Группа альпинистов, инженеров и научных работников поставила себе целью исследовать вопросы техники страховки, проверить надежность существующих способов, обобщить и теоретически обосновать методику страховки.
Для этого под руководством автора этих строк при Центральном научно-исследовательском институте физической культуры — ЦНИИФК — была организована бригада, в состав которой вошло 18 человек. В течение двух летних сезонов в районе Адыл-су было проведено около 800 испытаний на отвесных скалах и различных склонах. Там же был сооружен опытный стенд высотой в 11 м. Кроме того, ряд исследований с веревкой был организован в Москве в Институте лубяного волокна. Все это дало возможность приступить к разработке теории страховки, проверить основные приемы и в первом приближении установить нормы для практического пользования. Конечно, проделанное исследование далеко не исчерпывает всех вопросов страховки.
Вместе с тем следует отметить, что наша работа является первым большим исследованием по вопросам страховки. За границей, несмотря на большой стаж альпинизма, подобных исследований, насколько нам известно, не производилось. Известно только несколько работ, посвященных испытаниям веревок, причем условия этих испытаний далеко не соответствуют действительным условиям страховки. Единственная заметка в несколько строк в одном из старых иностранных журналов, делающая попытку разбора принципов страховки с теоретической точки зрения, обнаруживает полную несостоятельность автора в этом предмете.
На основании результатов проделанных исследований нами подготовлена работа, включающая в себя семь разделов: несчастные случаи в горах, теория страховки, альпинистская веревка, самостраховка, страховка на отвесных скалах, страховка на склонах, работа с амортизатором.
В настоящую статью включены в несколько сокращенном виде три раздела: теория страховки, альпинистская веревка и страховка на отвесных скалах. Первый из этих разделов — теория страховки — дан в сильно сжатом виде, поскольку в более полном объеме материал был опубликован в журнале «Теория и практика физической культуры» за 1945 г., № 1.
Считаю своим приятным долгом выразить признательность основным сотрудникам бригады, труд которых дал возможность разрешить ряд основных вопросов страховки и написать настоящую статью. Особенно большую работу проделали: С. М. Лукомский (руководитель динамических испытаний веревок и амортизаторов), Б. А Смирнов (руководитель статических испытаний веревок), Г. Н. Петров (руководитель испытаний страховки через плечо и поясницу), Д. П. Елизаров (руководитель испытаний на выступах и с крюками) и Я. М. Гуревич (руководитель страховки на склонах).
1. ТЕОРИЯ СТРАХОВКИ
Закон сохранения энергии
Сущность закона сохранения энергии заключается в том, что энергия не возникает и не пропадает, а только переходит из одной формы в другую. В настоящей работе именно с этой позиции и рассмотрена техника страховки.
Падая, тело приобретает энергию движения (кинетическую энергию), величина которой растет по мере увеличения высоты падения и скорости движения и может быть найдена по формуле:
где W — кинетическая энергия, или работа падения в кг-м; т — масса тела в кг-сек2/м; υ — скорость к концу падения в м/сек; Р— вес тела в кг; Н — высота падения в м.
Для того, чтобы остановить падающее тело, нужно поглотить энергию, которую тело приобрело при падении. В поглощении этой энергии и заключается сущность любого из приемов страховки.
Рассмотрим, — что же в системе страховки может поглотить энергию или работу (что одно и то же) падающего тела и каким образом это происходит.
Сначала разберем случай жесткого закрепления веревки. В этом случае упавший натянет веревку, которая должна поглотить всю работу падения за счет своего удлинения. Однако наши расчеты и соответствующие опыты показали, что жестко закрепленная альпинистская веревка не может выдержать такого испытания и при отвесном падении тела всегда рвется.
Происходит это потому, что максимально возможное растяжение веревки наступает раньше, чем поглощается вся работа упавшего тела. Оказывается даже, что при нагрузке веревки вплоть до разрывного усилия (для веревки с узлом это составляет около 500 кг) только 15% работы упавшего по отвесу тела будет поглощено веревкой за счет ее растяжения (высота падения вдвое больше длины веревки).
Динамический удар
В настоящей статье нет возможности касаться теории упругости и теории динамического удара для альпинистской веревки. Ограничимся приведением результатов подсчетов, отвечающих на вопрос, — какой силы динамический удар возник бы при жестком закреплении веревки, если предположить, что она не порвется.
Расчет был сделан для случаев, когда высота падения равна длине веревки (H/L =1) и когда она вдвое больше длины веревки (H/L =2). Оказалось, что в первом случае возникает удар в 1300 кг, во втором около 1750 кг.
Таким образом ясно, что жестко закрепленная веревка не может являться удовлетворительным поглотителем энергии падающего тела, поскольку ни веревка, ни человек не могут выдержать возникающего динамического удара.
Приемы страховки как амортизаторы энергии падения.
Основное уравнение страховки
Основным амортизатором (поглотителем) во всех приемах страховки является работа трения. Какой бы способ страховки мы ни взяли, — всюду мы столкнемся с трением веревки о выступ, корпус человека или крюк.
При страховке трение равно произведению величины силы трения в точке страховки на длину протравленной веревки.
Падающее тело остановится, если работа трения полностью компенсирует работу (энергию) падения. Отсюда нетрудно написать уравнение сохранения энергии для падения тела по отвесу. (Приведенное уравнение дано в самом простом виде и не учитывает работы деформации веревки, которая всегда имеет место, но составляет в условиях обычной страховки всего лишь около 5% от работы трения. — Е. К.)
где Р — вес упавшего тела в килограммах, Н — высота падения в метрах, h—длина протравленной веревки в метрах и R—сила трения в месте страховки в килограммах.
Отсюда легко найти, чему равна длина протравливания:
Эта формула является основной формулой поглощения энергии при падении тела. Она положена в основу всех расчетов по технике страховки и в дальнейшем изложении употребляется в таком или несколько измененном виде при рассмотрении всех способов страховки.
