Глава 12

ВОЗДЕЙСТВИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЧЕЛОВЕКА

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: n = a

g

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-физиологиче-ских 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).

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).

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:

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

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.