Механизмы действия ускорений (перегрузок)

 

Длительно действующие ускорения.  Одним из важных динамических факторов при космических полетах, воздействующих на организм человека, является ускорение. Как известно, ускорение возникает при изменении скорости или направления движения тела; при этом независимо от причины появления ускорения результирующая сила всегда имеет прямолинейное направление.

Ускорение (а) – это изменение скорости за единицу времени. Размерность ускорения обычно выражают в м/с2 или в кратном отношении к скорости свободно падающего на Землю тела за одну секунду: g  = 9, 81 м/с2 (от лат. gravitcis – тяжесть). Например, ускорение, равное 35 м/с2, может быть обозначено как 3, 5 g  (35 м/с2: 9, 81 м/с2).

При космических полетах ускорения возникают в период выведения корабля на орбиту, торможения его скорости при спуске на Землю, а также при совершении маневров (изменение направления движения) во время самого полета.

До последнего времени нет общепризнанной системы классификации ускорений. В медицинской литературе чаще всего можно встретить деление ускорения на четыре основных вида:

– прямолинейные;

– радиальные;

– угловые;

– ускорения Кориолиса.

• Прямолинейные ускорения возникают при увеличении или уменьшении скорости движения, но без изменения ее направления. При увеличении скорости ускорение нередко обозначают как положительное, при уменьшении скорости – как отрицательное. Последнее обстоятельство иногда служит поводом к возникновению недоразумений, так как часто терминами «положительное» или «отрицательное ускорение» обозначают не изменение скорости, а направление действия ускорений по отношению к голове и тазу. Прямолинейные ускорения наблюдаются при езде на современном транспорте (автомобиль, поезд и т. д.), взлете, посадке, а также изменении скорости самолета, при парашютных прыжках, и особенно значительные по величине и времени действия при выведении на орбиту и торможении космических кораблей.

Величина прямолинейного ускорения может быть вычислена по следующей формуле:

(3.1)

 

где а – ускорение; Vt – конечная скорость движения, м/с; V 0 – начальная скорость движения, м/с; t – время изменения скорости движения, с.

При полетах на космических кораблях линейные ускорения могут достигать значительных величин и длительного времени действия. Поэтому, естественно, возникает необходимость проведения специальных мероприятий, направленных на предупреждение неблагоприятных для здоровья последствий.

• Радиальные, или центростремительные ускорения возникают при изменении движения тела. Наиболее ярким примером этого могут служить ускорения, возникающие при воспроизведении виражей на самолете, пикировании, вращении на центрифуге и пр. В настоящее время подобные ускорения в реальных космических полетах, по существу, не встречаются. Правда, создание новых космических кораблей большой маневренности может внести в это положение определенные коррективы.

Тем не менее значительное место в общей системе подготовки занимают ознакомительно-тренировочные вращения на центрифуге.

Математически радиальное ускорение (j ) может быть выражено следующим образом: j  =   V2/R ,  где V – скорость движения вращаемого тела; R –  радиус вращения.

Для практических целей вычисления радиальных ускорений при работе на центрифуге, как правило, применяется следующая формула:

(3.2)

j  = 4π 2Rn 2 ,

где R – радиус центрифуги; n – число оборотов в секунду.

Центрифуга является наиболее удобным стендом, на котором можно воспроизводить ускорения, соответствующие самым разнообразным профилям полетов. Современные центрифуги имеют радиус вращения от 8 до 16 м, а электронно-счетные установки позволяют программировать графики ускорений и автоматизировать обработку многочисленной физиологической информации, поступающей от объекта исследования.

Радио– и телевизионная связь создает условия для постоянного наблюдения и контроля врача-экспериментатора за испытуемым.

• Угловое ускорение Е  (рад/с) наблюдается при неравномерном движении тела по окружности, т. е. при увеличении или уменьшении угловой скорости. Угловое ускорение наблюдается при разгоне и торможении центрифуги, особенно при быстром нарастании градиента ускорения.

Складывается оно из двоякого рода сил:

– направленной по касательной к окружности вращения (тангенциальное ускорение);

– направленной к оси вращения (нормальное ускорение).

