Раздел 8. Бионические основы обеспечения надёжности сельскохозяйственных машин

8.1. Биомеханический анализ режущих и демпфирующих приспособлений животных

Созданные природой биологические механизмы характеризуются высокой степенью совершенства и надёжности при выполнении их звеньями функциональных действий.

Как основное рыхлящее звено наконечник с формой когтя (unguiculus) имеется у очень многих животных: амфибий, рептилий и птиц, а также у большинства стопо– и пальцеходящих млекопитающих (рис. 8.1).

1-коготь крокодила;

2, 2''-коготь и пальцевый мякиш хищных;

3, 3'-коготь и пальцевый мякиш обезьяны; 4, 4'-ноготь и пальцевый мякиш человека;

5, 5'-копыто и пальцевый мякиш лошади;

а - когтевая, ногтевая и копытная стенки; b - ногтевой валик и копытный венчик с копытной каймой;

с, с'-когтевая, ногтевая и копытная подошвы; d-третья фаланга пальца;

е, е'-пальцевый мякиш;

f - ногтевой желоб; g - 2-я фаланга пальца.

Рис. 8.1. Схема твёрдого кожного наконечника у различных животных (продольные разрезы и вид с полярной стороны конца пальцев)

Среди последних когти особенно сильно развиты у хищных, хотя процесс рогообразования на когте млекопитающих вообще несколько усложняется по сравнению с таковым у рептилий и птиц. На когте различают следующие участки: а – когтевой валик с когтевым жолобом; б – когтевую стенку и в – когтевую подошву.

На когте выделяют когтевой валик с когтевым желобом, когтевую стенку с венчиком и когтевую подошву.

Когтевой валик– представляет собой область перехода кожного покрова пальца в коготь. Здесь, помимо эпидермиса и основы кожи, существует и подкожный слой (отсюда основа кожи загибается в костный ногтевой желоб). Ногтевой валик охватывает основание когтя и в сторону пальцевого мякиша переходит в этот последний. Эпидермис с области перехода в желоб отдаёт тонкий роговой слой на роговую стенку когтя и одевает последнюю с поверхности в виде глазури. С валика эпидермис и основа кожи загибаются в костный желоб третей фаланги и формируют ногтевой желоб. Он особенно глубок у кошек. Из глубины основа кожи со своим эпидермисом появляется на когтевой стенке и превращается на спинковой поверхности в основу кожи венчика, переходя в состав когтевой стенки.

Когтевая стенка с венчиком – представляется в одном слое, располагаясь на спинковой (венчик) и боковых поверхностях когтя, причём венчик появляется из глубины ногтевого желоба.

Когтевая подошва – узкая и локализуется на подошвенной стороне когтя.

Основа кожи когтя всюду прочно срастается с периостом третей фаланги. На отдельных участках когтя она построена следующим образом. Основа кожи венчика (corium coronae) берёт своё начало широкой полосой в глубине ногтевого желоба, затем постепенно утолщается на выпуклой спинковой поверхности третей фаланги и выделяется в виде значительного крючковидного придатка, прочно соединённого с надкостницей фаланги. Всё это утолщено и служит основой кожи венчика.

Производящий слой эпидермиса когтя располагается на сосочках и листочках основы кожи когтя. Он продуцирует роговой слой, который и служит роговой капсулой, или роговым башмаком, когтя. На когте роговая капсула распадается на роговую стенку и роговую подошву когтя.

Роговая стенка когтя (paries cornea unguiculi) — сложное образование. Оно охватывает коготь со спинковой и боковых сторон и представляет собой слияние в одно целое рогового слоя стенки с венечным роговым слоем.

Венечный роговой слой – самая плотная и прочная роговая часть капсулы. Она начинается широким корнем в глубине желоба, к спинке когтя, постепенно суживаясь, утолщается и оканчивается изогнутым остриём, в вершине свисающим за пределы когтевой подошвы.

Роговой слой стенки менее плотен. Он сливается без границ с венечным слоем, а свободными краями примыкает с боков к роговой подошве и несколько свисает по сторонам, прикрывая отчасти подошву.

Роговая подошва когтя (solea cornea unguiculi) – сравнительно узкая, состоит из трубчатого рыхлого рога и развивается от производящего слоя, лежащего на сосочках основы кожи подошвы.