Динамические нагрузки, допустимые для страхующего и страхуемого
В большинстве случаев, имеющих место при страховке, динамический удар, получаемый страхуемым и страхующим, бывает различен, причем первый испытывает больший удар. Объясняется это тем, что различные скальные выступы, на которых перегибается веревка, например, край площадки, крючья, ледоруб, смягчают удар, идущий от упавшего к страхующему.
Чем большее сопротивление удару окажет страхующий (т. е. чем крепче зажмет веревку, напряженнее будет держать корпус), тем сильнее будет сила удара и соответственно меньше веревки придется протравить для задержания упавшего.
Однако проведенные испытания и соответствующие расчеты показали, что для каждого метода страховки существуют свои пределы допустимых нагрузок, выше которых страховка может оказаться не только не действенной мерой для задержки упавшего, но даже будет опасностью для страхующего.
Известно, что многие сильные альпинисты могут в стойке страховки через плечо выдержать вес 3-4 человек, т. е около 220—260 кг. Но из этого не следует, что такую же нагрузку можно выдержать при ударе. Устойчивость человека к статическим и динамическим нагрузкам различна. Устойчивость к динамической нагрузке обусловливается не только физической силой человека, но и era нервной системой, скоростью рефлекса, тренировкой, навыком.
Опыты, произведенные с различными страхующими (в опытах приняло участие шесть человек) при условии отвесного падения груза весом в 80 кг показали, что при страховке через плечо для альпиниста средней тренированности можно допустить динамический удар до 100—130 кг.
При больших нагрузках страхующий обычно теряет устойчивость. При страховке в сидячем положении через поясницу устойчивость корпуса несколько повышается и допустимая динамическая нагрузка достигает 150—160 кг.
При применении приемов страховки с крючьями, через выступ, ледоруб, динамический удар, воспринимаемый страхующим, как правило, колеблется в пределах нескольких десятков килограммов.
Специальных опытов по отысканию предельных нагрузок, допустимых для страхуемого, бригадой ЦНИИФК не производилось. Было проведено несколько пробных падений человека на крутом ледяном склоне (62°) и на фирновом склоне крутизной в 35°. Во всех остальных опытах страхуемый был заменен на отвесных участках деревянным грузом, а на склонах — чучелом, по размерам и весу, соответствовавшим человеческому телу. По динамометру, прикрепленному к падающему человеку, грузу или чучелу определялась величина динамического удара на страхуемого Средние результаты произведенных опытов сведены в прилагаемой табл. 1.
Возникает вопрос: может ли человеческий организм выдержать такую динамическую нагрузку?
До некоторой степени ответ на этот вопрос может быть получен из довольно обширных сведений по парашютизму и авиации. Не имея возможности остановиться на них подробнее, укажем, что при раскрытии парашюта потеря скорости происходит в течение 0,3—0,6 секунд и прыгающий испытывает динамическую нагрузку приблизительно в 600 кг.
Таблица 1. Динамическая нагрузка, испытываемая страхуемым
|
Способ страховки
|
Характер падения
|
Сила удара в кг, приходящаяся на страхуемого
|
|
Стоя, через плечо (веревка огибает край площадки)
|
Падение по отвесу
|
200-220
|
|
Сидя, через поясницу (веревка огибает край площадки)
|
Падение по отвесу
|
250-280
|
|
Через выступ и плечо (веревка охватывает выступ на 180°)
|
Падение по отвесу
|
250-350
|
|
Стоя, через плечо
|
Скольжение по ледяному склону в 62°
|
110-150
|
Однако грудная обвязка альпиниста резко отличается от подвесной системы парашютиста как по площади соприкосновения с телом, так и по равномерности распределения нагрузки на грудную клетку и ноги.
Опыты, проведенные с человеком, падающим на ледяном склоне, показали, что даже нагрузка в 120—150 кг крайне болезненна из-за несовершенства грудной обвязки. Назрела необходимость найти такую систему грудной обвязки, при которой возможная нагрузка в 300—400 кг не представит опасности для падающего.
2. ВЕРЕВКА И ЕЕ СВОЙСТВА
В настоящем разделе излагаются основные результаты, полученные бригадой при статических и динамических испытаниях веревок, а также некоторые сведения из работ других авторов. Недостаток места не позволяет привести весь имеющийся у нас материал по способам применения веревки для грудной обвязки и связывания, обосновав соответствующие практические рекомендации.
Очень часто альпинисты превращают веревку в своеобразный фетиш, забывая о том, что только в руках сознательного и умелого страхующего она становится надежным средством. Статистика несчастных случаев (главным образом за границей) насчитывает десятки смертей, происшедших в результате разрыва веревки.
Альпинистская веревка обычно имеет диаметр 10—14 мм и прочность от 1000 до 1200 кг. Более толстые веревки тяжелы и неудобны в употреблении, тем более, что при намокании вес и диаметр их увеличиваются. Наиболее подходящим материалом для альпинистских веревок считается длинноволокнистая пенька. Льняное волокно недостаточно прочно и неудобно в употреблении, так как пряди такой веревки легко раскручиваются.
Веревки бывают крученые и плетеные. Плетеные более гибкие, но уступают крученым в прочности, — крученая веревка 10-мм диаметра соответствует 12-мм плетеной. При намокании плетеная веревка впитывает значительно больше влаги.
Просушка плетеной веревки более затруднительна; в ее внутренние волокна не проникает воздух и в них быстрее начинаются гнилостные процессы.
Репшнур представляет собой крученую или плетеную веревку диаметром б—8 мм. До сих пор считалось, что прочность репшнура составляет 250—300 кг. Однако опыты нашей бригады показали, что такая прочность в ряде случаев не гарантирует безопасности применения репшнура для самостраховки, поскольку при некоторых способах страховки петля может подвергнуться действию динамического усилия до 200 кг. Учитывая, что в узлах веревка теряет до-50% своей прочности, необходимо, чтобы репшнур обладал прочностью не ниже 500 кг.
