Наш мозг состоит из мягкого вещества, залитого водянистой спинномозговой жидкостью (CSF) внутри твердого черепа. Воздействие на твердый череп передается через тонкий слой спинномозговой жидкости в субарахноидальном пространстве на мягкое мозговое вещество.
В Physics of Fluids, из AIP Publishing, Ву и соавторы Джи Ланг и Рунгун Натан описывают изучение другой системы с такими же характеристиками, яйца, для поиска ответов. Яйцо напоминает мозг, потому что его мягкий желток залит жидким яичным белком внутри твердой скорлупы.
Учитывая, что при большинстве сотрясений головного мозга череп не ломается, Ву хотел выяснить, можно ли сломать или деформировать яичный желток без разрушения яичной скорлупы.
Исследователи провели простой эксперимент, используя скремблер для яиц, из которого они увидели, что сила вращения может легко сломать яичный желток и заставить его смешаться с яичным белком.
С точки зрения основных концепций, лежащих в основе этой работы, мягкая капсула – мембраносвязанная мягкая материя – погружена в содержащуюся в ней жидкость. Капсула имеет непроницаемую мембрану, отделяющую жидкость внутри капсулы от внешней среды.
На внешний контейнер могут быть нанесены два типа ударов. Поступательный удар – это удар, который попадает непосредственно в контейнер, в то время как вращательный удар происходит, когда внешний контейнер ускоряется или замедляется при вращении.
Последнее возникает естественным образом в спорте, когда шлемы некруглые. Рассмотрим, например, пару выступов жесткости за многими конструкциями хоккейных шлемов.
Исследователи обнаружили кое-что совершенно неожиданное и очень удивительное. Прямое поступательное воздействие не вызывает деформации яйца, в то время как вращательное замедление вызывает огромную деформацию яичного желтка.
Это открытие проливает свет на движение и деформацию нашего мозга, когда голова подвергается внезапным внешним воздействиям.
«Мы подозреваем, что вращательное, особенно замедляющее вращательное воздействие, более вредно для вещества мозга», – сказал Ву. "Большая деформация мозгового вещества во время этого процесса вызывает растяжение нейронов и вызывает повреждение."
Это открытие объясняет, почему боксеры, скорее всего, упадут в обморок при ударе по подбородку.
«Учитывая, что подбородок является самой дальней точкой от шеи, удары по подбородку могут вызвать максимальное вращательное ускорение / замедление головы», – сказал он.
Когда дело доходит до сотрясений мозга, которые представляют серьезную проблему для общественного здравоохранения, «остается неясным, как травмируется мозг и как избежать таких травм», – сказал Ву.
«Критическое мышление, наряду с простыми экспериментами на кухне, привело к серии систематических исследований для изучения механизмов, вызывающих деформацию яичного желтка», – сказал Ву. «Мы надеемся применить полученные уроки к изучению биомеханики мозга, а также других физических процессов, которые связаны с мягкими капсулами в жидкой среде, такими как красные кровяные тельца."
Как первое исследование такого рода, эта работа предлагает новую перспективу для понимания реакции связанного с мембраной мягкого объекта на внезапные внешние воздействия. Эта новая перспектива заинтересует тех, кто занимается дизайном шлемов.