Какие максимальные перегрузки выдерживал человек?
Волнительно ощущать, как тебя вдавливает в спинку сиденья при разгоне на мощной модели. А, кстати, насколько вдавливает? При наборе 100 км/ч за 5 с среднее значение ускорения составит 0,57 g (g — ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2). Конечно, на деле оно будет неравномерным и там найдётся пик повыше. Но упростим задачу. Примерно с такой перегрузкой по горизонтали вы будете иметь дело.
Учитывая обычное 1 g от земной силы тяжести, направленной вниз, и воспользовавшись теоремой Пифагора (результирующая сила ведь действует по диагонали), можете посчитать сколько в этот момент весит ваше тело: в 1,15 раз больше обычного. Не слишком большая нагрузка. А сколько здоровый человек может перенести? Пройдёмся по своеобразной шкале.
Следующая остановка — самый быстрый в разгоне “0-100” серийный дорожный автомобиль (“с завода”, без учёта тюнинга). Сейчас это японское электрическое купе Aspark Owl, собираемое в Италии на фирме Manifattura Automobili Torino. Его электромоторы развивают суммарные 2012 л.с. и 2000 Нм, что позволяет полноприводному и отнюдь не лёгкому суперкару (1,9 т) набирать 60 миль/ч (97 км/ч) с места за 1,69 с, а 100 км/ч за 1,9 с. (Сразу что там с шинами — Michelin Pilot Sport Cup 2-R или Pirelli XL P Zero на выбор заказчика.)
Посчитаем. Среднее ускорение при разгоне до ста тут составляет 1,49 g, а водитель в этот момент весит (учитывая и нормальную силу тяжести) как 1,79 собственного веса в покое. Ощутимо, но легко переносится здоровым человеком. Идём дальше.
При запуске челнока Space Shuttle, а также при его спуске в атмосфере максимальные перегрузки достигают 3 g. Этот уровень легко переносим в течение нескольких минут, при правильном положении тела. Для ракеты “Союз” и для одноимённого космического корабля как по дороге на орбиту, так и при возвращении на Землю максимум перегрузок составляет 4 g. Однако, если спуск «Союза» идёт нештатно, по баллистической траектории, перегрузки в спускаемом аппарате при входе в плотные слои атмосферы могут превышать 20 g (по некоторым данным даже до 26 g). Это уже на грани переносимости, но не смертельно.
Переносимость перегрузок человеком сильно зависит от направления. Действующие от ног к голове (условно, вы висите на турнике вниз головой) организм переносит хуже всего, а вот в направлении от груди к спине (как при разгоне автомобиля) — хорошо.
Огромное значение имеет и время действия перегрузки. Длительные (минуты или хотя бы несколько секунд) воспринимаются хуже, чем кратковременные — в десятые или сотые доли секунды. В последнем случае они могут составлять десятки g без фатальных последствий. Опыты при подготовке космонавтов показали, что без вреда для здоровья и даже заметных изменений в кровообращении можно вынести 15 g в течение пяти секунд, 12 g, действующие две минуты, или 3 g в течение шести минут. При 25-30 g даже тренированный человек едва ли останется в сознании дольше, чем на пару секунд.
Драгстеры класса Top Fuel с моторами мощностью порядка 11 000 л.с. способны набрать 540 км/ч за 3,5 с. Это означает среднее значение ускорения в 4,4 g. Только в процессе заезда ускорение на деле не одинаково. В момент старта оно достигает короткого пика аж в 7 g, когда в глазах темнеет от перегрузки, а ближе к финишу падает примерно до 4 g.
Где-то на таком же уровне находятся кратковременные перегрузки, испытываемые пассажирами самых экстремальных из “американских горок”. Так действующий аттракцион Shock Wave (парк Six Flags Over Texas, Арлингтон, Техас) радует посетителей перегрузками до 5,9 g. А вот рекорды в этой сфере остались в прошлом. У вагончиков на горке Moonsault Scramble (1983-2000 год, парк аттракционов Fuji-Q Highland, Фудзиёсида, Япония) перегрузки достигали по разным данным 6,5-7,1 g. Рекордный же Flip Flap Railway (1895-1902 гг, Sea Lion Park, Кони-Айленд, Нью-Йорк) воздействовал на пассажиров с перегрузками около 12 g. В коллаже ниже эти три аттракциона показаны в перечисленном порядке.
