Альпинизмом занимаются люди многих профессий. Опыт применения общепринятого снаряжения часто вызывает у спортсменов желание его рационализировать. При недостаточной технической подготовке это иногда не получается. Поэтому повышение уровня понимания механики прикрепления страховочной точки опоры и взаимодействия сил может оказаться небесполезным.
Кроме того, понимание этих элементов полезно и тем альпинистам, которые, не желая заниматься усовершенствованием общепринятого снаряжения, вынуждены им пользоваться.
В этих целях статья дает элементарный анализ основных видов альпинистского снаряжения, от которых главным образом зависит надежность страховки.
Скальный крюк. Закрепление крюка в трещине определяется силами трения клина крюка о стенки трещины. Сила трения зависит от силы защемления (определяемой силами упругости между расклиненными стенками трещины) и от коэффициента трения (определяемого материалом крюка и «материалом» скалы, ее прочностью и шероховатостью). Наиболее надежно сочетание мягкой и вязкой стали крюка с прочными шероховатыми поверхностями трещин в граните или гнейсе. Такой клинок пластичен и следует за изгибами стенок трещины, расстояние между которыми обычно плавно уменьшается в глубь трещины. Деформация клинка в трещине следует не только за продольными изгибами, имеются и поперечные неровности на поверхности трещины, за счет чего клинок не только изгибается, но и скручивается и получает даже некоторый поперечный изгиб (рис. 1). В результате крюк с большей или меньшей надежностью закрепляется в трещине.
Приведенное рассуждение относится к крюкам с клинком плоского сечения при толщине клинка не более 4 – 5 мм. При большей жесткости сечения (большей толщине или при сечении коробчатой формы) и прочности материала клинка надежность закрепления может существенно снизиться.
Однако надежность страховочного крюка зависит не только от надежности его закрепления. Имеет также большое значение система сил, действующих на крюк. Это можно показать на примере обычного вертикального крюка, забитого в трещину с гладкими стенками. Возьмем благоприятный случай: угол клина крюками трещины совпал (рис. 2а). При этом, задавшись некоторым усилием защемления клинка в трещине Т, из схемы размеров крюка и действующих сил получаем предельное усилие, которое может выдержать крюк:
как видно, зависит от отношения a/l, и, чем это отношение меньше, тем лучше «держит» крюк. При большем усилии крюк повернется в плоскости клинка, после чего легко вылетит.
В реальных условиях забивания крюка поверхность прилегания клинка к трещине обычно ограничивается прилегающей к поверхности скалы частью длины клинка l/n – (рис. 26).
Из анализа формулы видно, что допускаемое усилие на крюке уменьшается, например, если; а – 2 см, l = 8 см, то Р1 = Т1/3 – в первом случае, до величины (также для примера при l/n = 4) Р2 = Т1/6.
Теперь рассмотрим схему сил, действующих на крюк в случае, если нижняя точка головки упирается в скалу (рис. 2в). Предельное усилие на крюке Р = Т b/a , причем обычно b>а, т. е. Р>Т. При отношении b/a , близком к 2,5 – 3, характерном для лучших образцов, как следует из сравнения с приведенным выше примером, страховочное усилие за счет упора головки в скалу возрастает в несколько раз. Кроме того, как видно из схемы и что весьма ценно, здесь от протяженности прилегания клинка к поверхности трещины надежность крюка не зависит, ибо величина плеча b не изменяется.
Положительный эффект дает упор головки и в горизонтальных крючьях. Однако здесь дело не в схеме действующих сил, остающихся теми же. Здесь нужно обратить внимание на деформацию корня клинка (рис. 3а) при рывке веревки. Напряжения растяжения в верхних волокнах клинка складываются с напряжениями изгиба, причем необходимо также учесть, что в этом месте кованый крюк обычно имеет некоторое ослабление, связанное с деформациями при ковке (рис. 3б). Если крюк забит так, что нижняя точка головки упирается в скалу, то прочность крюка выше (рис. 3в).
