Исследования комиссии по безопасности итальянского альпклуба.
Перевод – VGR.
Предисловие:
Центральная техническая комиссия итальянского альпийского клуба (CCMT) представляет эту статью - плод двухлетней работы десятков инженеров и опытных альпинистов. Эта работа - сокращённое изложение огромного объема экспериментальных данных, полученных в сотнях испытаний на льду, скалах, искусственных стендах и в лаборатории. Главным образом, эта статья представляет сравнительный анализ приемов страховки на восхождениях и является дополнением к фильму «Приемы страховки», также созданному CCMT. Цели фильма и этой статьи:
1.рассмотреть физические явления, лежащие в основе задержания падения;
2.понять, существуют ли факторы, которые заставляют предпочесть одну технику страховки другой.
Основное внимание уделяется нагрузкам, действующим на элементы страховочной цепи при использовании различных приемов задержания падения.
Проблема страховки является довольно сложной и, поэтому, надо уточнить что сделанные выводы не являются абсолютными и универсальными.
К сожалению, многие характеристики динамической страховки еще не очень известны большому числу альпинистов; поэтому выбор приемов не всегда основан на рациональных рассмотрениях и объективных данных.
CCMT издавна занималась проблемами страховки и ранее уже публиковала различные документы [1] и фильмы [2]. Продолжение работ было основано как на экспериментах, так и на теоретических рассмотрениях: это были многочисленные серии испытаний на скалах [4, 5], на льду [3] и на стенде г. Падуи [6, 7]. В сотнях выполненных опытов были измерены основные параметры задержания падения в самых разнообразных ситуациях. Кроме того, была разработана математическая модель [8], использованная для интерпретации экспериментов. Это было необходимо, чтобы сделать сравнение приемов страховки более объективными и не зависящими от «человеческого фактора». Действительно, при большом разнообразии условий, многие результаты зависят от различий в поведении страхующих, как можно видеть далее.
Для большей ясности, статья разделена на две части. В первой (Глава 1) проанализированы физические основы цепи страховки и объяснены явления, которые происходят при задержании падения. Во второй (Главы 2 и 3) освещены практические вопросы страховки и изложены выводы и рекомендации.
2001 г. Центральная техническая комиссия
Глава 1 Физические основы страховки
1.1 Элементы страховочной цепи. Для полного понимания темы, здесь мы рассмотрим основные компоненты страховки, в первую очередь, их физические характеристики, функционирование в динамической цепи страховки и имеющиеся у них особенности при различных приемах страховки. Главным образом, будут описаны характеристики веревок, тормозных устройств и точек страховки - основных активных элементов в процессе удержания падения. 1.1.1 Веревка. Веревка является основным, хотя и не единственным элементом цепи страховки и ее характеристики, во многом определяют нагрузку на различные компоненты этой цепи.
Сегодня на рынке представлены три типа альпинистских веревок:
·одинарные
·полуверевки для парного использования, (техники двойной веревки).
·сдвоенные, которые должны использоваться парой и проходящие через один карабин (техника сдвоенной веревки).
Основная характеристика веревки – ее удлинение под нагрузкой. Важность этой характеристики вытекает из следующего физического процесса. При падении возрастает кинетическая энергия. Чтобы остановить падение, эта энергия должна быть полностью поглощена элементами страховочной цепи, в основном, за счет упругого удлинения веревки. Чем больше эластичность веревки - тем меньше возникающие при падении силы.
Нормы UIAA-CEN ограничивают величину деформации, так как чрезмерное удлинение под нагрузкой делает веревку плохо подходящей для различных действий, например - спуска.
Подчеркнем, что эластичность веревки приобретает ключевую роль при падении с заблокированной веревкой, прежде всего, при отсутствии промежуточных точек страховки. Действительно, в этом случае вся кинетическая энергия поглощается веревкой и, величины возникающих при рывке сил, зависят только от нее. При динамической страховке, удлинение веревки (и, таким образом, возникающие усилия) тем меньше, чем больше протравливание веревки через тормозное устройство.
Эластичность веревки косвенно характеризуется силой рывка в тесте Додеро (УИАА).
В таблице 1.1 приведены некоторые характеристики, по стандарту УИАА и реальные величины соответствующих типов веревок. Напомним, что даН (декаНьютон) - единица силы в международной системе СИ, практически эквивалентен килограмму (кГ). 1 кГ = 9.81 Н = 0.981 даН
Таблица 1.1: Некоторые механические характеристики веревок.
Как видим, одинарная веревка дает меньшую силу рывка при падении (для 80 кГ) и имеет меньший удельный вес (для единицы длины). Две полуверевки жестче одинарной, когда обе проходят в одном карабине, но эластичнее ее при чередовании в промежуточных точках. Удельный вес двух полуверевок больше. Полуверевки для сдвоенного использования имеют промежуточные характеристики и более удобны, например, для спусков.
1.1.2 Станция страховки. Станция является ключевой точкой цепи страховки, от ее надежности зависит безопасность всей связки. Точки станции должны работать в двух направлениях, то есть, выдерживать рывки как вверх, так и вниз. Если, в некоторых случаях это невозможно, должны быть приняты соответствующие меры (см. п. 2.2).
Точки станции должны быть связаны между собой прочной веревкой или стропой таким образом, чтобы оптимально распределить нагрузку на них. Можно выделить "классический" способ параллельной блокировки крючьев станции компенсирующей петлей для равномерного распределения нагрузки и последовательную блокировку, когда нагрузка приходится на один крюк. У этого типа блокирования есть некоторые преимущества по отношению к параллельной блокировке, которые будут рассмотрены далее.
