Загальні положення

Швидкість руху - один з основних показників розвитку транспортних засобів. Авіація в цьому відношенні має величезну перевагу в порівнянні з іншими видами транспорту. Одночасно з великою швидкістю польоти на повітряних суднах супроводжуються впливом на людину механічних факторів, пов'язаних з фізичними закономірностями швидкісного переміщення в просторі.

Прискорення і перевантаження, будучи наслідком зміни швидкості, досягають таких величин, від яких необхідна ефективна захист з метою забезпечення безпеки польотів. Розробка та застосування засобів і методів збереження працездатності та підвищення переносимості людиною механічних факторів не представляється можливою без попереднього вивчення впливу на організм і визначення допустимих меж у конкретних умовах їх виникнення.

Швидкість, як відомо, не чинить на організм безпосереднього впливу. Прикладом може слугувати відсутність будь-яких відчуттів при русі з постійною швидкістю в наземних транспортних засобах, літаках і космічних кораблях, а також від обертання землі зі швидкістю 940 км / год і її руху по орбіті приблизно зі швидкістю 30 км / с.

Сказане справедливо в тих випадках, коли організм при русі захищений від зіткнення з середовищем, всередині якої відбувається рух. Так при переміщенні відносно земної поверхні людина повинна бути захищена від дії зустрічного потоку повітря. При русі у воді повинен бути огороджений від зіткнення з нею. Тільки в таких умовах рівномірна швидкість може бути індиферентні подразником і не викликатиме відповідних реакцій.

Вплив швидкості, проте, не байдуже і в тих випадках, коли людина змушена керувати рухом. Він має реагувати на мінливу обстановку в навколишньому середовищі, сприймати і пізнавати зустрічні предмети, а в разі необхідності змінювати напрямок руху. При цьому, чим більше швидкість, тим важче контролювати переміщення в просторі. При подачі якого-небудь регулюючого сигналу або виникненні перешкоди необхідно виконання відповідних керуючих дій, що вимагають витрати визначеного часу. Як відомо, для самої найпростішої відповідної реакції людини (наприклад, натискання на кнопку за умови, що вона знаходиться під кистю руки), необхідно час не менше 0,2 с. А якщо завдання ускладнюється переносом руки, необхідністю прийняття рішень, вибором послідовності або повторюваності дій, то час реакції неминуче збільшується. Крім того, до часу, необхідного для виконання керуючих дій, буде додаватися час, необхідний для зміни характеру руху керованого апарату, а в даному випадку літака.

При посадкової швидкості польоту 300 км / год, літак проходить за кожну секунду шлях, приблизно рівний 85 м. Якщо на цій швидкості пілот отримає сигнал або виявить перешкоду на відстані 40-50 м, то для забезпечення безпеки польоту він повинен прийняти рішення і виконати керуючі дії в межах 0,5 с, так як через цей проміжок часу літак буде на рівні сигналу або перешкоди. Отже, у наведеному прикладі відстань 40-50 м буде так званої «сліпий зоною», в межах якої людина за своїми психофізіологічними показниками не може активно контролювати управління рухом. Із збільшенням швидкості польоту відстань «сліпої зони» за той же проміжок часу буде більше (пропорційно швидкості руху). Збільшення швидкості польоту зменшує час реагування при управлінні польотом або збільшує відстань, на якому потрібно сприйняття і упізнання сигналу і виконання дій. У разі зустрічного руху «сліпа зона» підсумовується пропорційно швидкості польоту кожного з літаків.

Відомо, що сприйняття і упізнання сигналів та предметів на відстані залежить від часу доби, освітленості, погодних умов, характеру та розміру сигналу або предметів, їх контрасту з фоном і т. д. Тому для підвищення безпеки польотів сучасних і перспективних швидкісних літаків здійснюється розробка і застосування автоматичних приладів, які допомагають органам почуттів людини або в певній мірі їх замінюють.

Рух усіх транспортних засобів, у тому числі літаків, залежно від зльоту, посадки, режиму роботи двигунів, маневрів у польоті і т. д., здійснюється з нерівномірною швидкістю.

Зміна швидкості за величиною або напрямком в одиницю часу називається прискоренням.

Одиницями відліку прискорень можуть бути сантиметр або метр в секунду в квадраті (см/с2 або м/с2). У сучасній літературі прийнято позначати прискорення одиницями g, кратними прискоренню вільно падаючого тіла (9,81 м/с2).

У разі прямолінійного руху зміна швидкості, тобто прискорення або гальмування в одиницю часу на відрізку шляху, визначається відношенням різниці швидкостей (Vi, Vo) до часу (t) або різниці їх квадратів до подвоєному шляху

Криволінійний рух по колу з радіусом R в площині, перпендикулярній осі обертання, може бути рівномірним або нерівномірним. При рівномірному русі на тіло діє доцентрова сила, що визначає рух по колу. У напрямку до центру кола в залежності від швидкості виникає доцентрове прискорення.

Нерівномірний рух пов'язано з дією сили, спрямованої щодо окружності. Прикладом такого руху може бути розгін або зупинка центрифуги. У цьому випадку доцентровийприскорення підсумовується з прискоренням тангенціальним. Тангенціальне прискорення може бути визначено математично як що становить рівнодіючу прискорення, викликаного доцентрової і дотичній силами. Обертання тіл навколо осі, що проходить всередині тіл, як правило, оцінюється за. кутової швидкості. Зміна кутової швидкості руху викликає кутове прискорення, що вимірюється в градусах або радіанах в секунду в квадраті (град/с2 або рад/с2), пропорційно різниці кутових прискорень в одиницю часу.

У тих випадках, коли під дією зовнішньої сили тіло, здійснюючи рівномірний криволінійний рух по відрізку кола, одночасно віддаляється від центру кола або наближається до нього, виникає так зване додаткове або поворотне прискорення. У випадку дії такого прискорення на організм людини його називають прискоренням Коріоліса по імені автора, вперше його вивчила.

Найбільша величина прискорення Коріоліса за інших рівних умов буде при відхиленні тіла від осі обертання на кут 90 °. Якщо ж зміна радіуса обертання відбувається строго по осі обертання, тобто кут дорівнює нулю, то додаткове прискорення буде підсумовуватися з доцентрові.

В авіаційній практиці прискорення Коріоліса може виникати при відхиленнях верхній частині тулуба і голови пілоти в момент зміни напрямку польоту, в цих випадках у осіб зі слабкою статокінетіческой стійкістю можуть виникати вестибулярні розлади. Стійкість пілотів до ускорениям Коріоліса перевіряється під час лікарсько-льотної експертизи спеціальними пробами на кріслі Барані.

При всіх видах прискорень механічні сили, що викликають додаткову швидкість, передають тілу кінетичну енергію, яка за законами механіки не байдужа для внутрішніх зв'язків рухомого тіла.

Інерція - це властивість тіл зберігати свій стан спокою або прямолінійний рівномірний рух. Чим більше сила, що викликає порушення первісного стану тіла, тим більше поглинається ним енергії, а, отже, сильніше виявляється інерція.

Інерція, як і гравітація, маючи властивість поля сил, виникає безпосередньо в кожній одиниці маси. Усередині тіла, особливо, якщо воно не є однорідним, відбувається різна ступінь зміщення його частин, виникає механічне напруження зв'язків і різна ступінь деформації.

Всі руйнування рухомих тіл переважно при зустрічі перешкод є наслідком інерції, що виникає при прискоренні або гальмуванні.

В авіаційній практиці вплив інерції на конструкцію літаків в результаті дії аеродинамічних сил і тяги двигунів прийнято називати перевантаженням. Якщо до рухомого тіла буде докладено дві або декілька сил одночасно, то прискорення будуть докладені щодо їх рівнодіюча, а перевантаження - в строго протилежному напрямку Цим пояснюється зсув незакріплених предметів усередині транспортних засобів у протилежному зміні швидкості на правлінні (при різкому гальмуванні - вперед по напрямку руху, а при збільшенні швидкості або при поворотах - у протилежному руху напрямку)

Параметри перевантаження - величина, швидкість наростання і тривалість - пропорційні діє на тіло зовнішній силі. Звідси випливає, що для повної оцінки впливу прискорень і перевантажень необхідно знати їх тривалість і швидкість наростання, тобто третю похідну шляху за часом, що позначається для прискорень в метрах в секунду в кубі (м/с3), а для перевантажень - одиницею в секунду (1 / с). Залежно від швидкості наростання перевантаження може бути плавно збільшується або різко зростаючій (ударної). Швидкість наростання перевантажень визначається шляхом ділення максимальної величини перевантаження на час її досягнення:

На схемі Рис. 1показана крива зміни перевантаження за часом.

Рис. 1 Зміна перевантаження - за часом

Площа цієї кривої характеризує величину енергії, переданої прискорювала тілу.

