Характерным признаком твердого способность сохранять форму. тела является ТВЕРДЫЕ ТЕЛА КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ АМОРФНЫЕ (отличительное свойство – АНИЗОТРОПИЯ Зависимость физических свойств (механических, тепловых, электрических, оптических) от направления). Упорядоченность в расположении атомов или молекул кристалла обусловлена тем, что они размещаются в узлах геометрически правильных структур, образуя кристаллическую (пространстве нную) решетку. В зависимости от природы частиц, находящихся в узлах, и характера сил взаимодействия различают четыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, металлические и молекулярные. (основная особенность - отсутствие дальнего порядка, характерного для кристаллического состояния, т.е. строгой повторяемости в расположении атомов или групп атомов во всех направлениях вдоль всего тела. существует ближний порядок, т.е. некоторый порядок в расположении смежных частиц. С расстоянием этот порядок уменьшается. Обладая меньшей упорядоченностью внутреннего строения, аморфные тела в одинаковых условиях имеют большие, чем кристаллы, удельный объем, энтропию и внутреннюю энергию.) КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ТВЕРДЫЕ ТЕЛА упорядоченном расположении атомов или молекул, из которых они построены, проявляемом в правильной внешней огранке отдельных монокристаллов. Однако, как правило, кристаллические тела встречаются в виде поликристаллов - совокупности множеств сросшихся между собой, беспорядочно ориентированных отдельных маленьких кристалликов (кристаллиты). В узлах кристаллической решетки ионного кристалла находятся ионы разных знаков, силы взаимодействия между – кулоновские, такой кристалл в целом рассматривается как одна молекула. Узлы решетки атомного кристалла заняты нейтральными атомами, между которыми действуют ковалентные связи. Во всех узлах металлической решетки расположены положительные ионы металлов. Между ними хаотически движутся электроны. Система ионов и электронов создает металлическую связь. В узлах кристаллической решетки молекулярного кристалла находятся ориентированные определенным образом молекулы, удерживаемые на своих местах силами межмолекулярного взаимодействия. АМОРФНЫЕ ТВЕРДЫЕ ТЕЛА Достаточно равновесное состояние эти тела образуют только при высокой температуре и малом давлении, что связано с установлением определенного расположения частиц и расстояний между ними. В соответствии с этим аморфные тела в зависимости от скорости внешнего воздействия могут оказаться упругими или текучими. Так, например, если кусок вара положить в сосуд, то по истечении большого промежутка времени он примет форму сосуда, т.е. проявит свойства текучести. Если же этот кусок ударить молотком, то он расколется, как хрупкое тело. Аморфное состояние свойственно веществам самой различной химической природы. При малом давлении и высокой температуре вещества в этом состоянии весьма подвижны: низкомолекулярные являются жидкостями, высокомолекулярные оказываются в высокоэластическом состоянии. С понижением температуры и ростом давления подвижность аморфных веществ уменьшается и все они становятся твердыми телами. Твердое аморфное состояние иначе называют стеклообразным. Полимерами называют вещества, молекулы которых представляют собой длинные цепи, составленные из большого числа атомов или атомных группировок, соединенных химическими связями. Особенность химического строения полимеров обусловливает и их особые физические свойства. Наиболее резко отличаются полимеры от низкомолекулярных веществ в механических свойствах. Известно, что для твердых тел характерны большие прочности при малых обратимых деформациях. Жидкости обладают способностью к неограниченной деформации при весьма малой прочности. Полимеры - это материалы, механические свойства которых сочетают свойства твердых тел и жидкостей; они достаточно прочны и вместе с тем способны к достаточно большим обратимым деформациям. К полимерным материалам относят почти все живые и растительные материалы, такие, как шерсть, кожа, рог, волос, шелк, хлопок, натуральный каучук и т.