Основы биомеханики. Механические свойства биологических тканей презентация

БИОФИЗИКА Биофизика включает четыре раздела: Молекулярная биофизика; Биофизика клетки ; Биофизика органов чувств; Биофизика сложных систем; биомеханика радиобиология

ОСНОВЫ БИОМЕХАНИКИ Механические свойства биологических тканей.

БИОМЕХАНИКА – это раздел биофизики, изучающий механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также происходящие в них механические явления.

В развитии биомеханики особенно велика роль Леонардо да Винчи (1452 – 1519) – выдающегося итальянского живописца, скульптора, архитектора, учёного и инженера. Как художник, Леонардо да Винчи большое внимание уделял изучению анатомии, особенно пропорций человеческого тела. Сохранилось огромное количество рисунков Леонардо да Винчи, посвященных исследованию расположения мышц и внутренних органов В развитии биомеханики особенно велика роль Леонардо да Винчи (1452 – 1519) – выдающегося итальянского живописца, скульптора, архитектора, учёного и инженера. Как художник, Леонардо да Винчи большое внимание уделял изучению анатомии, особенно пропорций человеческого тела. Сохранилось огромное количество рисунков Леонардо да Винчи, посвященных исследованию расположения мышц и внутренних органов

Итальянский астроном, математик и врач Джованни Альфонсо Борелли (1608-1679) внес большой вклад в развитие биомеханики как науки. Итальянский астроном, математик и врач Джованни Альфонсо Борелли (1608-1679) внес большой вклад в развитие биомеханики как науки. немецкие исследователи братья   Эдуард  и Вильгельм Веберы. Эдуард Вебер был анатомом, а Вильгельм – физиком 1836г. книга «Механика ходьбы человека» Э. Вебером: «Сила мышцы, при прочих равных условиях, пропорциональна ее поперечному сечению»

Жак Луи Дагер Жак Луи Дагер  (1787 – 1851) в 1839 году им был разработан первый практический способ фотографии французский физиолог  Этьен-Жюль Маре (1830-1904) Э.Ж. Маре разработал метод пневмографии – записи опорных реакций с помощью передачи давления воздуха.

Петр Францевич Лесгафт (1837 – 1909) – известный анатом, педагог рассмотрел ряд проблем, смежных с биомеханикой: механические свойства биологических тканей; особенности строения и соединения костей в зависимости от действующих на них сил Петр Францевич Лесгафт (1837 – 1909) – известный анатом, педагог рассмотрел ряд проблем, смежных с биомеханикой: механические свойства биологических тканей; особенности строения и соединения костей в зависимости от действующих на них сил Иван Михайлович Сеченов (1829-1905) – известный русский физиолог. В 1901г. Написал книгу «Очерк рабочих движений человека», в которой подробно рассмотрел следующие вопросы: работу опорно-двигательного аппарата, биомеханические свойства мышцы, функции верхней и нижней конечностей человека.  Алексей Алексеевич Ухтомский (1875 – 1942), профессор Ленинградского университета ,академик, написал книгу «Физиология двигательного аппарата», изданную в 1927.

Николай Александрович Бернштейн (1896 – 1966) выдающийся русский физиолог и биомеханик Николай Александрович Бернштейн (1896 – 1966) выдающийся русский физиолог и биомеханик используя методику циклосъемки, получил огромный фактический материал по кинематике и динамике ходьбы, бега и прыжка английский физиолог Арчибалд Вивиен Хилл (1886-1977) В 1923 году он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине «За открытия в области теплообразования в мышце»

Биомеханика – смежная наука. Биомеханика – смежная наука. на «стыке» двух наук:  биологии – науки о жизни; механики – науки о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между телами В биомеханике широко используются механические характеристики движущегося тела

Простейшей формой движения материи является механическое движение, которое состоит в перемещении тел или частей тела друг относительно друга.

КИНЕМАТИКА Определение положения точки с помощью координат x = x(t), y = y(t) и z = z(t) и радиус–вектора r (t). r0 – радиус–вектор положения точки в начальный момент времени.

Виды движения: Поступательное движение – это такое движение твёрдого тела, при котором прямая, соединяющая две любые точки тела, перемещается параллельно самой себе.

Линию, которую описывает материальная точка при своем движении в пространстве, называют траекторией. Линию, которую описывает материальная точка при своем движении в пространстве, называют траекторией. В зависимости от формы траектории различают: - прямолинейное движение; - криволинейное движение.

Перемещение - направленный отрезок (вектор), соединяющий начальное и конечное положение тела. Перемещение - направленный отрезок (вектор), соединяющий начальное и конечное положение тела. Пройденный путь - длина участка траектории от начальной до конечной точки движения.

Скорость это векторная величина, характеризующая быстроту изменения координаты тела с течением времени, или первая производная координаты по времени: Скорость это векторная величина, характеризующая быстроту изменения координаты тела с течением времени, или первая производная координаты по времени: Ускорение это величина, характеризующая быстроту изменения скорости, первая производная скорости по времени, или вторая производная координаты по времени;

Движение тела по окружности является частным случаем криволинейного движения. Движение тела по окружности является частным случаем криволинейного движения. Наряду с вектором перемещения удобно рассматривать угловое перемещение Δφ (или угол поворота), измеряемое в радианах. Длина дуги связана с углом поворота соотношением Δl = RΔφ.   При малых углах поворота Δl ≈ Δs.

