Чи міцні ми?
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Це було багато років тому, коли випробовували парашут російського винахідника Котельникова. Генерал, який керував випробуванням, раптом засумнівався: що якщо у парашутиста… відірвуться ноги? Досліди з лялькою-манекеном пройшли успішно, але чи витримає людина потужний ривок розкритого парашута? З тих пір мільйони стрибків довели безпеку парашутної техніки, але майже нічого не внесли в теорію міцності наших м’язів, кісток і зв’язок.
Якось в Празі зібралися хірурги, ортопеди, спортсмени, анатоми та інші фахівці з багатьох країн світу. Вони на якийсь час залишили свою роботу, перестали читати лекції, перестали лікувати. І лише для того, щоб обговорювати тільки одне-єдине питання – пошкодження ахіллового сухожилля. Йому присвятили цілий міжнародний симпозіум… Так, лікарі, на жаль, нерідко констатують травму саме цього сухожилля. Підшкірні розриви його – біда гімнастів, акробатів, волейболістів і футболістів. Ті, хто, на жаль, уникає займатися спортом, теж не позбавлені від такої неприємності. Навіть великодосвідчені медики стають жертвою підступного сухожилля: німецький хірург Гюнтер, вальсуючи, розірвав його і зліг у лікарню.
До речі, ахіллове, або п’яткове, сухожилля – саме товсте, найміцніше з усіх сухожиль людини. Воно починається від литкового м’яза, яке ще називається триголовим, і прикріплюється до п’яти. Розірвати його навмисне дуже важко. Якщо прикріпити до нього вантаж в 0,5 тонни і то витримає! Чому ж воно пошкоджується при стрибках, бігу, танцях? Та тому, що не можна відразу починати вправи з різких рухів, потрібна попередня розминка; трохи пострибати, побігати. М’язи можуть витримати велике навантаження, але вони не люблять різких рухів, ривків. Про це добре знають досвідчені майстри спорту.
Розвивається авіація і ракетна техніка, організм людини змушений пристосовуватися до маси всяких впливів: перевантаженні, невагомості, вібрації. Вчені стали більше цікавитися міцністю судин людини, адже їх стінки при перевантаженнях відчувають велику напругу. І не тільки для авіації цікаво знати міцність судин. У багатьох країнах хвороби серця і судин стоять на першому місці. Серед них – дуже поширена хвороба, пов’язана з підйомом кров’яного тиску. Якщо у людини раптом підскочить кров’яний тиск, кровоносна судина може не витримати і розірватися. Тому вчені вирішили визначити їх міцність. Років 50-60 тому дослідники просто брали судини тварин, наповнювали їх ртуттю, дивилися, коли судина під вагою ртуті розірветься.
Зараз, застосовуючи фізико-математичні методи, вимірявши тиск і швидкість кровотоку за допомогою спеціальних апаратів, можна визначити міцність судин у здорової або хворої людини. Якщо у неї високий кров’яний тиск, а судина вражена хворобою і крихка, то її можна замінити штучною, витканою з особливих тканин.
Поступово в медицину проникали методи випробування матеріалів, що застосовуються перш тільки в техніці. Прості «випробувальні» роботи розрослися до цілої науки. Вона займатиметься вивченням опору біологічних матеріалів, так само як інженери вивчають опір будівельних і промислових матеріалів. Це біосопромат.
Ми говорили про міцність стінок судин. Але у людини є і клапани. У венах і в серці. У серці до країв кожної стулки клапана прикріплюються тонкі сухожилкові нитки, що йдуть від внутрішньої оболонки серця. Від міцності сухожиль, які то розтягуються, то стискаються в такт ударам серця, залежить і «міцність» серця. Нитки ці випробовували на міцність машинами, вживаними перш тільки в лабораторіях техніки. Виявилося, всі сухожильні нитки витримують навантаження в 2-3 кілограми при нормальному тиску крові 125-130 мм ртутного стовпа. Але коли тиск крові збільшується, скажімо, до 260 – 280 мм ртутного стовпа, то навантаження на всі сухожильні нитки буде вже від 4,4 до 6,6 кг. Зауважимо, що в техніці при постійному навантаженні запас міцності приймається 3-4-кратним, при змінному навантаженні 5-6-кратним. Але, на жаль, історія серцевих захворювань показує – «нитки серця» іноді зазнають аварію. Отже, запас їх міцності невеликий, у інженерів заздрості не викличе, і тут шукати будь-які надійніші матеріали навряд чи має сенс.
Тепер про міцність кісток. Порівняємо їх з відомими будівельними матеріалами. «Жива» кістка приблизно в п’ять разів міцніше залізобетону, як на стиск , так і на розтяг. Опірність кістки до розриву вище, ніж у дуба, і наближається до міцності чавуну. Але яких-небудь особливих рекордів міцності тут теж немає.
