مقالات
در حال خواندن
بیومکانیک
0

بیومکانیک

توسط میلاد سکاکی۱۰ اردیبهشت, ۱۳۹۶
بيومكانيك محدوده اي از علم است كه در آن دانش و روش هاي مكانيك براي توصيف ساختار و درك عملكرد سيستم هاي زنده، به كار گرفته مي شود.دانش بيومكانيك در چندين رشته مختلف، شامل: بيولوژي، ارگونومي، مهندسي، فيزيولوژي، پزشكي، فيزيك مكانيك و… مورد استفاده قرار مي گيرد.

واژه بيومكانيك نمايانگر مبحث بسيار گسترده اي است و در آن با استفاده از قوانين فيزيك مكانيك پديده هاي فيزيولوژيكي بيولوژيكي توصيف شده و درك مناسبي از روابط علت و معلولي بدست مي آيد. اين روابط در درك و توصيف حالات هاي پاتولوژيكي از اهميت خاصي برخوردارند.
بيومكانيك از دو واژه بيو و مكانيك تشكيل شده است. واژه “مكانيك” كه بيانگر فيزيك مكانيك است خود داراي زيرمجموعه هايي از قبيل حرارت و سيالات،‌ طراحي جامدات و ساخت وتوليد است كه هريك به نوبه خود يك رشته تخصصي محسوب مي گردند. از طرف ديگر واژه “بيو” نمايانگر علوم زيستي و پزشكي است. زيرمجموعه هاي اين رشته نيز شامل كليه رشته هاي تخصصي پزشكي و علوم مرتبط از قبيل الكتروفيزيولوژي، داروسازي،‌ فيزيوتراپي،‌ كينزيولوژي و غيره است.
در نتيجه، ادغام دانش بيومكانيك، فيزيولوژي و بيولوژي به درك صحيح و توانايي توصيف دقيق تر اين سيستم در حالت هاي نرمال و پاتولوژيك منجر خواهد شد.
مبحث مهندسي ورزش از طرف ديگر، با مسائل طراحي و بهينه سازي ابزار و تجهيزات ورزشي و فضاها و اماكن ورزشي درگير است. تسلط بر اين مبحث نيز مستلزم بهره برداري از پيش زمينه هاي علمي مشابهي خواهد بود.

تاریخچه

ارسطو اولین کتاب بیومکانیک را با عنوان حرکت حیوانات (Movement of Animals) نوشت. او نه تنها بدن حیوانات را به شکل یک سیستم مکانیکی دید بلکه سوالاتی در زمینهٔ تفاوت فیزیولوژیکی در تصوری که از انجام یک عمل می‌شود و خود آن عمل در واقعیت مطرح کرد. از مثال‌های ساده‌ای از تحقیقات بیومکانیک می‌توان از مطالعه بر روی حرکت اندام‌ها، آیرودینامیک در پرندگان، حشرات و مگس- دینامیک شاره‌ها در شناکردن ماهی‌ها و به طور کلی تمام حرکاتی که موجودات زنده از تک سلولی‌ها تا اندامگان انجام می‌دهند را، میتوان نام برد و بیومکانیک انسان در هستهٔ حرکت‌شناسی جای دارد.

این حوزه جدید مهندسی شامل سرفصل های زیادی از جمله موارد زیر است:

  • مطالعه خواص مواد بیولوژیک
  • مکانیک سیالات زیستی در سیستم های قلب و عروقی و همچنین سیستم های تنفسی
  • خواص مواد و اندرکنش(واکنش دوطرفه) ایمپلنت های پزشکی با بدن
  • انتقال جرم و حرارت به بافت های بیولوژیک
  • سیستم های کنترل زیستی برای تنظیم متابولیسم یا حرکات ارادی
  • کاربرد سینماتیک و سینتیک در راه رفتن انسان

برای بدست آوردن ویژگیهای بیومکانیکی استخوان مثل سختی و مدول یانگ، انرژی جذب شده (چقرمگی)، آخرین کرنش و استحکام نهایی از تست‌های مکانیکی گوناگونی استفاده می شود.همان طوری که می دانیم استخوان ناهمسان گرد است و رفتار مکانیکی اش تحت بارگذاری در راستا های متفاوت فرق می کند. استخوان انسان در فشار را بیشت از کشش و کشش را بیشتر از برش می تواند تحمل کند.

کشش

در سطح میکروسکوپی، شکست برای استخوانی که تحت بارگذاری کششی قرار گرفته عمدتاً به خاطر گسستگی cement ها و کشیده شدن حفرات جایگاه سلول های استئوبلاست (osteonss) اتفاق می افتد.

