Что придает прочность костной ткани

VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся Старт в науке

Что придает прочность костной ткани
Шапель Д.Д. 11МАОУ СОШ № 38 г. КалининградаКоновалова В.М. 11МАОУ СОШ № 38 г. Калининграда Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF

Введение

Кости — единственный твёрдый материал в организме. Главное физическое свойство кости это ее прочность.

Гипотеза: прочность костной ткани зависит от ее химического состава.

В организме человека кости образуют скелет, который с помощью мышц держит тело. Скелет защищает внутренние органы. Нам необходимо выяснить какие свойства позволяют кости быть опорой и защитой.

Целью работы является выяснение компонентов костей, отвечающих за физические свойства кости.

Для достижения поставленной цели поставлены следующие задачи:

1) выяснить, как устроены кости;

2) вывести их химические и физические свойства;

3) провести опыты с целью выявления компонентов костей, отвечающих за прочность костей.

Методы исследования: поисковый, экспериментальный, анализ полученной информации.

Объект исследования: кости.

Предмет исследования: прочность костей.

Основная часть

1. Физические свойства кости

По прочности кости превосходят сталь, но намного легче её. Если бы мы состояли из стальных костей, то вес скелета достигал 240 кг.Самая длинная кость в теле — бедренная. Она составляет ¼ часть всего роста человека и способна выдержать нагрузку давления до 1500 кг.

2. Химический состав кости

Из литературы я узнала, что вещества, входящие в состав кости можно разделить на две группы: органические (1/3) и неорганические (2/3). Органические вещества – белки, жиры и углеводы. Неорганические – соли кальция, фосфора и магния.

3. Эксперименты

Д ля эксперимента мы взяли куриные трубчатые кости бедра, уксус (9 %), уксусную кислоту (70 %), три банки с крышками. В первую банку положили 1 косточку, во вторую 2 косточки и залили одинаковым количеством уксуса. В третью банку положили одну косточку и залили таким же количеством уксусной кислоты.

Ч ерез три дня кости вынули. Косточка из первой банки легко гнулась во все стороны. Мы связали ее резинкой. У кости из второй банки сгибались только края на уровне головок. Кость из третьей банки стала белой, слегка гнулась. Она была легче других, потому что разрушился губчатый слой, и кость стала пустой внутри.

Через сутки все три кости затвердели. Первая кость застыла деформированной.

Четвертую кость еще влажной мы стали нагревать над свечкой.

Через 3 минуты кость стала темнеть. Из кости выходила жидкость в виде пара. Появился запах шашлыка. Потом заблестел выделившийся жир, запахло горелым мясом. Через 15 минут обуглившаяся кость развалилась на части.

Выводы:

1) После уксусной кислоты кость сохранила форму, но стала эластичной (мягкой и гибкой). Из кости удалилась часть неорганических веществ.

2) После нагревания кость потеряла форму. В ней разрушились органические вещества.

3) Прочность кости зависит от сочетания органических и неорганических веществ.

4. Опыты

В кабинете химии мы проделали опыты, чтобы доказать, что из кости вышли неорганические вещества: фосфор и кальций.

Опыт 1. Кости состоят из фосфата кальция Са3(РО4)2. Любая кислота делает его растворимый. При взаимодействии с уксусной кислотой образуется фосфорная кислота и кальциевая соль уксусной кислоты:

Са3(РО4)2 + 6CH3COOH = 2H3PO4 + 3(CH3COO)2Ca

В пробирку мы отлили раствор из третьей банки и добавили нитрат серебра. В пробирке появился желтый осадок: H3PO4 + 3AgNO3 = Ag3PO4 (желтый осадок) + 3HNO3

В ывод: желтое вещество – фосфат серебра. Значит, в костя есть фосфор, который вышел при взаимодействии с уксусом..

Опыт 2. В другую пробирку в раствор из третьей банки мы добавили карбонат натрия. Должен был появиться белый осадок:

(CH3COO)2Ca +Na2CO3 = CaCO3(белыйосадок) + 2CH3COONa.

Опыт не получился. Появилась белая пена, выделился углекислый газ:

2CH3COOH + Na2CO3 =2CH3COONa + СО2 (углекислыйгаз) + H2O(вода)

Мы предположили, что опыт не получился из-за большого количества кислоты.

Заключение

Наша гипотеза подтвердилась. Механические свойства костей зависят от их химического состава. Прочность костной ткани зависит от ее химического состава.

Кости состоят из органических и неорганических веществ. Кальций и фосфор придают кости твердость. Белки – упругость и эластичность. Твердость и эластичность делают кости прочными.

Работая над темой, мы узнали много нового и полезного. Нам понравилось проводить опыты. Было сложно, но интересно, изучать химические формулы.

Список литературы

1. Человек/М.О.Лукьянов, Н.Н. Малофеева, Л.С. Сергеева и др. – М.:ЗАО «РОСМЭН-ПРЕСС», 2010. – 96 с. – (Детская энциклопедия РОСМЭН), с. 18-21

2. Интересные факты о костях человека [электронный ресурс]. URL: //kartinkinaden.ru/nauka/chelovek/1026-interesnye-fakty-o-kostyah-cheloveka.html (Дата обращения: 10.02.2019).

Источник: //school-science.ru/7/23/40836

Строение костей

Что придает прочность костной ткани

Химический состав костей

Все кости состоят из органических и неорганических (минеральных) веществ и воды, масса которой достигает 20% массы костей.

Органическое вещество костей — оссеин — обладает эластичными свойствами и придаёт костям упругость. Минеральные вещества — соли углекислого, фосфорнокислого кальция — придают костям твёрдость.

Высокая прочность костей обеспечивается сочетанием упругости оссеина и твёрдости минерального вещества костной ткани.

Снаружи все кости покрыты тонкой и плотной плёнкой из соединительной ткани — надкостницей. Только головки длинных костей не имеют надкостницы, но они покрыты хрящом. В надкостнице имеется много кровеносных сосудов и нервов. Она обеспечивает питание костной ткани и принимает участие в росте кости в толщину. Благодаря надкостнице срастаются переломленные кости.

Разные кости имеют неодинаковое строение. Длинная кость имеет вид трубки, стенки которой состоят из плотного вещества. Такое трубчатое строение длинных костей придаёт им прочность и лёгкость.

В полостях трубчатых костей находится жёлтый костный мозг — богатая жиром рыхлая соединительная ткань.

Концы длинных костей содержат губчатое костное вещество. Оно также состоит из костных пластинок, образующих множество перекрещенных перегородок.

В местах, где кость подвержена наибольшей механической нагрузке, количество этих перегородок самое высокое. В губчатом веществе находится красный костный мозг, клетки которого дают начало клеткам крови.

Короткие и плоские кости тоже имеют губчатое строение, только снаружи они покрыты слоем плотного вещества. Губчатое строение придаёт костям прочность и лёгкость.

Костная ткань относится к соединительной ткани и имеет много межклеточного вещества, состоящего из оссеина и минеральных солей.

Это вещество образует костные пластинки, расположенные концентрически вокруг микроскопических канальцев, идущих вдоль кости и содержащих кровеносные сосуды и нервы. Костные клетки, а следовательно, и кость — это живая ткань; она получает питательные вещества с кровью, в ней протекает обмен веществ и могут происходить структурные изменения.

Строение костей определено процессом длительного исторического развития, в течение которого организм наших предков изменялся под влиянием окружающей среды и приспосабливался путём естественного отбора к условиям существования.

В зависимости от формы различают трубчатые, губчатые, плоские и смешанные кости.

Трубчатые кости находятся в органах, которые совершают быстрые и обширные движения. Среди трубчатых костей есть длинные кости (плечевая, бедренная) и короткие (фаланги пальцев).

В трубчатых костях различают среднюю часть — тело и два конца — головки. Внутри длинных трубчатых костей имеется полость, заполненная жёлтым костным мозгом.

Трубчатое строение обуславливает нужную для организма крепость костей при затрате на них наименьшего количества материала.

В период роста кости между телом и головкой трубчатых костей находится хрящ, благодаря которому осуществляется рост кости в длину.

Плоские кости ограничивают полости, внутри которых помещаются органы (кости черепа), или служат поверхностями для прикрепления мышц (лопатка). Плоские кости, подобно коротким трубчатым костям, преимущественно состоят их губчатого вещества. Концы длинных трубчатых костей, а также короткие трубчатые и плоские кости полостей не имеют.

Губчатые кости построены преимущественно из губчатого вещества, покрытого тонким слоем компактного. Среди них различают длинные губчатые кости (грудина, рёбра) и короткие (позвонки, запястье, предплюсна).

К смешанным костям относятся кости, слагающиеся из нескольких частей, имеющих разное строение и функцию (височная кость).

Выступы, гребни, шероховатости на кости — это места прикрепления к костям мышцы. Чем лучше они выражены, тем сильнее развиты прикрепляющиеся к костям мышцы.

Величина и форма костей скелета человека различны. Кости могут быть длинными и короткими (рис. 44). Длинные кости называют также трубчатыми. Внутри они полые. Такое строение длинных костей обеспечивают одновременно их легкость и прочность.

В полостях трубчатых костей находится желтый костный мозг, состоящий преимущественно из жировых клеток. Головки трубчатых костей образованы плотным и губчатым веществом (рис. 42, б).

Губчатое вещество кости образовано костными перекладинами, перекрещивающимися в направлениях, по которым кости испытывают наибольшее растяжение или сжатие. Такое строение губчатого вещества также обеспечивает прочность и легкость костей.

Промежуток (ячейки) между перекладинами в губчатом веществе головок трубчатых костей заполнен красным костным мозгом, который представляет собой кроветворный орган — в нем образуются клетки крови.
Рис. 44. Виды костей
Короткие кости образованы в основном губчатым веществом.

Такое же строение имеют плоские кости, из которых состоят такие части скелета, как лопатки, ребра.

Кость по всей длине, вплоть до головки, покрыта надкостницей — тонкой, плотной соединительной тканью, с которой срастается кость. В надкостнице проходят нервы и кровеносные сосуды. Головка кости покрыта суставным хрящем и не имеет надкостницы.

