Физика ответы на экзаменационные вопросы стомат

Ответы на экзаменационные вопросы

термометры сопротивления и термопары. В последнее время часто информация о тепловом режиме объекта снимается с помощью термоиндикаторов, которые изменяют свое состояние (яркость или цвет) при нагреве. Применяя такие термоиндикаторы, можно просто и наглядно установить распределение температур в естественных и искусственных зубах при их локальном разогреве при обработке фрезой.

Существуют приборы для неконтактного измерения температур и анализа, температурных полей: пирометры и тепловизоры.

Пирометры бывают яркостные, цветовые и радиационные. Принцип действия яркостных пирометров основан на зависимости спектральной яркости нагретых тел от температуры, определяемой законами Планка и Вина. Принцип действия цветовых основан на сравнении интенсивности излучения двух спектральных диапазонов, радиационных - на использовании закона Стефана-Больцмана, связывающего излучаемую энергию с температурой. Пирометры применяют для контроля за температурой материалов в процессе их термообработки, температурой металлов и сплавов при литье протезов. Существует группа специальных радиационных пирометров, позволяющих установить распределение температур по поверхности объекта.

Тепловизоры условно делят на три группы:

1.Тепловизоры, представляющие тепловое поле в виде черно-белого или цветного изображения на экране электронно-лучевой трубки;

2.Термографы, представляющие тепловое поле в виде изображения на специальной бумаге или другом носителе информации;

3.Тепловизионные микроскопы для анализа температурных полей микрообъектов.

Метод дифференциального термического анализа применяется для определения температур, возникающих в материале за счет выделения или поглощения некоторого количества теплоты. Чаще всего этот метод применяют для изучения процесса кристаллизации. В этом методе используют одновременный нагрев и охлаждение испытываемого и эталонного образца. При отсутствии в материале фазовых превращений его размеры меняются плавно, без скачка. Фазовый переход сопровождается скачкообразным изменением длины или объема образца. В момент фазового перехода возникает разность температур между образцом и эталоном. Эта разность фиксируется специальной термопарой.

Метод дилатометрического анализа заключается в регистрации изменений линейных и объемных размеров образца в изотермических условиях, либо при нагреве или охлаждении. Измерения проводят на специальных приборах - дилатометрах. Конструкции приборов различается по способу регистрации образца: механическому, электрическому или оптическому. Температура образца измеряется термопарой.

Кроме названных используют такие методы определения теплофизических характеристик материалов, как определение теплоемкости, теплопроводности и теплоотдачи.

11

Физика	стоматологический факультет

Акустические методы испытания

Акустические методы контроля подразделяют на два вида:

1.методы, в основе которых лежит излучение и прием ультразвуковых волн;

2.Методы, основанные только на регистрации акустических волн, возникающих в материалах за счет каких-либо внешних воздействий.

Методы, основанные на излу-	Методы, основанные на приеме
чении и приеме УЗ-волн:	УЗ-волн:
1. Эхометод	1. Эмиссионный метод
2. Теневой метод	2. Шумовибрационный метод
3. Импедансный метод
4. Резонасный метод
5. Метод свободных колеба-
ний

Эхометод заключается в том, что посылается короткий УЗ импульс. Он отражается от различных дефектов и неоднородностей изделия и принимается тем же излучателем. На экране электронно-лучевой трубки можно зафиксировать время посылки и прихода УЗ импульса. Зная скорость распространения ультразвука в данном материале, можно рассчитать глубину расположения дефекта или неоднородности. В частности, этот метод получил широкое распространение в медицинской диагностике.

Теневой метод - сквозное прозвучивание исследуемого материала. Излучатель и приемник расположены по разные стороны образца. Дефект на пути УЗ волн ослабляет или задерживает регистрируемый сигнал, что наблюдается на экране электронно-лучевой трубки.

Импедансный метод - наблюдение колебаний стержня, который контактирует с поверхностью исследуемого изделия. При наличии дефектов наблюдается уменьшение акустического импеданса, что и регистрируется соответствующими приборами.

