CC BY
38
УДК 685.69:335.54
Н. Г. Селина, А. Б. Михайлов, Н. В. Тихонова, Т. М. Осина, В. Т. Прохоров
О ПОИСКЕ ЭФФЕКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ПО ЗАЩИТЕ КОЛЕННЫХ И ЛОКТЕВЫХ СУСТАВОВ
ВОЕННОСЛУЖАЩИХ АРКТИКИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НИХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
Ключевые слова: программный продукт, математические модели, краевая задача, климатические зоны, пакеты материалов, артроз, артрит, патологические отклонения, комфортность, время воздействия низких температур.
В результате ранее проведенных исследований по выбору пакета материалов для наколенников и налокотников не были обеспечены формирование комфортных условий военнослужащим Арктики при нахождении их в климатических зонах с низкими температурами. В этой связи авторами был разработан программный продукт, позволяющий производителю обоснованно выбирать комплект материалов костюма вместе с аксессуарами, гарантирующие военнослужащим комфортные условия в течение всего времени его службы в климатических зонах с низкими температурами.
Keywords: software, mathematical models, boundary value problem, climate zones, material bags, arthrosis, arthritis, abnormal deviations, comfort, time of exposure to low temperatures.
As a result of previous studies on the choice of materials package for knee and elbow pads were not provided with the formation of favorable conditions in the Arctic military in finding them in climates with low temperatures. In this connection, the authors developed a software product that allows the manufacturer to choose the reasonable set of costume materials along with accessories to ensure soldiers comfortable at all times during his service in the climatic zones with low temperatures.
Введение
Сегодня к Арктике приковано внимание всей России, что спровоцировано желанием руководителя страны обустроить её и сделать жизнь военнослужащих комфортней и способных исполнять свои уставные обязанности на должном уровне. Одним из основных условий исполнения этих задач является формирование костюма для военнослужащих, в котором им действительно будут доступны все действия, которые предусмотрены уставными обязанностями, и при этом им гарантировано комфортное состояние в течение всего времени их нахождения в климатических зонах с низкими температурами.
Основная часть
Актуальность проблемы создания костюма для защиты от холода подтверждают многочисленные исследования в этой области, проведенные отечественными и зарубежными учеными. В настоящее время одним из направлений разработки костюма для условий Арктики является область профессиональной одежды, в частности, одежды для нужд федеральных органов власти. Выживание в полярных регионах напрямую зависит от температуры тела потребителя, точнее, ее сохранение. А это возможно только с помощью костюма [1].
Первое требование к костюму в условиях Арктики - многослойность.
Верхний слой должен быть влагостойким, средний слой - содержать шерстяные волокна (желательно), либо синтетические, внутренний слой костюма - с хорошими воздухопроницаемыми свойствами. Требование второе - костюм должен быть комфортным. Это обеспечивается достаточной циркуляцией воздуха и не провоцирует перегревание тела военнослужащего. В комплект экипировки военнослужащего Арктики входит одежда, защитный пуленепробиваемый шлем, одежда химической и биологической защиты, теплая одежда, спасательный мешок, палатка и парашют. Такой комплект
должен обеспечить защиту и выживание в разнообразных климатических и боевых условиях.
В настоящее время в связи с новыми условиями нахождения военнослужащих в районах Арктики качество, эффективность защитной одежды разного назначения и, в первую очередь, армейская защитная одежда, совершенствуется очень быстро и революционно, используя самые последние успехи в области наноматериалов и - технологий. По данным американских учёных, исследования которых доступны в открытой печати, использование современной защитной одежды в армии США позволило им снизить на 15 % людские потери в горячих точках. Дискомфорт может вызывать снижение активности, особенно по отношению решения задач, связанных с нервно-эмоциональным напряжением, с необходимостью концентрации внимания, а также увеличивать риск профессиональных несчастных случаев и поражений. Более того, охлаждение тканей может приводить к снижению физической активности, что способствует возникновению риска несчастных случаев.
Охлаждение человека, как общее, так и локальное (особенно кистей), способствует изменению его двигательной активности, нарушает координацию и способность выполнять точные операции, вызывает развитие тормозных процессов в коре головного мозга, что может быть причиной травматизма. При локальном охлаждении кистей снижается точность выполнения боевой задачи; активность уменьшается на 1,5 % на каждый градус снижения температуры пальцев.
