какую нагрузку выдерживают кости человека
13 интересных фактов о костях человека
Никто не знает точное количество костей в человеческом организме.
Мы привыкли видеть скелеты-макеты или картинки в журналах и книгах, где кости человека изображаются совершенно белого цвета. На самом деле они не белые, а имеют коричневатый оттенок. Белый цвет кости достигается путём её вываривания или отбеливания.
Кость – самый прочный материал в теле человека.
Кости являются более прочным материалом по сравнению даже со сталью. Они превосходят сталь по прочности, но при этом весят намного меньше. Так, если бы скелет человека изготовить из стали, вес человека был бы в среднем около 250 кг.
Бедренная кость – самая длинная.
Как правило, бедренная кость составляет 1,4 от роста человека и может выдержать нагрузку до 1500 кг.
Бедренная кость может расти в ширину.
Действительно, самая длинная кость несёт большую нагрузку и с увеличением веса человека она увеличивает свою ширину, чтобы не поломаться под весом человека
Самой прочной костью считают большеберцовую кость.
По сравнению с бедренной костью большеберцовая кость способна выдержать на сжатие 4 тыс. кг.
Чаще всего повреждаются 5-8 пара рёбер, так как они не имеют соединительных костей.
Наиболее «костлявая» часть – кисть человека.
Большое количество мелких костей позволяет человеку играть на пианино и выполнять другие точные, виртуозные действия.
Известный архитектор Эйфель возвел свою башню с завидной аналогией со строением человеческой кости, что позволяет конструкции выдерживать большие нагрузки.
В интернет-магазине Сигма Мед можно купить гипсовые бинты, которые предназначаются для изготовления лонгет, циркулярных повязок. Гипсовые бинты облают свойством быстрого затвердевания при коротком погружении в воду. У нас можно купить обычные и стерильные гипсовые бинты.
Прочностные характеристики костей скелета
Для характеристики прочностных свойств костей используют четыре вида механического воздействия на кость: сжатие, изгиб, растягивание и кручение.
1. Бедренной кости более 4500 кг.- у мужчин и 3900 кг.- у женщин;
2. Большеберцовой кости более 3500 кг.- у мужчин и 2800 кг.- у женщин;
3. Плечевой кости более 2500 кг.- у мужчин и 2100 кг.- у женщин;
Прочность костей на изгиб:в переднезаднем направлении, т.е. в направлении перпендикулярно вертикально стоящей кости значительно меньше:
1. Бедренная кость выдерживает изгиб под нагрузкой 250 кг.
2. Большеберцовая кость выдерживает изгиб под нагрузкой 260 кг.
3. Плечевая кость выдерживает изгиб под нагрузкой 130 кг.
4. Лучевая кость выдерживает изгиб под нагрузкой 50 кг.
5. Более мелкие кости обладают и меньшей прочностью (Jamada, 1970).
Подвижное соединение костей (суставы)
Сустав – элемент ОДА, обеспечивающий соединение костных звеньев и создающий подвижность костей друг относительно друга. Суставы являются наиболее совершенными видами соединения костей. У человека их около 200.
Сустав образуют суставные поверхности сочлененных костных звеньев. Между суставными поверхностями имеется суставная полость, в которую поступает синовиальная жидкость. Окружает сустав суставная капсула, состоящая из плотной соединительной ткани.
Основной функцией суставов является обеспечение подвижности костных звеньев друг относительно друга. С этой целью поверхность суставов смачивается синовиальной жидкостью (смазкой), которая выделяется суставным хрящом при увеличении нагрузки на сустав. При уменьшении нагрузки синовиальная жидкость поглощается суставным хрящом. Чтобы компенсировать разрушение суставного хряща при трении в нем постоянно происходят процессы регенерации. С позиции медико-биологических наук в спорте кости скелета человека чаще всего выступают в виде стержней, соединенных одни или несколькими суставами образующих при этом кинематические цепи. В теле человека почти 200 суставов. Более 100 костей могут перемешаться относительно друг друга благодаря наличию суставов. Различают непрерывное и прерывное соединение костей.
Суставами соединяются кости, которые выполняют функцию движения. В каждом суставе различают (см. рис. 3):
v суставная сумка (1)
v синовиальная оболочка (2)
v суставный хрящ (3)
v полость с синовиальной жидкостью (4).
