Механические волны

Механотерапия

Вибрации

Вибрации – вынужденные колебания тела, при которых либо все тело колеблется как единое целое, либо колеблются его отдельные части с различными амплитудами и частотами.

Источник вибрации – работа машин, механизмов. Колебания, возникшие в каком-либо месте тела, распространяются по всему телу в виде упругих волн. Эти волны вызывают в тканях организма переменные деформации различных видов (сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг и др.). Степень воздействия вибраций зависит от частоты, амплитуды, скорости и ускорения колеблющейся точки, энергии колебательного процесса.

Продолжительное воздействие вибраций вызывает в организме стойкие нарушения нормальных физиологических функций. Может возникнуть «вибрационная болезнь». Это приводит к ряду серьезных нарушений в организме человека.

Вредны и кратковременные вибрации, если в их спектре содержатся частоты, совпадающие с частотами собственных колебаний частей тела. Человеческое тело и его органы имеют собственные частоты колебаний в диапазоне от 3 до 12 Гц. Вследствие резонанса вибрация органов увеличивается, они деформируются, смещаются или теряют фиксацию, может произойти их механическое повреждение.

Вибрации могут быть и полезными, например, при массаже – ручном или аппаратном. Аппараты бывают для общей вибрации – вибрационные стул, кровать, платформа и аппараты местного вибрационного воздействия на отдельные участки тела.

Механотерапия – это форма лечебной физкультуры (ЛФК). Как правило, это тренажеры, на которых осуществляются колебательные движения различных частей тела человека.

Одной из задач лечебной физкультуры является осуществление дозированных, ритмически повторяющихся физических упражнений с целью тренировки или восстановления подвижности в суставах на аппаратах маятникового типа. При разработке тренировочно-реабилитационных медицинских методик, для обоснования их допустимых параметров необходимо учитывать характеристики колебательных процессов.

Процесс распространения механических колебаний в упругой среде называется упругой или механической волной. С волной связан процесс переноса энергии колебаний. Частицы среды при этом не переносятся, а колеблются около положения равновесия. Т.е переноса вещества нет.

Есть продольные и поперечные волны (рис. 15). В продольных волнах есть области сжатия и растяжения (рис. 15а). Частицы совершают колебания вдоль направления распространения волны. В поперечных волнах в среде возникают периодические деформации сдвига. Частицы совершают колебания в направлении перпендикулярном направлению распространения волны (рис. 15б).

Продольные волны можно наблюдать во всех средах. Поперечные – в твердых телах и на поверхностях жидкостей.

Фронт волны – геометрическое место точек (поверхность), в которых фаза колебаний имеет одно и то же значение. Фронт волны разделяет области, в которой точки колеблются и области, в которой точки находятся еще в равновесии.

Рис. 15. Человек создает волны при помощи пружины.

Продольная волна: звенья пружины движутся вправо

и влево параллельно распространению волны (также вправо) (a).

Поперечная волна: звенья пружины движутся вверх и вниз

перпендикулярно распространению волны (вправо) (b)

Волны распространяются с конечной скоростью. Скорость волны – это скорость движения фронта. В воздухе скорость колебания частиц – 10 см/с, а скорость звуковой волны 330 м/с. Волны могут быть плоскими и сферическими.

Длина волны – расстояние, на которое перемещается ее фронт за время равное одному периоду колебаний частицы.

а) Энергетические характеристики волны.

Переносимая волной энергия складывается из кинетической (движение частиц) и потенциальной (деформация среды).

Поток энергии (Ф) – величина, равная средней энергии, проходящей за единицу времени через данную поверхность:

[Вт].

Интенсивность волны (I) – величина равная потоку энергии волны, проходящей через единичную площадь, перпендикулярную к направлению распространения волны:

[Вт/м²]. (5.1)

Объемная плотность энергии () – средняя энергия колебательного движения, приходящаяся на единицу объема среды:

[Дж/м³],

здесь – плотность среды; A – амплитуда колебаний; ‑ циклическая частота – число колебаний за 2 секунд.