Могут ли знания по физике помочь альпинисту выжить в суровых и экстримальных горных условиях

В наши дни спорт является самым популярным времяпрепровождением среди молодёжи. Альпинизм - один из наиболее распространённых видов спорта сегодня. В горах людей привлекают опасность, экзотика, возможность проверить свои силы, самоутвердиться.

Особенно любят покорять вершины научные деятели. Среди классных альпинистов десятки выдающихся учёных. Знаменитый академик руководитель многих экспедиций О. Ю. Шмидт объяснял: << Горы ставят трудные задачи. В их преодолении развиваются настойчивость, смелость, воля к победе, а также организованность, точность. Кто раз побывал в горах, того они непреодолимо тянут к себе всю жизнь.>>

В моей жизни занятие альпинизмом занимает важное место. Не раз на трудных маршрутах я приходила к выводу, что почти на каждом шагу альпинист сталкивается с различными законами физики. Нередко базовые знания в области физики делали моё восхождение безопасным и облегчали тяжелые будни.

В результате, я решила подробнее изучить взаимосвязь между физикой и альпинизмом и постараться ответить на вопрос: <<Нужна ли альпинисту физика?>>

Снаряжение

Предметы альпинисткой экипировки должны быть тёплыми, вентилируемыми, ветро- и водонепроницаемыми, лёгкими и прочными. Главная рекомендация здесь может быть одна: каждый альпинист должен стремиться создать свой индивидуальный комплект снаряжения и экипировки. Правильно подогнанные, отвечающие индивидуальным наклонностям и удобные в использовании, снаряжение и одежда альпиниста не только создадут комфортные условия, но и существенно помогут в повышении безопасности работы на маршруте восхождения. Рассмотрим предметы, входящие в комплект экипировки альпиниста.

> Ботинки

Ботинки - фундамент, на котором стоит горный турист. Именно они будут определять, с использованием каких выражений отважный путешественник будет описывать свои невероятные похождения.

Выбирая ботинки для похода необходимо помнить ряд следующих особенностей:

+ Подошвы ботинок должны быть резиновыми и рельефными (больше коэффициент трения).

+ Ботинки должны быть свободными, чтобы можно было вложить войлочную стельку и надеть шерстяной носок, что, во-первых, уменьшает давление на стопу в отдельных ее точках при ходьбе по острым камням, т. к. при этом деформируется сначала подошва, потом стелька и носок, а уже затем стопа, а во-вторых, способствует удержанию тепла, т. к. войлок и шерсть обладают плохой теплопроводностью. Так же при узких ботинках кровоток в ногах ухудшается и ноги хуже греются.

+ Кроме того, у ботинок должна быть широкая подошва, тогда площадь опоры, а следовательно, и устойчивость человека увеличивается. Ведь обувь должна быть не только удобной, но и обеспечивать безопасность в трудных переходах. В горах путешественнику поможет палка с острым концом - альпеншток. Однако широкую подошву уже тоже давно никто не делает, скажу даже что она более узкая чем для повседневного хождения, для того чтобы легче было найти площадку, на которую стопу можно поставить более-менее равномерно.

+ Современные ботинки для альпинизма и горного туризма имеют абсолютно негнущуюся подошву, чтобы предотвратить стопу от травм и растяжений.

> Рюкзак

Рюкзак предназначен для переноски тяжелых грузов на большие расстояния. Его задача - правильное распределение нагрузки по спине человека, перенесение значительной части нагрузки на пояс, а, следовательно, на ноги.

Приобретая рюкзак, проверьте, достаточно ли широки у него люмки. Широкие лямки обеспечивают большую площадь опоры груза, при этом давление становится меньше. Это соответствует формуле давления p = F/S.

Рюкзак надо укладывать так, чтобы на спину приходились мягкие, гладкие, ровные поверхности. Выступы имеют малую площадь опоры, и давление в местах выступов возрастает.

> Защитные очки

Если в путешествии предусмотрено преодоление снежно - ледовых перевалов, то необходимо иметь при себе тёмные защитные очки.