Максимальная эксплуатационная перегрузка у Су-35, как и у многих современных истребителей, составляет 9 g. Конечно, конструкция рассчитана с запасом, но это штатный уровень. Для Су-57 этот параметр достигает 11 единиц. А вообще при выполнении фигур высшего пилотажа на истребителях или спортивных самолётах перегрузки достигают 12 g. При катапультировании же лётчик подвергается перегрузке в 15—20 g, однако, в течение всего-лишь лишь 0,15—0,2 с, что при правильном положении в кресле безопасно.
А что с перегрузками при автомобильных авариях? Многое зависит и от начальной скорости, и от препятствия, и от места удара. Но можно прикинуть. При столкновении с жёстким барьером на скорости всего 50 км/ч или при встречном ударе при такой же скорости автомобиль сминает переднюю часть и останавливается приблизительно за одну-полторы десятых долей секунды (подушки, к слову, раскрываются за 0,015-0,05 с). Это означает среднее замедление до 15 g.
Но вот перегрузки, которые испытывает человек за этот короткий промежуток сильно меняются во времени. Момент “прилёта” головы в подушку безопасности, также как рывок от ремней дают пики до 70, 100 и даже более чем в 100 g. Правда, настолько экстремальные воздействия длятся менее сотой доли секунды. И всё же именно эти мгновенные перегрузки различных частей тела учитывают эксперты, когда анализируют результаты краш-тестов и оценивают потенциальные травмы человека.
Максимальная же (сравнительно продолжительная) перегрузка, которую человек испытал добровольно, составила 46,2 g. В ходе опытов с разными авиационными креслами и различными типами ремней безопасности на авиабазе Холломен (Нью-Мексико) полковник Джон Пол Стэпп неоднократно испытывал перегрузки на торможении более 30 g. Для экспериментов применялась ракетная тележка на рельсах. Испытуемый переживал экстремальные замедления как в положении спиной вперёд, так и лицом вперёд, то есть, повисая на ремнях. (Так моделировалось последствие авиационной аварии, например, на взлёте.)
Именно последний вариант опыта (торможение в положении лицом вперёд) и дал рекорд в 46,2 g, зафиксированный в декабре 1954 года. В ходе своего 29-го заезда Стэпп сначала развил 1017 км/ч, став на тот момент самым быстрым человеком на Земле, а потом гидравлический замедлитель остановил тележку быстрее, чем за две секунды, в том числе экстремальные перегрузки действовали в течение 1,1 с. От такого рывка у Стэппа полопались капилляры в глазных яблоках и он на время потерял зрение. Но медики выяснили, что сетчатка не отделилась. Более менее видеть предметы Джон начал уже через несколько минут, а через день зрение стало почти нормальным.
Этот смелый человек дожил до старости и умер в 1999-м в возрасте 89 лет. Что интересно, и что вызывает уважение — Стэпп был не просто добровольцем-подопытным, но и одним из авторов данной работы по изучению влияния перегрузок на организм. Стэпп был врачом, лётным хирургом и биофизиком и ставил эксперимент в первую очередь на себе.
В 1958-м в аналогичном опыте ВВС США с ракетной тележкой на рельсах капитан Эли Бидинг испытал 40,4 g на торможении. Но, сидя лицом назад (то есть, его вжимало в спинку кресла на торможении, а это намного легче перенести). Кроме того, перегрузка 40,4 g действовала всего 0,04 с. Тележка Бидинга затормозила со скорости 56 км/ч на дистанции в 0,3 м. Ошибочное утверждение в некоторых справочниках, что Эли испытал замедление в 82,6 g относится к показаниям датчика на груди пилота, который выдал такую большую величину из-за упругих колебаний грудной клетки при ударном замедлении. То есть для Бидинга в целом более справедливо будет считать нагрузкой всё же в 40,4 g.