Если угловое ускорение носит равномерный характер, то соотношение между обозначенными видами может быть выражено следующими формулами:

(3.3)

jt = ER  

(3.4)

jn =   (Et)2R ,

где jt –  тангенциальное ускорение; jn –  нормальное ускорение; R – радиус вращения; t –  время, за которое произошло изменение угловой скорости; Е – угловое ускорение.

Неравномерное угловое ускорение может быть рассчитано только для каждой конкретной точки кривой отдельно, так как тангенциальное и нормальное ускорения, из которых оно складывается, в этом случае постоянно изменяются по величине.

• Ускорения Кориолиса возникают при изменении радиуса вращения, а также в случае присоединения к движению в одной плоскости движения в другой плоскости.

Этот вид ускорений нередко встречается при полетах на самолетах и космических кораблях.

Ускорение Кориолиса может быть рассчитано по следующей формуле:

(3.5)

jk = 2WV sin α  ,

где W – угловая скорость движения тела вокруг оси; V – скорость движения тела в другой плоскости; α – угол с основной осью вращения, при котором во время дополнительного движения тела возникает ускорение.

Линейные и радиальные ускорения в зависимости от времени

действия делятся на ударные (длятся доли секунды) и длительные (от секунды и более), а в зависимости от направления – на продольные и поперечно направленные; последние, в свою очередь, и далее подразделяют на группы.

Классификация ускорений.  Терминология и классификация ускорений были предложены аэрокосмическим медицинским комитетом в США по проблемам ускорения при консультативной группе по научно-исследовательской работе. На рисунке 3.1 и в таблице 3.1

 

 

Рис. 3.1.  Эквиваленты терминологии ускорений

 

Таблица 3.1.  Терминология ускорений

 

 

1 Anterior  (лат.) – передняя (в данном случае) поверхность тела.

2 Posterior  (лат.) – задняя поверхность тела, спина.

A-P – Anterior-Posterior; С-A – Posterior-Anterior  (таблица дана с сокращениями).

 

представлена терминология, в основу которой положено направление ускорения массы (колонка А) и инерция органов, тканей и жидкостей организма на ускорение (колонка Б). Следовательно, действие перегрузок реально не столько для самого движущегося тела, сколько для его связей.

Буква g  используется как единица для выражения инерционной результирующей к ускорению всего тела, умноженной на величину ускорения силы тяжести: g 0 = 980, 665 см/с2.

Направление сил инерции всегда противоположно направлению ускорения. В медицине и биологии часто употребляют термин «перегрузка». Перегрузки не имеют размерности и выражаются относительными единицами, по существу, показывающими, во сколько раз увеличился вес тела при данном ускорении по сравнению с обычной земной гравитацией.

Математически это может быть выражено следующим образом: n =  Рд/Рс, где n – величина перегрузки (ед.); Рд – вес динамический; Рс – вес статический.

В зависимости от направления действия перегрузок по отношению к вертикальной оси тела их делят на продольные и поперечные. При направлении вектора перегрузки от головы к ногам говорят о положительных, а при направлении от ног к голове – об отрицательных перегрузках. Кроме того, различают поперечные (спина – грудь и грудь – спина), а также боковые (бок – бок) перегрузки. Направление вектора перегрузки имеет существенное значение для организма, и при описании физиологических реакций его всегда нужно учитывать.

Реакции организма на перегрузки.  Реакция человека на воздействие перегрузок определяется рядом факторов, среди которых существенное значение принадлежит величине, времени действия, скорости нарастания и направлению вектора перегрузки по отношению к туловищу, а также исходному функциональному состоянию организма, зависящему от многих условий внешней и внутренней среды.

Изменения в организме могут проявляться от едва уловимых функциональных сдвигов до крайне тяжелых состояний, сопровождающихся резкими расстройствами деятельности органов дыхания, сердечно-сосудистой, нервной и других систем, что может привести не только к потере сознания, но иногда и к грубым анатомическим повреждениям тела.

Общее состояние человека при действии перегрузок характеризуется появлением чувства тяжести во всем теле, болевых ощущений за грудиной или в области живота, вначале затруднением, а в дальнейшем и полным отсутствием возможности движений. Происходит смещение мягких тканей и ряда внутренних органов в направлении действия перегрузки. Наблюдаются расстройства зрения, характер и степень выраженности которых определяются не только величиной перегрузки, но и направлением ее действия по отношению к туловищу.