1.1.3 Тормозные страховочные устройства. Тормоз – это тот инструмент который, управляемый рукой страхующего, позволяет замедлить и остановить падение. Для страховки используются различные тормозные устройства, например, узел УИАА (другие названия – полустремя, итальянский узел, тормоз Мунтера); восьмерка; «стакан» или АТС; шайба Штихта. У этих инструментов, есть общая характеристика: они ведут себя, как мультипликаторы сил, как бы увеличивая силу руки страхующего, останавливающего падение. Эффективность торможения определяется коэффициентом умножения, определяемого отношением сил до и после тормозного устройства. Коэффициент умножения различных тормозов приведен в таблице 1.2.
Рис. 1.1 Некоторые виды тормозных устройств.
Таблица 1.2: Характеристики тормозных устройств: коэффициент умножения силы.
Из таблицы видно, что, например для полустремени, типичные значения коэффициента торможения - от 8 до 12, это значит, что при удержании рукой веревки до тормоза с усилием 15-30 даН, напряжение в веревке после тормоза равно 120-360 даН. Кроме того, из таблицы видно, что полустремя - самый эффективный тормоз в случае задержанная падения при отсутствии промежуточных точек. В присутствии промежуточных точек, его эффективность снижается. Другие тормоза ведут себя противоположным образом.
Отметим, что полустремя - единственный тормоз, работающий за счет трения веревки о веревку. Это вызывает больший износ веревок в случае многократных удержаний срывов. Другие типы тормозов работают за счет трения веревки по металлу. Некоторые стороны поведения тормозных устройств все еще мало изучены, например, зависимость коэффициента трения от скорости прохождения веревки. Напомним, что гибкость веревки, характеристики ее оплетки также влияют на поведение тормоза. Впрочем, эти факторы играют второстепенную роль.
Остановимся на очевидном, но часто забываемом факте, который во многом объясняет кажущуюся противоречивость экспериментальных результатов: эффективность торможения зависит как от силы удержания веревки рукой страхующего, так и от эффективности тормоза.
Это значит, что один и тот же результат можно получить слабо притормаживая прохождение веревки через эффективный тормоз, и, наоборот, сильно зажимая веревку и применяя менее эффективный тормоз. Так как сила рук ограничена, лучше иметь более эффективный тормоз, чтобы мягко остановить падение, если требуется низкая сила торможения, чем малоэффективный тормоз, который не позволит задержать возможные сильные срывы.
Другой важный факт: усилия, возникающие в цепи страховки, больше зависят от поведения страхующего, характеристик тормоза и веревки, чем от используемой техники страховки.
Нужно подчеркнуть другой аспект функции тормозных устройств: при динамической страховке, благодаря прохождению веревки через тормоз, за счет трения рассеивается часть энергии падения, уменьшается энергия, поглощаемая веревкой, и поэтому, снижается нагрузка на цепь страховки. Поэтому можно сделать вывод, что можно получать низкие нагрузки в цепи страховки, ценой большего пробега веревки через тормоз.
1.2 Основы динамической страховки.
Теперь поговорим о динамической страховке - приему, который позволяет рассеять на трение значительную часть энергии падения. Рассмотрим характерные явления этого способа остановки падения, проанализируем различные фазы этого процесса и попытаемся дать физическое объяснение экспериментальным результатам.
1.2.1 “Фактор падения” в динамической страховке. Перед тем, как говорить о проблемах динамической страховки, стоит упомянуть важное понятие, часто используемое некстати - фактор падения. Роль фактора падения важна, когда веревка оказывается заблокированной, как в случае статической страховки. При этом, максимальная сила рывка оказывается независимой от высоты падения и прямо связана с фактором падения. Говоря о динамической страховке, отметим, что в этом случае характеристики веревки не являются основным элементом, определяющим величину нагрузки и фактор падения не играет важной роли. Во всяком случае, фактор падения теряет свое определяющее значение когда:
·в остановке падения присутствует рассеивание энергии на трение в тормозном страховочном устройстве, как в случае динамической страховки, или
·в цепи страховки присутствуют промежуточные точки, которые рассеивают энергию на трение, и напряжения в участках веревки между промежуточными точками различны.
1.2.2 Эффект промежуточных точек.
Отметим роль промежуточных точек страховки в поглощении энергии падения за счет трения. Действительно, карабин на оттяжке точки также является мультипликатором сил, аналогично страховочному тормозному устройству. Усилие натяжения ветви веревки, идущей к упавшему, несколько выше, чем в идущей к тормозу. Это подтверждают данные многочисленных испытаний.
По их результатам, в статических условиях для одинарной веревки соотношение сил до и после карабина приблизительно равно 1,7 (веревка охватывает карабин на 180 градусов). В динамических условиях это соотношение меньше. По данным наших тестов, соотношение сил равно:
- 1.47 для одинарной веревки диаметром 10,5 мм.
- 1.50 для двух полуверевок диаметром 8,5 мм
- 1.35 для одной полуверевки диаметром 8,5 мм.
Это соотношение во многом зависит от состояния веревки и карабина, в том числе и от геометрии последнего.
1.2.3 Усилие торможения и величина протравливания.
Теперь перейдем к рассмотрению основного вопроса: как функционирует динамическая страховка? Для простоты, рассмотрим цепь страховки с единственной промежуточной точкой и с тормозом, установленным непосредственно на один из крючьев станции. Мы используем эту упрощенную конфигурацию с целью показа основных аспектов динамической страховки, без влияния побочных эффектов переворота блокировки станции и подъема тела страхующего. Для разъяснения анализируемых явлений, напомним, что в динамической страховке, для всей фазы задержанная вплоть до остановки падения, прохождение веревки в тормозе рассеивает энергию; это прохождение тем больше, чем меньше трение (о рельеф, карабины промежуточных точек, и так далее) в цепи страховки.
Процесс задержания можно условно разделить на две фазы.
Первая фаза. В этой фазе, которую мы назовем инерционной, торможение происходит при протравливании через страховочное устройство веревки, которая проходит со скоростью падающего тела пропорциональной высоте падения. Рука страхующего, который держит веревку, приобретает резкое ускорение. Это ускорение, вовлекает сначала руку, потом плечо и часть тела страхующего и вызывает силу торможения, зависящую от инерции тела. В этой фазе эластичность веревки играет значительную роль. Возникшая сила увеличивается сначала в тормозе, который ведет себя как мультипликатор сил, затем в карабине точки страховки. Эта сила, увеличенная описанными эффектами, через страховочную веревку действует на сорвавшегося, замедляя падение. В течение этой фазы часть массы тела страхующего, приходит в движение, приобретает ускорение и часто происходит, что она движется с той же или даже большей скоростью, чем скорость падения сорвавшегося.
Эти выводы сделаны на основе просмотров киносъемок действий страхующих, анализа математической модели и из экспериментальных регистрациях изменения сил во времени в цепи страховки. Как показал анализ данных, пик напряжения (максимальная сила рывка) создается действительно благодаря этому механизму.
Итак, в этой фазе первостепенную важность играет не способ страховки, а инерционные свойства руки страхующего (пропорциональные вовлеченной в движение массе) и эффективность тормоза.
Максимальная сила удержания веревки рукой страхующего 15 - 30 даН, а масса, вовлекаемая в движение, приблизительно 2-3 Кг. Продолжительность инерционной фазы 0,2 – 0,3 секунды. Нагрузка на цепь страховки зависит также от скорости реакции и начальной жесткости мышц руки страхующего.
Вторая фаза. Мы назовем ее: фаза протравливания. Из скоростных киносъемок видно, что в этой фазе части тела совершают только небольшие перемещения. В этой фазе страхующий удерживает веревку заблокированной в тормозе или контролирует ее протравливание, прикладывая к веревке часть собственного веса.
В этой фазе сила, действующая на веревку, не инерционного типа, и величины нагрузок в цепи страховки зависят только от силы, прикладываемой страхующим. От поведения страхующего зависит также и величина протравливания веревки через тормоз до полной остановки сорвавшегося.
Теперь перейдем к анализу длины протравливания веревки через тормоз. Для понимания этого аспекта, оказываются удобными некоторые энергетические рассмотрения. В идеале, после достижения пороговой величины, усилие протравливания веревки должна сохраняться постоянным. Элементарный энергетический расчет показывает, что при этом величина протравливания обратно пропорциональна усилию торможения. Не забудьте, однако, о поглощении энергии за счет трения в карабинах промежуточных точек. В действительности, сила торможения веревки не остается постоянной, а, после пика напряжения, в основном, уменьшается (хотя теоретически, может и увеличиваться, что зависит от поведения страхующего). Как можно видеть на рис. 1.2, большая часть веревки протравливается именно во второй фазе, когда нагрузка в страховочной цепи уже снижается.
Таким образом, можно утверждать, что длина прошедшей через тормоз веревки зависит преимущественно от средней величины силы, приложенной страхующим в течение второй фазы удержания: чем меньше прикладываемая сила, тем больше пробег веревки в тормозе и наоборот; используемый способ страховки обусловливает длину протравливания.
На рисунках 1.2 показаны графики изменения сил и перемещения при задержании падения.
Рис. 1.2 Страховка с тормозным устройством на крюке станции.
Рис.1.2а - нагрузки на верхнюю точку и на станцию.
Рис. 1.2б - сила удержания веревки рукой страхующего
Рис. 1.2в – перемещения
Как видно из графика, пик нагрузки на верхний крюк достигнут через 0,25 секунды, и это случилось до полной остановки падающей массы (ее максимальное перемещение, приблизительно 2,2 метров через 0,95 секунд). Можно видеть, что протравливание веревки происходит и после достижения пиковой нагрузки. Таким образом, подтверждается что пик напряжения развивается в течение первой фазы, в которой усилие торможения зависит от инерции тела. Из этого следует, что пиковая нагрузка не зависит от полной длины протравливания.
Говоря о протравливании веревки, надо отметить, что независимо от усилия торможения и типа страховочного устройства, невозможно остановить падение без протравливания веревки рукой, кроме случаев, когда присутствует сильное трение веревки о рельеф или в промежуточных точках. Поэтому, для предотвращения ожога рук, необходимо использовать перчатки!
Приведем в процентном отношении поглощение энергии падения элементами страховочной цепи в момент пиковой нагрузки.
Таблица 1.3: Процентное распределение энергии при падении 80-килограммовой массы в момент пиковой нагрузки.
Расчет проведен для экспериментально полученных результатов: максимальная нагрузка на верхнюю точку - 730 даН, масса падающего тела – 80 кг, высота падения – 8м, рабочая длина веревки – 15 м, полное протравливание (на момент остановки падения) 1,65 м.
1.3 Приемы динамической страховки
Теперь, перейдем к рассмотрению различных способов динамической страховки. Мы разделим эти приемы на две категории:
·приемы, не допускающие поднятие страхующего рывком веревки
·приемы, для которых такое поднятие, наоборот, характерно.