Максимальная же зафиксированная датчиками автомобиля перегрузка при аварии, в которой водителю удалось выжить, составила 214 g! (Пусть и в течение долей секунды.) Этот невесёлый рекорд установил шведский гонщик Кенни Брек во время столкновения со стеной в ходе гонки Indy car в Техасе в 2003-м. В той аварии участвовало две машины, которые задели друг друга при скорости 354 км/ч. Болид Брека подбросило вверх и он ударился о столб ограждения безопасности (кадр внизу).
Сенсор зафиксировал удар с пиком в 214 g. Машина разлетелась на куски, но кокпит остался целым, так что Кенни выжил, хотя и получил множественные переломы по всему телу, после которых восстанавливался полтора года. Потом он вернулся в гонки, раз выступив снова в Indy car и несколько раз в ралли. Для сравнения, более близкая по времени и более известная “огненная” авария Ромена Грожана в Гран-При Бахрейна в 2020-м сопровождалась пиковой перегрузкой “всего” в 67 g.
Перегрузки и их действие на человека в разных условиях
В авиационной и космической медицине перегрузкой считается показатель величины ускорения, воздействующего на человека при его перемещении. Он представляет собой отношение равнодействующей перемещающих сил к массе тела человека.
Перегрузка измеряется в единицах, кратных весу тела в земных условиях. Для человека, находящегося на земной поверхности, перегрузка равна единице. К ней приспособлен человеческий организм, поэтому для людей она незаметна.
Если какому-либо телу внешняя сила сообщает ускорение 5 g, то перегрузка будет равна 5. Это значит, что вес тела в данных условиях увеличился в пять раз по сравнению с исходным.
При взлете обычного авиалайнера пассажиры в салоне испытывают перегрузку в 1,5 g. По международным нормам предельно допустимое значение перегрузок для гражданских самолетов составляет 2,5 g.
В момент раскрытия парашюта человек подвергается действию инерционных сил, вызывающих перегрузку, достигающую 4 g. При этом показатель перегрузки зависит от воздушной скорости. Для военных парашютистов он может составлять от 4,3 g при скорости 195 километров в час до 6,8 g при скорости 275 километров в час.
Реакция на перегрузки зависит от их величины, скорости нарастания и исходного состояния организма. Поэтому могут возникать как незначительные функциональные сдвиги (ощущение тяжести в теле, затруднение движений и т.п.), так и очень тяжелые состояния. К ним относятся полная потеря зрения, расстройство функций сердечно-сосудистой, дыхательной и нервной систем, а также потеря сознания и возникновение выраженных морфологических изменений в тканях.
С целью повышения устойчивости организма летчиков к ускорениям в полете применяют противоперегрузочные и высотно-компенсирующие костюмы, которые при перегрузках создают давление на область брюшной стенки и нижние конечности, что приводит к задержке оттока крови в нижнюю половину тела и улучшает кровоснабжение головного мозга.
Для повышения устойчивости к ускорениям проводятся тренировки на центрифуге, закаливание организма, дыхание кислородом под повышенным давлением.
При катапультировании, грубой посадке самолета или приземлении на парашюте возникают значительные по величине перегрузки, которые могут также вызвать органические изменения во внутренних органах и позвоночнике. Для повышения устойчивости к ним используются специальные кресла, имеющие углубленные заголовники, и фиксирующие тело ремнями, ограничителями смещения конечностей.
Перегрузкой также является проявление силы тяжести на борту космического судна. Если в земных условиях характеристикой силы тяжести является ускорение свободного падения тел, то на борту космического корабля в число характеристик перегрузки также входит ускорение свободного падения, равное по величине реактивному ускорению по противоположному ему направлению. Отношение этой величины к величине называется «коэффициентом перегрузки» или «перегрузкой».
На участке разгона ракеты-носителя перегрузка определяется равнодействующей негравитационных сил — силы тяги и силы аэродинамического сопротивления, которая состоит из силы лобового сопротивления, направленной противоположно скорости, и перпендикулярной к ней подъемной силы. Эта равнодействующая создает негравитационное ускорение, которое определяет перегрузку.
Ее коэффициент на участке разгона составляет несколько единиц.
Если космическая ракета в условиях Земли будет двигаться с ускорением под действием двигателей или испытывая сопротивление среды, то произойдет увеличение давления на опору из-за чего возникнет перегрузка. Если движение будет происходить с выключенными двигателями в пустоте, то давление на опору исчезнет и наступит состояние невесомости.
