ميكانيكا حيوية

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث

الميكانيكا الحيوية (بالإنجليزية: Biomechanics): هو تطبيق للمبادئ الميكانيكية على الكائنات الحية. هذا يشمل دراسة وتحليل ميكانيكا الكائنات الحية وتطبيق المبادئ الهندسية واستقائها من الأنظمة الأحيائية.

يطبق هذا البحث والتحليل على عدة مستويات بدءاً من المستوي الجزيئي الذي تتألف منه المواد الحية مثل الكولاجين والإلاستين، إلى مستوي الأعضاء والأنسجة. بعض التطبيقات البسيطة للميكانيكا النيوتنية يمكن أن تعطي مقاربات صحيحة على كل مستوي، ولكن التفاصيل الدقيقة تتطلب استخدام ميكانيكا الأوساط المتصلة. جيوفاني ألفنسو بيرولي كتب أول كتاب في موضوع الميكانيكا الحيوية بعنوان (De Motu Animalium)، يعني حركة الحيوانات. لم ينظر إلى أجسام الحيوانات على أنها أنظمة ميكانيكية فحسب، بل واصل الأسئلة كالفرق الفيزيولوجي بين تخيل إنجاز عمل ما والقيام به فعلياً.

بعض الأمثلة البسيطة لأبحاث الميكانيكا الحيوية تشمل دراسة القوى المؤثرة على الأطراف (الأعضاء)، والديناميكا الهوائية لطيران الحشرات والطيور، وميكانيكا الموائع في سباحة السمك، الثباتية والرسوخ التي تقدمها جذور الأشجار، وجمع أنواع الحركة في كل أشكال الحياة، بدءاً من الخلايا المفردة ارتقاءاً إلى جميع الأحياء. الميكانيكا الحيوية للجسم البشري هو في صلب علم الحركة.

تلعب الميكانيكا التطبيقية أدواراً أساسية في دراسة الميكانيكا الحيوية. وخصوصا الديناميكا الحرارية، وميكانيكا الأوساط المتصلة، وفروع الهندسة الميكانيكية مثل ميكانيكا الموائع، وميكانيكا الأجسام الصلبة. لقد ظهر أن الحمولات والتشوهات المطبقة يمكن أن تؤثر على خصائص الأنسجة الحية. يوجد أبحاث أكثر في مجال نمو وإعادة تشكل الأعضاء كرد على هذه الحمولات المطبقة. مثلاً، تأثير ضغط الدم المرتفع على ميكانيكية جدران الشرايين، وسلوك الخلايا العضلية القلبية مع احتشاء القلب، ونمو العظم كاستجابة لممارسات معينة، ونمو النباتات التأقلمي مع حركة الريح، تعتبر كشاهد على أن الأنسجة الحية تتشكل من جديد كنتيجة مباشرة للأحمال المطبقة. توظف العلوم الرياضية المختلفة تشمل الجبر الخطي، والمعادلات التفاضلية، الأشعة، حسابات التنسور والتقنيات العددية والحسابية مثل طريقة العناصر المنتهية.

إن دراسة المواد الحيوية مهمة جداً للميكانيكا الحيوية. فالأنسجة الحيوية المختلفة في الجسم مثل الجلد والعظم والشرايين، كلا منها ذو خواص فردية بذاتها. فالاستجابة الميكانيكية المنفعلة للأنسجة الخاصة يمكن أن تتبع خصائص البروتينات المختلفة، مثل الإلاستين والكولاجين، والخلايا الحية، والمواد الأساسية مثل بروتيوغليكان، وتوجه الألياف داخل النسيج. مثلاً، إذا كان الجلد البشري مركب من البروتين غير الكولاجين، فإن العديد من الخصائص الميكانيكية، مثل معامل المرونة، سيكون مختلفاً. إن الكيمياء، وعلم الأحياء الجزيئية، وعلم حياة الخلية تشرح الخواص المنفعلة والفاعلة للأنسجة الحية. مثلاً، في التقلص العضلي، ارتباط الميوزين مع الأكتين يقوم على تفاعل كيميائي حيوي يشمل شوارد الكالسيوم و(أدينوسين ثلاثي الفوسفات).

التطبيقات[عدل]

إن دراسة الميكانيكا الحيوية تتراوح من العمل الداخلي في الخلية، إلى حركة وتطور الأعضاء، إلى الخواص الميكانيكية للأنسجة الرخوة، والعظام. بتطور فهم السلوك الفيزيولوجي للأنسجة الحية، أصبح الباحثون قادرين على التقدم في ميادين هندسة النسج، وتطوير المعالجات في علم الأمراض. إن الميكانيكا الحيوية كما علم الرياضة، وعلم الحركة، تطبق قوانين الميكانيكا والفيزياء على أداء الجسم البشري لكي نفهم بشكل أكبر أداء الأحداث الرياضية من خلال النمذجة، والمحاكاة والقياس.

