Věda a technika v pozadí
Zatížení kosti

Teorie

Dlouhé kosti slouží k pohybu, ploché kosti chrání orgány, krátké kosti zprostředkovávají většinou pohyblivé spojení skloubených částí. Většina těchto kostí přenáší jako páky sílu, kterou vynakládají svaly, upnuté se svými šlachami na skloubených kostech. Skladba kosti představuje malé množství hmoty s co největší pevností.

Dlouhé kosti, které musí vydržet ohýbání, jsou uvnitř duté a na koncích rozšířená v kloubu tak, aby tlak, který zde působí, byl rozprostřen na větší plochu. Kost není kompaktní tkání v celém rozsahu. Pouze na povrchu kosti je tenká vrstva kompaktní kosti. Konce kosti jsou tvořeny houbovitou kostní tkání, která je tvořena trámci kostní tkáně uspořádaných ve směru největšího zatížení kosti. Kost je proto velmi pevná a přitom odlehčená. Uspořádání trámců tvoří architektoniku kosti. Kosti krátké a ploché mají podobnou houbovitou strukturu jako konce kostí dlouhých.

Řez kostí.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.

I vnější tvar kosti je uzpůsobený tahu a tlaku. Kruhový průřez pak přechází v elipsu nebo v protáhlý trojúhelník. Pružnost a pevnost kostí se řídí věkem a zdravotním stavem člověka.

Nejen deformacemi kostí, ale i obecně všemi materiály se zabývá teorie pružnosti a pevnosti. Podle následků rozlišujeme deformaci pružnou – elastickou (po skončení deformace získá těleso původní tvar) nebo tvárnou – plastickou (po skončení deformace těleso nezíská původní tvar). Podle způsobu působení vnějších sil na deformované těleso rozeznáváme pět jednoduchých deformací: tahem, tlakem, smykem, krutem a ohybem.

Druhy deformací.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Deformace tahem vzniká při působení dvou stejně velikých sil opačného směru směřujících ven z tělesa. O pevnosti tělesa v tahu rozhoduje způsob zpracování, zejména u kovů, tedy válcování, vykování, u železa má veliký význam struktura. Rozdíl je také v tom, zda síla působí náhle nebo po delší dobu. Značným zahřáním se pevnost materiálu v tahu zmenšuje. Tahem je deformováno např. závěsné lano výtahu, jeřábu. Pro každý drát nebo lano existuje mezní délka, při níž se přetrhne vlastní vahou. Mezní délka závisí pouze na materiálu drátu nebo lana, nezávisí na průměru.

Působí–li stejně velké síly proti sobě dovnitř tělesa, nastává deformace tlakem. Pevnost v tlaku proti rozdrcení je velmi důležitá konstanta pro stavitele. Více se projevuje u tyčí nebo sloupů kratších, delší se při deformaci tlakem prohnou. Obecně je pevnost v tlaku větší než v tahu.

Deformace ohybem nastává u nosníku podepřeného na obou koncích, působí–li na něj síla kolmo k jeho podélné ose souměrnosti. Při ohýbání nosníku se horní vrstvy zkracují a jsou deformovány tlakem, dolní vrstvy se prodlužují a jsou deformovány tahem. Střední vrstva zachovává svou původní délku a není namáhána. Proto duté trubky mají při stejné ploše průřezu větší pevnost v ohybu než pevné tyče (stejnou vlastnost mají i dlouhé duté kosti); nosníky a kolejnice se tvarují tak, aby nejvíce materiálu bylo v namáhaných vrstvách – např. ve tvaru L, I apod.

Deformace smykem: jestliže na horní a dolní podstavu deformovaného tělesa působí síly F a –F v rovinách podstav, pak vzniká deformace smykem. Síly způsobí posunutí jednotlivých vrstev tělesa, přičemž se jejich vzdálenost nemění, nastává smyk. Smykem může být deformován např. nýt nebo šroub.

Deformace kroucením je způsobena dvěma stejnými silovými dvojicemi, jejichž momenty sil jsou opačné. Tímto způsobem jsou namáhány např. hřídele strojů, šrouby, vrtáky. Charles Coulomb zjistil, že zkroucení je nepřímo úměrné čtvrté mocnině průměru, proto se často torzní váhy používají k měření velmi malých sil.

V technické praxi se nejčastěji vyskytují deformace složené z několika jednoduchých deformací.