Рост костей. В детстве и юности кости людей растут в длину и утолщаются. Формирование скелета заканчивается в возрасте 22—25 лет. Увеличение кости в толщину происходит за счет деления клеток внутренней поверхности надкостницы. В результате на поверхность кости откладываются новые слои клеток, вокруг которых образуется межклеточное вещество.

Рост трубчатой кости в длину происходит за счет деления клеток хрящевой ткани, находящейся между эпифизом и диафизом.

Эпифиз и диафиз
Рост костей регулируют биологически активные вещества, например гормон роста, выделяемый гипофизом. При недостаточном количестве этого гормона кости ребенка растут очень медленно. Во взрослом состоянии такие люди имеют карликовый рост, не превышающий рост детей 5—6 летнего возраста.

Если в детстве гипофиз вырабатывает слишком много гормона роста, то вырастает великан — человек ростом 2 м и выше (рис. 45).
Рис. 45.

 13 летний мальчик – гипофизарный великан, рядом со своим отцом и 9 летним братом

У взрослых людей рост кости в длину и ее утолщение прекращается, но замена старого костного вещества новым продолжается всю жизнь.

Костное вещество способно изменяться под влиянием действующих на скелет нагрузок. Например, кости больших пальцев стопы, на которые опирается балерина, утолщаются за счет расширения внутренней полости.

Чем выше нагрузка на скелет, тем активнее идут процессы обновления костного вещества и тем прочнее оно становится. Неорганические вещества придают костям твердость, а органические — гибкость и упругость (рис.

43).

Правильно организованный физический труд, занятия физкультурой во время формирования скелета способствуют его развитию и укреплению.

По материалам сайтов Биоуроки и //blgy.ru/

страницаДобро пожаловатьМетодическая работаДостижения педагогаДостижения учащихсяМетодическая копилка по биологииЭлектронные ресурсы по биологии по биологииПлакаты и схемы по биологииМетодическая копилка по изобразительному искусству…Рисуем день за днемВ помощь ученикамИзучаем биологию. Для особенных детейВ помощь родителямПроекты и исследовательские работыПроверь свои знанияИнтернет ресурсы для учащихся и родителейБезопасный ИнтернетОсваиваем сервисы Веб 2,0Занимательная биологияПритчи▼ “,”author”:”Наталья Дьячкова”,”date_published”:”2020-03-27T10:59:00.000Z”,”lead_image_url”:”//lh6.googleusercontent.com/proxy/Z0srxONeY0k23pyUs8kLGq2xrJPbevWnMq9kjcDu1yok9y2x_jTOIocaajC5A5S-X87pKuH4QjwmzxPeRA=w1200-h630-p-k-no-nu”,”dek”:null,”next_page_url”:”//dya4ckova.blogspot.com/?m=1″,”url”:”//dya4ckova.blogspot.com/2015/10/blog-post_22.html”,”domain”:”dya4ckova.blogspot.com”,”excerpt”:”Химический состав костей Все кости состоят из органических и неорганических (минеральных) веществ и воды, масса которой достигает 20% ма…”,”word_count”:969,”direction”:”ltr”,”total_pages”:2,”pages_rendered”:2}

Источник: //dya4ckova.blogspot.com/2015/10/blog-post_22.html?m=1

Твердость придают костям полезные вещества, содержащиеся в продуктах питания

Что придает прочность костной ткани

Опорно-двигательная система является основой организма. Скелет защищает отдельные органы от механических повреждений, поэтому от его состояния зависит жизнеспособность человека в целом. В нашей статье мы рассмотрим состав костей, особенности их строения и вещества, которые необходимы для их роста и развития.

Особенности строения костной ткани

Костная является разновидностью соединительной ткани. Она состоит из специализированных клеток и большого количества межклеточного вещества. В совокупности данная структура является одновременно прочной и эластичной. Твердость придают костям, прежде всего, специализированные клетки – остеоциты. Они имеют множество выростов, с помощью которых и соединяются между собой.

Визуально остеоциты напоминают сеть. Межклеточное вещество является эластичной основой костной ткани. Оно состоит из волокон белка коллагена, минеральной основы.

Состав костей

Четвертую часть от всего химического состава костей составляет вода. Она является основой для протекания всех обменных процессов. Твердость придают костям неорганические вещества. Это соли кальция, натрия, калия и магния, а также соединения фосфора. Их процентное содержание составляет 50 %.

Чтобы доказать их значение для данного вида ткани, можно провести простой опыт. Для этого кость необходимо поместить в раствор соляной кислоты. В результате минеральные вещества растворятся. Кость при этом станет настолько упругой, что ее можно будет завязать в узел.

25% от химического состава составляют органические вещества. Они представлены эластичным белком коллагеном. Он придает данной ткани упругость. Если прокалить кость на медленном огне, вода испарится, а органические вещества сгорят. В этом случае кость приобретет хрупкость и может рассыпаться.

