1.2. Процесс формирования разруба с позиции технических дисциплин

Работы в области современной судебной медицины, особенно в травматологии, перекликаются с техническими дисциплинами, в первую очередь, с механикой напряженно-деформированного твердого тела [6, 60 - 62, 145, 146]. Процесс разрушения костных объектов развивается по общим законам твердых (композитных) материалов [63, 149, 152, 172, 175]. Таким образом, современная судебно-медицинская фрактология является связкой между судебной медициной в целом и техническими дисциплинами [1, 7, 17, 18, 30, 50, 85, 86, 91, 103, 108, 111, 112, 131, 133, 139]. Одинцов Н.В. и Эделев Н.С. указывают на необходимость использования теории сопротивления материалов в судебно-медицинской практике [94].

Поскольку топор представляет по механизму действия предмет, сочетающий в себе как признаки острого – широкое острое лезвие, так и признаки тупого твердого предмета – мощный клин, значительная масса и т.д., необходимо рассмотреть публикации по разрушению эпифизов трубчатых костей под воздействием твердых предметов.

В руководстве по плотницкому и столярному делу Федорова П.А. (1992) указано, что имеются топоры для рубки и для тески дерева. Топоры с малым рабочим углом предназначены для тески дерева, а топоры с большим углом – для колки [40]. Топор с углом заточки 30 градусов именуется как строительный и используется универсально. Таким образом, в зависимости от цели и назначения используются разные рабочие углы лезвия топора. Собственно разрушение материала под действием рубящего предмета находится в прямой зависимости от угла заточки (рабочего угла) топора, то есть от угла схождения полей заточки. В имеющихся публикациях [32, 38, 40, 110] авторы либо отличают собственно топор и колун, либо ссылок на рабочий угол топора нет вообще.

По данным Н.С. Эделева, П.П. Комарова (1988) выделяют острые, средней остроты и тупые лезвия [141]. Авторы выделяют следующие параметры остроты режущей кромки:

Таблица 1.1. Параметры остроты режущей кромки (по Н.С. Эделеву)

Под резанием материалов подразумевается процесс отделения от основного тела или массива отдельных кусков (частиц) материала, в большей или меньшей степени связанных между собой, или же разделение материала на две или несколько частей посредством различных инструментов [11, 19, 48, 50, 101, 111].

Геометрия резца, рассматриваемая в теории резания материалов, существенно отличается от острого предмета, которым оперируют судебные медики. В резце выделяют главную режущую кромку (применительно к судебной медицине – лезвие). Кроме этого, выделяют и дополнительные (вспомогательные) кромки, в роли которых выступают ребра резца, имеющие с главной кромкой общую грань. Применительно к судебной медицине, дополнительными режущими кромками являются ребра обуха ножа, ребра линий носка и пятки топора и т.д. [111].

Свободное резание характеризуется тем, что оно осуществляется одной режущей кромкой. Применительно к судебной медицине, такой тип резания характерен для образования рубленых повреждений без погружения носка или пятки топора (рис.1.2).

Рис. 1.2. Процесс формирования разруба при погружении средней части лезвия топора (по И.В. Скопину). Свободный тип резания

Полусвободное резание осуществляется двумя режущими кромками – главной и вспомогательной. Например, повреждения, нанесенные обоюдоострым ножом в котором более острая кромка работает как главная, а более тупая – как вспомогательная.

При блокированном резании в работе принимают участие три и более режущих кромки – главная кромка и две или более вспомогательных кромок. В качестве главной режущей кромки выступает собственно лезвие острого предмета, а в качестве вспомогательных кромок – ребра предметов (ребра линии пятки и/или носка топора (рис.1.3, а, б) [111].

Рис. 1.3. Блокированный тип резания (а, в-формирование рубленой раны, б – формирование колото-резаной раны)

Величина сил резания при полусвободном меньше, чем при блокированном, и больше, чем при свободном резании.

Механизм разрушения в общем виде Янковский В.Э. (1991) рассматривал как процесс воздействия внешней силы на кость, сопровождающийся ее деформацией с развитием внутренних напряжений с последующей дислокацией костных структур, зарождением, ростом и распространением трещин, приводящим к нарушению ее целостности. Им выделено пять видов деформаций: растяжение, сжатие, кручение, изгиб и сдвиг. При возникновении каждого вида деформаций или их комбинаций в костной ткани возникает три рода напряжений: растяжение, сжатие и касательное напряжение [147].

Феодосьев В.И. (1976) в своих трудах обращал внимание на то, что особенности структуры материалов проявляются по-разному, в зависимости от деформаций – переход от упругого состояния в пластическое или от пластического к состоянию разрушения. Он подчеркивал, что пластическая деформация необратимо изменяет кристаллическую решетку, за счет сдвига, а разрушение начинается с образования трещин, которые проходят либо внутри зерен, либо в межкристаллическом слое [131].

