Настольная книга остеопата. Основы биомеханики движения тела - [91]

Напряжение — расслабление происходит, когда вязкоупругий материал подвергается постоянной деформации. Вначале он реагирует быстрым начальным напряжением, которое со временем уменьшается, вплоть до достижения равновесия, т. е. момента, когда напряжение равно нулю.

Свойства быстродействия. На разные скорости действия нагрузки вязкоупругие материалы реагируют по-разному. Если нагрузка подается быстро, они дают большее сопротивление деформации, чем в случае медленной нагрузки. В целом, чем выше скорость нагрузки и продолжительнее действие силы, тем больше деформация. Вязкоупругие материалы не запасают энергию, которая передается им при деформации, действующей силой, и, таким образом, такая энергия не может участвовать в восстановлении. Если сила действует, а затем прекращает действие, некоторое количество энергии, возникающей при растягивании или сжимании материала, может рассеиваться (теряться) в виде тепла и, таким образом, материал не может вернуться к исходным размерам. Потеря энергии (разница между потраченной и возвращенной энергией) называется гистерезисом. Гистерезис характерен для вязкоупругих материалов в случае воздействия и последующего прекращения нагрузки (рис. 15.2).

Рис. 15.2.Гистерезис (разница между затраченной и восстановленной энергией):

_{a — типичная кривая, полученная при измерении упругости хряща. Стрелка (L) — цикл нагрузки, кривая — энергия, затраченная во время этого цикла. Стрелка (R) — цикл без нагрузки, кривая — восстановление энергии. Заштрихованная область — потеря энергии, или гистерезис. Расстояние между (L) и (R), обозначенное как (D), — деформация (изменение размеров);}

_{b — на этом рисунке, где представлен более упругий материал, количество затраченной энергии (L)равно количеству восстановленной энергии (R), и таким образом материал возвращается к исходным размерам сразу же после снятия нагрузки}

15.2. Механическое поведение

Материалы, используемые при строительстве человеческих суставов, каждый день подвергаются воздействию постоянно меняющихся сил, и способность этих материалов выдерживать нагрузки и обеспечивать опору и защиту суставов, исключительно важна. Для того чтобы понимать, как различные материалы и структуры способны создавать опору (механическое поведение этих структур), читателю следует ознакомиться с понятиями и терминами, используемыми для описания такого поведения, например: напряжение, деформация, повреждение, жесткость (ригидность) и пр. Типы тестов, используемых для определения механического поведения строительных материалов тела человека, ничем не отличаются от тестов, используемых для обычных материалов, хотя вязкоупругие материалы могут реагировать по-разному.

15.2.1. Напряжение и усилие

Термин «нагрузка» обычно используется для обозначения внешней силы, или сил, действующих на структуру. Многие из примеров внешних нагрузок уже приводились ранее, в ч. I, в том числе силы, действующие на стол со стороны лежащей на нем книги, силы, действующие на кисть и предплечье человека со стороны портфеля, который он несет, и силы, действующие на ногу со стороны привязанного к ней груза. Внешние силы, действующие со стороны книги, портфеля и груза, можно называть нагрузками. Когда такие нагрузки (силы) действуют на структуру или материал, то силы, возникающие в самой структуре, или материале, называются механическими напряжениями. Напряжение можно выразить математически при помощи следующей формулы:

S = F/A,

где S — стресс (напряжение); F — действующая сила; A — площадь приложения этой силы, т. е. напряжение равно силе, действующей на единицу площади объекта.

В твердых или полутвердых материалах напряжение может сопровождаться изменением формы, длины или ширины структуры или материала, которое называется деформацией. Тип напряжения и деформации, которые развиваются в структурах человека, как мы уже говорили, зависит от характера материала, типа нагрузки, точки приложения нагрузки, направления и величины нагрузки, а также ее скорости и продолжительности. Если структура далее не может выдерживать такую нагрузку, то говорят о ее повреждении. Предельное напряжение — это напряжение в точке повреждения материала; предельная деформация — это деформация в точке повреждения. Если две внешних силы равны по величине и действуют по одной линии, но в разных направлениях, они представляют собой нагрузку разрыва или растяжения, создают напряжение растяжения (разрыва) и деформацию растяжения в структуре или материале (рис. 15.3,а).

Рис. 15.3.Деформации растяжения (увеличении длины) (а) и сжатия (уменьшение длины) (b) стержня

Напряжение растяжения = сила растяжения/площадь поперечного сечения(перпендикулярна направлению действующей силы).

Когда действует нагрузка растяжения, можно говорить о напряжении, как об интенсивности силы, и о деформации, как о количестве удлинения и сужения структуры. Деформация определяется при сравнении исходных размеров (L₀) предмета и их изменением под воздействием силы (рис. 15.3,а). Удлинение структуры, вызванное нагрузкой растяжения, сопровождается пропорциональным утончением материала (боковая деформация). Максимальное (нормальное или основное) напряжение растяжения действует в плоскости, перпендикулярной приложенной силе.