Прохоров В.Т. Особенности защиты человека от воздействия низких температур

Подождите немного. Документ загружается.

151

где

– температура окружающей среды;

– температура внутриобувного пространства;

а – наименьшая температуропроводность из всех слоев;

– теплопроводность слоя с температуропроводностью а;

– толщина этого слоя;

t – время;

F =

- число Фурье;

– координата i-го слоя;

=∆

– безразмерная толщина i-го слоя;

−

),( txT

температура i-го слоя;

( )

−

ηθ

– относительная температура i-го слоя;

- безразмерная температуропроводность;

h =

- безразмерная теплопроводность,

1, … n.

Начальное распределение температуры

(

)

(

)

nif

iiii

,..,1,0,

Граничные условия

(

)

( )

0,0

011

=⋅+

∂

FBi

152

(

)

( )

,0,













∆−

−

⋅+

∂

∆∂

где

−

BiBi ,

числа БИО.

Между слоями подошвы предполагается идеальный контакт,

который выражается условиями сопряжения на стыках.

(

)

(

)

0011

,0, FF

iii

∆

−−

( ) ( )

niFhFh

,...2,,0,

001

∂

=∆

∂

−

В [1] проведен расчет поля температур трехслойной заготовки

верха при температуре окружающей среды –15°С и постоянной тем-

пературе внутриобувного пространства, равной 30°С. В такой поста-

новке задачи предположение о постоянстве температуры внутриобув-

ного пространства делает практически бесконечным время пребыва-

ния стопы в комфортных условиях и не дает возможности реального

представления о предельном времени пребывании в обуви в условиях

холода. Также следует отметить, что использование в модели только

многослойной пластины сводит рассмотрение заготовки верха обуви

только к плоскому случаю без учета формы этой заготовки.

Анализ рассмотренных математических моделей «стопа –

обувь – окружающая среда» приводит к выводу о необходимости соз-

дания математической модели, с помощью которой можно будет рас-

считать зависимость температуры внутриобувного пространства от

времени для различных участков стопы. Это даст возможность отве-

тить на вопрос: сколько времени в комфортных условиях может нахо-

153

диться в обуви человек в условиях низких температур. Математиче-

ская модель должна использовать основные факторы, влияющие на

температуру внутриобувного пространства: условия окружающей

среды, теплообразование стопы человека, теплофизические свойства и

форму пакетов материалов, из которых составлены различные детали

обуви.

2.8 Оценка и прогнозирование технологических свойств паке-

тов материалов для защиты стоп от воздействия на них низких темпе-

ратур (

Южно-Российский государственный университет экономики

и сервиса)

Качество обуви определяется уровнем разработки образца-

эталона (проекта) и качества его производственного исполнения

(соблюдения требований, норм, технологических предписаний, ТУ,

стандартов и т.д.); именно на стадии проектирования и разработки

ассортимента закладывается качество будущей готовой обуви, пре-

допределяется спрос населения и эффективность производства.

Ошибки в оценке уровня качества образца (проекта) обуви приво-

дят к затовариванию или неоправданно высоким производственным

затратам.

В ряду потребительских свойств обуви одно из первых мест

принадлежит

комфортности, т.е. обеспечению удобств при эксплуа-

тации. Чем выше степень

соответствия обуви условиям жизнедея-

тельности человека, тем лучше его

самочувствие, выше работоспо-

собность. Удобство обуви определяется как

соответствием ее внут-

ренней формы и размеров стопы, так и гигиеничностью.

Создание

комфортной обуви невозможно без объективной оценки качества

154

материалов с целью обоснованного формирования пакетов обувных

материалов

путем подбора рациональных сочетаний верха, под-

кладки, стельки, подошвы; выбора конструкции обуви, а также

тех-

нологий сборки заготовок и обуви.

Комфортность является сложным эргономическим свойст-

вом обуви, характеризующим ее способность обеспечивать нор-

мальное состояние стопы и всего организма человека при различ-

ных условиях и в течение всего срока эксплуатации, определяемых

назначением обуви. Составляющие комфортности обуви - это соот-

ветствие внутренней формы и размеров обуви форме и размерам

стопы при отсутствии чрезмерного давления на стопу при носке

(впорность обуви).

Гигиеничность - способность поддерживать нормальный

влаготемпературный режим стопы и всего организма при недопус-

тимости воздействия вредных и токсических веществ на нее

[1].

В настоящее время за основные критерии комфортности

приняты следующие показатели, характеризующие нормальное со-

стояние стопы и всего организма в процессе эксплуатации обуви:

- отсутствие механических повреждений стопы и травм;

- отсутствие токсического воздействия на стопу и организм;

- температура стопы 27-33°С;

- температура внутриобувного воздуха 21-25°С;

- относительная влажность внутриобувного воздуха 60-

90%;

- содержание СО

во внутириобувном пространстве не более

0,08%

- давление обуви на стопу 1060-8010 Па.

