Unsteady periodic pressure and capacity for viscolastic lubrication in spherical hip joint

• Autorzy: Wierzcholski K.

Warianty tytułu

PL

Nieustalone okresowe ciśnienie i nośność w lepkosprężystym smarowaniu sferycznego stawu biodrowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The purpose of this article is to present numerical calculations of pressure and capacities for hydrodynamic, viscoelastic lubrication of human hip joint gap in unsteady motion. We assume that spherical bone head in human hip joint moves in two directions namely in circumference and meridian directions. Basic equations describing synovial fluid flow in human hip joint are solved on the analytical and numerical way. Numerical calculations are performed in Mathcad 2000 Professional Program, taking into account the method of Finite Differences. This method satisfies stability of numerical solutions of partial differential equations and gives real values of pressure and capacity forces occurring in human hip joints.

PL

Według danych WHO w 1988 roku w USA, całkowity koszt leczenia osteoporozy wyniósł około 54,6 biliona dolarów. W Niemczech roczna ilość przypadków leczenia osteoporozy wynosi ponad 30 milionów, czego skutkiem jest ponad 50 milionów dni czasowej lub okresowej niezdolności do pracy. Tak więc wzrost ilość zachorowań związanych z brakiem zdolności funkcjonowania stawów człowieka rośnie zgodnie ze wzrostem funkcji wykładniczej. Ponieważ większość chorób stawu jest wynikiem niewłaściwego lub niewystarczającego smarowania powierzchni stawu w ruchu niestacjonarnym, stąd uzasadnione jest podjęcie niniejszych badań. Niniejsza praca przedstawia obliczenia numeryczne rozkładu wartości ciśnienia i siły nośnej podczas hydrodynamicznego smarowania w szczeliny stawu biodrowego człowieka przy uwzględnieniu okresowego ruchu niestacjonarnego oraz lepkosprężystych właściwości cieczy synowialnej zmieniających się w czasie. Takie właściwości cieczy synowialnej nie były uwzględniane w dotychczasowych pracach naukowych przy modelowaniu numerycznym stawu biodrowego człowieka. Ponieważ ciecz synowialna wykazuje lepkospężyste właściwości zmienne w czasie, stąd zdaniem autora celowe są badania w tym zakresie. W przeprowadzonych badaniach przyjmujemy, że sferyczna głowa stawu biodrowego człowieka porusza się w dwóch kierunkach, a mianowicie w kierunku obwodowym (równoleżnikowym) i południkowym. Równania podstawowe opisujące przepływ cieczy synowialnej w szczeliny stawu biodra człowieka zostały rozwiązane na drodze analitycznej i numerycznej. Obliczenia numeryczne wykonane zostały przy wykorzystaniu Programu Mathcad 2000 Professional, i zastosowaniu metody różnic skończonych. Metoda ta zapewnia stabilność numerycznych rozwiązań równań różniczkowych cząstkowych i daje rzeczywiste wartości rozkładów ciśnienia i sił nośnych występujących w szczelinach stawu biodrowego człowieka.

Słowa kluczowe

EN

viscoelastic lubrication; human hip joint; unsteady motion

PL

smarowanie lepkosprężyste; staw biodrowy człowieka; ruch niestacjonarny

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2004
• Tom: nr 1
• Strony: 113--136
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys.

Twórcy

autor

Wierzcholski K.

• Technical University Gdańsk, Faculty of Ocean Engineering&Ship Technology, 80-952 Gdańsk, Narutowicza 11
• Gdynia Maritime University, Faculty of Marine Engineering

Bibliografia

• 1. Dowson D.: Bio-Tribology of Natural and Replacement Synovial Joints. In: Van Mow C., Ratcliffe A., Woo S.L-Y.: Biomechanics of Diarthrodial Joint. Springer-Verlag, New York, Berlin, Londyn, Paris, Tokyo, Hong Kong, Vol. 2, Chap. 29, pp. 305-345, 1990.
• 2. Kramer J.S., Yelin E.H., Epstein W.V.: Social and economic effects of four muscosceletal conditions. Arthritis Rheum 1983, 26, 901-907.
• 3. Maurel W., Wu Y., Thalmann D.: Biomechanical Models for Soft Tissue Simulation. Springer Verlag Berlin/Heidelberg, 1998.
• 4. Mow V.C., Holmes M.H., Lai W.M.: Fluid transport and mechanical properties of articular cartilage. Journal of Biomechanics; 1984, 17, 337-394, 1984.
• 5. Mow V.C., Ratcliffe A., Woo S.: Biomechanics of Diarthrodial Joints. Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 1990.
• 6. Mow V.C., Soslowsky L.J.: Friction, lubrication and wear of diarthrodial joints. In: Mow V.C., Hayes W.C., eds. Basic orthopedic biomechanics. New York: Raven Press; 254-291, 1991.
• 7. Mow V.C., Guilak F.: Cell Mechanics and Cellular Engineering. Berlin, Heidelberg, New York, Springer Verlag, 1994.
• 8. Puhl W.: Volkskrankheit Arthrose. Future Special Science 1995,1,12-19.
• 9. Watt S.L., Lunstrum G.P., McDonough A.M., Keene D.R., Burgeson R.E., Morris N.P.: Characterization of collagen types XII and XIV from fetal bovine cartilage. Journal Biol. Chem. 1992, 267, 20093-20099.
• 10. Wierzcholski K., Pytko S.: Analytical calculations for experimental dependencies between shear rate and synovial viscosity. Proc. of Inter. Tribology Conf. Japan Yokohama, 1995, Vol. 3, pp. 1975-1980.
• 11. Wierzcholski K.: Oil velocity and pressure distribution in short journal bearing under Rivlin Ericksen lubrication. 1998, SAMS, System Analysis Modelling and Simulations OPA Overseas Publishers. Assoc. N.V. vol. 32, 205-228.
• 12. Wierzcholski K.: The method of solutions for hydrodynamic lubrication by synovial fluid flow in human joint gap. Control and Cybernetics, 2002, vol. 31, No. 1, ISSN 0324-8569, 91-116.