лекция 11 для студентов 1 курса, обучающихся по специальности Стоматология К.п.н., доцент Шилина Н.Г. Красноярск, 2012 Тема: Основные понятия биомеханики. Характеристики и механические свойства стоматологических материалов Кафедра медицинской и биологической физики

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ БИОМЕХАНИКИ Лекции 18,19,20

План: 1.Внешние и внутренние силы. Силовые факторы. 2.Деформации и напряжения. Диаграмма. 3.Законы упругой деформации для растяжения – сжатия, сдвига. 4.Рычаги и сочленения опорно- двигательного и челюстно-лицевого аппарата. 5.Классы стоматологических материалов. 6.Методы определения качества стоматологических материалов.

Материаловедение – это наука, изучающая состав, строение и свойства веществ и их соединений, применяемых в стоматологической практике; закономерности их изменений под химическим, механическим и тепловым воздействием, а также устанавливающая методы конструирования и технологию изготовления различных видов зубных челюстно-лицевых протезов.

ВНЕШНИЕ И ВНУТРЕННИЕ СИЛЫ. СИЛОВЫЕ ФАКТОРЫ СИЛЫ ВнешниеВнутренние ПоверхностныеОбъемные РаспределенныеСосредоточенные

Классификация сил по характеру нагрузки: 1.Статические 2.Динамические ВНУТРЕННИЕ силы возникают под действием внешних сил. Для их определения применяют МЕТОД СЕЧЕНИЙ

Х Z Y R M Z Х Y RzRz RxRx RyRy MyMy MxMx MzMz Rz – продольная сила Rx, Ry – поперечные сил Mz – крутящий момент Mx,My – изгибающие моменты

ДЕФОРМАЦИЯ – изменение размеров и формы тела под действием внешних сил и температуры Деформации Упругие (исчезают после прекращения действия внешних сил) Пластические (остаточные изменения)

Виды деформаций: 1.Растяжение (сжатие) возникает только в результате действия продольной силы Rz. Все остальные силовые факторы равны нулю. 2.Кручение –деформация, при которой в поперечном сечении действует только крутящий момент. Все остальные силовые факторы равны нулю. 3.Изгиб – вид деформации, при котором в поперечном сечении возникает только изгибающий момент (Mx или My). Если в том же сечении возникает поперечная сила – поперечный изгиб.

Напряжение – это величина внутренней силы, приходящаяся на единицу площади поверхности сечения. τ σ f = f sin = f сos

ЗАКОНЫ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ Закон Гука для деформации растяжения (сжатия) L FF L1L1 = Е Е – модуль Юнга

Коэффициент Пуассона показывает во сколько раз деформация в поперечном направлении меньше, чем в продольном = /. Лежит в пределах от 0 до 0,5. зуба = пломбы

Диаграмма напряжений и деформаций

Закон Гука для деформации сдвига А В E С В D d h Угол BAE = относительный сдвиг - модуль упругости второго рода (модуль сдвига) = - закон Гука для сдвига

Для зубной коронки где R – радиус коронки, L - ее толщина, М – сумма внешних моментов.

Рычаги и сочленения в опорно- двигательном и челюстно-лицевом аппарате человека 1) Рычаг силы. Пример – подъем на полупальцы b a R F a b, выигрыш в силе 2) Рычаг скорости. Пример – н ижняя челюсть a b, выигрыш в перемещении b a R F Fa=Rb условие равновесия рычага

3) Рычаг. Пример – череп в сагиттальной плоскости. Числом степеней свободы механической системы называется число независимых координат, необходимых для описания всех возможных движений системы. b а F R

Число степеней свободы: материальная точка – 3 твердое тело – 6 твердое тело, закрепленное в одной точке – 3 твердое тело, закрепленное на неподвижной оси – 1 плечелучевой сустав – 1 лучезапястный – 2 тазобедренный сустав – 3 череп – 6

Сокращение, при котором мышца, изменяя свою длину, развивает постоянное усилие, называется изотоническим. Сокращение, при котором мышца, не изменяя свою длину, развивает постоянное усилие, называется изометрическим. Абсолютной мышечной силой называется сила, приходящаяся на 1 см 2 общего поперечного сечения мышечных волокон. Исследование работоспособности мышц, измерение работы, совершаемой человеком в различных условиях, а также влияние этой работы на организм называется эргометрией.

КЛАССЫ СТОМАТОЛОГИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ КОНСТРУКЦИОННЫЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ КЛИНИЧЕСКИЕ (ПЛОМБИРОВОЧНЫЕ)

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ: металлы и сплавы; пластмассы для базисов протезов; материалы для искусственных зубов (фарфор, металлокерамика).

Требования к металлам и сплавам высокая коррозийная стойкость в полости рта; высокие механические показатели (прочность, твердость, упругость, пластичность и др.); хорошие технологические качества (должны легко подвергаться литью, паянию, сварке, штамповке, протяжке, полировки); необходимые физические показатели (цвет, малая усадка, невысокая температура плавления).