При изучении механизма и морфологии переломов при тупой травме скелета, ряд авторов делят разрушение на два типа: локальное и конструкционное. При сосредоточенном напряжении локальное разрушение формируется в зоне контакта, а траектория разлома определяется совокупностью таких слагаемых, как величина и направление этого воздействия, форма конструкции и физические характеристики разрушаемого тела (хрупкое, хрупкопластическое, кристаллическое, аморфное, композитный материал и т.п.) [33, 60, 61, 62, 69].

При рассредоточенном воздействии, когда превышаются запасы прочности конструкции, последняя ломается в самом слабом месте. Таких участков, как указывают авторы, может быть несколько, соответственно и первоначальных очагов разрушения может оказаться целая серия. Однако следует заметить, что при нагружении, как правило, в зоне контакта элементы конструкции более устойчивы в силу развития здесь преимущественно сжимающих деформаций. Авторы утверждают, что первоначальное разрушение может возникать в отдаленных зонах, так как там действуют разрывные силы [33, 60, 61, 62].

Не последнее влияние на направление и характер распространения трещин оказывает форма нагружаемого тела (конструкции). В продолговатых предметах (прямой или изогнутый стержни) разрушение распространяется в поперечном по отношению к длинному размеру направлении (преобладает деформация изгиба). В пластинах могут иметь место, как изгиб, так и рост трещины не в поперечном по отношению к толщине направлении, а параллельно поверхности пластины (свод или основание черепа, таз). На основании физико-математических особенностей построения костей, физических и прочностных свойств авторами выявлены морфологические критерии повреждений длинных трубчатых костей при воздействии тупых предметов, рассмотрена биомеханика разрушения кости как твердого тела с учетом возрастных особенностей [33].

Изучая деформацию и разрушение материалов, Маклинток Ф. и Аргон А. (1970) и др., отмечали, что в слоистых структурах, упроченных волокнами, при разрушении большую роль играют моментные напряжения.

Деформация – это изменение формы и размеров тела, либо его части под действием внешних сил, вызывающих изменение относительного положения частиц тела [7, 61, 62]. В зависимости от условий внешнего воздействия различают несколько способов деформирования:

1. Растяжение и сжатие. К стержню длиной L и площадью поперечного сечения S прикладывается сила F, направленная перпендикулярно сечению. В результате этого в теле возникает механическое напряжение , которое в данном случае характеризуется отношением силы к площади поперечного сечения стержня. Под действием приложенной силы длина стержня изменяется на некоторую величину L, которая называется абсолютной деформацией. Величина абсолютной деформации зависит от первоначальной длины стержня, поэтому степень деформации выражают через отношение деформации к первоначальной длине. Это отношение называется относительной деформацией .
2. Сдвиг. Деформация сдвига возникает, если на тело действует касательная сила, приложенная параллельно закрепленному основанию. В этом случае направление смещения свободного основания параллельно приложенной силе и перпендикулярно боковой грани.
3. Изгиб. Деформация характеризуется искривлением оси или срединной поверхности деформируемого объекта под действием внешних сил. При изгибе один наружный слой стержня сжимается, а другой наружный слой стержня растягивается. Средний слой (нейтральный) изменяет лишь свою форму, сохраняя длину. Степень деформирования бруска, имеющего две точки опоры определяется по перемещению, которое получает середина стержня и называется стрелой прогиба. В зависимости от направления действия сил выделяют продольный изгиб, развивающийся под действием сил, направленных вдоль бруска и приложенных к его концам навстречу друг другу и поперечный изгиб, возникающий под действием сил, направленных перпендикулярно брусу и приложенных как к его концам, так и в средней части.
4. Кручение. Деформация характеризуется внешним поворотом поперечных сечений стержня под влиянием моментов (пар сил) действующих в плоскости этих сечений. Кручение возникает, например, когда нижнее основание стержня закреплено, а верхнее основание поворачивают вокруг продольной оси. При этом расстояние между различными слоями остается практически неизменным, но точки слоев, лежащих на одной вертикали, сдвинуты относительно друг друга. Этот сдвиг в разных местах будет различен. Например, в центре сдвига совсем не будет, по краям он будет максимальный. Таким образом, деформация кручения сводится к деформации сдвига, различному в разных частях, т.е. к неоднородному сдвигу. Сравнивая различные способы деформирования однородных тел, можно увидеть, что все они сводятся к комбинации растяжения (сжатия) и сдвига [7].

