Лекция 5 Механические свойства мышц icon

Лекция 5 Механические свойства мышц



НазваниеЛекция 5 Механические свойства мышц
Дата17.10.2016
Размер
ТипЛекция

Лекция 5

Механические свойства мышц


Одно из основных свойств мышц — способность сокращаться.

В организме различают три основных типа мышц:

  1. Поперечно-полосатые мышцы, которыми управляет головной мозг. Вместе с костями и сухожилиями они отвечают за все наши движения – от поднятия брови до танцев.

  2. Гладкие мышцы, отвечающие за непроизвольные движения внутренних органов, например кишечника.

  3. Сердечная мышца, из которой почти целиком состоит сердце.

Скелетные (поперечнополосатые) мышцы прочно прикреплены к костям, обеспечивают движение головы, туловища и конечностей; поддерживают поло­жение тела в пространстве.

Мышцы сердца обеспечивают непрерывный ток крови, а гладкие – движение в различных сис­темах организма: сосудистой, пищеварительной, двигательной, вы­делительной и др.


Все мышцы работают по одному принципу и имеют близкий химический состав: вода — 75 %, белки — 20 %, аденозинтрифосфат (АТФ) — до 0,4 %.

Основная функция мышц состоит в преобразовании химической энергии в механическую работу или силу. Главными биомеханическими показателями, характеризующими деятельность мышцы, являются: а) сила, регистрируемая на ее конце (эту силу называют натяжением или силой тяги мышцы) и б) скорость изменения длины.

При возбуждении мышцы изменяется ее механическое состояние; эти изменения называют сокращением. Оно проявляется в изменении натяжения и длины мышцы, а также других ее механических свойств (упругости, твердости и др.).

Механические свойства мышц сложны и зависят от механических свойств элементов, образующих мышцу (мышечные волокна, соединительные образования и т.п.), и состояния мышцы (возбуждения, утомления и пр.).
^

МОДЕЛИ МЫШЦ


Механические свойства мышц достаточно сложны и зависят от свойств образующих их компонентов: миофибрилл, соединительных и трофических образований и т. п., а также от состояния самой мышцы.
Понять многие из механических свойств мышц помогают упрощенные модели их строения - в виде комбинации упругих и сократительных компонентов. Упругие компоненты по механическим свойствам аналогичны пружинам: чтобы их растянуть, нужно приложить силу. Работа силы равна энергии упругой деформации, которая может в следующей фазе движения перейти в механическую работу. Различают:

  • параллельные упругие компоненты (ПарК) - соединительнотканные образования, составляющие оболочку мышечных волокон и их пучков,

  • последовательные упругие компоненты (ПосК) - сухожилия мышцы, места перехода миофибрилл в соединительную ткань, а также отдельные участки саркомеров, точная локализация которых в настоящее время неизвестна.

  • Сократительные (контрактильные) компоненты соответствуют тем участкам саркомеров мышцы, где актиновые и миозиновые миофиламенты перекрывают друг друга. В этих участках при возбуждении мышцы происходит механическое взаимодействие между актиновыми и миозиновыми филаментами, приводящее к изменению натяжения и длины мышцы.




Механическая модель гладких мышц (мускулатура стенок кровеносных сосудов и внутрен­них органов, кроме сердца):

1 – сократительный компонент (миозин-актиновые нити);

2 – упругий компонент (сухожилия, миофибриллы)




Трехкомпонентная модель поперечно-полосатой мышцы:

1 – параллельный упругий компонент (сарколемма, фасции);

2 – сократительный компонент (миозин-актиновые нити);

3 – последовательный упругий компонент (сухожилия, миофибриллы)



Сократительный элемент соответствует участкам саркомеров, где актиновые и миозиновые нити перекрывают друг друга. В этих участках при возбуждении мышцы и происходит генерация мышечной силы.


К параллельным упругим элементам относятся окружающие мышечное волокно оболочка (сарколемма), элементы соединительной ткани между волокнами и их пучками, и некоторые другие структурные компоненты мышечной клетки!




