(д. т.н., профессор), (магистрант)
влияние геометрии ПОВЕРХНОСТЕЙ конструкций одежды на ее СТАТИЧЕСКую ЭЛЕКТРИЗАЦИЮ
г. Шахты, Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса
Одежда имеет сложную геометрическую форму поверхности, меняющуюся в процессе эксплуатации при динамических движениях человека, которые он совершает во время выполнения работ в условиях электростатической напряженности на производстве, подвергая риску свое здоровьеи общую безопасность себя и объектов производства.
Учет особенностей геометрии поверхности одежды и ее изменение в динамике при расчетах уровня элетризации таких объектов преставляет в настоящее время крайне актуальную и недостаточно проработанную задачу.
На величину накапливающегося заряда влияют электрические свойства материала (электрическая проводимость вещества, энергия связи носителей заряда в веществе, диэлектрическая проницаемость вещества), состояние материала (строение ткани, загрязнения и извитость волокон, влажность), которые в совокупности определяют электрическое сопротивление материала.
Накопление статического заряда на поверхности одежды в значительной мере зависит от самой поверхности и ее формы. Поверхность одежды должна преимущественно быть гладкой, обтекаемой для того, чтобы не препятствовать стеканию заряда с одежды в окружающую среду, так как известно, что заряд накапливается в углах, которые образцются в виде всевозможных заломов одежды. Они в свою очередь способствуют накоплению заряда. Поэтому образование сгустков поверхностных электростатических зарядов на одежде неизбежно [1].
Приобретение электрического заряда возможно различными способами: соприкосновение (трение), электростатическая индукция и т. д. При этом всякий процесс электризации заключается в разделении заряда, т. е. на одном из тел (или части тела) появляется избыток положительного заряда, а на другом (или другой части тела) – избыток отрицательного заряда. Таким образом, происходит перераспределение зарядов между телами при сохранении общего количества зарядов обоих знаков, содержащихся в телах [1,2].
Рис.2. Схематичное изображение процесса электризации
двух тел
Электростатическая индукция характеризуется упорядоченным движением свободных электронов в направлении, противоположном направлению напряженности поля, при внесении незаряженного проводника в однородное электростатическое поле. В следствии этого электроны будут скапливаться на одной стороне проводника, образуя избыточный отрицательный заряд, а на другой стороне проводника образуется положительный заряд. Таким образом, произойдет разделение зарядов, а в целом проводник останется незаряженным [3].
Трибоэлектричество объясняется возникновением электрических зарядов при трении. При трении двух химически одинаковых тел более плотное из них получает положительные заряды [4].
Так же в статической физике имеет место блуждание зарядов. Если толщина слоя зарядов на поверхности мала по сравнению с её радиусом, то заряды образуют «атмосферу», в которой заряды совершают хаотическое движение, сталкиваясь друг с другом. При взаимодействии этих зарядов произойдет их незначительное перераспределение, что приведет к возникновению системы избыточных зарядов. Эта система может перемещаться с потоками воздуха и действовать как заряженное тело [5].
Накопление электростатических зарядов приводит к отсутствию электронного баланса, что создает нестабильное энергетическое состояние. Вследствие чего, заряженные объекты стремятся к нейтрализации для того, чтобы выйти из этого нестабильного энергетического состояния. Для чего электроны идут по пути наименьшего сопротивления для заземления или уходят в атмосферу для создания равновесия зарядов объекта. Такой электронный разряд характеризуется как электростатический разряд. Наиболее предсказуемой характеристикой этого разряда является то, что он направляется для заземления по пути наименьшего сопротивления; однако, время прохождения такого разряда совершенно непредсказуемо. Именно эта непредсказуемость электростатического разряда затрудняет контроль отказов компонентов. Время прохождения этого разряда зависит от типа материала, который разряжается. Так проводники разряжаются очень быстро. Материалы, которые рассеивающие энергию, разряжаются за считанные секунды. А изолирующие материалы могут не разряжаться от нескольких минут до нескольких часов [6]. Такие условия определяют высокий уровень риска и электростатической напряженности и могут приводить к электрическим разрядамс последующими авариями на производстве.
В целях проектирования одежды для безопасной работы в условиях электростатической напряженности для поиска оптимальных решений и оценки ожидаемого уровня электризации одежды используют методы математического моделирования системы «человек – одежда – среда». В основе такой системы тело человека в одежде представляется в виде геометрической модели. На сегодняшний день предложены два способа представления геометрической модели: в виде приближенных геометрических объектов частей системы (шары, цилиндры разных сечений и форм) и в виде математического описания разверток поверхностей, приближенных к поверхностям фигур [7].
Первый способ (представление тела человека в виде геометрических объектов) рассматривается такими авторами, как Столвик, Жаворонков, Бринк, Черунова, Гринина, Расторгуева, Ермакова, Матюшев, Бондаренко [8,9].
