какую нагрузку выдерживает человеческая кость
Какой вес может выдержать человеческая кость?
Если обобщенно, то кость человека может выдержать давление до 15 кг на 1 кв.мм (кирпич, всего 0,5 кг)
Конечно природа предусмотрела практически все в строении человеческого тела наделив некоторые кости особой прочностью.
Лидером по прочности является большеберцовая кость, которая на сжатие в состоянии выдержать нагрузку более 4-х тонн, чуть отстает бедренная кость, там этот показатель равен 3 тоннам. Но несущая способность костей на тот же изгиб имеет показатели похуже.
В целом, если проводить сравнение и представить максимальные возможности костей человека, то можно сказать, что костная ткань прочнее в пять раз железобетона на сжатие, на разрыв сопоставима с дубом и по прочности не уступает чугуну.
В состав скелета человека входит более 200 костей.
Кости выдерживают большие нагрузки, они представляют собой очень прочный и необычайно сложный комплекс пространственных систем.
По данным многих специалистов можно определить нагрузку, какую выносят разные кости.
А вы случайно рассказ Чехова А.П. «Толстый и тонкий» в школе не прогуляли? В общем-то все его по программе проходят. Всю жизнь есть расслоение на толстых и тонких людей, если по-вашему говорить, а по научному на астеническое телосложение, атлетическое и нормостеников. Т.е. которые средние. Это зависит не от продуктов питания, а от обмена веществ.А обмен веществ в свою очередь генетически обусловлен работой гипофиза и щитовидной железы, которая либо ближе к усиленному обмену веществ, либо к гипофункции. Ну и еще много людей с нарушениями этого типа, они действительно полные по болезни и таких стало больше. Так же больше стало полных людей из-за применения трансжиров и глютамата натрия в продуктах, есть такая зависимость. Глутамат повышает аппетит и нагуливает вес, а трансжиры нагуливают жир в человеке.Сейчас те, кто хочет быть здоров, читают этикетки и с усилителями вкуса ничего не берут и с трансжирами(куда и маргарин входит и любой гидрогенезированный жир)тоже не берут. Так же от сидячего образа жизни попа отрастает.
Что до определения индекса массы тела, то он не менялся.
Как существовала формула, так и есть. Индекс массы тела рассчитывается по формуле:
При этом есть границы нормы.Можно посмотреть их по таблице для ИМТ
Ну если поверить высказыванию что муравей может поднять в десять раз вес больший чем он сам.И также взять к сведению данные из книги Бернарда Веббера Муравьи,в которой написано что вес муравья от 1мг до 150мг,то выходит от полумилиона муравьев до семидесяти миллионов.Насколько я знаю в обычном муравейнике от нескольких миллионов до нескольких десятков миллионов,так что если вы вдруг решите каким то образом их использовать то в любом лесу пригодном для муравьев,а это и есть любой лес,сможете подискать нужное количество.;)
Гелия побольше в себя закачать. через задний проход.
Если вам показалось, что этот ответ грубый, то. каков вопрос, таков и ответ.
Кости с возрастом становятся более пористыми и легкими за счет вымывания, нехватки кальция и возрастных изменений. Поэтому пожилые люди чаще сталкиваются с бытовыми переломами у них они дольше заживают. Нужно быть предельно осторожными, особенно в зимнее время, когда повышается риск подскользнуться и упасть.
15 фактов о человеческом теле
15 интересных вещей про наше тело, которые могут быть вам ещё неизвестны.
1. Желудочные кислоты настолько сильные, что могут растворить цинк. К счастью для нас, клетки желудка так быстро регенерируют, что кислота просто не успевает растворить их.
2. В легких находится более 300000 млн капилляров. Если их положить все друг за другом, протяжённость линии составила бы 2400 км.
3. Мужские яички производят 10 млн сперматозоидов — достаточно для того, чтобы населить всю планету за 6 месяцев!
4. Человеческая кость твёрдая как гранит при воздействии на нее веса. Кость размером со спичечный коробок может выдержать 9 т — это в 4 раза больше, чем выдерживает бетон.
5. Каждый ноготь на ноге и руке вырастает от основания до кончика за 6 месяцев.