^

ПРИНЦИПЫ ВЕБЕРА И БЕРНУЛЛИ


Поскольку каждая миофибрилла состоит из большого числа (n) последовательно расположенных саркомеров, то величина и скорость изменения длины миофибриллы в n раз больше, чем у одного саркомера. Сила, развиваемая каждым из них, одинакова и равна силе, регистрируемой на конце миофибриллы (подобно тому, как равны силы в каждом из звеньев цепи, к концам которой приложены растягивающие силы).

Эти же самые n саркомеров, соединенные параллельно (что соответствует большему числу миофибрилл), дали бы кратное увеличение в силе, но при этом скорость изменения длины мышцы была бы той же, что и скорость одного саркомера.

Поэтому при прочих равных условиях увеличение физиологического поперечника мышцы привело бы к увеличению ее силы (принцип Вебера), но не изменило бы скорости укорочения, и наоборот, увеличение длины мышцы сказалось бы положительно на скорости сокращения (принцип Бернулли), но не повлияло бы на ее силу.
^

УПРУГОСТЬ МЫШЦ


Покоящаяся мышца обладает упругими свойствами: если к ее концу приложена внешняя сила, мышца растягивается (ее длина увеличивается), а после снятия внешней нагрузки восстанавливает свою исходную длину. Зависимость между величиной нагрузки и удлинением мышцы непропорциональна (не подчиняется закону Гука).

Сначала мышца растягивается легко, а затем даже для небольшого удлинения надо прикладывать все большую силу.

Если мышцу растягивать повторно через небольшие интервалы времени, то ее длина увеличится больше, чем при однократном действии. Это свойство мышц широко используется в практике при выполнении упражнений на гибкость (пружинистые движения, повторные махи и т.п.).

Длина, которую стремится принять мышца, будучи освобожденной от всякой нагрузки, называется равновесной (или свободной). При такой длине мышцы ее упругие силы равны нулю. В живом организме длина мышцы всегда несколько больше равновесной и поэтому даже расслабленные мышцы сохраняют некоторое натяжение.
^

РЕЛАКСАЦИЯ МЫШЦ


Для мышц характерно также такое свойство, как релаксация - снижение силы упругой деформации с течением времени.

Когда образец мгновенно доведен до какого-то значения деформации, и она поддерживается постоянной, то от перестройки структуры наблюдается постепенное падение напряжения в материале, происходит релаксация напряжения..
^

Структура кожи и ее механические свойства


Толщина кожи меняется от 0,5 до 4 мм. Кожа состоит из трех слоев:

  • наружного - эпидермиса,

  • основного или собственно дермы,

  • подкожной жировой клетчатки.

Эпидермис

Верхний слой - эпидермис состоит из многослойного ороговевшего эпителия, имеющего толщину от 0,1 до 1,5 мм. В тех участках, где кожа малоподвижна и подвергается значительным механическим воздействиям, эпидермис значительно толще. На стопах, ладонях и красной кайме губ толщина эпидермиса составляет 0,2-0,9 мм. На веках он очень тонок. Общая площадь эпидермиса - 1,5-2 м2. Масса - около 0,5 кг. Эпидермис состоит из нескольких слоев клеток. Наружный роговой слой эпидермиса состоит из мертвых клеток (чешуек), богатых белком кератином, которые постоянно слущиваются с поверхности кожи. Кератин может составлять 85% всех белков в слое. Ниже находится роговой слой. Из-за плотной упаковки он имеет значительную прочность и играет роль механического барьера. Толщина рогового слоя в разных участках кожи различна (обычно, от 10 до 20 мкм). Наибольшей толщины (до 600 мкм) он достигает в эпидермисе кожи ладоней и подошв. У мужчин роговой слой толще, чем у женщин. С возрастом этот слой истончается.

Дерма

Под эпидермисом располагается дерма, которая обуславливает цвет кожи. Дерма распадается на два слоя: поверхностный, в котором имеются кровеносные сосуды и нервы, и более глубокий слой, в котором находятся белковые волокна, обеспечивающие эластичность кожи. Волокна, в основном, содержат белки коллаген и эластин. Коллагеновые волокна прочны на разрыв и малоэластичны. Модуль упругости для них более 10х106 Н/м2. Эластиновые волокна, состоящие из эластина, менее прочны на разрыв, чем коллагеновые, но значительно более эластичны. Они могут растягиваться до 170% от длины покоя без остаточной деформации. Эластин сходен по механическим свойствам с резиной, имеет модуль упругости такого же порядка: (1-5)∙105 Н/м2. Коллагеновые и эластиновые фибриллы, заключенные в мукополисахаридный гель, представляют более гомогенную по составу структуру, чем эпидермис.