В зависимости от плотности внутренних органов (удельного веса), места их положения, эластичности связей с окружающими тканями характер происходящих нарушений может быть различным. Понятно, что наиболее подвижны кровь и тканевая жидкость. Поэтому нарушениям гемодинамики принадлежит одно из ведущих мест в генезе физиологических сдвигов при перегрузках. Однако определенное значение имеют и такие факторы, как смещение внутренних органов и их деформация, обусловливающие не только нарушение функции этих органов, но также и усиленную афферентацию в центральную нервную систему, что нередко приводит к расстройству ее функции.

Нервная система

Изучение функционального состояния центральной нервной системы, особенно ее высших отделов под действием перегрузок, приобрело особую актуальность в связи с необходимостью оценки работоспособности пилотов. Первые исследования в этом направлении были проведены в реальных полетах В. А. Винокуровым  и др. Авторами были получены данные, свидетельствовавшие об увеличении латентного периода ответных реакций на подаваемый раздражитель. В дальнейшем эти результаты были не только подтверждены, но и углублены в опытах, проведенных на центрифуге Г. Л. Комендантовым  и др. Позднее А. А. Бронштейн  и В. И. Загрядский,  применив метод условных двигательных реакций, в опытах на здоровых испытуемых убедительно доказали, что перегрузки средней величины вызывают растормаживание следовых рефлексов и небольшое торможение наличных, а перегрузки большой величины – выраженное торможение условных рефлексов.

Весьма интересен установленный ими факт, что при повторных воздействиях происходит некоторая адаптация организма к перегрузкам. Это положение было подтверждено и в ряде других работ. Отсюда вытекает важный в практическом отношении вывод о целесообразности проведения ознакомительно-тренировочных вращений. Правда, не решен еще вопрос о режимах подобного рода тренировок: величинах перегрузок, числе вращений в каждом сеансе, интервалах между отдельными сеансами и т. п.

По наблюдениям ряда авторов, восстановление высшей нервной деятельности по показателям условных рефлексов происходит волнообразно: при средних величинах перегрузок этот срок не превышает 5 мин.

Определенный интерес представляют исследования характера и механизмов изменений высшей нервной деятельности, происходящих при действии перегрузок. Они позволили установить, что изменения со стороны условных рефлексов наблюдаются уже при перегрузке величиной 1–3 единицы. При этом прежде всего страдает процесс внутреннего торможения, возникают фазовые явления, а при больших перегрузках – полное торможение условных рефлексов. Б. М. Савин  и З. К. Сулимо-Самуйло,  анализируя полученные данные, пришли к заключению, что в начале действия перегрузки наблюдается повышение возбудимости коры головного мозга.

Это положение нашло подтверждение в электрофизиологических исследованиях, в которых отмечалось появление фазовых состояний, а также в физиологических исследованиях, в которых использовались в качестве анализаторов функционального состояния корковых клеток фармакологические средства.

• В первой фазе, которая наступала сразу же после начала действия перегрузок, наблюдалось значительное увеличение числа быстрых потенциалов с одновременным уменьшением их амплитуды – реакция десинхронизации ЭЭГ.

• Вторая фаза характеризовалась появлением медленных волн – реакция синхронизации ЭЭГ.

• Третья фаза наступала только при перегрузках выше 6 единиц (признак декомпенсации сердечной деятельности и дыхания, еще большее увеличение синхронизации биоэлектрической активности коры).

Сопоставление изменений высшей нервной деятельности и показателей сердечно-сосудистой системы позволило высказать мысль о том, что нарушения условных рефлексов определяются не столько гемодинамическими расстройствами в головном мозге, сколько необычными по своему характеру, величине и сочетанию потоками афферентных импульсов, поступающих в центральную нервную систему от различных органов и тканей.

Таким образом, под воздействием уже небольших величин перегрузок наступают выраженные функциональные сдвиги со стороны центральной нервной системы, которые выявляются как методом условных рефлексов, так и отведением биоэлектрической активности головного мозга. Естественно, что наблюдаемые изменения со стороны функции центральной нервной системы сопровождаются снижением не только физической, но и умственной работоспособности членов экипажа летательных аппаратов.