Особо нужно обратить внимание на возможный дефект кованого крюка, показанный да рис. 3б, чего можно избежать, перейдя на конструкцию горизонтального крюка с отогнутым ушком.
Надежность забитого крюка зависит также от величины плеча силы рывка веревки. При уменьшении величины этого плеча (за счет диаметра проушины головки и сечения проушины) есть известные ограничения. В отверстие проушины должен проходить карабин, причем обязательно обеспечение возможности кругового провертывания карабина с муфтой, т. е. отверстие должно быть диаметром не менее 15 мм.
Но и этого недостаточно, ибо крюк может быть забит в неудобном месте, во внутреннем углу. Практически достаточно отверстие, через которое могут пройти два карабина (из прутка диаметром 10 мм), один из которых, кроме того, надо продернуть с муфтой через проушину. Наихудшим вариантом расположения овального отверстия нужно считать горизонтальное (рис. 4а), что приводит к неоправданному увеличению плеча силы рывка.
Удовлетворительное решение может быть получено путем придания отверстию треугольно-овальной формы (рис. 4б), обеспечивающей минимальное плечо силы рывка веревки при достаточно просторном отверстии.
Выбирая сечение ушка, нельзя забывать о том, что крюк используется многократно и при его забивании, особенно при выколачивании ушко подвергается ударам и ослабляется. Поэтому то, что удастся выгадать на весе проушины, обычно теряется (и с большим убытком) на долговечности крюка и может оказаться очень заметным даже на протяжении одного восхождения.
При выборе материала нужно исходить из необходимости обеспечения пластичности клинка и достаточной прочности головки.
При применении титана необходимы различные требования к механическим свойствам клинка и головки.
Целесообразность универсальной головки с двумя перпендикулярными ушками (рис. 5а) пока нельзя считать доказанной. С такой головкой крюк тяжелее, причем срок службы обычно определяется состоянием клинка, а не головки. И в тесных внутренних углах он не всегда удобен, так что в наборе его все равно нужно дополнять вертикальными и горизонтальными крючьями.
Попытка создания универсального крюка была сделана в свое время автором статьи. Этот крюк отличался поворотной серьгой под головкой клинка (рис. 5б) подобно примененной В. М. Абалаковым для ледового крюка. При этой конструкции удалось также значительно снизить плечо действия силы рывка. Крюк показал себя весьма надежным. Однако недостатком оказалась трудность его выколачивания и в связи с этим деформация головки.
Рекомендуемая форма вертикальных и горизонтальных крючьев (рис. 2в и 3б) пригодна в диапазоне толщин (основания клинка) от 3 до 5 – 6 мм. При меньших толщинах, прочность крюка не может быть обеспечена: при забивании головка вертикального крюка «складывается», а горизонтальный крюк имеет слабое место во внутреннем углу, откуда идет разрыв при рывке. При большой толщине клинок плохо следует за неровностями стенок трещины.
Поэтому лепестковые крючья требуют другой формы. Вертикальные крючья должны иметь развитое сечение клинка и утолщенную головку (рис. 6а). Горизонтальные крючья лучше в форме тавра (рис. 6б), хотя это не технологично, но зато прочно. Поскольку таких крючьев не требуется ограниченное количество, с их формой можно мириться.
Для широких трещин пока не придумано ничего лучше коробчатых (швеллерных) крючьев. Их клинок плохо следует за формой трещины, и надежность закрепления достигается за счет больших размеров. Выколачивание таких крючьев – трудная работа. Поэтому изыскание лучшей конструкции крючьев для широких трещин остается актуальным.