Защитные очки служат оптическим средством защиты глаз от попадания мелких частиц механически обрабатываемого материала и опасных для глаз излучений.

Одним из наиболее тяжёлых последствий для организма туриста в отсутствии защитных очков может стать возникновение ожога глаз. Ожог глаз возникает при сравнительно недолгом движении по снегу в солнечный день без защитных очков в результате значительной интенсивности ультрафиолетовых лучей в горах. Эти лучи воздействуют на роговицу и конъюктиву глаз, вызывая их ожог. Уже через несколько часов в глазах появляется резь (<<песок>>) и слезотечение. Пострадавший не может смотреть на свет, даже на зажженную спичку (светобоязнь). Наблюдается некоторое припухание слизистой оболочки, в дальнейшем может наступить слепота, которая при своевременном принятии мер бесследно проходит через 4 - 7 дней.

Для защиты глаз от ожогов необходимо применять защитные очки, темные стекла которых (оранжевого, темно-фиолетового, темно-зеленого или коричневого цвета) в значительной мере поглощают ультрафиолетовые лучи и снижают общую освещенность местности, препятствуя утомляемости глаз. Полезно знать, что оранжевый цвет улучшает чувство рельефа в условиях снегопада или небольшого тумана, создает иллюзию солнечного освещения. Зеленый цвет скрашивает контрасты между ярко освещенными и теневыми участками местности. Поскольку яркий солнечный свет, отраженный от белой снежной поверхности, оказывает через глаза сильное возбуждающее действие на нервную систему, то ношение защитных очков с зелеными стеклами оказывает успокаивающее действие. Применение защитных очков из органического стекла в высокогорных и горнолыжных путешествиях не рекомендуется, так как спектр поглощаемой части ультрафиолетовых лучей у такого стекла значительно уже, и часть этих лучей, имеющих наиболее короткую длину волны и оказывающих наибольшее физиологическое воздействие, все-таки поступает к глазам. Длительное воздействие такого, даже уменьшенного количества ультрафиолетовых лучей, может, в конце концов, привести к ожогу глаз.

Также не рекомендуется брать в поход очки-консервы, плотно прилегающие к лицу. Не только стекла, но и кожа закрытого ими участка лица сильно запотевает, вызывая неприятное ощущение. Значительно лучшим является применение обычных очков с боковинками, выполненными из широкого лейкопластыря.

Уроки выживания

Во всём многообразии альпинистских дисциплин одно из ведущих мест занимают вопросы обеспечения безопасности на всех уровнях, даже на высших ступенях мастерства. Чтобы предотвратить возникновение несчастных случаев в горах, необходимо обладать минимумом теоретических знаний. Возникновение многих опасных ситуаций поджидающих человека на маршруте можно объяснить с помощью базовых знаний по физике. Зная причину появления той или иной опасности, мы можем сделать всё возможное что - бы не допустить возникновения угрозы нашей жизни при восхождении.

> Лавины

Веками люда боялись гор и избегали их. Только такие великие полководцы древности, как Александр Македонский, Ганнибал, Кир, осмеливались со своими армиями пересекать величайшие горные хребты Ойкумены. Действительно, в горах человека подстерегает множество естественных опасностей: обвалы, камнепады, оползни, бурные реки, сели, крутые склоны, пропасти, а зимой самый опасный и частый враг - лавины, которые угрожают у каждого крутого склона. Но человек все-таки всегда шел и будет идти в горы.

Сейчас, когда о лавинах известно уже достаточно много, важно, чтобы все, кто любит горы и работает или отдыхает там, имели представление о природе лавин - этого опасного спутника зимы и не совершали необдуманных действий, помня слова Шамфора о том, что „три четверти безумств на поверку оказываются просто глупостями".

Лавины - частое явление в горах. Многим кажется, что о них известно все, но это далеко не так. Снег и лавины таят еще много загадок.

Прежде чем говорить о лавинах, следует разобрать свойства основного материала, из которого лавины состоят - свойства снега. Видов снега и переходов его из одного состояния в другое чрезвычайно много. Единственное, что объединяет между собой все виды снега, - это то, что он состоит из кристаллов замерзшей воды.