Какие вещества придают костям твердость

Химический состав костной ткани изменяется на протяжении жизни человека. В молодом возрасте в ней преобладают органические вещества. В этот период кости отличаются гибкостью и мягкостью. Поэтому при неправильном положении тела и чрезмерных нагрузках скелет может искривляться, вызывая нарушение осанки. Предупредить это могут систематические занятия спортом и двигательная активность.

С течением времени в костях увеличивается количество минеральных солей. При этом они утрачивают свою эластичность. Твердость придают костям минеральные соли, в состав которых входят кальций, магний, фосфор, фтор. Но при чрезмерных нагрузках они могут привести к нарушению целостности и переломам.

Особенно важен кальций для костей. Его масса в организме человека составляет 1 кг у женщин и 1,5 кг у мужчин.

Роль кальция в организме

99% общего количества кальция находится в костях, формируя прочный каркас скелета. Оставшийся процент приходится на кровь. Этот макроэлемент является строительным материалом зубов и костей, необходимым условием для их роста и развития.

В организме человека кальций также регулирует работу мышечных тканей, в том числе и сердечной. В совокупности с магнием и натрием он влият на уровень давления крови, а с протромбином – на ее свертываемость.

От уровня кальция также зависит активизация ферментов, запускающая механизм синтеза нейромедиаторов. Это биологически активные вещества, через которые происходит передача импульса от клетки нервной ткани к мышцам. Данный макроэлемент также влияет на активизацию целого ряда ферментов, выполняющих различные функции: расщепление биополимеров, жировой обмен, синтез амилазы и мальтазы.

Кальций усиливает проницаемость поверхностного аппарата клеток, в частности их мембран. Это очень важно для транспорта различных веществ и поддержания гомеостаза – постоянства внутренней среды организма.

Полезные продукты

Как видите, недостаток кальция в организме может привести к серьезным нарушения его функционирования. Ежедневно ребенок должен употреблять около 600 мг этого вещества, взрослый человек – 1000 мг. А для беременных и кормящих грудью этот показатель необходимо увеличить в полтора-два раза.

Какие продукты богаты кальцием? Прежде всего это разнообразные молочные продукты: кефир, ряженка, сметана, творог… А лидером среди них являются твердые виды сыров. И дело даже не в количестве кальция, а в его форме.

В этих продуктах находится молочный сахар – лактоза, который способствует лучшему усвоению этого химического элемента. Количество кальция зависит и от жирности. Чем меньше этот показатель, тем больше его в молочном продукте.

Богаты кальцием и овощи. Это шпинат, брокколи, белокочанная и цветная капуста. Из орехов наиболее ценными являются миндаль и бразильский. Настоящий кладезь кальция – семя мака и кунжута. Их полезно употреблять как необработанными, так и в виде молока.

Повышению уровня кальция также способствует употребление в пищу пшеничных отрубей и выпечки из цельнозерновой муки, соевого сыра и молока, листьев петрушки, укропа, базилика и горчицы.

Опасные симптомы

Как понять, что кальция в организме недостаточно для его нормального развития? Внешними проявлениями этого являются слабость, раздражительность, быстрая утомляемость, сухость кожных покровов, ломкость ногтевой пластинки.

При серьезном недостатке кальция наблюдается разрушение зубов, судороги, боли и онеменение конечностей, нарушение процесса свертываемости крови, снижение иммунитета, тахикардия, развитие катаракты, склонность к частым переломам костей.

В таких случаях необходимо сдать кровь и при необходимости приступить к терапии.

Итак, твердость придают костям их минеральные компоненты. Прежде всего это соли, в состав которых входят кальций, магний и фосфор.

Источник: //FB.ru/article/308565/tverdost-pridayut-kostyam-poleznyie-veschestva-soderjaschiesya-v-produktah-pitaniya

Прочность кости. Профилактика остеопороза

Что придает прочность костной ткани

После постановки диагноза остеопороз могут быть рекомендованы меры по укреплению костей, которые оказались ослабленными из-за болезни. Мы предлагаем вам несколько шагов, которые могут увеличить прочность кости, и вы сможете предотвратить дальнейшую потерю костной массы и явления остеопороза.

Упражнения для укрепления костей при остеопорозе

Упражнения являются ключевыми элементами в профилактике и лечении остеопороза. Если у вас был диагностирован остеопороз, начните выполнять программу регулярных упражнений.

Это важный шаг, который вы можете предпринять, чтобы предотвратить дальнейшую потерю костной массы, потому что отсутствие подвижности является основным фактором риска для потери костной массы.

И если свой пол, возраст и генетику вы изменить не в силах, то регулярные упражнения — это то, что вы можете и должны контролировать. Вы можете изменить ваш образ жизни.

Наряду с сохранением прочности костей, упражнения укрепляют мышцы, дают больше поддержки суставам и сохраняют ваши суставы гибкими и сильными.

Если у вас уже был один перелом, физические упражнения и активность могут помочь сократить время восстановления и уменьшить боль.

Всегда советуйтесь с врачом, чтобы убедиться, что вы можете справиться с  физически упражнениями после перелома. Упражнения могут также сделать  вас более гибкими.