Ледовый крюк. Из забиваемых ледовых крючьев при всем их многообразии не оказалось ничего лучше крюка, предложенного в свое время В. М. Абалаковым. Кроме своего основного назначения его использовали с успехом также как скальный. Однако он тяжел (300 г) и не универсален. Забивание его требует сноровки и силы. Поэтому задача усовершенствования ледовых крючьев остается актуальной при условии удовлетворения следующих требований: надежность, универсальность, небольшой вес, легкость установки и снятия.
Штопорный крюк (рис. 7а) легок и более универсален. Однако его надежность ниже абалаковского. Крепкий натечный лед также иногда трескается под этим крюком. Главным же недостатком штопорного крюка является его нетехнологичность. Дело в том, что качественный штопор должен иметь постепенно уменьшающееся, к концу сечение винта. Только при такой форме штопорный крюк равнопрочен при установке во льду и легко входит в лед.
Ледобурный трубчатый крюк (рис. 7б) в отличие от забиваемых и даже от штопорного при установке (ввинчивании) не раскалывает лед, а вырезает в нем винтовое отверстие, не создавая во льду напряжений. По этой причине крюк универсален без ограничений: он пригоден и для натечного льда, и в слабом глетчерном льду (благодаря развитой площади опоры). В связи с этим же и установка крюка не требует больших усилий. Однако для получения описанного эффекта должна крыть обеспечена особая форма заборной части (рис. 7б). Она отличается тем, что за режущей кромкой должна быть затылованная поверхность с углом спирали больше угла спирали резьбы винтового витка. (Распространенная ошибка – снижение заднего угла сразу за режущей кромкой ниже угла спирали.) Кроме этого желательно равномерно разделить снимаемую ледовую стружку между обоими режущими зубьями.
Если заборная часть выполнена правильно, то крюк идет в лед от руки. Для этого также необходимо, чтобы толщина трубки не превышала 1,75 мм, что требует для обеспечения прочности применения легированной стали с закалкой и отпуском.
Изображенный на рис. 7б крюк весит 150 г.
Замена легированной стали на легкие сплавы большого эффекта не дает: при увеличении толщины трубки выигрыш в весе снижается, а крюк хуже идет в лед. Нужно обратить внимание на то, что серьга головки не для страховки: карабин должен быть надет на трубку между щеками серьги, иначе снижается и прочность крюка (серьга слабее), и прочность крепления его во льду (за счет проворота крюка).
Карабин. Треугольная форма карабина, предложенная также в свое время В. М. Абалаковым, оказалась удачной и до настоящего времени удовлетворяет всем требованиям альпинистов. Необходимая прочность достигается за счет ограниченного радиуса двух главных загибов (что уменьшает плечо момента изгиба гипотенузы главной скобы), а также достаточного угла и формы загиба катета главной скобы, что должно при рывке обеспечивать соскальзывание веревки (или крюка, или другого карабина) по загибу во внутренний угол.
Строго говоря, загиб катета должен иметь форму Архимедовой спирали, чтобы в любой точке внутренней кривой загиба касательная имела постоянный угол λ с радиусом, идущим от центра вращения крюка на опоре в противоположном загибе скобы (рис. 8а).
Угол λ зависит от коэффициента трения веревки (или крюка) о карабин, и в первую очередь насколько гладкая поверхность карабина в этом месте. Практически угол λ должен быть не менее 20°, а Архимедову спираль заменяют дугой окружности.
Для сложных восхождений необходимы карабины полегче и более подходящей для этих целей формы. Облегчение достигается за счет легких сплавов. Применение алюминиевых сплавов в связи с получившим уже широкое распространение титаном можно считать пройденным этапом.
При изыскании рациональной формы нужно учесть, что при сложных восхождениях пропускают через карабин одновременно не одну веревку. Треугольная форма при работе защелкой дает достаточное место у катета скобы, но под защелкой вторая веревка уже не проходит (рис. 8б). По этой причине преимущество имеет трапециевидная форма карабина (рис. 8в).
