Биомедицинская инженерия и биомеханика. Курс лекций. Учебное пособие

Государственный и международный стандарты регламентируют все вышеуказанныетребования. Механическаяпрочностькаскидолжнавыдерживать вертикальный удар с энергией 80 Дж без возникновения на ее поверхности видимых повреждений. Каска не должна протыкаться приудареострымбойком, падающимсэнергией неменее30 Дж. Амортизационные свойства каски должны обеспечивать снижение приложенной энергии в 50 Дж до усилия, передаваемого голове, величиной 5 кН, так как именно при этих условиях могут происходить переломы тел шейных позвонков.

Амортизационные возможности касок и шлемов зависят от их размеров, формы, используемого материала, конструкции корпуса и внутреннейоснастки. Зазормежду головойивнутреннейповерхностьюколпака не должен быть меньше 25 мм, но и не должен превышать 50 мм.

Прочностные характеристики каски могут быть повышены за счет формы каски и создания на ее поверхности ребер жесткости. При одном ребре жесткости сила, действующая на каску от упавшего предмета, в зависимости направления его оси раскладывается на составляющие, что позволяет предмету соскользнуть с каски. При этом чем дальше от оси каски находится точка контакта с предметом, тем быстрее происходит его соскальзывание. При нескольких ребрах жесткости, расположенных близко друг от друга, такого эффекта не происходит, и предмет передает каске всю энергию удара.

Для уменьшения времени контакта предмета с каской ее форма должна быть как можно более обтекаемой, а поверхность должна быть гладкой. За счет этого предмет быстро скатывается с каски, и усилия передаются по касательной, чем достигается смягчение силы удара.

При создании внутренней оснастки шлемов и касок используются три основных элемента: прокладки, подвески и гидравлические амортизаторы. Хотя прокладки и приводят к концентрации усилий, но без них обойтисьнельзя. Крометого, онипрепятствуютсмещениюшлеманаголове. Эффективность прокладок зависит от их толщины и материала, из которого они изготовлены. Обычно это материал с внутренними пустотами (типа пенопласта). При его деформации энергия сначала затрачивается на ликвидацию имеющихся в нем пустот, после чего происходит уже собственная деформация материала, который начинает себя вести какмонолит. Прокладкидолжныустанавливатьсявнаиболеевероятных местах ударов.

81

Амортизирующиесвойствазащитныхкасокприэксплуатацииухудшаются. Особенно значительно теряют эти свойства шлемы и каски, подвергнувшиеся ударам. Причиной несчастных случаев часто бывает ношение касок, потерявших свои эксплуатационные свойства. Поэтому все защитные устройства должны проходить периодический контроль, не использоваться больше регламентного срока и заменяться после сильных ударов и при признаках повреждений.

При увеличении массы каски момент инерции системы «голова + шлем» увеличивается, чтоповышаетопасностьтравмированияшейного отдела позвоночника при быстрых движениях. Немаловажное значение играет и положение центра массы шлема относительно оси вращения, которая проходит через шейный отдел позвоночника. Вес защитных касокразных размеровнедолженпревышать7–10 Н, ирассчитыватьсяон должентак, чтобыпроекцияегоцентрамассыприестественнойрабочей позе человека совпадала с вертикальной проекцией центра массы головы или находилась несколько кзади. В противном случае возникает дополнительный момент силы тяжести. Ношение шлемов с неправильным расположением центра масс ведет к утолщению мышц шеи и вызывает головные боли.

Проекцияцентрамассыголовычеловеканапродольнуюосьвсагиттальной плоскости располагается над наружным краем наружного слухового отверстия, т. е. кпереди от атланто-затылочного сочленения. Поэтому голова удерживается от наклона вперед напряжениями мышц шеи, расположенными по ее задней поверхности (разгибатели головы), и кивательными мышцами. Для того чтобы уменьшить нагрузку на эти мышцы, необходимо переместить центр массы шлема как можно дальше кзади и вниз.

В настоящее время лучшим средством защиты шейного отдела позвоночника от усилий, вызванных быстрыми кивательными движениями головы при резком торможении или ускорении, являются пневматические защитные воротники.

Защита от падения с высоты

Соответствующие средства защиты должны отвечать следующим требованиям:

предохранять от падения (ограждения, подвижные леса, подъемные площадки);

82

в случаепаденияобеспечитьсохранениежизниупавшемуипредотвратить возможные повреждения (предохранительные сетки, предохранительныеилиспасательныепояса, страховочныежилеты);

быть удобными и не стеснять свободу движений.

Вопытах стренированнымкаскадером, совершавшимпрыжкисвысоты 20–80 см с закрепленным на груди поясом, сила достигала 4800 Н. Приэтомдоброволециспытывалболивпозвоночникеигруднойклетке и отказывался от дальнейших испытаний.

Длин троса спасательного пояса без амортизирующих устройств не должна превышать 60 см. При использовании амортизирующих устройств длина троса не должна превышать 2 м. Максимально допустимые нагрузки рекомендуются не более 6 кН. Однако следует заметить, что величина максимально переносимой нагрузки зависит от конструкции пояса.

