- •Глава 1. История развития биомеханики 13
- •Глава 2. Топография тела человека.
- •Глава 3. Кинематика 59
- •Глава 4. Динамика движения материальной точки 89
- •Глава 1
- •Глава 2
- •Глава 2. Топография тела человека. Общие данные
- •Глава 2. Топография тела человека. Общие данные
- •38 Глава 2. Топография тела человека. Общие данные
- •Глава 2. Топография тела человека. Общие данные 39
- •42 Глава 2. Топография тела человека. Общие данные
- •Глава 2. Топография тела человека. Общие данные 43
- •Глава 2. Топография тела человека. Общие данные
- •Глава 2. Топография тела человека. Общие данные 49
- •Глава 3
- •3.1. Механическое движение. Система отсчета. Материальная точка. Траектория. Путь и перемещение. Вестибулярный аппарат как инерциальная система ориентации
- •3.2. Скорость. Средняя и мгновенная скорость. Временные характеристики движения
- •3.3. Равномерное прямолинейное движение и его графическое представление
- •Глава 3. "77
- •3.6. Движение по окружности, центростремительное и тангенциальное ускорения. Угловое ускорение
- •3.8. Элементы описания движения человека
- •4.1. Первый закон Ньютона. Инерциальная система отсчета
- •4.2. Масса. Сила. Второй закон Ньютона. Сложение сил
- •4.5. Динамика движения материальной точки по окружности. Центростремительная и тангенциальная силы. Плечо и момент силы. Момент инерции. Уравнения вращательного движения точки
- •5.2. Распределение массы в теле человека
- •5.3. Законы Ньютона для произвольного тела. Поступательное движение
- •5.4. Принцип относительности Галилея
- •5.5. Работа сил, действующих на тело, и его кинетическая энергия
- •5.6. Мощность
- •5.7. Работа и мощность человека. Эргометрия
- •5.8. Импульс тела. Импульс системы тел
- •Глава 6
- •6.1. Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения
- •6.3. Силы трения покоя и скольжения. Коэффициент трения скольжения
- •6.4. Сила трения качения
- •6.5. Сила сопротивления при движении в жидкости или газе
- •Глава 7
- •7.1. Плечо силы. Момент силы. Момент инерции тела. Кинетическая энергия вращающегося тела. Основное уравнение динамики вращательного движения
- •7.2. Момент импульса тела. Изменение момента импульса
- •7.3. Моменты инерции некоторых тел
- •7.4. Свободные оси
- •7.5. Статика. Центр тяжести. Рычаги и блоки
- •Глава 8
- •8.1. Сила инерции. Принцип д'Аламбера
- •8.2. Сила тяжести. Вес тела
- •8.3. Перегрузки и невесомость. Движение в безопорном пространстве. Искусственное тяготение
- •8.4. Медицинские аспекты
- •8.5. Применение законов динамики для анализа движений спортсменов
- •Глава 9
- •9.1. Консервативные силы,
- •Глава 9. -| 75 Законы сохранения
- •9.2. Энергетика прыжков
- •9.3. Закон сохранения импульса. Реактивное движение
- •9.4. Применение закона сохранения импульса к ударам
- •9.5. Соударение предмета
- •9.6. Закон сохранения момента импульса
- •Глава 10
- •10.1. Свободные колебания: гармонические и затухающие колебания
- •10.4. Сложное колебание. Разложение сложного колебания на простые составляющие. Гармонический спектр
- •Глава 11
- •11.2. Виды деформации
- •11.3. Прочность
- •11.4. Твердость
- •11.5. Разрушение
- •Глава 12
- •12.1. Механические воздействия
- •12.2. Электромагнитное воздействие
- •12.4. Радиационные воздействия Ионизирующее излучение
- •12.5. Акустические воздействия
- •Глава 13
- •Глава 14
- •Глава 15
- •Глава 16
- •Глава 17
- •17.1. Биомеханика сердца и сосудов. Гемодинамика
- •17.2. Биомеханика дыхания
- •17.3. Биомеханика пищеварительной системы
- •17.4. Биомеханика опорно-двигательного аппарата (ода)
- •17.5 Биомеханика глаза
- •17.6. Биомеханика органов слуха
- •Глава 18
- •18.1. Биомеханика травм и заболеваний опорно-двигательного аппарата (ода)
- •18.2. Биомеханика инвалидов-спортсменов
12.2. Электромагнитное воздействие
Рассмотрим два вида электромагнитных воздействий на организм человека: воздействие электрического тока и воздействие электромагнитных полей.