Требования к базисным материалам достаточная прочность соединения с фарфором, металлами, пластмассами; легкость починки; цветостойкость по отношению к воздействию факторов окружающей среды, а также они должны легко окрашиваться и имитировать естественный цвет десен; безвредность для тканей полости рта.

Полимеры классифицируются по: 1) происхождению: природные, или биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук); синтетические (полиэтилен, полиамиды, эпоксидные смолы) 2) природе: органические; элементоорганические неорганические

3) форме молекул: линейные полимеры, в которых структура молекул представлена в виде длинной цепочки, состоящей из мономерных звеньев. (АКР – 15); «сшитые» полимеры, в которых структура молекул представлена в виде цепочек, связанных и «сшитых» в отдельных местах «перемычками». (Акрел); «привитые» сополимеры содержат молекулы, которые «привиты» к линейно-цепным молекулам другого полимера. (Фторакс, Акронил).

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ: 1) оттискные: твердые (зуботехнический гипс); пластичные (текучие пасты); эластичные (альгинатная слепочная масса, силиконовые материалы). 2) моделировочные: моделировочный воск; воск для базисов протезов; формовочные материалы (бюгелит, аурит, кристасил –2, силамин). 3) абразивные: алмаз, корунд, наждак; абразивные пасты.

Требования к оттискным материалам: малая усадка; пластичность в момент введения в полость рта, быстрое и полное затвердевание в условиях влажности и температуры полости рта; точность получения оттиска и отсутствие деформации при выведении из полости рта.

Классификация оттискных материалов: твердые («Супергипс» – Россия, «Херстон М» – Германия, «Фуджирок Е.П.» - Япония); пластичные (текучие пасты «Репин», «Неогенат» – Франция, «Скутабонд» – Германия; термопластические такие как, «Стенс», «Дентопласт» – Чехия); эластичные (альгинатные слепочные массы такие как, «Стомадент» – Россия, «Ипен», «Эластик плюс» – Чехия; силиконовые материалы такие как, «Вигален–30, –35» – Россия, «Экзафлекс» – Япония; полиэфирные на основе каучука такие как, «Импрегум», «Пермадин» – Германия).

Моделировочные материалы: моделировочный воск («Лавакс» – Россия, «Церин» – Чехия, «Воск для вкладок» – Германия; воск для базисов протезов («Спофакрил» – Чехия, «Ребарон» Япония, «Мегадент» – Германия); формовочные материалы (гипсовые такие как, «Силаур» – Россия, «Экспадента» – Чехия; фосфатные такие как, «Селикон F» – Чехия, «Вест Джи» и «Фудживест» – Япония; силикатные такие как, «Аурит», «Сиолит» – Россия, « Дегувест HFG» – Германия).

Абразивные материалы: алмаз, корунд, наждак; абразивные пасты.

КЛИНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ (ПЛОМБИРОВОЧНЫЕ) постоянные пломбировочные материалы; временные пломбировочные материалы; лечебные пломбировочные материалы; пломбировочные материалы для заполнения корневых каналов зуба.

Требования к пломбировочным материалам: химическая устойчивость в полости рта; устойчивость к механическим нагрузкам при жевании; сохранность постоянного объема и формы при отливки и при температурных деформациях; адгезия к твердым тканям зуба; высокие косметические показатели.

ПРОЧНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ. УСЛОВИЕ ПРОЧНОСТИ Прочностью стоматологических материалов называется способность сопротивляться действию нагрузки, вызывающей деформацию.

ГИПОТЕЗА НАИБОЛЬШИХ НОРМАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ Эквивалентное напряжение – это такое напряжение, которое следует создавать в растянутом образце, чтобы его состояние было равноопасно с заданным сложным напряженным состоянием. σ экв = σ 1 +kσ 3, где k – отношение предела текучести при растяжении к пределу текучести при сжатии ;

Для хрупких и малопластических материалов, где k – отношение предела прочности при растяжении к пределу прочности при сжатии.

ГИПОТЕЗА НАИБОЛЬШИХ КАСАТЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ - условие прочности для сложных напряженных состояний.

ПОНЯТИЕ ОБ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ Предел усталости (выносливости) σ уст – это наибольшее периодически меняющееся напряжение, при котором в материале при любом числе циклов нагружения трещины не возникают. Условие прочности – σ max σ уст /k уст, где k уст – коэффициент запаса.

На характеристики материалов в полости рта оказывают влияние: Температура; Влажность; Агрессивность среды; Фактор времени. ПОЛЗУЧЕСТЬ – это изменение во времени деформаций, возникающих в нагруженных протезах. ПРЕДЕЛ ПОЛЗУЧЕСТИ – это напряжение, при котором пластическая деформация за заданный промежуток времени достигает заданной величины.