5. Суставы классифицируют по следующим принципам:
По числу суставных поверхностей различают:
Комбинированный сустав представляет комбинацию нескольких изолированных друг от друга суставов, расположенных отдельно друг от друга, но функционирующих вместе. Таковы, например, оба височно-нижнечелюстных сустава, проксимальный и дистальный лучелоктевые суставы и др.
5.1 По форме и функции суставных поверхностей различают:
В спортивной биомеханике пользуются вторым способом классификации как наиболее удобным в расчетах перемещения в пространстве. «Форма суставных поверхностей определяет характер движений сустава» (П.Ф. Лесгафт). Исходя из этого, суставы классифицируют (см. рис. 4).
1. Шаровидные (Плечевой сустав)
2. Чашеобразные (Тазобедренный сустав)
1. Седловидные (запястнопястный сустав)
2. Эллипсоидные (затылочная кость и I шейным позвонком)
Одноосные суставы—цилиндрическая суставная поверхность, ось которой располагается вертикально, параллельно длинной оси сочленяющихся костей или вертикальной оси тела, обеспечивает движение вокруг одной вертикальной оси. Различают:
1. Плоские (суставы между суставными отростками позвонков);
2. Цилиндрические (сочленение между локтевой и лучевой костями);
3. Блоковидные (межфаланговые суставы)
Для тренера, кроме знаний в анатомии важно знать и углы движений суставов, характеризующие границы подвижности суставов. Необходимо подчеркнуть, что подвижность в суставах зависит от следующих факторов:
1. от краев суставных поверхностей;
2. от растяжимости связок;
3. от связности со стороны мышц.
Трения в суставах
В суставах чрезвычайно низок коэффициент трения, составляющий приблизительно 0,01. По современным научным представлениям, низкие коэффициенты трения в суставах объясняются трем причинами:
Первая причина: микроскопические исследования показывают, что внешне гладкая поверхность гиалинового хряща напоминает губку с очень тонкими порами, пропитанную синовиальной жидкостью, которую можно из неё выжать. В месте контакта губчатых хрящей большую площадь занимает не сам хрящ, а жидкость, заключенная в порах. Пока жидкость не выдавилась из пор, трение контактируемых поверхностей невелико. Выдавливание происходит значительно медленнее, чем всасывание после освобождения поверхностей. Это обусловлено тем, что жидкость на участке контакта частей одного сустава движется преимущественно вдоль соприкасающихся поверхностей, тогда как в освободившиеся поверхности она входит в перпендикулярном к ним направлении.
Третья причинам: при сжатии его между гладкими поверхностями он выдавливается в стороны лишь до некоторого минимального расстояния. Дальше поверхности перестают сближаться, а при освобождении даже слегка отходят друг от друга. При сжатии синовии между хрящевыми губками молекулы гиалуроновой кислоты проходят в поры много хуже, чем растворяющаяся плазма. Концентрация полимеров в месте контакта возрастает и это ещё в большей степени способствует удержанию поверхностей от непосредственного контакта.
Четвертая причина: выявлено, что с увеличением скорости движения в суставе вязкость синовии снижается, и трение в суставе уменьшается. Это явление обусловлено дроблением содержащихся в синовии полимерных молекул. При уменьшении скорости цепочки молекул полисахарида вновь восстанавливаются
Расчеты показали, что при ходьбе работа против сил трения в тазобедренном суставе эквивалентна работе по подъему тела человека на высоту равную 0,32 мм. Эта значит, что величина энергии на преодоление трения в соединениях опорного аппарата сравнительно невелика даже при значительных нагрузках.
Дата добавления: 2018-08-07 ; просмотров: 3099 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Рацион для укрепления костей: какие продукты добавить?
В нашем организме 206 костей, но насколько они прочные и крепкие? Когда мы говорим о хорошем самочувствии, здоровье скелета – это последнее, о чем мы вспоминаем.
Кости скелета накапливают прочность и силу до 25 лет, а после 30-ти они постепенно начинают терять свою прочность, если постоянно не поддерживать физическую активность и баланс необходимых минералов – кальция, магния, фосфора.
