Страховочные устройства: проблемы и решения. Часть 3

Об авторе этой статьи.

Jim Titt

Джим Титт родился в английском городе Солсбери (Уилтшир). Увлекшись в юности скалолазанием , он занимался им 14 лет до окончания университета. Прервав эти занятия в 80-х годах, Джим увлекся мотокроссом, став даже чемпионом Европы. Но мотогонки пришлось оставить из-за преклонного возраста, и он вновь принялся за старое, вернувшись на скалы в начале 90-х годов. До сегодняшнего дня Джим сохраняет хорошую спортивную форму и, бодро потряхивая стариной, проходит в свои 59 лет, маршруты 7а онсайтом, набирает за выходные дни по 700 метров лазания, гармонично сочетая занятия скалолазанием с любовью к хорошему пиву (на деле подтверждая справедливость выражения «мастерство не пропьешь»). Джим женат, воспитывает двоих детей. Его старший брат Скотт Титт (тоже действующий альпинист) является членом «исполкома ФАиС» Великобритании.

Несколько лет Джим занимался развитием скалолазных районов в Греции (Арголис) и на Сицилии, которую, он считает, одним из лучших скалолазных районов Европы. Обладая огромным опытом создания новых маршрутов, Джим щедро делится своими знаниями. (На русском языке уже публиковался перевод его заметок о тонкостях оборудования скальных маршрутов).

Профессиональный инженер, Джим занимался строительством яхт в Баварии и Бельгии. В настоящее время он живет в Германии около Мюнхена и является главой компании Bolt Products, выпускающей оборудование для скалолазных маршрутов. Давая возможность заглянуть на творческую кухню разработчика альпинистского снаряжения, он рассказывает о своем исследовании страховочных устройств. Слово Джиму Титту:

Страховочные устройства – теория, испытания и практика.

-----------------------
Эта работа является частью исследований, сделанных для лучшего понимания принципов работы страховочных устройств и поиска путей их дальнейшего усовершенствования. Авторское право на все оригинальные части этой работы являются собственностью компании Bolt Products. Полная или частичная публикация этой работы может быть сделана только с разрешения этой компании.
-----------------------

В настоящее время опубликовано множество исследований страховочных веревок и сил, возникающих в цепи страховки, но устройства, которые этими силами управляют, почти не изучаются. Единственная действительно полезная теоретическая работа о принципах действия страховочных устройств была выполнена Стивеном Аттавеем [7], но даже она страдает многими упрощениями, например - отсутствием оценки влияния используемой веревки. Отличные испытания различных страховочных устройств были сделаны С. Раценбургером (S. Ratzenburger) и комиссией по безопасности DAV [9],[10]. К сожалению, многие другие публикации показывают вопиющие пробелы их авторов в знании физики и естественных наук.

Многие читатели, вероятно, захотят пропустить теоретическую часть с математическими формулами. Напрасно. По крайней мере, советую ознакомиться с ней, чтобы чтение последующих частей не оказалось для вас бессмысленным.

Теория

Силы торможения
На первый взгляд может показаться, что в страховочном устройстве действуют три силы – изгиб, трение и сжатие (сдавливание). В действительности, сжатие не является самостоятельным фактором, оно всего лишь усиливает прижим веревки к страховочному устройству, что изменяет силу трения.

Знание относительной роли этих сил очень важно для понимания принципа работы страховочного устройства и зависимости его эффективности от приложенной нагрузки и характеристик используемой веревки.

Изгиб
Сила изгиба – это усилие, которое требуется для изгиба веревки, например - вокруг карабина. Величина этого усилия зависит от радиуса изгиба, жесткости веревки, ее конструкции и состояния.

То, что при уменьшении диаметра шкива увеличивается усилие изгиба проходящей вокруг него веревки, было известно уже несколько сот лет, если не тысячелетий. Удивительно, что во многих «испытаниях» страховочных устройств этот эффект не принимается во внимание.

Поскольку изгиб веревки происходит практически во всех страховочных устройствах, интересно количественно оценить его роль. О том, что эта роль весьма существенна, можно судить по степени нагрева спускового устройства. Если бы трение было единственным фактором, то практически вся работа, совершаемая при протравливании веревки через спусковое устройство, переходила бы в тепло и тратилась на нагрев этого устройства. Экспериментально измерить, какая часть работы идет на нагрев спускового устройства с учетом его теплоотдачи в воздух, - не особенно трудная задача. Такое исследование было выполнено спелеологами много лет назад при изучении спусков по веревке на большую глубину, и результаты экспериментов наглядно показали, что трение – не единственный фактор, работающий в спусковых устройствах.

