БЕЗОПАСНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА
ПРИ УСКОРЕНИЯХ
(БИОМЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ)
Москва 2007
УДК 614.8
ББК 54.58
Р125
Рецензенты:
доктор медицинских наук профессор ,
доктор технических наук профессор ,
кандидат технических наук доцент
Р125 Безопасность человека при ускорениях. (Биомеханический анализ). М. 2007г. – 208 с.
Аннотация
В книге представлен биомеханический анализ теоретических и экспериментальных данных, характеризирующих безопасность человека при длительно – действующих и ударных ускорениях (перегрузках). Рассмотрено влияние деформаций мозга и основания черепа на механизм потери сознания при предельно-переносимых человеком длительно – действующих перегрузках по направлениям «голова - таз» и «грудь-спина», включая случай воздействия перегрузки «голова – таз» с большой скоростью нарастания. Дан анализ влияния скорости нарастания перегрузки на дозу перегрузки, безопасную для человека. Рассмотрены математические модели системы «человек-кресло» при ударе. Приведены данные об ударных воздействиях на голову, вызывающих черепно-мозговую травму. Изложены материалы по оценке величин перегрузок, предельно-допустимых для лиц без специальной физической подготовки. Рассмотрены примеры: столкновение автомобилей, удар о грунт авиалайнера при аварийной посадке, ускорения на «русских горках» и ряд других.
Книга рассчитана на широкий круг специалистов, занимающихся проблемой ускорений применительно к обеспечению безопасности человека при использовании наземного, авиационного и водного транспорта, скоростных механизированных аттракционов, промышленных средств индивидуальной защиты, а также средств спасения людей при техногенных и природных авариях и катастрофах.
Она может быть полезна также студентам и аспирантам вузов.
ISBN 978-5-212-01018-4 © , 2007
Оглавление
стр
Аннотация............................................................................................................................................ 2
Предисловие........................................................................................................................................ 5
Глава 1. Введение................................................................................................................................ 7
Глава 2. Термины и определения..................................................................................................... 23
Глава 3. Биомеханические характеристики тела человека............................................................. 28
3.1. Введение.................................................................................................................................. 28
3.2. Структура тела человека........................................................................................................ 28
3.3. Антропометрия....................................................................................................................... 34
3.4. Физико – механические свойства.......................................................................................... 35
3.5. Прочностные характеристики позвоночника........................................................................ 38
3.6. Прочностные характеристики черепа................................................................................... 48
3.7. Прочность сосудов головного мозга..................................................................................... 51
Глава 4. Длительно – действующие перегрузки «голова – таз» и «таз – голова»......................... 52
4.1. Введение.................................................................................................................................. 52
4.2. Безопасность человека при длительно – действующих перегрузках «голова – таз»......... 53
4.2.1. Потеря сознания при перегрузках «голова – таз»....................................................... 53
4.2.2. Влияние перегрузки «голова – таз» на гемодинамику ………….. ……………………………..61
4.2.3. Деформации в теле человека при перегрузках «голова – таз»................................... 68
4.2.4. Индивидуальная устойчивость к перегрузке «голова – таз».................................... 72
4.2.5. Доза перегрузки............................................................................................................ 77
4.2.6. Математическая модель головного мозга человека в поле
длительно – действующей перегрузки «голова –таз»......................................................... 85
4.2.7. О механизме потери сознания при длительно – действующей перегрузке
«голова – таз»......................................................................................................................... 95
4.3. Перегрузка «таз – голова»..................................................................................................... 98
Глава 5. Длительно – действующие перегрузки «грудь – спина», «спина – грудь» и «бок – бок» 105
5.1. Перегрузка «грудь – спина»..............................................................................................
5.2. О влиянии деформаций мозга на переносимость человеком поперечных перегрузок.. 109
5.3. Перегрузка «спина – грудь»..............................................................................................
5.4. Перегрузка «бок – бок».....................................................................................................
Глава 6. Перегрузки, допустимые для человека без специальной физической подготовки
(перегрузки на атракционах)........................................................................................................
6.1. Введение.............................................................................................................................
6.2. Экспериментальные данные
Стандарт ASTM F – 2291 – 03 (США)..............................................................................
6.3. Безопасность посетителей аттракционов при действии перегрузки. Структура проблемы 129
6.4. Знакопеременное, многократное и комбинированное воздействие перегрузки............
6.5. Угловые скорости и угловые ускорения..........................................................................
Глава 7. Ударные перегрузки......................................................................................................
7.1. Введение.............................................................................................................................
7.2. Примеры.............................................................................................................................
7.2.1. Столкновение автомашин........................................................................................
7.2.2. Аварийное приземление самолета..........................................................................