Почему важно помнить о здоровье костей?
Здоровье костей не менее важно, чем здоровье любых других органов тела, особенно для женщин, так как плотность костей уменьшается после менопаузы. У женщин остеопороз встречается почти в 50% случаев. Потеря плотности кости может привести к остеопорозу, который, в свою очередь, грозит переломами при малейших нагрузках, тем самым уменьшая подвижность. Остеопорозом страдают и мужчины, но гораздо реже (всего около 4% населения) и в более позднем возрасте – около 70 лет.
Чем опасно это заболевание? Кости при нем становятся пористыми и хрупкими, поэтому, компрессия (сжатие) или резкие воздействия (при падениях, неловких движениях) могут вести к переломам. Чаще всего страдают позвонки, шейка бедра и плечевая кость.
Как и при всех других болезнях, профилактика – это основа борьбы с остеопорозом. Важно обращать внимание на здоровье ваших костей сейчас, независимо от того, сколько вам лет. Прочность костей достигается за счет регулярных упражнений (особенно силовых тренировок в комбинации с аэробными нагрузками) и включения в свой рацион продуктов для крепких костей.
Что влияет на наши кости?
Начнем с того, что костная масса на 80% определяется генетикой, а на остальное влияют такие факторы окружающей среды, как диета и физические упражнения. Поэтому 20% проблем со скелетом зависит от того, что происходит в детском и подростковом возрасте. В течение всей фазы роста скелета, крайне важно получить достаточное количество кальция и витамина D для наращивания костной массы. Кальций наиболее активно откладывается в костях именно в этот период. В дальнейшем кости только реминерализуются, то есть обновляются, но уже не растут.
Одного только кальция для крепости скелета недостаточно. Нужен еще и витамин D. Поступая с пищей или образуясь в коже после пребывания на солнце, он подвергается серии преобразований в организме, но, в конечном счете, активная форма витамина D связывается с рецептором витамина D в кишечнике, и это необходимо для всасывания кальция из кишечника в кровь.
Что важно знать об усвоении минералов?
Итак, для здоровья костей нужны не только источники кальция в рационе, но и витамин D, чтобы кальций мог усвоиться. Между тем, важно избегать приема железосодержащих добавок или даже употребления продуктов, богатых железом вместе с кальций-содержащими продуктами, поскольку железо и кальций препятствуют усвоению друг друга.
Помимо кальция, в построении костной ткани участвуют фосфор и магний. Они придают костям прочность и эластичность, формируют их пористую структуру. Чтобы кости были одновременно прочными и эластичными, важен баланс этих веществ в питании, а если одной только пищи недостаточно – нужно принимать добавки с кальцием, магнием и фосфатами.
Какие продукты могут пополнить запасы кальция, а также дают порцию необходимых витамина D, магния и фосфора?
Традиционное коровье (козье, кобылье, верблюжье молоко) все чаще заменяют растительными альтернативами (миндаль, три ореха, соя, овес, банан, кунжут и т. д.) важно помнить, кальций содержится и хорошо усваивается только из настоящих молочных продуктов.
Причем, чтобы кальций полноценно усвоился, эти продукты не должны быть с 0%-ной жирностью. Без жира не будет витамина D, а значит, кальций не будет полноценно усваиваться организмом. Поэтому, если вам нужно укрепить кости скелета и пополнить запасы кальция – помимо цельного молока, которое переносят не все люди, обратите внимание на греческий йогурт, сыр, творог и кефир.
Белок: но лучше – животный!
Специалисты рекомендуют для пациентов с остеопорозом животный белок, поскольку есть научные доказательства [1] того, что диеты с высоким содержанием белка важны для здоровья костей. Эксперты рекомендуют получать дозу белка из сардин и анчоусов, так как они богаты кальцием и витамином D. Менее полезным, но все еще хорошим источником белка будет стейк, поскольку высокое содержание железа может препятствовать усвоению кальция.
Продукты питания, использующиеся в средиземноморской диете
Исследования показали [2], что женщины, которые придерживались этого плана питания, имели более высокую плотность костной ткани. Средиземноморская диета включает: овощи и фрукты, рыбу, морепродукты, оливковое масло, сыр и йогурт, цельное зерно.