6. Самый большой орган в теле — это кожа. У взрослого человека она покрывает 1.9 кв.м. Кожа постоянно обновляется — за всю жизнь человек скидывает 18 кг кожи.
7. Когда человек спит, он вырастает на 8 мм. На следующий день он опять уменьшается. Причина в том, что хрящевые диски сдавливаются как губка силой гравитации, когда вы сидите или стоите.
8. В среднем человек на западе за свою жизнь потребляет 50 т еды и 50000 л жидкости.
9. В каждой почке содержится 1 млн отдельных фильтров. Они пропускают в среднем около 1.3 л крови в минуту и выделяют 1.4 л мочи в день.
10. Мышцы фокуса глаза делают 100000 движений в день. Если бы мышцам ноги дать такую же нагрузку, пришлось бы каждый день ходить 80 км.
11. За 30 мин тело выделяет столько тепла, что можно было бы вскипятить полгаллона с водой.
12. Одной кровяной клетке человека нужно всего 60 сек, чтобы завершить полный круг по телу.
13. Крайняя плоть размером с почтовую марку, взятая у обрезанных детей, производит за 21 день столько кожи, что можно покрыть 3 баскетбольных поля. И все благодаря науке. Сегодня выращенная в лаборатории кожа используется при лечении ожогов.
14. Глаза получают 90% всей внешней информации, что делает нас «визуальными» существами.
15. Женские яичники содержат полмиллиона яйцеклеток, но только 400 из них смогут дать новую жизнь.
Устойчивость тканей и органов тела человека к травмированию
1.4. Устойчивость тканей и органов тела человека к травмированию
Выраженного дифференциально-диагностического значения для установления занимаемого пострадавшим места в кабине автомобиля эти данные не составляют. Прежде всего это связано с тем, что подразделение травм на легкие, менее тяжкие, тяжкие, тяжкие и смертельные не имеет конкретных параметров. Далее, эти данные носят обще характеризующее содержание травмоопасности отдельных мест при всех типах автомобильных происшествий, без учета типов столкновений автомобилей, которые, исходя из содержания ряда сообщений и работ, имеют существенное значение для процесса формирования повреждений у пострадавших при их расположении на различных местах в салоне [107, 131, 144, 170, 205].
Следует отметить, что степень травмирования и распространенность повреждений у пострадавших в зависимости от места их размещения, как дифференциальный признак, при изучении травмы в кабине при различных типах столкновений автомобилей в судебной медицине не разрабатывался. По нашему мнению, степень травмирования человека может быть выражена количественно на основе систематизации многочисленных экспериментальных данных о толерантности организма к механическим нагрузкам и о пределах тканей и органов тела человека, а также результатов исследований, полученных Стешицем В.К., изучавшим зависимость характера и тяжести повреждений у пострадавших при автомобильных происшествиях от величины травмирующих сил 153.
Известно, что устойчивость различных тканей и органов тела человека к механическому воздействию неодинакова. Большим запасом прочности обладают кожные покровы. Параметры механической прочности кожи наиболее высоки у детей в возрасти 5-9 лет и у взрослых 20-35 лет, причем, кожа различных областей у человека неодинаково прочна: наименьшей сопротивляемостью к разрыву (от 0,2 до 0,8 кг/мм 2 ) и наименьшей растяжимостью (от 46 до 130%) обладает кожа шеи. В опытах с ориентацией нагрузки на лоскуты кожи из эпигастральной области относительно лангеровых линий, предел прочности кожи при нагрузке вдоль них оказался в 3 раза выше, чем при поперечных нагрузках и составил соответственно 3,0-3,8 кг/мм 2 и 1,1 –1,3 кг/мм 2 для мужчин и 1,8 – 1,9 кг/мм 2 и 0,5 –1,2 кг/мм 2 для женщин [79].
На формирование ссадин большое[влияние оказывают условия взаимодействия тупого предмета с кожей, из которых выделяются угол контакта, а также толщина подлежащего слоя подкожно-жировой клетчатки [122].Удары тупым предметом с энергией до 16 кГм вызывают разрывы мелких сосудов и кровоизлияния, более 16 кГм сопровождаются разрывом и размозжением мышечной ткани, а свыше 20 кГм размозжением подкожно-жировой клетчатки и отслоением кожи, при энергии удара свыше 32 кГм – повреждаются магистральные кровеносные сосуды [63].
