Біомеханіка

БІО­МЕХА́НІКА (від біо… і механіка) — галузь біофізики, що ви­вчає структури та явища в живих організмах з по­гляду механіки й дає математичний опис моделі обʼєкта дослідже­н­ня. Структура роз­ділів Б. від­повід­ає роз­ділам фізики (опір матеріалів, кінематика, гідро- та аеродинаміка тощо) або досліджув. функціям організму (біо­механіка мʼязів, гемодинаміка тощо). Б. стикається з ін. галузями біології: функціонал. морфологією, біо­нікою, біо­хімією, біо­фізикою, молекуляр. біо­логією, фізіологією нервово-мʼяз. 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. Пʼятецький, С. Довгий) та біо­логії пд. морів (Ю. Алєєв, Г. Зуєв). Принципи будови рослин викори­став в арх-рі О. Лазарев. Б. має різноманітні обʼєкти й під­ходи дослідже­н­ня. Внутрішньоклітин­ні й макромолекулярні механізми й машини не менш складні за будовою, ніж багатоланкові скелетно-мʼяз. 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, звʼязані з двома сусід. молекулами тубуліну. Часом один із звʼязків роз­ривається, молекула кінезину обертається й вільна субодиниця звʼязується 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 звʼязку. 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 мʼязове 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, зʼ­єд­наних білком, у покривах комах, волокон целюлози, зʼ­єд­наних 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 звʼязки. 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.

Завантажити статтю