п., а также всякого рода синтетические материалы - синтетический каучук, пластмассы, волокна и др. Большинство природных полимерных материалов представляет собой белковые вещества; простые белки - альбумин, глобулин; сложные - казеин, кератины и коллаген. В агар-агаре содержится до 85% углеводов, главным образом полисахаридов, которые также являются полимерами. Полимерные материалы характеризуются широким набором ценных физико-химических свойств, что позволяет использовать их в различных областях науки и техники, а также в медицине. Из полимеров типа полиэтилена, поливинилхлорида и др., легко обрабатываемых давлением, изготовляют различные медицинские инструменты и приспособления. Тефлон, капрон и лавсан, милар, силастиковый полимер обладают высокой химической стойкостью, вследствие чего их используют при изготовлении протезов внутренних частей организма (кровеносных сосудов, клапанов сердца, сухожилий, вживляемых глазных линз и т.п.). Раствор полимера поливинилпирролидона - хороший заменитель кровяной плазмы. В настоящее время в искусственной почке применяются целлофановые мембраны. Такие мембраны задерживают белок и клеточные элементы крови. Проводятся эксперименты по созданию искусственных легких с силиконовыми мембранами, обладающими высокой пропускной способностью по отношению к кислороду и диоксиду углерода. Большой интерес для медицины представляют тканевые клеи, например алкил-а-цианокрилаты, й-бутил-а-цианокрилат, быстро поли-меризующиеся в пленку, которые используют для закрытия ран без наложения швов. К высокомолекулярным соединениям относятся также биополимеры, являющиеся структурной основой всех живых организмов и играющие главную роль в процессе их жизнедеятельности, - это белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, гликопротеиды, липопротеиды, гликолипиды и др. ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ Жидкими кристаллами называют вещества, обладают свойствами и жидкостей, и кристаллов. которые По своим механическим свойствам эти вещества похожи на жидкости - они текут. По оптическим свойствам жидкие кристаллы ведут себя как анизотропные тела - кристаллы: вращают плоскость поляризации, обнаруживают двойное лучепреломление и т.п. Чаще всего жидкокристаллические свойства вещество проявляет в определенном температурном интервале, выше которого оно находится в аморфно-жидком состоянии, ниже - в твердокристаллическом. По характеру молекулярной упорядоченности различают нематические и смектические жидкие кристаллы. Молекулярная структура холестерических жидких кристаллов очень чувствительна к любому малейшему внешнему воздействию. Малое возмущение может нарушить слабые межмолекулярные силы, что приводит к заметным изменениям оптических свойств. Так, температура оказывает большое влияние на цвет кристалла: в зависимости от температуры он может быть любого цвета - от фиолетового до красного. Такие свойства жидких кристаллов начинают использовать для измерения изменений температуры различных участков тел. В медицине это позволяет фиксировать расположение вен, артерий и других образований, имеющих иную теплоотдачу, чем окружающие среды. Жидкокристаллические вещества также применяются в различных температурно-чувствительных сигнальных устройствах. Молекулярная структура жидких кристаллов, а следовательно, и их оптические свойства изменяются в присутствии ничтожных количеств паров некоторых химических веществ. Это позволяет использовать жидкие кристаллы для обнаружения следов этих веществ. На изменении оптических свойств жидких кристаллов под воздействием электрического поля основано применение их в приборах и часах в качестве цифровых индикаторов. Исследование жидких кристаллов в живых организмах огромная, малоизученная, но чрезвычайно перспективная область. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ Деформация - изменение взаимного расположения точек тела, которое приводит к изменению его формы и размеров. Деформации могут быть вызваны: внешними воздействиями (механическими, электрическими или магнитными); изменением температуры тела. Самый распространённый вид деформации – это дефомации возникающие при действии сил на тело. Виды деформации в твердых телах: 1. Упругая – деформация, которая исчезает после прекращения действия силы. 2. Пластическая – деформация, которая сохраняется и после прекращения внешнего воздействия. 