Пределы прочности бедренной кости различных объектов

Предел прочности (МПа)	Человек	Лошадь
Сжатие
Растяжение

Разные ткани одного органа имеют разные пределы прочности. В табл. 11.3 приведены характеристики тканей различных органов.

Таблица 11.3

Прочностные характеристики различных тканей

Вид ткани	Предел прочности на сжатие, МПа
Сплошная кость
Минеральный компонент
Белковый компонент	0,1
Эмаль	34—45
Дентин
Ребро	1—4
Позвонок
Компактное вещество бедренной кости	1470—2940
Губчатое вещество бедренной кости
Связки крупных суставов	10—16
Кожа (живот)	17-36

Твердость

Одним из важных показателей многих материалов является их твердость. Под твердостью понимают разнообразные характеристики сопротивляемости материала местной, сосредоточенной в небольшом объеме деформации на его внешней поверхности или на поверхности его разреза.

Твердость — сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела — индентора.

Используются различные методы измерения твердости, основанные на определении размеров лунок, получаемых при вдавливании в поверхность испытуемого образца одного из следующих тел-инденторов:

• алмазного конуса (твердость по Роквеллеру, H_R);

• трех- или четырехгранной призмы (твердость по Виккерсу, Н_v);

• стального шарика (твердость по Бринеллю Н_в).

В первом методе твердость определяется величиной, связанной с осевым перемещением наконечника конуса при заданной нагрузке. В последних двух методах мерой твердости служит величина, определяемая отношением нагрузки к площади поверхности отпечатка.

В табл. 11.4 приведены значения твердости для тканей челюстных костей и зубов.

Таблица 11.4

Твердость по Бринеллю для тканей челюстных костей и зубов

Участок	Исследуемая ткань	Твердость Нв, 104 Н·м-2
Верхняя челюсть (боковой участок)	Компактное вещество
	Трабекулы губчатого вещества
Нижняя челюсть (боковой участок)	Компактное вещество
	Трабекулы губчатого вещества
Эмаль	Резцы, клыки, премоляры, моляры
Дентин	Резцы, клыки

Разрушение

Разрушение — макроскопическое нарушение целостности тела (материала) в результате механических или каких-либо иных воздействий.

В процессе разрушения тела можно выделить две стадии: начальную — развитие пор, трещин и конечную — разделение тела на две, три и более частей.

В зависимости от того, как протекают эти стадии, различают хрупкое и пластическое (вязкое) разрушения.

Рассмотрим, как происходит разрушение однородного стержня при его растяжении. Пусть один конец стержня закреплен, а к другому приложена продольная растягивающая сила, величину которой постепенно увеличивают. Эта сила вызывает относительное удлинение стержня (ε), в результате которого в материале возникает механическое напряжение (σ). На рис. 11.8 показано, как изменяется величина механического напряжения в зависимости от величины относительного удлинения при вязком (1) и хрупком (2) разрушениях.

Рис. 11.8. Зависимость напряжения от величины

относительной деформации при одноосном растяжении

для пластичного (1) и хрупкого (2) материалов (О — точка разрушения)

Вязкое разрушение

Прямолинейный участок на диаграмме соответствует упругой деформации, при которой напряжение в материале возрастает пропорционально величине относительного удлинения. Затем начинается

область необратимых изменений размеров и формы тела, обусловленная зарождением и развитием трещин в наиболее слабом месте. Скорость протекания процесса вязкого разрушения обычно невелика, а сам процесс можно замедлить (остановить), снизив приложенную нагрузку. Когда величина относительного растяжения достигает некоторого критического значения, происходит разрушение (разрыв) стержня (точка О).

Хрупкое разрушение

Это разрушение начинается практически сразу после завершения упругой деформации (прямолинейный участок) и характеризуется высокой скоростью протекания процесса. Зародившаяся трещина довольно быстро достигает критического размера, после чего происходит ее стремительное самопроизвольное распространение, завершающееся разрушением.

Основными факторами, определяющими характер процесса разрушения, являются:

• свойства материала и состояние вещества (структура вещества, температура, влажность и т. п.);

• свойства объекта (конструкционные особенности, размеры, форма, качество поверхности);

• динамика силового воздействия (скорость нагружения).

Трещины

При разрушении однородных тел процесс образования и развития трещины зависит от типа деформации. Схема основных частей трещины и их различные типы представлены на рис. 11.9,11.10.

Для наглядности в вершине трещины (рис. 11.10) помещена трехмерная система координат. Если деформация определяется силами, ориентированными по направлению ОУ, то края трещины симметрично расходятся в противоположных направлениях (I тип).

Если края трещины и ее поверхности скользят друг по другу в направлении ОХ (поперек фронта трещины), то возникают деформации поперечного сдвига (II тип).

В случае, когда края и поверхность трещины движутся относительно друг друга в направлении OZ (т. е. вдоль фронта трещины, параллельно ему) формируются деформации продольного сдвига (III тип).

Рис. 11.9. Схема основных частей трещины: 1 — края трещины, 2 — поверхность трещины (излом), 3 — фронт трещины

Рис. 11.10.Схема механизмов образования трещины в зависимости

от способа деформирования: а — I тип (отрыв), б — II тип (поперечный сдвиг), в — III тип (продольный сдвиг)

Зарождение трещины и ее рост приводят к изменению конструкционных качеств деформируемого тела и могут закончится разрушением тела.

Ниже для примера рассмотрены повреждения, характерные для длинных трубчатых костей. Разрушения таких костей можно рассматривать как разрушения стержня при воздействии нагрузок в продольном или поперечном направлениях.

Продольные нагрузки (сжатие) возникают, например, при падении на кисть вытянутой руки, на руку, согнутую в локтевом суставе или на согнутое колено (рис. 11.11).

Рис. 11.11.Повреждение нижнего эпифиза бедренной кости вследствие

разрывных или сдвиговых деформаций возможно при падении

на согнутое колено

В спортивной практике часто имеет место повреждение костей вследствие их изгиба под влиянием внешнего воздействия. Зона начала разрушения диафиза длинной трубчатой кости при изгибе располагается на выпуклой стороне (рис. 11.12.) дуги, где сосредотачиваются наибольшие значения растягивающих напряжении.

Рис. 11.12.Схема разрушения диафиза длинной трубчатой кости

вследствие изгиба: а, б- векторы внешних усилий, в - сжимающие,

г — растягивающие усилия

Другой вид повреждений больших трубчатых костей, сопровождающийся множественными переломами, возникает при ударе тупым предметом (рис. 11.13).

Рис. 11.13.Схема механизма образования фрагментарного перелома диафиза длинной трубчатой кости с равномерным сечением (а) и с неравномерным сечением (б) при воздействии тупым предметом (Крюков)