Конструкции, или почему не ломаются вещи - Гордон Джеймс Эдвард (читаем книги онлайн бесплатно без регистрации .txt) 📗

Такой иммунитет к концентрации напряжений определяется отнюдь не мягкостьютканей и малым модулем Юнга. Резина тоже мягкая, и ее модуль Юнга тожеочень мал, однако все мы помним с детства, как выпущенные в сад воздушныешарики очень скоро с шумом лопались, наткнувшись на шипы первого же куста.Детьми мы не понимали, что из-за концентрации напряжений и малой величиныработы разрушения от прокола в натянутой резине очень быстро распространяетсятрещина, а если бы и понимали, то вряд ли это уменьшило бы наши огорчения.Перепонка же крыла летучей мыши ведет себя иначе, хотя также сильно натягиваетсяв полете. При проколе крыла разрыв от этого места распространяется редкои повреждение скоро заживает, несмотря на то что мышь не перестает летать.

Объяснение этого кроется, я думаю, в существенных различиях упругихсвойств и величин работы разрушения резины и биологических тканей. В настоящеевремя данные о работе разрушения мягких биологических тканей, по существу,отсутствуют, однако зависимости напряжения от деформации в большинствеслучаев известны очень хорошо, а между формой этих зависимостей и работойразрушения, по-видимому, имеется тесная связь.

Интересный пример составляет пленка куриного яйца - пленка, которуюмы видим за завтраком сразу под скорлупой вареного яйца. Это одна из немногихбиологических мембран, которые подчиняются закону Гука, в данном случае- вплоть до деформаций около 24%, когда происходит разрыв пленки. Простой(правда, грозящий легкими неприятностями) эксперимент с сырым яйцом показывает,что эта пленка легко рвется. Так, конечно, и должно быть, поскольку иначецыпленку было бы трудно вылупиться из яйца. Между прочим, округлая формасамой скорлупы такова, что ее трудно разрушить снаружи, но легко разбитьизнутри.

Яичная пленка - ткань, по-видимому, исключительная; по самому своемупредназначению она подлежит разрушению после того, как сделает свое дело,сохранив в яйце влагу и защитив его от инфекции. Вероятно, именно по этойпричине она обладает, как мы говорили, особыми упругими свойствами. Однакоупругие свойства подавляющего большинства мягких тканей совершенно другие, иххарактеризует зависимость, показанная на рис. 53, и, для того чтобы выполнятьсвое назначение, большинству из этих тканей необходимо быть "вязкими". Напрактике оказывается, что материалы с зависимостью напряжения от деформацииподобного типа рвутся с очень большим трудом; следует заметить, что внутренниепричины этого не вполне ясны. Одна из причин, возможно, состоит в том, чтозапасаемая упругая энергия, которая может идти на развитие трещины (а онадается площадью под кривой деформирования - см. гл. 4), меньше, чем для другихтипов кривой деформирования [54].

Как мы уже говорили, упругое поведение большинства тканей животных близкок показанному на рис. 53. Должен сознаться, когда я впервые обратил наэто внимание, мне показалось, что это некая странность или причуда Природы,которая, увы, не смогла придумать ничего лучшего, не получив приличногоинженерного образования. Однако после довольно путаных попыток исследоватьпроблему на основе грубых расчетов мне становится все более ясным, чтов случаях, когда конструктивная система должна надежно работать, испытываядействительно большие обратимые деформации, такая зависимость напряженияот деформации - единственно приемлемая. Появление тканей животных с такоготипа кривой деформирования было весьма важным для эволюции и существованиявысших форм жизни. Биологам это полезно иметь в виду.