С возрастом риск переломов становится больше, но имея хороший баланс и гибкость, вы  сможете защитить себя.

Работа в офисе может стать причиной остеопороза

В возрасте 30-40 лет многие из нас становятся менее активными из-за сидячей работы. После 50 склонность к сидячей работе, как правило, только возрастает. Это может быть большой проблемой, особенно если есть другие факторы риска развития остеопороза.

Если вы сидите весь рабочий день и обнаружили, что упражнения и физическая активность становятся меньшей частью вашей обычной жизни, вы должны что-то сделать.

Вы можете выбрать время в течение дня и посвятить его физической нагрузке, чтобы сохранить свои кости сильными.

Насколько важно быть физически активным?

Некоторые исследования показали, что заметное снижение физической активности, например,  при длительном «сидячем» образе жизни, приводит к существенному снижению костной массы. Ярким примером являются случаи костных расстройств у космонавтов. Тесты на астронавтах, испытывающих невесомость, показали необходимость физической активности для поддержания «качества» костей.

Перетренированность может привести к снижению костной массы и переломам

Интересно, что все большее число фактов свидетельствует, что и слишком большая физическая нагрузка может привести к костным нарушениям.

Гормональные дисбалансы, которые возникают в результате интенсивных тренировок, могут привести к снижению костной массы, остеопениям и переломам. Явление представляет собой распространенную проблему для многих молодых спортсменок.

Поддержание постоянного баланса нагрузки и восстановления имеет решающее значение при сохранении костей крепкими и снижает риски заболевания остеопорозом.

Больше способов сохранить прочность кости

Спросите у  вашего лечащего врача, насколько часто вам нужно проходить денситометрию. Поговорите  об образе жизни, диете, о мерах, которые можно предпринять для предотвращения дальнейшей потери костной массы.

Кроме того, спросите о лекарствах, чтобы выяснить, могут ли они могут быть причиной потери костной массы. Нет необходимости страдать от перелома. Вот почему важно начать заботу о здоровье сегодня, чтобы укрепить кости и защитить их от дальнейшей потери костной массы.

Задайте врачу конкретные вопросы о здоровье ваших костей, следуйте его рекомендациям по предотвращению последствий остеопороза.

Если у вас уже были переломы, которые  не были связаны с травмой, очень важно, чтобы вы поговорили со своим врачом о профилактических мерах. Ваш первый перелом может быть положительным моментом, если он заставляет вас признавать проблему и принимать меры, чтобы укрепить кости.

Важно следить за своим образом жизни, питанием и физической активностью для предотвращения развития остеопороза. В профилактике и борьбе с остеопорозом поможет препарат «Остеомед», в его основе лежат натуральные природные компоненты: гомогенат трутневого расплода и цитрат кальция.

Остеопороз чаще вызван низким уровнем гормона тестостерона, который трутневый расплод помогает поддержать и тем самым благоприятно сказывается на состоянии костной ткани и препятствует вымыванию кальция из организма.

Также на процесс укрепления костной ткани положительно влияет соединение цитрата кальция, которое лучше усваивается в организме и которое также содержится в препарате «Остеомед».

Источник: //osteomed.su/prochnost-kosti/

Анализ костной ткани на прочность

Что придает прочность костной ткани

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на //www.allbest.ru/

1. Механические свойства биологических тканей

биологический кость прочность перелом

Структура материала является главным фактором, определяющим его механические свойства и характер процесса разрушения. Большинство биологических тканей являются анизотропными композитными материалами, образованными объёмным сочетанием химически разнородных компонентов. Состав каждого типа ткани формировался в процессе эволюции и зависит от функций, которые она выполняет.

Костная ткань. Кость – основной материал опорно-двигательного аппарата. Так в скелете человека более 200 костей. Скелет является опорой тела и способствует передвижению. У взрослого человека скелет весит около 12 кг (18% общего веса).

В компактной костной ткани половину объёма составляет неорганический материал, минеральное вещество кости – гидроксилапатит, Са10( РО4 )6(ОН)2.

Это вещество представлено в форме микроскопических кристалликов. Другая часть объёма состоит из органического материала, главным образом коллагена (высокомолекулярное соединение, волокнистый белок, обладающий большой эластичностью).

Способность кости к упругой деформации реализуется за счёт минерального вещества, а ползучесть за счёт коллагена.

Кость является армированным композиционным материалом. Например, кости нижних конечностей армированы высокопрочными волокнами в окружных и спирально перекрещивающихся направлениях.

Механические свойства костной ткани зависят от многих факторов: возраста, заболевания. Индивидуальных условий роста. В норме плотность костной ткани 2400 кг /м 3. При различных способах деформирования кость ведёт себя по-разному. Прочность на сжатие выше, чем на растяжение или изгиб. Так, бедренная кость в продольном направлении выдерживает нагрузку 45000Н, а при изгибе – 25000Н.

Запас механической прочности кости весьма значителен и заметно превышает нагрузки, с которыми она встречается в обычных жизненных условиях.