3. Упругопластическая (промежуточный случай) неполное исчезновение деформации. ВИДЫ ДЕФОРМАЦИИ 1. Растяжение (сжатие) - например, возникает в стержне при действии силы, направленной вдоль его оси. Относительное удлинения. удлинение ∆𝒍 𝜺= 𝒍 ε - относительное удлинение; l – первоначальная длина; Δ l – удлинение. – мера деформации 2. Сдвиг - сила, касательная к одной из граней прямоугольного параллелепипеда, вызывает его деформацию, превращая в косоугольный параллелепипед. Угол γ называют углом сдвига, a tg γ - относительным сдвигом. Так как обычно угол γ мал, то можно считать tgγ = γ. При действии на тело внешней деформирующей силы расстояние между атомами (ионами) изменяется. Это приводит к возникновению внутренних сил, стремящихся вернуть атомы (ионы) в первоначальные положения. Мерой этих сил является механическое напряжение (или просто напряжение) - σ. Для деформации растяжения напряжение σ можно выразить как отношение силы к площади поперечного сечения стержня: 𝑭 𝝈= 𝑺 σ – механическое напряжение; F – действующая сила; S – площадь поперечного сечения. Для деформации сдвига напряжение называют касательным напряжением (τ) - отношение силы к площади грани, к которой сила касательна. 𝑭 𝝉= 𝑺 τ – касательное напряжение; F – действующая сила; S – площадь грани к которой касательна сила. Упругие малые деформации подчиняются закону Гука, согласно которому напряжение пропорционально деформации. Для двух рассмотренных случаев (растяжение, сжатие) это аналитически записывается так: 𝝈 = 𝜺𝑬 𝝉 = 𝑮𝜸 σ – механическое напряжение; τ – касательное напряжение; E – модуль упругости Юнга; G – модуль сдвига; ε - относительное удлинение. γ - угол сдвига. Предел упругости - характеризует то максимальное напряжение, при котором еще не имеют места деформации, остающиеся в теле после снятия напряжения (остаточные деформации). Предел текучести - напряжение, начиная с которого деформация возрастает без увеличения напряжения. Предел прочности - наибольшая нагрузкой, выдерживаемой перед разрушением. Упругие и вязкие свойства тел удобно моделировать. Это дает возможность нагляднее представить механические свойства биологических объектов. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ Активные механические Пассивные механические свойств биологических свойства биологических систем тел обусловлены процессами биологические ткани. биологической подвижности: сокращение мышц животных, рост клеток, движение хромосом в клетках при их делении и др. Эти процессы обусловлены химическими процессами и энергетически обеспечиваются АТФ, их природа рассматривается в курсе биохимии. Биологическая ткань - композиционный материал, он образован объемным сочетанием химически разнородных компонентов. Механические свойства биологической ткани отличаются от механических свойств каждого компонента, взятого в отдельности. Методы определения механических свойств биологических тканей аналогичны методам определения этих свойств у технических материалов. Костная ткань Кость - основной материал опорно-двигательного аппарата. В упрощенном виде можно считать, что 2/з массы компактной костной ткани (0,5 объема) составляет неорганический материал, минеральное вещество кости – гидроксилапатит. Это вещество представлено в форме микроскопических кристалликов. В остальном кость состоит из органического материала, главным образом коллагена (высокомолекулярное соединение, волокнистый белок, обладающий высокой эластичностью). Кристаллики гидроксилапатита расположены между коллагеновыми волокнами (фибриллами). Композиционное строение кости придает ей нужные механические свойства: твердость; упругость; прочность. Зависимость σ = f(e) для компактной костной ткани подобна аналогичной зависимости для твердого тела, при небольших деформациях выполняется закон Гука. Модуль Юнга - около 10 ГПа, предел прочности - 100 МПа. Эти данные можно сопоставить с данными для капрона, армированного стекла. Схематично можно заключить, что минеральное содержимое кости обеспечивает быструю деформацию, а полимерная часть (коллаген) определяет ползучесть. После деформации значительное время сохраняется остаточное напряжение. Кожа Она состоит из волокон коллагена, эластина (так же как и коллаген, волокнистый белок) и основной ткани - матрицы. Коллаген составляет около 75% сухой массы, а эластин - около 4%. Эластин растягивается очень сильно (до 200-300%), примерно как резина. Коллаген может растягиваться до 10%, что соответствует капроновому волокну. Примерные данные по механическим свойствам Кожа является вязкоупругим материалом с высокоэластическими свойствами, она хорошо растягивается и удлиняется. Мышцы В состав мышц входит соединительная ткань, состоящая из