Таким образом, значительным отличием когтя собак от когтя более примитивного строения (у рептилий) является наличие ногтевого венчика как добавки, всецело растущего в сторону когтевой стенки и придающего ей большую прочность. Это следует особо отметить, так как у копытных животных этот процесс углубляется ещё дальше, давая венечный роговой слой во всю ширину стенки. У собак коготь может касаться своим остриём почвы и поэтому с возрастом притупляется (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Коготь собаки

У кошек коготь почти совершенно скрыт в складке спинки пальца, так что пальцевый мякиш ещё сильнее выступает вперёд. Коготь выдвигается только в случае потребности, когда он должен быть использован как орудие нападения и самозащиты. Он сильно изогнут, остр на вершине и своим корнем очень глубоко вдвинут в когтевой желоб, а следовательно, очень прочен. Приводимый в движение мускулатурой пальцев, он в состоянии производить большие разрушения на теле добычи или врага.

Коготь предохраняется от стирания особыми эластическими связками; они идут по спинковой стороне от второй фаланги пальца к третей. Чем сильнее развиты эти связки, тем коготь при покое мускулов глубине прячется в покровном углублении второй фаланги.

Копыто лошади соответствует когтю хищных и ногтю приматов (рис. 8.3).

Роговая стенка копыта (paries cornea) представляет наружную, видимую при стоянии животного часть роговой капсулы копыта (рис. 8.3, 8.4). Около мякиша она с обеих сторон загибается под углом на область подошвы и тянется параллельно краям стрелки в виде небольших клиньев, в соответствии с расположением основы кожи заворотной масти. Наружная поверхность роговой стенки выпукла и гладка, внутренняя вогнута и снабжена роговыми листочками (рис. 8.4, 8.5).

К плоскости земли при стоянии копытная стенка поставлена под углом, но уклон этого угла не везде одинаков. Наиболее пологий уклон имеет зацепный участок: 50…55° на грудной и 55…60° на тазовой конечности. Латеральный участок стенки несколько отвеснее зацепного, а медиальный участок ещё более отвесный. Контур латеральной стороны несколько более выпукл, чем контур медиальной.

Толща роговой стопки копыта в целом состоит из трех роговых слоев: поверхностного – глазури, среднего – венечного и глубокого – листочкового (рис. 8.5).

Глазурь, или поверхностный слой, надвигается на стенку со стороны каймы в виде тонкого слоя. Она состоит из слабоороговевших плоских клеток.

Венечный, или защитный, слой – самый массивный, самый твёрдый и прочный на роговой стенке. Он с трудом режется ножом, почти не набухает в воде (вследствие этого он и называется защитным) и построен из трубчатого рога, который продуцируется производящим слоем эпидермиса основы кожи венчика. Проксимальный (верхний) край венечного слоя несёт венечный желоб (рис. 8.5); на поверхности его заметны точечные углубления (отверстия роговых трубочек).

Описываемый слой пигментирован, и от этого зависит тёмная окраска роговой капсулы. Лишь самые глубокие роговые слои не имеют пигмента и мягче. Они непосредственно прилегают к листочковому пласту и вместе с последним участвуют в образовании белой линии. Рост венечного слоя происходит от венечного желоба по направлению к подошвенному, свободному краю копытной стенки.

Рис. 8.3. Палец грудной конечности лошади: 1–конец 4-й пястной кости; 2–путовый сустав; 3–ветвь межкостного мускула к сухожилию общего пальцевого сгибателя; 4–венечный сустав; 5–зацепная часть копыта; 6–сухожилие пальцевых сгибателей; 7–межкостный мускул; 8–пальцевая вена; 9–щётка; 10 – положение верхнего контура мякишного хряща; 11–пальцевый мякиш с хрящом; 12–пяточная часть копыта

Рис. 8.4. Строение копыта на сагиттальном разрезе: 1–subcutis; 2–corium; 3–основа кожи каймы с сосочками; 4–подкожный слой каймы и венчика; 5–основа кожи венчика; 6–основа кожи стенки; 7–кожные листочки; 8–надкостница; 9–роговая стенка копыта; 10–белая линия; 11–основа кожи подошвы; 12–роговая подошва; 13–подкожная подушка мякиша; 14–основа кожи мякиша с сосочками; 15–роговая стрелка; 16–железы мякиша

Листочковый слой – развивается из производящего слоя эпидермиса, расположенного на листочках основы кожи копытной стенки. Он не пигментирован, сравнительно мягок и образует роговые листочки, расположенные вдоль стенки от венечного желоба до подошвенного края. Они помещаются в промежутках между листочками основы и у венечного слоя связаны поверхностным роговым пластом, который может быть охарактеризован как надлисточковый слой.

Рис. 8.5. Роговая капсула копыта и роговая стрелка мякиша: 1 - основа кожи стенки; 2 - её листочковый слой; 3 - производящий слой эпидермиса; 4 - листочковый слой; 5 - надлисточковый участок листочкового пласта; 6 –венечный слой из трубчатого рога, перерезанного поперёк; 7 –глазурь.