Вся архитектоника костной ткани идеально соответствует опорной функции скелета, ориентация костных перекладин параллельна линиям основных напряжений, что позволяет кости выдерживать большие механические нагрузки.

Кости обладают различной прочностью в зависимости от функции, которую выполняют.

Бедренная кость в вертикальном положении выдерживает нагрузку до 1,5 т, а большая берцовая кость до 1,8 т (это в 25 – 30 раз больше веса нормального человека).

Установлено, что в соответствии с выполнением физиологических задач по реализации опорных и локомоторных функций согласно распределению силовых нагрузок в костях формируются зоны разной твёрдости.

Однако кость по прочности уступает только твёрдым сортам стали и оказывается гораздо прочнее ставших образцами прочности гранита и бетона. На композитную природу кости указывает низкое значение её модуля Юнга по сравнению с однородными материалами, обладающими такой же прочностью.

Средняя часть плечевой кости человека имеет площадь поперечного сечения около 3,3 см2. Легко доказать, что максимальный вес груза, который может удерживать эта кость, находясь в вертикальном положении и работая на сжатие, близок к 60000Н.

В от же время максимальная сила, которую может выдержать та же кость, если она работает на изгиб, а сила приложена к свободному концу кости перпендикулярно оси, близка к 5500Н.

2. Механика карате

Прекрасной иллюстрацией прочности костей человека может служить популярный сейчас вид спортивных упражнений – карате.

Как может голая рука разбивать такие прочные предметы, как дубовые или бетонные бруски, не ломаясь сама? Попробуем оценить необходимую для этого энергию Ер.

Используя закон Гука для деформации бруска и формулу для потенциальной энергии, запасённой в сжатой пружине, можно определить потенциальную энергию руки в момент удара.

Таким образом, рука каратиста обладает достаточным запасом энергии, чтобы разрушить брусок из бетона.

То, что рука каратиста не ломается при ударе о брусок, частично объясняется гораздо большей прочностью костей по сравнению с бетоном.

Если весь кулак в момент удара заменить костью длиной 6 см и диаметром 2 см, фиксированной в двух крайних точках, а удар о брусок моделировать силой, действующей на её середину, то в таких условиях кость может выдержать 25000Н. Это приблизительно в 8 раз больше, чем сила, действующая на кулак каратиста при разламывании бетонных брусков.

Однако, возможности руки каратиста противостоять таким ударам ещё больше, т.к. в отличии от бетонного бруска она не поддерживается по краям и удар не приходится точно в середину. Кроме того, между костью и бруском бетона всегда находится эластичная ткань, амортизирующая удар. Итак, ссылаться на хрупкость наших костей, оправдывая свою нерешительность, мы не вправе. Они не подведут.

Активное взаимодействие организма с внешней средой и опосредованное участие в этом всех его многочисленных систем и органов обеспечивается через опорно-двигательный аппарат.

Основной же компонент аппарата движений – мышца – отличается от таких систем, прежде всего тем, что она непосредственно преобразует химическую энергию в механическую, достигая довольно высокого коэффициента полезного действия в условиях нормальной температуры тела человека.

Основной структурно-функциональной единицей скелета человека является кость. В организме человека каждая кость-это живой, пластичный орган. Она имеет свою морфологическую структуру, функционирует как часть целостного организма и состоит из нескольких тканей.

Основной тканью в кости является костная ткань; кроме неё имеются плотная соединительная ткань, образующая, например, оболочку кости, которая покрывает её сосуды снаружи, рыхлая соединительная ткань, одевающая сосуды, хрящевая ткань, покрывающая концы костей или образующая зоны роста, ретикулярная ткань, являющаяся основой костного мозга, и элементы нервной ткани – нервы нервные окончания. Каждая кость имеет определенную форму, величину, строение и находиться в связи с соседними костями. В состав скелета входит 206 костей – 85 парных и 36 непарных. Кости составляют примерно 18% веса тела. Функция костной ткани многообразна. Первая и наиболее важная функция опоры для мягких тканей, подавляющее большинство которых располагается в области костных образований и прикрепляется к костям. Мышцы, проходят над местами соединения костей, и производят смещение одной кости в отношении другой или перемещение всего тела относительно поверхности Земли.

Тем самым кости как опорные образования (в основном, рычаги) принимают участие в выполнении всех движений, совершаемых человеком. Кости также формируют полости (черепная, спинномозговая, тазовая и грудная) для защиты внутренних органов. В кости находится красный костный мозг, который выполняет функцию кроветворения.

Кости осуществляют функцию депо для минеральных веществ и микроэлементов. Прочность костной ткани обеспечивается сложным сочетанием важнейших ее химических компонентов – органических, неорганических соединений и воды.

В зависимости от питания, условий жизни и ряда других факторов в кости меняется процентное соотношение этих компонентов и ее прочность. В костях детей относительно больше, чем в костях взрослых, оссеина, они более эластичны, меньше подвержены переломам, но под влиянием чрезмерных нагрузок легче деформируются.

Кости, выдерживающие большую нагрузку, богаче известью, чем кости, менее нагруженные. При недостатке в пище ребенка витамина D в костях плохо откладываются соли извести, сроки окостенения нарушаются, а недостаток витамина А может привести к утолщению костей, запустению каналов в костной ткани.

