ميكانيكا حيوية: الفرق بين النسختين

يطبق هذا البحث والتحليل على عدة مستويات بدءاً من المستوي الجزيئي الذي تتألف منه المواد الحية مثل [[كولاجين|الكولاجين]] و[[إلاستين|الإلاستين]]، إلى مستوي الأعضاء والأنسجة. بعض التطبيقات البسيطة [[ميكانيكا كلاسيكية|للميكانيكا النيوتنية]] يمكن أن تعطي مقاربات صحيحة على كل مستوي، ولكن التفاصيل الدقيقة تتطلب استخدام [[ميكانيكا المتصل|ميكانيكا الأوساط المتصلة]].

بعض الأمثلة البسيطة لأبحاث الميكانيكا الحيوية تشمل دراسة القوى المؤثرة على الأطراف (الأعضاء)، و[[ديناميكا هوائية|الديناميكا الهوائية]] لطيران الحشرات والطيور، و[[ميكانيكا الموائع]] في سباحة السمك، الثباتية والرسوخ التي تقدمها جذور الأشجار، وجميع أنواع الحركة في كل أشكال الحياة، بدءاً من الخلايا المفردة ارتقاءاً إلى جميع الأحياء. الميكانيكا الحيوية للجسم البشري هو في صلب [[علم الحركة (توضيح)|علم الحركة]].

تلعب الميكانيكا التطبيقية أدواراً أساسية في دراسة الميكانيكا الحيوية. وخصوصا [[ديناميكا حرارية|الديناميكا الحرارية]]، و[[ميكانيكا المتصل|ميكانيكا الأوساط المتصلة]]، وفروع [[هندسة ميكانيكية|الهندسة الميكانيكية]] مثل [[ميكانيكا الموائع]]، و[[ميكانيكا المواد الصلبة|ميكانيكا 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 [[شريان|الشرايين]]، وسلوك الخلايا العضلية القلبية مع [[نوبة قلبية|احتشاء القلب]]، ونمو [[عظم|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 [[جبر خطي|الجبر الخطي]]، و[[معادلة تفاضلية|المعادلات التفاضلية]]، [[الأشعة]]، حسابات [[تنسورموتر|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 [[بروتين|البروتينات]] المختلفة، مثل [[إلاستين|الإلاستين]] و[[كولاجين|الكولاجين]]، والخلايا الحية، والمواد الأساسية مثل [[ببليوجرافيا|بروتيوغليكان]]، وتوجه الألياف داخل [[نسيج (توضيح)|النسيج]]. مثلاً، إذا كان [[جلد|الجلد]] البشري مركب من البروتين غير الكولاجين، فإن العديد من الخصائص الميكانيكية، مثل [[معامل يونغ|معامل المرونة]]، سيكون مختلفاً.

إن ال[[كيمياء]]، و[[علم الأحياء الجزيئية]]، و[[علم حياة الخلية]] تشرح الخواص المنفعلة والفاعلة للأنسجة الحية. مثلاً، في [[التقلص العضلي]]، ارتباط [[ميوزينميوسين (بروتين)|الميوزين]] مع [[أكتين|الأكتين]] يقوم على تفاعل كيميائي حيوي يشمل شوارد [[كالسيوم|الكالسيوم]] و([[أدينوسين ثلاثي الفوسفات]]).