В безветренную погоду различные по форме снежные кристаллы падают из облака со скоростью до метра в секунду. Путь их на землю может продолжаться довольно долго - час-полтора. Проходя воздушные слои с разной температурой, снежные кристаллы претерпевают изменения. Но главные изменения происходят уже на земле, вначале при ветровом переносе, а затем в слоях снежной толщи. Там правильные, преимущественно шестигранные, ледяные кристаллы превращаются в бесформенные зерна. Вес верхних слоев, температура и давление воздуха, солнечная радиация, ветер - вот факторы, вызывающие изменение состояния снега.

Многочисленные разновидности снега разделяются на две основные группы - новый снег и старый снег. Новый снег - любой свежевыпавший снег, в котором еще сохраняется первичная форма кристаллов. Старый снег - состоит из снега, потерявшего свою кристаллическую форму и преобразовавшегося в снежные или льдистые зерна. В последнем случае такой снег носит название фирна.

Новый снег подразделяется на:

> Порошкообразный снег

> Крупитчатый снег

> Липкий снег

> Плотный снег

Порошкообразный снег - включает в себя все виды сухого снега. При температурах, близких к нулю градусов, при безветрии этот снег слипается в хлопья. В мороз и безветрие он выпадает в виде больших, очень легких кристаллов, подобных пуху. Является причиной возникновения очень опасных пылевидных лавин.

Крупитчатый снег состоит из снежных кристаллов, покрытых слоем инея. Выпадает, как правило, на средних высотах и при небольших морозах. Представляет собой крупные снежные комочки диаметром 0,5 - 0,2 мм, похожие на зерна крупы. Роль их в образовании лавин чрезвычайно мала, так как этот снег не задерживается при выпадении на гладких склонах большой и средней крутизны.

Липкий снег - снег с незначительной степенью влажности, падающий большими мокрыми хлопьями. легко скатывающийся в снежки. Ложится он на склон довольно прочным слоем и особой опасности в смысле лавин не представляет. Ложась на гладкую или мокрую основу образует снежные оползни и осовы.

Плотный снег - образуется при сильном ветре и снегопаде. На наветренной стороне Плотность его достигает значительной степени. На подветренной она несколько меньше. Кристаллы этого снега под воздействием ветра полностью разрушаются, преобразуясь затем в плотную массу, поверхность которой выдерживает вес 1человека. Именно из этого снега образуются "знаменитые" снежные доски - причина многочисленных лавин. Отрывы снежных досок возникают из-за неравномерности распределения внутренних напряжений в отдельных участках поверхности спрессованного ветром снега.

Старый снег подразделяется на:

> Сухой снег

Сухой снег - возникает в результате перекристаллизации старого снега. Кристаллы такого снега, называемого глубинным инеем, возникают в приземном слое, обладают ничтожным сцеплением. Образование такого слоя создает подвижный горизонт скольжения, по которому начинают свой путь будущие лавины.

Фирн - грубозернистый, льдистый снег, разрыхляющийся под воздействием солнца. Если такой снег еще дополнительно пропитывается водой за счет дождя или таяния снега на вышележащих скалах, то из пего образуются мокрые лавины. Они обладают огромной силой, так как состоят из массы со значительным удельным весом, по вязкости подобной цементному раствору. При ходьбе по такой только что сошедшей лавине ноги обычно проваливаются в снежную кашу почти до колен, и вытащить их оттуда довольно трудно.

Иней - особый вид снега, возникает за счет конденсации влажного воздуха в условиях низких температур. Образует на скалах, деревьях, ломах причудливые наросты при слабом морозе, ветре и густом тумане. Растут они навстречу ветру. Иней характерен для горных районов с высокой влажностью воздуха.