Методы определения физико-механических свойств стоматологических материалов Под качеством стоматологических протезов, пломб, вставок и т.п. понимают совокупность их свойств, обуславливающих долговечность функционирования при удовлетворении целого ряда физико- химических, медико-биологических, эстетических и экономических требований.

Характеристики стоматологических материалов Текучесть – это явление увеличения деформации практически без увеличения нагрузки. Ползучестью называется явление постепенного нарастания деформации даже при мгновенном нарастании нагрузки; Пластичность – это способность материала получать большие остаточные деформации, не разрушаясь. Прочностью стоматологических материалов называется способность сопротивляться действию нагрузки, вызывающей деформацию.

Методы разрушающего контроля применяются в основном на стадии доклинического испытания стоматологических материалов при экспериментальном обосновании новых видов протезов. 1. Испытание на прочность при растяжении. По диаграмме растяжений и деформаций определяются: предел прочности, предел текучести, предел пластичности, относительное удлинение и сужение, модуль Юнга

2. Определение прочности на сжатие. Определяют свойства хрупких материалов. 3. Испытание на изгиб. Используются различные виды тензодатчиков 4. Определение твердости. Твердость, определяемая вдавливанием, характеризует сопротивление пластической деформации. Твердость, определяемая царапанием, характеризует сопротивление срезу. Твердость, определяемая по отскоку, характеризует упругие свойства материалов.

Метод определения твердости по Бринеллю С помощью гидравлического пресса в поверхностный слой испытуемого материала вдавливается стальной шарик. Измеряют диаметр углубления. Показатель твердости где D – диаметр шарика, d – диаметр отпечатка, Р – нагрузка.

Метод определения твердости по Роквеллу Твердость определяют по глубине отпечатка наконечника с алмазным конусом. По специальной шкале производят расчет, используя соотношение Р0Р0 Р=Р 0 + Р i h0h0 h

Метод определения твердости по Виккерсу Вдавливается пирамидка с углом при вершине Определяются две диагонали отпечатка. d - среднее арифметическое двух диагоналей.

5. Испытание при переменных нагрузках. Проводится для хрупких, пластичных материалов. Вводится понятие предела выносливости как способности выдерживать определенное число циклов нагружения до разрушения. 6. Метод динамических испытаний. Применяется для качества пластических материалов. Заключается в определении ударной вязкости.

Методы неразрушающего контроля 7. Тепловые методы испытания материалов. 8. Акустические методы: метод эхолокации теневой метод (сквозное прозвучивание. Дефект ослабляет или задерживает регистрируемый сигнал)

импедансный метод (наблюдение колебания стержня, приведенного в контакт с поверхностью исследуемого образца. Дефекты уменьшают акустический импеданс и увеличивают амплитуду колебаний) резонансный метод. Определяют частоту резонанса. Дефект ослабляет резонанс эмиссионный метод. Регистрируют УЗ, возникающие в момент образования трещин метод свободных колебаний Проводят анализ собственных частот колебаний образца после удара

9. Оптические методы Основаны на взаимодействии оптического излучения с веществом. Можно обнаружить пустоты, расслоения, поры, трещины, включение инородных тел, внутренние напряжения, отклонение от заданных размеров.

10. Радиационные методы Радиография – получение видимого изображения внутренней структуры изделия. 11. Радиоволновые методы. Метод СВЧ для контроля качества изделий из диэлектрических материалов. 12. Рентгено-структурный анализ.

Заключение В лекции были рассмотрены: основы материаловедения как одного из разделов физики; основные характеристики и свойства стоматологических материалов; методы определения этих свойств.

Тест-контроль Какой деформации подвергается тело, изображенное на рисунке? 1)растяжение 2)сжатие 3)сдвиг 4)изгиб F

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА: Обязательная: 1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: учебник. М.: Дрофа Дополнительная: Федорова В.Н. Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами реабилитологии: учебное пособие. М.: Физматлит Антонов В.Ф. Физика и биофизика. Курс лекций: учебное пособие.М.: ГЭОТАР-Медиа Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике для самост. работы студентов /сост. О.Д. Барцева и др. Красноярск: Литера-принт Сборник задач по медицинской и биологической физике: учебное пособие для самост. работы студентов / сост. О.П.Квашнина и др. Красноярск: тип.КрасГМА Физика. Физические методы исследования в биологии и медицине: метод. указания к внеаудит. работе студентов по спец. – стоматология / сост. Н.Г. Шилина и др. Красноярск: тип.КрасГМУ Шилина Н.Г. Основы сопротивления материалов: метод. указания для студентов специальности – стоматология. Красноярск: тип.КрасГМУ Электронные ресурсы: ЭБС КрасГМУ Ресурсы интернет Электронная медицинская библиотека. Т.4. Физика и биофизика.- М.: Русский врач, 2004.

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