Воздействие ударных перегрузок на человека

Для более полного и качественного анализа и последующих инноваций в области пассивной безопасности стоит также отметить важность влияния перегрузок, возникающих при ударе. Исследования в этой области способны показать, в какой мере в конструкции автомобиля используются научные данные о естественных физиологических возможностях и резервах человека по переносимости аварийных ударных перегрузок, действующих на человека при ДТП.

Проведенные Б.А. Рабиновичем исследования показали, что с ростом «резкости» удара скорость фронтального удара, безопасная для человека, уменьшается. [ ]

Так, на рисунке 1.4 показана система координат и контрольные параметры диаграммы перегрузки n(t), которые принято рассматривать при анализе результатов воздействия на человека ударных перегрузок.

Рисунок 1.4 – Контрольные параметры диаграммы ударной перегрузки

При воздействии на человека ударной перегрузки к наиболее значимым параметрам относятся:

· скорость нарастания перегрузки («резкость удара») [1/сек], определяемая по формуле:

· скорость, потерянная при ударе — интеграл ударного ускорения ΔV [м/сек], определяемый по формуле:

В таблице 1.1 приведены результаты испытаний по воздействию на добровольцев-испытателей перегрузки «спина-грудь» при фронтальном ударе [ ].

Таблица 1.1 – Экспериментальные данные о переносимости человеком ударных перегрузок «спина – грудь» (-n_x).

№ п/п	- nx max	tсек max	, 1/с	V0, км/ч	Экспериментальная установка; поза испытателя	Заключение
	45,4	0,18	≈500	201,6	жесткое кресло; специальная система фиксации с площадью обхвата 553 см2; защита от кивка; поза «сидя»; горизонтальный стенд	переносимо
		0,117	≈600		жесткое кресло; специальная система фиксации; поза «сидя»; горизонтальный стенд	переносимо
		0,054		53,5	жесткое кресло; специальная система фиксации; поза «сидя»; горизонтальный стенд	признаки шока; предельно переносимо

Испытания проводились на специальном ударном стенде. Испытатель сидел в экспериментальном кресле. В опыте №1 (см. таблица 1.1) скорость фронтального удара составила V₀ = 201,6 км/час при скорости нарастания перегрузки dn_x /dt = 500 1/сек; при этом максимальная перегрузка «спина-грудь» составила (-n_x) = 45,4.

Условия воздействия испытатель оценил как переносимые; результаты медицинского обследования испытателя [ ] также позволили сделать положительное заключение о переносимости испытателем воздействия ударной перегрузки в ходе данного эксперимента.

При увеличении скорости нарастания перегрузки до = 1400 1/сек условия воздействия в эксперименте оказались предельно-переносимыми; у испытателя были обнаружены признаки шока. При этом максимальное значение перегрузки составляло (-n_x)=38 , т.е. на 16 % меньше, а скорость фронтального удара V₀=53,3 км/час — в 4 раза меньше, чем в благополучном опыте №1. Из приведенных результатов следует, что с ростом «резкости» удара скорость фронтального удара, безопасная для человека, уменьшается.

В таблице 1.2 приведены результаты испытаний по воздействию на добровольцев-испытателей перегрузки «грудь-спина» при ударе сзади.

Таблица 1.2 – Экспериментальные данные о переносимости человеком ударных перегрузок «спина – грудь» (-n_x) при ударе сзади.

№ п/п	- nx max	tсек max	, 1/с	V0, км/ч	Экспериментальная установка; поза испытателя	Заключение
	40,4	0,048		53,3	жесткое кресло; специальная система фиксации; поза «сидя»; горизонтальный стенд	симптомы шока и потери сознания, предельно переносимо
		0,061			жесткое кресло; специальная система фиксации; войлочная прокладка 12 мм на подголовнике; поза «сидя»; горизонтальный стенд	переносимо
		0,115			жесткое кресло; специальная система фиксации; войлочная прокладка 12 мм на подголовнике; поза «сидя»; горизонтальный стенд	переносимо

В опыте №1 удар со скоростью 53,3 км/час при скорости нарастания перегрузки =2140 1/сек и максимальной перегрузке n_x=40,4 был признан предельно-переносимым. В опыте №3 при увеличении скорости удара почти вдвое до V₀=97 км/час и одновременном снижении «резкости» удара до =530 1/сек (т.е. в 4 раза) условия воздействия были переносимыми; максимальная перегрузка в опыте составила (n_x)_max=32 — на 20 % меньше, чем в опыте №1. Отметим, что в опытах использовалось кресло высокой жесткости. На подголовнике была установлена войлочная прокладка толщиной 12 мм. Использование войлока в качестве обивочного материала для подголовника объясняется тем, что войлок, при хороших демпфирующих характеристиках, обладает весьма малой упругостью.

На рисунке 1.5 показана схема головы человека.

Рисунок 1.5 – Схема головы человека

1 –свод черепа; 2 –основание черепа.

Основание черепа, которым голова опирается на позвоночник, при нагрузках деформируется. Жесткость основания черепа в 10 раз меньше жесткости свода черепа, что доказано экспериментально. К основанию черепа прилегают базальные структуры мозга, где расположены жизненно важные центры мозга, управляющие системами дыхания, кровообращения и др. Сквозь основание черепа из мозга выходят 12 пар нервных пучков, которые регулируют работу сердца и других органов и структур организма человека. При воздействии ударной перегрузки на голову, в зависимости от величины скорости, теряемой при ударе, происходит деформация либо разрушение основания черепа с соответствующим воздействием на базальные структуры мозга и нервы, проходящие сквозь основание черепа. При ударе головы о жесткую преграду с большой скоростью нарастания перегрузки пороговая величина скорости, потерянной при ударе, при которой происходит потеря сознания, составляет 3 м/сек (11 км/час) [ ]. При ударах со скоростями, превышающими пороговую, степень тяжести черепно-мозговой травмы быстро возрастает. На рисунке 1.6 приведены результаты анализа повреждений головного мозга и костей черепа при летальной транспортной черепно-мозговой травме в зависимости от направления удара [ ].

Рисунок 1.6 – Основные повреждения головного мозга и костей черепа при летальной черепно – мозговой травме в зависимости от направления удара:

I – удар по затылку; II – удар спереди; 1 –свод черепа; 2 – основание черепа; 3 – поверхность мозга в зоне свода черепа; 4 – базальная поверхность мозга; жирные линии – линии переломов; затемненные участки – контузионные очаги.

Анализ экспериментов показал, что при больших скоростях нарастания перегрузки максимальное значение перегрузки (n_max=100…210) не является критерием переносимости ее человеком. В условиях экспериментов критерием оказалась скорость, теряемая при ударе. В [ ] показано, что переносимость человеком ударных перегрузок характеризуется функцией: ΔV = f (ń), где (ΔV) — скорость, теряемая при ударе, допустимая величина которой зависит от скорости нарастания перегрузки (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 – Критерии и параметры оценки переносимости человеком ударной перегрузки: А – ; B – ; C –

В координатах «DV— ń» весь спектр ударных воздействий может быть разбит на три диапазона с различными критериями переносимости в каждом из диапазонов. В настоящее время, с учетом имеющихся материалов исследований, границы диапазонов могут быть обозначены лишь приближенно. В диапазоне (А) для диаграмм перегрузки в форме трапеции, полусинусоиды или треугольника определяющим фактором служит максимальное значение ударной перегрузки.

В данном случае для повышения безопасности человека необходимо снижать максимальную амплитуду ударной перегрузки, что может быть достигнуто:

· за счет снижения скорости удара;

· за счет применения амортизаторов с достаточным ходом и характеристикой, при которой максимальная перегрузка и скорость ее нарастания не выходят за установленные пределы.

В диапазоне (В) 500 < ≤ 5000 1/с величина потерянной при ударе скорости (ΔV) = f (n_max; ) — сложная функция (n_max); ( _max) и формы диаграммы удар ной перегрузки n(t). В этом диапазоне допустимые значения ударного воздействия приходится искать в каждом конкретном случае отдельно, с учетом всей совокупности факторов, влияющих на переносимость человеком удара, и, прежде всего, с учетом формы диаграммы ударной перегрузки. На практике в этом случае из имеющегося банка экспериментальных данных подбираются аналоги диаграмм n(t), переносимость которых человеком была изучена ранее, либо проводятся целенаправленные экспериментальные и теоретические исследования. Как видно из рисунка 1.7, в этом диапазоне воздействий безопасность человека существенно зависит от скорости нарастания ударной перегрузки; при снижении скорости нарастания перегрузки безопасная для человека скорость (ΔV) быстро возрастает.

В диапазоне (С) скорость ∆V ≤ ∆V_max = сonst; т.е. в этом диапазоне воздействий переносимость человеком удара не зависит от величины перегрузки и от формы диаграммы перегрузки, а зависит только от скорости, потерянной (приобретенной) при ударе.

Отметим важное для практики обстоятельство. В диапазонах (В) и (С), где критичным параметром служит определенный интеграл ускорения с границами интегрирования, соответствующими моменту соударения тел и окончанию деформации (DV), то есть скорость, потерянная или приобретенная при ударе — уровень безопасности человека может быть повышен не только за счет очевидного мероприятия — снижения начальной скорости удара, а также за счет снижения упругости системы «человек — кресло». Как видно из приведенных соотношений, для диапазонов (В) и (С) снижение упругих свойств системы «человек — кресло», т.е. снижение скорости отскока системы при ударе, существенно повышает безопасность человека.

Отсюда следует, что для снижения тяжести ДТП система пассивной безопасности автомашины должна проектироваться исходя из предельных научно обоснованных физиологических возможностей человека по переносимости аварийных перегрузок. При этом упругость всех элементов системы пассивной безопасности должна быть минимальной.