На подошвенном крае со стороны подошвы этот слой вместе с глубокими слоями защитного слоя ясно заметен в виде белой (слегка желтоватой) полосы по окружности контура подошвы, называемой белой линией, или листочковой зоной. Листочковый слой распределён, как и венечный, по всей копытной стенке и заходит на заворотные части. Здесь листочки становятся постепенно короче и к верхушке исчезают.

Суммарная толщина копытной стенки не одинакова: наибольшая толщина приходится на зацепный участок, боковые участки несколько тоньше, а пяточные участки ещё тоньше. Толщины этих участков относятся друг к другу, как 4 : 3 : 2 на грудной и 3 : 2,5 : 2 на тазовой конечности. Самой толстой стенкой обладают пяточные углы.

В естественных условиях (без подковы) копыто при опирании на податливый грунт касается его всей своей солярной поверхностью, т.е. всей подошвой и свободным краем копытной стенки, причём свободный край стенки в таких случаях способствует прочности держания на земле.

Если почва несколько плотнее, вершинная часть купола подошвы, как наиболее глубоко расположенная, исключается из сферы опирания в первую очередь, а затем, по мере увеличения твёрдости грунта, и соседние всё больше участки сравнительно мягкой подошвы, и копыто касается почвы лишь наиболее крепкой своей частью, т.е. краем роговой стенки. Вместе с этим повышается и необходимость смягчения давления, в особенности испытываемого краем роговой стенки.

У лошадей и большинства копытных животных исторически развилась способность к лёгкому, быстрому и неутомимому передвижению по земле. Эта односторонняя (при утере хватательных движений) функция конечностей отражается в построении всех их звеньев, т.е. плеча и бедра, предплечья и голени, передней и задней лап, и в характере их сочетании в суставы, а также в особенностях связочных приспособлений и в мускулатуре.

Давление тяжести тела, падающее на конечность в определённую фазу движения лошади, рассеивается и разлагается на наклонных поверхностях суставов, на угловых сочетаниях звеньев конечностей и в ряде упругих образований, в числе которых далеко не последнее место занимают и упругие приспособления дистального конца пальца. Копытовидная кость при давлении на неё тяжести тела в первый момент наступания стремится вдавиться внутрь копыта. Это давление кости смягчается и разлагается частично на упругом валике основы кожи ленчика, а особенно на большой площади тесного сцепления роговых и соединительнотканных листочков копытной стенки. Если бы эта площадь сцепления была гладкой, то занимала бы в среднем 100 см² с небольшим, но так как она состоит из первичных и вторичных листочков, то её площадь достигает 1 м².

При сгибании путового и копытного суставов тяжесть тела быстро и сильно переваливается на задний участок копыта, т.е. на область открытой стороны стенки копыта(на область мякиша). Мякиш испытывает значительное давление через сухожилие глубокого пальцевого сгибателя, на который в свою очередь давят челночная и венечная кости.

Подушка мякиша пружинит и передаёт напряжение в боковые стороны и вниз; по сторонам оно переходит на хрящи, охватывающие пальцевый мякиш, а вниз – на мякишную стрелку, которая также пружинит, опускаясь и расходясь ножками в стороны, т.е. к копытным углам и заворотным частям. В силу этого задний участок копыта при быстрых аллюрах имеет тенденцию расширяться, особенно при прыжках. Таким образом, весь этот упругий механизм пальца окончательно гасит падающий на конечность удар.

Под конец периода опирания, и именно в стадию распрямления ноги, когда туловище выдвигается вперёд, а конечность дистальным концом ещё остаётся позади, пальцевый мякиш растягивается в продольном к оси пальца направлении. В этот момент задний участок копыта имеет тенденцию к сужению.

В момент последующего поднимания ноги от земли растянутый мякиш сразу приходит к норме и механически помогает сгибанию копытного сустава, производимому пальцевыми сгибателями. В результате сокращения пальцевых сгибателей и инерции, сообщённой копыту состоянием растянутого мякиша, быстро происходит обратное явление, т.е. мякиш вновь подвергается сжатию в уменьшенном углу сустава. После прекращения действия сгибателей напряжённый мякиш, возвращаясь к норме, автоматически отбрасывает конец пальца вперёд, т.е. подготовляет копыто к постановке на землю и тем самым помогает разгибателям пальцев.

Таким образом, рассмотренный биомеханизм повышает надёжность опорно-двигательного аппарата лошади, за счёт снижения механических нагрузок путём их перераспределения в пространстве и во времени, что представляет интерес при конструировании сельскохозяйственных машин с увеличенной надёжностью.