Из известных нам материалов и изделий веревка из растительных волокон является пока наилучшим средством страховки и поэтому должна подвергаться тщательному и всестороннему изучению и усовершенствованию.
Техника страховки должна исходить из свойств и возможностей веревки.
Изучая качество альпинистской веревки, мы главным образом интересуемся ее прочностью, гибкостью, упругими свойствами и работоспособностью, т. е. способностью за счет своего растяжения поглощать некоторое количество килограммометров работы падающего тела.
Исследования бригады показали, что веревка не подчиняется полностью закону упругости, который действителен для большинства однородных тел. Если для упругих тел величина удлинение пропорциональна действующей растягивающей силе, то при растяжении веревки мы наблюдаем сначала значительное приращение длины, а затем по мере увеличения растягивающей силы рост удлинения уменьшается.
Объяснение такому явлению следует прежде всего искать в том, что веревка изготавливается из большого числа довольно коротких волокон. Волокна собираются в пряди, из которых и скручивается веревка.
Поэтому-то при растяжении внутри таких прядей вначале происходит как бы расправление волокон, сдвиг их относительно друг друга и, наконец, удлинение самих волокон.
Различают два вида удлинений: остаточное, которое остается после прекращения действия растягивающей силы, и упругое, которое исчезает, как только перестает действовать растягивающая сила. Обычно для различных упругих материалов остаточное удлинение бывает небольшим. Как показали наши исследования и работы других авторов, для веревки имеет место обратная картина: очень значительное остаточное удлинение при относительно небольшом упругом удлинении. Это является серьезным недостатком веревки, резко снижающим ее работоспособность после первого же сильного растяжения.
Вопросу о прочности и работоспособности крученых и плетеных веревок были посвящены работы Сикста, Хубера и Генри. Они показали, что крученая и плетеная веревки, сделанные из одного и того же материала, при одинаковом весе одного погонного метра имеют различную прочность и растяжимость. Из экспериментальных данных следует, что крученая веревка обладает более высоким пределом прочности. Плетеная веревка имеет большее остаточное удлинение при относительно небольших нагрузках, в результате чего при повторных растяжениях ее работоспособность резко снижается. При статических испытаниях авторы нашли, что для новой крученой веревки предел прочности — около 1000—1100 кг, максимальная ее работоспособность (вплоть до разрыва) выражается в 45—50 кг-м на 1 м ее длины.
При динамических испытаниях была определена и критическая высота падения, приводящая к разрыву веревки. Авторы нашли, что при длине веревки в 1 м разрыв наступает при падении более чем на 0,6 м.
Динамические испытания веревок, проведенные нашей бригадой, были организованы на стенде высотой в 11 м, позволявшем испытывать веревки в условиях, более близких к страховке в горах. Опыты проводились при различных соотношениях длины веревки я высоты падения, которые с предельной ясностью показали недопустимость жесткого закрепления веревки при падениях по отвесу. Во всех опытах веревка рвалась в верхнем узле, что полностью подтверждало теорию распространения динамического удара. Разрыв наступал около узла в среднем при 50% прочности, установленной статическими испытаниями. Отсюда следует, что предельная работоспособность веревки, найденная при статическом растяжении (45—50 кг-м), в действительности при условиях страховки уменьшается вдвое и составляет всего 20—25 кг-м. Кроме того, указанная работоспособность относится к новым, еще не вытянутым образцам; у веревки же, бывшей в употреблении, работоспособность дополнительно снижается по мере вытягивания. По этому вопросу интересные данные, сведенные в табл. 2, приводятся в статье Шварца (Шварц, «Испытание горных веревок», «Bergsteiger», 1935, стр. 387).
Таблица 2. Работоспособность веревки
|
№ веревки
|
Характеристика веревки
|
Вес 1 пог.м веревки в кг
|
Работоспособность 1 метра веревки в кг/м
|
|
1
|
Новая крученая, диам. 12 мм
|
112
|
47
|
|
2
|
Крученая, после 70 часов употребления на сухих скалах, диам.12 мм
|
108
|
30
|
|
3
|
Крученая, после различных восхождений в течение 2,5 сезонов, даим.12 мм
|
106
|
21
|
|
4
|
Плетеная. Продолжительность употребления не выяснена
|
-
|
3
|
Мы расширили наблюдения и провели серию испытаний с мокрыми и подсушенными образцами. По прочности и работоспособности мокрая веревка почти не уступает сухой. Мокрая и влажная веревка из сизальской пеньки теряет в прочности от 5 до 10%.
В таблицу 3 сведены основные результаты статических испытаний, проведенных бригадой.
Таблица 3. Испытание веревок на растяжение
Тщательно высушенная веревка, полностью восстанавливает свою прочность.
Большую опасность представляют гнилостные процессы, которые легко возникают в волокнах веревки. Известны случаи, когда внешне почти новая веревка при испытаниях рвалась при 50% и даже более низком проценте нормальной разрывной нагрузки.
Очень существенным недостатком является плохая сопротивляемость волокон веревки всякого рода срезывающим усилиям.
Если при растяжении веревка из сизальской пеньки имеет предел прочности приблизительно около 1 100 кг, то при срезывающем направлении усилия разрыв происходит при нагрузках в 500—600 кг в зависимости от площади, на которую действует это усилие.
Срезывающее усилие возникает во всех узлах, в месте перегиба веревки в карабинах, на выступах. Этим объясняется то обстоятельство, что разрыв веревки, как правило, происходит около узла или в карабине.
Поэтому альпинисту следует помнить, что новая доброкачественная веревка может выдержать, как максимум, удар в 500 кг. Эта величина очень скоро (после 5—10 дней употребления) снижается еще на 25—30%, а через 1—2 сезона пользования может составлять уже меньше половины, около 200—250 кг.