Особенности резания слоистых материалов

Все ткани человека, выполняющие защитную или опорную (каркасную) функцию, имеют структуру, в основе которой лежит волокно. Для кожи и большинства оболочек внутренних органов – это соединительно-тканные (коллагеновые и/или эластические) волокна, для костной ткани – остеон. Ориентированность остеона вдоль прилагаемой («гравитационной») нагрузки обеспечивает максимальную прочность костной ткани к вертикальной нагрузке. Направление волокон в коже и в оболочках внутренних органов также ориентировано согласно прилагаемым нагрузкам.

Теория резания материалов выделяет три главных вида резания слоистых материалов:

• в торец – направление (то есть скорость V) и плоскость резания перпендикулярны к волокнам (осевому направлению) (рис.1.4, а);
• вдоль волокон – скорость и плоскость резания параллельны волокнам (рис.1.4, б);
• поперек волокон – скорость резания перпендикулярна волокнам, а плоскость резания параллельна им (рис.1.4,в);

  
  Рис.1.4. Главные виды резания: а) торцовое, б) продольное, в) поперечное. 1- резец; 2- костная ткань; 3- остеон; V – скорость резца (по С.В. Леонову)

  Кроме этого существуют и смешанные типы резания: продольно-торцовое, продольно-поперечное, поперечно-торцовое, и т.д. [111].

  При торцовом резании (рис. 1.5, а) сила резания возрастает прямо пропорционально перемещению режущей кромки. В момент отделения элемента (разрушение, скол) сила уменьшается до нуля, после чего процесс повторяется. Режущая кромка работает непрерывно. Первоначально развивается сложная деформация волокна, выражающаяся в комплексе формирующихся в точке резания напряжений: уплощение в поперечном направлении, продольный изгиб. Далее, по мере погружения резца вглубь, на боковых поверхностях формируются сдвиговые деформации. Как видно из графика, подобный вид резания самый энергоемкий, в сравнении с другими видами резания [111].

  При продольном резании (рис.1.5, б) сила резания в начальный период растет прямо пропорционально перемещению. При внедрении режущей кромки в материал формируется трещина распора и происходит падение усилия, при дальнейшем продвижении резца – надлом. Отслоившийся элемент (осколок, отщеп) представляется в виде консольной балки, которая изгибается резцом при его продвижении. Нулевой отрезок равен холостому ходу режущей кромки резца [101, 111].

  Поперечное резание (см. рис. 1.5, в) от продольного резания отличается тем, что скол или отщеп образуется при перемещении резца на величину, несколько большую половины I, после чего режущая кромка резца продвигается, не встречая сопротивления [101, 111].

  
  Рис. 1.5. График силы резания: а) торцовое, б) продольное, в) поперечное. l- путь резца; I – путь резца при проходе одного слоя.

  Два последних вида резания, применительно к хрупким материалам, относятся к раскалыванию материала – то есть, внедрению двугранного клина по плоскости волокон [101, 111].

  В начале внедрения работает лезвие, которое перерезает стенки волокон, а полями заточки сминает материал (рис.1.6, а); при этом усилие Ррез на лезвие возрастает пропорционально глубине его внедрения (рис.1.6, в). При дальнейшем движении резца увеличивается площадь соприкосновения его полей заточки и щек с материалом, и смятие прекращается; в отогнутых частях материала накапливается потенциальная энергия. При дальнейшем погружении клина накопившаяся потенциальная энергия начинает разрушать материал, разрывая волокна в поперечном направлении вблизи лезвия клина. То есть, накопившаяся потенциальная энергия превышает предел прочности материала и создает трещину распора. Если в отогнутых частях материала потенциальная энергия вполне достаточна, то образец раскалывается до самого конца (рис.1.6, б). Если энергия недостаточна, то необходимо клин продвинуть глубже. При этом порог прочности будет пересечен и образец разрушится до конца [101, 111].

  Как видно из графика (рис.1.6, в) наибольшие силы, напряжения и деформации в процессе раскалывания возникают в начале появления трещины перед клином. Отсюда видно, что собственно режущая кромка лезвия играет активную роль только до появления трещины распора, и в дальнейшем процессе разрушения объекта фактически не участвует [111].

  
  Рис.1.6. Схема процесса раскалывания: а – появление трещины; б – распространение трещины распора до противоположного края объекта; в – график зависимости усилия сопротивления раскалыванию Р по мере углубления клина в материал кости (L - длина материала)

  Таким образом, внедрение лезвия топора в костный объект следует рассматривать как торцевой вид резания; при достаточном погружении клина, когда происходит разрушение, реализующееся через трещины распора – продольное резание. Косой удар топором следует рассматривать как поперечный вид резания.