Действие электрического тока
В электрической сети действие на организм или органы оказывает электрический ток, т. е. заряд, протекающий через биологический объект в единицу времени.
Сопротивление тела человека между двумя касаниями (электродами) складывается из сопротивления внутренних тканей и органов и сопротивления кожи. Электросопротивление можно смоделировать
Ч.ПРКТПиЦргкпй пргткт пполотап цр^ц(уц эдд рИС 12 2 СОСТОЯЩЕЙ ИЗ ОР-
зисторов и конденсаторов, отображающих омические (/?) и емкостные (С) свойства биологических тканей.
Сопротивление (Rbh) внутренних частей организма слабо зависит от общего состояния человека, в расчетах принимают R = 1 кОм (для пути «ладонь — ступня»). Сопротивление кожи #к при прохождении тока от ее поверхности к внутренним тканям в десятки раз больше /?вн. Поэтому для постоянного и низкочастотного тока (50—60 Гц) сопротивление кожи при точечном контакте является определяющим фактором, который ограничивает ток. (При высоких частотах более существенным фактором является внутреннее сопротивление тела). Следовательно, в большинстве ситуаций действие тока, протекающего через тело, в основном зависит от состояния тела в точке контакта. Сухая кожа имеет высокое сопротивление, а влажная или мокрая кожа будет обладать низким сопротивлением, так как ионы, находящиеся во влаге, обеспечат прохождение тока в тело. При сухой коже сопротивление между крайними точками тела (ладонь — ступня) может быть равным 105 Ом, а при мокрой коже может составить 1% этого значения. Полное сопротивление тела между влажными руками принимают равным 1500 0м.
Максимальные токи, которые возникнут при контакте с бытовой электросетью с напряжением 220 В, будут равны:
/ = 220 В/105 Ом = 2,2 мА (сухая кожа),
/ = 220 В/1500 Ом = 146 мА ( мокрая кожа).
Ток 1 мА при прохождении через тело будет едва заметен, но ток 146 мА будет смертелен даже при кратковременном воздействии.
Сопротивление кожи Rk существенно зависит от внутренних и внешних причин (потливость, влажность, наличие раневого повреждения). Кроме того, на разных участках тела кожа имеет разную толщину и, следовательно, различное сопротивление. Поэто-му, учитывая изменчивость сопротивления кожи, ее вообще при расчетах не учитывают, принимая /?к = 0. Ток, протекающий через тело, рассчитывают по формуле:
Действие переменного тока на организм оценивается пороговыми значениями.
Порог ощутимого тока — минимальная сила тока, раздражающее действие которого ощущает человек.
Эта величина зависит как от индивидуальных особенностей человека, так и от частоты тока, места и площади контакта. У мужчин для участка «предплечье — кисть» на частоте 50 Гц эта величина составляет приблизительно 1 мА. У детей и женщин пороговые значения несколько меньше.
Порог неотпуекающего тока — минимальная сила тока, вызывающая такое сгибание сустава, при котором человек не может самостоятельно освободиться от проводника.
Для мужчин эта величина составляет 10—15 мА.
Наиболее чувствительными к электрическому току частями организма являются мозг, грудные мышцы и нервные центры, которые контролируют дыхание и сердце. Поэтому последствия электротравмы зависят от того, какая часть тела оказалась включенной в электрическую цепь. Очень опасно, если электрический ток идет через сердце. Опасно и действие тока на кожу лица, где слабо развит роговой слой, обеспечивающий высокое сопротивление кожных покровов. Низким сопротивлением обладают слизистые оболочки.
Характер электротравмы зависит и от силы тока. Так, при включении в цепь обеих рук с органами грудной клетки, расположенными между ними, происходит следующее:
Использование токов и полей в лечебных целях
Биологические ткани и органы являются разнородными образованиями: одни из них являются диэлектриками, другие проводниками. Значительную часть организма составляют биологические жидкости (электролиты), содержащие большое количество ионов.
Постоянный ток
Под воздействием постоянного электрического поля ионы, содержащиеся в биологических тканях, приходят в направленное движение. При этом происходит их разделение и изменение их концентрации в различных элементах ткани.
Электрофорез — метод, основанный на введении вещества через кожу или слизистые оболочки под действием постоянного тока. Под электроды на кожу кладут прокладки, смоченные соответствующим лекарственным препаратом. Через катод вводят анионы (йод, гепарин, бром), а через анод — катионы (Na, Ca, новокаин).
Гальванизация — физиотерапевтический метод, основанный на пропускании постоянного тока напряжением 60—80 В через ткани организма.
Первичное действие переменного (гармонического) тока и электромагнитного поля на биологические объекты заключается в следующем: а) смещение ионов в растворах электролитов, их разделение, перераспределение; б) изменение поляризации диэлектриков.
Высокочастотные токи. При частотах приблизительно более 500 кГц смещение ионов становится соизмеримым с их смещением в результате молекулярно-теплового движения, поэтому ток или электромагнитная волна не будет вызывать раздражающего действия. Основным первичным эффектом в этом случае является тепловое воздействие. (Постоянный ток и токи низкой частоты для нагревания тканей не пригодны, так как их использование при больших значениях может привести к электролизу и разрушению).
Преимущества лечебного прогревания ВЧ электромагнитными колебаниями перед грелкой:
образование теплоты во внутренних частях организма;
подбирая соответствующую частоту, можно осуществлять термоселективное воздействие;
можно дозировать нагревание, регулируя мощность генератора;
возникновение внутримолекулярных процессов, которые приводят к специфическим воздействиям.
Вычислим количество теплоты q, выделяющееся в единице объема.
Мощность тока, расходуемая на нагревание тканей, определяется по формуле Р = PR. Преобразуем ее, считая, что образец биологической ткани длиной L имеет удельное сопротивление р и контактирует с двумя плоскими электродами площадью S (рис. 12.3).
Пусть плотность тока / одинакова во всех точках ткани и равна
Пропускание тока высокой частоты через ткань используют в следующих физиотерапевтических процедурах.
Диатермия (сквозное прогревание) — получение теплового эффекта в глубоколежащих тканях. При диатермии применяют ток частотой 1—2 МГц, напряжением 100—150 В, сила тока 1—1,5 А. При этом сильно нагреваются кожа, жир, кости, мышцы (так как у них наибольшее удельное сопротивление). Меньше нагреваются органы, богатые кровью или лимфой: легкие, печень, лимфоузлы.
Недостаток диатермии — непродуктивное выделение теплоты в слое кожи и подкожной клетчатке.
Местная дарсонвализация. При этом применяют ток частотой 100—400 кГц, силой тока / = 10—15 мА и напряжением — десятки кВ.
Токи высокой частоты используются для хирургических целей.
Диатермокоагуляция — прижигание, «сваривание» ткани. При этом применяется плотность тока 6—10 мА/мм2, в результате чего температура ткани повышается и ткань коагулирует.
Диатермотомия — рассечение тканей при помощи электрода в форме лезвия. При этом плотность тока составляет 40 мА/мм2.
Электрохирургическое воздействие сопровождается меньшими кровопотерями.
Переменное магнитное поле
Если поместить биологическую ткань в переменное магнитное поле (например, возле торца катушки с переменным током), то в результате явления" электромагнитной индукции в проводящих тканях образуются вихревые токи (токи Фуко), нагревающие объект.
Нагревание области тела при действии высокочастотного магнитного поля (частота 10—15 МГц) называется индуктотерми-ей. Схема воздействия показана на рис. 12.4.
При индуктотермии больше нагреваются ткани с небольшим удельным сопротивлением. Сильнее будут нагреваться ткани
Тепловое воздействие на организм человека могут оказывать внешняя среда и процессы, протекающие в самом организме.
В живом организме ткани имеют различную теплопроводность, и это различие весьма существенно для поддержания теплового режима организма. Значительная теплопроводность мышечной ткани, в которой находится много кровеносных сосудов, позволяет быстро переносить тепло от внутренних органов к внешним, предохраняя внутренние органы от перегрева. Напротив, при низких температурах внешней среды слой жировой ткани препятствует быстрой утечке тепла. Аналогичную роль играет волосяной покров и слой воздуха между волосами.
играют основную роль. Напротив, для участков тела, укрытых одеждой, конвекционные процессы могут быть сведены к нулю. Например, температура поверхности зимней одежды обычно равна температуре окружающего воздуха: Т = Т и в соответствие с (12.13) Я =0.
Тепловой удар. Теплопередача путем теплопроводности и конвекции происходит в направлении уменьшения температуры. Если температура окружающей среды выше температуры тела, то теплопроводность и конвекция создают тепловой поток, направленный внутрь тела, что при определенной длительности приводит к перегреву (тепловой удар). Живой организм не в состоянии функционировать без отдачи тепла наружу.
Теплообмен за счет испарения
Еще один механизм, посредством которого организм отдает теплоту в окружающую среду, связан с испарением жидкости. Количество теплоты, расходуемой на парообразование, определяется формулой:
где m — масса испарившейся жидкости, г — удельная теплота парообразования.
При комнатной температуре и нормальной влажности человек выводит из организма около 0,35 кг влаги в сутки вместе с выдыхаемым воздухом и примерно 0,5 кг влаги в виде пота. Удельная теплота парообразования воды равна 2,52106Дж/кг. Поэтому тепловые потери организма на испарение могут достигать 0,85-2,52106 = 2Т06 Дж в сутки, что составляет 25—30% всей теплопродукции организма.
Потоотделение зависит как от температуры внешней среды, так и от ее относительной влажности, так как она в значительной мере обусловливает скорость испарения влаги с поверхности организма. Нормальная относительная влажность среды составляет около 40—60%. При высокой влажности процесс испарения с поверхности тела замедляется, а при 100% прекращается полностью. При высокой температуре окружающей среды это ведет к перегреву организма. По этой причине человеку трудно выполнять физическую
Для протекания некоторых процессов важна не относительная, а абсолютная влажность. Так, испарение воды с поверхности альвеол в легких зависит от абсолютной влажности воздуха, так как из легких выдыхается воздух почти полностью насыщенный паром при температуре примерно 30°С. Количество пара, которым воздух насыщается в легких, очевидно, зависит от абсолютной влажности вдыхаемого воздуха.
Теплообмен за счет теплового излучения
Еще один способ теплообмена между телом и окружающей средой состоит в испускании и поглощении электромагнитных волн.
Тепловое излучение — электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счет его внутренней энергии.
Тепловое излучение обусловливается возбуждением частиц вещества при соударениях в процессе теплового движения или ускоренным движением зарядов (колебания ионов кристаллической решетки, тепловое движение свободных электронов и т. д.). Оно возникает при любых температурах и потому присуще всем телам.
И поток излучения, и энергетическая светимость зависят от строения вещества и его температуры: Ф = Ф(Т), Re = Re(T).
Энергетическая светимость /?е, определенная выше, охватывает весь диапазон длин испускаемых волн (теоретически — от нуля до бесконечности). Для того, чтобы показать, как излучаемая энергия распределена по этому диапазону, используют специальную величину, называемую спектральной плотностью энергетической светимости. Обозначим энергию теплового излучения, испускаемую единичной поверхностью тела за 1 с в узком интервале длин волн от X до X+dX через dRe.
Спектральной плотностью энергетической светимости (х) (испускательной способностью) называется отношение энергетической светимости в узком участке спектра (dRe) к ширине этого участка (dX):
Для всех реальных тел коэффициент поглощения зависит от длины волны падающего излучения. Из определения следует, что О < а < 1. В общем случае вид функции а(А,, Т) может быть весьма сложным.
Ниже приводятся некоторые простейшие типы поглощения.
Абсолютно черное тело — такое тело, коэффициент поглощения которого равен единице для всех длин волн: а = 1. Оно поглощает все падающее на него излучение.
Хотя тел, которые являются абсолютно черными, в природе нет, нетрудно построить достаточно хорошую модель абсолютно черного тела — маленькое отверстие в замкнутой непрозрачной полости со стенками, покрытыми сажей. Луч, попавший в это отверстие, после многократных отражений от стенок, будет поглощен практически полностью. Кроме того, к абсолютно черному телу близки поглощательные свойства сажи, черного бархата, платиновой черни и т. п.
Спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела обозначается символом е. Ее зависимость от длины волны определяет спектр излучения черного тела, который играет особую роль. С ним связаны спектры других тел.