В этой главе мы проанализируем и сравним эти способы с точки зрения механики. В главе 2 будут рассмотрены прикладные вопросы и даны некоторые практические рекомендации
1.3.1 Приемы, которые не вовлекают тело страхующего: классическая страховка
Этот способ, в различных вариантах, считается классической страховкой и, широко применяется в школах CAI. В качестве тормоза обычно используется узел УИАА, хотя могут применяться и другие типы страховочных устройств. Говоря о классической страховке, можно выделить три варианта:
1.Тормоз устанавливается в центральный пункт треугольника блокировки станции, а страхующий присоединен к другому надежному пункту. При этом точки станции связаны параллельно. – Рис. 1.3
Рис. 1.3 Классическая страховка с параллельной блокировкой точек станции.
2.Тормоз, устанавливается в центральный пункт треугольника блокировки станции, самостраховка страхующего присоединяется также к центральному пункту – Рис. 1.4. Хотя этот способ и относится к классическим, здесь присутствует эффект подъема страхующего при рывке. Поэтому, этот способ мы рассмотрим в соответствующем разделе 1.3.2.
Рис. 1.4 Классическая «взвешенная» страховка.
3.Тормоз, устанавливается прямо на одну из точек станции. – Рис. 1.5
Рис. 1.5 Классическая страховка с последовательным соединением точек станции
Анализ основных характеристик классических приемов.
Рассмотрим первый вариант классической страховки. Нужно отметить, что при задержании падения, здесь есть фаза, в которой тормоз не работоспособен. Это время, требующееся для полного опрокидывания треугольника блокировки станции (рис. 1.6); только после этого тормоз начинает функционировать. Это видно при просмотре видеоматериалов испытаний.
Рис. 1.6 Опрокидывание треугольника блокировки станции.
Из этого вытекают следующие недостатки:
Во-первых, глубина падения увеличивается на удвоенную высоту треугольника блокировки станции. Кроме того, при перевороте блокировки возможно травмирование страхующего.
Во вторых, торможение начинается, когда страховочное устройство поднято рывком на большую высоту. Из-за этого страхующий тянет веревку, налегая на нее значительной частью своего веса. При этом увеличивается сила торможения, повышая, соответственно, нагрузку на верхнюю точку. Случается, что при перевороте блокировки тормозное устройство прижимается к скале и протравливание веревки резко ухудшается (особенно это актуально для страховки через узел УИАА).
Третий вариант классической страховки уже анализировался в разделе 1.2.3, поэтому здесь мы лишь отметим, что в этом случае отсутствует «опрокидывание» станции, поэтому регулировать усилие торможения гораздо легче.
Преимущества и недостатки рассмотренных вариантов.
Преимущества. Они состоят, в основном, в большей безопасности для страхующего на станции и в более простой организации помощи сорвавшемуся.
Недостатки. У страховки с тормозом в центральном пункте блокировки станции есть неудобства из-за переворота петли при рывке. При этом увеличивается усилие задержания. Вариант с тормозом, прямо присоединенным к крюку (последовательно связанному с одним или несколькими крючьями) не позволяет равномерно распределить нагрузку на точки, делая, таким образом, менее надежной станцию, хотя при этом можно получить низкие нагрузки в цепи страховки. Такой способ целесообразно применять только при использовании надежных анкерных крючьев на станции.
Наконец, что касается классического способа страховки, мы рекомендуем делать треугольник блокировки станции как можно короче, учитывая однако, распределение нагрузки на точки станции и находя разумный компромисс между длиной петель и углом между ветвями блокировки. Сокращая подъем страховочного устройства при перевороте блокировки станции, мы снижаем нагрузку на цепь страховки.
1.3.2 Приемы, вовлекающие тело страхующего
Мы рассмотрим два приема, которые предвидят вовлечение тела страхующего. Первый – «взвешенная» страховка, является разновидностью классической техники. Этот вариант нейтрализует эффект опрокидывания треугольника блокировки станции. Второй прием – страховка через тело, пришедшая из англоязычных стран, противопоставляет вес страхующего силе рывка.
1) Классическая взвешенная страховка. Как уже говорилось в разделе 1.3.1, в этой технике страхующий встегивается в центральный пункт станции и там же устанавливается тормозное устройство. Длина самостраховки приблизительно 40 - 60 см; при этом страхующий может висеть на станции или стоять на полке. В последнем случае, слабина самостраховки ухудшает задержание срыва. На тело страхующего действует сильный рывок, если нет сильного трения веревки о рельеф или в промежуточных точках.
2) Страховка через тело. В этой технике тормоз присоединен к страховочной системе страхующего. Как и в предыдущем случае, при задержании падения присутствует более-менее значительное поднятие страхующего. Важное замечание: веревка после выхода из страховочного устройства должна проходить через отдельный карабин в центральном пункте станции, как показано на рис. 1.7. Это необходимо, чтобы избежать нагрузки непосредственно на страховочную систему в случае падения без промежуточных точек, когда задержание становится проблематичным. Другая причина использования дополнительного карабина - ограничение подъема страхующего. (При наличии промежуточных точек, без дополнительного карабина высота подъема увеличится на длину самостраховки).
Рисунок 1.7. Организация страховки через тело.
Анализ основных характеристик
Анализируя киносъемки проведенных испытаний, можно выделить основные особенности разных способов страховки. Во-первых, отметим различия движений страхующего в фазе задержания для классической "взвешенной" страховки и страховки через тело.
При классическом способе страховки, рука, тормозящая веревку, и значительная часть тела страхующего двигаются преимущественно вверх. Сила, торможения значительна, поскольку, кроме инерции, работает и сила тяжести, а мышечное сопротивление при таком движении эффективнее. Вертикальное движение массы страхующего не сильно сказывается на уменьшении напряжения и нагрузки на верхнюю точку. С одной стороны, такое движение способствует выдаче веревки упавшему товарищу, делая менее резким торможение, с другой - увеличивается ускорение руки и, таким образом, сила торможения. Второй эффект почти полностью компенсирует первый. В реальных условиях, наличие промежуточных точек и нестрогая вертикальность движения приводят к тому, что выгода поднятия страхующего становится незначимой для классической не «взвешенной» страховки.
