Прочность материала

Дано определение прочности, предела прочности и временного сопротивления материала. Приведены значения прочности элементов опорно-двигательного аппарата (ОДА) человека. Описаны факторы, определяющие прочность элементов ОДА человека.

 

Прочность несущего кузова DKW

Прочность элементов опорно-двигательного аппарата человека

Определения

Прочность тела (материала) – способность тел выдерживать без разрушения приложенную к ним нагрузку. Прочность обычно характеризуется значением предельного механического напряжения, вызывающего разрушение тела при определенном способе деформирования.

Предел прочности (σ) – механическое напряжение, выше которого происходит разрушение материала. Единицей измерения предела прочности является Паскаль [Па]. В таблице 1 представлены значения предела прочности элементов ОДА человека.

В настоящее время вместо термина «предел прочности» используется словосочетание «временное сопротивление» (σв).

Временное сопротивление: σв = Fmax/S – механическое напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, предшествующей разрушению тела.

Одним из первых, кто обобщил знания о механических свойствах опорно-двигательного аппарата  человека был П.Ф. Лесгафт. Опубликованная им книга «Теоретические основы анатомии»  содержала сведения о механических характеристиках элементов ОДА человека (Самсонова А.В., 2007). Прочность материала П.Ф. Лесгафт называл крепостью. В табл.1 приведены данные о прочности элементов ОДА человека.

Таблица 1. Прочность элементов ОДА человека и некоторых материалов (Лесгафт П.Ф., 1905)

Элемент ОДАПредел прочности (σ), МПа
РастяжениеСжатие
Плотная костная ткань92,5-124,1125,6-168
Костный хрящ15,127,2
Реберный хрящ1,715,7
Сухожилие m. plantaris69,4
Канат37,6-67,7
Сосна10552,5
Дуб8153

Таблица 2 — Значения предела прочности элементов ОДА человека по данным литературных источников

Автор, годЭлемент ОДАПредел прочности (σ), МПа
Заалишвили М.М., 1971Миофибрилла0,016-0,025
Kuthe C. D., Uddanwadiker R. V., Ramteke A., 2014Мышечное волокно0,23-0,44
Обысов А.С., 1971Связка (боковая большеберцовая)10-25
Елисеев В.Г., 1961Сухожилие40-60
Chaudhry S., 2012Ахиллово сухожилие37,9±3,8
Дубровский В.И., Федорова В.Н., 2003Бедренная кость (растяжение)124
Бедренная кость (сжатие)170
Образцов И.Ф. с соавт. 1988Большеберцовая кость (растяжение)128,4
Образцов И.Ф. с соавт. 1988Межпозвонковый диск5

Факторы, влияющие на прочность элементов ОДА человека

Прочность элементов ОДА зависит от ряда факторов: способа деформирования, пола,  возраста, уровня физической активности человека.

Способ деформирования

По данным П.Ф.Лесгафта (табл.1) прочность на растяжение плотной костной ткани составляет 92,5-124,1 МПа, а на сжатие — 125,6-168 МПа. Фактический материал, собранный современными исследователями (Образцов И.Ф. с соавт. 1988; В.И.Дубровскй, В.Н.Федорова, 2003), это подтверждает: прочность  кости на растяжением меньше, чем прочность на сжатие (табл.2). Следует отметить, что для древесины (сосна, дуб) прочность на растяжение больше прочности на сжатие (табл.1).

Пол

На прочность элементов ОДА также влияет пол. Установлено (Обысов А.С., 1971), что значение предела прочности боковой большеберцовой связки у мужчин варьирует от 5,98 до 41, 19 МПа, а у женщин – от 10,78 до 26, 48 МПа.

Возраст

Установлено, что с возрастом прочность элементов ОДА человека уменьшается. по данным П.И. Бегуна и Ю.А.Шукейло (2000) прочность бедренной кости при кручении наиболее высока в 25-35 лет. Она составляет 105,4 МПа. После этого с возрастом человека она убывает, постепенно снижаясь к 75-89 годам в среднем до 90 МПа. Это обясняется главным образом увеличением пористости кости. Прочность связки надколенника по данным П.И. Бегуна и П.Н. Афонина (2004) у мужчин 15-20 лет составляет 21,38 МПа, 21-40 лет – 10,98 МПа, у 41-66 лет – 7,55 МПа.