Из данных, приведенных в табл. 1, видно, что при падении по отвесу часто возникают усилия более 200—250 кг. Отсюда ясно, что при серьезных восхождениях, где возможно преодоление отвесных участков, необходимо пользоваться только совершенно новыми, предварительно испытанными веревками. Следует считать необходимой ежегодную смену веревок для восхождений. Для учебных занятий срок их службы можно увеличить до двух сезонов, но при обязательном контроле перед сезоном.
Таблица 4 Испытание узлов
Руководству лагерей нужно вменить в обязанность:
1) тщательную просушку веревок между сменами,
2) длительную просушку веревок (с доведением до постоянного веса) перед зимним хранением,
3) испытания средних проб веревок перед началом сезона.
Как уже указывалось, узлы являются наиболее слабым местом веревки, снижая ее прочность в среднем на 50%.
В табл. 4 сведены средние результаты проделанных нами испытаний.
Эти результаты также показывают, что снижение прочности веревки, завязанной узлом, зависит как от материала веревки, так и от характера узла. В среднем для большей части узлов разрыв происходит при нагрузках, составляющих от 40 до 55% от прочности самой веревки.
При завязывании ткацкого узла свободные концы должны иметь длину не менее 3—4 см, так как при нагрузке происходит некоторое втягивание концов.
Для соединения двух веревок можно с успехом применять сростку концов плетением, — в этом случае сохраняется 80—90% прочности самой веревки. Размер плетения должен быть не меньше 15—20 см.
Необходимо отметить, что при связывании двух веревок разной толщины, как правило, меньшей прочностью в узле обладает более толстая веревка, тонкая веревка как бы перерезает более толстую. Так, например, при ткацком узле, завязанном из веревки сизальской пеньки и репшнура (с пределом прочности 600 кг) во всех испытаниях рвалась веревка, несмотря на то, что разрывное усилие (300—400 кг) составляло лишь 25—30% от ее прочности.
Интересно отметить, что соединение двух двойных веревок, показанное на рис. 1, также ведет к резкому снижению прочности. Разрыв происходит при 55—60% от прочности одинарной веревки. Из этого следует, что при хождении на двойной веревке, вполне целесообразном с точки зрения надежности страховки на отвесных участках, не следует прибегать к соединениям подобного рода, — в этом случае пропадет преимущество двойной веревки.
Некоторые альпинисты употребляют булинь для связывания веревок. Этого делать не следует, испытания показали, что узел легко расползается.
Особенного внимания заслуживает схватывающий узел, нашедший самое разнообразное применение в альпинизме. Чем больше разница в диаметре основной веревки и репшнура, тем лучше держится схватывающий узел. Однако опыт показал, что одинарный узел держится плохо, надежным можно считать только двойной узел.
Завязывая его, нужно следить, чтобы оба конца репшнура, выходящие из узла, были нагружены равномерно, в противном случае получается перекос, который, как показали испытания, может привести к соскальзыванию узла. Узел не держится, если завязан на обледенелой веревке или обледенелым репшнуром.
Ненадежно применение схватывающего узла на веревках с недостаточно шероховатой поверхностью (на льняной веревке при нагрузках в 200—250 кг петля систематически сползала). Схватывающий узел, завязанный из пенькового репшнура на сизальской веревке, как в сухом, так и в мокром состоянии давал хорошие результаты. Интересны данные испытания этого узла на прочность. Разрыв наступает при нагрузке в 500—600 кг (веревка из сизаля, репшнур пеньковый), причем во всех опытах разрывалась основная веревка в месте закрепления узла.
Поскольку срезывающее усилие в узлах резко снижает прочность веревки, целесообразно было бы попытаться заменить узлы на такое устройство, в котором срезывающее усилие было бы доведено до минимума.
Ряд иностранных авторов (Ф. Шмидт в учебном пособии «Восхождения летом» и Шварц в статье «Испытание горных веревок», «Bergsteiger») для грудной обвязки предлагают заменить узлы на петлю с плетением.
Наши испытания показали, что в месте перекрещивания петли и грудной веревки все же возникает значительное срезывающее усилие и увеличение прочности по сравнению с другими узлами незначительно.
Нам представляется более удачным предложение Д. М. Затуловского (Предложение было сделано на конференции по технике страховки, проведенной Центральным научно-исследовательским институтом физической культуры в 1939 r. — Е.К.), состоящее в использовании для этой цели коуша, широко применяемого для подвешивания качелей, трапеций, колец. В этом случае можно ожидать увеличения прочности до 80% от разрывного усилия для веревки.
Не следует все же думать, что, освобождаясь от узлов, мы полностью решаем задачу предохранения веревки от вредного действия срезывающих усилий. К сожалению, сами способы страховки в той или иной степени создают в веревке эти срезывающие усилия. Особенно резко это проявляется при страховке через крюк с карабином, где при недостаточном протравливании веревки возникают усилия, превышающие предел ее прочности на срез.
В заключение можно сказать, что, судя по данным различных испытаний, максимальное усилие, которое можно допустить для новой веревки, не должно превышать 300—350 кг. Для веревки, бывалей в употреблении, эта величина должна быть снижена до 200 кг.
3. СТРАХОВКА НА ОТВЕСНЫХ СКАЛАХ
Падение по отвесу является наиболее серьезным случаем для страховки. Большая скорость падения, колоссальное динамическое усилие, могущее легко возникнуть при неправильном протравливании, и, наконец, значительность энергии, которую нужно компенсировать, — все это требует от страхующего волевых качеств, быстроты рефлекса, хорошей тренировки и точного знания дела.
Отвесные участки большей частью встречаются на скалах. По отвесным или почти отвесным ледяным стенам (круче 70°) альпинистам практически передвигаться не приходится, поэтому в настоящем разделе мы ограничиваемся рассмотрением приемов страховки на отвесных скалах.
Падение на весьма крутых склонах (круче 70°) можно приравнять к свободному падению, так как поглощение энергии падения за счет трения о столь крутой склон очень невелико.