Численні дослідження показують, що переносимість людиною перевантажень залежить не тільки від їх параметрів, а й від цілого ряду інших умов. Тому оцінку рівнів стійкості людини до перевантажень необхідно розглядати з позицій біомеханіки, тобто паралельно враховувати як фізичні, так і біологічні процеси, що впливають на механічне напруження і стан структур тіла, фізіологічні та психологічні зміни та умови дії механічної енергії на організм. Така оцінка впливу перевантажень на організм людини повинна охоплювати наступні показники: величину перевантаження, її тривалість, швидкість наростання і спаду, час піку, положення тіла, напрям вектора перевантаження, кошти противоперегрузочного захисту, умови навколишнього середовища, індивідуальну стійкість, мотивацію, фізичну підготовку та тренування.

Організм людини являє собою складну біологічну систему, а не однорідну масу. Тканини тіла володіють не однаковою пружністю, в'язкістю, еластичністю, маються повітроносні і заповнені рідиною порожнини, внутрішні органи мають різну щільність і особливості кріплення, частини тіла різноманітні за розмірами, формою і тяжкості. Звідси випливає, що вплив перевантаження на живий організм викликає надзвичайно різноманітні механічні зміни і ступінь фізичної напруги органів і тканин. Одні тканини реагують стисненням, інші розтягуванням, треті - зсувом, крутінням, вигином і т. д., викликаючи в організмі різні функціональні зміни. Природно, що найбільшої деформації при перевантаженнях піддаються тканини і органи, які мають велику масу і еластичність, а механічне напруження відчувають в більшій мірі опорні елементи тіла. У разі перевищення міцності окремих тканин, органів, опорних структур, їх кріплень неминуче виникає їх пошкодження. Ступінь пошкодження, так само як і зміна або порушення фізіологічних функцій значною мірою залежить від фізичних характеристик перевантаження.

Величина перевантаження визначає відношення величини механічної напруги структур прискорюється тіла до величини напруги в стані спокою. Спочиваюче на опорі тіло відчуває дію сили земного тяжіння і сили опору опори, в результаті чого його структури відчувають напругу. Величина механічної напруги покоїться тіла прийнята за одиницю і є рівнем відліку. Виміряти механічне напруження структур живого організму практично неможливо, тому для визначення величини перевантаження використовують інші пов'язані величини - прискорення, силу, вагу. Враховуючи біомеханічні особливості впливу перевантажень на організм і значення багатьох факторів, що впливають на переносимість, практично виключається можливість точного розмежування їх впливу залежно від конкретних величин. Тому в загальному вигляді величини перевантажень можуть бути розділені на три групи:

- Малі і середні - завідомо стерпні при широкому діапазоні відмінностей в інших параметрах;

- Великі - стерпні за певних умов або оптимальних величинах інших характеристик;

- Критичні - знаходяться на межі патологічних наслідків і виживаності.

У живому організмі, крім суто фізичних процесів, у відповідь на механічний вплив виникають фізіологічні реакції, спрямовані на зрівноважування змінених умов. Вплив цих реакцій на загальний стан організму, безумовно, буде посилюватися при збільшенні тривалості впливу перевантаження.

Загальноприйнятою класифікації прискорень за тривалістю не існує. Тому, ймовірно, слід розрізняти три тимчасові групи перевантажень:

- Тривалі - впливають на організм секунди або хвилини в межах малих і середніх величин;

- Короткочасні - діючі десяті долі секунди, що при використанні засобів захисту можуть досягати порівняно великих величин;

- Миттєві - обчислюються у сотих долях секунди або в мілісекундах.

Короткочасні перевантаження наближаються до дії зовнішніх сил і характеризуються переважно локальним ефектом. Миттєві перевантаження повністю втрачають властивість поля сил, практично відсутня їх час дії, є тільки пік наростання, що представляє собою поштовх, удар. Шкідлива дія таких перевантажень сприймається поверхнею тіла і поширюється вглиб нього у вигляді хвилі, подібно удару рухомим тілом по нерухомому.

Оцінка миттєвих перевантажень за їх величиною, ймовірно, відрізняється значною неточністю. Тому доцільно їх величину, тобто ступінь механічної напруги, визначати за потужності, що витрачається механічної енергії в одиницю часу.

Основним результатом впливу короткочасних і миттєвих перевантажень є мікро-і макроструктурні зміни. Ступінь травматичних ушкоджень при інших рівних умовах і однакових перевантаженнях залежить від площі додатки механічних сил. Експериментально доведено, що чим більше ділянку тіла, на який впливає сила, тим вище стійкість людини до перевантажень. Причиною цього є менша питомий тиск на одиницю поверхні тіла. Істотне значення мають і анатомо-фізіологічні особливості тієї ділянки тіла, через який сприймається перевантаження.