Математическое вычисление работы сил изгиба – сложнейшая задача, поскольку необходимо учитывать взаимодействие тысяч волокон веревки. Судя по результатам многих исследований, при изгибе веревки с малым радиусом, часть волокон работает за пределами упругости, проще говоря, разрывается. Об этом свидетельствует факт уменьшения упругости веревки и снижение ее прочности при многократных спусках или при прохождении веревки через карабин.

Вместо сложных математических вычислений, посмотрим на обобщенный график эффективности шкива, построенный по данным различных источников – рис.1. Нас интересует выделенная прямоугольником область. Эта часть графика является предположительной экстраполяцией, поскольку известные работы по грузоподъемным механизмам изучают более эффективные шкивы большого радиуса, представляющие первоочередный интерес для промышленности.
Рис. 1. Эффективность шкива.


Поскольку в технической литературе полезной для нас информации не нашлось, мне пришлось самостоятельно выполнить измерения изгибающих усилий в интересующем нас диапазоне. Для этого я изготовил несколько роликов диаметром 8, 10 и 12мм, вращающихся на подшипниках с малым трением, и, протягивая через них с постоянной скоростью веревку с подвешенным грузом, измерил разницу между силой тяги и весом груза, то есть – изгибающую силу. Этот опыт был повторен для различных углов охвата ролика веревкой, разных грузов и разных диаметров веревки. Для удобства, я представил результат в виде относительного увеличения усилия – то есть во сколько раз тяговое усилие превышало вес груза. При этом, при первом протягивании веревки, усилие оказалось примерно на 5% больше, чем при последующих, поскольку веревка несколько сплющивалась и в дальнейшем сохраняла эту форму. При построении графика использовался средний результат первых трех протягиваний.

Графики представленные на рис.2 действительны для веса груза, представляющего для нас интерес – от 300 до 600 Н.

Как видим, основное увеличение усилия происходит при изгибе веревки на первые 90°. Дальнейший изгиб не приводит к значительному эффекту. Как и ожидалось, чем толще веревка и меньше радиус изгиба, тем больше относительное увеличение усилия. (Графики не так идеальны, как хотелось бы, поскольку на результаты влияет несколько факторов, но для наших целей точность сделанных измерений вполне достаточна).
Рис.2.


Теперь можно оценить относительный вклад изгиба веревки на работу страховочных устройств.
При использовании 12мм карабина, 10мм веревки и шайбы Штихта с радиусами закругления рабочих кромок 4мм, углы изгиба веревки составляли 80, 185 и 42 градуса. Начальная сила (имитация удержания веревки рукой) – 300Н. Первый изгиб веревки в шайбе увеличивает усилие на 41,5%, то есть до 424,5 Н, второй – еще на 51,5%, то есть до 424,5*1,515=643Н и третий изгиб – еще на 29%, то есть полное усилие изгиба теоретически составляет 830 Н.

Затем я изготовил модель шайбы Штихта, использовав вращающиеся на подшипниках ролики соответствующего диаметра и, протянув веревку под теми же углами, получил результат 802 Н. Как видим, результат оказался очень близок к предсказанному по графику. С реальной шайбой усилие вытягивания того же груза оказалось равным 1320Н. Таким образом, усилие изгиба веревки составило 61% от полного усилия торможения. Для 9 комбинаций шайбы с различными диаметрами веревок и карабинов 10/12мм средний вклад усилия изгиба в полное усилие торможения составил 57%. (Интересно, что использование более толстого 12мм карабина в страховочном устройстве не приводит к существенному изменению усилия торможения).

Некоторые производители используют радиус закругления меньше 4 мм на входной стороне устройства (например – Reverso-2 Petzl), но если посмотреть внимательно, натянутая под углом 90 градусов веревка не будет полностью прилегать к такому корпусу, так как усилия натяжения веревки рукой для этого недостаточно, тем более в динамических условиях. Реальный радиус изгиба и в этом случае составляет 3-4мм. Слишком маленький радиус изгиба делает страховочное устройство склонным к обдиранию и порче оплетки веревки. Любой альпинист не любит, когда веревка проходит через острые кромки, так что советую придерживаться этого принципа и по отношению к страховочным устройствам.


Трение
Законы трения открытые сотни лет назад гласят: сила трения прямо пропорциональна нормальному давлению (1-ый закон). Сила трения не зависит от площади контакта (2-ой закон).

Вычислить силу трения в страховочном устройстве можно, зная силу давления веревки на алюминий и коэффициент динамического трения для нейлона. Для веревки, огибающей неподвижную ось, трение вычисляется по формуле Эйлера для кабестана (см. рис. 3). Эта формула не совсем точна, поскольку надо учитывать и проскальзывание веревки при ее растяжении, но для оценочного расчета вполне применима.

Рис. 3. Формула Эйлера. Т2 – сила рывка, Т1 – сила удержания веревки рукой, е =2,7183, бета – угол охвата в радианах, мю – коэффициент трения.

Конечно, в страховочном устройстве веревка имеет несколько изгибов, как показано на рис. 4, но можно просто просуммировать трение на каждом изгибе. (Смотрите также раздел «комбинация сил» ниже).
Рис. 4. Прохождение веревки в шайбе Штихта.


Важно отметить, что угол охвата и коэффициент трения входят в показательную функцию, поэтому небольшое изменение их величины очень сильно влияет на конечный результат.

Сначала мы должны определить одну из сил, при этом логично использовать силу рук, так как она в некоторой степени установлена, или, по крайней мере, находится в известном диапазоне. Исследования Маутнеров (Kirk and Katie Mauthner) показали, что эта сила может изменяться от 150 до 400Н. Сильный мужчина, конечно, может удерживать 10мм не слишком скользкую веревку и с усилием 400Н (мы с братом это проверили), и эта же величина используется в калькуляторе падения Petzl. Однако, например, для подростка, использующего новую 9-мм веревку, эта величина слишком оптимистична. Рандельзофер (P. Randelzhofer) использовал значение 209 N как среднюю величину в тестах Маутнеров, а тесты DAV использовали значение 250N для 9.5-миллиметровой веревки. В динамических испытаниях, проводившихся комиссией DAV, участвовали двое альпинистов и усилия, которые они показали, были близки к этим значениям. Задержание падений было характеризовано ими как "весьма трудное, но все еще контролируемое". Я выбрал для своих испытаний усилие 300Н как разумный компромисс, поскольку я, в основном, работаю на маршрутах с 10-миллиметровой веревкой. (Естественно вы не удержите с такой силой 4 или 7- миллиметровый репшнур).

Затем, нам необходимо знать коэффициент трения. Как показано в исследованиях итальянской комиссии по безопасности, торможение в страховочном устройстве является динамическим процессом. Поэтому, нам надо использовать именно коэффициент динамического трения, который весьма сильно отличается от статического. Игнорирование этого факта делает бесполезными выводы по меньшей мере трех опубликованных на эту тему статей. Напомню, что динамический коэффициент трения для нейлона не является постоянной величиной и меняется в зависимости от удельного давления, но является относительно независимым от скорости движения. Этот факт авторы нескольких «научных» исследований должны были бы вспомнить, перед тем как начать свою работу. Это, естественно, также относится к работам, использующим для объяснения результатов только второй закон трения.

Опубликованные в технической литературе значения динамического коэффициента трения сильно отличаются друг от друга, главным образом, из-за различных давлений при испытаниях. Например, при очень низком давлении 0.05Н/мм2, коэффициент трения равен 0.4, в то время как технические справочники дают значения 0.28-0.3. В исследовании трения в спасательных системах, сделанном Тимоти Мэнингом (Manning) использовался коэффициент трения 0,7, соответствующий неправдоподобно низкому удельному давлению. Мэнинг использовал тесты американского общества по испытанию материалов ASTM (трение на покрытиях пола) вместо методик, используемых в промышленности (вращающиеся сжатые пластины), которые дают более реалистичные результаты для того диапазона давлений, который нас интересует. Для этого диапазона значение динамического коэффициента трения составляет 0,16 (сухое трение) и 0,10 для водяной смазки.

Д. Фенц (Fenz) исследовал трение при более высокой нагрузке и обнаружил, что коэффициент трения линейно уменьшается с ростом давления - рис. 5. В умеренно нагруженном устройстве, таком как шайба Штихта, давление веревки на карабин меньше давления, используемого Фенцем, а используемый им материал имел коэффициент трения несколько меньше, чем чистый нейлон. Поэтому для наших целей можно принять коэффициент трения 0,3 для низких нагрузок и 0,16 для более высоких.
В промышленных стандартах приводится коэффициент трения нейлона по полированной стали. Фенц использовал нержавеющую сталь, а Мэнинг – алюминий. Хотя трение нейлона по этим материалам и различается, но очень незначительно.
Рис. 5. Зависимость коэффициента трения от давления.


