Силы, возникающие в различных элементах страховочной цепи при срыве ведущего

Верхняя точка. На рисунке 6.7 изображена верхняя точка страховки, на которой произошло задержание сорвавшегося.

Рис. 6.7. Силы, возникающие в верхней точке.

Кинетическая энергия сорвавшегося альпиниста поглощается упругим растяжением веревки. При этом на сорвавшегося действует сила упругости F, эта же сила воздействует на карабин верхней точки страховки в направлении срыва.

В карабине на веревку действует сила трения F _трен, которая препятствует движению веревки. Сила трения зависит от коэффициента трения и силы давления веревки на карабин. В том же направлении, что и сила трения, действует сила F1, которая удерживает сорвавшегося от дальнейшего падения. Удержание падающего человека возможно лишь при условии, когда F=F1+F _трен. При этом веревка может двигаться в карабине с некоторой постоянной скоростью (вариант протравливания), либо останавливаться до момента полной остановки. Когда веревка останавливается, движение ее описывается гармоническими затухающими колебаниями.

Сила трения составляет около 34% от силы рывка F (т.е. это для условий новой веревки, нового карабина и при отсутствии грязи, воды и прочих факторов, увеличивающих силу трения). При этом сила F1 составляет 66% от силы F. Тогда на карабин будет воздействовать сила N=F1+F= 1.66 F. При наличии грязи, влаги, дефектов веревки или карабина сила трения может увеличиться, так что, реальная нагрузка на карабин (а поэтому и на точку страховки) составляет: F < N < 1.66 F.

При срыве действуют следующие силы:

1. F – сила, действующая на сорвавшегося. Не более 1200 кг для динамической веревки.

2. N=F1+F – сила, действующая на точку страховки. Веревка проходит через карабин, поворачиваясь в противоположном направлении. F < N < 1.66 F. Величина силы N – до 1800 кг.

3. F1 – сила, воздействующая на всю последующую страховочную цепь. При этом часть ее – это сила трения в остальных карабинах, трение веревки о выступы, скалы и т. п., трение в тормозном устройстве, через которое осуществляется страховка, трение о руки страхующего. Остальная часть силы F1, это сила упругости в веревке. Она равна и противоположна силе, с которой веревка зажата и удерживается на страховочной станции – F _стан. 0 < F1 < 0. 66F. Величина силы F1 – до 600 кг.

4. F _стан. – рывок на страховочной станции. Воспринимается или непосредственно страхующим или самой станцией. 0 < F_стан < F1. Величина силы F _стан. от 0 до 600 кг. При зависании на базе без промежуточных точек рывок на базу будет в пределах 1200 –1800 кг в зависимости от способа страховки.

Нагрузки в веревке. На веревку может воздействовать статическое или динамическое воздействие.

Статическое воздействие – воздействие постоянной силы (например – груз, подвешенный за веревку). При этом веревка растягивается и в ней возникает сила упругости, равная и направленная противоположно приложенной силе. При слабых воздействиях выполняется закон Гука – при этом сила упругости пропорциональна величине деформации веревки (область 1 на рис.6.8).

Рис. 6.8. Зависимость растяжения веревки от приложенной силы

При некоторых усилиях зависимость силы от деформации становится нелинейной (область 2, рис.6.8). Наконец при увеличении силы наступает такое значение F_max (которому соответствует L_max,), когда наступает разрыв веревки.

Область пропорциональной зависимости силы от деформации характерна тем, что при снятии внешней нагрузки веревка возвращается в точно такое же состояние, в котором она находилась до нагрузки и ее свойства не меняются (т.е. не меняется ее прочность, эластичные свойства и прочее). Веревка может многократно использоваться в таком режиме.

