Апр 24

Сравнительная оценка прочности позвонков при статических и ударных нагрузках

В. А. Корженьянц

Действие ударной нагрузки на организм человека сопровождается возникновением напряжений и деформаций во всех органах и тканях. При этом основная нагрузка приходится на костно-опорный аппарат, в частности на позвоночный столб. В связи с этим важное значение приобретают исследования прочности и упругости отдельных элементов и всего позвоночника в целом.

Изучением прочности позвонков применительно к задачам разработки средств спасения занимались Герц (1944), Пери (1957), Эванс (1962), Крокер (1967). Они установили, что при статическом действии силы прочность увеличивается в направлении от грудных к поясничным позвонкам. У людей пожилого возраста позвонки выдерживают меньшие нагрузки, чем у молодых. Прочность поясничных позвонков в среднем составляет 600–1200 кГ.

Несмотря на ограниченное число экспериментов, авторы практически использовали полученные данные о статической прочности для обоснования предельно допустимых величин ударных перегрузок. При этом в связи с отсутствием данных о величине ударной прочности позвонков не было учтено соотношение между статической и ударной прочностью.

С целью восполнения этого пробела В. Г. Скрыпником, Ю. Н. Сушковым и В. А. Корженьянцем были проведены сравнительные исследования прочности позвонков при различной величине скорости нагружения.

Для оценки влияния скорости приложения нагрузки (или скорости сжатия и нагружения) на прочность позвонков при сжатии проведены четыре серии экспериментов. В первой и второй сериях использовались поясничные позвонки, в третьей – шейные и грудные, в четвертой – шейные, грудные и поясничные. Скорость приложения нагрузки в первой и второй сериях составляла 5; 10; 15 и 20 мм/мин, в третьей – 10 и 100 мм/мин. В четвертой серии позвонки подвергались воздействию статической нагрузки со скоростью 10 и 100 мм/мин, а также ударному действию силы. Учитывая, что величина предела прочности у различных субъектов будет разной, при анализе полученных результатов, прежде всего, устанавливалась принадлежность позвонков соответствующему позвоночному столбу.

Для сопоставления данных, полученных в экспериментах первой и второй серий, для каждого из позвонков были выбраны определенные скорости нагружения: в первой серии для всех позвонков скорость составляла: для L1 – 5 мм/мин, для L2 – 10 мм/мин, для L3 – 15 мм/мин, для L4 – 20 мм/мин; во второй серии порядок исследования был обратным: все позвонки L1 нагружались со скоростью 20 мм/мин, L2 – 15 мм/мин, L3 – 10 мм/мин, L4
– 5 мм/мин. Полученные результаты приведены на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость предела прочности поясничных позвонков от скорости приложения нагрузки: 1–9 – позвонки.

Анализируя кривые, изображенные на рис. 6, можно заключить, что характер изменения предела прочности позвонков в первой и второй сериях опытов существенно отличается в связи с различным режимом скорости нагружения. В первой серии опытов (левая половина рис. 6) наблюдается повышение сопротивляемости позвонков нагрузке в направлении от первого к четвертому поясничному позвонкам; во второй увеличения прочности позвонков в зависимости от их порядкового положения в позвоночнике не отмечается. В большинстве экспериментов второй серии предел прочности четвертого поясничного позвонка был ниже первого, в то время как в опытах первой серии четвертый поясничный позвонок всегда выдерживал значительно большие нагрузки, чем первый. Таким образом, в диапазоне скоростей нагружения от 5 до 20 мм/мин предел прочности поясничных позвонков возрастает с увеличением скорости приложения нагрузки.

Еще в большей степени проявилось влияние скорости приложения нагрузки на сопротивляемость позвонков одного и того же позвоночника в третьей серии экспериментов, проведенной на шейных и грудных позвонках со скоростью нагружения 10 и 100 мм/мин. При этом на третий шейный позвонок воздействовала нагрузка со скоростью 10 мм/мин, на четвертый – 100 мм/мин, на пятый –
10 мм/мин, на шестой – 100 мм/мин и т. д. На рис. 7 представлены результаты этих исследований.

Как видно из кривых, приведенных на рис. 7, прочность позвонков при скорости приложения нагрузки 100 мм/мин значительно выше прочности позвонков, нагружаемых со скоростью 10 мм/мин. Например, при скорости сжатия, равной 100 мм/мин, предел прочности третьего грудного позвонка составлял 865 кГ, а при скорости сжатия 10 мм/мин для четвертого грудного позвонка – 480 кГ.

Таким образом, увеличение скорости приложения нагрузки с 10 до 100 мм/мин повышало сопротивляемость шейных и грудных позвонков почти вдвое.