Подкожная жировая клетчатка

Дерма плавно переходит в подкожную жировую клетчатку. Она состоит из переплетающихся волокон, собранных в рыхлые толстые пучки, промежутки между которыми заполнены жировыми клетками. Подкожно-жировой слой располагается по телу неравномерно. Толщина его зависит от многих факторов: возраста, пола, питания, образа жизни и т.д. Клетчатка служит для защиты тела от травм, от переохлаждения, а также представляет собой питательный запас организма.

Наличие в коже многих слоев, обладающих своими собственными характеристиками, определяет гетерогенность ее механических свойств. Анизотропия некоторых механических характеристик обусловливает различное поглощение механической энергии в каждом из слоев, что проявляется в особенностях распространения механических волн на границе раздела этих слоев, обладающих разными вязкоупругими свойствами.

Слоистое строение кожи затрудняет интерпретацию результатов исследования кожи. Теоретические модели не могут адекватно объяснить экспериментальные результаты исследований механических свойств кожи вследствие её сложной структуры. Аналогичные трудности возникают и при исследованиях методом вдавливания.
^

УПРУГОСТЬ КОЖИ


Упругость эпидермиса по величине больше упругости дермы, которая, в свою очередь, больше упругости подкожной клетчатки.

Состояние кожи изменяется как при возникновении патологии, так и с возрастом . По общему мнению, заметные возрастные изменения проявляются после 30-40 лет. При этом гистологически найдены следующие признаки: истончение эпидермиса после 60 лет, уменьшение содержания трансэпидермальной воды, уменьшение толщины кожи, утолщение рогового слоя, истончение дермы. В то же время толщина кожи остаётся неизменной вплоть до 70 лет. С возрастом изменяется эластичность кожи, что приводит к уменьшению первоначальной фазы эластических деформаций.

У взрослого человека площадь поверхности кожи составляет 1,5-1,6 м2. В сутки она выделяет 0,5-0,6 л воды. Кожа выполняет функцию теплорегуляции за счет увеличения или уменьшения теплоотдачи (на ее долю приходится около 80 % тепловых потерь). Она растягивается и удлиняется, испытывая большие деформации, обладает анизотроп­ными и нелинейными свойствами.

Реологические свойства кожи зависят главным образом от структуры и свойств компонентов. Кожа состоит из волокон кол­лагена, эластина и аморфной основной ткани. На коллаген при­ходится около 75 % сухой массы кожи, на эластин — около 4 %.

Связи между волокнами определяют поведение кожи при дефор­мации. Аморфная основная субстанция — матрица — оказывает малое сопротивление, эластин играет важную роль при малых напряжениях, а коллаген — при высоких.

Экспериментально установлено, что форма кривых «напряжение— деформация» практически не зависит от скорости деформации при циклическом нагружении и разрушении.

Механические свой­ства кожи зависят от то­пографии исследуемого участка кожи, морфоло­гического строения, воз­раста и индивидуальных особенностей .

Для изучения зави­симости механических свойств кожи от возрас­та и характера деформа­ции брали кожу передней области шеи, грудинной области и эпигастральной области живота у людей, принадлежащих к шес­ти возрастным группам: 1 — до 1 года, 2 — до 9 лет, 3 — от 17 до 24 лет, 4 — от 25 до 35 лет, 5 — от 36 до 39 лет, 6 — 50 лет и старше.









Рис. 3. Возрастные изменения предела прочности кожи in vitro:


Рис.4 Влияние возрастных изменений на максимальное относительное удлинение кожи

1 — шея; 2,4 — грудь; 3, 5 — живот;

1…3 — продольные образцы; 4,5 — поперечные образцы

Продольные и поперечные образцы кожи подвергали растяже­нию на разрывной маши­не с постоянной скоростью 200 мм/мин при темпера­туре воздуха в помещении 20 °С.