Овощи семейства крестоцветных
Существуют некоторые доказательства, что плотность костей у веганов не такая хорошая, как у тех, кто придерживается «более сбалансированной диеты», но необходимы дополнительные исследования. Есть растительная пища, которая также может укрепить кости. Овощи семейства крестоцветных, такие как брокколи, капуста и цветная капуста, богаты кальцием. То, что их потребление снижает количество переломов у женщин в постменопаузе [3], является еще одной причиной, чтобы принять на вооружение новые рецепты с этой группой овощей.
Овощи, богатые витамином К
Грибы, выращенные под влиянием ультрафиолета
Какие продукты богаты витамином D?
Яйца, лосось, молоко, йогурт, сардины и сельдь – это продукты, которые полезны для скелета. И конечно, пока лето, нужно чаще бывать на солнышке. Тем не менее, метаболизм витамина D является сложным процессом, и даже адекватное потребление, регулярные прогулки под солнцем могут привести к дефициту витамина D. В этом случае, на помощь придут добавки витамина D и кальция.
Сколько в граммах?
Взрослые должны получать 1000 мг кальция и 200 международных единиц (МЕ) витамина D в день. Если вам за 50 лет, принимайте 1200 мг кальция и 400–600 МЕ витамина D в день. Хотя кальций и витамин D можно принимать в виде добавок, лучше всего получать их за счет естественной диеты.
Влияние алкоголя
Любителям алкоголя стоит задумать о здоровье скелета. Известно, что алкогольные напитки вредны для здоровья костей. Алкоголь вымывает кальций из костей в мочу. Это справедливо для тех, кто пьет более 2 стаканов пива в день или более 50 г крепкого алкоголя.
[1] Mangano KM, Sahni S, Kerstetter JE. Dietary protein is beneficial to bone health under conditions of adequate calcium intake: an update on clinical research. Curr Opin Clin Nutr Metab Care. 2014;17(1):69‐74. doi:10.1097/MCO.0000000000000013
[2] Maltais ML, Desroches J, Dionne IJ. Changes in muscle mass and strength after menopause. J Musculoskelet Neuronal Interact. 2009;9(4):186‐197.
[3] Blekkenhorst LC, Hodgson JM, Lewis JR, et al. Vegetable and Fruit Intake and Fracture-Related Hospitalisations: A Prospective Study of Older Women. Nutrients. 2017;9(5):511. Published 2017 May 18. doi:10.3390/nu9050511
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 155.
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).
Прочны ли мы?
Это было много лет назад, когда испытывали парашют русского изобретателя Котельникова. Генерал, руководивший испытанием, вдруг засомневался: что если у парашютиста… оторвутся ноги? Опыты с куклой-манекеном прошли успешно, но выдержит ли человек мощный рывок раскрывшегося парашюта? С тех пор миллионы прыжков доказали безопасность парашютной техники, но почти ничего не внесли в теорию прочности наших мышц, костей и связок.
Как то в Праге собрались хирурги, ортопеды, спортсмены, анатомы и другие специалисты из многих стран мира. Они на время оставили свою работу, перестали читать лекции, перестали лечить. И лишь затем, чтобы обсуждать только один-единственный вопрос — повреждения ахиллова сухожилия. Ему посвятили целый международный симпозиум… Да, врачи, к сожалению, нередко констатируют травму именно этого сухожилия. Подкожные разрывы его — беда гимнастов, акробатов, волейболистов и футболистов. Те, кто, увы, избегает заниматься спортом, тоже не избавлены от такой неприятности. Даже многоопытные медики становятся жертвой коварного сухожилия: немецкий хирург Гюнтер, вальсируя, разорвал его и слег в больницу.
Кстати, ахиллово, или пяточное, сухожилие — самое толстое, самое крепкое из всех сухожилий человека. Оно начинается от икроножной мышцы, которая еще называется трехглавой, и прикрепляется к пятке. Разорвать его нарочно очень трудно. Если прикрепить к нему груз в 0,5 тонны и то выдержит! Почему же оно повреждается при прыжках, беге, танцах? Да потому, что нельзя сразу начинать упражнения с резких движений, нужна предварительная разминка; немного попрыгать, побегать. Мышцы могут выдержать большую нагрузку, но они не любят резких движений, рывков. Об этом хорошо знают опытные мастера спорта.