При разонансном методе определяют частоту, на которой возникают резонансные колебания в исследуемом участке изделия. Дефект приводит к ослаблению резонанса.

Вметоде свободных колебаний производится анализ спектра частот собственных колебаний изделия после удара по нему (этот метод напоминает проверку стеклянной посуды по звону).

Вэмиссионном методе регистрируются УЗ волны, возникающие в

момент образования трещин. При этом излучателем ультразвука является сам дефект.

Шумовибрационный метод - основан на регистрации звуковых колебаний работающего изделия.

12

Ответы на экзаменационные вопросы

5. Основные понятия реологии. Биореология. Реологические модели.

Реология – наука о деформациях и течении вещества. Рассматриваются сплошные среды, т.е. все характеристики распределены равномерно, не учитывается атомное и молекулярное строение.

Биореология исследует течение различных биологических жидкостей (кровь, плевральная жидкость и тд.), а также деформации различных тканей человека.

Свойства упругости заключаются во взаимной зависимости напряжения и деформации. Модель – упругая пружина.

σ	l
σ

t

t

Рис. 1. График зависимости напряжения и длины пружины от времени.

Свойства вязкости заключены во взаимной зависимости напряжения и скоростей деформации. Постоянным во времени напряжениям соответствуют стационарное течение с постоянными скоростями деформации. Разгрузке соответствует остановка течения.

Модель - вязкая жидкость в цилиндре.

σ

При движении поршня жидкость протекает через отверстие между поршнем и стенками цилиндра, создает сопротивление, которое пропорционально скорости движения.

Большинство тел сочетают и вязкие, и упругие свойства – вязкоуп-

ругие тела.

Свойства вязкоупругих тел:

1. Релаксация – спонтанное уменьшение напряжения при неизменной деформации.

13

Физика	стоматологический факультет

σ

t

Рис. 2. График зависимости напряжения от времени.

2. Связь, между и нелинейная

σ

ε

Рис. 3. График зависимости напряжения от линейной деформации.

При нагрузке и разгрузки зависимости между мгновенными значениями различны - гистерезис.

Реологические модели.

1. Модель Максвелла

σ

При быстрой нагрузке работает пружина. При медленной нагрузке

– поршень. При средней нагрузке - происходит удлинение на lу – на-

чальное мгновение удлинения упругого элемента, а затем постепенно начинает удлиняться вязкостный элемент.

14

Ответы на экзаменационные вопросы

l

lу.

t

Рис. 4. График зависимости длины пружины от времени.

2. Модель Фойгта – Кельвина

σ

l

t

t

Рис. 5. График зависимости напряжения и длины пружины от времени

Вязкость оказывает сопротивление установлению упругого равновесия

σ

15

Физика	стоматологический факультет

6.Механические свойства биологических тканей - костной ткани, мышечной ткани, сосудистой стенки. Механизм

возникновения пульсовой волны.

Механические свойства костной ткани.

Костная ткань – один из видов соединительной ткани. Костная ткань состоит из трех видов клеток и межклеточного вещества. Механические свойства определяются ее составом, свойствами ее компонентов и зависят от некоторых механических факторов (форма, размер, скорость и продолжительность нагрузки) и биологических факторов (возраст, пол, месторасположение и тд.).

В экспериментах можно полностью удалить органическую или неорганическую часть, при этом размер и форма не меняется, а свойства отличаются. При удалении минеральных веществ, кость становится резиноподобной, а при удалении органических веществ – хрупкой. Костная ткань должна обладать прочностью, т.е. сопротивлением разрушению.

Прочность костей на сжатие выше прочности на растяжение и кручение. Существование в костях полостей для клеток и каналов для кровеносных сосудов увеличивает прочность костей, т.к. они задерживают распространение трещин. При постоянной очень быстрой скорости деформации зависимость от выглядит следующим образом:

σ

ε

Рис. 6. График зависимости напряжения от линейной деформации.