Обычно принято считать, что лавины возникают тогда, когда вес снежной толщи на склоне делается таким, что сила сцепления ее со склоном, или сила трения снега о склон, становится меньше, чем составляющая сила тяжести снега, направленная параллельно склону. Но это чисто механическое представление о причине схода лавин является весьма условным. На самом деле все обстоит значительно сложнее. Количество снега на склоне может оставаться одним и тем же, а степень лавинной опасности будет изменяться, как правило, в сторону увеличения. Это происходит за счет внутренних процессов, протекающих в снежной толще под воздействием температуры. атмосферного давления, ветра и солнечной радиации. Вес эти факторы вызывают перекристаллизацию снега, меняют его внутреннюю структуру. В итоге нарушаются начальные условия сцепления снежной толщи со склоном или между отдельными слоями снега.

В результате всех процессов роль силы тяжести как сдвигающей силы остается как бы неизменной, а силы сцепления ослабевают. Появляется слабый слой, по которому происходит соскальзывание.

Как известно, снег плохо проводит тепло и, ложась на землю, достаточно хорошо защищает ее от холода. В снежных слоях, расположенных у земли, температура обычно держится около 0°. Смена температуры воздуха, смена тепла и холода и связанное с этим увлажнение и промерзание снега способствуют изменению первоначальной структуры снежных слоев. Основное видоизменение, которое происходит со снегом, - это превращение мелкозернистой структуры в крупнозернистую. Тонкий слой нового снега при низкой температуре может превращаться в сыпучий крупнозернистый сухой снег - самый неприятный с точки зрения лавинной опасности, Тем более, что из такого снега лавины чаще всего образуются именно в начале зимы, когда снегопады не очень обильны, морозы значительны и перерывы между снегопадами достаточно велики, В итоге получается, что все последующие снегопады создают снежные слои, ложащиеся на сыпучий снег. Таким образом, редкие снегопады и низкие температуры в начале зимы - залог будущей лавинной опасности. Превращение плотного мелкозернистого снега в крупнозернистый сыпучий снег происходит и в толстых однородных слоях в результате сухой возгонки в снежной толще. Это испарение, или сублимация, в результате которой твердые кристаллы снега испаряются, переходят в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такое испарение происходит за счет разности температуры внутри снежной толщи. В слое снега толщиной в метр разность температур между верхними слоями может достигать 12 - 15°. Водяные пары переходят из теплых областей снежной толщи в холодные, от внутренних слоев к поверхности, частично уходя в воздух, частично конденсируясь в верхних слоях. В более теплых слоях, откуда идет возгонка, происходит разрыхление снега за счет образования крупнозернистой структуры.

В изучении лавин сделано много. Известны процессы, происходящие в снежном покрове и подготавливающие исподволь таинство рождения лавин. Разработаны методы прогноза времени наступления лавинной опасности. Есть целый спектр моделей, описывающих движение лавинного тела, теперь больше известно о таком явлении, как „воздушная волна" лавины. Составлены обзорные карты лавинной опасности и кадастры лавин. Усовершенствована техника спасательных работ. Выработаны разнообразные приемы регулирования лавин и борьбы с лавинной опасностью. Однако существует множество не решённых задач. Так необходимо решить проблему определения физико-механических свойств снежного покрова, разработав для этого специально предназначенные для снега методику и приборы. Можно долго перечислять все сложные научные задачи, которые вырисовываются перед исследователями лавин. Но этот длинный список не пугает лавинщиков, скорее наоборот, обнадеживает, так как на этом этапе предельно ясно, что необходимо изучать, или, образно выражаясь, где „копать шурф". А очередность задач, приоритет той или иной проблемы подскажет жизнь.

> Верёвки

Верёвка для альпиниста - важнейшая часть снаряжения. Она должна удержать в случае срыва, предотвратить сам срыв, т. е. необходима для страховки.

Известно, что восхождения совершаются при различных погодных условиях. Мне стало интересно, как природные факторы могут повлиять на качество верёвки. В итоге, я решила исследовать физико - механические свойства верёвки в условиях, часто встречающихся в альпинистской практике.

Используемое оборудование:

1. Провести опыты на верёвки, которая реально используется в горах, в домашних условиях у меня не было возможности. Поэтому я использовала верёвку меньшую по площади, но сделанную из того же синтетического материала, который используют в производстве страхующих верёвок.

2. Безмер. Этот прибор был необходим для измерения максимальной силы рывка, которую выдержит моя верёвка.