Развивается авиация и ракетная техника, организм человека вынужден приспосабливаться к массе всяких воздействий: перегрузке, невесомости, вибрации. Ученые стали больше интересоваться прочностью сосудов человека, ведь их стенки при перегрузках испытывают большое напряжение. И не только для авиации интересно знать прочность сосудов. Во многих странах болезни сердца и сосудов стоят на первом месте. Среди них — очень распространенная болезнь, связанная с подъемом кровяного давления. Если у человека вдруг подскочит кровяное давление, кровеносный сосуд может не выдержать и разорваться. Поэтому ученые решили определить их прочность. Лет 50—60 назад исследователи просто брали сосуды животных, наполняли их ртутью, смотрели, когда сосуд под тяжестью ртути разорвется.
Сейчас, применяя физико-математические методы, измерив давление и скорость кровотока при помощи специальных аппаратов, можно определить прочность сосудов у здорового или больного человека. Если у него высокое кровяное давление, а сосуд поражен болезнью и хрупок, то его можно заменить искусственным, сотканным из особых тканей.
Постепенно в медицину проникали методы испытания материалов, применяемых прежде только в технике. Простые «испытательные» работы разрослись до целой науки. Она будет заниматься изучением сопротивления биологических материалов, так же как инженеры изучают сопротивление строительных и промышленных материалов. Это биосопромат.
Мы говорили о прочности стенок сосудов. Но у человека есть и клапаны. В венах и в сердце. В сердце к краям каждой створки клапана прикрепляются тонкие сухожильные нити, идущие от внутренней оболочки сердца. От прочности сухожилий, которые то растягиваются, то сжимаются в такт ударам сердца, зависит и «прочность» сердца. Нити эти испытывали на прочность машинами, употребляемыми прежде только в лабораториях техники. Оказалось, все сухожильные нити выдерживают нагрузку в 2—3 килограмма при нормальном давлении крови 125—130 мм ртутного столба. Но когда давление крови увеличивается, скажем, до 260— 280 мм ртутного столба, то нагрузка на все сухожильные нити будет уже от 4,4 до 6,6 кг. Заметим, что в технике при постоянной нагрузке запас прочности принимается 3—4-кратным, при переменной нагрузке 5—6-кратным. Но, увы, история сердечных заболеваний показывает — «нити сердца» иногда терпят аварию. Следовательно, запас их прочности невелик, у инженеров зависти не вызовет, и здесь искать какие-либо сверхнадежные материалы вряд ли имеет смысл.
Теперь о прочности костей. Сравним их с известными строительными материалами. «Живая» кость приблизительно в пять раз прочнее железобетона, как на сжатие, так и на растяжение. Сопротивляемость кости к разрыву выше, чем у дуба, и приближается к прочности чугуна. Но каких-либо особых рекордов прочности здесь тоже нет.
Человек стоит, сидит и двигается благодаря хорошо сконструированному природой опорно-двигательному аппарату. Аппарат этот — позвоночный столб и конечности — включает в себя активную часть — мышцы и пассивную — кости, хрящи, связки. Ученых всегда интересовало, как прочность костей связана с возрастом. Теперь методами биосопромата установили: чтобы сломать реберный хрящ в возрасте 15—20 лет, требуется сила в 13,1 кг, а в возрасте 60 лет всего 1,5 кг.
Прочность хряща уменьшается в десять раз! Отчего же? К шестидесяти годам в костях и хрящах накапливаются отложения солей кальция. А они придают хрящам хрупкость. Отложение солей? Но ведь с подобными неприятностями сталкивается и техника; в ее химических реакторах, змеевиках и трубопроводах тоже откладываются соли. Конечно, техники или медики найдут способ борьбы с отложениями. И тогда те, кто первыми решат проблему, смогут, быть может, помочь другим: медики — техникам или наоборот.
