La dinámica de diversos sistemas biológicos, especialmente el sistema circulatorio y el sistema respiratorio, ha sido objeto de investigaciones a largo plazo. La dinámica del sistema circulatorio estudia el flujo de sangre en el corazón, las arterias, los capilares y las venas, así como la mecánica del corazón y las válvulas cardíacas. La dinámica del sistema respiratorio estudia principalmente el flujo de gas en las vías respiratorias, el flujo de sangre en la circulación pulmonar y el intercambio de gases entre el gas y la sangre durante la respiración.
Todos estos trabajos, incluidas las investigaciones sobre las propiedades reológicas y la dinámica de los materiales biológicos, no sólo ayudan a comprender los procesos fisiológicos y patológicos del cuerpo humano, sino que también proporcionan una base científica para el diseño y fabricación de órganos artificiales. . La biomecánica también estudia el transporte de fluidos vegetales.
La influencia del medio ambiente en la fisiología es también un contenido de investigación de la biomecánica. Como todos sabemos, el oxígeno tiene una gran influencia en el desarrollo de los organismos. El desarrollo es lento en un ambiente deficiente en oxígeno y rápido en un ambiente rico en oxígeno. Incluso a corto plazo, el impacto medioambiental es evidente. Los experimentos han demostrado que incluso si los ratones jóvenes viven en un ambiente con 10 oxígeno y una atmósfera de presión durante sólo 24 horas, aparecerá una gran cantidad de células fibrosas debajo de las paredes de las arteriolas pulmonares con un diámetro de 15 a 30 micrones. Si continúa durante 4 a 7 días, los fibroblastos se convertirán en células típicas del músculo liso, lo que sin duda afectará el flujo sanguíneo de la circulación pulmonar. Por ejemplo, cuando una persona se encuentra en un estado de alta aceleración, la inercia de su sangre cambiará significativamente y los órganos suspendidos se desviarán de sus posiciones originales, cambiando así el flujo de sangre en el cuerpo.
A la hora de diseñar herramientas para la navegación en el agua, muchas veces es necesario considerar la mejor forma, el mejor método de propulsión y el mejor método de control. Debido a la selección natural, los organismos acuáticos con estas ventajas tienen más probabilidades de sobrevivir. Por lo tanto, podemos obtener conocimientos valiosos estudiando los movimientos de algunos organismos acuáticos.
Por ejemplo, los delfines son animales avanzados con mecanismos de propulsión eficientes y buen aspecto. En particular, su piel está dividida en dos capas, que están llenas de fibras elásticas y tejido adiposo. Tiene propiedades especiales de reducción de la resistencia y puede mantener un estado de capa límite laminar al nadar a altas velocidades. Esto se debe a que su piel es muy sensible a los cambios en el gradiente de presión dentro de la capa límite y puede sufrir una deformación elástica adecuada para reducir el gradiente de presión inverso. Por lo tanto, durante la natación a alta velocidad, la epidermis puede producir movimientos ondulatorios para inhibir la aparición de corrientes finales. Para otro ejemplo, el movimiento de los ciliados se logra mediante el movimiento especial de los cilios, y este método de movimiento de los organismos inferiores también se mantiene en el tracto respiratorio humano, es decir, los cilios eliminan alguna materia extraña en el tracto respiratorio. En resumen, la importancia de estudiar los movimientos biológicos en la naturaleza es obvia.
La dinámica de los órganos y sistemas humanos, especialmente el sistema circulatorio del corazón y el sistema pulmonar-respiratorio, el equilibrio termodinámico entre los sistemas biológicos y el medio ambiente, y funciones específicas también son temas candentes en la investigación actual. La investigación biomecánica no sólo afecta a la medicina y el deporte, sino también a la seguridad vial, la ciencia aeroespacial y militar.
La mecánica biológica de sólidos utiliza las teorías y métodos básicos de la mecánica de materiales, la teoría elástico-plástica y la mecánica de fracturas para estudiar cuestiones mecánicas relacionadas en tejidos y órganos biológicos.