Механічне напруження структур прискорюється тіла залежить від швидкості наростання перевантаження. Чим більше швидкість наростання, тим швидше виникають зміни, що викликаються перевантаженням. Звідси випливає її біологічне значення як адекватного подразника механорецепторів в організмі людини. При короткочасних і миттєвих перевантаженнях велика швидкість наростання завжди посилює больовий і травмує ефект їх дії.

Класифікація перевантажень по швидкості наростання викликає справедливі заперечення, так як відсутні досить переконливі факти, на підставі яких можна було б систематизувати швидкість наростання перевантажень за фізіологічними показниками.

Орієнтовно все розмаїття перевантажень, що зустрічається в авіації, можна розділити на три категорії за швидкістю їх наростання:

- Перевантаження, повільно наростаючі - одиниці в секунду;

- Перевантаження, швидко наростаючі - десятки одиниць на секунду;

- Перевантаження ударні - сотні, тисячі одиниць на секунду.

Слід зазначити, що коли мова йде про вплив перевантаження на живий організм, то для повної характеристики механічного впливу завжди необхідно вказувати не тільки на величину перевантаження, але і на її тривалість і швидкість наростання. Тільки всі три параметри дають повне уявлення про перевантаження як факторі польоту. Для оцінки переносимості перевантаження людиною необхідно і точна вказівка ​​її напрямки по відношенню до тіла.

Різна переносимість перевантажень в залежності від напрямку до поздовжньої осі тіла людини породила різноманіття варіантів їх систематизації. За базу відліку в усіх варіантах приймається поздовжня вісь тіла. Однак у подальшій деталізації відзначаються розбіжності як у підходах позначень, так і в термінології. Це призводить до неточностей відтворення вектора перевантаження, воздействующей в польоті або в експерименті.

Найбільш повна класифікація перевантажень за напрямом дії запропонована Брауном з співавторами в 1966 р. Вона являє триплощинної градусну систему координат з відліком кутів по крену, тангажу і нишпоренню. Основним недоліком цієї системи є складне знаходження точок відліку нульових значень.

У 1971 р. А.В. Іванов і І.А. Цвєтков дану систему уточнили, запропонувавши за базу відліку враховувати не градусну сітку кола, а сферичні кути, рівні 90 ° між перетином всіх трьох площин - сагітальній, фронтальній і горизонтальній, що проходять через центр ваги. У випадку розбіжності вектора перевантаження із загальноприйнятими осями X, Y і Z, що збігаються з осями літака, було запропоновано застосовувати подвійну термінологію. Вектор перевантаження, розташований вище рівня горизонтальній площині, має визначатися напрямком голова - таз, а вектор у сферичних кутах нижче горизонтальної площини - направленням таз - голова. У горизонтальній площині вектор поперечної перевантаження має напрямку спина - груди, груди - спина або бік - бік (Мал. 2).

Рис. 2 Напрями перевантаження в триплощинної системі координат

В умовах польоту, наприклад при аварійній ситуації, перевантаження може бути спрямована під будь-яким кутом до поздовжньої осі тіла людини. Дана система дозволяє оцінити всі можливі положення із зазначенням кута відхилення від поздовжньої або поперечної осей тіла, наприклад, перевантаження в напрямку голова - таз під кутом 17 ° справа наліво або перевантаження в напрямку груди-спина під кутом 15 ° від голови до ніг. Таке позначення точно відтворює вектор перевантаження. Знаючи величину перевантаження і розглядаючи її як рівнодіючу геометричній суми поздовжньої і поперечної перевантажень, легко їх визначити за правилом паралелограма. Цей метод дозволяє оцінити найбільш суттєві зміни в організмі в результаті дії найбільшою складовою, оскільки межі переносимості перевантажень в подовжньому і поперечному напрямках порівняно добре вивчені.

За переносимості людиною все перевантаження, враховуючи їх біомеханічне вплив, поділяються на порогові, оптимальні, допустимі, що переносяться, які пошкоджують і летальні.

У льотної практиці зустрічаються різні за величиною, тривалості, швидкості наростання і напрямку перевантаження. Короткочасні перевантаження при зміні швидкості прямолінійного руху досягають найбільших величин при ускладнених зльоті або посадці, при стрибках з парашутом і катапультуванні. Тривалі перевантаження частіше зустрічаються при зміні напрямку польоту. На швидкісних літаках такі перевантаження можуть досягати великих величин, супроводжуючись зміною працездатності членів екіпажу, а, отже, і бути причиною порушення безпеки польотів.