Абсолютно белое тело — такое тело, коэффициент поглощения которого равен нулю для всех длин волн: а = 0.
Истинно белых тел в природе нет, однако существуют тела, близкие к ним по свойствам в достаточно широком диапазоне. Например, зеркало в оптической части спектра отражает почти весь падающий свет.
Серое тело — такое тело, для которого коэффициент поглощения меньше единицы и не зависит от длины волны: а = const < 1.
Некоторые реальные тела обладают этим свойством в определенном интервале длин волн. Например, «серой» (а = 0,9) можно считать кожу человека в инфракрасной области.
Доля теплового излучения в теплообмене человека с окружающей средой достигает 45%. Инфракрасное излучение различных участков поверхности тела определяется тремя факторами:
особенностями васкуляризации (плотности снабжения органов и тканей сосудами) поверхностей тканей;
уровнем метаболических процессов (обмена веществ)в них;
различиями в теплопроводности (связанными с развитием жировой клетчатки).
При соблюдении стандартных условий, регистрируемая топография излучения характерна для данного человека. Изменения топографии излучения могут наблюдаться в следующих случаях:
Вследствие сильной температурной зависимости мощности излучения (четвертая степень термодинамической температуры) даже небольшое повышение температуры поверхности может вызвать сильное изменение излучаемой мощности. Так, если температура поверхности тела человека измениться на 3 К, т. е. приблизительно на 1%, то мощность измениться на 4%. Такое изменение надежно фиксируется соответствующими приборами (тепловизорами, датчиками на жидких кристаллах и т. п.) У здоровых людей распределение температуры по различным точкам поверхности тела достаточно характерно. Различные процессы
Воздействие низких температур
Холод — лечебное средство. Под воздействием холода (лед, снег) происходит спазм мелких сосудов, понижается нервная возбудимость, замедляется кровоток, снижается проницаемость мелких сосудов, предотвращается возникновение отеков. Криоком-пресс (rp. kryos — холод, мороз, лед) уменьшает боль при ушибах мягких тканей, суставов, растяжениях связок и других травмах. С лечебной целью на кожу воздействуют процедурой криомассажа, которая осуществляется с использованием жидкого азота. Воздействие на кожу осуществляется при этом с помощью заполненного жидким азотом криодеструктора, на котором имеется тефлоновая насадка с температурой -50 — -60°С. Для криогенных методов создают специальную криогенную аппаратуру.
Защита от тепловых воздействий
Важным вопросом, связанным с работой человека в экстремальных температурных условиях, является организация защиты организма от тепловых воздействий. Защита от воздействия высоких температур — сложная задача, требующая комплексного решения. Кроме теплоизоляционных материалов для такой защиты используются металлизированные пленки, хорошо отражающие тепловое излучение, а в ряде случаев и принудительный обдув тела охлажденным воздухом. Эффективность использования металлизированных покрытий (например, мелинекса) демонстрирует следующий пример. Испытуемые выполняли работу в помещении с t - 50°С При этом интенсивность облучения составляла 1487 Вт/м2. У одетых в хлопчатобумажный комбинезон температура тела повышалась в среднем до 39°С, а при использовании одежды с покрытием из мелинекса — до 38°С. При этом применение одежды с покрытием увеличивало время переносимости данных условий на 50—70%.
Для защиты от радиационного нагрева космонавтов, выходивших на поверхность Луны, применялся специальный комбинезон, надеваемый на скафандр. Он состоял из нескольких слоев ткани с блестящей металлической поверхностью (до 14 слоев). Внутри скафандра располагались трубки, по которым циркулировала охлаждающая жидкость. При разработке конструкции скафандра пришлось учитывать, что теплопродукция различных частей организма неодинакова. Поэтому охлаждающие трубки в защитном костюме располагались так, чтобы 50% их приходилось на ноги, 23% — на руки, 19% — на туловище, 8% — на голову и шею. На рис. 12.6 показан защитный костюм космонавта.
Одежда, предназначенная для защиты от низких температур окружающей среды, должна обеспечивать адекватную вентиляцию, чтобы под одеждой не конденсировалась влага, создавать изолирующую прослойку неподвижного воздуха вокруг тела. Теплоизоляционные свойства одежды снижаются при ветре и при