Повреждения на голове не возникают при скорости соударения 2,5 м/сек и появляются при скорости от 6,5х9,4 м/сек [4]. Закономерное возникновение ушибленных ран наблюдалось в экспериментах при скорости соударения 3,1 – 3,6 м/сек [123].
Разрушения костных пластинок отмечались при нагружении 615-850 кг/см [87]. Возникновение черепно-мозговой травмы с ушибом головного мозга на противоположной стороне наблюдалось при воздействии травмирующей силы 62,5 – 81,1 кгс.м [156].
Предел прочности различных отделов таза неодинаков. Работа, затраченная на излом подвздошной кости, равна 0,726 – 1,561 кгм, а крестца – 3,596-5,059 кгм [161]. Неполный разрыв связок крестцово-подвздошного сочленения отмечен при действии травмирующей силы 21,1 кгс.м, их полный разрыв при действии травмирующей силы от 95,2 до 117,3 кгс.м, перелом одной из ветвей переднего отдела тазового кольца – 31,9 кгс.м, перелом подвздошной кости – 55,7 кгс.м, поперечный перелом крестца – 121,1 кгс.м, при действии более значительных травмирующих сил свыше 200-300 кгс.м возникали разрывы обоих костей переднего отдела с переломами крыла подвздошной кости. Еще более мощные травмирующие силы (963,7 кгс.м) вызвали оскольчатый перелом крыла подвздошной кости в сочетании с переломами лонной и бедренной костей на стороне удара [156].
Среди костей конечностей наибольшей прочностью обладает бедренная кость, а также большеберцовая и плечевая [204, 208]. Энергия, необходимая для разрушения верхнего, нижнего эпифизов и диафиза бедренной кости для возрастной группы людей от 20 до 30 лет исчисляется соответственно – 4,220 кгм, 7,597 кгм, для большеберцовой – 4,101 кгм, 2,598 кгм и 3,738 кгм, плечевой – 4,187 кгм, 2,675 кгм и 3,333 кгм, для переломов диафиза локтевой кости – 1,075 кгм, малоберцовой 0,846 кгм, ключицы – 1,383 кгм, фаланг пальцев стопы – 1,363 кгм, фаланг пальцев кисти – 1,358 кгм [161].
Предел прочности и коэффициент упругости длинных трубчатых костей значительно выше при пробах, ориентированных по их продольной оси [185]. Бедренная кость при сжатии способна выдерживать нагрузку от 702 до 903 кг, а при кручении всего лишь от 5,2 до 15,5 кг, [204]. Проведенными исследованиями по определению прочностных характеристик бедренных костей в зависимости от возраста установлено, что травмирующая сила для 25-30 летнего возраста составляет 58-65 кгс.м, для 60 лет 48-52 кгс.м [60,62]. Прочность бедренной кости при деформации изгиба и кручения повышается до 35 лет, а затем уменьшается [57]. При изучении травмы в условиях ДТП отмечено возникновение поперечных и косопоперечных переломов плечевой кости в месте действия травмирующей силы в пределах 62,2 кгс.м, плечевой кости в сочетании с переломом шейки бедра и крыла подвздошной кости – 316,7 – 472,4 кгс.м, размозжение мышц и поперечный перелом бедренной кости при действии травмирующей силы в пределах 341,4 – 533,4 [156]. Параметры прочности различных связок неодинаковы. Так для разрыва боковой локтевой связки у мужчин потребовалось от 1 до 8 кг, у женщин – от 0,5 до 2,5 кг, для разрыва связки надколенника у мужчин от 52 до 239 кг, у женщин от 42 до 142 кг, боковой большеберцовой связки от 33 до 76 кг [91].
