12.1. механические воздействия

12.1. механические воздействия

Механические воздействия со стороны окружающей среды сопровождают человека всю жизнь. Такие воздействия могут быть непрерывными (сила тяжести, атмосферное давление) или кратковременными (аварии, спортивные травмы, погружение в воду). Биомеханические проявления механического воздействия зависят от его продолжительности и интенсивности. Например, воздействие на голову силы величиной в десятки килоньютон приводит к разрушению костей свода черепа за доли миллисекунды. Если силу воздействия уменьшить на порядок, а время воздействия на порядок увеличить, то разрушение охватит большие области черепа. Дальнейшее снижение интенсивности и увеличение времени воздействия приведет к тому, что разрушение черепа не наступит, но возникнет перемещение мозга относительно черепа.

По характеру действия механические воздействия можно условно разделить на два вида: статические и динамические.

Статические воздействия

Длительные (регулярные) статические воздействия приводят к направленным изменениям в организме. К таким воздействиям можно отнести многие виды тренировок спортсменов. Так, регулярные нагрузки на определенные группы мышц приводят к увеличению их объема и силы (гантели, штанга, тренажеры). Упражнения на растяжку позволяют увеличить эластичность мышц и связок.

В то же время длительные статические нагрузки могут привести и к развитию заболеваний. Например, к искривлению позвоночника при неправильной осанке. Отметим также, что длительные статические нагрузки целенаправленно использовались для создания анатомических изменений, в соответствии с «местными» представлениями о красоте. Например, тугое пеленание ступней девочек в Китае для ограничения их роста.

Кратковременные статические нагрузки, приложенные в соответствующих направлениях, могут привести к серьезным травмам или летальному исходу. На этом основано действие болевых приемов.

Динамические кратковременные воздействия

Кратковременные динамические воздействия часто называют ударными. Они характеризуются высокой интенсивностью и малой длительностью. Например, воздействие на организм при катапультировании. Ударные воздействия сопровождаются значительным ускорением тела или его отдельных частей. Перегрузки, возникающие при ударных воздействиях, принято выражать отношением к ускорению свободного падения:

Понятие ударного воздействия достаточно условно. Некоторые авторы относят к ударным воздействия, длительность которых менее одной секунды. Однако следует иметь в виду, что травмы органов могут возникнуть при перегрузках любой длительности. Поэтому предельную допустимую длительность перегрузки определяют с физиологических позиций. Она может лимитироваться не .только уровнем механических напряжений в тканях, но и перемещением жидких сред организма, например, перемещением крови при выполнении фигур пилотажа.

Учет направления действия ударных перегрузок

Ударные перегрузки классифицируются с учетом направления их действия. Виды перегрузок, их направления и наиболее опасные последствия показаны в табл. 12.1.

В некоторых процессах на человека могут действовать перегрузки различных направлений. В таблице 12.2 показаны перегрузки и их направления, возникающие на различных стадиях катапультирования.

Нормирование перегрузок производят путем подбора критериев переносимости. Такие критерии устанавливаются в ходе испытаний с участием добровольцев. Учитываются как субъективные ощущения испытуемых, так и результаты клинико-физиологических исследований. Пример результатов подобных исследований приведен на рис. 12.1. Здесь представлена зависимость допустимого уровня ударных перегрузок от времени действия. Видно, что чем больше время действия перегрузок, тем ниже их допустимый уровень. При этом безопасные уровни перегрузок продольного направления (рис. 12.1, а) значительно ниже, чем поперечного (рис. 12.1,6).

Таблица 12.1

Характер повреждений при перегрузках

Из рис. 12.1, б (1—3) видно, что легче всего переносятся перегрузки в направлении «грудь—спина». Перегрузки бокового направления переносятся тяжелее, о чем говорит более низкий уровень границы добровольной переносимости (линия 4). При перегрузках, имеющих направление «таз — голова», внутренние органы смещаются в краниальном направлении, а позвоночник испытывает деформацию растяжения. Эти перегрузки переносятся хуже всего (рис. 12.1, а).

