Левчук Н.Л., Яренко М.А. Исследование физико-химических свойств костей

Оригинaл материала размещен в выпуске № 10 (12) https://f.almanah.su/12.pdf

В повседневной жизни человеку приходится много ходить, переносить грузы, делать прыжки, повороты. Наши кости испытывают различную нагрузку – сжатие, изгиб. По данным врача санчасти ЕкСВУ мы установили, что за 2015-2016 учебный год зафиксировано 10 переломов.
В скелете человека три типа костей: трубчатые, губчатые и плоские. Мне стало интересно, почему трубчатые кости располагаются в конечностях, а губчатые и плоские в других частях скелета, какие кости выдерживают большую нагрузку: плоские или трубчатые?
Цель: исследовать физико-химические свойства костей.
Объект исследования: плоские и трубчатые куриные кости.
Предмет исследования: физические и химические свойства костей.
Задачи:
1.                          Изучить научно-популярную литературу по теме исследования.
2.                          Выделить из скелета курицы плоские кости (лопатки и ребра) и трубчатые кости (бедро, голень, лучевую и локтевую).
3.                          Измерить геометрические параметры выделенных костей (длину, толщину у плоских и диаметр у трубчатых).
4.                          Измерить силу, при которой кость разрушается в процессе сжатия.
5.                          Определить предел прочности на сжатие выделенных костей.
6.                          Определить химический состав костей (минеральные и органические вещества).
Гипотеза: при изменении физико-химических свойств костей повышается риск травматизма (переломов).
Трубчатые длинные кости располагаются в отделах скелета, где совершаются движения с большим размахом (например, в конечностях). Плоские кости участвуют в образовании полостей, поясов конечностей, выполняют функцию защиты (кости крыши черепа, грудина, ребра).
Механическая прочность твердых тел – это их способность противодействовать изменению формы и объема. Величина деформации тела зависит от материала, из которого оно изготовлено, величины силы и точки ее приложения. Среди деформаций, возникающих в твердых телах (а значит и костях), различают растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Под пределом прочности понимают отношение наименьшей силы, способной вызвать разрыв образца, к его сечению. Предел прочности костей зависит от архитектоники и плотности самой костной ткани. Форма каждой кости человеческого организма, определена необходимостью выдерживать значительную нагрузку в определенной части скелета, под действием которой кости могут не только деформироваться, но и разрушаться (перелом кости).
В зависимости от характера воздействия внешней силы различают переломы от сгибания, сжатия, сдвига и скручивания.
В живом организме кость на 1/3 состоит из органических веществ, и на 2/3 из неорганических веществ.
Прочность кости (механические свойства) обеспечивается физико-химическим единством органических и неорганических веществ, а также конструкцией костной ткани.
В практической части мы провели исследование физико-химических свойств костей.
На 1 этапе определили предел прочности трубчатых и плоских костей на
сжатие с помощью тисков. Для этого воспользовались следующим оборудованием: столярные тиски, безмен, угольник, штангенциркуль, образцы трубчатых и плоских куриных костей.
В ходе работы измерил диаметр трубчатых костей, и ширину и толщину плоских костей в разных частях штангенциркулем. Рассчитал площади поперечного сечения образцов.

Закрепил образец в тисках, прикрепил безмен для определения нагрузки. Медленно, равномерно, без рывков и резких движений действовал на рукоятку тисков, зажимая образец до появления характерного треска и появления изломов кости. Зафиксировали наибольшее значение нагрузки, достигнутого перед моментом излома кости.
Вычислили разрушающее напряжение для испытуемого материала (предел прочности). Результаты измерений и вычислений занесли в таблицу по каждому типу костей.
Таблица 1. Результаты измерений и вычислений с образцами трубчатых костей.

Образец

Среднее значение диаметра кости,

dср (мм)

Средняя площадь поперечного сечения образца,

S (мм2)

Силовое воздействие нагрузки,

F (Н)

Предел прочности,

(МПа)

№1
2,77
6
17
2,83
№2
2,9
6,6
18
2,65
Среднее значение предела прочности трубчатых костей
2,74
Таблица 2. Результаты измерений и вычислений с образцами плоских костей.