По мере нарастания силы механического воздействия последовательно возникают функциональные сдвиги и нарушения, микротравмы тканей и органов, компрессионные повреждения внутренних органов и общая контузия тела [23]. Первые проявления травмы внутренних органов при ДТП отмечены при ударе автомобиля с силой травматического воздействия 5,9 кгс.м, при этом у пострадавших возникло сотрясение мозга 1-ой степени, ограниченный подкапсульный разрыв селезенки при травмирующей силе 6,3 кгс.м, ограниченное кровоизлияние в брыжейку тонких кишок имелось при ударе силой 11,3 кгс.м, ограниченный надрыв печени между долями – 22,8 кгс.м. При воздействии более значительных травмирующих сил массивные повреждения внутренних органов сочетались с травмой костного остова [155,156]. Для оценки морфологического объема травмы внутренних органов необходимо учитывать их функциональное состояние, наличие патологических процессов, а также локализацию повреждений. Так, например, установлено, что восходящий отдел аорты в сравнении с нисходящим более устойчив к нагрузкам на разрыв [89]. В экспериментах с нагнетанием воздуха и воды в аорту обнаружено наиболее податливое место для разрыва – устье аорты [207]. Минимальный предел прочности аорты у лиц, страдающих атеросклерозом, заметно снижен [89]. Наибольшей прочностью и деформативной способностью обладают сосуды возрастной группы от 15 до 29 лет, наименьшей – от 50 до 70 лет, т.е. прочностные свойства сосудов с возрастом понижаются [37].
Приведенные литературные данные о прочностных свойствах различных тканей и органов тела человека к механическим нагрузкам с ориентацией на величины травмирующих сил использовались для систематизации повреждений, встретившихся у водителей и пассажиров при травме в кабине автомобиля (таблица 2.3).
Микроархитектура костей как основа для сверхлегких и долговечных материалов
В скелете взрослого человека насчитывается 206 костей, которые в совокупности выполняют опорно-двигательную и защитную функцию. К сожалению, как и все другие части тела человека, кости также подвержены различным заболеваниям, повреждениям, деформациям и травмам. Одной из самых изучаемых проблем скелета является остеопороз, из-за которого нарушается внутренняя структура и плотность костей. Ранее данное заболевание изучали посредством рентгеновских снимков, позволяющих изучить структуру костей и определить слабые и прочные точки. Чаще всего ученые рассматривали прочность кости с точки зрения максимально возможной однократной нагрузки. Однако группа исследователей из Корнеллского университета решили посмотреть на проблему остеопороза под другим углом. Они предложили сравнить кость с деталью автомобиля, которая прекрасно работает достаточно долгое время, но, так или иначе, ломается ввиду длительного использованиям. Что рассказал ученым новый метод анализа костей, какие структурные изменения костей можно предотвратить или изменить, и как данный труд может способствовать в борьбе с остеопорозом и даже помочь авиации? Об этом мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.
Основа исследования
Центральным тезисом данного труда является: механические свойства микроархитектурных материалов могут быть улучшены за счет геометрии материала, а не за счет его композиции (состава).
Сверхлегкие микроархитектурные материалы могут изначально обладать повышенной жесткостью и, следовательно, прочностью, но они должны также выдерживать многократные циклы нагрузки, то есть быть не просто прочными, но и долговечными. Если же говорить о природных эквивалентах таких материалов, то кости человеческого скелета прекрасно описывают подобные структуры.
Кости по своей структуре состоят из нескольких основных строительных материалов: компактное костное вещество, губчатое костное вещество и надкостница. Последняя является оболочкой кости, которая состоит из определенных соединительных тканей, содержащих кровеносные сосуды и клеточные элементы, участвующие в питании, росте и восстановлении костей.
Компактное костное вещество представляет собой верхний слой кости и является очень однородным и твердым. А вот губчатое, которое располагается внутри кости, состоит из множества пластинок, пересекающихся в разных направлениях.
Исследователи считают, что утолщение некоторых из пластинок губчатого вещества может улучшить общие механические свойства кости, т.е. повысить ее прочность и долговечность.
Эта теория основана на том факте, что микроархитектурные материалы могут быть подвержены усталости материала*, так как их сложная внутренняя геометрия приводит к накоплению напряжений.
Усталость материала* — процесс постепенного накопления повреждений, приводящих к изменению механических свойств материала.
Ученые считают, что важнейшим в их исследование является поиск равновесия между прочность материала и его устойчивостью к усталости. А поскольку нет лучшего вдохновителя, чем природа, ученые решили искать это равновесие в природном микроархитектурном материале, т.е. в костях.