155

Обувь создает вокруг стопы человека определенный микро-

климат, на состояние которого оказывает влияние три основных фак-

тора: организм носчика, условия внешней среды и собственно обувь

[2]. Влияние организма носчика определяется его тепловым состояни-

ем и интенсивностью потовыделения, зависящими от уровня физиче-

ской нагрузки и индивидуальных особенностей человека; влияние

внешней среды - температурой, влажностью и скоростью движения

воздуха; влияние обуви - ее конструкцией и свойствами используемых

материалов.

Эти свойства обуви имеют жизненно важное значение для ор-

ганизма, особенно в условиях очень высоких или низких температур.

Жизнедеятельность организма ограничена температурой тела 32-42°С

[3]. При нормальной температуре тела в подмышечной впадине тем-

пература над поверхностью икорной мышцы равна 32,2°С, голено-

стопного сустава - 30°С, пальцев стопы - 24,4°С. Температура поверх-

ности стопы должна быть 19-33°С [2]. При понижении температуры

стопы появляется ощущение холода; уменьшение температуры до

15°С может вызвать простудные заболевания. Повышение температу-

ры тела резко активизирует потовыделение.

Колебания температуры внешней среды воспринимаются дву-

мя видами терморецепторов: одни возбуждаются холодом, другие -

теплом. Этими рецепторами снабжена не только кожа, но и слизистые

оболочки. Число рецепторов равно 280000, 90% из них воспринимают

холод и только 10% - тепло. Это в среднем составляет на 1 см

кожи

от 6 до 23 рецепторов холода и 3 тепловых. Неравномерное распреде-

ление рецепторов по поверхности тела определяет разную чувстви-

тельность отдельных участков его к температуре внешней среды [4].

156

Теплозащитные свойства являются важными характеристика-

ми обуви, если принять во внимание, что многие районы РФ отлича-

ются продолжительной зимой, низкой температурой и значительным

снежным покровом. Для многих районов характерны также и сильные

ветры. Учитывая эти особенности климата, исследованиям теплоза-

щитных свойств обуви всегда уделялось большое внимание [5-17].

Под теплозащитными свойствами понимают способность обу-

ви препятствовать излишней теплоотдаче стопы в окружающую сре-

ду.

Эти работы позволили выявить закономерности терморегуля-

ционных реакций организма и его теплового состояния, разработать

средства и методы лабораторных исследований теплозащитных

свойств обуви, определить параметры для конкретных условий среды

и наметить пути обеспечения теплозащитных свойств обуви из новых

материалов с заданными параметрами тепло-, влаго- и ветрозащитных

свойств.

Теплозащитные свойства обуви характеризуются показате-

лями теплового сопротивления, которые складываются из теплово-

го сопротивления пакетов материала для верха и низа обуви. Теп-

ловое сопротивление пакетов материалов для верха и низа обуви

определяется в основном свойствами применяемых материалов, то

есть их теплопроводностью и толщиной.

Теплопроводность обувных материалов определяется, глав-

ным образом, степенью их пористости. Материалы, обладающие ма-

лой плотностью и большим количеством пор, менее теплопроводны,

чем материалы с большей плотностью и малым объемом пор. Послед-

нее объясняется малой теплопроводностью воздуха, находящегося в

порах материала. Теплопроводность материалов, используемьх при

157

производстве образцов обуви, неодинакова и сильно колеблется, так

как тепловое сопротивление тела прямо пропорционально толщине

используемых материалов и обратно пропорционально их коэффици-

енту теплопроводности. Суммарное тепловое сопротивление пакета

материалов верха и низа обуви, состоящих из нескольких слоев, равно

сумме теплоизоляционных свойств этих слоев и воздушных прослоек

между ними. Коэффициент теплопроводности материала характери-

зует передачу тепла при установившемся уровне теплообмена, т.е. ко-

гда потеря тепла стопой через обувь восстанавливается организмом, и

температура в разных точках обуви постоянна. При отсутствии тепло-

вого равновесия, например, при низкой температуре, когда темпера-

тура отдельных деталей еще не стабилизировалась, теплоемкость

обуви изменяется. В этом случае теплообмен характеризуется более

сложным показателем коэффициентом температуропроводности.

Чем больше коэффициент температуропроводности материала, тем

быстрее температура внешней среды будет оказывать влияние на тем-

пературу внутренней поверхности обуви [5-9].

Тепло от стопы во внешнюю среду передается не только через

многослойную систему обуви, но и от наружной поверхности ее.

При определении общего теплового сопротивления много-

слойной системы обуви, состоящего из теплового сопротивления низа

и заготовки R

, учитывают и коэффициент теплоотдачи от верха

обуви в воздух и от низа обуви во внешнюю среду через опорную

плоскость в грунт. Коэффициент теплоотдачи низа зависит как от теп-

лопроводности грунта, так и от характера поверхности подошвы (глу-

бины рифления резиновых подошв) и каблука, а также от его высоты.