Разработанная геометрическая модель представляет собой набор из 16 геометрических зон, заключенных в 28 поверхностях, описываемых уравнениями второго порядка. Отдельные части тела описаны следующими геометрическими фигурами:
1. Трехосные эллипсоиды: 1 – голова, 3 - плечевой пояс (до вспомогательной плоскости раздела плечевого пояса и торса), 5,6 – тазобедренные суставы (от плоскости раздела торса и тазобедренных суставов до плоскости раздела тазобедренных суставов и ног), 15,16,17,18 – внешняя и внутренняя поверхности рук (от плоскости раздела руки и кисти).
2. Эллиптический цилиндр: 2 – шея (от головы до плечевого пояса).
3. Эллиптические конусы: 4 – торс (от вспомогательной плоскости раздела плечевого пояса и торса до плоскости раздела торса и тазобедренных суставов); 7,8 – ноги (от плоскости раздела тазобедренных суставов и ног до плоскости раздела голеней и ступней); 9,10 – пятки (от плоскости раздела ног и ступней до основания по высоте и до разделения со ступней по горизонтали); 11,12 – ступни (от плоскости раздела ног и ступней до основания по высоте и от разделения с пяткой по горизонтали); 13,14 – руки (от плоскости раздела плечевого пояса и торса до плоскостей раздела рук и кистей) [9].
Другие авторы геометрическую модель тела человека описывают совокупностью цилиндров. Незначительные отличия заключаются в следующем: Столвик, Жаворонков, Бринк, Гринина, Расторгуева, Ермакова голову описывают в виде шара; разработала модель, тело которой представлено в виде набора эллиптических цилиндров [8].
Математическое описание разверток поверхностей, приближенных к поверхностям фигур и поверхностей включает в себя: методом триангуляции, метод геодезических линий, метод секущих плоскостей и метод конструирования разверток в чебышевской сети. Математическое описание представлено в работах следующих авторов: , .
Метод секущих плоскостей рассмотрен автором . Данный метод основан на рассекании тела на ряд участков. Так получены горизонтальные сечения фигуры человека на основных конструктивных уровнях (груди, талии, бедер) и вертикальные сечения сагиттальной плоскостью. Аналитические описания данных контуров сечений фигуры представляются системами уравнений. Каждое такое уравнение описывает участок составной кусочно-квадратичной кривой. Координаты начальных и конечных точек участков кривой определяются согласно данным о расположении выступающих точек фигуры [10].
В работе автора рассмотрено применение систем трехмерного сканирования человеческого тела, позволяющих получать наиболее полную информацию о поверхности тела. После сканирования полученные данные обрабатываются для получения компьютерных геометрических моделей технических объектов с возможностью последующего ввода этих моделей в систему автоматизированного проектирования [11].
Представленные способы получения математических описаний поверхностей одежды ложатся в основу моделирования процессов электризации одежды в динамике, учитывая изменения формы одежды во времени.
Список литературы.
1. Детлаф, физики: Учеб. пособие для вузов [Текст] / А. А Детлаф, . - М.: Высш. шк., 1999. – 718 с.
2. Вотинцев, А. Основы статического электричества [Текст] / А. Вотинцев, И. Тренисов // Информационный бюллетень "Поверхностный монтаж". – 2007, - №10.
3. Трофимова, физики: Учеб. пособие для вузов [Текст] / . - М.: Высш. шк., 1990. – 478 с.
4. Поль об электричестве :Учеб. пособие для вузов [Текст] / – М.: Физматгиз, 1962. -
5. Сапогин удержания вещества самосогласованным полем [Текст] / – Таганрог, 2000. – 255 с.
6. Полимеры. Полимеры и статическое электричество [Электронный ресурс] / Новые химические технологии / Режим доступа http: // www. newchemistry. ru / index/php.
7. Щеникова, поверхности одежды в аспекте антиэлектростатической одежды [Текст] / , , // Инновации и перспективы сервиса: Сборник трудов. - Уфа,2010.
8. Черунова, теории и прикладных методов проектирования специальной защитной одежды от широкого диапазона температурных воздействий [Текст]: диссертация на соискание уч. степени доктора технических наук / . – Шахты, 2008. – 379 с.
9. Бондаренко, радиационных нагрузок на космонавтов МКС с использованием геометрической модели тела человека [Текст]: автореф. дис. канд. техн. наук: 25.04.2007 / ; Государственный научный центр Российской Федерации - Институт медико-биологических проблем Российской академии наук. – М, 2007. – 27 с.
10. Тунгусова, проектирования пуховой одежды с использованием математических моделей теплозащитного пакета [Текст]: автореф. дис. канд. техн. наук: 11.05.2009 /Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный институт сервиса». – М, 2009. – 18 с.
11. Караулова, перспективно-числовой модели трехмерного Евклидова пространства применительно к конструированию швейных изделий [Текст]: автореф. дис. канд. техн. наук : 05.01.01 /Омский государственный технический университет. - Омск, 2004.-23 c.
