Кости: внутри и снаружи

Мы не будем углубляться в объяснение принципа их действия с формулами и греческими буквами, ограничимся безболезненным обзором. Наибольший вклад в жесткость балки вносят части, расположенные рядом с боковыми гранями: можно убрать часть материала с верхней и нижней поверхности обычной балки прямоугольного сечения, при этом прочность балки сохранится, а ее масса и стоимость снизятся.

Двутавровая балка хорошо сопротивляется изгибающему моменту под действием сил, направленных сверху вниз. Плохо то, что она не слишком устойчива, если силы скручивающие или боковые.

Чтобы выдержать и вертикальное, и горизонтальное воздействие, балка должна напоминать нечто вроде тонкого железного креста. Однако если силу приложить под углом (например, два, пять, восемь или одиннадцать часов на условном циферблате), даже такая балка будет недостаточно прочной.

Конструкция, способная противостоять воздействию сил, направленных с разных сторон, получается из множества двутавровых балок, расположенных по кругу. Если соединить их наружные части, середину можно вообще убрать без особой потери прочности.

Что останется? Цилиндр. Он устойчив к скручиванию и сгибанию во всех направлениях. Полая сердцевина позволяет облегчить конструкцию и сэкономить материал: сплошной стержень аналогичного размера был бы ненамного жестче. В этом и заключается изящество велосипедных рам, лыжных палок и – как вы уже догадались – костей. Наши длинные трубчатые кости, в сущности, представляют собой полые трубки, легкие и устойчивые к изгибам со всех сторон.

Все эти элементы содержат одинаковое количество материала при условии, что они имеют одинаковую длину. Плоская балка (a) пружинит под действием вертикально приложенных сил. Если поставить ее на ребро (b), сопротивление изгибающему моменту в вертикальной плоскости повысится. Двутавровая балка (c) еще прочнее в этом отношении. Воображаемый крест из двутавровых балок (d) устойчив к сгибанию в вертикальном и горизонтальном направлении, а фигура из множества двутавровых балок (e) будет эффективно противостоять силам, действующим в самых разных направлениях.

Цилиндр (f) выдерживает сгибание с любой стороны и напоминает строение кости

Обратите внимание, что концы большинства трубчатых костей расширены и покрыты хрящом – еще одной соединительной тканью, состоящей из крупных молекул, рассеянных по коллагеновой сети. В костной ткани «штукатурка» представляет собой твердые, сопротивляющиеся сжатию кристаллы гидроксиапатита.