Bogdanov, ahol szorít a cipő „, fizika» № 6 2018-ra

Ez nem alaplapok, a csontok feltörni.

7. Miért a csont üreges és tömör gránitból?

Mindannyian - a gyümölcs az evolúció. Nature millió éves kísérletezés előtt tesznek minket, mi van most. Ha mielőtt gépészmérnök feladata, hogy állítson össze egy emberi csont, akkor minden bizonnyal azonnal megkérdezte, mi volt az, mert alakja, mérete és belső szerkezete a csont kell meghatározni a funkcióját a csontváz. Hogyan lehet a csontokat működik? Mint minden épület eleme a csontváz csontjai dolgozni főleg nyomó, húzó vagy hajlító. Ezek a módok teszik a csontokat a csontváz, mint egy elem nem ugyanazokat a követelményeket.

Mindenki számára világos, hogy a mérkőzés vagy szalma meglehetősen nehéz megtörni, stretching őket tengely mentén, és nagyon könnyű megtörni hajlítással. A mérnöki szerkezetek, mint a csontvázak állatok kívánatos kombinációja az erő és a könnyedség. Hogyan lehet elérni a maximális szerkezeti szilárdság egy adott súly és az ismert anyagi erő? Ez a feladat nagyon egyszerű, ha a tag a munkát akár a hosszirányú húzási vagy nyomási csak. Tegyük fel például, hogy fel kell függeszteni a bizonyos terhelést a kábel bizonyos hosszúságú. Az erőssége a kötelet egyenlő erejét a vékony résszel, így a kötél súlya a legkisebb, ha a keresztmetszeti terület teljes hosszában azonos.

Miért van szükség a csont üreges? Ha a szerkezeti elem is működik a kanyarban, például, ha betartjuk a rakomány viszont behajlított könyökkel, a feladat keres maximális szilárdság egy adott tömegű bonyolultabbá válik.

Az ulna dolgozik egy kanyarban, és a váll - a feszültség, amikor tartjuk a rakomány kar behajlított könyökkel

Nyilvánvaló, az alsó réteg a ulna összenyomódnak, és a felső szakaszon. A hossza a középső rétegek nem változik, ha hajlító singcsont, így az anyag ezeken a rétegek nem működik (vagyis nem deformálódott), és a nehezebb a csont. Tehát az anyag egy része a tengely mentén a csont nélkül lehet eltávolítani nagy kár, hogy az erejét, amikor a csont dolgozik ilyen körülmények között. Így az optimális csont részlegesen hiányzik „core”, mint hengeres réteg tengelye körül a csont nem megy keresztül jelentős deformációja során hajlító és csak növeli a súlyát.

Sematikus ábrázolása ulna (vízszintes sáv) terheletlen állapotban (a tetején), és ha a deformáció ereje által okozott F. csatolt a szabad végén (alján). A pontozott vonal jelzi a helyzetét nem deformálható réteggel

Természetesen, a természet a folyamat alakulását használta ezt a módszert a tömege csökkenjen az emberek és állatok, miközben az erőt a csontváz. Ez abban nyilvánult meg legvilágosabban a madarak, amelyek több, mint bármely más állatok érdekli csökkenti a súlyt. Például, a fregatt madár, amely egy szárnyfesztávolsága körülbelül 2 m, csontváz tömege mindössze 110 g, azonban, és a csontok röpképtelen állatok belsejében túl üreges. A mérések azt mutatják, így például, hogy a legnagyobb csőszerű csontváz csont, femorális, belső keresztmetszeti átmérője, hogy a külső emberben és más emlősökben, az 0,5-0,6, amely lehetővé teszi körülbelül 25% -os csökkentése vázizomzat tömege, miközben ugyanazt a erejét.

Miért van szükség a csont erősebb, mint a gránit? Mielőtt dícsérve a természet annak tudatában ügyekben szilárdságtani, lássuk, mi csontok elég erős. A táblázat felsorolja azokat az értékeket a kritikus feszültség (aránya erő, amelyet a minta keresztmetszeti területe), amelynél megzavarta a integritását különböző anyagok, amikor tesztelték nyomó és húzó, és azok Young modulus.

Meglepő, de a csontok erőssége a második csak a szilárd acélok és sokkal erősebb, mint modell lesz gránit és beton szilárdságának. Mi az indoka?

Bone - kompozit anyag, és két nagyon különböző részből áll: a rugalmas kollagén (Thereof főleg mi ín) és kalcium-hidroxi-apatit kristályok CA10 (PO4) 6 (OH) 2 - 60 tömeg%.

Egy ismert példa a kompozit anyag az üvegszál, amely keveréke üvegszál és gyanta. Ennek oka az a nagy szilárdság a csont a rugalmasság és a keménység. Sok hagyományos (nem-kompozit) anyagok, amelyek nagy keménység, nagyon törékeny. Mindenki látott már, hogyan üveg eltörik. Honnan az üveg hit, felfut a repedések, amelyek szét a lapot. Ha repedések nincs ideje alkotnak, mint ahogy az a hatása egy golyó, az üveglap sértetlen marad, kivéve azt a területet, ahol az ütés esett.

Így az erőt sok anyag sokkal nagyobb lenne, ha szerkezetük megakadályozta a repedések terjedésének. A jelenléte egy csont kollagén háló, amely nagy rugalmasságú, egy olyan gát, a repedések terjedésének. Ugyanakkor a csont szívóssága nyújtott kristályok kalcium-hidroxi-apatit felületén lerakódó kollagénrostok. A természetben kompozit csont ez azt jelzi, alacsony értéke Young modulus képest homogén anyagok, amelyeknek azonos szilárdságú.

Mi az a biztonsági zóna a csontok? A középső része a váll csontok ember keresztmetszeti területe körülbelül 3,3 cm 2. A megadott adatok a táblázatban, akkor könnyű azt mutatják, hogy a legnagyobb súlya a rakomány, hogy tudja tartani ezt a csontot, míg álló helyzetben, és dolgozik a tömörítés, közel 60 000 N. egyidejűleg, a maximális teljesítmény, amely képes ellenállni az azonos csont, ha fut egy kanyarban, és erőt fejtünk ki a szabad vége a csont tengelyére merőleges, közel 5500 N.

karate mechanika

A tökéletesen illusztrálja a szilárdsága emberi csontokat szolgálhat egyfajta népszerű most! Exercise - karate. Azok, akik látják először karate, megtörve az erős rúd fából vagy betonból, gyakran úgy tűnik, hogy ez egy átverés. Azonban még egy kezdő egy rövid edzés könnyen eltörhet puszta kézzel fa sávra, majd az egész halom.

Hogyan lehet egy csupasz karját megtörni tartós cikkek, mint a tölgy vagy a beton rudak törés nélkül magát? Először próbáljuk felmérni, hogy szükség van ennek az energiának Wp. Segítségével Hooke-törvény deformációk a bárban, és a képlet a potenciális tárolt energia összenyomott rugó, akkor lehetséges egy kifejezés Wp.

ahol V - hangerősávot, T - a maximális feszültség, amely képes ellenállni egy bár anyag, E - Young modulus. Formula intuitív megfontolások megerősítik, hogy a bár nehezebb megtörni, mint inkább rugalmas, mint az anyag a bárban, mint a legtöbb energiát fordított nyújtás.

Jellemzően, a saját tüntetések karatisty segítségével konkrét tégla mérésére 0,4 m 0,2 0,05. Figyelembe véve az adatokat a táblázatban és az ezt megelőző általános képletű, akkor kapjuk, hogy az ilyen rudak Wp 0,55 J. A sebesség a mozgatókar karate megközelítőleg 12 m / s, és a tömege 0,7 kg. Ezért az energia, amely továbbítja a kezét az ütközés pillanatában, közel 50 J. Így karate kéz elegendő tárolt energiát megtörni a beton sáv.