Осуществляя подъем или спуск, альпинист редко двигается по линии падения воды. Обычно он уклоняется от нее, в результате чего в его падении почти всегда будет иметь место некоторый маятник. В табл. 5 приведены высоты падения соответствующие 1 м выданной веревки при движении вверх от страхующего под некоторым углом.
Таблица 5
|
Угол между направлением движения и горизонталью в градусах
|
0
|
15
|
30
|
45
|
60
|
75
|
90
|
|
Соответствующая высота падения в м
|
1,00
|
1,26
|
1,50
|
1,71
|
1,87
|
1,96
|
2,00
|
Опыты, проведенные на 60-градусной гладкой скальной стене при падении маятником потребовали такой же длины протравливания веревки, как если бы тело упало по линии падения воды на соответствующую высоту.
Кроме того, изменение направления удара по сравнению с направлением выдачи веревки до падения приводило при плечевой страховке к некоторому повороту туловища страхующего, что неблагоприятно сказывалось на его устойчивости. Исходя из сказанного, мы не считаем возможным при маятниковых падениях снижать нормы протравливания веревки.
А. Страховка через выступ
Страховка через выступ является одним из наиболее удобных и надежных способов, основным для большинства скальных маршрутов. Своевременное и надлежащее по силе и равномерности зажатие веревки страхующим главное условие надежного осуществления этого способа страховки.
Обычно страхующий пропускает веревку через плечо или держит ее двумя руками. Поглощение работы падения в основном происходит за счет работы трения между веревкой и выступом и (относительно небольшая доля) за счет трения веревки и страхующего.
При правильной страховке возникающее в веревке усилие не превышает 200—250 кг, а соответствующая работа растяжения веревки по сравнению с работой трения является незначительной, не превышая 5—10%. Поэтому во всех дальнейших расчетах мы не учитываем работу растяжения веревки, что значительно упрощает решение практических задач.
Теория вопроса и факторы, влияющие на силу трения
Упрощенное уравнение работы для случая страховки через выступ может быть представлено в следующем виде:
где P — вес страхуемого в килограммах, H — высота падения в метрах, h — длина протравленной веревки в метрах, Rв — сила трения веревки о выступ в килограммах, Rcm— сила трения веревки о страхующего в килограммах. Отсюда легко определить, чему равняется величина протравливания:
Чтобы найти h, нужно знать Р, H, Rв и R ст.
Полный вес страхуемого (с рюкзаком) обычно ориентировочно известен. Высота Н может быть легко определена по длине выданной веревки и направлению движения страхуемого (см. табл. 5). Несколько сложнее обстоит дело с величинами Rв и Rст, так как они зависят от целого ряда факторов, определение которых практически достаточно сложно.
Исследовательская работа, проделанная бригадой по этому разделу, как раз и была направлена на установление факторов, влияющих на величины Rв и Rст.
Опыты производились на четырех различных гранитных выступах с веревками из сизальской пеньки и льняной пряжи (см. рис. 2).
На основании проделанных испытаний удалось установить, что в первом приближении страховку через выступ можно рассматривать как явление, подчиняющееся закону Эйлера, выражающемуся формулой:
S1= S2lμα
где S1 и S2 — силы натяжения на концах веревки по обе стороны выступа в момент равновесия в килограммах,
Рис. 3. Влияние коэффициента трения веревки о выступ μ на силу
трения Re.
l — основание натуральных логарифмов — 2,718,
μ — коэффициент трения веревки о выступ,
α — угол охвата выступа веревкой, выраженный в радианах.
Сила трения веревки о выступ в момент протравливания представляет собою разность величин натяжения веревок по разные стороны выступа, т. е.
Рассматривая эту формулу, мы видим, что сила трения веревки о выступ зависит от трех величин:
S2 — силы натяжения веревки страхующим, μ — коэффициента трения и α - угла охвата выступа веревкой.
Сила натяжения веревки S2 и угол охвата выступа α в значительной степени должны регулироваться самим страхующим.
Коэффициент трения μ зависит главным образом от материала и состояния поверхности веревки и выступа.
По данным наших испытаний коэффициент трения покоя для гранитных выступов и веревки из сизаля колеблется в пределах 0,58-0,7. Для льняной веревки он несколько ниже: 0,5-0,55. Коэффициент трения при движении экспериментально определить нам не удалось, и мы его приняли по некоторым справочным данным для сизалевой веревки равным 0,6.
Надо сказать, что даже небольшое изменение коэффициента трения сильно влияет на величину силы трения, поскольку он входит в формулу для Rв в качестве показателя степени.
На графиках, изображенных на рис. 3 и 4, показано, как влияют величины μ и S2 на силу трения о выступ Rв при различных углах охвата выступа α.
Так при изменении μ от 0,6 до 0,7 Rв возрастает на 30-35%. Очень существенно изменяет силу трения веревки о выступ степень зажатия веревки S2, но при больших углах охвата α возникает очень большая сила трения. Так при S2=10 кг, α=360°, Rв=440 кг. Если при том же α увеличить S2 до 20 кг, Rв возрастает до 880 кг. Такие размеры силы трения недопустимы. Поэтому в практике страховки нельзя иметь столь значительные углы охвата α.
Но и при меньших α резкое зажатие веревки страхующим может вызвать слишком значительные усилия. Так, например, при α=180° и S2=75кг, Rв=425 кг, а следовательно сила натяжения веревки со стороны страхуемого будет:
S1= Rв+ S2=425+75=500 кг.
Приведенные цифры показывают, насколько серьезно нужно относиться к протравливанию веревки через выступ. Опыт показал, что страхующий довольно быстро овладевает техникой плавного протравливания, причем для различных альпинистов сила зажатия веревки колеблется в сравнительно небольших пределах. Особого внимания требует выбор выступа для страховки. Часто страховку приходится организовывать через сложные выступы, когда кроме основного выступа на пути веревки имеются дополнительные точки перегиба (см. рис. 2б). В этих случаях сила трения возрастает, так как фактически увеличивается угол охвата α (из-за наличия вторичных перегибов веревки).