Людина стоїть, сидить і рухається завдяки добре сконструйованому природою опорно-руховому апарату. Апарат цей – хребетний стовп і кінцівки – включає в себе активну частину – м’язи і пасивну – кістки, хрящі, зв’язки. Вчених завжди цікавило, як міцність кісток пов’язана з віком. Тепер методами біосопромата встановили: щоб зламати реберний хрящ у віці 15-20 років, потрібна сила в 13,1 кг, а у віці 60 років всього 1,5 кг.
Міцність хряща зменшується в десять разів! Чому ж? До шістдесяти років в кістках і хрящах накопичуються відкладення солей кальцію. А вони надають хрящам крихкість. Відкладення солей? Але ж з подібними неприємностями стикається і техніка; в її хімічних реакторах, змієвиках і трубопроводах теж відкладаються солі. Звичайно, техніки або медики знайдуть спосіб боротьби з відкладеннями. І тоді ті, хто першими вирішать проблему, зможуть, бути може, допомогти іншим: медики – технікам або навпаки.
Основна ланка в опорно-руховому апараті – хребет. Він складається з хребців, між якими розташовуються міжхребетні хрящові диски. Ці диски – своєрідні ресори, амортизатори при ходьбі, бігу та стрибках. Виявилося, що хребець витримує навантаження від 400 до 600 кг, а міжхребетні хрящі – від 700 до 2000 кг. Хрящ міцніше кістки. Однак на деформацію розтягування він показав себе менш міцним, ніж хребець. Так що міжхребетні диски, що складаються з хряща, менш міцні, ніж кістки, однак більш еластичні і пружні, тому-то вони сумлінно виконують свою ресорну функцію.
Наші суглоби, як правило, мають зв’язки з щільної сполучної тканини. Призначення зв’язок – гальмувати руху, обмежувати їх. Зв’язки повинні бути еластичними, пружними і в той же час міцними. Найміцнішою виявилася зв’язка надколінка, що витримує на розрив від 42 до 239 кг, а зв’язки, розташовані збоку ліктьового суглоба, найбільш слабкі . Вони витримують лише від 1 до 16 кг.
Як відомо, майже всі м’язи прикріплюються до кісток. Чи потрібно знати їх міцність? Згадаймо, що одному ахілловому сухожиллю присвятив свою роботу цілий міжнародний симпозіум. А щоб визначити запас міцності цього сухожилля, провели складні спостереження на спортсменах. Використовували цілий комплекс апаратури, куди входили динамографічна платформа з реєстрацією всіх складових опорної реакції спортсмена при стрибку і вектор – динамографічна приставка. На екрані електронного осціллорафа отримували дані про величину і напрямок зусиль. Вектор-динамограмми фотографувався, а момент відштовхування знімав кіноапарат. Після математичних розрахунків виявилося, що під час стрибка ахіллове сухожилля відчуває зусилля майже в 100 кілограмів! Воно має чотирикратний запас міцності.
Такий короткий «біосопроматний» нарис міцності нашого тіла. Треба сказати, що в загальному, ображатися нам не доводиться. У 1960 році гоночна машина «Синій птах» англійського спортсмена Кембелла, що мчала зі швидкістю 350 миль на годину, тричі перекинулася у повітрі і розбилася вщент. Гонщик встав, обтрусився і пішки попрямував до санітарної машини. Це зовсім не виняткове везіння. Статистика дорожніх пригод знає тисячі випадків, коли автомашина перевертається на повному ходу, майже руйнується, а пасажири обходяться легкими забоями.
Як знайти точні характеристики опірності біологічних тканин різних механічних впливів? Цьому присвячується велика дослідницька робота, яка ще тільки починається. Біологи, лікарі, анатоми, біохіміки, ортопеди придивляються до методів фізиків і механіків.
Чи зможе техніка підвищити міцність організму? Ймовірно, так. Але шляхи цього неясні. Чи будуть це якісь «зовнішні скелети» – каркаси на шарнірах, керовані біострумами, або хімічні склади, які зміцнюють кісткові тканини, або ще щось, зараз невідоме навіть в принципі? Чудові операції сучасних хірургів з імплантації штучних клапанів серця і судин – перше, але багатообіцяюче зусилля. І в зв’язку з цими операціями можна зробити одне зауваження. Інженерів завжди захоплювала надійність роботи нашого серця. Але немає принципових перешкод до створення повністю штучного серця. Безсумнівно, що по надійності воно не повинно поступатися «справжньому». Більш того, немає знову-таки принципових труднощів у створенні серцевого електронно-механічного апарату, що перевершує по надійності свій живий прототип.
Речі зі світу техніки і об’єкти живої природи мають межі своєї міцності, але кордон цей не абсолютний, він умовний і відсувається в міру розвитку науки. Прогнози оптимістичні! Треба лише зауважити, що зовнішнє копіювання живих «деталей» не обіцяє успіху. Секрети надійності живих організмів слід шукати в дуже глибинних процесах.
Автор: А. Обисов.