, kurā cilvēks specializējas, u.c.
Biomehāniskais stingums maksimāli stimulētam muskulim ir 4-5 reizes lielāks, kā pasīvam muskulim. Stingums nav atkarīgs no muskuļa garuma. To izskaidro ar to, ka muskulī izvietoti gan virknes gan paralēlie elastīgie komponenti. Muskuļa stingums pieaug par 30% un vairāk, ja pieaug iestiepšanas ātrums vai iestiepšanas jauda. Šī sakarība nesaglabājas noguruma stāvoklī. Distances beigās muskuļu darbības mehāniskā efektivitāte samazinās, jo samazinās muskuļu-cīpslu kompleksa elastīgās komponentes ieguldījums. Muskuļu stingums atkarīgs no sporta veida, kurā specializējas cilvēks. Piemēram, lielākas iespējas uzkrāt elastīgās deformācijas enerģiju, salīdzinot ar peldētājiem, ir sprinteru un svarcēlēju kāju muskuļos.
Kas nosaka muskulī akumulētās elastīgās deformācijas enerģijas daudzumu? Kur tā enerģija var akumulēties? 1. Muskuļa uzbūve: masa, šķiedru sakārtojuma veids, saistaudu daudzums 2. Ātro-lēno šķiedru attiecība 3. Muskuļa stingums 4. Muskuļa aktivitātes līmenis 5. Muskuļa iestiepšanas ātrums (no tā ir atkarīgs muskuļa stingums) 6. Laika intervāls starp iestiepšanas un realizēšanas fāzi (relaksācija) 7. Muskuļa preaktivācija (apsteidzošā vai preliminārā inervācija) 8. Nogurums 9. Temperatūra 11. Attiecība cīpslas garums/m. šķiedru garums 12. Attiecība MFŠL/ cīpslas ŠL 10. Dzimums un vecums 13. Attiecība MTU garums/ muskuļa spēka plecs
Galvenie bioloģisko materiālu mehānisko īpašību raksturlielumi: elastības un bīdes modulis Elastības modulis raksturo lineāri elastīga materiāla stingumu stiepē vai spiedē, t.i., materiāla spēju pretoties deformācijai. Elastības modulis tiek izteikts kā attiecība starp mehānisko spriegumu (spēka lielumu uz preparāta šķērsgriezuma laukuma vienību un tam atbilstošo relatīvo deformāciju (absolūto pagarinājumu vai saīsinājumu pret sākuma garumu): Blīvo kaulaudu elastības modulis ir 18000-20000 N/mm 2, tēraudam 21000. Bīdes modulis raksturo materiāla spēju pretoties bīdes (vērpes) spēku radītām deformācijām.
Bioloģisko audu īpašības novērtē ar rādītājiem: Junga (elastības) modulis, N/mm 2 relatīvais pagarinājums (ε = l / l x 100%) Yield point (A) punkts, kur beidzas elastīgās un sākas plastiskās deformācijas zona C - failer (rapture) point preparāta sabrukšanas punkts
Grafika līknes noliekums pret abscisu parāda stingumu
Relaksācija muskuļu kontrakcijas spēka samazināšanās ejot laikam. Mēra ar laiku, kurā muskuļa spēks samazinās līdz noteiktam lielumam, salīdzinot ar sākotnējo spēku. Relaksācija muskuļos, cīpslās, saitēs akumulētās elastīgās deformācijas enerģijas samazināšanās, paejot laikam pēc deformācijas. Relaksācijas konstante laiks, kurā notiek elastīgās deformācijas enerģijas uzkrāšanās un realizācija. Ceļa locītavas muskuļiem relaksācijas laiks ~ 1,4 s. Ātro un lēno šķiedru attiecības ietekme: jo lielāka lēno šķiedru attiecība muskulī, jo efektīvāk tiek izmantota uzkrātā elastīgās deformācijas enerģija. Tas ir svarīgi izturības sporta veidos. Atkārtotos palēcienos ar un bez pauzes enerģijas patēriņa starpība 25-30%. Muskuļu mehāniskās efektivitātes koeficients (MEK) atkarīgs no pauzes ilguma. Elastīgās enerģijas izmantošanas procents vīriešiem 51%, sievietēm 38% - eksperimenta dati. Izskaidro ar atšķirīgu trenētības līmeni.
Relaksācijas līkne Ja cīpslu(saiti) ātri iestiepj un pārtrauc iestiepšanu, tad pretestība sākumā strauji pieaug, pēc tam pakāpeniski samazinās. Notiek relaksācija un pēc brīža spēks stabilizējas - steady state stāvoklis, ko nosaka audu elastība. Spēka relaksācija pretestības spēka samazināšanās materiāla deformēšanas laikā notiek pateicoties audu viskozitātei. Ātri iestiepjot, vajadzīgs mazāks laiks, lai viskozais komponents disipētu ārējo enerģiju.
Relaksācija elastīgās deformācijas enerģijas pāriešana siltuma enerģijā
Histerēze starpība starp deformējošais spēks-deformācija noslogošanas un atslogošanas cikla līknēm. Histerēze parāda, cik daudz enerģijas ir zaudēts deformēšanas cikla laikā. Kur paliek elastīgās deformācijas enerģija? Atbilde - pāriet siltuma enerģijā. Gastrocnemius m. cīpslas spēks-pagarinājums grafiks. Aplīši - vidējās vērtības, horizontālie nogriežņi - standartnovirzes. Bultiņas parāda noslogošanas un atslogošanas virzienus.