Некоторое значение имеет возможность работы защелкой на нагруженном крюке. При прямолинейной форме гипотенузы главной скобы под нагрузкой скоба расходится (на величину ∆С, рис. 9а), ее трудно отщелкнуть и еще труднее потом защелкнуть. После хорошего рывка защелка также обычно портится.
При вогнутой скобе можно избавиться от этого – недостатка, варьируя величиной вогнутости (рис. 9б). Однако вогнутая форма дает меньшую вместимость карабина. Поэтому следует комбинировать некоторую вогнутость с достаточным зазором в замке защелки, компенсирующим деформацию скобы. Для компенсации деформации скобы под весом альпиниста (до 100 кг) можно обойтись и без вогнутости скобы, только за счет зазора в замке защелки.
Нужно отметить, что в вогнутом карабине при рывке защелка разгружена, что также дает определенные преимущества в прочности и безотказности.
Замок защелки не должен иметь острых краев, рвущих оплетку веревки и ранящих пальцы.
Необходимость предохранительной муфты в поясном карабине сомнений не вызывает. В то же время необходимость муфты на карабинах, находящихся в «работе» на крючьях, следует считать спорной. Быстрота прохождения сложного и опасного участка – это залог той же безопасности, а карабин без муфты удобнее. Если он, кроме того, не имеет и нарезки на защелке, задевающей веревку, крючья и пальцы, то это служит дополнительным преимуществом.
Наверное, полноценным универсальным решением будет предохранительное устройство, расположенное внутри защелки, не нарушающее монотонности сечения карабина на всем его обороте, или хотя бы съемная муфта, не требующая зазубрин на защелке. Однако пока подобие конструкции в известных вариантах не прижились.
Ледоруб (айсбайль). Слабым местом ледоруба, обнаруживающимся при рубке льда или при страховке в ледовых трещинах, является сечение древка по последней заклепке головки. При страховке в рыхлом снегу ледоруб служит недостаточно прочной опорой на случай рывка, причем здесь большое значение имеет длина ледоруба. Исходя из этого соображения прежде всего следует осудить применение айсбайлей и ледорубов с укороченным древком для страховки на снегу. Требования к ледорубу (айсбайлю) с точки зрения страховки на снегу можно сформулировать так:
а) длина не менее 650 – 750 мм (в зависимости от роста и веса партнеров по связке);
б) закрепление головки без ослабления древка;
в) отверстие в головке Ø 15 для пропуска страховочного карабина.
В качестве примера возможного конструктивного решения приводится описание айсбайля автора (рис. 10), уличающегося конусным креплением головки со сквозной стяжкой. Такая схема позволяет избегнуть ослабления древка в месте присоединения его к головке и к штычку). Попутно получаются еще некоторые преимущества: простота ремонта за счет легкой замены деталей, возможность замены древка на короткую рукоятку для превращения айсбайля в молоток на скальном участке маршрута, производственная технологичность за счет устранения операции совместной обработки усов головки с древком после приклепки.
При страховке на снегу через отверстие в головке продевается страховочный карабин, айсбайль забивается в снег полностью вместе с головкой, на клюв страхующий наступает ногой (еще надежнее кошкой), веревка протравливается через карабин.
По такому же принципу может быть сделан и ледоруб, который будет отличаться лишь головкой; остальные детали могут быть унифицированы.
Однако следует предвидеть окончательное отмирание функций лопатки у ледоруба. Рубка ступеней в плотном снегу уже давно не применяется в связи с усовершенствованием конструкции кошек и техники передвижения на них. На ледовых маршрутах также в основном используется клюв, и в зачистке ступеней или лоханок лопаткой при передвижении на кошках при нынешнем спортивном уровне нужды в лопатке нет. При самозадержании на снегу достаточно пользоваться клювом (на плотном снегу) или древком (на рыхлом снегу). Поэтому в перспективе нужно рассчитывать на переход с ледорубов на айсбайли (разумеется, в предлагаемом варианте с достаточно длинными древками).