Линейное и угловое перемещения при движении тела по окружности.

Угловая скорость измеряется в рад/с. Связь между модулем линейной скорости V и угловой скоростью ω: V= ω R

Таким образом, линейные скорости точек вращающегося тела пропорциональны их расстояниям от оси вращения (чем дальше удалена точка от оси вращения, тем большую линейную скорость она имеет). Таким образом, линейные скорости точек вращающегося тела пропорциональны их расстояниям от оси вращения (чем дальше удалена точка от оси вращения, тем большую линейную скорость она имеет). Пример.  При выполнении гимнастом большого оборота на перекладине линейная скорость точки, расположенной в области тазобедренного сустава составляет 10,8 м/с, а точки, расположенной в области голеностопного сустава – 18,0 м/с.

При равномерном движении тела по окружности величины V и ω остаются неизменными. В этом случае при движении изменяется только направление вектора скорости . Ускорение направлено по радиусу к центру окружности. Его называют нормальным, или центростремительным ускорением.

Модуль центростремительного ускорения связан с линейной V и угловой ω скоростями соотношениями:  Если тело движется по окружности неравномерно, то появляется также касательная (или тангенциальная) составляющая ускорения.

Направление вектора полного ускорения определяется в каждой точке круговой траектории величинами нормального и касательного ускорений

Масса тела (m) – мера инертности тела при поступательном движении. Масса тела (m) – мера инертности тела при поступательном движении. Момент инерции тела (J ) – мера инертности твердого тела при вращательном движении. Момент инерции  зависит от распределения массы относительно оси вращения. 

ДИНАМИКА ДИНАМИКА Изменение скорости движения тел происходит под действием сил Сила – это физическая величина, характеризующая взаимодействие тел; Работа – это физическая величина, характеризующая динамическое взаимодействие; Энергия – это физическая величина, характеризующая способность системы совершать работу.

Первый закон Ньютона : Существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых изолированные поступательно движущиеся тела сохраняют свою скорость неизменной по модулю и направлению. Второй закон Ньютона –

Если на тело одновременно действуют несколько сил то под силой в формуле, выражающей второй закон Ньютона, нужно понимать равнодействующую всех сил:

Закон сохранения импульса: Закон сохранения импульса: импульс замкнутой (изолированной) системы не изменяется с течением времени. Закон сохранения импульса справедлив для любой замкнутой системы частиц, и он является фундаментальным законом природы.

Сила – равнодействующая силы тяжести и силы реакции опоры, действующих на лыжника на гладкой горе. Сила вызывает ускорение лыжника.

Третий закон Ньютона. Тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению: Силы, возникающие при взаимодействии тел, всегда имеют одинаковую природу. Они приложены к разным телам и поэтому не могут уравновешивать друг друга.

Человек действует на груз с такой же по модулю силой, с какой груз действует на человека. Эти силы направлены в противоположные стороны. Они имеют одну и ту же физическую природу – это упругие силы каната. Сообщаемые обоим телам ускорения обратно пропорциональны массам тел.

СОЕДИНЕНИЯ И РЫЧАГИ

РЫЧАГИ Рычаг- твердое тело, имеющее неподвижную ось вращения, на которое действуют силы, стремящиеся повернуть его вокруг этой оси.

ВИДЫ РЫЧАГОВ Рычаг I рода Рычаг II рода Рычаг силы Рычаг скорости

РЫЧАГ ПЕРВОГО РОД

РЫЧАГ ВТОРОГО РОДА Рычаг второго рода это рычаг, ось вращения которого расположена по одну сторону от точек приложения сил, а сами силы направлены противоположно друг другу

Работа и энергия. Механической работой силы называется величина, равная произведению проекции силы на модуль перемещения

Если сила переменная, то перемещение разбивают на бесконечно малые отрезки, на которых сила постоянна, затем суммируют.

Эффективность совершения работы характеризуется мощностью. Мощность - величина, равная отношению работы к промежутку времени, в течении которого она совершается.

Коэффициент полезного действия (КПД) равен отношению полезной работы, совершенной машиной, к полной работе.

Энергия –физическая величина, характеризующая способность системы совершить работу. Виды энергии : механическая, тепловая, электрическая, электромагнитная, химическая, внутренняя (связи) и т.п. Механическая энергия связанная либо с движением системы, либо с движением ее частей называется кинетической, а энергия, связанная с расположением системы в пространстве или взаимным расположением частей системы, называется потенциальной.

Изменение энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно совершаемой системой (или над системой)работе. кинетическая энергия тела может быть определена по формуле

Механическая энергия изолированной системы равна сумме кинетической и потенциальной энергии и не меняется со временем, если механическая энергия не превращается в другие виды энергии.

Полная энергия системы складывается из всех присущих системе видов энергии. Опыт показывает, что в изолированной системе выполняется закон сохранения полной энергии: Величина полной энергии изолированной системы остается постоянной, и может превращаться из одних видов в другие.