Динамика спуска

Как уже нами говорилось, спуск по линейным опорам (синтетическим канатам, а в некоторых случаях и по стальным тросам) осуществляется при помощи фрикционных спусковых устройств, использующих силу трения скольжения линейной опоры по устройству. Для равномерного движения необходимо, чтобы нагрузка была уравновешена силой трения. Последняя зависит от скорости движения по линейной опоре, коэффициента трения и нормальной нагрузки, а так же величины поверхности соприкосновения веревки со спусковым устройством (величины угла охвата). Эта величина, а так же сила натяжения нижнего конца линейной опоры в значительной мере может регулироваться выполняющим спуск верхолазом-канатчиком.

Для оценки работы используемого в качестве линейной опоры синтетического каната (веревки) при спуске можно пренебречь растяжением веревки при отвесах менее 20 метров, и наоборот, при работе на больших отвесах необходимо принимать во внимание упругое растяжение и сокращение веревки. При жестком закреплении веревки во фрикционном спусковом устройстве (ФСУ) верхолаз-канатчик при торможении может совершить несколько быстро затухающих колебаний и остановиться. Если же в момент колебаний продолжить спуск, то в верхней мертвой точке сила инерции движения верхолаза-канатчика (за счет упругих сил линейной опоры) может оказаться большей или равной весу тела, сила трения резко уменьшится и тело верхолаза-канатчика самопроизвольно начнет двигаться вниз, в то время, как веревка под действием упругих сил будет протравливаться вверх, при этом скорость движения возрастает. С увеличением скорости движения веревка не будет успевать огибать детали ФСУ, тем самым сила трения возрастет и ФСУ перестанет скользить по веревке, т.е. перестает пропускать веревку. За этим снова последует растягивание веревки и проскальзывание ее в ФСУ. Тем самым при постоянной силе веса верхолаза-канатчика и неизменном угле охвата веревкой деталей ФСУ, под действием сил инерции и упругих сил веревки возникают автоколебания линейной опоры с частотой близкой к собственной частоте системы тело - упругая подвеска. Подобные колебания - "проскальзывания" - наблюдаются при величине отвеса более 30 - 40 метров и могут быть опасны при глубинах 100 и более метров, так как даже при величине относительной линейной деформации около 2% (при H = 100 м) провис веревки составит 2 метра и свободное падение будет чередоваться с резкими рывками при остановках. Это грозит оплавлением и перетиранием веревки, ослаблением места закрепления линейной опоры - ее расшатывания из-за действия знакопеременной нагрузки.

Ряд исследований по динамике спуска в середине 70-х, начале 80-х годов производился различными альпинистскими и спелеосекциями. Наиболее полно результаты этих исследований были обобщены С.И.Голубевым, А.П.Ефремовым и др. в 1981 году [8]. Из этой работы следует: при движении верхолаза-канатчика по линейной опоре с некоторой скоростью (V) силы инерции должны быть уравновешены разностью сил массы человека и сил трения линейной опоры о ФСУ. Натяжение линейной опоры (T) складывается из натяжения свободного конца веревки (S), которое может быть осуществлено рукой верхолаза-канатчика и силы трения: T = S + F_тр. Разность T - S и есть общая сила трения, развиваемая при скольжении линейной опоры вдоль ФСУ. Поскольку линейная опора (веревка, в меньшей степени стальной трос) не идеальная недеформируемая нить, то следует учесть наличие сил трения покоя (при начале движения) и сил сопротивления изгибу. Последние возрастают при использовании мокрых веревок.

Проведенные расчеты деформации линейной опоры показывают ее зависимость от знака относительного ускорения спуска и жесткости линейной опоры. Так как, при резкой остановке кинетическая энергия спуска

практически должна быть погашена за счет упругого растяжения линейной опоры (потенциальная энергия

то можно рассчитать перегрузки, действующие на линейную опору в разных фазах спуска по ней верхолаза-канатчика. Наибольшие перегрузки возникают в стальном тросе, наименьшие - в мягком синтетическом канате (веревке) При внезапном торможении стальной трос может испытать запредельную нагрузку, т.е. разорваться. За счет упругой деформации линейной опоры при торможении возникают заметные вязкоупругие колебания, другими словами, растяжение линейной опоры осуществляется в поле сил тяжести при наличии упругой восстановительной силы и вязкого трения:

При достижении верхолазом канатчиком нижней мертвой точки (в колебательном режиме) натяжение линейной опоры может более чем вдвое превышать его массу, напротив, в верхней мертвой точке натяжение равно нулю и начинается "свободный полет" тела исполнителя работ. В это время веревка под действием тянущего усилия руки может свободно скользить вниз. При новом контакте верхолаза-канатчика с линейной опорой последняя начнет деформироваться. Если в момент контакта (или внезапного торможения) ФСУ надежно закреплено (протравливание линейной опоры равно нулю), то за счет упругого подбрасывания произойдет быстрое демпфирование и прекращение колебаний опоры и соответственно верхолаза-канатчика. Однако дожидаться полного прекращения колебаний долго, и поэтому в практике спускающийся уменьшает натяжение S. Снятие натяжения возможно:

• в период повторного растяжения веревки. Силы трения покоя могут быть столь велики, что движения дальше не будет;
• в момент потери контроля над спусковым устройством. Этап разгона начнется в этом случае с совместного движения вниз исполнителя работ и растягивающейся веревки;
• нагрузка снимается в момент когда движения тела по инерции вверх поддерживается движением сжимающейся веревки.

Очевидно, что поскольку при резких колебаниях легко может возникнуть аварийная ситуация, то необходимо чередовать плавные разгоны и плавные торможения, т.е. уменьшать колебания линейной опоры. Поскольку в процессе спуска практически невозможно изменить коэффициент трения линейной опоры о ФСУ, то ослабить колебания линейной опоры верхолаз-канатчик может регулированием угла охвата линейной опорой ФСУ и силы натяжения свободного конца опоры S. Из вышесказанного вытекают рекомендации по режиму спуска верхолаза-канатчика по линейной опоре на отвесах глубиной более 40 метров: спуск должен быть плавным и к выбору ФСУ для спуска. Основные требования к ФСУ можно сформулировать следующим образом: ФСУ должно обеспечивать:

• плавность спуска;
• возможность регулирования скорости спуска в значительных пределах;
• минимальный износ линейной опоры;
• возможность самоостановки или незначительного изменения скорости спуска при потере управления свободным концом линейной опоры;
• равномерное распределение тепла, выделяемого при торможении во время остановки;
• незакручиваемость верхолаза-канатчика при спуске.

Идеальных ФСУ, удовлетворяющих всем требованиям, пока не создано. Ближе всех к ним подходят " Решетка " и " Десандер ", хотя на малых отвесах, часто наиболее удобными в работе являются спусковые устройства типа " Рогатка ". Наиболее частый недостаток других спусковых устройств, это то, что: веревка в них изгибается под очень маленьким радиусом изгиба (меньшим, чем диаметр применяемой веревки), что приводит к значительным напряжениям изгиба и выделению большого количества тепла на малой длине линейной опоры, малая возможность изменения угла охвата веревкой ФСУ во время спуска.

В целом характер нагрузок приходящихся на используемую в качестве линейной опоры веревку виден из приведенной таблицы. Особого внимания заслуживает тот факт, что нагрузки действующие на веревку тем больше, чем ближе к точке ее крепления находится верхолаз-канатчик.

Динамические нагрузки на веревку при спуске

Таблица 2

Поиск по сайту: