Фактор рывка
или
Почему ломаются стальные карабины

В этой статье я рассмотрю такую проблему в промальпе как фактор рывка или фактор падения. Так же здесь объясню, что такое динамическая нагрузка.

Вот, к примеру, работка по обеспыливанию ферм. Как обычно её делают. Два длинных уса, пристегнулся к одной укосине, дошел до второй, пристегнулся на нее…. И так весь день бегает человек по ферме. А ус страховочный обычно в ногах болтается. «Не, ну а что с ним будет? Веревка две тонны держит, я пристегнут. Куда я денусь!»

И ничего человеку не доказать. Так как эта мнимая безопасность ему привычная, а в физике процесса срыва ему лениво разбираться.(ссылка на первоисточник статьи https://omega-alp.ru)

А вот если разобраться, выяснятся очень интересные подробности. Забегу вперед и опишу Вам три наиболее вероятных варианта.

1. При срыве обрываются страховочные усы, и самоуверенный профессионал летит вниз на встречу со своей судьбой
2. Усы не обрываются, но тело альпиниста получает повреждения очень сильные, возможно смертельные (не зря же пецль череп с костями в инструкциях рисует).
3. Ничего страшного кроме испуга не происходит (но это маловероятно, так как все забивают на фактор рывка).

Снаряжение одинаковое, а исход разный. Давайте разбираться почему.
Везде упоминается фактор рывка, он же фактор падения. Что это такое? Это отношение глубины падения к длине страховочной линии.

F падения =глубина падения/длина страховки

И не важно, на какую глубину падает человек. Главное, чтобы это отношение было меньше 1. Падение на полметра может быть опаснее падения на 50 метров. Парадокс? А вот и нет.
Проблема кроется в кинетической энергии и её поглощении.

Кинетическая энергия – это энергия движущегося тела. Чем быстрее тело движется – тем больше в нем этой энергии. А если тело падает – то оно скорость набирает. С каждым мгновением нашего падения мы движемся к земле всё быстрее и быстрее.(ссылка на первоисточник статьи https://omega-alp.ru)Парашютисты даже скорости звука достигают.

Набор скорости измеряется ускорением. Ускорение свободного падения равно 9.8 м/с2. То есть через 1 секунду свободного падения скорость наша станет примерно 10 метров в секунду, через 2 секунды – 20 метров в секунду и так далее. А вес наш условно можно принять как 100 кг, у кого-то может быть больше. Представляете, какого Вам будет если в Вас прилетят со скоростью 10 метров в секунду 100 килограмм? Метры в секунду можно перевести в километры в час для наглядности. 36 км/ч получается. Очень даже не слабо.

Пример для тех, кто любит утверждать что «веревка держит 2 тонны, а я всего 70 кг вешу. Что с ней будет?» Пуля весит 9 граммов, и если эту пулю положить на Вашу голову, то ничего с Вашим черепом не случиться. А если выстрелить этой же пулей в эту же голову…

Всё зависит от скорости, а падая, мы эту скорость набираем и накапливаем энергию. Много энергии. Эта накопленная энергия при резкой остановке об асфальт вся приходиться в наше тело и разрушает его, разбивает.

Энергия никуда исчезнуть не может. Ей необходимо куда-то потратиться. Вот и тратится она на нагрев, разрушение, преодоление расстояния, деформацию…

Что делать? Как решить эту проблему? Очень просто. Нужно что-то, что эту накопленную энергию поглотит. Поэтому в альпинизме, скалолазании, спелеологии вместо надежного и прочного троса используется веревка, которая гораздо тяжелее, чем стальной тросик, и менее прочная. Режется она в одно касание нагруженная, но веревка имеет свойство тянуться, как пружина. Чем сильнее её растягиваешь, тем больше усилий прикладываешь, больше работы совершаешь, больше затрачиваешь энергии.(ссылка на первоисточник статьи https://omega-alp.ru)

При падении энергия кинетическая, которая накопилась в теле альпиниста, переходит в энергию потенциальную (сжатой или растянутой пружины, в нашем случае веревки) и скорость падения плавно гаситься.

Чем длиннее веревка – тем более она энергоемкая. Тем больше она поглотит кинетической энергии. Вот Вам и объяснение парадокса фактора рывка. Но есть одно но.

Все эти факторы высчитаны для веревки динамической. Она имеет свойство растягиваться примерно на 20%. То есть очень энергоемкая она. Используется эта веревка в скалолазании и спортивном альпинизме.

А веревка статическая, которая используется в промальпе или спелеологии, тянется на 5% примерно. То есть статика в 4 раза менее энергоёмкая, чем динамика.

А стальной трос не тянется вообще, его энергоемкость равна 0. Кевлар имеет свойства стального троса, не тянется.

Текстильная стропа тянется очень незначительно и не сразу. В момент динамического удара она по свойствам близка к стальному тросу. Под статическим весом она немного растянется, а в момент удара – нет.

Я к чему. Усы из динамической веревки поглощают энергию падения, а усы из статической веревки или стропа – нет. Падение с высоты полметра на старый ус из статики или еще хуже стропы равносильно падению на асфальт с этой же высоты.

А если мы возьмем и пристегнемся к вертикальной или наклонной трубе и залезем так что страховка натянется и сорвемся от туда, выдержит ли сталь карабина?

Давайте считать. Цифры, они нагляднее будут.

Формула кинетической энергии выглядит так

Ekin=(m*V*V)/2,

Где
Ekin – собственно энергия,
m – масса альпиниста,
V – скорость альпиниста в конце падения

Будем считать, что масса равна 100 килограмм. Осталась скорость. Скорость считается так.

V =sqrt (2*g*h),

Где
V – скорость альпиниста в конце падения,
g - ускорение свободного падения,
h – глубина падения,
sqrt – корень квадратный.

Высоту возьмем 1 метр, g округлим до 10. Получим скорость в конце падения 4.47 м/с
Считаем энергию по формуле и получаем 999 Дж.

Это много или мало? Дульная энергия пули при выстреле из АК47 равна 2018 Дж. То есть на нас и наше снаряжение воздействует половина от выстрела калибром 7.62!!!

Будем считать что ус у нас из статики которая тянется на 5% и фактор падения возьмем 2. Карабин в ногах. Как ни печально, но это среднее по больнице.(ссылка на первоисточник статьи https://omega-alp.ru)

Длина уса равна 0,5 метра, так как мы пролетаем две его длины.

Ус, растягиваясь, выполняет работу, поглощает энергию падения. Значит работа А равна 999 Джоулей.

Формула работы выглядит так.

A=F*s,

где
F - сила, нагрузка, а s – расстояние на котором мы эту силу прилагаем.

Грубо говоря, s- это длина растяжения уса. 5% от 0,5 метра это 0,025метра или 2,5 сантиметра (Вы еще попробуйте свой старый статический ус растянуть на 2-3 сантиметра)))

F=A/s

999/0.025=39960 ньютонов=39,960 килоньютонов.

Я не знаю, выдержит ли Ваше тело такой удар, а вот карабин стальной точно нет. И веревка, из которой сделан страховочный ус, что держит 2,5 тонны, порвется. Ведь она рассчитана всего на 25 килоньютонов. Ситуация №1.

Смотрим при таких же условиях фактор 1. Карабин на уровне пояса. Глубина падения здесь будет 0,5 метра.

Считаем скорость, получаем 3,16 м/с

Считаем энергию, получаем 499,28 Джоулей. Сильнее чем бьет Тайсон!

Считаем нагрузку, получаем 19,971 Килоньютонов. Почти на грани прочности веревки. А если учесть, что каждый узел по 50% от заявленной прочности забирает, а у нас их два. Скорее всего, опять будет ситуация №1, или, если повезет обо что-нибудь затормозить, №2.

При натянутом усе над головой кинетической энергии мы не накапливаем, скорости нет, нет глубины падения. Фактор 0. Последствия здесь – ситуация №3. Максимум испуг.

Ус стараемся держать повыше. Фактор блюдем меньше 1 – максимум сломанные ребра.

Напомню, что ситуация рассматривается для усов из статической веревки и среднего раздолбайства по больнице.(ссылка на первоисточник статьи https://omega-alp.ru)

А самая невероятная ситуация происходит когда в анкерную точку альпинист встёгивается не усом, а карабином напрямую к обвязке. Здесь падение на глубину 10 сантиметров может разрушить этот карабин или анкерную точку. Расстояние S стремиться к нулю, следовательно, нагрузка F начинает стремиться к бесконечности. Ничего не попишешь против математики. Делать так категорически запрещено!

Это все очень грубо описано. Так как амортизирует еще само тело, мышцы немного сминаются, часть энергии уходит на затяжку узлов (именно по этому их положено периодически развязывать). Но, надеюсь , масштаб проблемы Вам понятен. Эта мнимая страховка, что болтается у Вас в ногах, в конце концов, Вас убьет. Вопрос удачи, а не профессионализма.

Страховка должна быть всегда встегнута выше Вашей головы, а фактор рывка близок к нулю. Так мы минимизируем кинетическую энергию срыва.

Из-за недостаточной энергоемкости запрещено использовать для страховочных усов стропы и статическую веревку. Допускается только веревка динамическая. А лучше и амортизатор еще к ней добавить.

Амортизаторы рывка именно для решения описанной проблемы созданы. Они бывают разрывные или фрикционные. С их помощью повышается энергоемкость страховочной линии и увеличивается расстояние приложения нагрузки. Работа по поглощению остается той же, а нагрузка на альпиниста и снаряжение значительно уменьшается.

Разрывной амортизатор состоит из прошитой пополам стропы. При срыве нитки разрываются и амортизатор раскрывается. Был 20 сантиметров – стал 40 сантиметров. Никакая веревка так не растянется.

Фрикционный амортизатор работает иначе. Избыток энергии тратится на продергивание веревки через отверстия, в которые она заправлена. Работа по преодолению силы трения. В таких устройствах необходимо оставлять довольно существенный свободный конец, который и будет продергиваться. Опять расстояние S увеличивается, а нагрузка F уменьшается. Работа А остается прежней.

Это все при работе на фермах и металлоконструкциях. А в висе на веревке как? Там все проще и сложнее одновременно.

В поглощении энергии падения участвует вся страховочная линия. И чем больше над Вами веревки, чем дальше вы от точки закрепления – тем безопаснее. Но есть один нюанс.

Ничего в нашем мире не происходит мгновенно. На все нужно время. И при срыве ударная нагрузка какую-то долю секунды во всей своей полноте воздействует на Ваше страховочное устройство, а страховочное устройство воздействует на веревку в той точке, где оно её касается.(ссылка на первоисточник статьи https://omega-alp.ru)

Пока волна деформаций не распространится по всей длине страховочной линии, в этой точке происходит преобразование энергии кинетической в энергию тепловую. Нагрев в этой точке происходит, и порою, очень сильный. Капля, к примеру, при большом факторе рывка не рвет веревку, она ее переплавляет, как горячим ножом.

Согласно логике физических процессов в поглощении энергии срыва участвует вся страховочная линия. И, казалось бы, логично и правильно не обращать внимания на положение страховочного устройства. В ногах оно или выше головы… Фактор падения для всей цепи стремится к нулю. Но именно скорость распространения деформаций вносит свои пять копеек в физику процесса.

Может сложиться такая ситуация, что страховочная веревка не успеет поглотить всю кинетическую энергию срыва до того момента как металл страховочного устройства нагреется до 110-130 градусов.

Это не много. Подержи гвоздь на зажигалке пару секунд и получишь температуру гораздо большую. Но этой температуры достаточно чтобы начал плавиться полимер, из которого изготовлена веревка. Плюс воздействие нагрузки. Получаем «разрыв» страховочной веревки, хотя, по сути, там не разрыв, а переплавление.

Поэтому есть такое понятие как локальный фактор рывка или падения. Тот же самый принцип расчета. Только страховка крепиться не к анкерной точке или опоре, а к страховочной веревке.

Что делать? Принцип тот же. Минимизируем локальный фактор рывка и держим страховку всегда в натяг, в районе головы, за плечом. Всегда используем амортизатор рывка.

Теперь о самом неприятном. О деньгах.

После срыва с фактором близким к 1 и более положено уничтожить все элементы снаряжения, которые участвовали в погашении этого срыва. А это обвязка, веревка, страховочное устройство, ус или амортизатор рывка, два карабина.(ссылка на первоисточник статьи https://omega-alp.ru)

Подержанные жигули по стоимости, как минимум. Кто ж на такое расточительство пойдет… А надо.

Ведь значения нагрузки, которые мы рассчитали в начале статьи, очень велики. И никто не сможет Вам гарантировать, что вот в этом карабине нет микротрещин, и он точно выдержит еще одно такое падение. А вот эта обвязка точно не разойдется по швам, после того как этот карабин точно не лопнет от незначительной микротрещинки.)))

Ну не стоит жизнь и смерть подержанного ленд ровера, а уж старых жигулей и подавно. Хотя ... Вам решать, Ваша же жизнь...

Надеюсь, у меня получилось объяснить физику падения, и теперь Вы понимаете, почему существует ряд правил и требований, на которые, к моему сожалению, большинство внимания своего не обращают.

Крепких верёвок желать не буду, они так и так крепкие. Пожелаю ясности в голове и силы воли лишний раз не рисковать. Это правильнее будет.

Назаров Максим

2024г.