Нагрузки, при которых зависимость силы от удлинения становятся нелинейными, деформируют веревку таким образом, что при их снятии она не возвращается в исходное состояние, при этом в ней возникают необратимые изменения и ее свойства меняются (всегда в худшую сторону). Ее жесткость при этом увеличивается, ухудшаются эластичные свойства. Эксплуатация веревки при таких условиях приводят к преждевременному износу.

Критерием качества динамической веревки является тест UIAA, когда веревка подвергается испытаниям по стандарту EN 892.

При срыве веревки нагружаются динамически, поэтому их испытывают сбрасыванием груза, примерно соответствующего размерам человеческого тела. Как показывает практика условия при которых происходит срыв всегда различны, критическими срывами могут быть те, при которые имеют большой фактор рывка. Поэтому при испытании веревок на рывок моделируется ситуация с высоким фактором рывка – около 2. На испытательном стенде осуществляется статическая страховка сбрасываемого груза, то есть исключается возможность протравливания веревки в страховочной цепи и гашения энергии падения за счет сил трения, при этом моделируется ситуация жесткого рывка, который не ожидается в практике (рис. 6.9). Таким образом, стандартное испытание удовлетворяет более строгим требованиям безопасности.

Рис. 6.9. Стандартные испытания динамических веревок по стандарту EN 892

Прочность на разрыв. Измеряется с применением стандартного испытания на рывок. При этом усилие рывка не должно превысить значения, приведенные в таблице. Число срывов до разрушения веревки не должно быть ниже значений приведенных в таблице 6.3.

Т а б л и ц а. 6.3.

Показатели прочности на разрыв по EN 892

Динамическое удлинение (удлинение при рывке). Определяется в ходе испытаний на рывок и не должно превышать значение 40%. Удлинение при рывке при обычном в спортивном скалолазании срыве составляет около 15%.

Статическое удлинение (рабочее удлинение). Оно измеряется при предварительной нагрузке 5 кг с последующим увеличением нагрузки до 80 кг. На одинарной ветви двойной веревки оно должно составлять не более 12%. На одинарной веревке и сдвоенной (две веревки вместе) - 10%.

Сдвиг оплетки. Проверяется с помощью специального устройства боковой деформации при испытании конец веревки длиной 2м пять раз пропускается через устройство, при этом оплетка и сердцевина сильно изгибаются в одну и другую стороны. Сдвиг оплетки не должен составлять более 20мм (2%).

Прочность на перегибах. Если при рывке веревка попадет на острую кромку, то она может оборваться, обрезаться. При этом опасность в основном определяется четырьмя факторами: остротой кромки; углом перегиба веревки; фактором рывка; пиковой динамической нагрузкой.

Острота кромки: чем острее кромка, тем быстрее порвется веревка тем больше вероятность, что веревка порвется. При этом перегиб может и не быть слишком острым. Даже не закругленный перегиб 90⁰ при срыве может обрезать веревку. Особенно опасны условия городской застройки, изобилующие огромным количеством острых кромок: остатки разбитого оконного стекла в рамах, жестяной обрез кровли и т.д.

Угол перегиба: чем сильнее веревка отклоняется на перегибе, тем больше усилие среза и выше вероятность среза веревки.

Фактор рывка: чем больше фактор рывка, тем больше усилие среза и выше вероятность среза веревки.

Пиковая динамическая нагрузка: чем тяжелее вес сорвавшегося, тем больше энергия падения и пиковая динамическая нагрузка, а с их увеличением увеличивается и усилие рывка, а значит и возможное усилие среза и опасность перерезания веревки ст82.

Чтобы обогатить рынок более прочными на острых кромках веревками, UIAA в 2002 году ввела для веревок испытание на острой кромке (UIAA 108). Входе данных испытаний веревка нагружается падающим грузомчерез горизонтальную металлическую кромку с радиусом закругления 0, 75 мм. Высота падения и прочие условия испытания такие же, как и при обычном испытании нормированным рывком по EN 892.