Соответствующими опытами установлено, что при высоте падения до 10 м (для больших высот падения опыты не производились) сила трения веревки о выступ практически не зависит от скорости падающего тела. Она не зависит также от размера выступа и площади соприкосновения веревки с выступом, если сохраняется тот же угол охвата α.
Рис. 4. Зависимость силы трения веревки о выступ Re от угла охвата α при разной степени зажатия веревки страхующим S2.
Изнашиваемость веревки
При протравливании веревки через выступ износу подвергался участок длиной в 2-3 м. Разрыв веревки из сизаля произошел на 24-ом испытании, причем к этому моменту суммарная высота падения груза за 24 испытания достигла 98 м, а работа трения веревки о выступ уже составляла 3840 кг-м при средней силе трения Rв = 100 кг. Льняная веревка дала лучшие результаты: разрыв произошел на 36-ом испытании при суммарной высоте падения в 115 м, суммарной работе трения в 4500 кг-м, при среднем значении Rв = 140 кг. По мере увеличения числа испытаний с одной и той же веревкой поверхность ее сильно изнашивается. К моменту разрыва веревка имеет совершенно истрепанный вид - более половины волокон бывают перетерты.
На основании испытаний, проделанных нашей бригадой, можно сказать, что при правильно организованной страховке и достаточном протравливании нет оснований опасаться быстрого износа веревки или неожиданного ее истирания при страховке через выступ.
Таблица 6.
Величина Rв+Rст определена расчетом по формуле, приведенной в начале настоящего раздела, с подстановкой значений, полученных из опытов.
В силу недостаточной своей прочности для растягивающих усилий веревка станет непригодной для употребления значительно раньше, чем механически износится ее поверхность.
Нормы протравливания
Рассмотрим результаты, полученные при страховке через выступы при различных положениях страхующего и разных высотах падения груза, приведенные в табл. 6.
Все приведенные в таблице данные получены при страховке через сложный выступ, показанный на рис. 2-в, в качестве страхующих были испытаны двое мужчин и одна женщина.
Не имея возможности останавливаться более подробно на анализе приведенных данных, ограничимся краткими выводами:
1. Правильно организованная страховка через выступ — надежный и удобный способ даже при отвесных падениях.
2. Через выступ могут надежно страховать как мужчины, так и женщины.
3. Средняя величина протравливания веревки (при весе страхуемого 80-85 кг) должна быть около 0,5—0,6 м на каждый метр падения. Для такой нормы протравливания на простых выступах с углом охвата в 180° страховка должна производиться через плечо и Rсm не должно превышать 35-40 кг. Угол охвата можно увеличить до 240°, но в этом случае Rcm должно быть не более 20 кг.
4. На сложных выступах угол охвата веревкой основного выступа не должен превышать 180°. В этом случае может быть применена страховка через плечо или двумя руками.
5. Практически страхующий для протравливания имеет не более 4—5 м веревки, то есть высота падения соответственно не может быть более 8 м. Следовательно, выдача веревки при подъеме страхуемого по линии падения воды не должна превышать 4 м.
Б. Страховка через плечо и поясницу
Страховка с помощью корпуса самого страхующего очень широко распространена в альпинизме. В любом месте, где представляется возможность найти хороший упор для ног, альпинисты стремятся прибегнуть к страховке через плечо.
Если движение происходит по скалам, то обычно страховка через плечо или поясницу осуществляется с какой-нибудь площадки, карниза, гребня. Поэтому при отвесных падениях веревка, идущая к страхующему, большей частью касается края площадки, карниза или гребня, и фактически страховка через плечо (поясницу) превращается в комбинированный способ страховки (плечо— выступ, поясница—выступ) с малым углом охвата выступа (края площадки, карниза, гребня) веревкой.
Были проведены следующие испытания:
1. Страховка стоя, через плечо: с упором плеча в скалу и без упора, при натянутой и ослабленной веревке самостраховки, при страхующих мужчинах и женщинах.
2. Страховка сидя, через поясницу при страхующем мужчине и женщине.
Страховки стоя (через плечо) при ослабленной веревке самостраховки
В этих условиях в момент удара страхующий имел возможность значительно податься корпусом в направлении рывка, что должно было смягчить удар и частично скомпенсировать работу падения.
Опыты производились с наиболее тренированным «страхующим» из состава бригады, который сохранял при страховке устойчивость и давал относительно ровные показания.
Схема эксперимента показана на рис. 5, а результаты сведены в табл. 7.
Таблица 7. Охранение стоя (через плечо) при ненатянутой веревке самостраховки.
Вес груза Р — 75 кг. Страхующий — тренированный мужчина.
Рассматривая приведенные данные, можно сказать следующее:
1. Судя по показаниям динамометра 2, сила динамического удара не зависит от высоты падения груза, если соответствующим образом увеличивается длина протравливания.
2. Из разницы в показаниях динамометра 2 и расчетной величины Rсум видно, что при малых высотах падения (1—2 м) работа за счет корпуса страхующего сказывается довольно значительно, уменьшая соответственно длину протравливания.
3. По мере увеличения высоты падения средняя длина протравливания на 1 м высоты падения возрастает с 0,4 м при Н = 1 м до 0,6 при Н = 4—5 м.
4. Для хорошо тренированного страхующего сохранялась устойчивая стойка при ударе, не превышающем 120 кг. Усилие, которое при этом испытывал страхуемый, составляло 180—200 кг. Эта величина может возрасти, если увеличится угол охвата края площадки веревкой.
5. Сорт применяемой веревки, по-видимому, существенного значения не имеет.