Указанное выше означает, что комплект теплозащитной одежды, предназначенный для работ на открытой территории, в частности, в климатических регионах I А и I Б («особый» и IV климатические пояса), должен включать средства защиты лица и органов дыхания.
Кисти рук и стопы играют большую роль в терморегуляции, являясь специфическими теплообменниками организма со средой. Состояние теплового комфорта обеспечивается при температуре кожи
стоп 29-31°С и тепловом потоке 52-87 Вт/м2. Тепловое сопротивление тканей сохраняется в пределах до 0,3 кло. Создание одежды для защиты от холода в климатическом регионе I А является весьма трудной задачей, поскольку теплоизоляционная способность одежды во многом определяется толщиной пакета материалов, увеличение которой может быть одной из причин снижения работоспособности человека. Представляет большую сложность обеспечение необходимой защиты от охлаждения поверхности головы (в том числе лица), кистей, стоп, ввиду малой эффективности их утепления.
Применение материалов с низкой воздухопроницаемостью и замкнутой конструкцией в целях защиты от ветрового воздействия может приводить к накоплению влаги в одежде и снижению ее теплоизоляции, особенно при выполнении интенсивной физической работы.
Учитывая особенности климатических условий (охлаждение лица, органов дыхания) и реальную возможность создания одежды для осуществления деятельности, продолжительность непрерывного пребывания на холоде принималась равной не более 2 ч для климатического региона I А и 1 ч - для региона I Б. Дефицит тепла в организме в этом случае принимался равным 52 Вт ч/м2 что соответствует нижней границе допустимого теплового состояния.
Для климатических регионов I А и I Б величина средневзвешенного теплового потока с поверхности тела человека должна составлять соответственно 98,0 и 107,0 Вт/ м2 С учетом этого для обеспечения заданного теплового состояния человека при температуре относительно у спокойного воздуха (-24,4 °С и -41,0 °С), теплоизоляция комплекта должна быть соответственно равной 0,560 и 0,668 °С • м2/Вт.
В реальных условиях на величину теплоизоля-
Таблица 1 - Характеристика пакета материалов для нием ТКПМ
ции оказывает влияние ветровой фактор, а также физическая активность. Указанные выше величины должны быть скорректированы с учетом поправки на совместное воздействие ветра и физической активности применительно к комплекту одежды, включающему утепленный комбинезон или куртку с брюками (или полукомбинезоном).
Принимая во внимание среднюю из наиболее вероятных значений скорости ветра в климатическом регионе I А (6,8 м/с), следует для изготовления утепленного костюма выбирать материал верха, имеющий небольшую воздухопроницаемость (приблизительно 7 дм3/м2 • с), но достаточную влагопрони-цаемость (> 40 г • м2/ч). Для региона I Б целесообразно использовать материалы такой же воздухопроницаемости из-за большого перепада температур наружного воздуха и под одеждой.
Исходя из этого, теплозащитная одежда должна иметь теплоизоляцию 0,709°С • м2/Вт (4,6 кло) и 0,728 °С • м2/Вт (4,7 кло) (1 кло = 0,155 °С • м2/Вт).
Выполненные ранее исследования по оценке выбранных материалов для формирования накладных пакетов на коленные и локтевые суставы военнослужащих на их пригодность по обеспечению их комфортного состояния и предупреждения у них хронических заболеваний - артрита и артроза - с использованием разработанного авторами программного продукта не подтвердили формирования комфортного состояния военнослужащих.
Авторы продолжили поиск новых материалов, в том числе изготовленных с использованием нано-технологий из групп термоклеевых прокладочных материалов (ТКПМ), характеристика которых приведена в таблице 1 [2].