En un análisis aproximado, las fórmulas estándar de la mecánica de materiales se pueden aplicar a la teoría de la resistencia y a los parámetros de estado de los huesos humanos y animales en compresión, tensión y fractura. Sin embargo, el hueso es anisotrópico tanto en morfología como en propiedades mecánicas. Desde la década de 1970, se han realizado muchos estudios teóricos y prácticos sobre las propiedades mecánicas del hueso, como la hipótesis de las varillas combinadas y la hipótesis de las dos fases. El método de los elementos finitos, la mecánica de las fracturas, el método de la manga de tensión y el método de la elasticidad prevista se han aplicado al estudio de la mecánica ósea.
El hueso es un material compuesto, y su resistencia no sólo está relacionada con la estructura del hueso, sino también con el propio material. Los huesos son una combinación de fibras de colágeno y cristales inorgánicos. Las placas óseas están compuestas de fibras longitudinales y fibras circunferenciales. Los cristales inorgánicos en los huesos mejoran en gran medida la resistencia de los huesos, lo que refleja la adaptabilidad funcional de los huesos para soportar fuerzas externas máximas con la menor cantidad de materiales estructurales.
Tanto la madera como la piel de insectos son materiales compuestos compuestos por fibras incrustadas en otros materiales, similares a las propiedades mecánicas del FRP compuesto por finas fibras de vidrio incrustadas en resina sintética. Los animales y las plantas son polímeros compuestos de polisacáridos y lípidos proteicos. Aplicando la teoría de los polímeros del caucho y los plásticos, se pueden obtener las propiedades mecánicas de las proteínas y los polisacáridos.
La viscoelasticidad, la deformación elástica y el módulo elástico se pueden utilizar no sólo para proteínas compuestas de aminoácidos, sino también para analizar las propiedades mecánicas de las células. Como por ejemplo la fuerza que ejercen los microfilamentos durante la división celular, los métodos y principios de trabajo de los miofilamentos, las propiedades mecánicas de las membranas celulares, etc.
La mecánica de biofluidos estudia los sistemas cardiovasculares biológicos, los sistemas digestivo y respiratorio, los sistemas urinarios, los sistemas endocrinos, la natación, el vuelo y otras mecánicas de fluidos relacionadas, la aerodinámica, la teoría de la capa límite y la reología. Generalmente clasifica los materiales biológicos en fluidos corporales, tejidos duros y tejidos blandos, y los músculos pertenecen a una categoría especial.
Entre los fluidos corporales, la sangre es el foco de investigación, estudiando principalmente la viscosidad de la sangre y los factores que afectan a la viscosidad (como el diámetro de la tubería, los componentes visibles y los glóbulos rojos), así como el volumen específico. distribución de glóbulos rojos en las ramas de la tubería, glóbulos rojos Sus propias propiedades mecánicas, la interacción entre los glóbulos rojos y la interacción entre los glóbulos rojos y la pared de la tubería. El flujo de sangre en humanos y animales y el transporte de fluidos vegetales son similares a los de la mecánica de fluidos, como el flujo laminar, el flujo turbulento, la percolación y el flujo bifásico.
Al analizar las propiedades mecánicas de la sangre, la sangre que fluye a través de grandes vasos sanguíneos puede considerarse como un fluido uniforme. Debido a que el diámetro de los microvasos es equivalente al diámetro de los glóbulos rojos, la sangre puede verse como un fluido de dos fases en el análisis de microcirculación. Por supuesto, cuanto más finos sean los vasos sanguíneos, más pronunciadas serán las propiedades no newtonianas de la sangre.
La mayor parte del flujo sanguíneo en el cuerpo humano es flujo laminar y es probable que se produzcan turbulencias en áreas donde el flujo sanguíneo es más rápido o los vasos sanguíneos son más gruesos. En la aorta, la sangre que se mueve a velocidad máxima rara vez es un flujo laminar, pero en muchos casos se vuelve turbulento. El flujo de orina en la uretra suele ser turbulento; el intercambio de sustancias a través de las paredes capilares es una forma de percolación. Para un flujo entrante como el flujo sanguíneo, el flujo sanguíneo fluctúa debido al latido del corazón y el límite del flujo no es fijo debido a la elasticidad de los vasos sanguíneos. Por lo tanto, el estado del flujo de sangre en el cuerpo es más complicado.