волокон коллагена и эластина. Поэтому механические свойства мышц подобны механическим свойствам полимеров. Релаксация напряжения в гладких мышцах соответствует модели Максвелла. Поэтому гладкие мышцы могут значительно растягиваться без особого напряжения, что способствует увеличению объема полых органов, например мочевого пузыря. Механическое поведение скелетной мышцы при быстром растяжении мышц на определенную величину напряжение резко возрастает, а затем уменьшается до σост . При большей деформации происходит увеличение межатомных расстояний в молекулах. Ткань кровеносных сосудов (сосудистая ткань) Механические свойства кровеносных сосудов определяются главным образом свойствами коллагена, эластина и гладких мышечных волокон. Содержание этих составляющих сосудистой ткани изменяется по ходу кровеносной системы: отношение эластина к коллагену в общей сонной артерии - 2:1, а в бедренной артерии - 1:2. С удалением от сердца увеличивается доля гладких мышечных волокон, в артериолах они уже являются основной составляющей сосудистой ткани. При детальном исследовании механических свойств сосудистой ткани различают, каким образом вырезан из сосуда образец (вдоль или поперек сосуда). Можно, однако, рассматривать деформацию сосуда в целом как результат действия давления изнутри на упругий цилиндр. Сила взаимодействия двух половинок сосуда: 𝑭 = 𝝈𝟐𝒉𝒍 h- толщина стенки сосуда; l – длина сосуда; Выражение силы через давление: 𝑭 = 𝒑𝟐𝒓𝒍 r – радиус просвета сосуда; p – давление. Уравнение Ламе: 𝒑𝒓 𝝈= 𝒉 Данные уравнения могут быть использованы для нахождения связи между давлением и радиусом кровеносного сосуда, а также модуля упругости. При решении вопроса о распространении пульсовой волны количественные соотношения получаются также на основе этих уравнений. Направления медицины, для которых особо важно иметь представление о пассивных механических свойствах биологических тканей: в космической медицине, так как человек находится в новых, экстремальных, условиях обитания; результативность спортивных достижений и ее возрастание побуждают спортивных медиков обращать внимание на физические возможности опорнодвигательного аппарата человека; механические свойства тканей необходимо учитывать гигиенистам при защите человека от действия вибраций; в протезировании при замене естественных органов и тканей искусственными также важно знать механические свойства и параметры биологических объектов; в судебной медицине следует знать устойчивость биологических структур по отношению к различным деформациям; в травматологии и ортопедии вопросы механического воздействия на организм являются определяющими. ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ Таблица приставок физических величин. Десятичный множитель Приставка При Обозначение ставка приставки Приставка Обозначение приставки Десятичный множитель 1024 иотта И 10-1 деци д 1021 зетта З 10-2 санти с 1018 экса Э 10-3 милли м 1015 пета П 10-6 микро мк 1012 тера Т 10-9 нано н 109 гига Г 10-12 пико п 106 мега М 10-15 фемто ф 103 кило к 10-18 атто а 102 гекто г 10-21 зепто з 101 дека да 10-24 иокто и 2. Перевод единиц площади: 1мм2=1·10-6 м2; 1см2=1·10-4 м2; 1дм2=1·10-2 м2; Основные формулы по теме 1. Относительное удлинение (ε, безразмерная величина): ∆𝒍 𝜺= 𝒍 Δl – удлинение, м (Δl=l2 – l1); l1 – первоначальная длина, м; 2. Механическое напряжение (σ, Па): 𝑭 𝝈= 𝑺 F – сила, возникшая в теле при деформации, Н; S – площадь, м2; 3. Закон Гука (механическое напряжение прямо пропорционально модулю относительной деформации): 𝝈=𝑬∙𝜺 σ – механическое напряжение, Па; Е – модуль упругости, модуль Юнга, Па; ε – относительное удлинение; 4. Уравнение Ламе: 𝒑∙𝒓 𝝈= 𝒉 σ – механическое напряжение, Па; r – радиус просвета сосуда, м; h – толщина стенки сосуда, м; p – давление в стенках сосуда, Па; 1. Во сколько раз относительное удлинение кожи живота больше, чем коллагена, при одинаковом напряжении в них, если модуль упругости коллагена 100 МПа, а модуль упругости кожи 36 МПа? (2,78). 2. К какой площади была приложена сила 100 Н, которая вызвала механическое напряжение 25 МПа? (4 кв. мм) 3. Какая сила вызвала механическое напряжение 12 МПа, если она была приложена к площади равной 3 квадратных миллиметра? (36Н) 4. Какая сила вызвала относительную деформацию кости величиной 0,2, если она действовала на площадь 5 квадратных миллиметров, а модуль упругости кости равен 2 ГПа? (2кН).
