Механические свойства некоторых тканей организма человека

Костная ткань. В 1889 году в Париже открывалась Всемирная выставка. К ее открытию инженер Эйфель спешил закончить строительство башни, которая стала символом Парижа. Однако конструкция Эйфеля не была новой. Патент принадлежал природе. Готовая конструкция была заключена в трубчатых костях бедра и голени. Оказывается, профиль башни полностью совпадает с сечением трубчатых костей. Даже углы между ее несущими поверхностями точно такие же, как углы между костными перекладинами в костном трубчатом веществе.

Природой давно «изобретены» конструкции, обеспечивающие прочность при малом весе: трубчатые и тавровые сечения костей животных, трубчатое строение многих растений: пшеницы, бамбука и др. (рис. 2). Нейтральный слой детали, работающей на изгиб, никаких деформаций не испытывает и, следовательно, никаких нагрузок не несет. Трубчатые кости — пример уменьшения веса конструкции, экономии материала без ущерба для их механических качеств.

Рис. 2. Тавровые и трубчатые кости: 1 — губчатое вещество; 2 — полость; 3 — плотное вещество кости

У человека и животных механическая прочность тела обеспечивается опорно-двигательным аппаратом, состоящим из скелета и целой группы мышц. Назначение его — обеспечивать механическую прочность организма и создавать основу для сложных движений.

В организме человека насчитывается более двухсот костей, различных по строению и назначению. В зависимости от функции, которую они выполняют, кости обладают различным запасом прочности. Благодаря трубчатому строению, кости способны выдерживать колоссальные нагрузки. Так, бедренная кость (основа нижней конечности), поставленная вертикально, выдерживает нагрузку 15 кн, а большеберцовая — 1,6—1,8 тонн. Такие нагрузки в 25—30 раз превышают вес тела (рис. 3). Прочность кости на растяжение больше, чем у древесины дуба и сосны (вдоль волокон), в 9 раз превосходит прочность свинца и почти равна прочности чугуна!

Рис. 3. Схема, иллюстрирующая прочность бедренной кости

При выполнении разнообразных движений человеком его мышцы и элементы скелета подвергаются различного рода деформациям: сжатию, растяжению, изгибу. Они возникают под действием собственной силы тяжести или внешних нагрузок. Кости позвоночного столба, таза и нижних конечностей в основном подвергаются деформации сжатия и изгиба, а кости верхних конечностей, связки, сухожилия и мышцы — деформации растяжения.

Мышечная ткань. Не менее удивительны свойства мышц. В теле человека насчитывается около 600 мышц, а вместе они составляют до 40% массы человека. Мышечная ткань обладает свойствами сокращаться и растягиваться. Ей присуща также эластичность, способность восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия сил, вызывающих ее деформацию. Эластичность мышц выше, чем .у некоторых сортов резины.

У мышцы сравнительно небольшая тяга производит относительно большое удлинение, после чего мышца полностью возвращается к своим первоначальным размерам. Эластичность мышцы, находящейся в покое и активном состоянии, различна. Здесь имеют значение и упруговязкие свойства мышц. Отсюда следует очень важный вывод: прежде чем начать физические упражнения, требующие усилий и связанные с резкими движениями, необходимо сделать разминку. В противном случае возможны серьезные травмы мышц, вплоть до их разрыва.

С возрастом мышцы изменяются, они растут, увеличиваясь в объеме. От длины мышцы зависит амплитуда ее сокращения, а от толщины пучков — сила ее сокращения. В старческом возрасте толщина мышечных пучков уменьшается, сила их падает. Однако если человек активен, много ходит, занимается физическим трудом, атрофия мышц замедляется.

Академик А. И. Берг отметил, что в середине XIX века из всей энергии, производимой и потребляемой на Земле, 94% приходилось на мускульную силу человека и домашних животных и лишь 6% энергии вырабатывали водяные колеса, ветряные мельницы и небольшое количество паровых машин. В наше время лишь 1 % энергии производится мускульной силой. Значит, сейчас миллионы людей испытывают «мускульный голод».

Эта проблема, связанная с «мышечным голодом», становится значительной медицинской задачей, так как она определяет состояние здоровья человека. Вялость мышц ослабляет организм человека, приводит к ряду заболеваний, сокращает срок его жизни. Основные направления в решении этой проблемы — нагрузки мышц с помощью занятий физической культурой и спортом.

Механические возможности живого организма. Все мы с большим увлечением совершали путешествие в страну лилипутов и великанов, куда в детстве водил нас Джонатан Свифт. В этих удивительных странах все было, как в нашем мире, только размеры всего живого и неживого были в 12 раз меньше или больше, чем у нас. Быть может, Джонатан Свифт

не написал бы этой замечательной сказки, если бы прочитал у Галилея такое:

«Если бы кто-нибудь пожелал сохранить в громадном великане те же пропорции конечностей, что и у обычного человека, то он должен был бы или подыскать более твердый и более прочный материал для костей, или согласиться на меньшую крепость великана по сравнению с человеком среднего роста; если великан был бы необыкновенно большой высоты, то он бы упал и был раздавлен своей собственной тяжестью.

Если уменьшить размеры тела, то его прочность не будет уменьшаться в том же отношении: оказывается, что чем меньше размер тела, тем больше его относительная прочность. Поэтому маленькая собачка, вероятно, могла бы выдержать на своей спине двух или даже трех таких же собачек, однако я думаю, что лошадь не смогла бы выдержать на себе другую лошадь таких же размеров».

Как хорошо, что Свифт не прочитал этого отрывка и описал чудесное путешествие Гулливера по Лилипутии и Бробдингнегу.

Галилей был прав — ни лилипуты, ни бробдингнеги на самом деле существовать не могли. Дело в том, что вес тела пропорционален его объему, а прочность пропорциональна площади несущих конструкций, поддерживающих тело человека или животного. Если великан в 12 раз больше обычного человека, то прочность его опорно-двигательного аппарата должна быть в 12² = 144 раза больше, а вес увеличится в 12³ = 1728 раз.

Таким образом, у великана отношение прочности к объему будет в 12 раз меньше, чем у обычного человека, т. е. этой прочности будет недостаточно для удержания веса тела. Можно убедиться в правоте Галилея, если сравнить животных, близких по строению, но разных по размеру, например, сравнить берцовые кости изящной газели и бизона. Оказывается, что эти кости геометрически не подобны — кость большого животного значительно толще, чем ей полагалось бы быть по геометрическому подобию.

Слон — велик, его конечности толсты и массивны. Кости же кита, который весит в 40 раз больше слона, тоньше — их прочность оказывается достаточной, так как кит живет в воде. На суше ребра кита сломались бы, не выдержав веса тела. Механические возможности живого организма ограничены прочностью его конструкции и весом тела.

Существует однако еще более важное влияние размеров живых организмов на условия их жизни, например теплообмен. О влиянии теплообмена на размеры животных мы будем говорить несколько позже, при рассмотрении 1 начала термодинамики применительно к живым организмам.