Наконец нам необходимо определить угол охвата. Чтобы можно было сравнить результаты, мы использовали тот же угол, что и в немецких испытаниях. В исследованиях DAV угол между входящей и выходящей в устройство ветвями веревки был равен 137 °. Эта величина кажется вполне реалистичной, так как больший угол является весьма непрактичным в обычной позиции страховки. Конечно, этот угол подходит не для всех устройств. Для GriGri или узла УИАА угол должен быть другим.

Комбинация сил трения и изгиба.
Изгиб или трение – не изолированные процессы, они влияют друг на друга во всех фазах работы страховочного устройства. Чем больше изгиб, тем сильнее прижатие веревки к корпусу устройства. Это увеличивает силу трения (с учетом уменьшения коэффициента трения). Эти изменения влияют на торможение в следующей рабочей зоне страховочного устройства и так далее...
В то время как каждый эффект по отдельности может быть выражен математически, вывести общую формулу, описывающую их совместное действие – очень сложная задача. Хорошая тема для чьей-то будущей диссертации :-)

Некоторые дополнительные факторы

Клиновые щели.
Для лучшего торможения, в некоторых устройствах на корпусе со стороны тормозящей руки страхующего сделаны V-образные канавки. Принцип их работы состоит в том, что в этой зоне увеличивается сила нормального давления веревки на корпус, а следовательно, увеличивается и трение (первый закон трения), хотя из-за снижения коэффициента трения – меньше чем хотелось бы. Слишком «агрессивные» щели приводят к некоторому закусыванию веревки при работе с устройством, и могут, в конечном счете, преждевременно изнашивать или повредить веревку. Если такие агрессивные щели будут находиться со стороны выходящей из устройства веревки, это может сделать почти невозможным протравливание веревки под нагрузкой. Вычислить дополнительное тормозящее действие канавок очень трудно, поэтому лучше определить его экспериментальным путем.

Сжатие
В некоторой степени, это миф. В большинстве испытанных мной устройств веревка нигде не сжимается. Некоторые изготовители, однако, пытаются использовать перемещение карабина под нагрузкой для дополнительного прижима веревки к корпусу страховочного устройства и этим обеспечить большее трение. Идея разумная, но трудно получить правильный баланс, поскольку при определенной форме корпуса карабин имеет склонность к заклиниванию и становится неудобно выдавать веревку. Этот эффект в некоторой степени самоограничивающийся, поскольку для его проявления сила, выдвигающая карабин вперед, должна быть больше силы, распрямляющей веревку. Так как первая определяется силой руки страхующего, а вторая – силой рывка при падении, легко понять, какая сила в итоге окажется больше.

Если вы слишком перестараетесь со сжатием, например – используете дополнительный карабин для усиления прижима веревки к корпусу устройства, веревка быстро приходит в негодность, поскольку нити оплетки, уже сильно натянутые изгибающим моментом, будут повреждаться острыми кромками корпуса. При испытаниях на нашей установке, заметные следы износа при такой заправке веревки появились после первого же протягивания – рис. 7. Убедитесь, что кромки щелей для веревки на вашем страховочном устройстве достаточно скруглены!

Выигрыш от применения дополнительного карабина не так велик, как это можно предположить. По данным наших испытаний, сила торможения для 9 и 10мм веревки в этом случае увеличилась примерно на 20%.

Примечание: речь идет об установке дополнительного карабина рядом с основным, как показано на фото 6 на примере Reverso-3
Рис. 6 Заправка веревки через два карабина для увеличения трения.

Рис. 7. Новая веревка после протягивания через страховочное устройство с дополнительным карабином.

Рис. 8. Старая веревка, протянутая таким же образом, пришла в полную негодность.


Конечно, можно прижимать веревку к корпусу и на «входной» стороне устройства (со стороны удерживающей руки). Это приносит огромную выгоду, поскольку небольшое усилие прижатия многократно усиливается на выходе устройства, Такой принцип использован в страховочных устройствах «SRC» и «Raptor» фирмы Wild Country, «Antz» фирмы Salewa и других. Это также - основной принцип работы полуавтоматических «автоблокантов» «GriGri» фирмы Petzl и «Eddy» фирмы Edelrid.

Другой путь – прижатие входящей в устройство веревки выходящим нагруженным концом. По такому принципу работают «пластины гида». Из устройств, использующих этот принцип, для страховки лидера может применяться «Robot» фирмы Kong. Когда я первый раз поехал в Альпы, я видел самодельную пластину гида, сделанную из двух звеньев обычной цепи, соединенных сваркой между собой под углом. Из любопытства я попытался оптимизировать эту конструкцию. Оказалось, что лучше всего работают два длинных звена цепи, сваренные под углом около 135 ° - рис.8. Веревка отлично тормозилась, но работать с этой штукой практически оказалось весьма неудобно. Выбирать веревку относительно просто, но если вам надо ее выдать, устройство слишком легко блокируется. Один из способов улучшения работы этого устройства может состоять в добавлении пружины со стороны карабина, как это сделано на поздних образцах шайбы Штихта. Правда, такой фантастический монстр с дополнительной пружиной вряд ли будет пользоваться большим спросом.
Рис. 9. Самодельная пластина гида из цепных звеньев.