Образец

Средняя площадь поперечного сечения образца, S (мм2)

Силовое воздействие нагрузки, F (Н)

Предел прочности, (МПа)

№1
4,4
6
1,36
№2
3,51
5
1,42
Среднее значение предела прочности плоских костей
1,39
Вывод: данные эксперимента показывают, что трубчатые кости выдержали большую нагрузку, чем плоские. Предел прочности трубчатых костей больше, чем плоских практически в 2 раза. Это связано еще и с тем, что площадь поперечного сечения у трубчатых костей больше.
На 2 этапе определили химический состав костей. Для этого взяли: куриные трубчатые кости (сходные по составу с костью человека), куриное яйцо (скорлупа содержат карбонат кальция СаСО3 в большом количестве), горелка, штатив, металлическая сетка, щипцы, стеклянная химическая посуда, 7% соляная кислота, 10% уксусная кислота, 4% карбонат натрия.
Опыт №1.Удаление из кости органических веществ.

Для того, чтобы удалить из кости органические вещества мы кость прокалили. Органические вещества легко сгорают. В процессе прокаливания наблюдался неприятный запах «палёного», куриная косточка обуглилась, форма осталась прежней. После остывания при механическом воздействии она рассыпалась на мелкие, но твёрдые частицы. Значит, минеральные вещества придают кости твердость.
Опыт №2. Удаление из кости минеральных веществ
Мы поместили в различные сосуды с 7% соляной кислотой куриную косточку и в 10% уксусную кислоту - сырое яйцо, так как нерастворимые в воде соли растворяются под действием кислот.

Через два дня скорлупа на яйце стала местами «просвечивать»; на третий – стала практически незаметна. Мы достали яйцо из сосуда, промыли. С поверхности яйца растворились соли кальция.
Через два дня мы исследовали куриную кость, выдержанную в кислоте. Видимых изменений с ней не произошло. Мы извлекли кость из кислоты и хорошо промыли водой. Оказалось, что кость стала гибкой. Из наблюдений следует, что органические вещества, которые не растворились в кислоте, придают костям упругость.
Таким образом, опытным путём мы доказали, что прочность костей зависит от сочетания органических и неорганических веществ. Если в составе кости будет больше органических веществ, это приведёт к искривлению костей, а большое количество минеральных веществ вызовет хрупкость костей.
Опыт №3. Восстановление минеральных веществ.

Для того, чтобы доказать, что дефицит кальция в организме можно восполнить и укрепить кости, мы провели следующий опыт. В полученный после разложения скорлупы раствор мы добавили 4% карбонат натрия. Это вызвало бурную реакцию, пенообразование, а затем, выпадение осадка. На оболочке яйца стал тоже появляться белый осадок.
Это доказывает, что недостаток кальция в организме можно восполнить, организовывая правильное питание или употребляя препараты кальция.
На основании изученного теоретического материала и результатов проведённых опытов можно сделать выводы:
1)                                   Трубчатые кости имеют больший предел прочности на сжатие, чем плоские, поэтому в скелете они расположены так, что на них приходится максимальная нагрузка. Следовательно, они чаще травмируются.
2)                                   Прочность костей зависит от соотношения минеральных и органических веществ. Избыток органических веществ в составе костей ведет к их искривлению, а избыток минеральных веществ вызывает их хрупкость.
3)                                   Чтобы сохранить прочность костей, необходим ряд условий: правильное, сбалансированное питание, двигательная активность, психически комфортные условия жизни.
4)                                   С целью укрепления скелета и предотвращения травматизма суворовцев нами были выработаны рекомендации по здоровому образу жизни, которые оформлены в программе Publisher и представлены в виде буклета.

Библиографический список:

1.        Андреева Т.М. Травматизм в РФ на основе данных статистики (Электронный ресурс): vestnik mednet.ru, №4 2010.
2.        Воздействие занятий физкультурой на кости человека – (Электронный ресурс) - Режим доступа: http://medvesti.com/zdorovie/sport/26033.
3.        Драгомилов А.Г. Биология 8 класс – М. Вентана-Граф, 2008.
4.        Кабардин О.Ф., Кабардина С.И., Шефер Н.И. Факультативный курс физики. – М.:Просвещение, 1974.
5.        Кабардин О.Ф. Физика: Справочные материалы: Учебное пособие для учащихся. – М.:Просвещение, 1991.
6.        Научно-популярный журнал, «Наука 21 век» (Электронный ресурс) - Режим доступа: http://mignews.ru.
7.        Остеопороз (Электронный ресурс) – Режим доступа: http://www.orthodox.od.ua/main/7847-prochnost-kostej-cheloveka-zavisit-ot-ego-vesa.html#ixzz3OcUsxfFq.
8.        Самсонова, А.В. Вклад П.Ф. Лесгафта в биомеханику /А.В. Самсонова // Труды кафедры биомеханики: Междисциплинарный сборник статей.– Вып.1.– СПб, 2007.
e-mail: levchuk.nadezhda@mail.ru