Как мы уже знаем, в костях содержится множество пластинок (перегородок), пересекающихся в разных точках, формируя губчатое вещество. Эти пластины также именуют трабекулами. Они чаще всего расположены в направлении напряжений, вызванных обычной физической активностью, что приводит к формированию поперечной изотропной микроструктуры.
Ранее проведенные исследования выявили, что основным фактором, влияющим на прочность губчатой кости, является плотность/пористость и тензор ткани (мера анизотропии*).
Анизотропия* — различие (неоднородность) свойств среды в различных направлениях внутри нее.
А вот другие аспекты микроархитектуры и их влияние на прочность костей не было изучено.
Жесткость и прочность губчатой кости и других клеточных твердых веществ связывают с плотностью через степенные законы*.
Степенной закон* — функциональная зависимость между двумя величинами, при которой относительное изменение одной приводит к пропорциональному изменению второй.
Ученые отмечают, что уже существует аналитический метод, связывающий плотность губчатого вещества и усталость материала (число циклов до полного износа, Nf). Однако усталость губчатых веществ, по их мнению, лучше объясняется нормированными отношениями напряжения и ресурса (AN) материала:
Стоит отметить, что данный метод оценки усталости материала хоть и является весьма успешным, но некоторые переменные (например, А и В) могут отличаться у материалов разного происхождения (например, губчатая костная ткань человека и собаки).
Результаты исследования
Чтобы понять связь между микроархитектурой и усталостью материала, ученые провели анализ высокопористой (> 90%) губчатой костной ткани позвонков человека (44 образца от 18 доноров).
К каждому образцу применялась циклическая нагрузка сжатия в направлении привычной физиологической нагрузки.
Нагрузка усталости материала приостанавливалась при определенной величине циклов напряжения, определяемого по накоплению циклической нагрузки. После чего оценивались число и местоположение всех микроскопических повреждений в микроструктуре посредством применения контрастных веществ (1А и 1В).
Изображение №1: влияние микроархитектуры на накопление усталостных повреждений в губчатой кости.
Микроархитектура была оценена с использованием трехмерных изображений и проанализирована с использованием подхода морфологического разложения, который изолирует каждую отдельную перегородку в структуре и классифицирует ее как пластинчатую или стержнеобразную, а также определяет ее ориентацию относительно нагрузки (1С и 1D).
Было обнаружено, что число повреждений тканей, вызванное усталостной нагрузкой, коррелировало с максимальной приложенной деформацией, но не коррелировало с плотностью образца или другими средними по образу показателями микроструктуры.
Любопытно, что степень повреждений тканей была меньше в образцах с более толстыми стержнеобразными перегородками (1E). Данное наблюдение было весьма неожиданным, поскольку стержнеобразные перегородки в губчатой кости в первую очередь ориентированы поперечно приложенной нагрузке, составляя при
этом лишь 20% от твердого объема губчатой кости высокой пористости. Кроме того они несут лишь небольшую долю продольно-ориентированных нагрузок и оказывают незначительное влияние на жесткость и прочность в продольном направлении.
Далее ученые исследовали распределение повреждения ткани в разных точках во время процесса усталостной нагрузки, что позволило им лучше понять влияние стержнеобразных перегородок на усталость кости. Было выявлено, что разрушение отдельных трабекул во время усталостной нагрузки происходит нелинейно с номером цикла и отличается по типу/ориентации трабекулы. Первоначально разрушения возникают в стержнеобразных трабекулах, а в пластинчатых трабекулах значительное накопление повреждений не происходит до момента явного разрушения всей структуры (1F).
Характер разрушения перегородки также связан с ее ориентацией: поврежденные стержнеобразные трабекулы преимущественно ориентированы в поперечном направлении, в то время как поврежденные пластинчатые трабекулы преимущественно ориентированы в продольном направлении.
Исследователи считают, что такое поведение разрушения отдельных перегородок зависит от распределения напряжения растяжения, вызванного нагрузкой. Моделирование показало, что нагрузка сжатия приводит к растягивающим напряжениям в стержнеобразных трабекулах (в основном в поперечно ориентированных) и сжимающим напряжениям в пластинчатых трабекулах (в основном в продольно ориентированных).