Страховка при натянутой веревке самостраховки
При страховке через плечо на отвесных скальных участках альпинист невольно стремится к тому, чтобы веревка для самостраховки была натянута получше, — это кажется ему гарантией устойчивости. Наши опыты показали несостоятельность такого представления. Корпус страхующего, будучи жестко прикреплен натянутой веревкой самостраховки к крюку, не имеет возможности податься вперед в направлении удара. Это приводит к резкому возрастанию усилия, срыву страхующего, повивающего на веревке самостраховки. В одном из испытаний страхующего рвануло вперед с такой силой (динамометр 2 показывал 235 кг), что произошел разрыв самостраховки, сделанной из нового 8-мм репшнура (разрывное усилие для которого равно 600 кг)
Были проведены также опыты с постепенным расслаблением самостраховки, сначала на 25 см, а потом до предоставления корпусу полной свободы. Когда «слабина» достигала 60—70 см и страхующий мог свободно сгибать корпус, он сохранял устойчивость и давал ровное протравливание веревке.
Страховка стоя, с упором в скалу
Такой прием часто рекомендуется «для увеличения устойчивости». Испытания опровергли это, так как из-за «жесткости» первоначальной стойки удар получался более резким и сильным, страхующий при всех опытах терял устойчивость, не говоря уже о том, что его отрывало от скалы.
Страховка стоя (через плечо), страхующая - женщина
Было проведено несколько опытов с двумя женщинами при падении груза только на 1 м. Из семи опытов только в одном женщина сохранила устойчивость, во всех остальных она повисала на веревке самостраховки.
Массовые испытания приема страховки через плечо
Желая выработать средние нормы протравливания, бригада организовала массовый эксперимент, к которому удалось привлечь восемь человек: трех участников бригады, пятерых инструкторов школы Адыл-су. Исполнять роль страхующего рискнули только наиболее сильные и тренированные альпинисты, в то время как остальная масса инструкторов уклонилась от участия в эксперименте.
Результаты испытаний:
1. Из восьми страхующих устойчивость сохранили только трое, двое из которых — члены бригады, постоянно участвовавшие в страховке через плечо.
Из тринадцати испытаний, проведенных с остальными пятью инструкторами, было девять срывов с повисанием на веревке самостраховки, т. е. 70% стоек оказались неустойчивыми.
2. Величина протравливания у различных страхующих при высоте падения Н=1 м колебалась от 0,12 до 1,5 м, т. е. в двенадцать раз.
3. Большинство инструкторов, несмотря на одетую ими дополнительно мягкую одежду и кожаные рукавицы, не пожелало страховать при Н больше 1 м, ссылаясь на болезненные явления и ошеломляющее действие удара.
Вывод напрашивается сам собой. Если даже наиболее сильные альпинисты, инструктора при идеальных условиях страховки (большая, удобная площадка, хорошие упоры для ног, мягкая одежда, полная надежность самостраховки), подготовленные к восприятию удара, даже при падении груза на 1 м, как правило, оказываются не в состоянии сохранить устойчивость, то рекомендовать эти приемы для широких масс альпинистов (иначе, как верхнюю страховку) совершенно недопустимо.
Страховка сидя (через поясницу)
Этот прием употребляется довольно редко, поскольку он требует большой удобной площадки, хорошего упора для ног, что практически встречается не часто. Однако страховка сидя, через поясницу, по сравнению со страховкой стоя, через плечо, обладает тем преимуществом, что в сидячем положении опрокидывающий момент удара сводится к нулю и страхующий приобретает значительную устойчивость.
Произведенные испытания (с мужчиной и женщиной) позволяют установить следующее:
1. Экспериментальные данные по протравливанию для каждого из страхующих в различных опытах колеблются в сравнительно небольших пределах. Полученная величина Rcyм во всех опытах почти совпадает с расчетной. Это говорит о том, что работа за счет корпуса страхующего незначительна, а следовательно, расчетную силу трения Rсум приближенно можно принять за действительную. Для мужчины Rcyм= 145—150 кг, для женщины—125—130 кг.
2. Длина протравливания h почти в два раза больше чем при плечевой страховке (для того же страхующего), hcp по мере увеличения Н почти не возрастает и может быть принята для мужчины в 1,1 м, для женщины в 1,5 м.
3. Показания динамометра 2 для обоих страхующих колебались от 200 до 300 кг.
4. Ни в одном из опытов ни разу не нарушалась устойчивость страхующего.
Из всего изложенного можно сделать вывод: положение страхующего сидя, при хорошем упоре для ног, нужно признать безусловно устойчивым. Однако нормы протравливания, полученные в проделанных опытах, настолько значительны, что пользоваться этим приемом для страховки снизу практически не представляется возможным. Тем не менее этот вопрос, нам кажется, нельзя считать окончательно разрешенным. Учитывая спокойные условия страховки, можно предположить, что при некоторой тренировке окажется возможным снизить норму протравливания.
Как верхняя страховка этот прием безусловно приемлем.
В.Страховка через крюк
Страховка через крюк считается наиболее надежным способом, особенно при движении по отвесным скалам. По характеру выполняемой работы крюки могут подвергаться статическим и динамическим нагрузкам.
Бригада ЦНИИФК ставила себе целью проверить прочность забивки крюка в трещину, надежность страховки через крюк и длину протравливания при страховке через крюк и плечо.
Прочность забивки крюка
Были испытаны продольные и поперечные крюки и овальные карабины. Крюки забивались в продольные, поперечные и наклонные трещины, под разными углами по отношению к направлению рывка.
Проделанные опыты привели нас к следующим выводам:
1. Правильно забитый крюк в пределах прочности веревки выдерживает динамическую нагрузку. При жестко закрепленном конце неизменно рвется веревка, но крюк остается устойчивым.
2. Испытания подтвердили, что крюк, забитый в трещину не до бородки, сидит непрочно и большей частью при рывке из трещины вылетает.
3. Недопустимо забивать крюки таким образом, чтобы направление рывка совпадало с осью крюка.
4. Карабины с хорошо пригнанными замками хорошо выдерживали динамическую нагрузку. Карабины с плохими замками разгибались.
Небезынтересны некоторые расчетные результаты, полученные бригадой для крюков и карабинов.