Исходя из этих положений, Л.В. Кедров устанавливает суммарное со-

противление теплопередачи от стопы во внешнюю среду [9]. Полу-

158

ченные им данные показывают, что потери тепла стопы в обуви зави-

сят от теплозащитных свойств пакета материалов обуви (основной и

внутренний), температуры и влажности окружающей среды, скорости

движения воздуха, соотношения между размерами стопы и обуви, фи-

зической нагрузки на организм. Немалое значение имеют также воз-

раст, физическое состояние человека и другие факторы. Теплообмен

между стопой в обуви внешней средой - довольно сложный процесс,

характеризуемый несколькими показателями.

Чтобы не перегружать конструкцию, в обувь для повседневной

носки в осенне-весенний период целесообразно вкладывать утеплен-

ные стельки. Так, тепловое сопротивление кожаного низа ботинок из

кож хромового дубления с кожаными стельками при применении

вкладных фетровых стелек толщиной 2,4 мм увеличивается на 30%.

Но внутренние утеплители из искусственного меха повышают пото-

выделение стопы [13].

В увлажненной обуви теплоотдача увеличивается в результате

повышения теплопроводности основной и внутренней обуви и потерь

тепла при испарении влаги, так как коэффициент теплопроводности

воды значительно выше, чем коэффициент теплопроводности вытес-

няемого водой из пор материала воздуха.

На теплозащитные свойства влияют такие факторы, как внут-

ренний объем и форма обуви, наличие утепляющих прослоек (под-

кладки, вкладных стелек), метод крепления подошв и др. Широкая и

высокая носочная части и повышенная полнота у обуви обусловлива-

ют изолирующее воздушное пространство между внутренней и ос-

новной обувью, которое увеличивает ее теплозащитные свойства.

Особенно благоприятно влияют на теплозащитные свойства

обуви прокладочные воздухсодержащие упругие сетки [13]. При за-

159

мене в мужских ботинках подкладки из тик-саржи меховой овчиной

тепловое сопротивление обуви увеличивается более чем в 2 раза. Вы-

явлено, что лучшими теплозащитными свойствами обладает обувь

рантового метода крепления, худшими - обувь с креплением подошв

металлическими крепителями. Клеевой метод занимает промежуточ-

ное положение. Более значительные потери тепла через низ обуви

объясняется в основном свойствами материалов, меньшей воздушной

прослойкой между стопой и обувью, более интенсивным потовыделе-

нием плантарной поверхности стопы и др.[13-17]

При определении теплозащитных свойств обуви путём лабора-

торных исследований и расчетным методом выявляют показатели, ха-

рактеризующие эти свойства, и определяют их оптимальные величи-

ны. Теплозащитные свойства определяются физиолого-

гигиеническим экспериментом при носке обуви в различных метеоро-

логических условиях. При этом замеряют температуру различных

участков поверхности тела, стопы, тепловые потоки и выявляют са-

мочувствие носчиков обуви [14].

Расчетный метод позволяет получить приближенную характе-

ристику теплозащитных свойств обуви. Лабораторные методы широко

применяются, так как позволяют получить более объективные данные

о влиянии на свойства обуви различных метеорологических условий.

В основу метода определения теплозащитных свойств обуви, разрабо-

танного Л.В. Кедровым, положен принцип бикалориметра, который

позволяет изучать теплозащитные свойства обуви для различны кли-

матических условий.

Интересны конструкции обуви с электроподогревающим уст-

ройством, вмонтированным в низ обуви. Несмотря на технические

трудности, работы в этом направлении продолжаются.

160

В низкотемпературных районах РФ выделяют территорию, на

которой утепленная обувь, применяемая в северо-восточных районах

страны, не обеспечивает необходимых теплозащитных свойств. Это -

территория с особо низкой температурой, где сильное охлаждение

стопы обусловлено сочетанием низкой температуры воздуха (до -

40°С) с сильным ветром (до 40 м/с). Неблагоприятное влияние этих

условий на стопу больше, чем влияние температуры до - 60°С при

скорости ветра до 2 м/с. Температура стопы на открытом воздухе в

первом случае может понизиться до 5°С [2, 13]. Нарушение кровотока

нижних конечностей резко сказывается на общем теплообмене, по-

этому в условиях низких температур (-50 ÷ -70°С) обувь должна обес-

печивать естественную подвижность стопы. Лучшей защитной обу-

вью в этих условиях многие считают местную обувь типа мягких са-

пог из меха взрослого оленя (торбаса, камусы) и внутренние чулки из

меха молодого оленя - пыжика.

Высокие теплозащитные свойства обуви этих видов объясня-

ют специфическим строением волоса оленьего меха, во внутренней

полости которого находится воздух. Благодаря этому тепло стопы со-

храняется даже и в ветреную погоду при низкой температуре. Тонкая

плотная кожевая ткань оленьего меха сохраняет гибкость обуви при

очень низкой температуре, при которой овчина становится ломкой [2].

В этих же климатических условиях в крупных населенных

пунктах с благоустроенными жилищами применяют валенки и шер-

стяные носки. Но так как валенки ограничивают подвижность стопы,

ими пользуются только при продолжительном пребывании на возду-

хе. Валенки являются основным видом обуви в северных и северо-

восточных районах Российской Федерации с более низкой температу-