Основное звено в опорно-двигательном аппарате — позвоночник. Он состоит из позвонков, между которыми располагаются межпозвоночные хрящевые диски. Эти диски — своеобразные рессоры, амортизаторы при ходьбе, беге и прыжках. Оказалось, что позвонок выдерживает нагрузку от 400 до 600 кг, а межпозвоночные хрящи — от 700 до 2000 кг. Хрящ прочнее кости. Однако на деформацию растяжения он показал себя менее прочным, чем позвонок. Так что межпозвоночные диски, состоящие из хряща, менее прочны, чем кости, однако более эластичны и упруги, поэтому-то они добросовестно выполняют свою рессорную функцию.
Наши суставы, как правило, имеют связки из плотной соединительной ткани. Назначение связок — тормозить движения, ограничивать их. Связки должны быть эластичными, упругими и в то же время прочными. Самой прочной оказалась связка надколенника, выдерживающая на разрыв от 42 до 239 кг, а связки, расположенные сбоку локтевого сустава, наиболее слабые. Они выдерживают лишь от 1 до 16 кг.
Как известно, почти все мышцы прикрепляются к костям. Нужно ли знать их прочность? Вспомним, что одному ахиллову сухожилию посвятил свою работу целый международный симпозиум. А чтобы определить запас прочности этого сухожилия, провели сложные наблюдения на спортсменах. Использовали целый комплекс аппаратуры, куда входили динамографическая платформа с регистрацией всех составляющих опорной реакции спортсмена при прыжке и вектор-динамографическая приставка. На экране электронного осциллорафа получали данные о величине и направлении усилий. Вектор-динамограмма фотографировалась, а момент отталкивания снимал киноаппарат. После математических расчетов оказалось, что во время прыжка ахиллово сухожилие испытывает усилие почти в 100 килограммов! Оно имеет четырехкратный запас прочности.
Таков краткий «биосопроматный» очерк прочности нашего тела. Надо сказать, что в общем, обижаться нам не приходится. В 1960 году гоночная машина «Синяя птица» английского спортсмена Кэмбелла, мчавшаяся со скоростью 350 миль в час, трижды перевернулась в воздухе и разбилась вдребезги. Гонщик встал, отряхнулся и пешком направился к санитарной машине. Это вовсе не исключительное везение. Статистика дорожных происшествий знает тысячи случаев, когда автомашина переворачивается на полном ходу, почти разрушается, а пассажиры отделываются легкими ушибами.
Как найти точные характеристики сопротивляемости биологических тканей разным механическим воздействиям? Этому посвящается большая исследовательская работа, которая еще только начинается. Биологи, врачи, анатомы, биохимики, ортопеды приглядываются к методам физиков и механиков.
Сможет ли техника повысить прочность организма? Вероятно, да. Но пути этого неясны. Будут ли это какие-либо «внешние скелеты» — каркасы на шарнирах, управляемые биотоками, или химические составы, укрепляющие костные ткани, или еще что-то, сейчас неизвестное даже в принципе? Замечательные операции современных хирургов по вживлению искусственных клапанов сердца и сосудов — первые, но многообещающие усилия. И в связи с этими операциями можно сделать одно замечание. Инженеров всегда восхищала надежность работы нашего сердца. Но нет принципиальных препятствий к созданию полностью искусственного сердца. Несомненно, что по надежности оно не должно уступать «настоящему». Более того, нет опять-таки принципиальных трудностей в создании сердечного электронно-механического аппарата, превосходящего по надежности свой живой прототип.
Вещи из мира техники и объекты живой природы имеют границы своей прочности, но граница эта не абсолютна, она условна и отодвигается по мере развития науки. Прогнозы оптимистичны! Надо только заметить, что внешнее копирование живых «деталей» не сулит успеха. Секреты надежности живых организмов следует искать в очень глубинных процессах.
P. S. О чем еще думают британские ученные: Также рассуждая о прочности человеческого организма не стоит забывать о такой важной его части, как зубы, от прочности которых также много чего зависит. Ведь малая прочность наших зубов часто приводит к зубному кариесу, и дальше приходится нам заниматься лечением зубов, искать хорошего стоматолога, да и само занятие это малоприятное и недешевое. Так что лучше беречь свои зубы, их прочность, и чтобы эта прочность была стойкой не стоит пренебрегать гигиеной (обязательно чистить зубы с утра и вечером), не злоупотреблять сладким, и вообще питаться здоровой и полезной пищей.