نوع شکستگی که در تنش رخ می دهد شکست عرضی (transverse fracture) است.در استخوان های درازمعمولاً شکستگی در جایی رخ می دهد که حجم بیشتری از استخوان اسفنجی وجود داشته باشد.

فشار

در سطح میکروسکوپی، شکستگی ایجاد شده در اثر بارگذاری فشاری عمدتاً به خاطر ترک خوردگی مایل در محل حفرات جایگاه سلول های استئوبلاست (osteonss) استآن نوع از شکستگی که در فشار رخ می دهد اریب با زاویه ۳۰ درجه و به خاطر نیروهای برشی است.
تعداد کمی شکستگی ها صرفاً به علت بارگذاری فشاری باشند
در استخوان های درازمعمولاً شکستگی در جایی رخ می دهد که حجم بیشتری از استخوان اسفنجی وجود داشته باشد.

خمش

 خمش ترکیبی از بارگذاری کششی و فشاری است. معمولاً یک طرف استخوان تنش کششی را تحمل می کند و طرف دیگر تنش فشاری را. از آنجا که استخوان ناهمسانگرد(assymmetricall) است تنش فشاری و کششی که می تواند تحمل کند برابر نیستند

نوع شکستگی که در خمش رخ می دهد شکست عرضی است چون همان طور که اشاره شد تحمل استخوان در برار کشش کمتر از فشار است.شکست در سمتی از محور خنثی اتفاق می افتد که کشش را تحمل می کند.
خمش سه نقطه ایی

سه نیروی وارده بر جسم دو گشتاور برابر تولید می کنند، که هر کدام محصول یکی از دو نیروی خارجی و فاصله آن تا محور چرخش ( نقطه وسط که بار آنجا اعمال می شود و اگر بارگذاری به تسلیم منجر شود با فرض همگن و همسانگرد بودن جسم، در نقطه ای اعمال نیروی وسط شکسته می شود.) در استخوان یزرگسالان همان طور که اشاره شد شکست در سمتی از استخوان اتفاق می افتد که کشش را تحمل می کند. در استخوان بچه ها ممکن است شکست به علت کمانش ناشی از فشار ایجاد شود.

خمش چهار نقطه ایی

 دو کوپل وارده بر جسم دو گشتاور برابر تولید می کنند. اندازه ی گشتاور وارده در خمش در سراسر منطقه بین این دو نیرو یکسان است. ساختار در ضعیف ترین نقطه خود در این فاصله می شکند.

بارگذاری ترکیبی خمشی و فشاری

 در این حالت شکستگی ترکیبی از شکستگی فشاری و خمشی است. خمش در سمت کششی استخوان تولید شکستگی عرضی می کند و فشار موجب شکستگی مایل در طرف دیگر تار خنثی می شود. و باعث ایجاد شکست پروانه ایی می شود

پیچش

بارگذاری طوری انجام می شود که پیچش حول محور رخ دهد. گشتاور در داخل ساختار ایجاد می شود. حداکثر تنش برشی در سطوح موازی و عمود بر محور خنثی وارد می شود حداکثر تنش نیروهای فشاری و کششی در صفحات مورب با محور خنثی وارد می شوند نوع شکستگی که در پیچش رخ می دهد شکست مارپیچی است. این شکست به علت تنش برشی آغاز می شود، با ایجاد ترک موازی محور خنثی از استخوان و سپس ترک به علت تنش کششی در امتداد خط مورب با محور استخوان انتشار می یابد برش: جسم در معرض بارگذاری برشی تغییر شکل زاویه ای می دهد. هنگامی که مواد تحت بارگذاری فشاری یا کششی باشند، تنش برشی نیز تولید می شود. مدول مواد تحت بارگذاری برشی مدول برشی نامیده می شود نه مدول الاستیک. شکست عموماً در استخوان اسفنجی رخ می دهد. آزمونی که در این تحقیق از آن استفاده شد آزمون خمش سه نقطه ای بود، با اینکه در خمش چهار نقطه ای بازه ی بیشتری تحت گشتاور max است و از این نظر بهتر است ولی چون طول نمونه های ما کم بود ترجیح دادیم از آزمون خمش سه نقطه ایی استفاده کنیم.

 

واکنش شما چیست؟
I like it
83%
interested
17%
Hate it
0%
What
0%
درباره نویسنده
میلاد سکاکی
دانشجوی مهندسی مکانیک

پاسخ بدهید