Acest lucru nu este de placi, oasele fisura.
7. De ce osul este granit gol și solide?
Noi toți - fructul evoluției. Natura milioane de ani de experimente înainte de a ne face ceea ce avem acum. Dacă înainte de un inginer mecanic sarcina de a construi un os uman, atunci el ar fi cu siguranță întrebat imediat ce a fost pentru, deoarece forma, mărimea și structura internă a osului trebuie determinată prin funcția sa în scheletul. Cum se poate lucra oasele noastre? Ca și în orice elemente de construcție ale oaselor noastre schelet lucra în principal la compresiune, întindere sau încovoiere. Aceste moduri de a face pe oasele scheletului ca un element care nu este aceleași cerințe.
Clar pentru toată lumea că un meci sau un pai destul de greu de rupt, întinzându-le de-a lungul axei, și este foarte ușor de a sparge prin îndoire. În construcțiile inginerești, la fel ca în schelete de animale, este combinația dorită de rezistență cu lejeritate. Cum de a atinge rezistența structurală maximă pentru o anumită greutate și cunoscut puterea materială? Această sarcină este destul de simplu, în cazul în care membrul trebuie să lucreze fie la tracțiune longitudinală sau numai compresiune. Să presupunem, de exemplu, este necesar să se suspende unele sarcină pe cablul anumitor lungime. Rezistența cablului este egală cu tăria porțiunii sale subțiri, astfel încât greutatea cablului este cea mai mică, în cazul în care aria secțiunii transversale pe toată lungimea aceeași.
De ce osul este gol? În cazul în care elementul structural funcționează, de asemenea, într-o curbă, de exemplu, atunci când ne tinem de mana de marfă, îndoit din cot, sarcina de a căuta puterea maximă pentru o anumită masă devine mai complicată.
Cubitus lucrează la un cot și umăr - tensiunea atunci când am apăsat îndoit brațul de marfă la cot
Evident, straturile inferioare ale cubitusul sunt comprimate, iar alungirea superioară. Lungimea straturilor de mijloc nu se schimbă atunci când îndoire cubitus, astfel încât materialul din aceste straturi nu funcționează (adică nu deformat), și un os mai greu. Deci, o parte din materialul de-a lungul axei a osului poate fi îndepărtată fără a deteriora mult puterea atunci când osul lucrează în astfel de condiții. Astfel, osul optim este parțial lipsește „de bază“, după cum strat cilindric în jurul axei osului nu suferă o deformare semnificativă în timpul îndoire și doar crește greutatea.
Reprezentarea schematică a ulnei (bara orizontală) în starea neîncărcat (pe partea de sus), iar când deformarea provocată de forța F. atașat la capătul său liber (de jos). Linia punctată indică poziția stratului nedeformabil
În mod firesc, natura procesului de evoluție a folosit această metodă pentru reducerea greutății oamenilor și animalelor, menținând în același timp puterea scheletului. Acest lucru sa manifestat cel mai clar în păsări, care mai mult decât orice alte animale sunt interesați în reducerea greutății lor. De exemplu, pasărea fregata, care are o anvergură a aripilor de circa 2 m, masa scheletică de numai 110 g, cu toate acestea, și oasele animalelor flightless interiorul prea cav. Măsurătorile arată, de exemplu, că pentru cea mai mare os schelet tubular, diametrul femural, interior secțiune transversală la exterior la om și la alte mamifere, este 0,5-0,6, ceea ce permite o reducere de aproximativ 25% a masei osoase scheletice, menținând aceeași putere.
De ce osul mai puternic decât granit? Înainte de a lauda natura pentru conștientizarea sa în materie de rezistență a materialelor, să vedem dacă oasele noastre suficient de puternic. Tabelul listează valorile stresului critic (raportul dintre forța aplicată la suprafața secțiunii transversale de probă) la care perturbat integritatea diferitelor materiale atunci când este testat în compresie și tensiune, iar moduli Young lor.