Skaitliski histerēzi novērtē ar histerēzes cilpas laukuma attiecību pret laukumu zem noslogošanas līknes.
Cikliski iestiepjot bioloģisko preparātu, deformācijas lielums ir atkarīgs ne tikai no deformējošā spēka lieluma, bet arī no iepriekšējās deformācijas lieluma. Cikliski iestiepjot, audos samazinās enerģijas izkliede un siltuma zudumi. Tas ir viens no efektiem, ko dod iesildīšanās pirms fiziska vingrinājuma izpildes.
Cietība audu īpašība izrādīt pretestību kontaktspēku iedarbībai. Praksē muskuļu cietību parasti novērtē, uzspiežot uz atslābinātu muskuli. Pēc cietības spriež par muskuļu gatavību darbam. Dempferspēja (damping) materiāla īpašība izkliedēt (disipēt) no ārpuses pievadītu enerģiju. Enerģijas disipācija var notikt pašā muskulī (iekšējā disipācija) un saistaudu veidojumos, locītavās, muskuļos antagonistos u.c. (ārējā disipācija). Enerģijas disipācijas pakāpi parāda histerēzes līkne. Damping coefficient deformējošā spēka reizinājums ar materiāla deformācijas ātrumu (N cm/s) Sasprindzinātā muskulī, salīdzinot ar atslābinātu muskuli, enerģijas disipācija palielinās aptuveni 2 reizes.
Ideāli elastīga atspere (E) Viskozais elements (ŋ) Elastīgi viskoza materiāla modelis (Maksvela modelis) Bioloģiskas struktūras: muskuļi, cīpslas, saites, asinsvadi, plaušu audi u.c. ir viskozi-elastīgas vai elastīgi-viskozas sistēmas. Spēks, kurš rodas elastīgajā elementā (E) to deformējot, pakāpeniski izzūd deformācijas dēļ, kura rodas viskozajā elementā η. Tas sekmē iestiepumu iekšējos orgānos, kuri sastāv no gludas muskulatūras, piemēram, urīnpūslī. Muskulim ir raksturīga sprieguma relaksācija. Pie pēkšņa muskuļa iestiepuma, spēks pēkšņi palielinās, bet pēc brīža samazinās līdz noteiktam līdzsvarotam līmenim.
Elastīna un kolagena molekulas (šķiedras) pirms to iestiepšanas atrodas gofrētā stāvoklī.
Pretēja īpašība stingumam iestiepjamība (податливость), dimensija m/n. Iestiepjamība parāda, par cik var pagarināt preparātu līdz pirmajām tā sabrukšanas pazīmēm. Ja muskuli iestiepj ar vienu un to pašu spēku atkārtoti ar nelieliem laika intervāliem, tad tā garums palielinās vairāk, kā pie vienreizējas iedarbības. Šo audu īpašību plaši izmanto lokanības attīstīšanas vingrinājumos, jo viens no galvenajiem lokanību ierobežojošiem faktoriem ir muskuļu garums. Atkārtoti iestiepjot muskuli, palielinās tā iestiepjamība, bet saglabājas iepriekšējais stinguma līmenis. Līdzīgi uz muskuļu iestiepjamību iedarbojas temperatūras paaugstināšana. Pēc iesildīšanās vai pirts procedūrām lokanība uzlabojas.
Slīdamība (creep, ползучесть) preparāta pagarināšanās nemainīga spēka ietekmē Iestiepšanas sākumā, palielinot deformējošo spēku lineāri palielinās preparāta garums (b). Stabilizējot spēka lielumu, preparāts turpina pagarināties, sākumā ātrāk, pēc tam lēnāk (a). Līnijas slīpums - slīdamības konstante. έ deformācijas lielums Bioloģiskā preparāta garuma palielināšanos nemainīga spēka ietekmē sauc par slīdamību (creep).
Pieliekot spēku, sākotnēji preparāts pagarinās proporcionāli pieliktā spēka lielumam. Pārtraucot spēka palielināšanu, preparāts turpina pagarināties (slīdamība). Noņemot pielikto spēku preparāts pilnīgi neatgriežas sākotnēja garumā.
Galvenie viskozi elastīgu materiālu raksturlielumi Saistaudi ir viskozi elastīgi. Viskoelastību raksturo četras galvenās pazīmes: 1. Jūtība pret atkārtotu deformēšanu (strain rate). 2. Slīdamība (creep) deformācijas palielināšanās nemainīga lieluma spēka ietekmē. 3. Elastīgās deformācijas spēka samazināšanās ejot laikam pēc deformēšanas (stress relaxation). 4. Histerēze (hysteresis).
Palielinot pielikto spēku, lineāri palielinās preparāta garums (- - - b). Palielinot iestiepšanas ātrumu, pieaug bioloģiskā materiala pretestība (---- b). Lai turpinātu ietiepšanu, jāpieliek lielāks spēks. Ja saiti (cīpslu) ātri iestiepj un pārtrauc iestiepšanu, tad sākumā elastības spēks strauji pieaug, pēc tam samazinās. Notiek relaksācija un ar laiku spēks stabilizējas. ----- relaksācijas konstante. Relaksācija - elastīgās deformācijas spēka samazināšanās, paejot laikam pēc deformācijas