Механизмы действия ускорений (перегрузок)

Длительно действующие ускорения.Одним из важных динамических факторов при космических полетах, воздействующих на организм человека, является ускорение. Как известно, ускорение возникает при изменении скорости или направления движения тела; при этом независимо от причины появления ускорения результирующая сила всегда имеет прямолинейное направление.

Ускорение (а) – это изменение скорости за единицу времени. Размерность ускорения обычно выражают в м/с² или в кратном отношении к скорости свободно падающего на Землю тела за одну секунду: g = 9,81 м/с² (от лат. gravitcis – тяжесть). Например, ускорение, равное 35 м/с², может быть обозначено как 3,5 g (35 м/с²: 9,81 м/с²).

При космических полетах ускорения возникают в период выведения корабля на орбиту, торможения его скорости при спуске на Землю, а также при совершении маневров (изменение направления движения) во время самого полета.

До последнего времени нет общепризнанной системы классификации ускорений. В медицинской литературе чаще всего можно встретить деление ускорения на четыре основных вида:

– прямолинейные;

– радиальные;

– угловые;

– ускорения Кориолиса.

• Прямолинейные ускорения возникают при увеличении или уменьшении скорости движения, но без изменения ее направления. При увеличении скорости ускорение нередко обозначают как положительное, при уменьшении скорости – как отрицательное. Последнее обстоятельство иногда служит поводом к возникновению недоразумений, так как часто терминами «положительное» или «отрицательное ускорение» обозначают не изменение скорости, а направление действия ускорений по отношению к голове и тазу. Прямолинейные ускорения наблюдаются при езде на современном транспорте (автомобиль, поезд и т. д.), взлете, посадке, а также изменении скорости самолета, при парашютных прыжках, и особенно значительные по величине и времени действия при выведении на орбиту и торможении космических кораблей.

Величина прямолинейного ускорения может быть вычислена по следующей формуле:

(3.1)

где а – ускорение; Vt – конечная скорость движения, м/с; V₀ – начальная скорость движения, м/с; t – время изменения скорости движения, с.

При полетах на космических кораблях линейные ускорения могут достигать значительных величин и длительного времени действия. Поэтому, естественно, возникает необходимость проведения специальных мероприятий, направленных на предупреждение неблагоприятных для здоровья последствий.

• Радиальные, или центростремительные ускорения возникают при изменении движения тела. Наиболее ярким примером этого могут служить ускорения, возникающие при воспроизведении виражей на самолете, пикировании, вращении на центрифуге и пр. В настоящее время подобные ускорения в реальных космических полетах, по существу, не встречаются. Правда, создание новых космических кораблей большой маневренности может внести в это положение определенные коррективы.

Тем не менее значительное место в общей системе подготовки занимают ознакомительно-тренировочные вращения на центрифуге.

Математически радиальное ускорение (j) может быть выражено следующим образом: j = V²/R, где V – скорость движения вращаемого тела;R – радиус вращения.

Для практических целей вычисления радиальных ускорений при работе на центрифуге, как правило, применяется следующая формула:

(3.2)

j = 4π²Rn²,

где R – радиус центрифуги; n – число оборотов в секунду.

Центрифуга является наиболее удобным стендом, на котором можно воспроизводить ускорения, соответствующие самым разнообразным профилям полетов. Современные центрифуги имеют радиус вращения от 8 до 16 м, а электронно-счетные установки позволяют программировать графики ускорений и автоматизировать обработку многочисленной физиологической информации, поступающей от объекта исследования.

Радио– и телевизионная связь создает условия для постоянного наблюдения и контроля врача-экспериментатора за испытуемым.

• Угловое ускорение Е (рад/с) наблюдается при неравномерном движении тела по окружности, т. е. при увеличении или уменьшении угловой скорости. Угловое ускорение наблюдается при разгоне и торможении центрифуги, особенно при быстром нарастании градиента ускорения.

Складывается оно из двоякого рода сил:

– направленной по касательной к окружности вращения (тангенциальное ускорение);

– направленной к оси вращения (нормальное ускорение).

Если угловое ускорение носит равномерный характер, то соотношение между обозначенными видами может быть выражено следующими формулами:

(3.3)

j_t= ER

j_n = (Et)²R,

где j_t – тангенциальное ускорение; j_n – нормальное ускорение; R – радиус вращения; t – время, за которое произошло изменение угловой скорости; Е – угловое ускорение.

