Сен 11

Влияние длительности продольной механической нагрузки на биомеханические реакции позвоночника

В целях радикального повышения эффективности спасения экипажей самолетов при возникновении аварийной ситуации в полете активно разрабатываются принципиально новые средства покидания — катапультные установки с управляемой траекторией движения катапультного кресла. Работа этих средств будет сопровождаться увеличением времени действия на летчика перегрузок катапультирования по сравнению с данными эксплуатирующихся катапультных установок. Общая длительность таких перегрузок может достигать 1,5-2 с. Это требует исследования влияния интенсивных механических нагрузок увеличенной длительности на позвоночный столб человека, особенно при их действии более 0,1 с.

На основе анализа диаграмм нагружения сегментов позвоночника изучена связь ряда биомеханических параметров позвоночного столба с временем действия нагрузки.

Существенные различия между рассматриваемыми показателями отсутствовали. Исключение составляет предел прочности, который достоверно ниже для нагрузки длительностью 15,82 с по сравнению с длительностью 1,56 с. По мере возрастания длительности нагружения уменьшается жесткость отношения нагрузки, соответствующей пределу упругости, к несущей способности сегмента.

Поскольку индивидуальная вариабельность биомеханических параметров позвоночника человека чрезвычайно широка, наиболее информативные результаты получены при сравнении сегментов с близкими свойствами. В качестве критерия сопоставления выбран расчетный предел прочности сегмента позвоночника для действия перегрузки «голова-таз» длительностью 0,06 с. Предел прочности характеризует прочность губчатых структур тел позвонков, т. е. устойчивость к действию нагрузки. Этот показатель является производным несущей способности и площади поперечного сечения.

Существует методика, с помощью которой вычисляется предел прочности сегмента позвоночника, соответствующий действию нагрузки длительностью 0,06 с, если известны антропометрические характеристики этого сегмента.

Попарное сравнение биомеханических характеристик сегментов позвоночника показало следующее.

Значения абсолютной и относительной деформации разрушения сегментов при нагружении длительностью 15,82 и 1,56 с стабильны, средние колебания их лежат в пределах 5%. Упругая относительная и абсолютная деформации при времени сжатия сегмента 15,82 с составляют соответственно лишь 78,8% и 73,6% от значений, зарегистрированных при нагрузке длительностью 1,56 с. Это свидетельствует о том, что по мере возрастания времени действия нагрузки снижается доля упругого компонента в общей деформации разрушения. Отношение абсолютной и относительной упругой деформации соответственно к абсолютному и относительному сжатию разрушения для времени нагружения 15,82 с составляет-83% и 81% от величин, наблюдавшихся при 1,56 с воздействия. Такая же тенденция имеет место для отношений энергии упругой деформации к энергии разрушения и нагрузки, соответствующей максимальной упругой деформации, к несущей способности сегмента. По мере возрастания длительности нагрузки уменьшается и жесткость сегментов позвоночника. Снижение жесткости позвоночника с увеличением времени действия сжатия подтверждается и изменением модуля упругости сегментов, нагружаемых с различной скоростью.

Модуль упругости изолированных позвонков изменяется в зависимости от длительности нагружения. В реакции сегмента позвоночника, как и позвоночного столба в целом, на внешнее воздействие большую роль играют межпозвонковые диски, имеющие структуру, менее жесткую, чем костная ткань.

Несущая способность позвоночника человека связана с временем нагружения экспоненциальной зависимостью. При сравнении динамики несущей способности изолированных позвонков и сегментов позвоночника видно, что наклон кривых практически одинаков. Иными словами, снижение несущей способности сегментов и отдельных позвонков подчиняется одинаковым или близким закономерностям. Это обусловлено тем, что в сегменте позвоночника структурами, повреждающимися при осевом нагружении, в первую очередь являются тела позвонков.

Итак, увеличение времени действия осевой нагрузки на позвоночник человека сопровождается следующими основными группами явлений:

1. Наблюдается закономерное понижение несущей способности (предела прочности) позвоночного столба, которое описывается экспоненциальным законом.

2. Уменьшение жесткости и модуля упругости позвоночника находит свое выражение в том, что одинаковой осевой нагрузке при большем времени нагружения соответствует и большее сжатие позвоночного столба. Таким образом, деформация разрушения, которая, как оказалось, существенно не зависит от времени действия продольной перегрузки, достигается при меньшем внешнем усилии.

3. Происходит снижение доли упругого компонента, влияющее на деформацию разрушения позвоночника. По мере увеличения длительности нагрузки растет «вес» неупругой деформации, когда минимальный прирост усилия вызывает значительный прирост сжатия образца, что также способствует достижению деформации разрушения при меньшей интенсивности внешнего воздействия.

Отмеченное снижение несущей способности позвоночника по мере возрастания времени действия нагрузки соответствует термофлюктуационной теории прочности материалов. Согласно этой теории в основе разрушения лежит образование микротрещин, рост их объемной концентрации, постепенное слияние и укрупнение. По достижении определенного порога, микроповреждения приводят к микроразрушению материала. Параметры нагрузки, вызывающие разрушение, существенным образом зависят от времени ее действия и предела прочности материала.

С наибольшим успехом термофлюктуационная теория может быть приложена к изучению и объяснению механизма повреждений, возникающих в костной ткани на уровне коллаген-кристалл, и образования дефектов в костных трабекулах. Именно на этих морфологических уровнях организации играют первостепенную роль процессы, описываемые положениями указанной теории: возмущение межатомных связей под влиянием внешней нагрузки; разрыв этих связей вследствие усиливающихся флюктуаций атомов; накопление разорванных связей, ведущее к появлению очагов трещинообразования с последующим ростом объемной концентрации микротрещин в материале под действием внешней нагрузки.

На других структурных уровнях организации позвоночника картина разрушения усложняется. На этот процесс начинают оказывать существенное влияние такие характеристики, как количество трабекул в единице объема тела позвонка, мерой чего является его минеральная насыщенность, и биомеханические размеры позвонка [18].

Рассматривая позвоночно-двигательный сегмент — два смежных позвонка с межпозвонковым диском между ними — как функциональную единицу позвоночного столба, необходимо оценивать особенности строения и функционирования межпозвонкового диска, распределения нагрузки его пульпозным ядром на поверхности концевой пластинки позвонка и т. п.

Еще больше усложняется ситуация при рассмотрении позвоночного столба как органа. Однако общее следствие термофлюктуационной теории — нелинейная обратная связь длительности внешней нагрузки и предела прочности позвоночника — сохраняется на всех уровнях организации опорно-двигательного аппарата человека.

Возрастание длительности механического воздействия при неизменной величине нагрузки ведет к повышению вероятности травмы позвоночника. Таким образом, даже для сохранения уже достигнутого уровня травмобезопасности при эксплуатации современных средств аварийного покидания необходимо снизить перегрузки катапультирования, воздействующие при работе систем с управляемой траекторией движения кресла, на 5-10%, или в среднем на 1,0-1,5 ед.

Похожие статьи:

  1. Сравнительная оценка прочности позвонков при статических и ударных нагрузках В. А. Корженьянц Действие ударной нагрузки на организм человека сопровождается...
  2. Предельно переносимые величины ударных ускорений по вектору +Z Оценка сводных данных Эйбэнда свидетельствует о том, что между величиной...
  3. Переносимость действия ударных ускорений летчиком Эксплуатация высокоманевренных самолетов, снабженных катапультными креслами с адаптивными режимами работы...

автор admin \\ теги: , ,



Написать ответ

Вы должны войти чтобы комментировать.