Процессы, которым подвергается кость, включают развитие, укрепление и резорбцию. Они имеют собирательное название – ремоделирование, или реконструкция. Полный цикл ремоделирования (замены всех структур) костей конечности взрослого человека составляет около 10-20 лет.

Физические нагрузки являются основным фактором, определяющим увеличение костной массы у людей. Среди компонентов нагрузки, способствующих увеличению плотности минералов кости, основным является величина отягощения.

Конроем (1996) экспериментально установлено, что адаптация костной массы юных штангистов на 30-50% (в зависимости от анатомического участка и индивидуальных особенностей спортсмена) зависит от силы, развиваемой при выполнении упражнений. Обнаружены различия в минеральном составе, плотности и массе костей доминирующих конечностей по сравнению с не доминирующими. Проявляется это в том, что кости доминирующих конечностей, имеют большую массу, ширину и плотность минералов.

В целом следует отметить, что повышение уровня плотностей костей отмечается в тех участках скелета, которые подвергаются наиболее интенсивным механическим воздействиям. Плотность костей в значительной мере определяется квалификацией спортсменов, спецификой тренировочной и соревновательной деятельности в различных видах спорта.

У спортсменов высокого класса отмечается повышенная плотность костей по сравнению со спортсменами низкой квалификации и особенно лицами, не занимающимися спортом.

Представители скоростно-силовых видов спорта, вольной и греко-римской борьбы имеют достоверно более высокие показатели плотности костей по сравнению со спортсменами, специализирующимися в циклических, игровых и сложнокоординационных видах спорта (фигурное катание, художественная и спортивная гимнастика).

На снижение плотности костей приводят большие объёмы работы на выносливость.

Особенно низкая плотность костей отмечается у пловцов на длинные дистанции, что обусловлено не только большим объёмом работы аэробного характера, спецификой отбора пловцов, способных показать высокие результаты на стайерских дистанциях, но и спецификой водной среды, резко снижающей нагрузки на опорно-двигательный аппарат. Кости как органы представлены у человека в виде единой функциональной системы, относящейся к пассивному двигательному аппарату. По форме и виду соединений костей можно представить объем движений и тем самым судить о функциональных особенностях аппарата движений.

Таблица 1. Твёрдость по Бринеллю для тканей челюстных костей зубов

УчастокИсследуемая тканьТвёрдость, 104 Н х м -2
Верхняя челюсть (боковой участок)Компактное вещество444
Трабекулы губчатого вещества452
Нижняя челюсть (боковой участок)Компактное вещество458
Трабекулы губчатого вещества457
ЭмальРезцы, клыки, премоляры, моляры3776
ДентинРезцы, клыки726

Таблица 2. Прочность тканей

МатериалПрочность, Н/ мм2Модуль Юнга, Па
На сжатиена растяжение
КостьСтальФарфорГранитДубБетон17055225014559211208275551172179 х 108207 х 109-517 х 10811 х 109165 х 108

Таблица 3. Пределы прочности бедренной кости различных объектов

Предел прочности, МПаЧеловекЛошадь
Сжатие170145
Растяжение124121

Таблица 4. Прочностные характеристики различных тканей

Вид тканиПредел прочности на сжатие, МПа
Сплошная кость147
Минеральный компонент44
Белковый компонент0,1
Эмаль34 – 45
Дентин20
Ребро1 – 4
Позвонок7
Компактное вещество бедренной кости1470 – 2940
Губчатое вещество бедренной кости68
Связки крупных суставов10 – 16

Таблица 5. Модуль упругости (модуль Юнга) некоторых материалов

МатериалМодуль Юнга, Е, Па
Кость2 х 109
Коллаген107 – 108
Сухожилия1,6 х 108
Древесина12 х 109
Резина5 х 106
Сталь2 х 1011

Литература

1. Алтер М.Ф. Наука о гибкости. – К.: Олимпийская литература, 2001. – 421с.

2. Белинцев Б.М. Физические основы биологического формообразования. – М.: Наука, 1991.-252с.

3. Энока P.M. Основы кинезиологии. – К.: Олимпийская литература, 1998. С. 40- 60.

Размещено на Allbest.ru

Источник: //revolution.allbest.ru/biology/00609343_0.html

8. Строение и рост костей [1982 Цузмер А.М., Петришина О.Л. – Человек. Анатомия, физиология и гигиена]

Что придает прочность костной ткани

Состав костной ткани. Кости отличаются большой прочностью. Большая берцовая кость человека, находящаяся в вертикальном положении, может выдержать груз в 1500 кг (рис. 38).

Рис. 38

Большая прочность костей зависит от их состава. Они образованы как органическими, так и неорганическими соединениями. Значение этих веществ легко выяснить, проделав простой опыт.

Если долго прокаливать кость, то из нее удаляется вода, а органические соединения сгорают.

Когда это делают осторожно, кость не теряет своей формы, но становится настолько хрупкой, что при прикосновении сразу рассыпается на мелкие, но очень твердые частицы, состоящие из неорганических веществ.

