医学物理学.

第二章物体的弹性医学物理学第二章物体的弹性第二章物体的弹性掌握描述物体弹性的基本概念：形变、应变、应力、模量。理解应力与应变的关系。了解骨骼的力学特性和生物材料的黏弹性。教学基本要求第二章物体的弹性物体形变形变定义：物体在外力作用下发生形状和大小的改变。形变类型：从弹性体的恢复情况划分有弹性形变、范性（塑性）形变。从形状变化情况划分有伸长、缩短、切变、扭转、弯曲等形变。伸长和缩短合称线变。线变和切变是弹性形变的两种基本类型，其他形变实际上是这两种形变的复合。第二章物体的弹性第一节线应变与正应力一、线应变对一细长物体施加拉力F使之拉伸,其伸长变化率称为线应变：0llll若物体被拉伸＞0,ε＞0；若物体被压缩＜0,ε＜0。（2-1）第二章物体的弹性1.内力物体内部任一横截面两边材料之间存在的一种相互作用力。2.张力垂直于任一截面的拉伸内力。3.压力垂直于任一截面的相互挤压的内力。二、正应力第二章物体的弹性4.正应力如果是均匀物体，则张力F与横截面面积S之比，称为该横截面上的正应力，用σ表示:（2-2）如果是物体受力不均匀或者内部材料不均匀的一般情况，可以取一个微小的面元，其面积为dS，设这个面元上的张力为dF，则该面元上的正应力表示为（2-3）正应力分为张应力(σ＞0)与压应力(σ＜0).SFSFSFSddlim0第二章物体的弹性1.低碳钢正应力与线应变的关系从图上可将拉伸分为弹性、屈服、硬化和颈缩四个阶段：三、正应力与线应变的关系第二章物体的弹性①弹性阶段曲线中OA段，A点称为正比极限。B点的正应力叫做弹性极限。②屈服阶段过了C点是屈服阶段，这一阶段的最大正应力为屈服强度。③硬化阶段从D点开始是硬化阶段，只有加大正应力，才能使物体进一步伸长，此即材料的硬化；E点的正应力叫做强度极限；第二章物体的弹性④颈缩阶段过了E点是颈缩阶段；F点称为断裂点。拉伸时，断裂点的正应力称为材料的抗张强度。压缩时，断裂点的正应力称为材料的抗压强度。B~F是材料的范性（塑性）范围。如果F点距B点较远，则这种材料能产生较大的范性形变，表示它具有展性。如果F点距B点较近，则这种材料能产生较小的范性形变，材料表现为脆性。第二章物体的弹性实验表明：在正比极限内，正应力与线应变成正比，即（2-4）Y称为杨氏模量。结合（2-1）和（2-2）式（2-5）即为胡克定律其中YlSFlllSFY00//lkllYSF00lYSk第二章物体的弹性杨氏模量Y只与材料的性质有关，它反映材料抵抗线变的能力，其值越大物体越不容易变形。几种材料的杨氏模量见表材料低碳钢铸铁花岗岩铅骨/拉伸骨/压缩木材尼龙腱橡胶血管杨氏模量Y109N·m-2196785017169103.60.020.0010.0002第二章物体的弹性2.骨作为一种弹性材料，在正比极限范围之内，它的正应力和线应变成正比关系。骨骼在被拉伸时会伸长、变细（如人进行悬垂动作）。骨骼在被压缩时（如举重）能够刺激骨的生长，促进骨折愈合；但压缩作用较大时能使骨缩短、变粗。拉伸与压缩的极限应力分别为134MN·m-2与170MN·m-2湿润而致密的成人四肢骨的正应力-线应变曲线第二章物体的弹性3.主动脉弹性组织的正应力与线应变关系并不服从胡克定律，曲线没有直线部分。主动脉弹性组织的弹性极限十分接近断裂点，这说明只要它没有被拉断，在外力消失后都能恢复原状。弹性组织应变可达到1.0，这说明它可以伸长到原有长度的两倍，这一点和橡胶皮比较类似。主动脉弹性组织的正应力-线应变曲线第二章物体的弹性[例2-1]如图所示，一根结构均匀的弹性杆，密度为，杨氏模量为Y。将此杆竖直悬挂，使上端固定，下端自由。求杆中的应力和应变。解：设杆在悬挂时的长为l，横截面积为S。以悬挂点为原点向下作Ox轴，如图所示，计算坐标为x（0xl）的横截面处的应力和应变。