Неравномерное угловое ускорение может быть рассчитано только для каждой конкретной точки кривой отдельно, так как тангенциальное и нормальное ускорения, из которых оно складывается, в этом случае постоянно изменяются по величине.

• Ускорения Кориолиса возникают при изменении радиуса вращения, а также в случае присоединения к движению в одной плоскости движения в другой плоскости.

Этот вид ускорений нередко встречается при полетах на самолетах и космических кораблях.

Ускорение Кориолиса может быть рассчитано по следующей формуле:

(3.5)

j_k= 2WV sin α,

где W – угловая скорость движения тела вокруг оси; V – скорость движения тела в другой плоскости; α – угол с основной осью вращения, при котором во время дополнительного движения тела возникает ускорение.

Линейные и радиальные ускорения в зависимости от времени

действия делятся на ударные (длятся доли секунды) и длительные (от секунды и более), а в зависимости от направления – на продольные и поперечно направленные; последние, в свою очередь, и далее подразделяют на группы.

Классификация ускорений.Терминология и классификация ускорений были предложены аэрокосмическим медицинским комитетом в США по проблемам ускорения при консультативной группе по научно-исследовательской работе. На рисунке 3.1 и в таблице 3.1

Рис. 3.1.Эквиваленты терминологии ускорений

Таблица 3.1.Терминология ускорений

¹Anterior (лат.) – передняя (в данном случае) поверхность тела.

²Posterior (лат.) – задняя поверхность тела, спина.

A-P – Anterior-Posterior; С-A – Posterior-Anterior (таблица дана с сокращениями).

представлена терминология, в основу которой положено направление ускорения массы (колонка А) и инерция органов, тканей и жидкостей организма на ускорение (колонка Б). Следовательно, действие перегрузок реально не столько для самого движущегося тела, сколько для его связей.

Буква g используется как единица для выражения инерционной результирующей к ускорению всего тела, умноженной на величину ускорения силы тяжести: g₀ = 980,665 см/с².

Направление сил инерции всегда противоположно направлению ускорения. В медицине и биологии часто употребляют термин «перегрузка». Перегрузки не имеют размерности и выражаются относительными единицами, по существу, показывающими, во сколько раз увеличился вес тела при данном ускорении по сравнению с обычной земной гравитацией.

Математически это может быть выражено следующим образом: n = Р_д/Р_с, где n – величина перегрузки (ед.); Р_д – вес динамический; Р_с – вес статический.

В зависимости от направления действия перегрузок по отношению к вертикальной оси тела их делят на продольные и поперечные. При направлении вектора перегрузки от головы к ногам говорят о положительных, а при направлении от ног к голове – об отрицательных перегрузках. Кроме того, различают поперечные (спина – грудь и грудь – спина), а также боковые (бок – бок) перегрузки. Направление вектора перегрузки имеет существенное значение для организма, и при описании физиологических реакций его всегда нужно учитывать.

Реакции организма на перегрузки.Реакция человека на воздействие перегрузок определяется рядом факторов, среди которых существенное значение принадлежит величине, времени действия, скорости нарастания и направлению вектора перегрузки по отношению к туловищу, а также исходному функциональному состоянию организма, зависящему от многих условий внешней и внутренней среды.

Изменения в организме могут проявляться от едва уловимых функциональных сдвигов до крайне тяжелых состояний, сопровождающихся резкими расстройствами деятельности органов дыхания, сердечно-сосудистой, нервной и других систем, что может привести не только к потере сознания, но иногда и к грубым анатомическим повреждениям тела.

Общее состояние человека при действии перегрузок характеризуется появлением чувства тяжести во всем теле, болевых ощущений за грудиной или в области живота, вначале затруднением, а в дальнейшем и полным отсутствием возможности движений. Происходит смещение мягких тканей и ряда внутренних органов в направлении действия перегрузки. Наблюдаются расстройства зрения, характер и степень выраженности которых определяются не только величиной перегрузки, но и направлением ее действия по отношению к туловищу.

В зависимости от плотности внутренних органов (удельного веса), места их положения, эластичности связей с окружающими тканями характер происходящих нарушений может быть различным. Понятно, что наиболее подвижны кровь и тканевая жидкость. Поэтому нарушениям гемодинамики принадлежит одно из ведущих мест в генезе физиологических сдвигов при перегрузках. Однако определенное значение имеют и такие факторы, как смещение внутренних органов и их деформация, обусловливающие не только нарушение функции этих органов, но также и усиленную афферентацию в центральную нервную систему, что нередко приводит к расстройству ее функции.