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

Подождите немного. Документ загружается.

161

рой, в которых снежный покров достигает 70-80 см и держится 260

дней в году.

Развитие производства синтетических и искусственных мате-

риалов с заданными свойствами открыли широкую перспективу для

разработки конструкций обуви с теплозащитными свойствами, значи-

тельно превышающими теплозащитные свойства всех видов обуви,

применяемых в этих условиях.

В высокогорных районах (выше 2000 м над уровнем моря) с

пониженным парциальным давлением кислорода и пониженной тем-

пературой воздуха наблюдается повышенная чувствительность чело-

века к холоду из-за кислородного голодания. На высоте 3000 м над

уровнем моря температура стопы понижается на 3-5°С. В этих усло-

виях обувь и одежда должны быть максимально облегчены и утепле-

ны [2].

Рассмотрим некоторые особенности физиологии стопы чело-

века.

Одной из важнейших зон терморегуляторных реакций у чело-

века являются дистальные отделы конечностей, особенно стопы. Теп-

лоощущения человека в большей степени зависят от температуры

стопы. Так, у человека, находящегося в комфортной зоне, уровень те-

плообразования в организме изменяется в прямой связи с термиче-

скими воздействиями на стопу. В частности, при холодовом раздра-

жении стоп у человека, тело которого находится в условиях высокой

температуры окружающей среды, теплообразование усиливается. На-

оборот, активное нагревание ног из вне при общем воздействии холо-

да на тело человека приводит к уменьшению теплообразования.

Несмотря на относительно небольшие размеры стопы (масса

стопы составляет 2% от массы, а площадь - 3,2% от общей поверхно-

162

сти тела человека), температурное поле ее неоднородно. Характер

распределения температуры на поверхности стопы представлен в таб-

лице 2.8.

Т а б л и ц а 2.8

Температурная топография стопы в условиях комфорта

Участок стопы

Температурный интервал,

°С

Средняя темпе-

ратура,

°С

1. Голень

2. Тыл стопы

3. Пальцы стопы

4. Стопа в целом

30 - 32,3

26,7-31,5

19,8-33,2

29,3 - 30,6

31,3

29,1

26,8

30,0

Среднюю температуру стопы можно определить по уравне-

нию:

0,25Т

ПОД

+0,58Т

ТЫЛ

+0,17Т

Б.пальца

(2.26)

При расчетах, связанных с теплообразованием, необходимо

принимать во внимание следующие факторы; возраст человека, его

физическую активность и температуру окружающей среды. В таблице

2.9 приведены данные, характеризующие возрастные особенности

терморегуляции стопы.

163

Т а б л и ц а 2.9

Зависимость температуры стопы от возраста человека

Возраст (лет) 1-3 4-7 8-12 18-25 36-60 61-90

Температура стопы, °С

34,5 32,7 29,6 26,7 24,4 19,3

Кроме возраста человека на температуру стопы влияет уровень

мышечной нагрузки. В начальный период нагрузки происходит подъ-

ем температуры стопы. Примерно на двадцатой минуте температура

стопы стабилизируется, но на более высоком уровне (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Изменение температуры стопы при выполнении

физической нагрузки средней интенсивности

При движении человека в обуви на энергозатраты организма

влияет ее жесткость. Потребление энергии при носке жесткой обуви

по сравнению с гибкой больше на 8,6%, и по сравнению с ходьбой без

обуви - на 12,7%, увеличение средней температуры стопы при носке

гибкой обуви составляет 1,5°С, жесткой - 5°С.

164

Одной из важнейших особенностей физиологии стопы являет-

ся ее способность изменять температуру кожной поверхности в широ-

ких пределах (10 -16°С). Если средняя температура кожи человека

может меняться без ощущения дискомфорта на 0,5°С- 1,0°С, то размах

колебаний температуры стопы составляет 6°С-8°С.

Зависимость температуры стопы от внешних условий может

быть представлена следующим образом (рис. 2.3) [3].

Рис. 2.3. Изменение температуры стопы (Т

) от

температуры окружающего воздуха (Т

1 - область пальцев; 2 - средняя часть подошвы; 3 - область пятки

Роль стоп, как важнейших теплообменников организма, обу-

словлена высокой плотностью распределения потовых желез на их

поверхности. Количество выделяемого стопой пота зависит от осо-

бенностей организма, условий среды и уровня мышечной деятельно-

сти. Так, например, при легкой нагрузке, скорость потовыделения

стопы составляет 2-5 мг/мин., при нагрузке средней интенсивности - 6

- 10 мг/мин., при тяжелой физической работе - 11 - 15 мг/ мин.

165

Распределение пота по поверхности стопы крайне неравно-

мерно. С помощью йодокрахмалъного метода была получена сле-

дующая картина: свод и узкая область вдоль оснований пальцев оста-

ются почти бесцветными, тогда как все остальные участки окрашива-

ются в темный цвет, причем, сильнее всего окрашены те области

плантарной поверхности стопы, которые выполняют роль опорных

поверхностей. В таблице 1.3 приведены данные об активности пото-

вых желез стопы человека и их топографии, полученные методом

«синения бромфенола» [7].

Т а б л и ц а 2.10

Плотность распределения потовых желез на стопе человека

Количество потовых желез на 1 см

поверхности

Участок стопы

тыльной плантарной

1 . Пальцы стопы 210 240

2. Свод стопы 170 200

3. Пяточная часть 180 -

Из таблицы 2.10 видно, что наиболее активной зоной потоот-

деления является область пальцев стопы; наименее активна область

свода стопы, на плантарной поверхности стопы потовые железы рас-

положены более густо, чем на остальной ее поверхности. Значитель-

ное выделение пота этой зоной стопы объясняется также и высокой

интенсивностью функционирования потовых желез, связанной с по-

вышенным давлением на них в процессе ходьбы.

В таблице 2.11 приведены показатели температуры кожи, теп-

лоотдачи и потовыделения стопы в различных условиях: в обуви и без

166

нее, в состоянии покоя и при ходьбе человека со скоростью 1,5 м/с,

при состоянии окружающей среды от сухого холодного до теплого

влажного воздуха, движущегося со скоростью 0,15 м/с [7].

Т а б л и ц а 2.11

Показатели состояния стопы в обуви

Состояние атмосферы

Условия

испытаний

Температура,

°С

Относи-

тельная

влажность,

Температура

кожи стопы,

°С

Теплоотда-

ча стопы,

Вт/м

Выде-

ление

пота,

г/м

Сидя без

обуви

27,5

32,0

32,4

35,0

49,9

39,2

58,5

118,5

Сидя в

обуви

28,2

36,1

41,7

25,3

30,5

130,3

Ходьба без

обуви

29,3

35,1

169,6

57,8

148,0

340,0

Ходьба в

обуви

33,6

37,3

103,6

57,3

183,4

308,4

2.9 Тепловой обмен в системе «стопа - обувь - окружающая

среда»

Одним из показателей комфортности обуви, как было отмече-

но выше, является температура внутриобувного пространства. Под-

держание ее в нормальных пределах достигается путем подбора мате-

риалов с определенными теплофизическими характеристиками

(ТФХ), которые оцениваются, в основном, показателями теплового

сопротивления, тепло- и температуропроводности.

167

Для описания процессов прохождения тепла через обувные

материалы необходимо, прежде всего, рассмотреть общие закономер-

ности теплопередачи через сплошные тела. Научные основы теплопе-

редачи через материалы, закономерности теплообмена в разных сре-

дах разработаны и изложены в трудах советских ученых М. А. Михее-

ва, А.В. Лыкова и др.

Процесс переноса тепла происходит в пространстве и времени.

В зависимости от количества параметров, определяющих закон теп-

лопередачи, температурное поле может быть стационарным и не ста-

ционарным. Теплопередача в условиях стационарного температурного

поля описывается уравнением Фурье:

∆

, (2.27)

где Q - количество тепла, которое передается от одной поверхности

тела к другой, Вт/м

: ∆Т - разница температур на противоположных

поверхностях тела, °С; δ - толщина тела, м; S - площадь поверхно-

сти тела, м

; τ - время, с; λ - коэффициент теплопроводности,

Вт/(м

·С).

Коэффициент теплопроводности (λ) характеризует способ-

ность тела к теплопереносу и соответствует количеству тепла, переда-

ваемого в единицу времени через поверхность в 1м

тела толщиной в

1 м при разности температур на его гранях в ГС.

Тепловое сопротивление (Р) является величиной, обратной ко-

эффициенту теплопроводности, характеризует способность материа-

лов препятствовать прохождению тепла:

. (2.28)

168

Однако, экспериментальное изучение ТФХ обувных материа-

лов нельзя ограничить лишь определением коэффициента теплопро-

водности, характеризующим эти свойства только в условиях стацио-

нарной теплопроводности, так как наряду со стационарными в обуви

неизбежны нестационарные тепловые явления [6].

В большинстве случаев нахождение в среде с повышенной или

пониженной температурой бывает не настолько длительным, чтобы

установился стационарный режим между стопой и окружающей сре-

дой. В начальный момент надевания обуви процесс теплообмена так-

же сопровождается изменением ее теплового состояния. В этом слу-

чае более важным показателем ТФХ материалов становится их тем-

пературопроводность.

Температуропроводность (а) служит мерой скорости, с кото-

рой материал передает изменение температуры от одной точки к дру-

гой, т.е. рассеивает тепловую энергию:

, (2.29)

где

- температуропроводность материала, м

/с; с - удельная теп-

лоемкость материала, Дж/(кг·°C); у - плотность материала, кг/м

Процесс теплопереноса в системе «стопа – обувь – окружаю-

щая среда» состоит из двух стадий: передачи тепла материалом и теп-

лоотдачи на границе поверхности обуви.

По закону Ньютона тепловой конвективный обмен между те-

лом и окружающей воздушной средой выражается следующей зави-

симостью:

STTQ )(

−

, (2.30)

169

где Q - количество тепла, передаваемого теплом в окружающее

пространство в единицу времени, Вт; Т

и Т

- температура поверхно-

сти тела и окружающей среды, °С; S - площадь поверхности тела, м

;

- коэффициент теплоотдачи, характеризующий процесс теплообме-

на на границе поверхности тела и среды, Вт/ (м

°С)

Конвективный процесс теплоотдачи стопы в обуви обусловли-

вается в большей степени состоянием внешней среды, чем тепловыми

свойствами тела, поэтому коэффициент теплоотдачи стопы в обуви

обусловливается в большей степени состоянием внешней среды, чем

тепловыми свойствами тела, поэтому коэффициент теплоотдачи ха-

рактеризует, в основном, условия охлаждения тела, а не его тепловые

свойства.

Поскольку обувная заготовка верха обуви и низ обуви пред-

ставляют собой многослойные системы, в качестве характеристик те-

пловых свойств обуви могут быть использованы показатели тепловых

свойств пакетов материалов. Такие конструкции можно условно

представить в виде сложных или составных «стенок» (рис. 2.4) [9].

а б

Рис. 2.4. Схемы прохождения через сложную (а) и составную (б)

«стенки»

170

Общий поток тепла через поверхность материала площадью

можно определить из уравнений

∆

, (2.31)

где Q - количество тепла, которое передается от одной поверхности

тела к другой, Вт/м

: ∆Т - разница температур на противоположных

поверхностях тела, °С; δ - толщина тела, м; S - площадь поверхности

тела, м

; τ - время, с; λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м

·С).

Коэффициент теплопроводности (λ) характеризует способ-

ность тела к теплопереносу и соответствует количеству тепла, переда-

ваемого в единицу времени через поверхность в 1м

тела толщиной в

1 м при разности температур на его гранях в ГС.

Тепловое сопротивление (Р) является величиной, обратной ко-

эффициенту теплопроводности, характеризует способность материа-

лов препятствовать прохождению тепла:

. (2.32)

Однако экспериментальное изучение ТФХ обувных материа-

лов нельзя ограничить лишь определением коэффициента теплопро-

водности, характеризующим эти свойства только в условиях стацио-

нарной теплопроводности, так как наряду со стационарными в обуви

неизбежны нестационарные тепловые явления [6].

В большинстве случаев нахождение в среде с повышенной или

пониженной температурой бывает не настолько длительным, чтобы

установился стационарный режим между стопой и окружающей сре-

дой. В начальный момент надевания обуви процесс теплообмена так-

же сопровождается изменением ее теплового состояния. В этом слу-