ميكانيك الأوساط المتصلة[عدل]

إن من المناسب نمذجة الأنسجة الحية على أنها أوساط متصلة. فعلى مستوي الأنسجة الحية، يمكن نمذجة جدران الشرايين على أنها وسط متصل. هذا الافتراض يسقط عندما تقترب أبعاد الجسم المحلل من أبعاد البنية الدقيقة للمادة. الفرضيات الأساسية لميكانيك الأوساط المستمرة هو حفظ العزم الخطي والزاوي، حفظ الكتلة، حفظ الطاقة، وتفاوت الإنتروبي. تنمذج المواد الصلبة عادة باستخدام إحداثيات لاغرانج، بينما تنمذج الموائع غالباً باستخدام إحداثيات أولر. إن استخدام هذه الفرضيات والمسلمات مع الأخذ بعين الاعتبار بعض المشاكل، يمكننا من كتابة مجموعة من معادلات التوازن. إن العلاقات الأساسية والحركية تحتاج إيضاً إلى أوساط مستمرة ليمكن تطبيقها في النمذجة.

إن استخدام تنسورات من الدرجة الثانية أو الرابعة، يعتبر أمر أساسي في تمثيل العديد من الكميات في الكهرتحريكيات. إن التنسور الكامل من الدرجة الرابعة نادراً ما يستخدم في الواقع العملي. وبدلا عنه، تستخدم بعض التبسيطات مثل توحد الخواص وتباينها، واللاإنضغاطية لتقليل عدد العناصر المستقلة. التنسورات من الدرجة الثانية والمستخدمة بشكل شائع تتضمن تنسور إجهاد كاوشي، وتنسور إجهاد كيرشوف-بيولا الثاني، تنسور تدرج التشوهات، وتنسور الإجهاد الأخضر. ينصح القارئ في مراجع الهندسة الميكانيكية أن يحدد بدقة تعاريف مختلف التنسورات التي تستخدم في الحالات الخاصة.

الجريان[عدل]

ينمذج جريان الدم في أغلب الظروف بمعادلات نافيير-ستوكس. يمكن افتراض الدم بأكمله مائع نيوتني غير قابل للانضغاط. هذه الفرضية تسقط في حالة الجريان في الشعيرات الدموية. في هذا المستوي، يصبح تأثير كل خلية دم حمراء مستقلة بذاتها معتبراً، ولا يمكن اعتبار الدم وسط مستمر. عندما يصبح قطر الدعاء الدموي أكبر قليلاً من قطر كريات الدم الحمراء يحدث (Fahraeus–Lindquist effect)، فيحدث تناقص في إجهاد القص للجدران. وفي حالة تناقص قطر الوعاء الدموي أكثر، عندها يتوجب على كريات الدم الحمراء أن تندس في الوعاء الدموي وغالبا ما تمر بشكل مفرد فقط. في هذه الحالة ينعكس (Fahraeus–Lindquist effect) ويتزايد إجهاد القص.

العظام[عدل]

إن العظام غير متوحدة الخواص ولكنه تقريبا متوحدة في الاتجاه العرضي. بكلمات أخرى، إن العظام تكون أقوى على طول محور واحد أكثر من المحور المعماد له، وهي نفس القوة تقريباً كيفما درنا حول هذا المحور. يمكن نمذجة علاقة الإجهاد بالانفعال للعظام باستخدام قانون هوك، وتتناسب بمعامل المرونة، مثل معامل يونغ، ونسبة بواسون أو وسائط لامي. إن مصفوفة الخواص، والتنسور من الدرجة الرابعة، تعتمد على توحد خواص العظام.

راجع أيضًا[عدل]

المصادر[عدل]

  • Dudley, R. 2000. The Biomechanics of Insect Flight: Form, Function, Evolution. Princeton: Princeton University Press.
  • Wainwright, S. A., Biggs, J., Curry, S. and Gosline, J. (1978). "Mechanical Design in Organisms." University Press.
  • Fung, Y. C. Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissue. (2nd ed.). New York: Springer. ISBN 0-387-97947-6.
  • Gans, C. 1974. Biomechanics: An Approach to Vertebrate Biology. Philadelphia: J. B. Lippincott. ISBN 0-472-08016-4, ISBN 978-0-472-08016-8.
  • Humphrey, J. D. "Cardiovascular Solid Mechanics: Cells, Tissues, and Organs." New York: Springer. ISBN 0-387-95168-7.
  • Vogel, S. 2003. Comparative Biomechanics: Life's Physical World. Princeton: Princeton University Press. ISBN 0-691-11297-5
  • Ikada, Yoshito. Bio Materials: An Approach to Artificial Organs (バイオマテリアル: 人工臓器へのアプローチ)
  • Biomechanics of Bone

وصلات خارجية[عدل]