Коэффициент прочности (величина изменения прочности относительно третьего шейного позвонка) неравномерно увеличивался в кранио-каудальном направлении. При скорости нагружения 10 мм/мин для шейных и грудных позвонков он составлял в среднем 1,33 (0,88–2,31), при скорости 100 мм/мин достигал 2,84 (2,17–4,46).

В четвертой серии экспериментов исследовалось два позвоночных столба (один принадлежал субъекту 36 лет, второй – 45 лет). Часть позвонков исследовалась в статических условиях при скорости приложения нагрузки 10 и 100 мм/мин, другая часть испытывалась на динамическую прочность. Продолжительность удара составляла 20–30 мсек, скорость приложения силы изменялась с 1,5 до 4,5 м/сек. Сравнительная характеристика величины предела прочности при различных режимах приложения нагрузки показана на рис. 8.

Рис. 7. Предел прочности шейных и грудных позвонков при нагружении со скоростью:

1 – (сплошная линия) – скорость нагруженин 10 мм/мин;

2 – (пунктирная линия) – скорость нагружения 100 мм/мин.

Рис. 8. Предел прочности позвонков при ударном воздействии и нагружении со скоростью:

1 – (сплошная линия) – скорость нагружения 10 мм/мин;

2 – (мелкая пунктирная линия) – ударная нагрузка;

3 –  (крупная пунктирная линия) – скорость нагружения 100 мм/мин.

Устойчивость позвонков к ударной нагрузке выше, чем при статическом приложении нагрузки со скоростью 10 мм/мин, но ниже, чем при нагружении со скоростью 100 мм/мин. Например, предел прочности позвонка при ударе составлял 980 кГ, в то время как при нагружении со скоростью 10 мм/мин предел прочности для позвонка Т11 был достигнут при 650 кГ, а для менее прочного позвонка Т10 при скорости 100 мм/мин – соответственно при 1190 кГ.

Исходя из приведенных данных, можно предположить, что имеется какая-то «оптимальная» скорость приложения нагрузки, при которой предел прочности позвонков наиболее высокий, а на меньшей и большей скоростях сопротивляемость к нагрузке снижается. Это явление, вероятно, объясняется особенностями их анатомического строения и возникновением с повышением скорости сжатия в губчатых костях гидравлических эффектов (Геблер, 1935).

Из анализа кривых рис. 8 следует также, что тенденция к увеличению прочности в направлении от шейных к поясничным позвонкам на различных уровнях позвоночного столба имеет место как при статическом, так и при динамическом характерах нагрузки. Величина предела прочности в области поясничных позвонков с повышением скорости приложения силы возрастает, достигая максимального значения при скорости 100 мм/мин. Наименьший прирост прочности наблюдается в области, ограниченной третьим шейным – пятым грудным позвонками, независимо от скоростного режима нагружения.

Всего было испытано на ударную прочность 20 отдельных позвонков и 2 трехпозвонковых комплекса, принадлежащих трем биоманекенам. Основной задачей исследований являлось сопоставление ударной и статической прочности с целью установления поправочного так называемого динамического коэффициента, выражающего зависимость между величинами статической и ударной прочности. В табл. 10 приведены экспериментальные данные о пределе прочности позвонков и трехпозвонковых комплексов при ударной нагрузке продолжительностью 20–30 мсек.

Из табл. 10 видно, что наименьшей сопротивляемостью обладают шейные позвонки, наибольшей – поясничные. Наблюдается также снижение прочности позвонков в 45-летнем возрасте, более выраженное в нижней части грудного и в поясничном отделах позвоночника.

Предел прочности трехпозвонковых комплексов T12–L2 и L3–L5 при ударной нагрузке равнялся соответственно 1450 и 1500 кГ, то есть был в 1,5–2 раза больше, чем в условиях статического нагружения аналогичных участков позвоночника.

Сравнительные данные о прочности позвонков, при ударном воздействии и статическом нагружении со скоростью 10 мм/мин приведены в табл. 11.

Таблица 10

Предел прочности позвонков и трехпозвонковых комплексов (T12–L2 и L3–L5) при ударной нагрузке

ВОЗРАСТ  БИОМАНЕКЕНА
36 лет 45 л е т 27 лет
обозначение позвонков предел прочности, кГ обозначение позвонков предел прочности, кГ обозначение позвонков предел прочности, кГ
С4 680 С4 640 C3 640
С6 640 С7 580 L5 1850
T1 770 T3 550 T12-L2 1450
Т3 640 T6 640 L3–L5 1500
Т5 820 Т9 660
Т7 860 T12 970
Т9 1050 L3 1230
T12 1180
L1 1300
L3 1700
L5 1680

