Дек 22

Модели, описывающие динамические реакции тела человека и опорно-связочного аппарата, могут использоваться для определения роли специфических характеристик человека, а также элементов систем механической защиты при воздействии ударных ускорений. Более того, их использование позволяет аналитическим путем определить действие ударных ускорений на сложную структуру тела, которое не может быть описано такими простыми показателями, как максимальная величина ударного ускорения, время подъема пика или градиент ударных ускорений.

Каждая из разработанных моделей преследует одну из следующих целей: 1) установить основную структуру физиологических, патологических или анатомических сдвигов, возникающих в результате воздействия ударных ускорений; 2) экстраполировать данные, полученные в лабораторных условиях, на условия реального полета, еще не изученные экспериментальным путем; 3) определить проекты оптимальных систем защиты для заданных параметров ударных ускорений; 4) использовать модель для оценки и анализа экспериментальных результатов, полученных при исследовании антропоморфных манекенов и животных; 5) обеспечить разработку метода, описывающего характеристики устойчивости организма человека к воздействию ударных ускорений в виде, наиболее доступном и понятном для конструкторов авиакосмических систем противоударной защиты. Основные виды биодинамических моделей могут быть представлены как модели, которые описывают свойства тканей, частей тела человека, общую или кинематическую реакцию всего тела. Модели, предложенные для описания экспериментально изученных свойств тканей, служат главным инструментом для понимания основных биофизических процессов, которыми сопровождается передача механической энергии через ткани тела человека в различных диапазонах частот. Модели подсистем тела человека, описывающие биомеханические параметры головы и позвоночного столба человека, оказались в высшей степени полезными в плане практического применения. Модели этого вида применяются для расчета статистических вариаций особых случаев полета и определения роли параметров, таких, как возраст пострадавшего. Модель всего тела состоит из ряда моделей подсистем и позволяет более точно понять взаимодействие различных биодинамических реакций. Кинематические модели подсистем описывают отдельные сегменты тела человека, такие, как связочно-суставной аппарат с его составляющими компонентами, включающими геометрические размеры,– форму и массу данных частей тела, объем движений в суставных сочленениях, а также параметры мышечной силы, изученные экспериментальным путем. Такие модели полезны при определении динамики сегментов тела человека, при воздействии ударных ускорений и для расчетов взаимодействия сегментов тела с привязной системой и внутренними поверхностями космического корабля.

Большинство из предложенных моделей всего тела и его подсистем, используемых для описания реакций человека на воздействие сил ударного ускорения, представляют собой параметры фрагментарного типа, характеризующие все тело или его сегменты в виде механической системы, состоящей из элементов массы, пружин и демпферов. Более того, указанные модели исходят из допущения простой зависимости между воздействием удара и вызываемым им напряжением. Разработаны и представлены в математической форме более сложные модели. Однако имеющиеся данные по механическим характеристикам тела изучены весьма недостаточно, чтобы по ним можно было практически решать задачи противоударной защиты. Такие модели могут быть успешно использованы при описании динамических изменений таких основных частей тела, как голова, верхняя часть туловища или внутренние органы брюшной полости. При более высоких величинах частотных характеристик фрагментарное отображение биомеханических параметров теряет свою достоверность, поскольку при этом имеют место волновые процессы (поперечные волны среза, а также волны компрессионного характера).

Рис. 3. Многостепенная модель реакции всего тела человека на воздействие ударной перегрузки [50]

а – масса органов дыхания;

б – биомеханические параметры легких и трахеи;

в – полость грудной клетки (давление, Р и объем, V);

г – масса грудной клетки;

д – биомеханические параметры грудной клетки; е – масса органов брюшной полости;

ж – масса туловища;

з – система позвоночного столба;

и – система органов брюшной полости;

к – масса органов таза;

л – система ягодиц;

м – ягодица;

н – поперечное (осесимметричное) сечение (подробное объяснение дается в работе [56])

Однако большие деформации тела и смещение органов, которые при ударных воздействиях вызывают тяжелые травматические повреждения, отмечаются в периоды времени, соответствующие частотам в диапазоне ниже нескольких сот герц, и достаточно надежно описываются моделями фрагментарных параметров.

