zhChinese    enEnglish
  ПМ-ПУ  » Образование  » Программы курсов » Механика живых систем

Механика живых систем

Курс по выбору

Лектор: д.ф.-м.н., профессор Трегубов В.П

Возникновение и развитие механики живых систем (МЖС), современная структура предмета. Биомеханика человека. Основные задачи, определяющие интерес к МЖС в области медицины, спорта и эргономики, при разработке систем безопасности человека и зашиты от вредных механических воздействий.

Математические и механические модели как средства описания живых систем. Метод "черного ящика", входные и выходные величины, передаточные функции. Механические модели с непрерывно распределенными и сосредоточенными параметрами, пределы их применимости. Обобщенные реологические модели. Определение числа степеней свободы биомеханических и биотехнических систем. Уравнения связей, типовые примеры. Замкнутые кинематические цепи.

Кинематические задачи МЖС. Закон движения, способы задания, траектория движения. Вычисление кинематических характеристик движения. Применение теоремы о движении центра масс системы и закона сохранения момента количества движения. Задача реориентации человека в состоянии невесомости. Движения человека в безопорном положении. Пятнадцатизвенная механическая модель тела человека. Оптимизация кинематических характеристик протезов конечностей.

Первая и вторая задачи динамики в приложении к живым системам на примере формализма Лагранжа. Силовое и кинематическое возбуждение. Вычисление инерционных характеристик элементов живой системы. Модельный подход. Зависимость обобщенных сил от биологических параметров и биологических переменных. Замкнутая система уравнений биомеханики. Связь обобщенных сил с мышечными усилиями. Мышцы-антагонисты и мышцы-синнергисты. Невозможность вычисления силы, развиваемой отдельной мышцей. Экспериментальное определение мышечных усилий. Электоромиограмма. Тензометрическая платформа. Случай замкнутой кинематической цепи. Динамическое равновесие живой системы.

Механические свойства биологических тканей. Нелинейность, гетерогенность, анизотропность, разброс параметров. Эластин и коллаген. Мягкие биологические ткани. Механические свойства компактной и спонгиозной костных тканей, хрящей, кровеносных сосудов, кожи, сухожилий. Механические свойства пассивных и активных скелетных мышц.

Механика опорно-двигательного аппарата (ОДА). Пассивная и активная часть ОДА. Строение и функционирование пассивной части ОДА. Строение и классификация суставов. Случай неголономных связей. Механика межпозвоночного диска, внутренняя структура, свойства фиброзного кольца и пульпозного ядра. Математические модели ОДА. Уравнения Витенбурга. Задача о протезировании конечности. Критерии оценки эффективности протеза. Математическая постановка задачи. Ограничение числа степеней свободы. Задача эндопротезирования. Математическое описание поведения материала. Граничные условия. Метод конечных элементов.

Динамика тела человека при ударных воздействиях. Экспериментальные исследования. Нормирование ударных воздействий. Задача оптимизации работы катапультируещего устройства. Разработка систем безопасности при столкновении автомобилей Механические модели тела человека в условиях ударных воздействий. Проблема определения параметров. Постановка задачи о синтезе системы противоударной защиты, критерии оценки. Графоаналитический метод.

Динамика тела человека при вибрационных воздействиях. Общая и локальная вибрация. Физиологическое действие и нормирование вибраций. Экспериментальные исследования. Амплитудно-частотная характеристика и входной механический импеданс. Построение механических моделей тела человека, подверженного вибрационному воздействию. Гипотеза о структуре, Параметрическая идентификация. Исследование проблемы единственности при решении задачи идентификации. Постановка задачи о виброзащите. Критерии оценки.

Строение скелетной мышцы. Сократительная функция. Экспериментальные исследования процесса сокращения изолированной мышцы. Одиночное сокращение, зубчатый и гладкий тетанус. Изометрический и изотонический режимы сокращения. Теплопродукция. Уравнение Хилла, его уточнение. Простейшая модель мышцы. Управление со стороны нервной системы. Зависимость мышечного усилия от амплитуды и частоты следования нервных импульсов. Двигательная единица, принцип Хеннемана. Обратная связь. Механические модели скелетной мышцы.

Механика сердечно-сосудистой системы. Строение и функционирование сердца, механические свойства отдельных элементов. Особенности потоков крови в полостях сердца. Одномассовая и оболочечная расчетные схемы. Строение и функционирование кровеносной системы. Строение артериальных и венозных сосудов, механические свойства. Течение крови в сосудах. Ламинарное и турбулентное течение. Течение в каналах малого поперечного сечения. Артериальное давление, его измерение, тоны Короткова. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Внутренняя структура крови. Поведение стенок сосудов. Модели кровеносных сосудов, толстостенная оболочка, тонкостенная оболочка, случай больших деформаций.

Строение, функционирование и механические свойства органов дыхания. Моделирование паренхимы. Однокомпонентная и многокомпонентная модели легкого. Модель кашля. Мукоцилиарный транспорт. Двухслойная жидкая среда типа "гель - золь". Биение ресничек, модельное описание. Замкнутая постановка задачи.

Молекулярная биомеханика. Молекулярный уровень описания мышечного сокращения. Гипотеза скользящих нитей. Энергетика процесса. Роль Ca++ и АТФ. Кинетическая теория, функции распределения. Уравнение Хаксли. Множество энергетических состояний замкнутого миозинового мостика. Кинетические схемы переходов. Переход к макроскопическому уровню описания. Описание процессов релаксации и возбуждения.

Внутренняя структура ресничек и жгутиков. Скольжение микротрубочек, роль динеиновых ручек. Механизм формирования биения реснички. Управление процессом биения, роль центрального дуплета микротрубочек и радиальных спиц. Образование метахрональных волн.

Литература

  1. Бегун П. И., Шукейло Ю. А. Биомеханика: Учебник для вузов. - СПб: Политехника, 2000. - 463 с.
  2. Проблемы прочности в биомеханике /Под ред. И.Ф. Образцова. - М.: Высш. шк., 1988. - 311 с.
  3. Коренев Г. В. Введение в механику человека. - М.: Наука, 1977. - 264 с.
  4. Аруин А. С., Зациорский В. М. Эргономическая биомеханика. - М.: Машиностроение, 1988. - 256 с.
  5. Зинковский А. В., Шолуха В. А. Антропометрические механизмы, моделирование, анализ и синтез движений. - СПб.: СПбГТУ, 1992. - 72 с.