При старте космического корабля на космонавта действует ускорение, величина которого изменяется от 1 до 7 g. По статистике, космонавты редко испытывают перегрузки, превышающие 4 g.
Способность переносить перегрузки зависит от температуры окружающей среды, содержания кислорода во вдыхаемом воздухе, длительности пребывания космонавта в условиях невесомости до начала ускорения и т.д. Существуют и другие более сложные или менее уловимые факторы, влияние которых еще не до конца выяснено.
Под действием ускорения, превышающего 1 g, у космонавта могут появиться нарушения зрения. При ускорении 3 g в вертикальном направлении, которое длится более трех секунд, могут возникнуть серьезные нарушения периферического зрения. Поэтому в отсеках космического корабля необходимо увеличивать уровень освещенности.
При продольном ускорении у космонавта возникают зрительные иллюзии. Ему кажется, что предмет, на который он смотрит, смещается в направлении результирующего вектора ускорения и силы тяжести. При угловых ускорениях возникает кажущееся перемещение объекта зрения в плоскости вращения. Эта иллюзия называется окологиральной и является следствием воздействия перегрузок на органы внутреннего уха.
Многочисленные экспериментальные исследования, которые были начаты еще ученым Константином Циолковским, показали, что физиологическое воздействие перегрузки зависит не только от ее продолжительности, но и от положения тела. При вертикальном положении человека значительная часть крови смещается в нижнюю половину тела, что приводит к нарушению кровоснабжения головного мозга. Из-за увеличения своего веса внутренние органы смещаются вниз и вызывают сильное натяжение связок.
Чтобы ослабить действие высоких ускорений, космонавта помещают в космическом корабле таким образом, чтобы перегрузки были направлены по горизонтальной оси, от спины к груди. Такое положение обеспечивает эффективное кровоснабжение головного мозга космонавта при ускорениях до 10 g, а кратковременно даже до 25 g.
При возвращении космического корабля на Землю, когда он входит в плотные слои атмосферы, космонавт испытывает перегрузки торможения, то есть отрицательного ускорения. По интегральной величине торможение соответствует ускорению при старте.
Космический корабль, входящий в плотные слои атмосферы, ориентируют так, чтобы перегрузки торможения имели горизонтальное направление. Таким образом, их воздействие на космонавта сводится к минимуму, как и во время запуска корабля.
Полет истребителя с перегрузкой 9g показали на видео
Шведская авиастроительная и аэрокосмическая компания Saab опубликовала захватывающее видео полета истребителя JAS 39 Gripen, снятое в том числе с камеры, установленной на шлеме пилота.
Ролик позволяет наглядно оценить, какие перегрузки испытывают летчики в ходе выполнения тех или иных фигур высшего пилотажа. На видео показано, как пилот совершает мертвую петлю, бочку, штопор, боевой разворот под острым углом. Максимальная перегрузка при этом достигает 9g.
Примечательно, что полет выполняется над вполне мирным пейзажем — внизу мелькают залитые солнцем поля, стадион, тренировочное поле, промышленные и жилые здания.
Saab JAS 39 Gripen — шведский многоцелевой истребитель четвертого поколения. Стоит на вооружении ВВС Швеции с 1997 года, также поставлялся в ряд европейских стран, ЮАР и Тайланд. Вооружен 27-миллиметровой пушкой, ракетами «воздух-воздух» и «воздух-земля», а также бомбами.
Какие нагрузки испытывает пилот и пассажир самолета
Принято считать, что перегрузка в 1g действует на человека, который спокойно стоит или движется прямо с постоянной скоростью. Но, если скорость движения меняется, то меняется вес тела, а с ним и перегрузка. Обычный человек ощущает такие изменения, когда пользуется лифтом или катается в парке на аттракционах. Перегрузку примерно в 1,5 g переносят пассажиры сверхзвукового лайнера при взлете. Принято различать следующие основные виды перегрузок:
· кратковременные (их испытывают, например, водитель и пассажиры автомобиля при аварии);
· длительные, воздействующие на пилота спортивного самолета, выполняющего в небе фигуры высшего пилотажа .