Модель, показанная на рис. 3, является примером структурной имитации строения тела и создана на основе характеристик его ответных реакций при воздействии ударного ускорения GZ с учетом параметров вибрации и продолжительности импульса. Только воздухоносные пути представлены моделью с гидродинамическими характеристиками, а не в виде модели фрагментарных параметров. Такая модель позволяет рассчитать величину сжатия позвоночного столба, изменение внутригрудного давления, смещение грудной клетки и брюшной полости и определить характерные явления резонансной частоты, наблюдающиеся при воздействии ударного ускорения или вибрации со стационарными характеристиками. Например, масса верхней части туловища вместе с характеристиками сжимаемости позвоночного столба имеет резонансную частоту в диапазоне от 5,6 до 8,4 гц, а масса внутренних органов брюшной полости претерпевает наибольшие смещения, т. е. наиболее чувствительна к вибрациям, ударных перегрузок, в диапазоне от 4 до 6 гц. Для более тщательного анализа специфических разновидностей травм лучше пользоваться моделями подсистем, где различные тонкости и нелинейности могут быть изучены с большей точностью. Ниже будет проанализирован пример применения такой простой модели фрагментарных параметров для оценки тяжести травм позвоночного столба в результате воздействия ударного ускорения +GZ. Модели всего тела, как правило, представляют собой комплекс простых подсистем – моделей второго порядка; каждая из них отображает индивидуальные динамические характеристики данной части тела или органа. Хотя ударное ускорение, передаваемое на конкретную подсистему, может измениться за счет вмешательства и взаимодействия динамических параметров окружающих подсистем, уровень предельно переносимых (не вызывающих травматических повреждений) ускорений определяется исключительно характеристиками индивидуальной реакции каждой подсистемы. Таким образом, характеристики динамической реакции системы, т. е. естественная частота, параметры затухания и т. д., определяют ее устойчивость к ударным ускорениям. Более полный анализ по вопросу о том, каким образом различные параметры ударных воздействий вызывают различные величины максимального напряжения или максимальный уровень силы в системе второго порядка, выходит за рамки настоящей главы. Детальный обзор по этой проблеме широко представлен в специальной литературе.

Однако здесь следует дать представление об основных механизмах динамической системы. Во-первых, максимальное напряжение или уровень силы в динамической системе зависит от изменения скорости соударения, связанной с длительностью импульса ударного ускорения, в том случае, когда его величина меньше естественного периода динамической системы. Сила, которая вызывает равное напряжение, возрастает по мере уменьшения продолжительности импульса ускорения ударного характера. Во-вторых, при данной форме импульса ударного ускорения максимальное напряжение или уровень силы в динамической системе в основном определяется величиной ударного ускорения в том случае, когда продолжительность воздействия импульса больше периода собственных колебаний системы. Если длительность импульса ударного ускорения равна естественному периоду системы, максимальное напряжение или уровень силы выражается сложной функцией изменения скорости и величины ускорения. Естественный период динамической системы зависит от ее естественной частоты и коэффициента затухания. По этой причине в последующих разделах этой главы, посвященных анализу указанных параметров, изменения скорости и величины ударного ускорения используются в качестве критериев предельной переносимости человеком ударных воздействий.

Правомерность анализа и использование сравнительно большого количества полученных в эксперименте данных по действию ударных ускорений на человекообразных обезьян и других млекопитающих зависит исключительно от способов пересчета моделей подобия. Основной посылкой этого метода является допущение того, что воздействие ударных ускорений как на человека, так и на животных имеет сходные механизмы травмы при условии, что соблюдаются требования динамического подобия или законы пересчета моделей подобия. Это допущение должно подвергаться строгой проверке всякий раз, когда предпринимаются попытки использовать в отношении человека данные, полученные в лабораторных условиях на различных животных. Методы, используемые при такой проверке, включают оценку подобия механических характеристик тканей, анализ передаточных функций тканей у животных различных видов на воздействие вибраций и выяснение механизмов травмы у пострадавших от несчастных случаев при условии, что возможна достоверная оценка параметров ударных ускорений. Хотя анатомические и физиологические отличия между различными видами животных и допущение подобия патогенетических механизмов травмы могут вызвать резкие возражения, использование шкалы пересчета моделей подобия дает возможность получить точную в первом приближении оценку. Применяя законы пересчета моделей подобия, показанные на рис. 4, можно приближенно определить резонансные частоты колебаний органов грудной клетки, живота и позвоночного столба у разных видов животных, как представлено на рис. 5.

Рис. 4. Законы пересчета для геометрически подобных структур, например млекопитающих различных размеров (подробное объяснение дается в работе)

Рис. 5. Приблизительные величины резонансных частот модельных реакций всего тела в зависимости от размеров тела (веса)

То обстоятельство, что у животных с малыми геометрическими размерами тела, тот же самый орган имеет более высокие величины естественных частот, ведет к признанию двух следующих, очень важных выводов, которые в несколько упрощенном виде выглядят следующим образом: 1) одинаковые по структуре травматические повреждения у животных меньших геометрических размеров вызываются соответственно ударными воздействиями с меньшей продолжительностью импульса ускорения, факт, который подразумевает необходимость «шкалирования» и пересчета импульса ударного ускорения в экспериментах на животных с малыми геометрическими размерами, для того чтобы сопоставить их с данными, полученными при анализе травматизма человека; 2) животные меньших геометрических размеров вообще более устойчивы к ударным воздействиям, т. е. они могут переносить более высокие уровни ударных ускорений.

Похожие статьи:

  1. Физиологическое и патологическое действие ударных ускорений Большинство исследований по изучению действия ударных ускорений на организм человека...
  2. Особенности реакций человека, находящегося в свободной позе, на кратковременные ударные ускорения различного направления А. Ф. Коваленко, И. С. Васильев, Р. К. Кузмицкий, Л....
  3. Защита от неблагоприятного действия ударных ускорений Устойчивость организма человека, а также животного к воздействию ударных ускорений...

автор admin \\ теги: , , ,



Написать ответ

Вы должны войти чтобы комментировать.