коленных и локтевых суставов с использова-
Модель Материалы пакета Толщина, мм Коэффициент тепло-проводности X, Вт/м-°С
х/б белье 0,9 0,044
Шерсть свитер или штаны 2,4 0,027
Нейлон-подкладка 1,6 0,042
Модель 1 Тинсулейт-утеплитель (один слой основной) Прокладочные материалы: 1. ТКПМ «Пикардии» 1242/17 2. ТКПМ «Kufner» R171G57 6,0 1,2 1,3 0,044 0,041 0,031
3. ТКПМ «Kufner» B141N77 2,1 0,021
4. ТКПМ АКР-622/АКР218 3,5 0,009
Arctic-tech - внешний слой (85% ПЭ + 15% х/б) 1,8 0,041
Arctic-tech (наколенник или налокотник) 1,8 0,041
Термобелье 1,76 0,039
Шерсть свитер или штаны 2,4 0,027
Нейлон-подкладка 1,6 0,042
<N Л ле д о Тинсулейт-утеплитель (два слоя основные) Прокладочные материалы: 1. ТКПМ «Пикардии» 1242/17 2. ТКПМ «Kufner» R171G57 12 1,2 1,3 0,036 0,041 0,031
М 3. ТКПМ «Kufner» B141N77 2,1 0,021
4. ТКПМ АКР-622/АКР218 3,5 0,009
Arctic-tech - внешний слой 1,8 0,041
Пористая резина - демпфер 2,2 0,027
Arctic-tech (накладной карман) 1,8 0,041
В работе рассматривается процесс охлаждения поверхностных тканей колена и локтя военнослужащего при воздействии на него низких температур.
Характеристика исследуемых материалов приведена в таблице 1.
Для описания строится математическая модель в виде краевой задачи:
дТ1 (д2Т1 2 дТ^ = Я; '
дг
я 2 ■ Я ,+— , I = 1,2, ...п, дг? г1 дгс1р1
дТ„
Т1 (0, () Ф »; Хп (Яп, С) + а(Тп(Яп, О - Тс) = 0;
дТ
1-1
4-1
дг
1-1
ОТ:
=¿¡^№-1,0, 1 = 2,.п.
Начальные условия Г¡(r¡,0) = /¡(г^, где / -время; Т/ - температура /'-го слоя; /' = 1, ... п; Тс -, температура окружающей среды; с/ - коэффициент теплоемкости /-го слоя; а - коэффициент температуропроводности /-го слоя; р/ - плотность /-го слоя;
- коэффициент теплопроводности 1-го слоя; -объемная плотность теплового потока /'-го слоя; а -коэффициент теплоотдачи с поверхности кожи или защитного слоя (волосы, шапка); /(г) - начальная температура /-го слоя [3, 4].
Решение задачи находится в следующем виде
ж к=1
где
- собственные функции соответствующей краевой задачи:
д2Х: 2 дХ: н2 йг? г1 дг1 щ
д*п
дг„
■(Яп) + аХп(Яп) = 0;
дХ1_1 _ дХ1
Заключение
Анализ полученных результатов подтвердил эффективность программного продукта для обоснованного выбора пакета материалов для накладных деталей костюма военнослужащего Арктики с целью формирования комфортных условий при нахождении его в зонах с низкими температурами [5 - 10].
При анализе влияния выбранных материалов (рис. 1, 2), которые рекомендуются для формирования пакетов на локтевые и коленные суставы, можно с уверенностью сделать вывод о том, что военно-
Рис. 1 - Характеристика состояния комфортности кожи локтя и колена военнослужащего при нахождении его в зоне с температурой от -30 до -50 °С для пакета материалов модели 1, где кривые: 1 - без прокладочного материала, 2 - ТКПМ «Пикардии» 1242\17, 3 - ТКПМ «Мпег» R171G57, 4 - ТКПМ «К^пег» В14Ш77, 5 -ТКПМ АКР-622\АКР218
Рис. 2 - Характеристика состояния комфортности кожи локтя и колена военнослужащего при нахождении его в зоне с температурой от -30 до -50 °С для пакета материалов модели 2, где кривые: 1 - без прокладочного материала, 2 - ТКПМ «Пикардии» 1242\17, 3 - ТКПМ «Мпег» R171G57, 4 - ТКПМ «К^пег» В14Ш77, 5 -ТКПМ АКР-622\АКР218
служащему Арктики гарантированно будет защита от артроза и артрита. Таким образом, программный продукт создает производителю возможность изготовления комплекта костюма, обеспечивающего пользователя комфортность и исполнять свои служебные обязанности в течение всего заданного им времени, а разработчикам новых материалов -иметь основные характеристики новых материалов, чтобы с уверенностью обеспечивать пользователям все требования, предъявляемые к комплекту костюма для военнослужащих.
Литература
1. Афанасьева Р.Ф., Бурмистрова О.В., Прокопенко Л.В. Холодовой стресс: медико-биологические аспекты профилактики: Монография. - М: ООО фирма «Реифор», 2012. - 214 с.