Нагрев
Энергия при падении или спуске преобразуется в тепловую и идет на повышение температуры. Непосредственно на работу страховочного устройства это не оказывает существенного влияния (до тех пор, пока веревка не начинает плавиться). Работа по изгибу веревки тратится на нагрев самой веревки при сжатии и растяжении ее нитей, и сохраняется в веревке. Трение же между веревкой и страховочным устройством приводит к нагреву зоны контакта между ними. Пропорция нагрева веревки и страховочного устройства зависит от тепловых характеристик материала (это весьма сложный предмет, и пояснения несколько упрощены). Как известно, теплопроводность алюминия (250 Вт/м*К) в 1000 раз выше, чем у нейлона (0.25 Вт/м*К). Очевидно, что большая часть тепловой энергии поглощается страховочным устройством и карабином и должна быть передана в воздух, чтобы устройство не перегрелось. Для этого необходима большая площадь поверхности и высокая теплопроводность, чтобы отводить тепло от зоны контакта с веревкой. Алюминий применяется в большинстве случаев, так как при его использовании относительно легко совместить требование большой площади поверхности с малым весом конструкции. К тому же, этот материал обладает достаточно высокой теплопроводностью.

В большинстве страховочных устройств типа шайбы Штихта наибольшее трение происходит о карабин, поэтому, предпочтительно использовать массивные HMS карабины с большой поверхностью.
Один изготовитель, выпускающий страховочное устройство из нержавеющей стали, декларирует его преимущество в том, что при длинных спусках по веревке оно не обжигает руку. В то же время другая фирма, также производящая стальные спусковые устройства, недвусмысленно предупреждает об опасности длинных спусков (более 50м) из-за опасности перегрева. Как видим, на этот счет существуют различные мнения.

Теплопроводность нержавеющей стали значительно ниже, чем у алюминия (приблизительно 16 Вт/м*К) и поэтому сравнительно большая часть тепловой энергии уходит в веревку. Однако, в самом спусковом устройстве тепло хуже отводится из зоны контакта и менее эффективно рассеивается в воздухе. Естественно, остальная часть корпуса при этом более прохладна, но температура в зоне контакта с веревкой (которая плавится при относительно низких температурах), будет выше. Лично я думаю, что это недопустимо: меня не заботит, не слишком ли горячо устройство на ощупь – важнее, чтобы зона контакта с веревкой не слишком перегревалась!

Для альпинистов все вышеупомянутое представляет лишь академический интерес, так как они спускаются на веревке на относительно небольшие расстояния и редко падают на 50 м с фактором 2. Опыт показывает, что обычный спуск по веревке нормальной длины не вызывает проблем. В каньонинге или спелеологии нередки спуски более 200м, и там необходимо использовать другие устройства. Типичный пример – спелеологическое спусковое устройство «решетка»: для предотвращения перегрева используется множество изгибов веревки через перекладины, чтобы уменьшить зависимость от трения и огромная площадь поверхности, чтобы рассеять выделяющееся тепло.

Методы испытаний
Все вышеупомянутое позволяет построить математическую модель работы страховочного устройства, и, что очень важно при разработке новых устройств или анализе работы существующих, показывает относительный вклад различных эффектов. Тем не менее, необходимо и экспериментально тестировать устройство, используя для этого различные более или менее трудоемкие методы.
В настоящее время не существует международных стандартов для испытаний альпинистских страховочных устройств (стандарт UIAA-129 по сути оговаривает только требования к общей прочности, но не эффективность их работы – прим. пер.), и причины этого легко объяснимы. Основная трудность - решить, какую величину усилия торможения принять за стандартную. Для верхней страховки детей на скалодроме нужно одно усилие, для удержания срыва на большую глубину альпиниста в полной экипировке – совсем другое. Для решения этой проблемы, возможно, придется разделить страховочные устройства по их основному назначению. Другая большая проблема – применяемая для испытаний веревка. Для международной стандартизации необходимо определить и производить стандартизованную веревку, причем, различных диаметров. Это совершенно необходимо, поскольку веревки сильно отличаются по своим характеристикам, что позволяет производителям страховочных устройств самостоятельно определять или поставлять требуемую для них веревку. Потенциально, эта ситуация создает почву для злоупотреблений, так как многие производители имеют коммерческие связи с поставщиками веревок или производят эту веревку самостоятельно.