Ход исследования:

Мною были проделаны три серии исследований, состоявших из трёх нагрузок на разрыв.

1 серия проводилась на сухой верёвке. Были сымитированы благоприятные условия приближённые к условиям летнего восхождения.

2 серия была приближена к условиям летних восхождений в дождливую погоду. Прежде чем произвести испытание на разрыв верёвка была помещена на 30 мин. в воду.

3 серия содержала основные элементы условий зимних восхождений. Сначала верёвка 30 мин. лежала в воде, а затем 30 мин. в морозильной камере.

По формуле σ = Fmax / S производились вычисления. Т. к. Fmax=mg, следовательно, σ = mg / S.

Результаты:

Сухая верёвка

σ = 80 / S

Мокрая верёвка

σ = 60 / S

Верёвка с мороза

σ = 44 / S

Условия

Мокрая верёвка

Сухая верёвка

Результаты опытов

Намокание незначительно повлияло на удлинение (она чуть больше растянулась при испытании на разрыв, прочность на разрыв немного понизилась)

Прочность и растяжение значительно уменьшились

Причины

Причиной служит уменьшение взаимного трения между волокнами в мокрой верёвке, вследствие чего разрыв отдельных волокон происходит неравномерно.

Причина - присущая синтетическим материалам хрупкость и наличие ледово - кристаллических структур между волокнами верёвки.

Вывод: Результаты имеют большое значение для альпинистской практики, особенно для зимних восхождений, и должны учитываться альпинистами.

> Передвижение по снежнику

Значительная часть гор, представляющая интерес для альпинистов, находятся выше снеговой линии - нижней границы зоны вечных снегов.

Одним из важных факторов передвижения по снегу является правильное положение тела и перемещение центра тяжести тела при движении или лазанье. Cилу веса тела на склоне можно разложить на две составляющие: нормальную, перпендикулярную склону, и тангенциальную составляющую Т, параллельную склону.

Я решила провести анализ процесса движения по снежному покрову.

Для этого необходимо было Рассмотреть несколько случаев положения альпиниста на склоне и выяснить, что необходимо сделать для увеличения стабильности положения тела на снежном склоне.

Первый случай

Альпинист имеет три точки опоры. Его стабильность на склоне зависит от статического равновесия всех действующих сил. При перенесении силы тяжести Р ее можно разложить на составляющие Р' и Р", вертикальные составляющие которых Ру' и Ру", равны реакциям опор, а горизонтальные слагаемые - Рх' и Рх". Между телом и плоскостью возникает сила трения, при определенной величине препятствующая скольжению тела вниз по склону. Сила трения равна Рх'. Существенную роль играет величина силы Рх". Система будет устойчива до момента, когда сила Рх" превышает или равняется произведению нормальной силы Ру" на коэффициент трения. Ясно, что при увеличении угла а, когда альпинист "ложится" на склон, возрастает сила Рх", тем самым уменьшается устойчивость.

Второй случай

Центр тяжести совпадает с точкой опоры. При движении центра тяжести вперед создается сила инерции Рin, зависящая от массы тела и его скорости, Fin = m * а. По законам механики сила Fin передается через кинетические пары в точки опоры, где суммируется с силами Рх и Ру. Таким образом увеличивается опасность проскальзывания. Для ее уменьшения необходимо соблюдать плавность движения.

Третий случай

Выбивании в твердом фирне ступеней. Удар ногой с определенной силой R порождает, согласно третьему закону Ньютона, обратную реакцию, отражающуюся на опорные силы Рx' и Fin. Таким образом увеличивается величина силы Рх, тем самым увеличивается вероятность проскальзывания. При выбива-нии степеней удары должны не нарушающать равновесия и устойчивости альпиниста.

Четвёртый случай

Центр тяжести совпадает с точкой опоры Тангенциальная сила, обеспечивающая стабильность тела на склоне, равна Рт = Р sin a. Для увеличения устойчивости необходимо создавать. дополнительные точки опоры, корректировать центр тяжести тела.