SF由得这个截面处的应力为：gxlSSgxl)()(又因为，YYgxlY)(所以这个截面处的应变为：第二章物体的弹性[例2-2]股骨是大腿中的主要骨骼。如果成年人股骨的最小截面积是610-4m2，问受压负荷为多大时将发生碎裂？又假定直至碎裂前，应力-应变关系还是线性，试求发生碎裂时的应变。（抗压强度=17107N·m-2）解：导致骨碎裂的作用力根据骨的杨氏模量Y=0.91010N·m-2，可求碎裂时的应变74517106101.0210NFS%9.1019.0109.01017107Y第二章物体的弹性平面弯曲是指物体具有一个纵向的对称面，所有外力的合力都集中在这个对称面里。在两个支架上放置一横梁。当横梁受到一个垂直于轴线的横向压力P时，如图（b）所示，横梁发生弯曲。显然，凸出的一侧被拉伸，凹进的一侧被压缩。四、弯曲第二章物体的弹性第二节切应变与切应力一、切应变当物体两端同时受到反向平行的拉力F作用时会发生形变，如图所示，其内部与该截面平行的平面发生错位，使原来与这些截面正交的线段变得不再正交，这样的形变叫做切应变。发生错位的这些平面叫做剪切面，平行于这个平面的外力叫做剪切力。剪切的程度以Δx/d比值来衡量，这一比值称为切应变(γ)：（2-6）gtdx第二章物体的弹性二、切应力弹性体发生切变时，任一剪切面两边材料之间存在相互作用并且大小相等的切向内力。通过弹性体内某一个面元的切应力为（2-8）SFSFSFSddlim0当切向内力在上下底面上分布均匀时，剪切力F与截面积S之比称为切应力,又称为剪切应力。用τ表示。（2-7）第二章物体的弹性三、切应力与切应变的关系实验证明，在一定的限度内，切应力与切应变成正比，这种正比关系叫做切变的胡克定律。即：GG上式中比例系数G称为切变模量，也叫刚性模量。结合（2-6）和（2-8）式xSFddxSFG//（2-10）（2-9）与杨氏模量类似，切变模量也只与材料的性质有关，几种材料的切变模量见表：第二章物体的弹性剪切作用时，人骨骼所能承受的剪切载荷比拉伸和压缩载荷都低。骨骼的剪切破坏应力约等于54MN·m-2。材料钨低碳钢铜铸铁玻璃熔石英铝骨木材铅切变模量G109Nm-2140784035302510106第二章物体的弹性若使圆柱体两端分别受到对中心轴的力矩，且方向相反，则圆柱体便会发生扭转现象。如图所示，将结构均匀的圆杆下端固定，力矩作用其上端，圆杆一端相对于另一端的角位移称为扭转角，用δ表示。扭转角与母线的倾斜角φ之间的关系为：四、扭转la（2-11）l为杆的半径，a为杆的长度。第二章物体的弹性实验证明，当圆杆发生微弱的扭转时，扭转角δ与扭转力矩M有如下的关系：其中G为材料的切变模量。由上式可见，在扭转角δ相同的条件下，扭转力矩M与杆的半径a的四次方成正比。显然，杆的半径越大扭转越困难。由式（2-9）和（2-11）可知，外缘的切应力为（2-12）lGaM24laG结合（2-12）式，最大切应力为：（2-14）（2-13）3max2aM第二章物体的弹性由于承担最大的切应力的是圆杆的外缘材料，并且从抗扭转性能来看，靠近中心轴的各层作用不大，因此常用空心管来代替实心柱，这样既可以节省材料，又可以减轻重量。人体骨骼的抗扭转强度最小，因而过大的扭转很容易造成扭转性骨折。下表是人体的四肢骨的断裂力矩和相应的扭转角度。骨扭断力矩N·m扭转角下肢上肢股骨胫骨腓骨肱骨桡骨尺骨140100126020201.5º3.4º35.7º5.9º15.4º15.2º第二章物体的弹性第三节体应变与体应力一、体应变物体各部分在各个方向上受到同等压强时体积发生变化而形状不变，则体积变化ΔV与原体积之比称为体应变，以θ表示即（2-15）0VV二、体应力物体在外力作用下发生体积变化时，如果物体是各向同性的，则其内部各个方向的截面积上都有同样大小的压应力，或者说具有同样的压强。因此，体应力可以用压强来表示。第二章物体的弹性三、体应力与体应变的关系在体积形变中，压强与体应变的比值称为体变模量，用K表示：负号表示体积缩小时压强是增加的。体变模量与压缩率k的关系为：（2-17）（2-16）VpVVVppK00/01pVVKk物质的k值越大，越易被压缩。第二章物体的弹性下表是几种材料的体变模量材料钢铜铁铝玻璃熔石英水银水乙醇体变模量K158120807036252.20.929mN10第二章物体的弹性第四节*生物材料的黏弹性生物材料分为天然和人工合成两大类●天然生物材料：如活体器官、组织、部件及体液等。●人工合成生物材料：是用化学合成方法制成的人造生物材料，它能用于与人体活组织或生物流体直接相接触的部位，具有天然器官组织或部件的功能。如人工血管、心脏、关节、血液代用品等等。第二章物体的弹性天然生物材料既具有弹性也有黏性，被称为黏弹体，其特征称为黏弹性。生物材料中的液体和固体几乎都是黏弹体，如血液、呼吸道粘液、关节液、软骨、血管、食管以及人工关节、瓣膜、皮肤等。只不过有的弹性较强，有的黏性较强，在程度上有所差别。第二章物体的弹性一、生物材料的结构特点生物材料多数是高分子聚合物。其分子间可以形成多种不同的三维结构，大致可分为三类：1.分子不交联的无定型聚合态这种聚合态的分子可互相分开，分子间可互相滑动，材料能拉长或无规则地形变，但不能恢复原状，所以是非弹性的，如体液等。2.分子交联的无定型聚合态这类分子因交联而不能互相滑动。当生物材料拉长时，长分子可在拉长方向上伸直，被拉长到原来的3倍左右；放松时，又能卷曲和弹开，能恢复到接近原来的尺寸，如弹性蛋白就具有这种性质。第二章物体的弹性3.分子交联成定型的结构此类生物材料具有较高的弹性模量（1~10MN·m-2）如胶原纤维、骨骼等。所有组成人体器官的生物材料都是由上述三种聚合物和其他掺合物（无机盐、水、空气等）构成的复杂结构。除生物金属材料外大多数合成生物材料也是高分子聚合物，它们的力学性质介于弹性固体和黏性液体之间，即同时具有弹性固体的弹性和黏性液体的黏性，所以合成生物材料大多也是黏弹性材料。第二章物体的弹性二、生物材料的黏弹性黏弹性材料的基本性质：1．延迟弹性黏弹性材料，其应变对应力的响应不是即时的，应变滞后于应力。如图(a)所示，黏弹性材料在恒定压力作用下，应变随时间逐渐增加，最后趋近于恒定值。时间应力时间应变(a)祛除外力恢复曲线当外力去除后，应变只能逐渐减小到零，即应变总是落后于应力的变化，这种表现就是延迟弹性。其原因在于大分子链回缩过程中需克服内摩擦力。第二章物体的弹性当黏弹体发生形变时，若使黏弹体应变维持恒定，则应力随时间的增加而缓慢减小，如图（b）所示，这种现象称为应力松弛，如血管和血液就具有此特性。其原因与生物材料的分子结构和黏性有关。时间应变时间应力(b)2.应力松弛第二章物体的弹性若黏弹体维持应力恒定，应变随时间增加而增大的现象称为蠕变，如图（c）。生物材料的应变通常由弹性应变、延迟弹性应变、粘性应变叠加形成，后两种应变决定其蠕变性。如关节软骨就具有这种特点。时间应力时间应变(c)3.蠕变第二章物体的弹性如果对黏弹体周期性加载和卸载，则卸载时的应力-应变曲线同加载时的应力-应变曲线不重合，如图（d）所示，这种现象称为弹性滞后。滞后现象的原因是大分子构型改变的速度跟不上应力变化，构型改变时有内摩擦力作用。血液、红细胞等存在滞后现象。应变应力(d)4.滞后第二章物体的弹性解答：（1）物体在外力作用下发生的形状和大小的改变称为形变。（2）形变包括弹性形变和范(塑)性形变两种形式，弹性形变指在一定形变限度内，去掉外力后物体能够完全恢复原状的形变，而范(塑)性形变去掉外力后物体不再能完全恢复原状的形变。思考题1形变是怎样定义的?它有哪些形式?第二章物体的弹性解答：（1）应变是指物体在受到外力作用时，其长度的变化量与原长的比值；切应变是指物体在受到外力时其形状变化的相对量。也就是说，它们描述物体形变的维度不