Страховка через тело. В этом случае, движение руки преимущественно горизонтальное; при этом, кроме меньшей движущейся массы, меньше и ускорение, что в предыдущем случае было неблагоприятным последствием поднятия страхующего. Поэтому, можно считать, что страховка через тело, способствует уменьшению силы торможения, по сравнению с классической взвешенной страховкой и, таким образом, снижению нагрузки на цепь страховки.
В общем случае, можно утверждать, что поднятие страхующего, способствует снижению нагрузок в цепи страховки, в частности, на станции и на последней точке.
Следует уточнить широко распространенное мнение, что снижение нагрузки происходит, в основном, именно благодаря поднятию страхующего. Мы пришли к выводу, что вклад этого эффекта преувеличен. Большая разница, полученная в экспериментах, объясняется различиями в действиях страхующего.
Как видно из графиков на рис. 1.8, в момент пиковой нагрузки (через 0,2 секунды после начала торможения) страхующего успевает приподнять рывком лишь на небольшую высоту (около 20 см). Поэтому, вклад самого поднятия в снижение пиковой нагрузки на верхнюю точку не превышает по нашим оценкам 5-10%.
Рис. 1.8а. Страховка через тело. Нагрузки на станцию и на верхнюю точку страховки.
Рис. 1.8б. Страховка через тело. Сила удержания веревки рукой страхующего.
Рис. 1.8в. Страховка через тело. Перемещения.
Первый вывод, который можно сделать для этого типа страховки:
Увеличение подъема страхующего мало влияет на нагрузку на верхнюю точку, которая зависит, в основном, от силы прикладываемой рукой страхующего. Таким образом, самостраховка, ограничивающая такой подъем, не увеличивает нагрузки и снижает риск для страхующего.
Аналогичные заключения можно сделать по длине протравливания. В этом случае полный анализ более сложен и выходит за рамки данной работы. Отметим, что если после достижения пиковой нагрузки резко увеличить торможение веревки, на верхнюю точку придется второй пик нагрузки, иногда больше первого. На практике, это явление наблюдается редко - неизбежное трение веревки о рельеф ограничивает резкие рывки. Поэтому можно также заключить, что увеличение подъема страхующего мало влияет и на длину протравливания веревки в тормозе. Эти утверждения подтверждены специальными испытаниями на стенде г. Падуи. Некоторые результаты приведены в таблице 1.4.
Таблица 1.4 Зависимость пиковой нагрузки на верхнюю точку и длины протравливания от поднятия страхующего.
Рис. 1.9 Зависимость пиковой нагрузки от высоты поднятия страхующего.
Из этого также следует, что увеличение веса страхующего уменьшает благотворный эффект подъема, увеличивая нагрузки в цепи страховки. Расчеты показывают, что при увеличении массы страхующего с 55 до 85 кг (на 54%), нагрузка в цепи страховки возрастает на 5%. Соответствующие экспериментальные данные приведены в таблице 1.9. Расхождение с расчетными данными мы объясняем индивидуальными различиями в технике страховки операторов.
Достоинства и недостатки страховки через тело.
Достоинства. Они заключаются, в основном, в уменьшении нагрузки на цепь страховки и, соответственно, на верхнюю точку, что очень важно, если эта точка не надежна.
Недостатки. Основной недостаток, по сравнению с классической страховкой через станцию - в сильном подбрасывании страхующего рывком. Однако, высоту поднятия можно ограничить до 40-60 см рациональной организацией станции, не теряя преимуществ этого типа страховки. Второй недостаток - прямое следствие первого - затруднения при организации помощи сорвавшемуся страхующим.
Теперь перейдем к сопоставлению различных приемов страховки, используя значительный объем экспериментальных данных и математическое моделирование. Отметим, что сравнение сделано по отношению к эффективности снижения нагрузок и длине протравливания веревки в тормозе.
Экспериментальные данные для различных способов классической страховки [6] приведены в таблице 1.5. Можно констатировать, что классическая страховка с тормозом в центральном пункте станции дает повышенную нагрузку на верхнюю точку. Это можно объяснить отрицательным эффектом опрокидывания треугольника блокировки станции.
Классический вариант, когда страхующий висит на станции, дает самые низкие нагрузки, но и самую большую длину протравливания, несмотря на поднятие страхующего. Это показывает что среднее усилие торможения невелико, Страховка с тормозом на одной из точек станции эффективнее простой классической, но хуже «взвешенной».
Таблица 1.5: классическая страховка: нагрузка на верхнюю точку и протравливание веревки.
Недостаток этого сравнения в том, что для получения надежных выводов необходимо проведение огромного количества испытаний, из-за индивидуальных различий в технике страховки разных операторов. В таблице 1.6 приведены экспериментальные результаты [5], полученные разными страхующими, поочередно использовавшими классическую страховку, классическую «взвешенную» страховку и страховку через тело. Сравнивая нагрузки на верхнюю точку, можно видеть, что оптимальная техника страховки разная для разных людей.
Как видим, «человеческий фактор» не позволяет делать объективные сравнения. По этой причине мы воспользовались методом математического моделирования. Результаты расчетов для тех же условий приведены в таблице 1.7.
Как можно видеть, теоретические расчеты однозначно показывают преимущества техники страховки через тело в отношении снижения нагрузок. Дальнейшие экспериментальные данные, полученные при испытаниях в на стенде г. Падуи [6, 7], приводятся в таблице 1.8. Результаты были получены разными страхующими и для различной высоты падения:
страхующий А – вес 55 кг, падение на 4 метра
страхующий Б – вес 60 кг, падение на 4 метра
страхующий В – вес 80 кг, падение на 4 метра
страхующий Г – вес 85 кг, падение на 8 метров
Таблица 1.8: экспериментальные данные для различных приемов страховки и разных операторов.
Как видим, меньшие нагрузки получены при страховке через тело и средние – при классической взвешенной страховке. Последняя оказывается лучше по отношению к случаям с оператором, стоящим на земле.
Из данных таблицы 1.9, видно, что приемы с поднятием страхующего снижают нагрузку на верхнюю точку в среднем на 15-20 % по отношению к приемам без поднятия.
Таблица 1.9: Сравнение нагрузок на точку страховки и протравливания веревки через тормоз при использовании различных приемов (экспериментальные данные).
Можно заметить, что преимущество поднятия относительно меньше сказывается на величине протравливания веревки. Еще раз, отметим, что индивидуальные различия в действиях страхующих затрудняют интерпретацию экспериментальных данных. Моделирование на компьютере подтверждает преимущества приемов с поднятием как по отношению к снижению нагрузки, так и к уменьшению длины протравливания.
Кроме того, можно утверждать, что увеличение веса страхующего приводит к увеличению нагрузки на цепь страховки.
Другой критерий для сравнения приемов – нагрузка на саму станцию. В наших испытаниях эта величина для разных приемов составляла 150-300 даН. Исходя из опытов, можно утверждать, что приемы страховки, которые допускают подъем оператора, намного меньше нагружают станцию. Разница доходит до 50%.
В случае поднятия, большую роль играет амортизация самого тела страхующего. По экспериментальным данным, нагрузка на станцию в этом случае в 2-2,5 раза меньше нагрузки на верхнюю точку и равна 150 - 200 даН (при падении на 4 м, и нагрузках на верхний крюк 400 - 500 даН).
При отсутствии поднятия, нагрузка на станцию меньше нагрузки на верхний крюк в 2,5-3 раза и составляла для тех же условий 220 – 300 даН.
Подведем итог сравнения различных приемов страховки,. Можно утверждать, что приемы, которые предвидит поднятие страхующего, способствуют снижению нагрузки как на верхнюю точку страховки, так и на станцию. Степень снижения нагрузки больше зависит от индивидуальных особенностей торможения веревки страхующим, чем от высоты его поднятия.
Глава 2 Практическая часть
2.1 Цепь страховки на практике
В этой главе, после иллюстрации физических явлений, лежащих в основе механики задержанная падения, мы перейдем к рассмотрению практических вопросов и попытаемся дать некоторые рекомендации по использованию рассмотренных ранее приемов. Сразу скажем, что в разных случаях оптимальны разные приемы, выбор надо делать, оценивая конкретную ситуацию.
2.1.1 Какую станцию использовать для страховки.
При выборе типа станции нужно учитывать следущее:
·необходимо усиление несущей способности станции блокированием точек;
·станция должна сохранить работоспособность при разрушении одной из своих точек;
·станция должна выдерживать рывки в различных направлениях;
·при организации станции надо учитывать предполагаемый тип страховки.
При блокировании станции, точки (обычно, 2-3) соединяются веревкой (репшнуром) или стропой. При параллельной связи при этом образуется 2-3 петли, сходящихся в вершине угла – «центральном пункте». При последовательной связи можно соединить точки, используя узел стремя на основной веревке.
Надо внимательно оценивать надежность станции, учитывая возможность падения при отсутствии промежуточных точек. В этом случае, нагрузка на станцию в 2-3 раза выше. Ситуация может стать катастрофической в случае заклинивания тормоза. При этом на станцию приходится рывок в 900-1000 даН.
Параллельная связь, распределяя нагрузку на несколько точек, делает менее вероятным вырыв одной из них, и, поэтому, незаменима на непрочном рельефе или для не очень надежных точек. По возможности, точки станции должны устанавливаться с учетом направления вероятной тяги, сохраняя равномерное распределение нагрузки. независимо от длины блокировки. Например, в случае вертикального рывка, оптимально размещение крючьев один над другим.
При организации станции необходимо также учитывать возможность приложения нагрузки вниз в случае падения при отсутствии промежуточных точек.
Чем меньше угол между сторонами треугольника блокировки, тем меньше нагрузка на каждую отдельную точку станции. Очевидно, что при вертикальном расположении точек станции распределение нагрузки не зависит от длины треугольника.
Часто используемая компенсационная петля работает только в случае вырывания или разрушении одной из точек станции, но не при разрыве петли блокировки.
Влияние типа страховки на силу рывка рассматривалось выше. Отметим, что «опрокидывание» треугольника блокировки станции имеет отрицательный эффект как для приемов страховки с поднятием оператора (больше вероятность столкновения со скалой, труднее организовать помощь сорвавшемуся), так и для приемов, которые это не предвидят (больше сила торможения и, соответственно, больше нагрузка на цепь страховки). Из этого следует, что треугольник блокировки станции должен быть как можно короче (с учетом распределения нагрузки на точки станции; Точки станции, по возможности, лучше располагать одну над другой.
Последовательная связь подразумевает, что при рывке вся нагрузка приходится только на один крюк, второй лишь подстраховывает его. Поэтому, такой способ блокировки применим только на прочных породах при наличии достаточно надежных точек.
Очевидно, что проблема опрокидывания отсутствует в случае последовательной связи точек станции.
2.1.2 Какие страховочные устройства использовать?
Стоит напомнить, что механика остановки падения, определяется, в основном, сочетанием действий страхующего и характеристиками тормозных устройств. Добавим несколько замечаний по отношению к:
- типу рельефа и используемых точек страховки
- типу используемой веревки
- количеству промежуточных точек страховки
- состоянию веревки
Тип рельефа (или, лучше сказать, надежность точек страховки). Если невозможно организовать надежную станцию (непрочные скалы, фирн, не очень надежные крючья и т.д.), устройства с небольшим коэффициентом торможения оказываются предпочтительнее. Напротив, для надежных точек, более удобны устройства с высоким коэффициентом торможения, позволяющие уменьшить протравливание веревки. Кроме того, тормозные устройства с высоким коэффициентом торможения снижают риск ожогов (при отсутствии перчаток) и, потери контроля веревки.
Тип веревки. Если две полуверевки чередуются в оттяжках промежуточных точек, надо предотвращать их взаимное трение, приводящее при рывке к опасному повреждению веревок. В этом случае, шайба Штихта и «стаканчик» - единственные правильно функционирующие тормоза из упомянутых выше. Применение двух узлов УИАА и, очевидно, двух независимых карабинов, громоздко и представляет значительные трудности работы с веревкой. Также подчеркнем, что полуверевку труднее удерживать рукой и поэтому, действуя с ней, страхующий не всегда может резко затормозить падение в случае необходимости. В таких случаях нужны страховочные устройства с высоким коэффициентом торможения.. Это уменьшение коэффициента торможения в других ситуациях выгодно для снижения нагрузки в цепи страховки.
Количество промежуточных точек после станции, о котором мы поговорим позже, часто более важно для выбора типа страховочного устройства. Как мы уже отметили выше, все тормозные устройства, кроме полустремени, малоэффективны, когда падение происходит при отсутствии точек страховки после станции. В этом случае можно увеличить степень торможения «стаканчика», используя дополнительный карабин с несколькими витками веревки на входе тормоза, как показано на рис. 2.1. Этот способ требует, впрочем, дополнительных экспериментальных исследований.
Рисунок 2.1: «стакан» с дополнительным карабином: заметьте, как заправлена веревка.
Из этих рассуждений следует, что в случае "классической" страховки только полустремя или «стакан» с дополнительным карабином могут быть эффективно использованы, чтобы задержать падение при отсутствии промежуточных точек. В случае страховки через тело, присутствие карабина в центральном пункте станции дает возможность пользоваться и другими типами тормозов.
Состояние веревки также необходимо принимать во внимание: при определенных условиях (замерзание , загрязнение веревки и т.п.) степень торможения намного изменяется по отношению к нормальным условиям. В таких случаях, может стать предпочтительным использование устройств с небольшой степенью торможения (восьмерка, шайба Штихта, «стакан», и так далее).
2.1.3 Присутствие промежуточных точек
В этом разделе мы подробнее рассмотрим влияние промежуточных точек на выбор способа страховки и типа тормозного устройства.
Первое наблюдение – если веревка идет через точки зигзагом, трение увеличивается и это приводит к росту нагрузки на цепь страховки. Следствие этого - уменьшение разницы между типами страховки. Полезно рассмотреть предельный случай, чтобы лучше объяснить случаи «слабого рывка» ощущаемого страхующим, при наличии множества промежуточных точек. Если все трение сконцентрировано на последней точке, в ней, в пределе, отсутствует прохождение веревки - таким образом область между последней точкой и станцией становится нерабочей и нет разницы между различными типами страховки и тормозными устройствами. Кроме того, на точку приходится нагрузка от падения с фактором два. Это справедливо для любого типа веревки – одинарной, двойной или сдвоенной.
При наличии большого количества промежуточных точек, особенно, если они расположены зигзагом, эффект трения приводит к увеличению нагрузки на последнюю точку, уменьшению разницы между способами страховки и, отчасти, между тормозными устройствами.
В случае работы с двумя полуверевками чередуемыми в карабинах промежуточных точек (техника двойной веревки), рывок при падении поглощается только одной из веревок, трение при этом меньше (веревка проходит только через половину от общего количества карабинов) и, таким образом, меньше нагрузка. По этой причине, а также из-за большей эластичности такой веревки, обычно утверждают, что на ненадежном рельефе (лед, разрушенные скалы и т.д.), использование двух полуверевок, чередуемых в точках, оправдано уменьшением нагрузки на последней точке.
Уточним, что это утверждение справедливо только если промежуточные точки расположены с большим зигзагом!
Результаты испытаний для страховки через тело со «стаканчиком»: при страховке одинарной веревкой нагрузка на верхнюю точку составила 499 даН, протравливание – 65 см. Для полуверевки результат 326 даН и 255 см, соответственно! Основная причина этого, как уже говорилось в разделе 2.1.2, - вынужденно меньшая сила торможения, из-за трудности удержания тонкой веревки рукой. Этот эффект действует всегда, в то время, как изменение трения в карабинах оттяжек может быть незначительным (при поставленные в ряд промежуточных точках).
Меньшая эффективность тормоза и большая эластичность веревки также способствуют снижению нагрузок.
2.1.4 Какой тип веревки использовать?
Ранее уже обсуждались некоторые стороны использования различных типов веревок. В общем, можно утверждать, что на прочных скалах с надежными точками страховки (спиты, болты и т.д.) выбор типа веревки не определяется задачей снижения нагрузок в страховочной цепи. На непрочных породах (лед, разрушенные скалы и так далее) или с ненадежными точками страховки предпочтительней использовать двойную веревку, поочередно вщелкивая веревки в разные точки.
Также подчеркнем, что в случае использования двух полуверевок, в общем случае, целесообразнее использовать их как сдвоенную веревку, вщелкивая их в один карабин; только в ситуациях, когда приоритетным является снижение нагрузки на точки страховки и веревка идет зигзагом, лучше чередовать точки, работая в технике двойной веревки, как указано выше.