Таблица 11

Сравнительная характеристика прочности позвонков при ударной и статической

Обозначение позвонков Предел прочности, кГ Коэффициент прочности Динамический коэфициент
ударная нагрузка статическая нагрузка
С3 490 1,00
С4 680 1,39 1,39
С5 490 1,00
С6 640 1,31 1,31
С7 500 1,02
Т1 770 1,57 1,54
Т2 490 1,00
Т3 640 1,31 1,31
Т4 500 1,02
Т5 820 1,67 1,64
Т6 615 1,26
Т7 860 1,76 1,40
Т8 795 1,62
Т9 1050 2,14 1,33
Т10 860 1,76
Т11 1180 2,41 1,38
Т12 1075 2,19
L1 1300 2,68 1,27
L2 1170 2,38
L3 1730 3,53 1,48
L4 1280 2,61
L5 1680 3,43 1,31

Для более полной характеристики прочности позвонков при этих режимах нагружения был вычислен динамический коэффициент, показывающий, во сколько раз сопротивляемость при динамической нагрузке больше, чем при статической. Численно динамический коэффициент равнялся частному от деления величины предела прочности нижележащего позвонка на величину предела прочности соседнего с ним вышележащего.

Из данных, представленных в табл. 11, видно, что прочность позвонков при ударной нагрузке была выше, чем при статической. Наибольшее увеличение сопротивляемости позвонков нагрузке в каудальном направлении отмечается при ударном воздействии. Коэффициент прочности каждого позвонка по сравнению с третьим шейным при ударной нагрузке составляет в среднем 2,11 (1,30–3,43), при статической – 1,53 (1,00–2,61). Динамический коэффициент равняется в среднем 1,40 (1,27–1,64). Аналогичный показатель, вычисленный по средним данным, полученным при скорости нагружения 10 мм/мин, составляет 1,06 (0,96–1,18).

Таким образом, сравнительная оценка прочности позвонков при ударном и статическом действии силы показала, что устойчивость позвонков к ударной нагрузке в 1,4 раза выше, чем к статической. Наименее прочными являются позвонки (независимо от возраста), расположенные в области шейного и верхней части грудного отделов позвоночника. Выявлена большая устойчивость позвонков к ударной нагрузке у 36-летнего субъекта по сравнению с 45-летним. Это может быть связано как с возрастным фактором, так и с индивидуальной вариацией прочности у разных людей.

Упругая деформация позвонков при ударном действии нагрузки изменялась в таких же пределах, как и при статической (скорость 10 мм/мин). Результаты определения абсолютной упругой деформации приведены в табл. 12.

Из табл. 12 видно, что имеется тенденция к увеличению абсолютной упругой деформации в направлении от шейных к поясничным позвонкам. Средняя величина упругой деформации при ударных нагрузках составляла 1,7 мм, при статических – 1,5 мм.

Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать заключение о том, что величина предела прочности позвонков зависит от скорости приложения силы, местоположения позвонка в позвоночнике, возраста субъекта, конституционных и других прижизненных особенностей. Полученные данные показали, что нагрузки в зависимости от скорости приложения оказывают различное влияние на сопротивляемость позвонков. Поэтому при одних и тех же величинах перегрузок катапультирования и приземления, отличающихся интенсивностью воздействия на тело человека, устойчивость позвоночника не одинакова. Относительно медленное нарастание перегрузки (за 0,1–0,2 сек) при катапультировании вызывает значительную деформацию туловища (просадка 100–150 мм). Такие же по величине перегрузки приземления, характеризующиеся более быстрым нарастанием (0,01–0,02 сек) и кратковременностью действия, не успевают вызвать сжатия или изгиба, превышающих упругую деформацию позвоночника. Этим объясняется более высокая устойчивость костно-опорного аппарата к перегрузкам приземления по сравнению с перегрузками катапультирования.

Таблица 12

Сравнительная характеристика абсолютной упругой деформации позвонков при ударных и статических нагрузках (позвоночник 36-летнего биоманекена)

Обозначение позвонков Упругая деформация, мм Обозначение позвонков Упругая деформация, мм
ударная нагрузка статическая нагрузка ударная нагрузка статическая нагрузка
С3 1,1 Т7 1,4
С4 1,2 Т8 1,4
С5 1,3 Т9 1,0
С6 1,3 Т10 1,5
С7 1,2 Т11 1,7
Т1 1,9 Т12 2,0
Т2 1,3 L1 2,6
Т3 0,8 L2 2,0
Т4 1,2 L3 2,7
Т5 1,5 L4 2,3
Т6 1,2 L5 2,8

Похожие статьи:

  1. Основные закономерности реакций организма на действие ударных перегрузок С. А. Гозулов Влияние ударных перегрузок на организм, прежде всего,...
  2. Влияние длительности продольной механической нагрузки на биомеханические реакции позвоночника В целях радикального повышения эффективности спасения экипажей самолетов при возникновении...
  3. Предельно переносимые величины ударных ускорений по вектору +Z Оценка сводных данных Эйбэнда свидетельствует о том, что между величиной...

автор admin \\ теги: , ,



Написать ответ

Вы должны войти чтобы комментировать.