Однако, поскольку нас, прежде всего, интересуют относительные технические характеристики, мы можем получить из данных испытаний весьма полезную информацию.

Так как страховочные устройства работают в динамическом режиме, любые методы статических испытаний совершенно бессмысленны, поскольку, как показано выше, в статическом тесте не учитывается работа изгиба, а статический коэффициент трения может быть на порядок больше, чем динамический. Лучшими решениями в настоящее время являются два динамических метода, описанные в общих чертах ниже. Для получения точных результатов, необходимо работать с реалистичными по величине нагрузками, поскольку как мы видели, полная тормозящая сила является показательной функцией исходных параметров. Таким образом, простая экстраполяция возможна только в очень небольших пределах. Что касается скорости движения веревки, то она оказывает малое влияние на конечный результат и здесь не требуется приближения к скорости реальных процессов.

Надо заметить, что используемая веревка сильно повреждается при испытаниях, особенно при сбрасывании груза. Даже при испытаниях методом протягивания, оплетка веревки начинает оплавляться после нескольких циклов испытаний, что заметно (приблизительно на 20 %) снижает трение. По этой причине приходится часто менять отработанную веревку и испытания сбрасываемым грузом требует значительно большего количества материала, чем при испытаниях протягиванием.

Испытания сбрасываемым грузом.
Превосходный испытательный стенд, разработанный Раценбургером, в настоящее время используется комиссией по безопасности DAV и немецким центром сертификации TUV Sud – Рис. 10. Этот метод дает наиболее реалистичные результаты, позволяя также непосредственно измерять величину протравливания веревки. Недостатки – дорогостоящее сооружение стенда для сброса испытательного груза, огромный расход веревки и медленный испытательный цикл. Для исследовательских работ это не очень практично, поскольку короткий процесс торможения чрезвычайно трудно наблюдать непосредственно. Для таких испытаний также применяется механизм «механическая рука», который позволяет протравливать веревку через страховочное устройство с заданным усилием. При использовании вместо такого механизма подвешенного груза, на результаты будут очень сильно влиять инерционные процессы. Инерционные аспекты страховки были подробно исследованы итальянской комиссией по безопасности.
Рис. 10. Схема испытаний методом сбрасывания груза.


Испытание протягиванием
Для своих испытаний я использовал несколько модифицированный стенд, применяющийся фирмой Black Diamond. Для исследовательской работы этот метод предпочтительнее, поскольку не требует громоздкого оборудования, уменьшает испытательный цикл и требует меньше веревки для испытаний, что резко снижает затраты на исследования. Результаты не менее точны, чем при использовании метода падающего груза, хотя величину протравливания приходится вычислять для определенных параметров падения. Эти вычисления, впрочем, несложны и занимают несколько секунд. Для задания усилия торможения может использовать любой стандартный вес. Поскольку движение происходит с постоянной скоростью, влияние сил инерции отсутствует.

Первое большое преимущество этого метода состоит в том, что работу страховочного устройства можно наблюдать в режиме реального времени без применения скоростной видеосъемки. Второе преимущество – чтобы продолжить эксперимент на новом участке веревки, достаточно просто выдать через GriGri необходимую длину. При использовании метода падающего груза, приходится перевязывать веревку и повторно поднимать груз на нужную высоту, что отнимает много времени. Для работы с большой нагрузкой необходимо использовать дополнительный стопорный узел, поскольку GriGri в этих условиях может протравливать веревку.

Для компенсации различия в размерах страховочных устройств и исследования работы страховочных устройств с разными углами между входящей и выходящей ветвями веревки, применяется отклоняющий ролик.
Рис. 11. Схема испытаний методом протягивания.

Использование полученных результатов.
Первое, что необходимо сделать - измерить углы между ветвями веревки по отношению к динамометру, поскольку истинная тормозящая сила определяется сложением вектора силы, измеряемой динамометром и вектора «силы руки» (весом груза) по правилам векторной алгебры. Удивительно, но иногда это упускают из вида!

Сложный статистический анализ многократных тестов оказался не нужен, так как результаты удивительно близки и больше зависят от характеристик веревки и силы удержания. В большинстве случаев я использовал среднее значение 3 тестов.

Как видите, я работал и с тонким 4-миллиметровым репшнуром, что помогло лучше понять особенности работы различных устройств с разными диаметрами веревок. Кроме того, меня интересовала возможность создания страховочного устройства, которое могло бы удовлетворительно работать даже с таким тонким шнуром.

