Прочны ли мы?

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Это было много лет назад, когда испытывали парашют русского изобретателя Котельникова. Генерал, руководивший испытанием, вдруг засомневался: что если у парашютиста… оторвутся ноги? Опыты с куклой-манекеном прошли успешно, но выдержит ли человек мощный рывок раскрывшегося парашюта? С тех пор миллионы прыжков доказали безопасность парашютной техники, но почти ничего не внесли в теорию прочности наших мышц, костей и связок.

Как то в Праге собрались хирурги, ортопеды, спортсмены, анатомы и другие специалисты из многих стран мира. Они на время оставили свою работу, перестали читать лекции, перестали лечить. И лишь затем, чтобы обсуждать только один-единственный вопрос — повреждения ахиллова сухожилия. Ему посвятили целый международный симпозиум… Да, врачи, к сожалению, нередко констатируют травму именно этого сухожилия. Подкожные разрывы его — беда гимнастов, акробатов, волейболистов и футболистов. Те, кто, увы, избегает заниматься спортом, тоже не избавлены от такой неприятности. Даже многоопытные медики становятся жертвой коварного сухожилия: немецкий хирург Гюнтер, вальсируя, разорвал его и слег в больницу.

Кстати, ахиллово, или пяточное, сухожилие — самое толстое, самое крепкое из всех сухожилий человека. Оно начинается от икроножной мышцы, которая еще называется трехглавой, и прикрепляется к пятке. Разорвать его нарочно очень трудно. Если прикрепить к нему груз в 0,5 тонны и то выдержит! Почему же оно повреждается при прыжках, беге, танцах? Да потому, что нельзя сразу начинать упражнения с резких движений, нужна предварительная разминка; немного попрыгать, побегать. Мышцы могут выдержать большую нагрузку, но они не любят резких движений, рывков. Об этом хорошо знают опытные мастера спорта.

Развивается авиация и ракетная техника, организм человека вынужден приспосабливаться к массе всяких воздействий: перегрузке, невесомости, вибрации. Ученые стали больше интересоваться прочностью сосудов человека, ведь их стенки при перегрузках испытывают большое напряжение. И не только для авиации интересно знать прочность сосудов. Во многих странах болезни сердца и сосудов стоят на первом месте. Среди них — очень распространенная болезнь, связанная с подъемом кровяного давления. Если у человека вдруг подскочит кровяное давление, кровеносный сосуд может не выдержать и разорваться. Поэтому ученые решили определить их прочность. Лет 50—60 назад исследователи просто брали сосуды животных, наполняли их ртутью, смотрели, когда сосуд под тяжестью ртути разорвется.

Сейчас, применяя физико-математические методы, измерив давление и скорость кровотока при помощи специальных аппаратов, можно определить прочность сосудов у здорового или больного человека. Если у него высокое кровяное давление, а сосуд поражен болезнью и хрупок, то его можно заменить искусственным, сотканным из особых тканей.

Постепенно в медицину проникали методы испытания материалов, применяемых прежде только в технике. Простые «испытательные» работы разрослись до целой науки. Она будет заниматься изучением сопротивления биологических материалов, так же как инженеры изучают сопротивление строительных и промышленных материалов. Это биосопромат.

Мы говорили о прочности стенок сосудов. Но у человека есть и клапаны. В венах и в сердце. В сердце к краям каждой створки клапана прикрепляются тонкие сухожильные нити, идущие от внутренней оболочки сердца. От прочности сухожилий, которые то растягиваются, то сжимаются в такт ударам сердца, зависит и «прочность» сердца. Нити эти испытывали на прочность машинами, употребляемыми прежде только в лабораториях техники. Оказалось, все сухожильные нити выдерживают нагрузку в 2—3 килограмма при нормальном давлении крови 125—130 мм ртутного столба. Но когда давление крови увеличивается, скажем, до 260— 280 мм ртутного столба, то нагрузка на все сухожильные нити будет уже от 4,4 до 6,6 кг. Заметим, что в технике при постоянной нагрузке запас прочности принимается 3—4-кратным, при переменной нагрузке 5—6-кратным. Но, увы, история сердечных заболеваний показывает — «нити сердца» иногда терпят аварию. Следовательно, запас их прочности невелик, у инженеров зависти не вызовет, и здесь искать какие-либо сверхнадежные материалы вряд ли имеет смысл.

Теперь о прочности костей. Сравним их с известными строительными материалами. «Живая» кость приблизительно в пять раз прочнее железобетона, как на сжатие, так и на растяжение. Сопротивляемость кости к разрыву выше, чем у дуба, и приближается к прочности чугуна. Но каких-либо особых рекордов прочности здесь тоже нет.