Большинство используемых предохранительных ремней закрепляется на поясе человека. При ширине пояса 10,5 см максимально переносимая нагрузка равна 5,4 Н. Подвешивание людей в различных положениях показало, что неприятные ощущения обусловлены нарушением функций дыхательной и сердечно-сосудистой системы, очень быстро становятся непереносимыми и не могут сохраняться без риска для жизни. Как правило, человек, оказавшийся в столь неудобном положении, не может произвольно его изменить, и это может привести к трагическому финалу.

В этой связи стоит решительно отказаться от простых поясных спасательных ремней и отдать предпочтение поясу с лямками для крепления пояса на уровне грудной клетки и плеч, а также с набедренными лямками. Немаловажное значение имеет и крепление страховочного фала – спереди или сзади. Вид крепления фала зависит от вероятности падения вперед или назад.

Современные страховочные пояса должны включать в себя амортизирующие элементы для поглощения энергии удара при падении. Их применение в два раза снижает нагрузку на фал.

По виду конструкции амортизаторы можно подразделить на три типа.

1.Устройства, зажимающиеся при приложении нагрузки по типу скользящего ползуна.

2.Устройства, действующие по типу пружины, в которых сила сопротивления возрастает по мере увеличения приложенной нагрузки (дисковый тормоз).

83

3. Устройства с использованием разрушающихся элементов конструкции, играющих роль поглотителей кинетической энергии падающего тела и растягивающих во времени ударный импульс (например, лента, прошитая нитями, выдергиваемые шары, специальная укладка фала). Преимущество таких устройств состоит в их малом весе и размерах в сочетании с высокой надежностью.

Защита от травм в автомобиле

Пассивная безопасность пассажиров внутри салона автомобиля обеспечивается комплексом инженерных решений:

многослойными безосколочными стеклами;

мягкой обивкой интерьера;

утапливающимися или изгибающимися при ударе рулевыми колонками;

большим расстоянием от коленей до панели управления;

разностьюпрочностныххарактеристикразличныхчастейавтомобиля (средняя часть должна быть прочнее, чем передние и задние).

Практикаиэкспериментальныеисследования показали, что уровень безопасностивосновномопределяетсянестепеньюдеформациикузова,

аперемещением и ударами человека о внутренние элементы интерьера в результате больших ускорений при столкновении или опрокидывании автомобиля.

Тяжесть травм резко увеличивается при возрастании скорости автомобиля, поскольку кинетическая энергия возрастает пропорционально квадрату скорости. Возрастание скорости в два раза, с 40 до 80 км/ч, увеличивает кинетическую энергию соударения. Удар со скоростью 80 км/ч соответствует энергии падения с высоты 25 м (8-й этаж).

При столкновении автомобиля с препятствием сила рук водителя не может эффективно противостоять тем усилиям, которые вызывают ускорение тела водителя. Поэтому основное внимание было уделено конструкции ремней безопасности.

Удерживающие ремни впервые были предложены в 1903 г. Сегодня наибольшее распространение получили диагонально-поясные ремни инерционного типа. Безопасность человека зависит также от степени натяжения ремня безопасности. Чтобы не вызвать ушибов и врезаний ремня в тело, он должен не иметь перегибов и скручиваний и крепиться с зазором не более 20–30 мм.

84

К числу других возможных средств защиты от травм в салоне автомашины можно назвать надувные подушки, которые при получении сигнала воспринимающего устройства (столкновение на скорости 19–29 км/ч) заполняются газом за 30 мс. Однако и они не лишены недостатков, поскольку закрывают лицо водителя и исключают его дальнейшее участие в остановке автомобиля, что увеличивает возможность получения травм водителем и пассажирами. Помимо этого, подушки безопасности очень дороги.

Для профилактики возможности получения травм в салоне автомашины при резком торможении немаловажное значение имеет посадка пассажира. Наиболее безопасным является положение «спиной вперед к движению». Препятствием для его реализации являются психологические причины (желание сидеть «как все», смотреть вперед на дорогу). Для преодоления этого барьера сконструированы специальные кресла с поворачивающейся осью в области передних ножек, а также кресла с демпферами внутри них, что удлиняет путь торможения тела при резкой остановке (столкновении) и уменьшает ускорение, испытываемое телом.

85

14.Маркс В. О. Ортопедическая диагностика / В. О. Маркс. – Минск : Наука

итехника, 1978. – 511 с.

15.Мунипов В. П. Эргономика: человекоориентированное проектирование техники, программных средств и среды : учебник / В. П. Мунипов, В. А. Зинченко. – Москва : Логос, 2001.

16.Уткин В. Л. Культура движений (основы оптимизации) / В. Л. Уткин. – Москва : Знание, 1984.

17.Спортивнаяметрология: учебникдляинститутовфизическойкультуры / под ред. В. М. Зациорского. – Москва : Физкультура и спорт, 1982.

18.ШмидтР. Соматовисцеральнаясенсорнаячувствительность / Р. Шмидт, Г. Тевс // Физиология человека / под ред. академика П. Г. Костюка. – 3-е изд. –

Москва : Мир, 2005. – 864 с.

19.Эргономика. Характеристики слухового анализатора. – URL: http://pere- osnastka.ru/articles/kharakteristiki-slukhovogo-analizatora (дата обращения: 20.06.2023).

87

89