Возрастные измене­ния предела прочности (временного сопро­тивления) представлены на рис. 3.

Независимо от возрас­та наименьшим значением предела прочности обладает кожа шеи (продольные образцы), наибольшим — кожа живота (попереч­ные образцы). Предел прочности кожи в поперечном на­правлении приблизительно в 1,5 раза больше, чем в продольном. Это обусловлено направлением пучков коллагеновых волокон: большинство пучков в коже ориентированы в поперечном по отношению к продольной оси тела направлении, при растяжении поперечных образцов коллагеновые и эластиновые волокна сначала выпрямляются, а затем растягиваются и разрываются.

Рис. 4 иллюстрирует влияние возрастных изменений на мак­симальное относительное удлинение кожи. Относительное удли­нение поперечных образцов кожи в момент разрыва характеризует предельную растяжимость волокон. Относительное удлинение в про­дольном направлении происходит за счет переориентации колла­геновых пучков и эластиновых волокон, их расслоения, а затем растяжения. Поэтому растяжение кожи в продольном направле­нии приблизительно вдвое больше, чем в поперечном.


В качестве количественного критерия оценки упругости кожи предложено использовать время возврата какой либо точки обследуемого участка кожи к исходной форме после импульсного деформирования. Это предложение основано на определении упругости, как свойства тела восстанавливать свою форму после действия силы.

В процессе возвращения поверхности кожи к исходной форме можно выделить две стадии. Первая (быстрая) стадия характеризуется параметром А - характерным временем возврата кожи к исходной форме. Величина А является основным количественным параметром, характеризующим упругость кожи. Вторая стадия (медленная) характеризуется величиной остаточных деформаций (параметр В) и временем окончательного возвращения поверхности кожи к первоначальной форме.

Более молодая кожа характеризуется большей скоростью возврата к исходной форме и меньшей величиной остаточных деформаций. Анализ результатов измерений показал, что величина относительных колебаний упругости кожи в зависимости от возраста обследуемого (от 15 до 55 лет) достигал 5-кратного значения. При сравнении упругости кожи в различных областях тела у одного и того же пациента было выявлено, что параметры А и В варьируют в пределах ± 10%.

Одно из объяснений возрастных изменений упругости кожи состоит в предположении, что изменяется состояние сети эластичных волокон дермы. Другое объяснение - увеличивается количество сшивок внутри коллагеновых волокон

В течении всей жизни человека медленно, но неуловимо проявляются внешние признаки старения. Эти внешние признаки, в первую очередь, связаны с изменениями микрорельефа поверхности кожи (морщины). Микрорельеф кожи, во многом, определяет как внешний вид человека, так и тактильное восприятие его другими людьми (зрительное восприятие, приятность на ощупь).
^

Микрорельеф кожи


Поэтому неудивителен интерес к объективному количественному описанию микрорельефа кожи человека, зависимостей микрорельефа от возраста и изменений его под действием лекарств и косметических средств.

В своей основе методы определения микрорельефа кожи аналогичны методам определения шероховатостей поверхностей твёрдых тел, хотя и с учетом свойств кожи.

Одним из старых методов является метод слепков. Метод состоит из следующих стадий: изготовление негативных реплик (отпечатков); получение с них позитивных копий (слепков) из полимеризующихся мелкодисперсных химических композиций (обычно на основе эпоксидных смол или полиметилметакрилата); собственно регистрацию позитивной реплики и анализ полученных результатов.

К числу недостатков этого метода следует отнести многоэтапный процесс измерения и наличие погрешностей при контакте материалов с кожей на этапе создания негативной реплики.

В значительной мере этих недостатков лишены ставшие популярные оптико-электронные методы изучения микрорельефа кожи. Для измерения микрорельефа использовался оптический щуп. Последний представлял собой оптико-электронный прибор, позволяющий измерять рельеф исследуемой поверхности оптическим излучением. Регистрация информации о рельефе поверхности исследуемого участка кожи осуществлялася поточечно посредством механического сканирования.