Если кость деформировать медленно, то наблюдается ползучесть костной ткани – непрерывная деформация при действии постоянной нагрузки. Механические свойства существенно зависят от содержания в них влаги. При увеличении влаги, модуль упругости разрушающего напряжения понижается. Механические свойства костей человека изменяются с возрастом, так как изменяется их химический состав, внутренняя структура, степень минерализации. Пока продолжается рост костей, модули упругости сдвига и разрушающего напряжения костной ткани возрастают, после 25 лет – уменьшаются. В покое нагрузка на кость обусловлена силой тяжести, а при движении – мышечным движением, силами инерции и тяжести. Ограничение движения приводит к измене-

16

Ответы на экзаменационные вопросы

нию в костях (плотность, пористость). Срастание обломков имеет максимальную скорость при сжимающих напряжениях близких к напряжениям, имеющимся в нормальных физиологических условиях.

Механические свойства мышечной ткани. Модель скользящих нитей.

Мышечная ткань - совокупность мышечных клеток, внеклеточного вещества и густой сети нервных волокон и кровеносных сосудов. Мышцы относят к биологическим эластомерам, т.е. веществам, обладающим упругостью, пластичностью и эластичностью.

σ

ε

Рис. 7. График зависимости механического напряжения от деформации.

Сократимость - способность генерировать механическое напряжение и укорачиваться.

Общепринятой теорией мышечных сокращений является модель скользящих нитей, основные положения которой заключаются в следующем:

1.В ходе сокращения длины нитей актина и миозина не меняются

2.Изменение длины саркомера происходит при продольном смещении нитей относительно друг друга

3.Процесс скольжения обусловлен взаимодействием мостиков миозина с активными центрами на актине. Мостики прикрепляются к актину не одновременно. Замкнувшись, они развивают усилие, продвигают нить вдоль нити и размыкаются. Сокращение и расслабление состоит в нарастании и последующем уменьшении числа мостиков. Энергия для работы – АТФ.

Уравнение Хилла. Мощность одиночного сокращения.

Для исследования характеристик сокращения мышц используют 2 варианта опытов:

1) Изометрический режим.

17

Физика стоматологический факультет

F				l
Po1				l2
Po2				l1

t

t

Рис. 8. График зависимости силы сокращения мышцы от времени (слева) и график зависимости длины мышцы от времени (справа).

С помощью фиксатора длины устанавливается длина мышцы, затем на электроды стимуляции подается электрический импульс и регистрируется сила, как функция от времени. На рис. 8 показан вид этой функции для двух различных длин. Максимальная сила соответствует на-

грузке P0 , которую может развивать мышца. Она зависит от ее началь-

ной длины и области перекрывания актиновых и миозиновых нитей, в которой могут замыкаться мостики. При начальной длине саркомера 2,2

мкм в сокращении участвуют все мостики. P0 генерируется тогда, когда мышца растянута на установке, чтобы длины ее саркомеров были близки к 2,2 мкм (на рис. 8 соответствует l1 и l2 ), но так как количество мостиков в мышце l1 l2 , то P01 P02

2) Изотонический режим.

Поддерживается постоянное напряжение, т.е. к незакрепленному

концу мышцы подвешен груз P , затем подается электрический стимул и регистрируется изменение длины мышцы во времени. Чем больше

груз P , тем меньше укорочение мышцы и время удерживания груза. При некоторой нагрузке P P0 , мышца не сможет поднять груз, но

может его удержать. P0 – Максимальное изометрическое напряжение для данной мышцы.

Уравнение Хилла:

	v	b(P0 P)
		P	a	,

где

P - напряжение, наблюдаемое в данный момент

18

Ответы на экзаменационные вопросы

b – константа, имеет размерность v (скорость укорочения мышцы) a – константа, имеет размерность F (силы)

Механические свойства сосудистой стенки.

Механические свойства сосудистой стенки обусловлены волокнами, входящими в ее состав:

1.Коллагеновые. Состоят из фибриллярного белка коллагена и являются наиболее жесткой составляющей. Модуль Юнга равен 108 Н/м2. Проявляют свойства вязко-упругих тел.