Нетрудно удалить из кости неорганические соединения – минеральные соли. Среди них назовем карбонат и фосфат кальция. Для этого кость выдерживают в течение суток в 10-процентном растворе НСl.

Неорганические соединения постепенно растворяются, и кость становится настолько гибкой и растяжимой, что ее можно свернуть спиралью. Но стоит отпустить концы этой спирали, как она раскручивается и возвращается в прежнее положение.

Органические соединения придают кости гибкость и упругость.

Сочетание твердости неорганических соединений с упругостью органических обеспечивает большую прочность костей. Наиболее прочны кости взрослого, но не старого человека.

Строение костей. Прочность костей обусловлена не только их составом, но и строением.

Длинные кости, например кости плеча, предплечья, бедра, голени, в средней части полые. Это трубчатые кости. На их концах находятся утолщенные головки, в которых нет полости. Трубчатое строение длинных костей обеспечивает одновременно их прочность и легкость.

Ведь известно, что металлическая или пластмассовая трубка почти так же прочна, как сплошной стержень из того же материала, равный ей по длине и диаметру. Поэтому в технике прочные и легкие сооружения часто изготовляют из труб.

В полостях трубчатых костей находится соединительная ткань, богатая жиром, – желтый костный мозг.

Рис. 39

Головки трубчатых костей образованы губчатым веществом (рис. 39 ), которое состоит из множества перекрещивающихся костных пластинок.

Они расположены в тех направлениях, по которым кости испытывают наибольшее растяжение или сжатие. Такое строение обеспечивает прочность и легкость костей.

Многие легкие и прочные конструкции, например мосты, радиомачты, строят из перекрещивающихся металлических балок (рис. 40 ).

Рис. 40

Короткие кости, например косточки запястья и предплюсны, позвонки, также образованы в основном губчатым веществом. Такое же строение имеют плоские кости, например лопатки, ребра, кости таза и крыши черепа. Пространства между костными пластинками заполнены красным костным мозгом, который образован соединительной тканью.

Поверхность костей покрыта надкостницей (рис. 41 , 1). Это тонкий, но плотный слой соединительной ткани, сросшийся с костью. В надкостнице проходят кровеносные сосуды и нервы. Головки длинных костей, покрытые хрящом (2), не имеют слоя надкостницы.

Рис. 41

Рост костей. Во время зародышевого развития человека постепенно формируется скелет. Вначале он состоит из мягкой соединительной ткани, которая затем заменяется хрящом.

У новорожденного большая часть хрящевой ткани уже заменена костной, но эта замена завершается лишь к 22 – 25 годам. При окостенении скелета в некоторых костях мягкая соединительная ткань непосредственно заменяется костной, минуя стадию хряща.

В детстве и юности кости людей растут в длину и толщину. У взрослых происходит постоянное обновление костного вещества.

Для изучения роста и обновления костного вещества проводились опыты на животных.

В пищу теленка добавляли специальную неядовитую краску. В кормлении такой пищей делали перерывы: десять дней давали пищу с краской, следующие десять дней без нее, и так несколько раз. От кишечника краска переносилась кровью ко всем органам.

После забоя бычка одну из его длинных трубчатых костей распилили поперек. На распиле обнаружились окрашенные и белые слои, чередующиеся в виде концентрических колец. Стало ясно, что кость выросла в толщину и во время роста она покрывалась снаружи новыми слоями.

Что это действительно так, показал другой опыт. У молодой собаки разрезали кожу на бедре, раздвинули мышцы и обвязали бедренную кость проволочкой. Прошли годы. После смерти животного его вскрыли. На поверхности бедренной кости проволочного кольца не было.

Его нашли во внутренней полости кости.

Чем же объясняется рост кости в толщину? Клетки внутренней поверхности надкостницы быстро делятся и откладывают на поверхности кости новые слои костных клеток. Вокруг этих клеток образуется межклеточное вещество.

У взрослых кости не удлиняются и не утолщаются. Но замена старого костного вещества новым продолжается всю жизнь.

Как это происходит? Выяснено, что в костях есть особые клетки, которые разрушают старое костное вещество.

Теперь понятно, как проволочное кольцо, надетое на бедренную кость собаки, попало во внутреннюю полость. Старое костное вещество изнутри разрушалось, а с поверхности образовывалось новое.

■ Длинные кости. Короткие кости. Плоские кости. Надкостница.

? 1. Какие вещества входят в состав кости? 2. Какое строение имеют кости? 3. От него зависят прочность и легкость костей скелета? 4. Благодаря чему происходит рост костей в толщину?

▲ Из двух одинаковых листков бумаги скатайте полую трубочку и сплошную палочку. Положите каждую из них горизонтально на две подставки и, подвешивая к середине их постепенно увеличивающиеся грузики, определите, какая из них прогибается при меньшей и какая при большей нагрузке. Сообразите, какую особенность строения кости вы выяснили этим опытом.

Источник: //anfiz.ru/books/item/f00/s00/z0000033/st010.shtml

Лечение Костей
Добавить комментарий