Уровень физической активности

Уровень физической активности человека также влияет на прочность элементов ОДА. Иммобилизация снижает прочность связок и сухожилий. И наоборот,  физическая активность способствует увеличению прочности  сухожилий и связок.  Однако в процессе тренировок прочность сухожилий и связок увеличивается очень медленно. Поэтому при форсированном развитии скоростно-силовых качеств скелетных мышц человека, особенно если это сочетается с приемом анаболических стероидов, может возникнуть несоответствие между возросшими скоростно-силовыми возможностями мышц и недостаточной прочностью сухожилий и связок. Это грозит потенциальными травмами (Зациорский В.М., Аруин А.С., Селуянов В.Н., 1981).

Определение предела прочности материала

При определении механических свойств материалов проводят испытания на растяжение, сжатие, кручение и изгиб образцов, форма и размеры которых стандартизованы. С этой целью разработаны различные ГОСТы.

Испытание материала на растяжение выполняют разрывной машиной при нагружении вдоль продольной оси стандартных образцов (рис. 1).

 Разрывная машина для испытания на растяжение: 1 - видеокамера; 2 - исследуемый образец; 3 - лампа (Beluch W., Panek K., 2016)
Рис.1. Разрывная машина для испытания на растяжение: 1 — видеокамера; 2 — исследуемый образец; 3 — лампа (Beluch W., Panek K., 2016)

Литература

  1. Бегун П. И., Шукейло Ю. А. Биомеханика: Учеб. для вузов. СПб.: Политех­ника, 2000. 463 с.
  2. Бегун П.И., Афонин П.Н. моделирование в биомеханике: Учебное пособие. М.: Высшая школа, 2004.- 390 с.
  3. Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика: Учеб. М.: Владос, 2003. – 672 с.
  4. Елисеев В.Г. Соединительная ткань. Гистофизиологические очерки. М.: Медгиз, 1961.– С.30-31.
  5. Заалишвили М.М. Физико-химические основы мышечной деятельности. Тбилиси: Мециереба, 1971.– 143 с.
  6. Зациорский В.М., Аруин А.С., Селуянов В.Н.  Биомеханика двигательного аппарата человека. М.: Физкультура и спорт, 1981. – 143 с., ил.
  7. Лесгафт П.Ф. Основы теоретической анатомии. Изд. 2-е ч.1.– СПб: Товарищество Художественной печати, 1905.– 351 с.
  8. Образцов И. Ф., Адамович И. С., Барер А. С. [и др.]. Проблемы прочности в биомеханике: Учеб. пособие для техн. и биол. спец. вузов / Под ред. И. Ф. Об­разцова. М.: Высшая школа, 1988. 311 с.
  9. Обысов А. С. Надежность биологических материалов. М.: Медицина, 1971. 104 с.
  10. Самсонова, А.В. Вклад П.Ф. Лесгафта в биомеханику /А.В. Самсонова // Труды кафедры биомеханики: Междисциплинарный сборник статей. – Вып.1.– СПб, 2007.– С. 4-11.
  11. Beluch W., Panek K., Global Identificationof the Laminates’ Material Parameters // Zeszyty Naukowe WSInf. 2016. Vol 15, No 1. P. 63-74.
  12. Kuthe C. D., Uddanwadiker R. V., Ramteke A. Experimental evaluation of fiber orientation based material properties of skeletal muscle in tension // Molecular and Cellular Biomechanics. 2014. V. 11. N 2. P. 113–128.

С уважением, А.В.Самсонова

Похожие записи:


Общий центр масс (ОЦМ) и общий центр тяжести (ОЦТ) тела
Введено понятие ОЦМ (ОЦТ) тела человека. Описаны методы определения положения ОЦМ (ОЦТ) тела человека. Приведены данные о положении…

Деформация растяжение-сжатие материала
Даны определения деформации растяжение-сжатие, механического напряжения, абсолютной и относительной деформации материала. Введено понятие модуля Юнга (модуля продольной…

Связь биомеханики с другими науками
Описана взаимосвязь биомеханики двигательных действий с научными дисциплинами: анатомией, биохимией, физиологией, спортивной медициной, математикой, механикой, информационными технологиями и…

Механическое напряжение
Дано определение механического напряжения и предела прочности материала. Приведены значения механического напряжения, возникающего в мышечных волокнах при их…

Деформация тела
Дано определение деформации тела и видов деформации (упругой и пластической). Рассмотрены способы деформирования тела: растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб…

Типы конституции по А.А. Богомольцу
Описана биография Александра Александровича Богомольца и типы конституции человека, основанные на состоянии соединительной ткани: астеническая; фиброзная; пастозная…