Строение мягких тканей

Отчасти, возможно, по указанным причинам молекулярная структура тканейживотных редко напоминает структуру резины или синтетических полимеров.Строение большинства тканей животных очень сложное, чаще всего они являютсясоставными (композитными) и включают по крайней мере два компонента. Вих состав входит сплошная фаза, или матрица, в которой распределены армирующиеее прочные нити, или волокна, из другого вещества. Во многих случаях этасплошная фаза содержит вещество, называемое эластином, который имеет оченьмалый модуль Юнга и кривую деформирования такого типа, как показана нарис. 56. Другими словами, по своим упругим свойствам эластин лишь на однуступеньку отличается от жидкостной пленки с поверхностным натяжением. Эластин,однако, армирован прочными зигзагообразными волокнами коллагена (рис. 56а),представляющего собой разновидность протеина - вещества, близкого к веществусухожилий и имеющего большой модуль Юнга и почти гуковское поведение. Вследствиетого что армирующие волокна сильно перекручены, они вносят очень малыйвклад в сопротивление материала растяжению при малых деформациях, и упругоеповедение материала в этом случае весьма близко к поведению эластина. Однакопо мере того, как композитная ткань вытягивается, коллагеновые волокнапостепенно становятся все более туго натянутыми, и, таким образом, модульЮнга материала в растянутом состоянии будет определяться модулем Юнга коллагена.Описанное поведение материала более или менее соответствует кривой, изображеннойна рис. 53.

Рис. 56. Примерный вид кривых деформирования эластина и коллагена.

Рис. 56а. Поперечный разрез артерии под микроскопом. Упругие свойстваартерии обеспечивает эластин, укрепленный перекрученными коллагеновыми нитями.(Артерии, освобожденные от крови, делаются плоскими.)

Роль коллагеновых волокон не сводится только к увеличению жесткоститкани при больших деформациях, они, по-видимому, нужны и для того, чтобыобеспечить "вязкость" ткани, то есть ее трещиностойкость. Когда на живойткани возникает порез в результате травмы или под действием скальпеля,на первой стадии процесса заживления на заметных расстояниях вокруг раныколлагеновые волокна временно исчезают. Только после того, как полостьраны заполняется эластином, коллагеновые волокна образуются вновь и восстанавливаетсяполная первоначальная прочность ткани. Этот процесс может продолжаться3 или 4 недели, и пока он не закончится, величина работы разрушения тканив окрестности раны чрезвычайно мала. Поэтому, если в течение двух-трехнедель после хирургической операции требуется вновь вскрыть зашитую полость,в этом месте бывает трудно наложить надежные швы.

Коллаген существует в различных формах, в частности, он может состоять изперекрученных нитей протеиновых молекул. Его сопротивление деформированиюопределяется главным образом натяжением связей между атомами в молекулах, ипотому он ведет себя, по Гуку, подобно нейлону или стали. А почему эластинведет себя почти так же, как пленки жидкости с поверхностным натяжением?Краткий ответ на этот вопрос состоит в том, что на самом деле этого никто незнает. Однако профессоры Вейс-Фог и Андерсен выдвинули предположение, что такоеповедение может быть обязано некоей модифицированной форме поверхностногонатяжения. Согласно их гипотезе эластин состоит из сети гибких длинных цепочекмолекул, находящихся внутри эмульсии. Капельки жидкости в составе эмульсиисмачивают эти молекулярные цепочки, в то время как основное вещество эмульсииих не смачивает. В связи с этим молекулярным цепям энергетически выгодно почтипо всей их длине свернуться в клубки внутри капелек жидкости (рис. 57, а).При действии растягивающих нагрузок они вытягиваются из капель и распрямляются(рис. 57, б) [55].

Рис. 57. Предполагаемое строение эластина. а - недеформированноесостояние, цепи молекул находятся главным образом в скрученном состоянии внутрикапелек; б - деформированное состояние, цепи молекул вытянуты из капелек.

Наше тело состоит по большей части из мышц, являющихся биологически активнойтканью, способной сокращаться и тем самым вызывать растяжения сухожилийи других тканей. Мышцы, однако, содержат коллагеновые нити, упругие свойствакоторых могут играть только пассивную роль. Если растягивать умерщвленнуюмышцу, получается зависимость напряжения от деформации, опять-таки оченьпохожая на приведенную на рис. 53, и представляется вероятным, что коллагенв мышце несет функцию ограничения ее растяжения в расслабленном состоянии.Другими словами, он действует как некий тормоз, обеспечивающий безопасность.