^

Механические свойства кровеносных сосудов



Кровеносные сосуды состоят из трех концентрических слоев: внут­реннего (интимы), среднего (медии) и наружного (адвентиции).


Механические свойства кровеносных сосудов определяются глав­ным образом характеристиками средней сосудистой оболочки, в состав которой входят основные компоненты:

  • эластин,

  • коллаген,

  • гладкие мышечные волокна.

Стенки крупных артерий и вен примерно на 70 % состоят из воды. В крупных артериях на долю коллагена и эластина приходится примерно 50 % сухой массы.

Гладкие мышечные клетки могут менять длину (сокращаться) под действием нервных и химических стимулов. В результате ме­няются их механические свойства. Например, модуль упругости, составляющий 104 МПа для нестимулированной мышцы, возра­стает при стимуляции примерно в десять раз.

Благодаря сокраще­нию гладких мышц меняется диаметр кровеносного сосуда и меха­нические свойства сосудистой стенки в целом. Этим достигается распределение и регулирование кровяного потока.

Соотношение трех основных компонентов сосудистой ткани неодинаково для различных участков системы кровообращения. Ближе к сердцу отношение эластина к коллагену в ткани крове­носных сосудов приближается к 2/1, но убывает по мере удаления от сердца. Для бедренной артерии, например, оно равно 1/2.

Чем дальше от сердца, тем выше доля гладких мышечных волокон, которые уже в артериолах становятся основными составляющими сосудистых тканей. Изменение биохимического состава и структу­ры сосудистой стенки ведет к изменению ее механических свойств.






Механические характеристики кровеносных сосудов, как анизотропной среды, изменяются в продольном, окружном и радиальном направлениях.

В организме сосуды окружены тка­нями и растянуты в продольном на­правлении, так что их деформации в этом направлении ограничены.

Приводимые в литературе значения мо­дуля упругости для артериальных сосу­дов составляют от 0,6∙105 до 7 ∙105 Па.

Модуль сдвига для передней стенки аорты G = 0,84 МПа при напря­жении 0,05 МПа, что соответствует физиологическому состоянию орга­низма.

На рис. 2 показаны характерные экспериментальные зави­симости между продольными напряжениями и деформациями для различных сосудов.










Рис.2. Характерные экспериментальные за­висимости между продольными напряжения­ми и деформациями для различных крове­носных сосудов: 1 – подкожная вена; ^ 2 – подвздошная артерия; 3 – бедренная артерия; 4 – задняя стенка брюшной аорты; 5 – передняя стенка брюшной аорты; 6 – внутренняя сонная артерия; 7 – общая сонная артерия






Как правило, экспериментальные исследования проводят в ла­бораторных условиях на образцах, удаленных из организма (in vitro). При этом функциональное действие гладкой мышцы нарушено, а значит, выявляется только пассивное механическое поведение, обусловленное механическими свойствами эластина и коллагена.

Оодной из биофизических особенностей сосудов является их способность к растяжению, при этом изменяется просвет сосуда.

Изменение просвета находятся в зависимости от двух противоположно направленных влияний: сокращающихся гладких мышц сосудов, которые уменьшают их просвет, и повышенного давления в сосудах, которое их растягивает. Растяжимость сосудов различных органов значительно отличается. При повышении артериального давления только на 10 мм рт. ст. кровоток в сосудах кишечника увеличивается на 5 мл/мин, а в сосудах миокарда в 8 раз больше — на 40 мл/мин.








Зависимость деформация-напряжение для артерий

^

Анализ состояния сосудов после изменения давления



Эластические свойства сосудов или отделов сосудистой системы часто характеризуются такой величиной, как растяжимость (С), которая отражает, насколько изменяется просвет сосудов в ответ на определенное изменение трансмурального давления:



Трансмуральное давление представляет собой разность между внутренним и внешним давлением на сосудистую стенку.

Рассмотрим уравнение Ламе .

Объем стенки сосуда составляет и при его расширении или сужении остается неизменным. Поскольку длина сосуда , можно считать, что площадь стенки сосуда в поперечном пересечении и произведение .

Уравнение Ламе приобретает вид:


(1)

где δ– толщина стенки, – средний радиус.

