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

Подождите немного. Документ загружается.

221

и сквозных пор, обеспечивающих более свободный перенос тепла

средой (потоками воздуха, пара и влаги) при увеличении скорости

воздушного и теплового потока и давления. Низкой теплопроницае-

мостью обладает воздух. Поэтому пористые материалы, в порах кото-

рых находится воздух, имеют меньшую теплопроницаемость, чем по-

ристые. Потери тепла через обувь слагаются из двух различных про-

цессов: потери тепла через низ и верх обуви.

Из 700-800 см

площади ног, покрытой обувью, на опорную

поверхность приходится всего 150 см

, то есть 15-20%. Кроме того,

между опорной поверхностью ноги и стелькой отсутствует воздушная

прослойка, которая имеется между тыльной частью стопы и верхом

обуви. Опорная поверхность стопы непосредственно соприкасаются с

низом обуви, и через систему материалов тепло уходит в опору, грунт.

Способность тела проводить тепло характеризуется коэффи-

циентом теплопроницаемости, Вт/(м·К), равным количеству энергии,

проходящей за 1ч через 1м

тела толщиной 1м при разности темпера-

тур на его гранях 1°С.

С повышением влажности материала теплопроницаемость

возрастает, так как теплопроницаемость влаги в 24 раза выше тепло-

проницаемости воздуха [4].

Одной из основных функций обуви является защита ног чело-

века от охлаждения под влиянием слишком низкой температуры ок-

ружающей среды.

Хладозащитные свойства обуви. Значительное количество бы-

товой и производственной обуви, используется для носки в зимний

период при пониженной температуре воздуха и опоры.

222

Некоторые данные показывают, что на Севере 70-90% всех

случаев отморожения составляет отморожение конечностей, что обу-

словлено недостаточными хладозащитными свойствами обуви.

Резкое охлаждение конечностей приводит к общему охлажде-

нию организма, а также к возникновению простудных и других забо-

леваний.

Как известно, наиболее подверженной действию холода явля-

ется область пальцев, которые при стоянии и частично при ходьбе че-

ловека плотно прилегают к низу обуви. Отдача тепла поверхностью

обуви в опору (снег, мокрая почва) при плотном прилегании низа

происходит более интенсивно, чем в воздух. Верх по сравнению с ни-

зом обуви менее плотно прилегает к стопе и не подвергается сжатию,

поэтому имеющиеся воздушные прослойки способствуют повышению

изоляции стопы от холода [4].

Необходимым условием возникновения потока теплоты явля-

ется наличие разности (т.е. градиента) температур отдельных частей

тела или системы тел (твердых, жидких и газообразных).

Температура обозначена буквами Т или t, и измеряется соот-

ветственно, в Кельвинах (К) или градусах (°С) (ТК= t,°С=273).

Тепловой поток через площадь F (м

), перпендикулярную это-

му потоку, обозначим через Q (Вт); плотность теплового потока, т.е.

поток теплоты сквозь единицу площади, через q













Вт

, где

q= Q/F, (2.69)

Следовательно, градиент температуры в теле есть та движущая

сила, которая определяет перенос теплоты.

В природе различаются три вида переноса теплоты: теплопро-

водность, конвекция, излучение.

223

Под теплопроводностью понимается процесс переноса тепло-

ты через соприкосновение структурных частиц тела (атомов, молекул,

электронов и др.).

В разных системах механизм передачи теплоты различен. На-

пример, перенос энергии теплопроводностью в газах обусловлен, так

называемым, двойными и тройными столкновениями молекул.

Другой механизм теплопроводности - перенос тепловых коле-

баний микрочастиц в виде упругих волн. Он характерен для твердых

диэлектриков.

В металлах передача теплоты осуществляется в основном

вследствие диффузии свободных электронов.

В дальнейшем будет использоваться феноменологическая тео-

рия теплопроводности, т.е. тела будут рассматриваться как сплошные

системы, не вдаваясь в молекулярный механизм переноса.

Итак, процесс переноса теплоты и его направление связаны с

характером распределения температур (t) в теле. В общем случае t=t

(х, у, z, τ). Эта скалярная функциональная зависимость носит название

температурного поля. Здесь, х, у, z — декартовы координаты, а τ время

(с). Если t зависит от времени, то поле называется неустановившимся

(или нестационарным). В противном случае – установившимся (ста-

ционарным).

Температурное поле может быть 3-х, 2-х-и одномерным в за-

висимости от числа координат, определяющих его. В пространстве все

точки с одинаковой температурой образуют изотермическую поверх-

ность. Любая кривая, принадлежащая этой поверхности, является изо-

термой. Изотермические поверхности либо замыкаются сами на себя,

либо выходят на границы рассматриваемого тела [6].

224

В качестве характерного примера приведем картину поля тем-

пературы вокруг стопы человека, имеющей температуру более высо-

кую, чем температура окружающей среды (Приложение Б).

