Глава 2. Механические воздействия

Внешняя сила — это мера взаимодействия физических объектов. Если какое-либо тело рассматривается изолированно от окружающих его тел, то действие последних заменяют внешними силами.

Механические воздействия (силы) со стороны окружающей среды сопровождают человека в течение всей жизни. С ними человек сталкивается при передвижении в пространстве, в том числе с помощью различных видов транспорта, в своей трудовой деятельности при использовании орудий труда, при занятиях физкультурой и спортом. Такие воздействия по продолжительности могут быть непрерывными (сила тяжести, атмосферное давление) или кратковременными (аварии, спортивные травмы, погружение в воду и т.п.).

Биомеханические проявления механического воздействия зависят от его продолжительности и интенсивности. Например, воздействие на голову силы величиной в десятки килоньютонов приводит к разрушению костей свода черепа за доли миллисекунды. Если силу воздействия уменьшить на порядок, а время воздействия на порядок увеличить, то разрушение охватит большие области черепа. Дальнейшее снижение интенсивности и увеличение времени воздействия приведет к тому, что разрушение черепа не наступит, но возникнет перемещение мозга относительно черепа. И, наконец, при слабых и длительных воздействиях может нарушиться кровообращение в покровных тканях головы.

Органы и различные структуры организма подвергаются механическим воздействиям со стороны окружающих их структур. Например, при выбросе порции крови сердцем стенки кровеносных сосудов подвергаются давлению крови и давлению окружающих тканей. При сокращении мышц происходят движения в суставах и соответствующие воздействия на кости, суставы и околосуставные ткани. При перистальтических движениях петли кишечника воздействуют друг на друга и на близлежащие органы. Во время родового акта плод подвергается мощным механическим влияниям.

Механические воздействия сводятся к поверхностным и объемным силам (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Классификация внешних механических сил

Объемные силы распределены по всему объему, занятому телом. Единица объемной силы — ньютон на кубический метр (Н/м³). Если рассмотреть тело объемом ΔV, на который действует объемная сила ΔG, то среднее значение этой силы можно найти по формуле g_c = ΔG/ΔV. Объемную силу можно разложить по координатным осям x, y, z на составляющие g_x, g_y, g_z. Объемную силу называют еще массовой силой — это сила, действующая на каждый элементарный объем вещества и пропорциональная массе вещества, заключенного в этом объеме. Примерами объемных сил являются силы тяготения и силы инерции.

Поверхностные силы распределены по поверхности тела. В зависимости от площади поверхности, на которую действует сила, можно говорить о распределенной поверхностной, распределенной линейной и сосредоточенной силах (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Виды поверхностных сил. Пояснения в тексте

Единица распределенной поверхностной силы — ньютон на квадратный метр (Н/м²) (рис. 2.2, б). Если поверхность соприкосновения очень узкая, то можно считать, что сила распределена по линии, тогда ее единица измерения — ньютон на метр (Н/м) (рис. 2.2, в). По поверхности тела силы могут распределяться равномерно и неравномерно (рис. 2.2, г, д). Если площадь, на которую действует сила, мала по сравнению с поверхностью всего тела, то поверхностную силу можно считать сосредоточенной в одной точке. Единица измерения сосредоточенной силы — ньютон (Н) (рис. 2.2, а).

В свою очередь поверхностные силы могут быть приложены к поверхности тела по касательной, по нормали, то есть перпендикулярно к касательной плоскости, или под различными углами (рис. 2.3). В этих случаях одинаковые по силе воздействия вызовут в теле различные изменения.

Рис. 2.3. Направления действия на тело поверхностных сил: 1 — по нормали; 2 — под углом; 3 — по касательной

По характеру действия механические воздействия можно условно разделить на два вида:

1) статические, при которых телу или его отдельным элементам сообщаются малые ускорения, которые можно не учитывать;

2) динамические, при которых телу или его отдельным элементам сообщаются большие ускорения, с которыми связаны значительные силы инерции.

Длительные (регулярные) статические воздействия приводят к направленным морфофункциональным изменениям в организме. К таким воздействиям можно отнести вынужденные позы, например, связанные с особенностями профессии, и многие виды тренировок спортсменов. Так, регулярные нагрузки (гантели, штанга, тренажеры) на определенные группы мышц приводят к увеличению их объема и силы вследствие гипертрофии. Регулярные механические воздействия являются специфическими сигналами для перестройки соединительнотканных структур. У спортсменов вместе с гипертрофией мышц происходит увеличение плотности фасций, толщины костей и размеров костных выступов, к которым прикрепляются мышцы. Упражнения на растяжку позволяют увеличить эластичность мышц и связок за счет увеличения количества эластических волокон и более упорядоченного расположения коллагеновых волокон.