2. Термоклеевые прокладочные материалы для фронтального дублирования в процессах изготовления мужского костюма. Мухаметгалиева Н.М., Азанова А.А. Вестник Казанского технологического университета. 2013. -Т. 16.- № 4.- С. 168-169.
3. Прохоров В.Т., Тихонова Н.В., Осина Т.М., Рева Д.В., Тартанов А.А., Козаченко П.Н. О влиянии наноматериа-лов и технологий на литьевые свойства полимерных композиций на основе этилена с винилацетатом // Вестник Казанского технологического университета. 2014. -Т. 17.- № 19.- С. 130-135.
4. Осина Т.М и др. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2014617468 Программа оценки распределения температур и влаги в системе «стопа-обувь окружающая среда». Выдано Российским
агентством по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ 23.07.2014 г.).
5. Особенности защиты человека от воздействия низких температур: монография / В. Т. Прохоров [и др.]; под общ. ред. проф. В. Т. Прохорова. - Шахты: Изд-во ЮР-ГУЭС, 2008. - 316 с.
6. Полимерные материалы в производстве костюма для военнослужащих Арктики (сообщение 1). Афанасьева Р.Ф., Тихонова Н.В., Михайлов А.Б., Осина Т.М., Михайлова И.Д., Прохоров В.Т. Вестник технологического университета. 2015.- Т. 18.- № 15.- С. 155- 158.
7. Полимерные материалы в производстве костюма для военнослужащих Арктики (сообщение 2). Афанасьева Р.Ф., Тихонова Н.В., Михайлов А.Б., Осина Т.М., Михайлова И.Д., Прохоров В.Т., Полухина С.Ю. Вестник технологического университета. 2015. -Т. 18. -№15.-С. 167-171.
8. Полимерные материалы в производстве костюма для военнослужащих Арктики (сообщение 3). Афанасьева Р.Ф., Тихонова Н.В., Михайлов А.Б., Осина Т.М., Михайлова И.Д., Прохоров В.Т. Вестник технологического университета. 2015. -Т. 18. № 22. -С. 89- 93.
9. Полимерные материалы в производстве костюма для военнослужащих Арктики (сообщение 4). Афанасьева Р.Ф., Тихонова Н.В., Михайлов А.Б., Осина Т.М., Михайлова И.Д., Прохоров В.Т., Рева Д.В. Вестник технологического университета. 2016.- Т. 19.- № 11.-С. 114-118.
10. Возможность программного обеспечения по выбору пакета материалов для костюма военнослужащего Арктики. Афанасьева Р.Ф., Михайлов А.Б., Осина Т.М., Михайлова И.Д., Прохоров В.Т., Селина Н.Г. //Журнал Научный Альманах.-2015.-С.581-595.
© Н. Г. Селина - аспирант кафедры «Конструирование, технологии и дизайн», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, г. Шахты; А. Б. Михайлов - к.ф-м.н., доцент каф. «Математика и прикладная информатика», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, г. Шахты; Н. В. Тихонова - д.т.н., профессор, каф. «Конструирования одежды и обуви», КНИТУ, nata.tikhonova.81@mail.ru; Т. М. Осина - к.т.н., доцент каф. «Конструирование, технологии и дизайн», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, г. Шахты; В. Т. Прохоров - д.т.н., профессор, каф. «Конструирование, технологии и дизайн», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, г. Шахты, prohorov@sssu.ru.
© N. G. Selina - postgraduate student of the department "Design, technology and design", the Institute of Entrepreneurship and Service sector (branch) DSTU, Shakhty; A. B. Mikhailov - candidate of physical and mathematical sciences, associate professor, head of department "Mathematics and applied informatics", Institute of Entrepreneurship and Service sector (branch) DSTU, Shakhty; N. V. Tikhonova - Doctor of Technical Sciences, professor "Designing of clothes and footwear", Kazan national research technological university, Kazan, nata.tikhonova.81@mail.ru; T. M. Osina - Ph.D., Associate Professor of Department. "Design, technology and design", the Institute of the service sector and business (branch) DSTU, Shakhty; V. T. Prokhorov - Professor, cafes. "Design, technology and design", the Institute of the service sector and business (branch) DSTU, Shakhty, prohorov@sssu.ru.