7.3. Ударная перегрузка в системе «человек-кресло»............................................................
7.3.1. Постановка задачи. Система «человек-кресло» (СЧК)……………………………………… 145
7.3.2. Экспериментальные данные....................................................................................
7.3.3. Анализ экспериментальных данных.......................................................................
7.3.4. Математические модели системы «человек – кресло» при ударе........................
7.3.5. Многомассовая математическая модель системы «человек-кресло».
(Модель «Полиэм – 19»)...................................................................................................
7.3.6. Результаты расчетов с использованием модели
«Полиэм – 19». Пределы применимости модели...................................................
7.4. Воздействие ударных перегрузок на голову....................................................................
7.4.1. Введение...................................................................................................................
7.4.2. Экспериментальные данные....................................................................................
7.4.3. Анализ экспериментальных данных.......................................................................
7.5. Безопасность человека при действии ударных перегрузок.............................................
Литература....................................................................................................................................
Памяти учителя
Александра Соломоновича Повицкого
посвящается.
Предисловие
Основой для данной книги послужили полученные автором результаты исследований ряда задач биомеханики человека, опубликованные в период 1966…2006г., а также материалы по теме книги, опубликованные в отечественной и зарубежной литературе. При формировании текста автор придерживался традиционного подхода, уделяя наибольшее внимание вопросам, освещенным лишь в периодических и специальных изданиях.
Во Введении кратко рассмотрена структура проблемы и критерии, используемые при нормировании перегрузок, допустимых для человека.
Отдельная глава посвящена биомеханическим параметрам тела человека, включая прочностные характеристики позвоночника, черепа и сосудов головного мозга.
В главе 4 приведены материалы о переносимости человеком длительно – действующих перегрузок «голова-таз». На основе биомеханического анализа данных о гемодинамике в поле перегрузки и деформационных характеристик основания черепа, а также математической модели мозга рассмотрен механизм потери сознания человеком при длительно – действующих перегрузках «голова-таз», включая случай воздействия перегрузок с большой скоростью нарастания.
Анализ выполнен с использованием новой системы координат «интеграл ускорения - скорость нарастания перегрузки».
В главе 5, посвященной действию на человека перегрузок в сагиттальной и латеральной плоскостях, проведен анализ влияния деформаций мозга и основания черепа на пределы переносимости человеком перегрузки «грудь-спина». Рассмотрено влияние на пределы переносимости человеком перегрузки «грудь – спина» угла между плоскостью основания черепа и линией визирования.
Глава 6 содержит данные о перегрузках, допустимых для посетителя аттракциона – человека без специальной физической подготовки.
В главе 7 изложены результаты исследования реакции системы «человек-кресло» (СЧК) на воздействие ударной перегрузки; анализ проведен с использованием ряда математических моделей СЧК. Приведены также данные об ударных воздействиях на голову, вызывающих черепно-мозговую травму.
Автор выражает признательность Генеральному директору компании «Мир» Заслуженному Конструктору РФ кандидату технических наук , предоставившему для книги материалы по аттракционам, а также доктору медицинских наук
и кандидату медицинских наук за полезные советы и обсуждение.
Все критические замечания и пожелания, направленные на улучшение книги, будут с благодарностью приняты автором.
Рис. 5.5. Предельно – переносимые дозы перегрузки; 1. ΔV = f(nåmax); расчет
по данным [203]; 2. ΔV = f(nåmax); расчет по данным [18]; 3. Зона погрешности
в определении момента остановки эксперимента.
Рис.5.7. Предельно – переносимые дозы перегрузки; 1. (ΔVz)max = f(nz)max; расчет по данным [16]; 2. (ΔVz)max = f(nz)max; расчет по кривой 3; [16]; 3. (ΔV)Σ = f(nΣ)max; расчет по данным [16].
Рис. 7.16. Диаграммы ударных перегрузок на массе (m1) модели Полиэм – 19,
предельно – допустимые по условию сохранения прочности позвонков. Расчет.
1. ń = 30000 1/c; 2. ń = 15000 1/c; 3. ń = 10000 1/c; 4. ń = 5300 1/c; 5. ń = 3500 1/c.
Рис. 7.21. Распределение черепно – мозговых травм различной степени тяжести
(в %) в зависимости от скорости и локализации удара. А – «жесткий»удар;
В – «смягченный» удар. Состояние пострадавшего в ближайшем последействии: светлая часть диаграммы – безопасное; заштрихованная – допустимое;
темная – опасное. Результаты анализа клинических данных. [133]
Рис. 7.24. Критерии и параметры оценки переносимости человеком
ударной перегрузки (пояснения в тексте).
А) ń ≤ 500 1/с. В) 500 < ń ≤ 5000 1/с. С) ń > 50001/с