Проанализируем состояние сосуда после изменения давления на, которому соответствует изменения окружного напряжения наи радиуса на .



В этом состоянии давление, напряжение и радиус соответственно равны:





.

И, согласно соотношению Ламе:



Раскрывая скобки в правой части этого уравнения и пренебрегая членами, содержащими и получаем:






(2)


Вычитая (1) из (2) , имеем:




(3)


В этом выражении - это окружное напряжение, которому соответствует изменение длины стенки по окружности на величину:



по закону Гука:



(4)

При объединении уравнений (4) и (3) получаем, что

(5)

Это выражение легко преобразовать в зависимость изменения просвета сосуда от . Исходная величина просвета равна





(6)

Выражения (5) и (6) – основные уравнения деформации кровеносного сосуда: расширения при увеличении давления на dp или сужения при уменьшении давления на .


При высоком модуле упругости сосудистой стенки часто оказывается, что второй член в скобках уравнениях (5) и (6) гораздо меньше первого и им можно пренебречь. Тогда уравнения (5) и (6) принимают более простой вид:


(7)


(8)


Из уравнения (8) найдем растяжимость сосуда, отражающую отношение измения просвета к изменению трансмурального давления:

(9)

Уравнения (5) и (6), (7) и (8) применяются для расчета эффективного модуля упругости сосудистой стенки, характеризующей окружную деформацию.


Для определения зависящего от времени динамического модуля упругости используется косвенный способ, суть которого состоит в измерении скорости распространения пульсовой волны.





Похожие:

Лекция 5 Механические свойства мышц iconЛекция №1 Классификация и характеристика грузов Цель занятия
Грузы классифицируют по следующим признакам: физико-механические свойства, способ погрузки и разгрузки, условия транспортирования,...
Лекция 5 Механические свойства мышц iconКонспект по датам. Лекция 1: 10 февраля Глава Неопределённый интеграл опр и свойства
Определение первообразной, Свойства: что F+C тоже перв. (Док-ть), что разность двух первообр = C. Определение неопр интеграла. Свойства...
Лекция 5 Механические свойства мышц iconУрок по теме «Механические колебания» в разделе физики 11 класса по учебной программе Г. Я. Мякишева, Б. Б. Буховцева в разделе физики «Механические колебания и волны»
Технологии икт: интерактивная доска или проектор с компьютером и экраном, индивидуальные компьютеры для работы с электронными носителями,...
Лекция 5 Механические свойства мышц iconЛекция №17. Магнитные свойства вещества
Намагниченность. Магнитное поле в веществе. Основные типы магнетиков. Природа диа- и парамагнетизма. Ферромагнетики и их свойства....
Лекция 5 Механические свойства мышц iconЛекция №3 физиология мышечного сокращения
Роль мышечного сокращения в организации поведенческой деятельности человека. Классификация мышц и их функции. Виды и режимы мышечных...
Лекция 5 Механические свойства мышц iconЛекция 9 механические волны в упругой среде
Тело, колеблющееся в упругой среде, периодически воздействует на прилегающие к нему частицы среды, выводя их из положений равно­весия...
Лекция 5 Механические свойства мышц iconЛекция № Физиологические свойства и особенности функционирования возбудимых тканей Физиологическая характеристика возбудимых тканей
Основным свойством любой ткани является раздражимость, т е способность ткани изменять свои физиологические свойства и проявлять функциональные...
Лекция 5 Механические свойства мышц iconФизика, часть III
В этом семестре будем изучать волновые свойства упругих и электромагнитных волн, квантовые свойства электромагнитного излучения,...
Лекция 5 Механические свойства мышц iconМеханические волны
Механизм образования механических волн в упругой среде. Продольные и поперечные волны. Волновое уравнение и его решение. Гармонические...
Лекция 5 Механические свойства мышц iconУчебник для 6 класса урок математики в 6 классе на тему: «свойства действий с рациональными числами (свойства сложения)»
Учитель предлагает выполнить на доске следующие задания (задания написаны на карточках)
Разместите ссылку на наш сайт:
Уроки, сочинения


База данных защищена авторским правом ©izlov.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
связаться с нами