Определено срезывающее усилие для поперечного крюка (с площадью опасного сечения в 75 мм2), забитого в трещину до бородки. Оно выражается в 2000 кг, составляя шестикратный запас прочности относительно динамического усилия, возникающего при страховке через крюк.
Для крюка, забитого не до бородки, например, с расстоянием от края трещины до центра кольца в 30 мм, усилие, вызывающее изгиб крюка, будет всего лишь 45 кг.
Найдено разрывающее усилие для карабина с диаметром прутковой стали в 10 мм при хорошо пригнанном замке. Оно выражается в 6300 кг, имея значительный запас прочности.
Совсем другая картина получается при открытом замке. B этом случае карабин будет подвергаться изгибу, причем усилие, приводящее к деформации карабина, составляет всего лишь 130 кг.
Надежность страховки и нормы протравливания
Крюк при страховке имеет двоякое значение: во-первых, за счет трения веревки о карабин компенсируется часть работы падения; во-вторых, изменяется направление рывка (вместо рывка вниз следует рывок вверх или вбок), что делает положение страхующего устойчивым, предохраняя его от срыва с площадки.
Страховка через плечо и крюк также требует тщательной тренировки, уменья протравить надлежащую длину веревки. Нужно следить и за тем, чтобы до карабина было достаточное расстояние (иначе в момент рывка кисть руки может оказаться затащенной в карабин).
Кроме комбинированной страховки плечо — крюк, на практике чаще приходится иметь дело с тройной комбинацией плечо — крюк — выступ, ибо веревка по пути к страхующему обычно имеет перегиб на каком-либо выступе или крае площадки. Экспериментальные испытания были поставлены именно таким образом.
При обработке опытного материала подсчитывалась только суммарная сила трения: плечо — карабин — выступ. Следует помнить, что при страховке только через плечо — карабин величина протравливания должна возрасти. В табл. 8 приведена часть опытного материала.
Рассмотрение опытного материала привело нас к следующим заключениям:
Таблица 8. Страховка через плечо—карабин—выступ
Вес груза 75 кг. Веревка из сизаля. На страхующем штормовой костюм и кожаные рукавицы.
|
№ опытов
|
Высота падения Н в м
|
Длина протравливания веревки h в м
|
Средняя длина протравливания на 1 м падения hср в м
|
Показания динамометра в кг
|
Расчетная величина Rсум в кг
|
Примечания
|
|
1
|
1
|
0,08
|
0,08
|
320
|
1000
|
Страхующий стоит устойчиво
|
|
2
|
2
|
0,40
|
0,20
|
305
|
450
|
Страхующий стоит устойчиво
|
|
3
|
2
|
0,42
|
0,21
|
345
|
433
|
Страхующий стоит устойчиво
|
|
4
|
4
|
0,70
|
0,18
|
325
|
500
|
Страхующий стоит устойчиво
|
|
5
|
4
|
0,70
|
0,18
|
370
|
500
|
Страхующий стоит устойчиво
|
|
6
|
6
|
0,95
|
0,16
|
380
|
550
|
Веревка лопнула в карабине
|
|
7
|
6
|
0,95
|
0,16
|
380
|
550
|
Новая веревка
|
1. Значительная разница между расчетным Rсум и показаниями динамометра убеждает, что, помимо трения веревки о плечо—карабин— выступ, заметную роль в компенсации работы падения играют и другие обстоятельства. Такими компенсаторами могут являться упругое и остаточное удлинение веревки, которые при нагрузке в 350—380 кг делаются уже заметными, а также и деформации корпуса страхующего.
2. Нужно помнить, что слишком сильное зажатие веревки страхующим может легко привести к слишком значительному натяжению веревки по другую сторону карабина. Это тем более опасно, что в карабине весьма невыгодно действует срезывающее усилие, которому веревка сопротивляется слабо.
3. Средняя норма протравливания на 1 м падения при системе страховки плечо — карабин — крюк должна быть не менее 0,25 м.
Бригада не проверяла страховки через несколько крюков, хотя анализ работы веревки в этих условиях показывает, что здесь таится много опасных моментов. Большое количество перегибов веревки может вызвать у последних карабинов слишком большое усилие, опасное для веревки. В качестве примера можно привести один очень характерный несчастный случай, описание которого взято нами из статистики несчастных случаев одного из иностранных клубов:
«Курт Рейфшнейдер при подъеме на Расскупелькант поскользнулся и упал. Веревка, проходившая через 6 карабинов, лопнула, причем страхующий даже не почувствовал (?!) рывка».
Кроме того, при большом числе крюков легче может произойти заклинивание веревки.
Мы считаем нецелесообразным забивать между страхующим и страхуемым большое число крюков. Всего надежнее, если число крюков будет не более двух-трех. Кроме того, нужно чтобы они были расположены по одной прямой, либо по кривой, обращенной вогнутостью вниз. Все это необходимо для того, чтобы веревка свободно проходила в карабине, не заклиниваясь.
Чем больше точек трения и перегибов на пути веревки, тем плавнее и с меньшим усилием должен протравливать веревку страхующий.
Пытаясь установить, какая же доля работы падения компенсируется в карабине, на страхующем и на выступах, мы проделали соответствующий подсчет при следующих заданных условиях: суммарная сила трения 375 кг, угол охвата веревкой карабина α1 = 120°, коэффициент трения веревка — карабин μ1 =0,4; угол охвата веревкой выступа α2 =30°, коэффициент трения μ 2 =0,6.
В результате расчета, произведенного с использованием формулы Эйлера, получилось следующее распределение усилий:
На выступ. . . .102 кг или 27%
На карабин . . .154 кг или 41%
На корпус страхующего. .119 кг или 32%
375 кг или 100 кг
Следует указать, что вследствие деформации корпуса страхующего рывок, приходящийся на его долю, будет фактически несколько меньше указанного.
Нужно признать, что при правильно забитом крюке этот способ страховки вполне надежен, но требует от страхующего понимания сущности приема и умения оценивать опасные моменты, связанные со сложностью этой комбинированной страховки.