Surprinzător, dar rezistența osoasă este al doilea numai la clasele de oțel solid și este mult mai puternic decât să devină un model de granit si rezistenta betonului. Ce este explicat?
Bone - material compozit și este format din două părți diferite: colagen elastic (Thereof, compus în principal tendon nostru) și cristalele de hidroxiapatită de calciu Ca10 (PO4) 6 (OH) 2 - 60% în greutate.
Un exemplu cunoscut al materialului compozit este fibra de sticla, care este un amestec de fibre de sticlă și rășină. Motivul pentru puterea mare a osului este o combinație de flexibilitate și duritate. Multe materiale convenționale (non-compozite) cu duritate mare, foarte fragil. Toată lumea a văzut cum sticla se sparge. De unde a lovit de sticlă, a alerga în sus fisuri, care împart foaia. În cazul în care fisuri nu au timp pentru a forma, așa cum este cazul cu impactul unui glonț, foaia de sticlă rămâne intactă, cu excepția zonei în care lovitură a căzut.
Astfel, puterea multor materiale ar fi mult mai mare în cazul în care structura lor a împiedicat propagarea fisurilor. Prezența unei plase de colagen osos, care are o mare elasticitate, este o barieră pentru propagarea fisurilor. În același timp, tenacității osoase cristalele furnizate de hidroxiapatita de calciu depuse pe suprafața fibrelor de colagen. In os compozit natura indică o valoare scăzută a modulului lui Young, în comparație cu materialele omogene având aceeași rezistență.
Care este marja de siguranță pentru oasele noastre? Partea de mijloc a oaselor umărului omului este suprafața secțiunii transversale de aproximativ 3,3 cm 2. Folosind datele prezentate în tabel, este ușor de a arăta că greutatea maximă a încărcăturii, care pot păstra acest os, în timp ce într-o poziție verticală și lucrează la compresiune, aproape 60 000 N. în același timp, puterea maximă care poate rezista la același os, în cazul în care se execută pe o curbă, iar forța este aplicată la capătul liber al osului perpendicular pe axa, aproape de 5500 N.
mecanica karate
O ilustrare perfectă a puterii de oase umane poate servi ca un fel de popular acum exercițiu - karate. Cei care văd pentru prima karate de timp, de rupere barele puternice de lemn sau beton, se pare că de multe ori este o farsă. Cu toate acestea, chiar și un novice, după un scurt antrenament poate rupe cu ușurință bara de lemn de mână goale, și apoi întreaga gramada.
Cum se poate rupe un braț gol ca elemente durabile, cum ar fi stejar sau bare de beton fără a se rupe în sine? În primul rând, vom încerca să evaluăm necesitatea acestei Wp energie. Folosind legea Hooke pentru deformațiile barei, iar formula pentru energia potențială stocată în primăvară comprimată, este posibil să se obțină o expresie pentru Wp.
unde V - bar volum, T - tensiune maximă care poate rezista la un bar material, E - modulul lui Young. Formula considerații intuitive confirmă faptul că bara este mai dificil de a sparge decât mai mult și mai elastic decât materialul barei, ca cea mai mare parte a energiei este cheltuit pe întinzând-o.
De obicei, în demonstrațiile karatisty folosind cărămizi din beton care măsoară 0,4 m 0,2 0,05. Luând în considerare datele din tabel și formula precedentă în, putem obține că pentru astfel de bare Wp 0.55 J. Viteza brațului în mișcare karate este de aproximativ 12 m / s, iar masa sa este de 0,7 kg. Prin urmare, energia care transmite o parte, în momentul impactului, este aproape de 50 J. Astfel, karate mână are suficientă energie stocată pentru a rupe din bara de beton.