Это испытание на острой кромке не является обязательным. Производители могут провести это испытание для своих веревок – как правило, только для отдельных типов – но не обязаны этого делать, так как обязательными к исполнению являются только Европейские стандарты (для веревок EN 892). Стандарты UIAA имеют рекомендательный характер, как правило они содержат более высокие или дополнительные требования. Если изделие соответствует стандарту UIAA и это подтверждено независимым испытательным институтом, производитель может оповещать об этом с помощью знака качества UIAA.

Веревки, прошедшие испытание на острой кромке, могут обозначаться производителем как " sharp edge resistant" – дословный перевод как " прочная на острых кромках". Это терминологически не совсем правильно, поскольку такие веревки лишь прочнее на кромках, чем другие, но не являются прочными в полной мере.

Узловой коэффициент. Производители также могут испытывать свои веревки на узловой коэффициент. Для этого на веревке вяжется простой узел

и нагружается массой 10 кг. Затем измеряется отношение диаметров свободной веревки и веревки в узле. Это и есть узловой коэффициент. Он не должен быть выше 1, 1. Данный коэффициент характеризует мягкость веревки, что важно, так как жесткая веревка плохо идет в карабинах спусковых устройствах, узлы, изготовленные из жесткой веревки, имеют тенденцию к самораспусканию и менее надежны. Дан вид испытаний также является не обязательным для производителя.

В процессе эксплуатации все веревки в результате кручения склонны к образованию " барашков". Испытания склонности к скручиванию еще не существует – оказалось сложным предложить воспроизводимую методику испытаний.

Перед испытаниями все веревки приводят к единым климатическим условиям: 20^о С и 60% относительной влажности. За счет капиллярного эффекта веревки могут впитывать воду, а на практике – нагружаться в мокром или обледенелом состоянии. Так как все веревки состоят из полиамидных волокон, они чувствительны к холоду и влаге. Число выдерживаемых нормированных срывов в холодном мокром и обледенелом состоянии уменьшается на 1–2 рывка. Поэтому столь высоко требование иметь при нормальных климатических условиях не менее 5 рывков без разрыва веревки.

Евростандарт EN 892 и стандарт UIAA предъявляют требования к минимальному числу выдерживаемых нормированных рывков (табл.6.3). Так как продукция может иметь отклонения, то производитель должен обеспечить на 1–2 нормированных рывка больше, чтобы остаться в границах обеспечения безопасности. Одинарные веревки деляться на две категории:

1) нормированные веревки или веревки с нормированным числом рывков – веревки, выдерживающие 5- 9 нормированных рывков;

2) мультиверевки – веревки, выдерживающие 10 и более нормированных рывков.

Мультиверевки имеют несколько больший диаметр и потому тяжелее нормированных веревок. Отличие диаметра составляет около 1мм, а отличие в весе – 20 – 40%, т.е. от 12 до 25 г/м.

Мультиверевки имеют более толстую оплетку, а значит они более износоустойчивы, и поэтому лучше подходят для использования в целях проведения спасательных работ.

Воздействие на сорвавшегося. На сорвавшегося действует тот же рывок, который возникает в веревке. Некоторую амортизацию обеспечивает подвесная система и костно-мышечная система (это существенно, когда глубина падения невелика). Большое значение имеет качество подвесной системы. При ведении ПСР часто используют нижнюю индивидуальную страховочную систему. Она делается таким образом, чтобы равномерно распределять нагрузку. При этом большая часть нагрузки распределяется на верхнюю часть бедер. По нормативам UIAA система должна выдерживать рывок не менее 1500 кг (при этом на каждую ногу приходится 750 кг). Считается, что кратковременное воздействие рывка 1200 кг не причиняет существенного вреда для человека. Для альпинизма применяют в основном комбинированные системы из беседки и обвязки. Это связано с тем, что падение альпиниста может происходить в более сложных условиях и с большими факторами рывка. Если падение альпиниста не вовремя стабилизируется, рывок может произойти в направлении, перпендикулярном телу. При этом возможны травмы позвоночника. Применение обвязки стабилизирует падение тела. Точка приложения рывка находится при этом гораздо дальше от центра тяжести и риск получить травму позвоночника гораздо ниже. Но при этом возникает новая опасность – получить травмы (переломы) ребер. Поэтому обвязка должна быть тщательно отрегулирована. При срыве нагрузка должна приходиться частично на обвязку, но в основном на беседку. Первый должен ввязываться в веревку с помощью узла, а не пристегиваться карабином.