Таблица 12.2

Перегрузки при катапультировании

Рис. 12.1. Допустимые значения ударных перегрузок в зависимости от времени действия в направлении «таз — голова» (а) и «грудь — спина» (б):

1 — предел добровольной переносимости; 2 — выраженные

физиологические реакции; 3 — слабые физиологические реакции;

4 — предел добровольной переносимости в направлении «бок — бок»

Нагрузка на кости и связки в процессе приземления

Человек, который прыгает или падает с некоторой высоты и приземляется ногами на твердую поверхность, испытывает значительное воздействие на берцовые кости ног. Но наиболее уязвимы кости голени. Воздействующая сила будет максимальной в точке наименьшего поперечного сечения — прямо над лодыжкой. Кости голени сломаются в том случае, если сила давления превысит величину — 0,5-105 Н. Если прыгун приземлился на обе ноги, то максимальная сила, которой кости ног могут сопротивляться, удваивается до 105 Н. Эта сила соответствует примерно 130-кратному увеличению веса нормального человека (75 кг).

Опишем падение (прыжок) с высоты количественно. Сила, действующая на кости ног, равна:

где т — масса человека, а — среднее ускорение центра масс человека в процессе приземления.

Скорость v, которую имеет человек при падении с высоты H из состояния покоя, задается выражением:

Среднее ускорение, возникающее в процессе остановки тела, движущегося со скоростью v на пути h определяется из выражения:

Из соотношений (12.2) и (12.3) находим ускорение:

Следовательно, сила, действующая на тело при торможении, равна:

 (12.4)

Важно, что эта сила зависит от параметра— отношения высоты падения к расстоянию, на котором происходит торможение тела до полной остановки. Выразим из соотношения (12.4) предельно допустимую высоту падения, при которой наступает перелом костей голени (F = 130·m·g):

а) Если человек будет приземляться на стопы обеих ног твердо, не сгибая коленей, то расстояние h будет примерно 1 см (деформация стоп). Тогда максимально допустимая высота падения Н будет равна

H = 1,3м.

Таким образом, падение с относительно небольшой высоты 1,3 м при жестком приземлении может окончиться переломом костей голени.

б) Участок торможения можно сделать больше за счет сгиба ног в коленях во время приземления. В этом случае h0,6 м и по формуле (12.5) получим предельную высоту падения Н = 78 м. Полученное число непомерно велико. Причина этого заключается в том, что при сгибании ног в коленях возникает нагрузка на сухожилия и связки, которые способны выдерживать только 1/20 силы, ломающей кости (F6,5mg). Для этого значения формула (12.5) дает

Н = 3,3м.

Если человек приземлится не на твердую поверхность (например, в воду, мягкий снег, песок) то предельная высота падения будет больше.

Влияние сопротивления воздуха на скорость падения тел

На величину скорости падающего тела влияет не только высота падения, но и сила сопротивления воздуха. Так, для человека падение на землю с высоты третьего этажа всегда опасно. В то же время такое падение может быть безопасным для мелких животных. Причина этого состоит в следующем. На падающее тело действуют две силы: сила тяготения, пропорциональная массе тела, и противоположно ей направленная сила сопротивления воздуха, зависящая от размеров поперечного сечения предмета и его скорости.

Скорость падающего тела возрастает до тех пор, пока величина силы сопротивления не сравняется с силой тяжести. После чего падение станет равномерным. Максимальная скорость падения называется предельной скоростью и зависит от отношения площади поперечного сечения к весу телаЧем больше это отношение, тем меньше будет предельная скорость. Вес тела пропорционален кубу размеров (mg~l3), а площадь сечения пропорциональна квадрату размеров (S ~ l2). Поэтому при уменьшении размеров тела отношениерастет, а предельная скорость падения уменьшается.

Для падающих тел, не являющихся сферическими, площадь поперечного сечения зависит от ориентации тела относительно земли. Соответственно от ориентации тела зависит и предельная скорость падения. Этим пользуются парашютисты для изменения скорости в фазе свободного падения.

Предельная скорость падающего человека приблизительно равна 65 м/с в том случае, если он расправит руки и ноги так, как это делает парашютист. Если бы человек имел шарообразную форму, его предельная скорость возросла бы до 105 м/с. Максимальная скорость падения маленького насекомого равна нескольким метрам в секунду.

Если бы сила сопротивления воздуха не ограничивала скорость падения, то капли дождя, падающие с высоты 3000 м, достигали бы Земли на скорости 270 м/с. При этом дождь стал бы причиной невероятных повреждений.