2.Эластиновые. Состоят из фибриллярного белка эластина, более по-

датливые волокна, способны растягиваться до удвоенной длины. Модуль Юнга равен 3•105 Н/м 2.

3.Гладкомышечные (клетки диаметром 5 мкм и длиной 25-60 мкм) Модуль упругости 105-106 Н/м 2.

Взависимости от относительного количества разных волокон в стенке выделяют сосуды эластического, смешанного и мышечного типа.

Сосуды эластического типа: аорта, легочная артерия, общая сонная артерия. Поддерживают кровоток во время диастолы сердца и тем самым обеспечивают непрерывность движения крови в сосудистой системе. В артериях других типов (смешанного и мышечного) относительная масса эластина снижается. Сосуды мышечного типа создают переменное сопротивление кровотоку и регулируют уровень кровяного давления в системе кровообращения, а также объемную скорость кровотока

вкаждом из органов.

Ввенах относительная масса эластина составляет 1/3 массы колла-

гена, они являются емкостными сосудами. Благодаря значительной пластичности вены способны сильно растягиваться без развития напряжения и вмещать в себя много крови. В венах может находиться около 80% крови, протекающей по большому кругу кровообращения.

В нерастянутой стенке сосуда коллагеновые волокна не распрямлены до конца. Поэтому механические свойства при низких внутрисосудистых давлениях (т.е. при малом растяжении) определяются свойствами эластина. При больших деформациях сопротивление растяжению оказывают и исходно нерастянутые волокна.

Наиболее существенной внешней силой, влияющей на просвет со-

суда, является трансмуральное давление Pт Р Рнар , т. е. раз-

ность внутрисосудистого давления. Оно создает исходно напряженное

состояние. Увеличение Рт ведет к повышению напряжения и растяжению сосуда. Если продолжительность действия такого увеличенного

Ртр невелика и затем эта нагрузка снимается, то кровеносные сосуды

почти упруго восстанавливают свои исходные размеры и форму. Размеры сосуда и механические свойства стенки могут также изменяться вследствие изменения тонуса, т.е. сократительной активности гладкомышечных волокон.

19

Физика	стоматологический факультет

Итак, кровеносные сосуды изменяют свои параметры двумя путями, которые называют пассивными и активными сосудистыми реакциями.

Пассивные сосудистые реакции – это такие реакции, которые осуществляются только за счет изменений механических сил, действующих на сосудистые стенки (изнутри или снаружи), без первичных изменений реологических свойств самой сосудистой стенки. Примером может служить расширение сосудов при повышении внутрисосудистого давления или спадания (сужения) сосуда при его понижении. Пассивной реакцией является также изменение формы сосуда при сдавливании его окружающей мышцей, манжеткой, и тд.

Активные сосудистые реакции первично обусловлены измене-

ниями сосудистого тонуса гладкомышечных клеток, входящих в состав сосудистой стенки. Поэтому они могут происходить при неизменных внешних силах, действующих на сосуд.

Графики «напряжение – деформация» для сосудистой стенки, полученные в большом диапазоне деформацией, имеют вид:

σ

ε

Рис. 9. График зависимости механического напряжения от деформации.

т.е. график не является прямой линией, характерной для упругого тела с постоянным модулем упругости.

Механизм возникновения пульсовой волны

Упругость стенки аорты служит причиной возникновения и распространения пульсовой волны. В момент сокращения сердца (систола) стенки аорты растягиваются до тех пор, пока приток крови не прекратится (т.к. в силу своей инертности кровь не может сразу переместиться вдоль сосуда, и действующая на кровь сила сначала вызовет увеличенное давление на стенки аорты). После этого во время расслабления сердца (диастола) силы упругости растянутой стенки аорты выжимают кровь в соседний участок, а стенка аорты возвращается в исходное состояние. Таким образом, потенциальная энергия растянутой стенки артерии эластического типа преобразуется в кинетическую энергию, которая нагнетает кровь в сосуды. Второй участок артерии растягивается и

20