Faptul că mâna karateka nu este rupt atunci când lovește bara, în parte din cauza oaselor mult mai mari în comparație cu rezistența betonului. De mare viteză de filmare karate pumn la impact a aratat ca retardarea în contact cu bara este de aproximativ 4000 m / s 2. Prin urmare, forța exercitată de bara în greutate pumn 0,7 kg, este de 2800 N.
În cazul în care întregul pumn de impact înlocui os 6 cm lungime și 2 cm în diametru, fixate în cele două puncte extreme și lovind bara pentru a simula forța care acționează asupra mijlocul ei, în astfel de circumstanțe, osul poate rezista la 25.000 N. Acest lucru este de aproximativ 8 ori mai mare decât forța care acționează asupra karate-ului atunci când pumn de rupere bare de beton.
Cu toate acestea, posibilitatea de a rezista la mâinile karateka astfel de șocuri chiar mai mult, pentru că Spre deosebire de bara de beton nu este susținută la margini și nu trebuie să lovit exact în mijloc. În plus, între osul și bara este întotdeauna o tesatura elastica de beton, lovitură de absorbție. Deci, se referă la fragilității oaselor noastre, justificând ezitare lor, nu putem. Ei nu dezamăgesc.
Tendonul de ce?
Multe dintre mișcările pe care le facem, sunt periodice. Acestea includ mersul pe jos, alergatul, schi, patinaj, genuflexiuni, etc. În timpul acestor mișcări ale diferitelor părți ale corpului sunt în mișcare în mod inegal. De exemplu, atunci când rulează sau mersul pe jos fiecare picior reduce alternativ viteza la zero, în contact cu solul și de frânare cu mișcarea corpului. Ulterior, același picior, impingand de la sol, accelerează mișcarea. Pentru a face mișcare masina în acest fel, am avea o frecvență de aproximativ 1 Hz pentru a apăsa pedala de accelerație, frâna. Desigur, consumul de combustibil cu acest impuls de mișcare crește brusc, deoarece o parte din energia cinetică a vehiculului în timpul decelerării este transformată în căldură. Sunt rasa umană și de animale, de asemenea, neeconomice, ca mișcarea acestei mașini ipotetice?
Bineînțeles că nu. Oamenii de stiinta de cercetare au arătat că atunci când rulează o parte din energia cinetică în faza de decelerare este stocată în tendoanele picioarelor sub formă de energie potențială de deformare care trece din nou în energie cinetică, așa cum este cazul cu o minge de cauciuc elastic de pe perete. Astfel, tendoanele sunt depozite de energie mecanică în timpul mersului și a altor mișcări ciclice.
tendoanelor proprietăți mai mult sau mai puțin aceleași în toate animalele, cu toate acestea copitate membrelor, oi și cai, de exemplu, sunt cele mai adaptate pentru stocarea energiei mecanice. Unele dintre mușchii în părțile inferioare ale acestor animale picioare constau în principal din niște tendoane. Exemplul cel mai dramatic al acestei utilizări a tendoanelor poate servi mai mică porțiune membrelor cămilă, aproape lipsit de fibre musculare. Piciorul uman este un tendon lui Ahile mai puternic, care, atunci când rulează pe poate acționa forța de tracțiune la 4000 N.
Oricine poate observa cu ușurință că el energia mecanică este, de fapt stocat la picioarele noastre, la fel ca în primăvară. Pentru a face acest lucru, încercați să stea ghemuit, îndoire genunchi puternic. Vei observa imediat că urcare este mult mai ușor dacă vă îndreptați picioarele dintr-o dată, și nu să rămână în poziție cu picioarele îndoite. Acest lucru poate fi explicat prin faptul că, atunci când îndoirea tendonul genunchiului este mai întâi întinsă, iar dacă nu, oferindu-le un start scurtat pentru a îndrepta genunchi, apoi stocate în tendoanele energia potențială merge în energie cinetică. Dacă le permitem să fie scurtat înainte de ridicare, atunci această energie va merge în căldură.