أول من نظر إلى الكائنات الحية المتحركة على انها أنظمة ميكانيكية كان أرسطو الذي كتب كتاب يشرح فيه وجهة نظره إلى هذا الموضوع <ref>[http://classics.mit.edu/Aristotle/motion_animals.html The Internet Classics Archive | On the Motion of Animals by Aristotle<!-- عنوان مولد بالبوت -->] {{Webarchive|url=httphttps://web.archive.org/web/20171209155430/http://classics.mit.edu:80/Aristotle/motion_animals.html |date=09 ديسمبر 2017}}</ref>. لاحقا و خلال عصر النهضة كان ليوناردو دا فنشي أول من درس المييكانيك الحيوية حيث قام بدراسة تركيبة جسم الحيوان ليفهم آلية عمل العضلات و المفاصل<ref>[http://www.booksofdiscovery.com/comm2/da-vinci-the-father-of-modern-biomechanics/ Da Vinci, the Father of Modern Biomechanics | BOD Trailhead for Students<!-- عنوان مولد بالبوت -->]</ref>. أيضا حاول محاكاة هذه الآلية ليصنع آلة تمكن الانسان من الطيران كالطيور. بالإضافة إلى ذلك, قام بمحاكاة آلية عمل الأحصنة ليصنع آلات تسهل حياة الانسان. غاليليو كتب العديد من الملاحظات الهامة عن آلية حركة الحيوانات التي ساهمت فيما بعد بتطوير هذا المجال. ديكارت اعتبر ان جميع الحيوانات و الانسان يخضعون لنفس القوانين الميكانيكية. جيوفاني بوريللي عمل على الأفكار و المبادئ التي وضعها ديكارت و قام بدراسة تفصيلية لحركة العديد من الحيوانات كالأسماك و الطيور و استطاع ان يحدد مركز ثقل الانسان.

خلال الحقبة الصناعية في القرن التاسع عشر, قام أحد العلماء بتصوير الحيوانات ليتمكن من دراسة حركتها بدقة. ذات العالم اخترع مجال التحليل الحركي. في ألمانيا و خلال نفس الحقبة قام الاخوان ويبر بجهود عديدة ساهمت في تطوير الميكانيكا الحيوية. جهود العديد من العلماء عبر التاريخ ساهم في تطوير و ازدهار هذا المجال حتى أصبح على ما هو عليه اليوم, وساعد على ذلك قوانين و نظريات هندسة الميكانيك<ref>[http://courses.washington.edu/bioen520/notes/History_of_Biomechanics_(Martin_1999).pdf http://asb-biomech.org/historybiomech/index.html<!-- عنوان مولد بالبوت -->] {{Webarchive|url=httphttps://web.archive.org/web/20150906010146/http://courses.washington.edu:80/bioen520/notes/History_of_Biomechanics_(Martin_1999).pdf |date=06 سبتمبر 2015}}</ref>.

إن دراسة الميكانيكا الحيوية تتراوح من العمل الداخلي في [[خلية|الخلية]]، إلى حركة وتطور الأعضاء، إلى الخواص الميكانيكية للأنسجة الرخوة، و[[عظم|العظام]]. بتطور فهم السلوك الفيزيولوجي للأنسجة الحية، أصبح الباحثون قادرين على التقدم في ميادين [[هندسة الأنسجة|هندسة النسج]]، وتطوير المعالجات في [[علم الأمراض]].

إن الميكانيكا الحيوية كما [[علم الرياضة]]، و[[علم الحركة (توضيح)|علم الحركة]]، تطبق قوانين [[ميكانيكا|الميكانيكا]] وال[[فيزياء]] على أداء الجسم البشري لكي نفهم بشكل أكبر أداء الأحداث الرياضية من خلال [[نمذجةنموذج (توضيح)|النمذجة]]، و[[محاكاة|المحاكاة]] والقياس.

بعض المجالات ضمن الميكانيكا الحيوية التي يقوم فيها العلماء بالبحث العلمي تشمل دراسة القوى التي تؤثر على الأطراف البشرية, الديناميكية الهوائية التي تؤثر على الطيور, ديناميكية السوائل التي تؤثر على الأسماك, و حركة مختلف الكائنات الحية صغيرة و كبيرة<ref>[https://www.biodynamics.com/biodynamic-research Biodynamic Research Development Program | Biodynamic Association<!-- عنوان مولد بالبوت -->] {{Webarchive|url=httphttps://web.archive.org/web/20170417080427/https://www.biodynamics.com/biodynamic-research |date=17 أبريل 2017}}</ref>. الميكانيكا الحيوية أيضا تعنى بدراسة الجهاز العضلي الهيكلي. بالإضافة إلى ذلك, تستخدم المعرفة في هذا المجال في تصميم الأعضاء و الأطراف الاصطناعية و البدائل السنية. علم احتكاك المفاصل الحيوية يعتبر حقل دراسة هام ضمن هذا المجال و يستخدم في زرع العظام