При срыве человек падает вниз, при этом он не всегда может проконтролировать свое положение при падении. Наилучшее положение при этом – падать вертикально ногами вниз, сгруппировавшись. При этом от скалы лучше слегка оттолкнуться, чтобы не удариться о выступы и зависнуть чисто на веревке. Веревка крепится к человеку через страховочную систему. При этом сила рывка F приложена к точке закрепления веревки (на рис. 6.10).

Рис.6.10. Силы, действующие на человека в момент срыва.

Верхняя часть туловища «продолжает» двигаться вниз, оказывая давление на костно-мышечную систему. Наиболее уязвимым является позвоночник. Наибольшая нагрузка приходится на поясничные позвонки (компрессионное воздействие). Можно посчитать силу, с которой осуществляется данное воздействие. Несложно видеть, что она равна F_в=(m_в/m)·F, где m_в – масса верхней части тела, m – общая масса тела.

Нижняя часть тела «продолжает» двигаться вниз, оказывая растягивающую (разрывающую) нагрузку. Сила, с которой нижняя часть тела воздействует на костно-мышечную систему ниже точки закрепления веревки равна F_н=(m_н/m)·F, где m_н – масса нижней части тела. Использование беседки (нижней системы) является оптимальным вариантом с точки зрения биомеханических характеристик тела человека и минимизации возможных последствий. Основная нагрузка приходится на ножные петли. Беседка делается таким образом, чтобы при рывке человек оказался в «полусидячем» положении. При этом ноги несколько сгибаются в тазобедренном суставе, а мышцы тазобедренного сустава амортизируют рывок. Ноги, «продолжая» двигаться вниз, стабилизируют положение тела и их «разрывающее» воздействие несущественно. Верхняя часть тела имеет массу около 1/3 общей массы человека. Она оказывает компрессионное воздействие на поясничные позвонки. Опасным моментом при применении беседки является воздействие рывка, когда тело расположено горизонтально, а пояс беседки – близко от центра тяжести человека. При этом рывок приходится на поясницу, а верхние и нижние части тела движутся вниз. На поясничный отдел позвоночника оказывается ломающее воздействие.

Использование только грудной обвязки – наиболее опасно. При этом компрессионное воздействие части тела выше обвязки невелико, зато вес части тела ниже обвязки составляет около 4/5 общего веса тела, разрывающее усилие приходится на весь позвоночник, в большей мере на его грудную часть. Сила этого воздействия составляет, соответственно, 4/5 силы рывка. При этом кроме разрывающего усилия на позвоночник действует сила, сжимающая грудную клетку в месте расположения обвязки. Эта сила составляет F-1.5F. При рывках, даже не очень сильных, возможны переломы ребер.

Наиболее безопасным является использование комбинированной системы. В комбинированной системе рывок приходится на тазовую часть тела, как и для беседки. Нагрузки в горизонтальном направлении быть не может, потому что точка крепления веревки находится на уровне груди, а центр тяжести – значительно ниже (в паховой области). Грудная и нижняя части комбинированной системы жестко зафиксированы относительно друг друга и тело человека равномерно воспринимает рывок со стороны веревки через ремни системы. Это особо существенно при сильных неконтролируемых рывках, а также при срыве с рюкзаком. Рюкзак смещает общий центр тяжести вверх и человек во время срыва даже может оказаться перевернутым вниз головой.