Человек стоит, сидит и двигается благодаря хорошо сконструированному природой опорно-двигательному аппарату. Аппарат этот — позвоночный столб и конечности — включает в себя активную часть — мышцы и пассивную — кости, хрящи, связки. Ученых всегда интересовало, как прочность костей связана с возрастом. Теперь методами биосопромата установили: чтобы сломать реберный хрящ в возрасте 15—20 лет, требуется сила в 13,1 кг, а в возрасте 60 лет всего 1,5 кг.

Прочность хряща уменьшается в десять раз! Отчего же? К шестидесяти годам в костях и хрящах накапливаются отложения солей кальция. А они придают хрящам хрупкость. Отложение солей? Но ведь с подобными неприятностями сталкивается и техника; в ее химических реакторах, змеевиках и трубопроводах тоже откладываются соли. Конечно, техники или медики найдут способ борьбы с отложениями. И тогда те, кто первыми решат проблему, смогут, быть может, помочь другим: медики — техникам или наоборот.

Основное звено в опорно-двигательном аппарате — позвоночник. Он состоит из позвонков, между которыми располагаются межпозвоночные хрящевые диски. Эти диски — своеобразные рессоры, амортизаторы при ходьбе, беге и прыжках. Оказалось, что позвонок выдерживает нагрузку от 400 до 600 кг, а межпозвоночные хрящи — от 700 до 2000 кг. Хрящ прочнее кости. Однако на деформацию растяжения он показал себя менее прочным, чем позвонок. Так что межпозвоночные диски, состоящие из хряща, менее прочны, чем кости, однако более эластичны и упруги, поэтому-то они добросовестно выполняют свою рессорную функцию.

Наши суставы, как правило, имеют связки из плотной соединительной ткани. Назначение связок — тормозить движения, ограничивать их. Связки должны быть эластичными, упругими и в то же время прочными. Самой прочной оказалась связка надколенника, выдерживающая на разрыв от 42 до 239 кг, а связки, расположенные сбоку локтевого сустава, наиболее слабые. Они выдерживают лишь от 1 до 16 кг.

Как известно, почти все мышцы прикрепляются к костям. Нужно ли знать их прочность? Вспомним, что одному ахиллову сухожилию посвятил свою работу целый международный симпозиум. А чтобы определить запас прочности этого сухожилия, провели сложные наблюдения на спортсменах. Использовали целый комплекс аппаратуры, куда входили динамографическая платформа с регистрацией всех составляющих опорной реакции спортсмена при прыжке и вектор-динамографическая приставка. На экране электронного осциллорафа получали данные о величине и направлении усилий. Вектор-динамограмма фотографировалась, а момент отталкивания снимал киноаппарат. После математических расчетов оказалось, что во время прыжка ахиллово сухожилие испытывает усилие почти в 100 килограммов! Оно имеет четырехкратный запас прочности.

Таков краткий «биосопроматный» очерк прочности нашего тела. Надо сказать, что в общем, обижаться нам не приходится. В 1960 году гоночная машина «Синяя птица» английского спортсмена Кэмбелла, мчавшаяся со скоростью 350 миль в час, трижды перевернулась в воздухе и разбилась вдребезги. Гонщик встал, отряхнулся и пешком направился к санитарной машине. Это вовсе не исключительное везение. Статистика дорожных происшествий знает тысячи случаев, когда автомашина переворачивается на полном ходу, почти разрушается, а пассажиры отделываются легкими ушибами.

Как найти точные характеристики сопротивляемости биологических тканей разным механическим воздействиям? Этому посвящается большая исследовательская работа, которая еще только начинается. Биологи, врачи, анатомы, биохимики, ортопеды приглядываются к методам физиков и механиков.

Сможет ли техника повысить прочность организма? Вероятно, да. Но пути этого неясны. Будут ли это какие-либо «внешние скелеты» — каркасы на шарнирах, управляемые биотоками, или химические составы, укрепляющие костные ткани, или еще что-то, сейчас неизвестное даже в принципе? Замечательные операции современных хирургов по вживлению искусственных клапанов сердца и сосудов — первые, но многообещающие усилия. И в связи с этими операциями можно сделать одно замечание. Инженеров всегда восхищала надежность работы нашего сердца. Но нет принципиальных препятствий к созданию полностью искусственного сердца. Несомненно, что по надежности оно не должно уступать «настоящему». Более того, нет опять-таки принципиальных трудностей в создании сердечного электронно-механического аппарата, превосходящего по надежности свой живой прототип.

Вещи из мира техники и объекты живой природы имеют границы своей прочности, но граница эта не абсолютна, она условна и отодвигается по мере развития науки. Прогнозы оптимистичны! Надо только заметить, что внешнее копирование живых «деталей» не сулит успеха. Секреты надежности живых организмов следует искать в очень глубинных процессах.

Автор: А. Обысов.