Это рекомендация вытекает из преимуществ большей безопасности например при камнепадах, возможности разрыва веревки на остром ребре, маневрах спуска и так далее.
2.2 Какую технику страховки использовать?
Анализ механизма задержания падения и факторов, влияющих на результат, показывает, что в различных ситуациях приоритетны различные потребности. Поэтому, однозначного ответа на вопрос «какая техника страховки лучше?» не существует. Попытаемся дать некоторые общие рекомендации для различных специфических ситуаций.
Если точки страховки не очень надежны, (как часто случается на фирне, разрушенных скалах и т.д.) приемы, которые предполагают поднятие страхующего, предпочтительнее, поскольку при этом нагрузки в цепи страховки меньше. Слишком сильное поднятие можно снизить уменьшением треугольника блокировки станции, учитывая при этом эффективность распределения нагрузки на точки страховки.
Действуя на прочных скалах с надежными крючьями (спиты, «болты» и т.д.) предпочтительнее приемы, которые не вызывают поднятие страхующего, поскольку они безопаснее для страхующего и позволяют ограничить протравливание веревки. В этом случае классическая страховка может быть использована в вариантах как параллельной, так и последовательной блокировки точек станции.
Возможны также исключительные случаи, когда организовать станцию, работающую в разных направлениях (как говорилось в разделе 1.1.2), невозможно.. В этом случае просто обязательно использование страховки через тело, поскольку если станция может не выдержать рывок вверх при наличии промежуточных точек, противопоставить вес страхующего рывку - единственный приемлемый выбор. Очевидно, при срыве можно ожидать значительное поднятие страхующего, оправданное исключительностью случая.
Глава 3 Заключения
Мы приведем некоторые заключения общего характера.
·Общая характеристика всех приемов: главную роль в нагрузке на точку страховки играет величина силы, приложенной к веревке рукой страхующего, а не тип тормозного устройства и способ страховки.
·Неизбежное в горах повышение трения уменьшает разницу нагрузок на цепь страховки для различных приемов.
Некоторые практические заключения:
Как уже говорилось ранее, чтобы избежать слишком резкого торможения, предпочтительно делать треугольник блокировки точек станции как можно короче, не забывая о равномерном распределении нагрузки на точки станции. Напомним, что угол более 120 градусов полностью аннулирует выгоду параллельной связи крючьев, и что установка точек станции по вертикали устраняет эту проблему. Использовать короткую связь полезно также для ограничения поднятия страхующего, даже если оно не опасно.
·В случае классической страховки лучше действовать с тормозом на высоте груди: при этом избегается давление с большой частью веса страхующего на удерживаемую им веревку, что приводит к чрезмерно сильному торможению и росту нагрузки на цепь страховки.
·Не будет преувеличением подчеркнуть необходимость снижения нагрузки на последнюю точку посредством "мягкого" торможения в случае не очень надежных точек. Отметим, что такое поведение должно быть внимательно оценено – иногда, при очень больших падениях, лучше предпочесть "жесткое" протравливание, чтобы избежать чрезмерного пробега веревки в тормозе с последующей потерей контроля над ней.
Возвращаясь к сравнению различных приемов страховки, можно сказать, что не существует единственно правильной техники страховки, поскольку у каждого способа есть свои положительные и отрицательные стороны.
Например, можно утверждать, что приемы, которая предвидят поднятие страхующего, уменьшают нагрузку в страховочной цепи (хотя, как много раз подчеркивалось, большая часть преимуществ вытекает из специфики движения руки, тормозящей веревку). Поднятие страхующего, потенциально опасное для него, можно смягчить хотя не исключить полностью.
Что касается приемов, не допускающих поднятие страхующего, можно утверждать, что у них есть потенциал для улучшения результатов путем тренировки мягкого торможения.
Для всех приемов можно однозначно утверждать, что для хорошей страховки необходимы навыки дозированного торможения; для этого требуется специальное систематическое обучение.
Конечно и другие проблемы страховки заслуживают дальнейшего изучения, например, способы организации станций: Центральная техническая комиссия также работает над этими вопросами.
Литература
[1] Rapporto “Assicurazione Dinamica: prove sui freni alla Torre di Padova”, a cura della CCMT, 1994.
[2] Filmato “Prove di Assicurazione Dinamica”, a cura della CCMT, 1995.
[3] Prove a Sottoguda 13-14.02.1999, documentazione CCMT.
[4] Prove a Passo Rolle 25-26.07.2000, documentazione CCMT.
[5] Prove a Passo Rolle 25.09.2000, documentazione CCMT.
[6] Prove a Padova 3.06.2000, documentazione CCMT.
[7] Prove a Padova 3.12.2000, documentazione CCMT.
[8] V. Bedogni, “Modello matematico della trattenuta di una caduta con tecnica di assicurazione classica e ventrale”, documentazione CCMT, 2000.
[9] Prove a Padova 01.03.1997; 25.10.1997; 28.02.1998; 07.03.1998, documentazione CCMT.
[10] C. Melchiorri, C. Zanantoni, P. Casavola, “L’apparecchio DODERO: passato presente e futuro”, Rivista Mensile del CAI, Luglio-Agosto 2001.
[11] Manuale Tecnica di roccia, Commissione Nazionale Scuole di Alpinismo e Scialpinismo, CAI, 1990.
[12] Manuale Tecnica di ghiaccio, Commissione Nazionale Scuole di Alpinismo e Scialpinismo, CAI, 1995.
база
полезное
тусовка
фото
маршруты
форум