Некоторые исследователи приводят абсолютные значения усилия удержания веревки рукой и результирующей силы торможения в Ньютонах и килоньютонах, но я предпочитаю более наглядное соотношение этих сил. Важно отметить, что это отношение зависит от силы удержания, поэтому эта величина должна быть упомянута в публикациях.

Результаты, конечно, будут зависеть и от свойств используемой веревки – ее жесткости, наличия пропитки, состояния оплетки, но это неизбежно, пока не определена "стандартная испытательная веревка". Чтобы сравнивать результаты разных испытаний, при публикации обязательно необходимо указывать диаметр и тип используемой веревки.

Испытания на общую прочность.
Альпинисты настолько привыкли выяснять, «насколько это прочно?», что неизбежно задаются этим вопросом по отношению к страховочным устройствам. Для большинства таких устройств рабочая нагрузка достаточно низка, чтобы опасаться за их прочность. Хотя и можно создать достаточно прочное, но легкое страховочное устройство, вряд ли оно будет пользоваться спросом у альпинистов, вызывая у них недоверие к надежности такой ажурной конструкции.
Другое дело, когда нагрузка прикладывается не к карабину, как в шайбе Штихта, а полностью ложится на само устройство, например - при работе ATC Guide в автоблокирующем режиме. Я не проводил таких испытаний на прочность страховочных устройств. Интересующимся этим вопросом, рекомендую прекрасную статью Марка Беверли и Стивена Аттавея «Насколько можно доверять своему страховочному устройству?» [4]. В своих статических и динамических испытаниях они использовали стопорный узел позади испытываемых устройств (единственный способ избежать вытравливания веревки под большой нагрузкой). Обнадеживает то, что за единственным исключением, все испытанные ими страховочные устройства выдержали нагрузку, превышающую порог протравливания веревки в реальных условиях.

Влияние силы удержания веревки рукой.
Очевидно, что эффективность торможения будет зависеть от силы удержания веревки страхующим. Для измерения этой зависимости я использовал свой ATC XP – довольно типичное страховочное устройство. Рис. 12 наглядно показывает, что при испытаниях необходимо прикладывать реальную силу, а не использовать более удобный маленький груз!
Рис. 12. Зависимость силы торможения от усилия удержания веревки для ATC XP.

Практические замечания

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ
Немногие осознают, что страховочные устройства весьма ограничены в своих возможностях. Лишь немногие известные страховочные устройства способны гарантированно остановить опасное падение с фактором около 2. С большинством устройств, страхующий рискует получить тяжелые ожоги рук и потерять контроль над веревкой даже при падениях лидера с фактором значительно менее 1.

Энергия, образующаяся при серьезном падении, очень велика и излишек этой энергии, не поглощенный веревкой и страховочным устройством, уходит в руку страхующего, преобразуясь в тепло. При этом кожа руки быстро нагревается, после чего обожженная рука рефлекторно разжимается и выпускает страховочную веревку. Приемлемая длина протравливания веревки через голую руку оценивается от 0.5 до 1.5 метров, в зависимости от силы сжатия веревки рукой. К сожалению, в инструкциях производителей к страховочным устройствам редко предупреждается и иллюстрируется необходимость ношения перчаток для страховки лидера.


Автоблокирующиеся страховочные устройства.
Что касается устройств этого типа, мне известно о независимых испытаниях только «GriGri» Petzl и Trango «Cinch». GriGri, хоть и не является идеальным страховочным устройством и плохо подходит для некоторых видов восхождений, но это – единственное серийное устройство, выдерживающее рывок с фактором 2. Поскольку при срабатывании устройство достаточно надежно зажимает веревку, небольшое протравливание не приводит к катастрофическим последствиям. Даже если страхующий и выпустит веревку из рук, действие блокировки продолжается до полной остановки падения. Судя по конструкции, так же действует Edelrid «Eddy» и некоторые другие подобные устройства, но их производители не дают никакой информации о протравливании веревки и эти устройства не проходили независимых испытаний. Фирма Petzl приводит для GriGri пороговое усилие и величину протравливания для разных диаметров веревки – пример, достойный подражания. Я проверял работу GriGri с репшнурами 4 и 7 мм, но это выходит за определенные фирмой пределы использования устройства, поэтому здесь результаты не привожу. Petzl также выпускает специальную версию GriGri для тонкой 7-миллиметровой веревки, но я с ней не работал. Было бы интересно попробовать эту модель.