Советы туристам

В этом разделе мой научно - исследовательской работе я попыталась поделиться с начинающими туристами и альпинистами несколькими полезными советами, которые не раз выручали меня в горах и помогут юным покорителям вершин.

Совет№1. При приготовлении пищи на большой высоте после положенного в обычных условиях времени кипения вы обнаружите, что продукты не сварились. Все дело в том, что при понижении атмосферного давления кипение воды происходило при температуре, значительно меньшей 100 С. Размягчение же продуктов происходит не вследствие самого процесса кипения, а под действием повышенной температуры.

Однако всё не так плохо. Это явление альпинисты могут использовать и себе на пользу. Например, чтобы узнать высоту перевала или горы.

Летом 2009 года я совершала восхождение в горах Архыз. Взбираясь на различные перевалы, я пыталась установить высоту на которой находился мой отряд с помощью температуры кипения.

Известно, чем выше место над уровнем моря, тем меньше атмосферное давление. В прямой зависимости от давления находится температура кипения воды. Если, например, при давлении 1013,3 гПа температура кипения воды +100 С, то при давлении 876 гПа она закипит уже при 96С. С помощью таблицы закипания водына различных высотах я получила следующие результаты:

Перевал

Температура кипения

(по таблице)

Реальная высота

Перевал Федосеева

3000 м над уровнем моря

3025 м над уровнем моря

Перевал Чилик

91. 7 °С

2500 м над уровнем моря

2900 м над уровнем моря

Перевал Ильясов

93. 3 °С

2000 м над уровнем моря

2200 м над уровнем моря

Перевал Орлёнок

89. 8 °С

3000 м над уровнем моря

3030 м над уровнем моря

Результат: Я пришла к выводу, что этот способ пригоден для использования. Не смотря на то что между реальной высотой и высотой установленной с помощью температуры кипения есть разница, на мой взгляд, эта погрешность незначительна.

Совет№2: При опасных восхождениях альпинисты берут с собой в поход радиоприёмник, который помогает им поддерживать связь с базовым лагерем. Хорошая связь может стать залогом безопасного восхождения. Однако следует учитывать , что летом учащаются грозы. Они являются источником радиоволн, которые создают помехи радиоприему. Поэтому в летнее время качество радиоприема ниже, чем в зимнее

Совет№3: На большой высоте лица альпинистов за короткое время сильно загорают. Причиной этому воздух, который сильно рассеивает ультрафиолетовые лучи. На большой же высоте, где воздух разряжен, ультрафиолетовая радиация весьма интенсивна.

Для предохранения кожи лица от ожогов необходимо использовать защитные очки.

Совет№4: В горах всегда очень холодно. Но особенно низкой температура становится в ночное время суток. Чтобы в палатке было тепло, опытные туристы перед сном прогревают в костре большой камень, завертывают его в брезент и относят в палатку, где укладывают на заранее приготовленные паленья. Теплопроводность древесины плохая, поэтому тепло не будет "уходить" в землю. Кроме того, за счет поленьев камень оказывается приподнят над дном палатки, в результате образуются конвективные потоки. Более холодный воздух от дна палатки будет нагреваться от поверхности камня. Затем этот теплый воздух устремляется вверх образуя конвекцию в палатке.

Я решила проверить этот способ обогрева. Проведя одну ночь в палатке, нагретой таким способом, было обнаружено, что температура повысилась на 5°С. Это сделало мой отдых, который был необходим после тяжёлого взятия перевала, более комфортабельным.

Приложение

Таблица закипания воды на различных высотах

Высота над уровнем моря, м

Температура кипения воды °С

Высота над уровнем моря, м

Температура кипения воды °С

0 100,0

Заключение

Нарушение правил во время движения в горах, неприведшие к несчастью не могут служить основанием, что так и можно действовать, не подвергаясь опасности. Слабости нельзя прикрывать конечным успехом, их надо обнажать, анализировать. Тщательный анализ ошибок вр время восхождения или похода следует проводить всегда, а не только в связи с несчастным случаем.

Одним из средств предотвращения опасности может стать правильное применение минимальных знаний по физике, которыми должен обладать каждый человек.