Эти наблюдения говорят о том, что в губчатой ткани кости именно поперечно ориентированные трабекулы выступают в качестве «оправданной жертвы» во время циклической нагрузки, накапливая повреждение ткани и, таким образом, защищая несущие продольно ориентированные пластинчатые трабекулы, разрушение которых приведет к полному разрушению структуры.
Изображение №2: модели губчатой кости, полученные с использованием 3D-печати, показывают, что усталостная прочность чувствительна к небольшим изменениям в микроархитектуре.
Другой важной составляющей накопления повреждений в губчатой кости является гетерогенность тканей. Чтобы изолировать эффекты микроструктуры от тех, которые связаны с неоднородностью материала, ученые создали трехмерные модели микроструктуры губчатой кости (2А и 2В).
Губчатая микроструктура кости (2В) была модифицирована путем добавления материала к поверхности поперечных трабекул. Всего было три типа модификаций: без изменений (исходная геометрия); +20 мкм на поверхности (среднее увеличение толщины трабекулы на 20 ± 5%); +60 мкм на каждой поверхности (среднее увеличение толщины трабекулы на 45 ± 14%).
Поскольку поперечные стержневидные трабекулы составляют лишь небольшую часть твердого объема и несут лишь небольшую часть продольных нагрузок, утолщение стержнеобразных перегородок оказало лишь небольшое влияние на плотность, которая возросла на 11 ± 8% (2C), и на жесткость, увеличение продольного модуля Юнга которой составило 22 ± 19% (2D).
Если подобные изменения имеют место по всей микроструктуре равномерно, то усталостная прочность изменяется весьма незначительно. Если же подобные изменения применимы только к стержнеобразным трабекулам, то усталостная прочность увеличивается на два порядка (2E).
Для подтверждения того, что накопление повреждений протекает в моделях так же, как и в губчатой кости, были проведены исследования повреждений в трехмерных напечатанных образцах после определенной нагрузки с использованием рентгеноконтрастного красителя.
Было установлено, что в моделях места скопления повреждений, определенные контрастом, распределены по всей структуре, как и в губчатой костной ткани, исследованной ранее (2F). А вот модели, при печати которых были заданы более толстые стержнеобразные перегородки, продемонстрировали уменьшенное накопление повреждений (2G).
Следовательно, накопление повреждений ввиду усталостной нагрузки можно уменьшить, если изменить толщину стержневидных трабекул внутри структуры губчатой костной ткани или аналогичных перегородок в трехмерном напечатанном образце.
Также стало понятно, что среднее напряжение растяжения в стержнеобразных трабекулах (преимущественно поперечно ориентированных) было выше, чем у пластинчатых трабекул (преимущественно продольно ориентированных). Это говорит о том, что локализация повреждения соответствует распределению напряжений в микроархитектуре, как это было обнаружено в настоящей губчатой кости.
Суммируя вышеописанные наблюдения, ученые предполагают, что незначительное увеличение массы, сконцентрировано на поперечно ориентированных структурных компонентах микроархитектуры, может уменьшить напряжение растяжения, что является значительным вкладом в усталостную прочность.
Изображение №3: влияние поперечного объема на усталостную прочность пористых (ячеячных) твердых тел.
Далее исследователи решили проверить, применимы ли их открытия к другим пористым твердым телам и другим механизмам деформации. Для этого были созданы модели обычных и модифицированных октет ферм* (octet truss). Последние отличались от обычных тем, что имели элементы в виде пластин и стержней, имитируя микроструктуру и анизотропию губчатой кости (3А).
Ферма* — в данном случае подразумевается не сельскохозяйственные угодья, а стержневая конструкция, которая остается неизменной после замены жестких узлов на шарнирные.
Пример октет фермы.
Октет ферма* — данный тип конструкции в 1961 году предложил Ричард Бакминстер Фуллер (1895–1981). Структура основана на октаэдрическо-тетраэдрической геометрической схемы, которая состоит из линий, соединяющих центры шаров таким образом, чтобы каждый шар был окружен двенадцатью другими шарами.
Микроструктура губчатой кости демонстрирует поведение, в котором преобладает деформация изгибов, обычная октет ферма — деформация растяжения, а в модифицированных октет фермах — комбинация изгибов и растяжений.
