IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012
РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЕКЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТИ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА
КомментарииПолная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Для исследования кривизны поверхности тела человека нами разработано устройство, основанное на действии свойств постоянных магнитов.
Принцип работы разработанного устройства заключается в следующем. Человек, подлежащий исследованию, одет в специальный жилет, выполненный из трикотажного полотна, на поверхности которого закреплены небольшие металлические пластинки (диаметром 1 см.), образующие вместе общее металлизированное покрытие, которое полностью повторяет контуры тела человека. Измерительное устройство представляет собой лабораторную плоскость (1), ограниченную по размерам в соответствии с проекционными габаритами туловища человека. Ее размеры составляют 0,9м х 0,7 м. Вся поверхность данной плоскости размечена в виде сетки с шагом 0,02 м. В узлах этой сетки сделаны отверстия, через которые происходит контакт измерительного устройства с поверхностью тела человека за счет специальных линеек. На расстоянии от первой лабораторной плоскости расположена вторая вспомогательная плоскость (2), на которой закреплены пружинные устройства, предназначенные для фиксирования начального положения узловых элементов. Главным элементом данного устройства, обеспечивающим контакт с поверхностью туловища, и, соответственно, получение искомых данных о кривизне человеческого тела, является постоянный магнит типа ЮНДК, закрепленный на конце измерительной линейки, соединенной с пружиной на второй вспомогательной плоскости. При приближении устройства проекционных измерений к исследуемой поверхности на расстояние, максимально возможное для возникновения магнитного поля между постоянным магнитом и металлической поверхностью, происходит освобождение всех измерительных линеек из первоначального положения, обеспеченного силой действия пружины. Возникает прямой контакт металлической поверхности с поверхностью постоянного магнита. Приближение первой плоскости устройства проводится до момента касания наиболее выступающей точки поверхности тела человека с лабораторной плоскостью, на которой размечены осевая линия, соответствующая средней саггитальной линии туловища, и линия талии, необходимые для координации места расположения измерительного устройства относительно туловища человека. Наличие жестких измерительных линеек с размеченными делениями обеспечивает соблюдение перпендикулярности каждого проекционного измерения в узловых точках сетки. На границе с первой лабораторной плоскостью определяются величины отклонения криволинейной поверхности тела человека от плоской поверхности измерительного устройства.
Для модификации конструкции измерительного устройства с целью использования его для исследования фигур разного роста на центральном стержне предусмотрен винтовой раздвижной блок, позволяющий поднимать и опускать измерительные плоскости данного устройства.
Для расчета размеров и, соответственно, массы магнитов, выполняющих роль контактных элементов, был проведен предварительный расчет.
На магнит действуют 3 силы: - сила упругости плоской спиральной пружины, -сила электромагнитного взаимодействия магнита и металлической (металлизированной) поверхности и -сила тяжести.
При значении , где h - расстояние от плоскости с магнитом до металлической поверхности, должно, по условию поставленной задачи, выполняться уравнение:
В проекциях на ось y :
Найдем выражение для этих сил через параметры использованных материалов. По определению:
где m - масса магнита, гр.;
R - радиус магнита (магнит в форме цилиндра), м.;
d - толщина магнита, м.;
ρ - плотность вещества, г/м2;
Система взаимодействия сил представлена на рисунке1.
Далее, чтобы найти силу электромагнитного взаимодействия постоянных магнитов, перейдем к понятиям круговых токов. Задача сводится к нахождению силы взаимодействия двух одинаковых токов, расположенных (данном случае) на расстоянии 2hпр. Для этого используем закон Био-Савара-Лапласа, согласно которому магнитное поле [5], создаваемое круговым током расстоянии 2hпр на оси тока равно:
(1)
где R - радиус эквивалентного тока или радиус кругового магнита, м.
μ - магнитная проницаемость вещества.
Будем полагать, что такое поле создает эквивалентный ток первого магнита в точке нахождения зеркально расположенного кругового тока.
По закону Ампера сила взаимодействия поля с элементом тока определяется формулой:
, (2)
где dl - ...
α = 90°
Представим Iэкв следующим образом:
где J - намагниченность вещества постоянного магнита,
d - толщина магнита, м.;
Br - остаточная индукция магнитного поля магнетика;
На основе сделанных преобразований получаем следующее выражение:
.
Сила упругости плоской спиральной пружины равна:
где - модуль Юнга, ;
- относительная деформация, ;
=аb - площадь поперечного сечения ленты пружины, м2.
Следовательно, уравнение для приложенных к магниту сил имеет вид:
Преобразуя последнее выражение и заменяя в нем ,
где -
H -
получаем выражение для , которое имеет следующий вид:
Для дальнейшего выбора материалов, составляющих элементы измерительного устройства, следует определять предельное расстояние взаимодействия исследуемой и измерительной плоскостей и подбирать параметры постоянного магнита и пружины. Исследуемы могут быть поверхности различного типа, как в антропометрических исследованиях, так и в других областях. Для исследования геометрических характеристик поверхности тела человека нами была определена величина hпр как половина среднего значения переднезаднего диаметра талии.
Результаты предварительных измерений позволяют взять за основу для выбора материалов измерительного устройства величину hпр=12.0 см.
Используя формулу 3, подбираются составляющие элементы устройства для измерения криволинейных поверхностей тела человека.
Использование подобного устройства в области прямого контакта с поверхностью тела человека обусловливает необходимость рассмотрения вопроса безопасности влияния магнитного поля на человека с учетом его кратковременного разового воздействия. По данным [6] следует отметить, что магнитное поле, проникая непродолжительное время в ткани человека, «вызывает различные физико-химические изменения, что способствует уменьшению боли, зуда и отечности тканей, уменьшению сосудов, ускоряет заживление трофических язв и сращивание переломов костей». Такие сведения характеризуют приемы магнитотерапии, что, в свою очередь, является ответом на вопрос о безопасности применения устройств, характеризующихся кратковременным воздействием магнитного поля на организм человека.
Список литературы:
- 1. Дёмкин Владимир Николаевич. Лазерные методы и средства измерения геометрии поверхностей сложной формы : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.11.07 : М., 2004 247 c.
- 2. Устройство для измерения неровностей листовых вязкоупругих материалов в свободном и деформированном состоянии [Текст] / С. А. Тугучева [и др.] // Молодой ученый. - 2011. - №9. - С. 59-61
- 3. Патент 2179705 УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ, G01B5/207, Номер заявки: 2000101877/28, Дата подачи заявки: 24.01.2000, Дата публикации: 20.02.2002. Автор(ы): Полунин А.И.; Терещенко В.Г. Заявитель(и): Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов, Патентообладатель(и): Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов.
- 4. Физиология. Основы и функциональные системы. Курс лекций /Под ред. Судаков К.В.
- 5. Демков В.П., Третьякова О.Н. Физика. Молекулярная физика. Тепловые явления. Электричество и магнетизм/ Издательство: МАИ. - 1999.
- 6. Улащик В. Физиотерапия. Универсальная медицинская энциклопедия (2-е изд., стереотип.)./ Издательство: Книжный дом: ISBN: 978-985-17-0391-9.- 2012.