Цель основных методов оценки тепловых свойств обувных ма-

териалов – определить коэффициент теплопроводности и температу-

ропроводность, а также показатели свойств материалов, учитываю-

щих их толщину, тепловые сопротивления и коэффициент внутренней

теплопередачи.

Рис. 2.21. Поле температуры вокруг стопы человека

Рис. 2.22. Схема бикалориметра

225

К наиболее важным факторам, влияющих на человека, кото-

рые следует учитывать при разработке требований к материалам обу-

ви для защиты от воздействий низких температур, необходимо отне-

сти температуру воздуха, скорость ветра, атмосферные осадки. Такие

показатели, как давление и влажность воздуха, в обычных условиях

имеют второстепенное значение, однако при большой влажности воз-

духа заметно повышается равновесная влажность материалов обуви и

их теплопроводность.

Мокрый снег или тающий лед создает условия высокой тепло-

отдачи от поверхности обуви во внешнюю среду и могут приводить к

значительному охлаждению стопы человека в обуви. Данные условия

можно охарактеризовать двумя показателями: коэффициентом тепло-

отдачи и влажностью материалов обуви.

При носке обуви в зимний период (при наличии снега) должна

быть исключена возможность попадания снега внутрь обуви через

верхний край, а также прилипания снега к поверхности обуви, т.к. при

входе в теплое помещение снег тает и увлажняет обувь.

Способность обуви сохранять тепло зависит от вида и состоя-

ния внешней, воспринимающей тепло, среды и других условий, ха-

рактеризующих теплоотдачу от поверхности обуви во внешнюю среду

(шероховатости внешней поверхности, цвета и т.д.).

При изучении процесса перехода тепла от стопы человека к

внутренней поверхности обуви стопа рассматривается как тело с бо-

лее высокой температурой, отдающее тепло. Температура кожного

покрова стопы определяется соотношением количества поступающего

к ней тепла и интенсивности отдачи его в окружающую среду при оп-

ределенной теплоизоляционной способности обуви и ее конструктив-

226

ных элементов (верха и низа, утепления отдельных участков обуви).

Температура кожи на разных участках стопы изменяется во времени.

В зимний период обувь используют с внутренней обувью: нос-

ками, чулками. Часто применяются специальные утеплители, входя-

щие в комплект обуви. Обычно обувь обеспечивает возможность не-

которого изменения стопы, что необходимо для нормального функ-

ционирования кровеносных сосудов при передвижении и покое чело-

века.

Таким образом, пространство между стопой и обувью всегда

заполнено прослойками из волокнистых материалов (трикотаж, тек-

стильные, нетканые или войлочные материалы, натуральный или ис-

кусственный мех и др.).

Структура этих материалов включает в себя большое количе-

ство воздушных ячеек, пор и прослоек. Между стопой и этими мате-

риалами, между слоями материалов, а также между поверхностью ма-

териалов и внутренней поверхностью обуви образуются воздушные

прослойки различной толщины и протяженности, способствующие

сохранению тепла в обуви.

Территория Российской Федерации расположена в различных

климатических зонах. Для защиты человека от воздействия низких

температур должна изготавливаться специальная обувь, которая обес-

печивала бы создание комфортных условий в течение того периода

носки, который обусловлен технологическим режимом нахождения

человека в этих условиях.

При изготовлении обуви материалы, входящие в конструкцию

верха, подвергаются различным обработкам, что оказывает влияние

на тепловые свойства конструкции верха обуви. Соединение деталей

между собой, метод их крепления также вносит определенный допол-

227

нительный эффект, влияющий на тепловые свойства верха, вследствие

образования утолщения, уплотнения, а также воздушных прослоек и

пр.

Влияние всех этих факторов учесть весьма трудно. Подсчет

суммарных тепловых сопротивлений верха обуви, как многослойной

системы, можно произвести только приближенно.

К тому же баланс теплообменных процессов человека с окру-

жающей средой, характеризующиеся равенством количества тепла,

образующегося в организме и поступающего извне, и всех его тепло-

потерь наблюдается достаточно редко. При быстро меняющихся усло-

виях внешней среды и режиме физической нагрузки поддерживать со-

стояние тепловой уравновешенности практически невозможно.

Поэтому при разработке конструкции обуви величина показа-

теля теплозащитных свойств и рациональная величина соотношений

тепловых сопротивлений низа и верха должны быть выявлены из

обобщенных экспериментальных данных по гигиенической оценке

разных видов обуви при носке ее человеком в различных метеороло-

гических условиях.