Para los tejidos blandos, el objetivo principal es estudiar sus propiedades reológicas y establecer relaciones constitutivas, porque las relaciones constitutivas no sólo son la base para un mayor análisis de sus problemas mecánicos, sino que también tienen importancia clínica. Para los tejidos duros, además de sus propiedades reológicas, también se ha estudiado mucho la relación entre el crecimiento y deterioro de los huesos y el estrés.
Los conocimientos de la mecánica de fluidos también se utilizan en el estudio de la natación animal. Si el pez es aerodinámico y flexible, puede impulsarse creando olas. Los experimentos en túneles de agua muestran que cuando los peces nadan, el gradiente de velocidad en la capa límite del fluido es muy grande, por lo que la fuerza para superar la resistencia viscosa del fluido también es muy grande.
La natación de pequeños organismos y células individuales también es un problema de salida. La onda del flagelo y el batir de los cilios empujan el líquido hacia la superficie celular, haciendo que la célula avance. Los espermatozoides nadan con flagelos, la inercia del agua se puede ignorar y su fuerza hidrodinámica es proporcional a la velocidad relativa de natación de los espermatozoides. La resistencia de los protozoos que se mueven en un líquido se puede obtener mediante la fórmula para calcular la resistencia de partículas pequeñas en un campo de flujo (ley de Stokes).
Además, los principios y métodos aerodinámicos se suelen utilizar para estudiar el vuelo de los animales. La potencia de vuelo de los aviones y los animales voladores consta de dos partes: sustentación cero y fuerza inducida. El primero se utiliza para superar la resistencia viscosa del aire en la capa límite; el segundo se utiliza para acelerar el flujo de aire hacia abajo para proporcionar una sustentación equivalente al peso de un avión o un animal volador. Las aves pueden ajustar su ángulo de planeo batiendo sus alas hacia adelante y hacia atrás en el aire, de la misma manera que un planeador ajusta sus aletas. Se han utilizado túneles de viento para estudiar las características de vuelo de animales voladores, como buitres y murciélagos, cuyas propiedades de planeo son muy similares a las de los modelos de planeadores.
La biomecánica deportiva es una disciplina que estudia el movimiento humano basándose en los principios básicos de la estática, cinemática y dinámica, combinados con la anatomía y la fisiología. Estudiar biología utilizando los principios y métodos de la mecánica teórica es un campo temprano y profundo.
Características de la investigación en biomecánica
Para estudiar la biomecánica, primero debemos comprender las propiedades geométricas de los materiales biológicos, luego determinar las propiedades mecánicas de los tejidos o materiales, determinar las ecuaciones constitutivas y deducir las principales ecuaciones diferenciales y ecuaciones integrales, determinar condiciones de contorno y resolverlas. La solución a los problemas de límites anteriores debe verificarse mediante experimentos fisiológicos. Si es necesario, se debe resolver un modelo matemático separado para que la teoría sea consistente con el experimento.
La diferencia más importante entre la biomecánica y otras ramas de la mecánica es que su objeto de investigación son los organismos vivos.
Por tanto, el entorno del sujeto experimental es muy importante a la hora de estudiar problemas biomecánicos. Como objetos experimentales, los materiales biológicos se pueden dividir en in vivo e in vitro. Los biomateriales en el cuerpo generalmente se encuentran en un estado de estrés (como los vasos sanguíneos y los músculos, una vez libres, se encuentran en un estado no fisiológico (como los vasos sanguíneos y los músculos, una vez libres, inmediatamente se encogen y se acortan significativamente). Los resultados experimentales para los dos materiales difirieron significativamente.
Los experimentos in vivo se dividen en dos condiciones: anestesia y no anestesia. En cuanto a los experimentos in vitro, una vez liberado el objeto, el experimento puede llevarse a cabo de acuerdo con la posición general o procesarse aún más en muestras para experimentos. Las diferentes condiciones experimentales y de procesamiento tienen un gran impacto en los resultados experimentales. Esta es una característica de la investigación biomecánica.