إن من المناسب [[نموذج (توضيح)|نمذجة]] الأنسجة الحية على أنها أوساط متصلة. فعلى مستوي الأنسجة الحية، يمكن نمذجة جدران [[شريان|الشرايين]] على أنها وسط متصل. هذا الافتراض يسقط عندما تقترب أبعاد الجسم المحلل من أبعاد البنية الدقيقة للمادة. الفرضيات الأساسية ل[[ميكانيك الأوساط المستمرة]] هو حفظ [[عزم خطي|العزم الخطي]] و[[عزمزخم زاوي|الزاوي]]، [[حفظ الكتلة]]، [[حفظ الطاقة]]، وتفاوت [[إنتروبيإنتروبيا (توضيح)|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 [[تنسورموتر|تنسورات]] من الدرجة الثانية أو الرابعة، يعتبر أمر أساسي في تمثيل العديد من الكميات في [[كهرتحريكياتكهروميكانيكا|الكهرتحريكيات]]. إن [[تنسورموتر|التنسور]] الكامل من الدرجة الرابعة نادراً ما يستخدم في الواقع العملي. وبدلا عنه، تستخدم بعض التبسيطات مثل [[توحد الخواص]] و[[توحد الخواص|تباينها]]، واللاإنضغاطية لتقليل عدد العناصر المستقلة. التنسورات من الدرجة الثانية والمستخدمة بشكل شائع تتضمن [[تنسور إجهاد كاوشي]]، و[[تنسور إجهاد كيرشوف-بيولا الثاني]]، [[تنسور تدرج التشوهات]]، و[[تنسور الإجهاد الأخضر]]. ينصح القارئ في مراجع الهندسة الميكانيكية أن يحدد بدقة تعاريف مختلف التنسورات التي تستخدم في الحالات الخاصة.

ينمذج جريان الدم في أغلب الظروف ب[[معادلات نافييه-ستوكس|معادلات نافيير-ستوكس]]. يمكن افتراض [[دم|الدم]] بأكمله [[مائع نيوتوني|مائع نيوتني]] غير قابل للانضغاط. هذه الفرضية تسقط في حالة الجريان في [[شعيرة دموية|الشعيرات الدموية]]. في هذا المستوي، يصبح تأثير كل [[كرية دم حمراء|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 قص|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.

في هذا المجال يتم تطبيق قوانين هندسة الميكانيك على جسم الانسان و حركته من أجل معالجة و منع الإصابات الرياضية. هذا المجال يتداخل مع علم الحاسوب, الهندسة الميكانيكية, الرياضيات و علم الأعصاب. غالبا ما يستخدم الحاسوب لمحاكاة حركة الرياضيين أثناء ممارستهم للرياضة وذلك يعطي العلماء الفرصة لدراسة التفاصيل الصغيرة. يستخدم هذا العلم في مساعدة الرياضيين على اتنعافي بعد الإصابة, تحسين لياقة الرياضيين, و مساعدتهم على إتقان رياضتهم. غالبا ما يستخدم المختصين في هذا المجال في تصميم الأجهزة الرياضية مثل آلات المشي و غيرها<ref>[http://www.bases.org.uk/biomechanics BASES - About Biomechanics<!-- عنوان مولد بالبوت -->] {{وصلة مكسورة|date= يوليو 2018 |bot=JarBot}} {{Webarchive|url=httphttps://web.archive.org/web/20170711135915/http://www.bases.org.uk/Biomechanics |date=11 يوليو 2017}}</ref> <ref>[http://www.humankinetics.com/excerpts/excerpts/apply-biomechanics-to-improve-techniques Biomechanics of Sport and Exercise: Apply biomechanics to improve techniques<!-- عنوان مولد بالبوت -->] {{Webarchive|url=httphttps://web.archive.org/web/20171223211303/http://www.humankinetics.com:80/excerpts/excerpts/apply-biomechanics-to-improve-techniques |date=23 ديسمبر 2017}}</ref>. من أول من اهتم بهذا المجال كان ليوناردو دا فنشي.