Az a tény, hogy a karatésok keze nem tört, amikor eltalálja a bárban, részben a sokkal nagyobb csontok, mint az erős beton. Nagy sebességű forgatás karate öklét hatása azt mutatta, hogy a retardáció érintkező sáv megközelítőleg 4000 m / s 2. Ezért által kifejtett erő a bár a ököl tömeg 0,7 kg, 2800 N.

Ha az egész öklét hatás helyére csont 6 cm hosszú és 2 cm átmérőjű, rögzített a két szélső pontot, és üti a bárban, hogy szimulálják a ható erő a közepén, hogy ilyen körülmények között a csont ellenáll 25,000 N. Ez körülbelül 8-szor nagyobb, mint a ható erő ököl karate, ha törés beton sáv.

Ugyanakkor az a lehetőség kéz karatéka ellenállni az ilyen sokkok még, mert Ellentétben beton sáv nem támogatja a széleken, és nem kell, hogy elérje pontosan a közepén. Ezen túlmenően, a csont és a bár mindig konkrét elasztikus anyagból, elnyeli csapást. Tehát, lásd a ridegsége a csontokat, ami indokolja a habozás, nem tudjuk. Nem okoz csalódást.

A ín miért?

Sok a mozgásokat, hogy mi teszi, vannak rendszeres. Ezek közé tartozik a gyaloglás, futás, síelés, korcsolyázás, guggolás, stb Ezekben mozgását különböző testrészek mozog egyenetlenül. Például, ha futás vagy gyaloglás mindegyik láb felváltva csökkenti a sebességet nullára érintkezik a talajjal, és fékezés a test mozgását. Ezt követően az azonos láb, elrugaszkodva a földtől, hogy felgyorsítja a mozgást. Ahhoz, hogy az autó mozog ezen a módon, mi lett volna gyakorisága körülbelül 1 Hz és nyomja a gázpedált, a féket. Természetesen az üzemanyag-fogyasztás és ez a lendület a mozgás növeli élesen, mert része a kinetikus energia a jármű lassulás közben hővé alakul. Vannak emberi faj és az állatok is gazdaságos, mivel a mozgása e feltételezett autó?

Természetesen nem. Kutatási tudósok kimutatták, hogy amikor fut része a kinetikus energia a lassítási fázis alatt a láb inak formájában potenciális energia deformáció, amely átmegy ismét kinetikus energia, mint ahogy ez a helyzet a gumilabda újjáéledő a falról. Így az inak raktárhelyiségek mechanikai energiát futás közben és egyéb ciklikus mozgások.

inak tulajdonságai többé-kevésbé azonos minden állatok azonban végtag patások, juhok és a lovak, például a leginkább alkalmas a tárolására mechanikai energia. Néhány izmok az alsó részében ezek az állatok lába lényegében néhány inak. A legdrámaibb példa erre használata inak szolgálhat alsó szárrész teve, szinte mentes az izomrostok. Az emberi láb egy leghatásosabb Achilles-ín, amely, ha fut működhet húzóerő 4000 N.

Mindenki tud könnyen látható, hogy a mechanikai energiát ténylegesen tárolt lábunk, mint a tavasz. Ehhez próbálja zömök, hajlítás térded erős. Észre fogja venni, hogy az azonnal mászás sokkal könnyebb, ha egyenesbe a lába egyszerre, és nem marad a helyén a hajlított lábbal. Ez azzal magyarázható, hogy amikor a hajlítás a térd ín először nyúlt, és ha nem ad nekik egy rövidített kezd egyenesbe térdre, aztán fölhalmozva inak a potenciális energia megy kinetikus energia. Ha megengedjük, hogy lerövidül emelés előtt, akkor ez az energia megy hővé.