· положительные, проявляющиеся, когда человек быстро поднимается в лифте или мотоциклист разгоняется на шоссе;
· отрицательные действуют при резком торможении (особенно эффектно это наблюдается в поезде);
· нулевыми — состояние невесомости в космосе или в самом начале прыжка с парашютом.
При положительных перегрузках кровь отливает от головы и приливает к ногам. Это состояние переносится легче, чем наоборот, при отрицательных перегрузках. Перегрузки могут быть направлены в любую сторону (вверх, вниз, вбок, по диагонали), но противоположную направлению ускорения.
Профессии, связанные с перегрузками
1. Десантники в полном снаряжении при приземлении испытывают перегрузку до 1,8 g, а при раскрытии парашюта — кратковременно до 5 g. Неподготовленного человека такая нагрузка может привести к травмам и переломам, военные проходят длительную учебу и испытания.
2. Космонавты в спускаемом аппарате переносят довольно длительные перегрузки в 3-4 “джи”. Выдержать такое испытание может далеко не каждый даже подготовленный космонавт, в космический отряд попадают только пилоты, прошедшие сложные испытания и жесткий отбор.
3. Летчик сверхзвукового самолета-истребителя , на испытаниях и при выполнении трюков переживает перегрузки от -8 до +12 “джи”. Без длительных и постоянных тренировок и антиперегрузочных костюмов, выдержать такое нереально!
4. Пилоты болидов Формулы 1, по всеобщему признанию, люди, профессия которых наиболее тесно связана с максимальными перегрузками. Причем, эти перегрузки имеют непредсказуемый характер, могут быть направлены в разные стороны, резко меняют направление и величину. Последний зафиксированный рекорд выживания при мгновенной нагрузке в 214 единиц пережил пилот Кенни Брак в 2003 году. Чтобы представить себе эту нагрузку, нужно эту цифру умножить на средний вес пилота 75 кг, получаем — около 16 тонн!
Животные — рекордсмены по перегрузкам
Пилоты и летчики, конечно, самые суровые в мире люди. Однако, есть и посуровей, но не люди — птицы. Колибри Анны не испытывают никаких неудобств, совершая очень быстрые и резкие повороты, пикирование, взмывания вверх. Учеными-орнитологами подсчитано, что за десятую доли секунды, развернувшись в обратном направлении, птица испытывает перегрузку в 34 g, при резком зависании — минус 10g в течении 1,5 секунд. Для человека это равносильно смерти.
Еще дальше пошли дятлы. Средняя скорость нанесения ударов дятлом — 20-25 движений за секунду. Если бы по дереву с такой скоростью била любая другая птица, то уже через несколько ударов она бы умерла от перегрузок. Измерения показывают, что перегрузки, испытываемые дятлом, достигают 1000 — 1200g. Это гораздо больше, чем могут выдержать организмы других животных, включая человека.
Как пилоты готовятся к перегрузкам
Чтобы выдерживать огромные постоянные перегрузки, людям героических профессий приходится:
· ежедневно тренироваться по несколько часов в день по специально разработанным программам, уделяя особое внимание мышцам шеи и спины чтобы максимально защитить позвоночник;
· используя тренажеры, настойчиво тренировать и укреплять вестибулярный аппарат;
· очень внимательно следить за здоровьем, регулярно проходить тестирования;
· особое внимание уделять весу, не допуская его увеличения, поскольку при повышенных нагрузках он создает дополнительный риск для сердца.
Как подготовиться к перегрузке пассажиру самолета
Чтобы избежать последствий от перегрузок в виде головокружений, головных болей, закладывания ушей при перепадах давления, выполняйте простые правила:
1. перед полетом примите лекарство, разжижающее кровь (аспирин), наденьте компрессионные носки -они будут способствовать оттоку крови;
2. при взлете и посадке используйте кислые леденцы или жвачку;
3. во время полета принимайте побольше жидкости и постарайтесь отвлечься от процесса полета с помощью книги, журнала, беседы. Можно с пользой провести время, работая на ноутбуке.
Остальные правила напомнит бортпроводник.
Дата создания: 11.07.2017 20:11:42