Технологический процесс производства комфортной обуви

представляет собой сложную систему со многими факторами, изуче-

ние которого продолжает выполняться традиционными методами

проведения

Комфортность является сложным эргономическим свойством

обуви, характеризующим её способность обеспечивать нормальное

состояние стопы и всего организма человека при различных условиях

и в течение всего срока эксплуатации, определяемых назначением

обуви. Составляющие комфортности обуви - это соответствие внут-

ренней формы и размеров обуви форме и размерам стопы при отсут-

228

ствии чрезмерного давления на стопу при носке, и гигиеничность -

способность поддерживать нормальный влаго-температурный режим

стопы и всего организма при отсутствии вредных и токсических воз-

действий. [10]

Обувь создаёт вокруг стопы человека определённый микро-

климат, на состояние которого оказывает влияние три основных фак-

тора:

• условия внешней среды;

• организм носчика;

• конструкция и свойства материалов обуви.

Способность обуви сохранять тепло зависит от вида и состоя-

ния внешней, воспринимающей тепло, среды и других условий, ха-

рактеризующих теплоотдачу от поверхности обуви во внешнюю сре-

ду. К наиболее важным факторам, влияющим на человека, которые

следует учитывать при разработке требований к обуви для защиты от

воздействий низких температур, необходимо отнести температуру

воздуха, скорость ветра, атмосферные осадки. Такие показатели, как

давление, влажность воздуха, в обычных условиях имеют второсте-

пенное значение, однако при большой влажности воздуха заметно по-

вышается равновесная влажность материалов обуви и их теплопро-

водность.

Окружающей средой для человека в обуви являются воздух,

твёрдый грунт или снег и вода. Обувь должна обладать комплексом

теплозащитных свойств, смягчающим неблагоприятное воздействие

на человека внешней среды. Поэтому её теплозащитные свойства

имеют исключительное значение для защиты ног и создания при по-

ниженных температурах окружающей среды комфортных условий для

всего организма.

229

Влияние организма носчика определяется его тепловым со-

стоянием и интенсивностью потовыделения, зависящими от уровня

физической нагрузки и индивидуальных особенностей человека. Од-

ной из важнейших зон терморегуляторных реакций у человека явля-

ются дистальные отделы конечностей, особенно стопы. Так, у челове-

ка, находящегося в комфортной зоне, уровень теплообразования в ор-

ганизме изменяется в прямой связи с термическими воздействиями на

стопу. В частности, при холодовом раздражении стоп у человека, тело

которого находится в условиях высокой температуры окружающей

среды, теплообразование усиливается. Наоборот, активное нагревание

ног извне при общем холодовом воздействии на тело приводит к

уменьшению теплообразования.

В организме человека поддерживается оптимальная темпера-

тура - около 37°С, лишь при этой температуре гармонично осуществ-

ляются жизненные процессы. При охлаждении кровеносные сосуды

кожи сужаются и, следовательно, снижаются теплопотери, то есть те-

плопередача уменьшается. Кроме того, уменьшается поступление

крови в капилляры кожи, что также снижает теплоотдачу. Тепловой

баланс организма в основном зависит от количества выработанного

им тепла. Возникновение тепловой энергии в организме является ре-

зультатом усвоения кровью продуктов питания. На коже человека

располагаются многочисленные (примерно 5000000) рецепторы, раз-

дражение которых вызывает тактильную чувствительность. Общее

количество рецепторов, воспринимающих тепло и холод, составляет

280000, из них 30000 реагируют на тепло, а 250000 - на холод. Резкое

охлаждение конечностей приводит к общему охлаждению организма,

а также к возникновению простудных и других заболеваний. Несмот-

ря на относительно небольшие размеры стопы (масса стопы составля-

230

ет 2% от веса, а площадь - 3,2% от общей поверхности тела человека),

температурное поле её неоднородно. Характер распределения темпе-

ратуры на поверхности стопы представлен в таблице 2.17.

Т а б л и ц а 2.17

Температурная топография стопы в условиях комфорта

Участок стопы

Температурный интервал,

Средняя температура,

Голень 30-32,3 31,3

Тыл стопы 26,7-31,5 29,1

Пальцы стопы 19,8-33,2 26,8

Стопа в целом 29,3-30,6 30,0

Наиболее подверженной действию холода является область

пальцев, которые при стоянии и частично при ходьбе человека плотно

прилегают к низу обуви. Отдача тепла поверхностью обуви в опору

(снег, мокрая почва) при плотном прилегании низа происходит более

интенсивно, чем в воздух. Верх по сравнению с низом обуви менее

плотно прилегает к стопе и не подвергается сжатию, поэтому имею-

щиеся воздушные прослойки способствуют повышению изоляции

стопы от холода.

Изучая действие охлаждения на организм человека, можно от-

метить, что процесс охлаждения происходит в несколько стадий, раз-

личающихся характером и напряжённостью работы нервной и сосуди-

стой систем, компенсаторных терморегуляторных механизмов, вы-

званных действием внешней среды, степенью отклонений деятельно-

сти важнейших органов от нормы и нарушениями их деятельности.

Ещё на начальной стадии охлаждения тепловое состояние организма