Біомеханіка
БІОМЕХА́НІКА (від біо… і механіка) — галузь біофізики, що вивчає структури та явища в живих організмах з погляду механіки й дає математичний опис моделі об’єкта дослідження. Структура розділів Б. відповідає розділам фізики (опір матеріалів, кінематика, гідро- та аеродинаміка тощо) або досліджув. функціям організму (біомеханіка м’язів, гемодинаміка тощо). Б. стикається з ін. галузями біології: функціонал. морфологією, біонікою, біохімією, біофізикою, молекуляр. біологією, фізіологією нервово-м’яз. системи тощо. Важл. місце в медицині належить патофізіології серц.-судин. системи, ортопедії, фізіології спорту. Відкриття Б. застосовуються в авіа-, судно- й приладобудуванні, робототехніці, матеріалознавстві, арх-рі, мед. протезуванні, ергономіці. Б. — одна з найдавніших галузей біології. В античні часи Аристотель та Гален дали описи рухів тварин і людини, Вітрувій виклав властивості буд. матеріалів рослин. походження. У середні віки Леонардо да Вінчі описав механіку ходіння, стрибків та ін. рухів людини, будову й рухи пташиних крил. Дж. Бореллі поклав початок Б. як науці книгою «De motu animalum» («Про рухи тварин», 1680).
Біомех. дослідження локомотор. системи тварин в Україні, започатк. В. Касьяненком, згодом продовжені в Інституті зоології НАНУ (С. Манзій, К. Мельник, О. Березкін, М. Ковтун, Л. Францевич). Клінічну Б. кровообігу й опорно-рух. апарату людини досліджують В. Шаргородський і А. Бруско в Інституті травматології та ортопедії АМНУ. Матем. аналіз крокуючого руху здійснив В. Ларін в Інституті математики АН УРСР. Б. спорт. рухів вивчають у Нац. університеті фіз. виховання і спорту України (А. Лапутін та ін.). Для вирішення завдань біоніки проводять дослідж. гідродинаміки дельфінів, риб, кальмарів в інститутах НАНУ: гідродинаміки (Л. Козлов, В. Бабенко, В. П’ятецький, С. Довгий) та біології пд. морів (Ю. Алєєв, Г. Зуєв). Принципи будови рослин використав в арх-рі О. Лазарев. Б. має різноманітні об’єкти й підходи дослідження. Внутрішньоклітинні й макромолекулярні механізми й машини не менш складні за будовою, ніж багатоланкові скелетно-м’яз. системи тварин. Основою клітин. скелету є мікротрубочки, сплетені у вигадливу, орієнтовану мережу. Вони формуються з білка тубуліну. Клітинні органели транспортуються вздовж мікротрубочок від середини до периферії клітини або у зворот. напрямі. Відцентр. рух виконують молекули білка кінезину. Дві субодиниці кінезину, обернені до мікротрубочки, зв’язані з двома сусід. молекулами тубуліну. Часом один із зв’язків розривається, молекула кінезину обертається й вільна субодиниця зв’язується з новою молекулою тубуліну. Молекула кінезину рухається на 8 нм, виконавши роботу вдвічі меншу, ніж за рахунок енергії гідролізу молекули АТФ, котра споживається для розриву та відновлення зв’язку. Кінезин рухається вздовж мікротрубочки зі швидкістю 1 мкм/с і тягне за собою органелу, приєднану до другої ділянки кінезину містком із молекули білка кінектину. Зворот. рух виконують молекули ін. білка — динеїну. Так само діють лінійні та колові молекулярні двигуни, що виконують м’язове скорочення, обертання джгутиків. Опорні тканини рослин і тварин складені з композит. матеріалів. Висока міцність досягається за рахунок поєднання двох матеріалів: мікрокристалів гідроксиапатиту й мікрофібрил колагену в кістці хребетних, мікрофібрил хітину, з’єднаних білком, у покривах комах, волокон целюлози, з’єднаних лігніном, в оболонках клітин склеренхіми рослин. Важл. розділом Б. є механіка керов. тіла. Мета руху — досягнення заданої точки в просторі, прийняття певної постави, переміщення зовн. предмета. Існує багато способів досягнення мети руху, бо рух, як правило, виконують багатоланкові кінемат. ланцюги з числен. ступенями свободи. Швидкі рухи (балістичні) відбуваються без жодних виправлень. Повільніші й точніші рухи виконуються з корекцією помилок, при цьому використовуються сенсорні зворотні зв’язки. Статті, присвяч. Б., публікуються в журналах: «Биофизика», «Annual Biomedical Engineering», «Biomaterials», «Cell Motility and the Cytosceleton», «International Journal Artificial Organs», «Journal Applied Biomechanics», «Journal Biomechanics», «Journal Theoretic Biology», «Journal Biomechanical Engineering» та ін.
Рекомендована література
- Александер Р. Биомеханика / Пер. с англ. Москва, 1970;
- Гамбарян П. П. Бег млекопитающих. Ленинград, 1972;
- Кокшайский Н. В. Очерк биологической аэро- и гидродинамики. Москва, 1974;
- Алеев Ю. Г. Нектон. К., 1976;
- Коренев Г. В. Введение в механику человека. Москва, 1977;
- Бранков Г. Основы биомеханики. Москва, 1981;
- Бродский А. К. Механика полета насекомых. Ленинград, 1988;
- Глазер Р. Очерк основ биомеханики. Москва, 1988.
Завантажити статтю