В результате увеличение поперечной толщины стержней в костеобразных микроархитектурах привело к увеличению усталостной прочности в 8 раз (3В), плотность при этом возросла незначительно (+ 4%), как и продольная жесткость (+ 20%).
В октет ферме увеличение поперечной толщины стержней привело к увеличению усталостной прочности в 5 раз (3В), плотность возросла на 10%, продольная жесткость на 14%.
А вот с модифицированными октет фермами ситуация была намного любопытнее. Когда данную модель повернули на 90°, чтобы утолщенные элементы были вертикально ориентированы и наклонены к приложенным нагрузкам, усталостная прочность уменьшилась в 9 раз по сравнению с моделью без утолщенных распорок. Это говорит о том, что влияние поперечных элементов на усталостную прочность связано с пропорцией материала, ориентированного поперек нагрузки, а не с толщиной поперечных стержней как таковых. Дабы понять, как именно поперечно ориентированные элементы влияют на накопление усталостных повреждений, был применен метод конечных элементов для нескольких циклов нагрузки.
Усталостное повреждение включает в себя локальный необратимый процесс рассеивания энергии, приводящий к увеличению диссипации энергии. Модели конечных элементов первых 5-25 циклов нагрузки показали, что усталостная прочность октетной и костоподобной микроархитектуры с утолщенными стержнями и без них тесно связана с пластической диссипацией энергии на рабочую единицу (3C).
Следовательно, увеличение поперечной объемной доли (ψ — доля твердого объема, ориентированного в поперечном направлении к нагрузке) в этих микроархитектурных материалах уменьшает диссипацию энергии и накопления повреждений во время циклической нагрузки. Подобное наблюдение напоминает ситуацию со стержнеобразными трабекулами (преимущественно поперечно ориентированными), которые испытывали меньшее накопление повреждений в губчатой кости, если их толщина была немного увеличена (1E).
Применение однократной сверх-нагрузки (деформация 50%) показало, что кости и микроархитектурные материалы способны восстановить большую часть повреждений после приложенного напряжения, что объясняется упругими (обратимыми) деформациями в поперечно ориентированных стержнях.
Таким образом, становится понятно, что для сопротивления усталостному разрушению важную роль играют именно поперечно ориентированные стержни или перегородки (трабекулы). Другими словами, наблюдения показывают, что важна именно геометрия структуры, а не ее химический состав.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В данном труде исследователи смогли установить, что микроструктуры способны быть крайне долговечными и стойкими к деформациям. Главным выводом является факт того, что происхождение материала (биологическое или синтетическое) не имеет значения, когда применяется правильная геометрия внутренних элементов микроархитектуры. Изменение толщины отдельных составляющих позволяет продлить жизнь всей структуры, при этом без значительных потерь со стороны жесткости, прочности или других важных механических характеристик.
Данное исследование, как заявляют его авторы, может найти свое применение как в медицине, позволив лучше понять процессы, связанные с остеопорозом. Ибо остеопороз характеризуется ухудшением именно микроструктуры губчатой кости, что выражается в резком снижении количества и прочности поперечно ориентированных трабекул. Ранее считалось, что жесткость, прочность и поглощение энергии губчатой кости зависит практически полностью от продольно ориентированных трабекул. Но в данном исследовании было доказано, что и поперечно ориентированные играют не последнюю роль, особенно в рамках усталостной прочности костей. Исследователи не отвергают того факта, что многие повреждения костей у больных остеопорозом вызваны однократной сверх-нагрузкой (падение, подъем тяжести и т.д.). Однако самыми распространенными повреждениями, связанными с остеопорозом, все же остаются травмы позвоночника, которые часто возникают при отсутствии каких-либо сверх-нагрузок, т.е. являются следствием потери усталостной прочности. Именно потому необходимо уделять внимание не только продольно ориентированным, но и поперечно ориентированным трабекулам.
Что касается авиации и других отраслей, то результаты этого исследования могут подтолкнуть инженеров к разработке новых типов деталей, которые будут сверхпрочными и долговечными, оставаясь при этом сверхлегкими, что немаловажно для крыльев самолетов, например.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята! 🙂