Дыхательная система

Влияние перегрузок на функцию внешнего дыхания определяется не только величиной и временем действия перегрузок, но и ее направлением по отношению к вертикальной оси человеческого тела. При этом наиболее глубокие расстройства наблюдаются при строго поперечном направлении вектора перегрузки, когда механические силы, действующие на грудь и живот, затрудняют осуществление дыхательных экскурсий грудной клетки и передней стенки живота.

Наиболее общим в реакции дыхания с увеличением перегрузки является его учащение.

Так, по данным П. К. Исакова,  частота дыхания и легочная вентиляция при действии положительных перегрузок претерпевают значительные изменения. При перегрузках величиной 5–6 единиц в ряде случаев легочная вентиляция увеличивается в 2–3 раза по сравнению с исходной.

С прекращением действия перегрузки наступает сравнительно быстрое восстановление показателей внешнего дыхания до исходного уровня.

При поперечно направленных перегрузках нарушения дыхания нередко имеют ведущее значение в общей симптоматике наблюдаемых расстройств организма. Поэтому в дальнейшем основное внимание уделяется описанию характера нарушений дыхания при поперечных перегрузках. Исследованиями А. Р. Котовской  и др. установлено, что при поперечно направленных перегрузках в 7-10 единиц частота дыхания у испытуемых лиц увеличивалась в 1, 5–2 раза; по наблюдениям И. Черниак  и др; при 8 единицах – в 2 раза, а при 12 единицах – в 3 раза.

А. С. Барер  и соавторы пришли к заключению, что градиент нарастания частоты дыхания (grad = Δ частоты дыхания /Δ g ) является при поперечных перегрузках до 12 единиц величиной постоянной и равен 2, 8. При больших перегрузках наблюдается уменьшение дыхательного объема легких, уменьшение потребления кислорода и увеличение выделения СО2 и дыхательного коэффициента.

По наблюдениям А. С. Барера  и др., характер изменений минутного объема дыхания весьма сложен и с нарастанием перегрузки претерпевает эволюцию по S-образной кривой.

Некоторые авторы отмечали заметное уменьшение насыщения крови кислородом и содержания его в тканях. Проводя исследования содержания оксигемоглобина в крови, уже при перегрузках величиной 3–5 единиц наблюдали снижение насыщения артериальной крови О2 на 14–25 %.

Следует обратить внимание на то, что в ряде случаев, особенно при положительных перегрузках, развивающаяся гипервентиляция вследствие возбуждения рецепторов каротидного синуса сопровождается снижением напряжения СО2 в крови и тяжелой гипоксемией. Уменьшение насыщения артериальной крови кислородом до 80 %, вероятно, является следствием гемодинамических расстройств в большом круге кровообращения и возникновения легочного шунтирования.

Е. А. Коваленко  и др. при помощи полярографического метода установили определенную зависимость между степенью снижения напряжения кислорода в тканях мозга, величиной и направлением действия перегрузок. Наиболее выраженные изменения напряжения кислорода наблюдались при действии перегрузок в направлении голова – таз. При этом напряжение О2 понижалось с увеличением перегрузки: при 6 единицах оно равнялось 84 % от исходного (принятого за 100 %), при 8 единицах – до 78 %, при 10 единицах – 74 % и при 12 единицах – 72 %. Естественно, что при поперечном направлении вектора перегрузки напряжение О2 в головном мозге претерпевало меньшие изменения.

Действие больших величин перегрузок, как правило, у нетренированных людей всегда приводило к кислородной задолженности организма, которая ликвидировалась только через 3–6 мин после окончания действия перегрузки. В этот период резко возрастает минутный объем дыхания, увеличивается потребление О2 и выделение СО2.

Результаты исследований свидетельствуют о том, что степень кислородной задолженности и скорость ее ликвидации зависят не только от величины перегрузки и времени ее действия, но также от физической и специальной тренировки испытуемых.

Несомненно, что в ряде случаев расстройствам внешнего дыхания принадлежит существенное место в патогенезе нарушений функций центральной нервной системы и зрения при действии перегрузок. Поэтому понятно, что для повышения переносимости перегрузок человеком были небезуспешно применены такие методы, как дыхание чистым кислородом и дыхание под повышенным давлением.

⇐ Предыдущая16171819202122232425Следующая ⇒

Поделиться: