Презентація на тему:
реактивний рух

Основи біомеханіки та біоакустики Кафедра медичної фізики лікувального та діагностичного обладнання Тернопільський державний медичний університет ім. І.Я. Горбачевського

План лекції Опорно-рухова система людини Деформації та їх види Діаграма розтягу В’язко-пружні властивості біологічних тканин Механічні коливання і хвилі. Основи акустики Ефект Доплера Застосування ультразвуку медицині

Біомеханіка розділ біофізики, у якому розглядаються механічні властивості живих тканин і органів, також механічні явища, які відбуваються як з цілим організмом, так із його окремими органами.

Опорно-рухова система людини Опорно-рухова система людини, що складається із з’єднаних між собою кісток скелета і м’язів, являє собою з точки зору біомеханіки сукупність важелів, що підтримують людину у стані рівноваги.

Важіль тверде тіло (як правило стержень), що має нерухому вісь обертання, до якої прикладені сили, які створюють моменти відносно цієї осі.

Види важелів

Види важелів

Види важелів

Деформація - зміна форми або об’єму тіла під дією прикладених до нього сил.

Деформації бувають пружні – повністю зникають після припинення дії зовнішніх сил; пластичні – тіло залишається у деформованому стані після припинення дії зовнішніх сил.

Одномірні (лінійні) деформації розтягу або стиску Сили пружності напрямлені вздовж лінії дії деформуючої сили. Сили пружності, які діють на тіло з боку опори або підвісу називаються силою реакції опори або силою натягу підвісу.

Абсолютна деформація Якщо при деформації тіла деяка величина, яка характеризує розміри чи форму тіла, набуває значення , то зміна цієї величини під дією прикладеної сили називається абсолютною деформацією.

Відносна деформація Відношення абсолютної деформації до первісного значення називається відносною деформацією.

Напруження Фізична величина, яка дорівнює пружній силі, що припадає на одиницю площі перерізу тіла називається напруженням.

Роберт Гук (1635—1703 ) Англійський фізик Р. Гук експериментально довів, що напруження в пружно деформованому тілі прямо пропорційне до його відносної деформації.

Модуль Юнга Е Модуль Юнга чисельно рівний напруженню , при якому довжина тіла збільшується в два рази:

Деформація повздовжного розтягування чи стиснення

Закон Гука для розтягу (або стиску): сила пружності пропорційна вектору видовження (стиску) і протилежна йому за напрямом: де k-коефіцієнт пружності (жорсткості), який визначається силою пружності, що виникає при одиничній деформації даного тіла.

Деформацію розтягу характеризують: абсолютним видовженням, відносним видовженням механічне напруження де l,l0- кінцева і початкова довжини стержня, F – сила пружності, S – площа поперечного перерізу стержня.

Коефіцієнт Пуассона Відношення відносної зміни поперечного розміру до відносної зміни поздовжнього розміру називається коефіцієнтом Пуассона.

Деформація всебічного розтягу або стиснення (об’ємна деформація) Виникає при рівномірному розподілі стискуючих або розтягуючих сил по поверхні тіла. F F F F зміна об’єму первісний об’єм

Закон Гука у випадку деформації всебічного розтягу або стиснення

Деформація зсуву Зсувом називають таку деформацію тіла, коли його плоскі шари зміщуються паралельно один одному.

Закон Гука при зсуві

Деформація кручення Деформація кручення виникає у зразку, коли один його переріз нерухомий, а в іншому діє пара сил, момент якої спрямований вздовж осі зразка.

Діаграма розтягу Графік залежності напруження від відносного видовження називають діаграмою розтягу

Діаграма розтягу для сталі

Механічні властивості біологічних тканин Як фізичний об’єкт біологічна тканина - композитний матеріал, механічні властивості якого відрізняються від механічних властивостей кожного компонента, взятого зокрема.

Кісткова тканина Основними матеріалами кісткової тканини є гідроксіланатит 3Са3(РО)2 Са(ОН)2 і колаген.

Схема будови трубчастої кістки

Діаграма деформації для кістки. розрив стиснення злом розтяг 0.05 0.10 0 1.0 2.0 н/м Модуль Юнга кісткової тканини Е=10ГПа, межа міцності =100МПа.

М’язи До їх складу входить сполучна тканина, що складається з волокон колагену та еластину.

Шкіра складається з волокон колагену та еластину розташованих в основній матриці

Колагенові волокна. Діаграма деформації для колагену. розрив 0.05 0.10 0 5 10 н/м

Еластичні волокна. Діаграма розтягу еластину. 0 20 10 0,5 1,0

Судинна тканина Механічні властивості судин визначаються головним чином властивостями гладких м’язевих волокон, еластину і колагену. Стінки судин неоднорідні за своєю будовою, відрізняються анізотропними механічними властивостями. При зростанні тиску жорсткість судин або їх тонус різко зростає.

Механічна напруга стінки судин визначається рівнянням Ламе де р – тиск крові зсередини на стінку судини r- радіус внутрішньої частини судини h- товщина судини Зв’язок між тиском, радіусом і модулем пружності

Діаграма розтягу стінки судин (аорти)

Повзучість. Релаксація напруження. Повзучість – це явище зміни з часом розмірів зразка в умовах дії постійного напруження. Релаксація напруження – явище зменшення з часом величини напруження у зразку при підтримці постійної величини деформації. Релаксація напруження і повзучість суто динамічні процеси.

В’язко-пружні властивості біологічних тканин Моделлю в’язкого тіла може служити поршень з отворами, що рухається в циліндрі з в’язкою рідиною Напруження і швидкість в’язкої деформації пов’язані рівнянням де - коефіцієнт в’язкості.

Моделлю в’язкого тіла може служити поршень з отворами, що рухається в циліндрі з в’язкою рідиною Напруження і швидкість в’язкої деформації пов’язані рівнянням де - коефіцієнт в’язкості.

Модель Максвела Залежність деформації від часу Механічні властивості гладких м’язів описує модель Максвела.

Модель Кельвіна-Фойхта Залежність деформації від часу

КОЛИВАННЯ Коливаннями називаються рухи або стани, які мають ту чи іншу степінь повторюваності у часі. Всередині будь-якого живого організму від клітини до високоорганізованих істот повсякчас відбуваються різноманітні процеси, які ритмічно повторюються (биття серця, коливання психічних станів,біоритми і т. ін.).

Коливальними називаються процеси, які так чи інакше повторюються з часом.

ПРИКЛАДИ СИНХРОННО ЗАРЕЄСТРОВАНИХ КАРДІОСИГНАЛІВ

Пружинний маятник

Визначення гармонічних коливань Матеріальна точка, що знаходиться під дією пружної сили, здійснює коливальний рух, при якому її зміщення від положення рівноваги змінюється з часом за законом синуса або косинуса. Такі коливання називають гармонічними.

Механічні коливання і хвилі.

Швидкість та прискорення коливань тіла

Математичний маятник l mg x T F O

Квазіпружна сила Сила, що не є за природою пружною силою, але аналогічна їй по залежності від зміщення називається квазіпружною.

Період гармонічних коливань пружинний маятник математичний маятник

Період коливань Час, протягом якого здійснюється одне повне коливання, називається періодом коливань (T ) де N – число повних коливань, що здійснює система за час t . Одиницею вимірювання періоду є 1с: [T ]=1с.

Частота коливань Частотою коливань ( ) називається фізична величина, що показує, яке число повних коливань виконує коливна система за одиницю часу

Затухаючі коливання

Характеристики затухаючих коливань

Резонанс Явище різкого зростання амплітуди вимушених коливань у випадку, коли частота зміни зовнішньої сили, яка діє на систему, збігається з частотою вільних коливань, називається резонансом (від латинського слова reѕonanѕ — той, що відгукується), а відповідна частота – резонансною.

Автоколивальна система регулятор зворотній зв’язок коливальна система джерело енергії

Додавання гармонічних коливань, спрямованих вздовж однієї прямої Результуюче коливання являє собою гармонічне коливання, яке відбувається вздовж тієї ж самої прямої, що і складові коливання, і з періодом (частотою), який дорівнює періоду (частоті) складових коливань

Графік биття Період зміни амплітуди коливань називають періодом биття.

Додавання взаємоперпендикулярних гармонічних коливань (фігури Лісажу)

Механічні хвилі

Густина енергії

Густина енергії

Потік енергії хвилі

Інтенсивність енергії хвиль

Потік енергії хвиль

Вектор Умова

Акустика. Елементи фізики слуху. Основи аудіометрії Людина сприймає інформацію із зовнішнього світу з допомогою всіх своїх органів чуття, які являються інформаційними каналами, пов'язуючи людину із зовнішнім світом.

ОСНОВИ АКУСТИКИ Акустика – це наука, яка вивчає звукові явища. Різке збільшення амплітуди (гучності) звуку при збігу частоти звукової хвилі із власною частотою системи, у якій поширюється звук, називається акустичним резонансом. Відбиття звуку від перешкоди і повернення його у вихідну точку називається луною. Ця властивість звуку використовується в ехолотах для визначення глибини океану. Ехолокацію використовують деякі тварини, наприклад, кажани, сови й ін.

ПРИРОДА ЗВУКОВОЇ ХВИЛІ Звук – це механічні хвилі, частота яких лежить у межах 16–20000 Гц. Поняття «звук» можна розглядати з двох принципово різних позицій. Звук як фізичне явище – це поширення поздовжніх коливань в пружному середовищі. Звук як фізіологічне явище – це специфічне відчуття, викликане дією звукових хвиль на орган слуху. Звукові хвилі – це поздовжні хвилі.

Звук та його поширення Механічні хвилі з частотою меншою 16 Гц називають інфразвуковими, а більшою 20000 Гц – ультразвуковими. У твердих тілах звук поширюється у вигляді поздовжніх і поперечних хвиль. У газах і рідинах звукові хвилі є періодичними згущеннями і розрідженнями середовища, що віддаляються від джерела звуку з певною характерною для даного середовища швидкістю.

ОСНОВИ АКУСТИКИ Звук як фізичне явище характеризується певною частотою, інтенсивністю та набором частот. Це об’єктивні характеристики звуку. Людське вухо сприймає звук за гучністю, висотою і тембром. Це – суб’єктивні характеристики звуку. Інтенсивність звуку визначається потоком енергії в одиниці об’єму простору. Інтенсивність звуку в системі СІ вимірюється і [I] = Вт /м2 Інтенсивність звуку прямо пропорційна квадрату амплітуди хвилі.

Основні характеристики звуку: об’єктивні: інтенсивність або сила звуку; частота; частотний спектр. суб’єктивні: гучність висота тону тембр

ОСНОВИ АКУСТИКИ Гучність звуку – це фізіологічна інтенсивність звуку. Поняття інтенсивності і гучності звуку не рівнозначні. Встановлено, що гучність зростає значно повільніше, ніж інтенсивність звуку. Висота звуку визначається його частотою. Чим більша частота, тим більша висота звуку. Тембр звуку визначається його спектральним складом.

ОСНОВИ АКУСТИКИ Музичний тон – це звук, який ми чуємо тоді, коли його джерело здійснює гармонічні коливання. Гучність тона будь-якої даної висоти визначаєтьс амплітудою коливання.

ОСНОВИ АКУСТИКИ Акорд – це одночасне звучання двох або кількох звуків (може викликати приємне – консонанс – та неприємне – дисонанс – слухове відчуття). Шум – це аперіодична складна суміш звуків, спектр якої в певному інтервалі частот є безперервним. Звуковий тиск. Під час поширення звуку відбувається коливання тиску в околі середнього значення характерного для даного середовища. Звуковий тиск – це змінна частина тиску, яка виникає в середовищі під час проходження звуку.

Характеристики слухового відчуття

Рівень інтенсивності звуку

Рівень інтенсивності звуку

Закон Вебера–Фехнера

Рівень гучності у фонах

Стандартні криві рівної гучності.

ЕФЕКТ ДОППЛЕРА В АКУСТИЦІ Ефектом Допплера в акустиці називається зміна частоти звукових коливань, які реєструються приймачем коливань, у порівнянні з частотою, яку випромінює джерело звуку, внаслідок відносного руху джерела звуку і приймача.

ЕФЕКТ ДОППЛЕРА В АКУСТИЦІ Ефект Допплера ґрунтується на принципі незалежності рухів (принципі суперпозиції). Згідно з цим принципом звукова хвиля, яка випромінюється джерелом, поширюється у середовищі абсолютно незалежно від руху джерела і приймача.

ЕФЕКТ ДОППЛЕРА Ефект Допплера використовується в найрізноманітніших галузях людської діяльності для вимірювання швидкості об’єктів на відстані. Наприклад, у медицині за допомогою ультразвуку вимірюють швидкість проходження крові по судинах.

Ультразвукові коливання і хвилі Це такі пружні коливання і хвилі, які мають частоту в межах від 20кГц до 109Гц. З метою генерації та прийому ультразвукових коливань використовують два методи: механічний; електромагнітний.

Застосування ультразвуку у медицині УЗД; прискорення фізіологічних процесів у клітинах; руйнування різного роду новоутворень; у фармацевтичній промисловості; механічні та теплові ефекти.

Застосування ультразвуку медицині Ультразвук великої потужності викликає загибель вірусів і бактерій, це використовується для стерилізації середовищ; Ультразвукові хвилі малої потужності збільшуєть проникність клітинних мембран і активізують процеси обміну в тканинах; Ультразвукові хвилі створюють механічну і теплову дію на тканини, що лежить в основі ультразвукової фізіотерапії; У хірургії для різання кісткової тканини застосовують «ультразвуковий» скальпель.

Приклади тривимірного УЗД плоду в режимі реального часу Режим Live 3D й 2D у сірій шкалі. Фрагмент дослідження – плід

Ехокардіографія

Ехокардіографія

Приклад УЗД судин

Інфразвукові коливання та хвилі Це пружні коливання з частотами до 16 Гц. Інфразвук дуже слабко поглинається в газах, рідинах та твердих тілах. Для людини інфразвукові коливання великої амплітуди можуть бути дуже шкідливими, оскільки деякі процеси в організмі людини відбуваються в інтервалі інфразвукових частот.

Висновки Опорно-рухова система людини Деформації та їх види Діаграма розтягу В’язко-пружні властивості біологічних тканин Механічні коливання і хвилі Основи акустики Ефект Доплера Застосування ультразвуку медицині

* Контрольне завдання Які види деформації Ви можите назвати? Наведіть приклади деформацій у людському організмі. Якими величинами вимірюється деформація? За відносної легкості кістки здатні протистояти великим навантаженням. Чим пояснюється дивовижна міцність кісток людини? Які коливання називають звуковими? Від чого залежить швидкість поширення звуку у повітрі? Які джерела акустичних хвиль звукового діапазону в людському організмі Ви можете назвати? Що називається шумом? Який механізм впливу шуму на організм людини? Відповідь у вигляді прикріпленого файлу Microsoft Word надішліть на мою електронну скриньку sverstyuk@tdmu.edu.te.ua У темі повідомлення вкажіть: Лекція Основи біомеханіки та біоакустики студент (Ваше прізвище, ім’я, по-батькові)

Література: Марценюк В.П., Дідух В.Д., Ладика Р.Б., Баранюк І.О., Сверстюк А.С., Сорока І.С. Підручник „Медична біофізика і медична аппаратура” Тернопіль: Укрмедкнига, 2008, 355 с. Медична і біологічна фізика / За ред. О.В.Чалого. т.1 - К. : Віпол, 1999, 425 с. Ємчик Л.Ф., Кміт Я.М. Медична і біологічна фізика: Підруч.-Львів: Світ, 2003.- 592 с.