Узел УИАА (HMS, узел Мунтера, итальянский узел. В России известен также как «пожарный» или «полустремя»).
Этот узел, требующий специального карабина, для страховки впервые был предложен итальянцем Марио Бисаччио (Mario Bisaccia). К изобретению этого узла швейцарец Мунтер не имеет никакого отношения, он – автор другого страховочного устройства. Хотя узел УИАА и не обладает свойством самоблокирования, это – почти идеальное устройство страховки, хотя проблемы со скручиванием веревки и неудобство работы с двойной веревкой весьма ограничивают его применение. Эффективность торможения гораздо лучше, чем у других обычно используемых устройств, особенно при работе с тонкими веревками. Пожалуй, кроме упомянутого выше GriGri, узел УИАА – единственное распространенное устройство страховки, способное надежно остановить падение с большим фактором.

Двойной узел УИАА мало известен за пределами сообщества профессиональных гидов, но для спуска очень тяжелого груза, этот узел незаменим. Страховать им, конечно, слишком затруднительно. В моих испытаниях этот узел оказался самым сильным «страховочным» (точнее – спусковым) устройством, которое я когда-либо проверял. Соотношение сил составило 24:1, когда GriGri на другом конце начал протравливать веревку! Удивительно, но веревка не показала после этого никаких признаков повреждения или износа в узле. Впечатляющий результат!


Восьмерка.
Разработана как устройство для спуска, но затем стала использоваться и для страховки. Простейшая восьмерка большого размера обладает вероятно самым ценным для любого страховочного устройства свойством – небольшой потерей эффективности при работе с более тонкими веревками, что увы, справедливо лишь при соответствующей силе удержания веревки. Как и узел УИАА, подкручивает веревку, что доставляет большие неудобства при работе с двойной веревкой. Это крупногабаритное устройство все реже используется для нижней страховки на альпинистских восхождениях.


Шайбы Штихта / «стаканы» или «корзинки».
Некоторые относят эти устройства к разным классам, но принцип их работы один и тот же, поэтому я обозначаю все подобные устройства как «шайбы Штихта».

Свою родословную эти устройства ведут от звена обычной морской цепи. Затем Фриц Штихт (Fritz Sticht) предложил использовать для торможения простейшую металлическую пластину со щелями. Теперь на рынке представлено множество подобных страховочных устройств разной формы, цветов и оттенков. В коллекции доктора Гари Сторрика (Gary Storrick) собрано более 130 различных моделей шайб. Хотя за прошедшие 40 лет в их конструкции произошли некоторые усовершенствования, эффективность торможения выросла не намного (зато повысилось качество отделки, и сильно выросла цена).

Рассматривая энергию, расходуемую на торможение, оказывается, что традиционная шайба действует не хуже ее потомков – «стаканов» и даже начинает выигрывать у них при использовании более толстых веревок. При испытаниях выяснилось, что звено обычной цепи работает не хуже стандартной шайбы Штихта и многих ее современных аналогов! (Алюминиевое звено цепи - оказалось самым миниатюрным и легким тормозным устройством из всех, когда-либо производившихся).

Тенденция к использованию более тонких веревок заставляет конструкторов увеличивать степень торможения современных «стаканов» за счет применения клиновых щелей с разными рекламными названиями, но они не в состоянии превзойти обычную шайбу Штихта в режиме сильного торможения (с двумя карабинами). Использование дополнительного оборота веревки вокруг карабина почти вдвое увеличивает степень торможения. Это – прекрасная идея для спуска по одинарной тонкой веревке, но остерегайтесь повреждения веревки, как показано на рисунках 6 и 7 выше. При страховке этим способом устройство прекрасно управляется, но появляется проблема с положением карабина, подобно работе с узлом УИАА. Убедитесь, что веревка не нажимает на защелку карабина! Трудно объяснить это на словах, лучше попробуйте поиграть с этим у себя дома, (или посмотреть на фото 13 – прим. пер.). Закручивание веревки при этом способе - также является проблемой при спусках. С таким же успехом вы можете выбросить шайбу и использовать узел УИАА.
Фото 13: Дополнительный оборот веревки для увеличения трения и опасное положение веревки на карабине.

От длины и ширины щелей в шайбе зависит ее пригодность для работы с веревками разных диаметров. Более тонкие веревки, эффективнее тормозятся в маленьких щелях, но этот эффект не так велик, как можно подумать. Уменьшение щелей затрудняет работу даже с тонкими веревками, не говоря уже о том, что для того, чтобы протаскивать через такую щель толстую веревку, надо иметь стальные пальцы!

Заметьте: в некоторых испытаниях DAV для «стаканов», при заправке единственной тонкой (около 9мм) веревки были получены парадоксально высокие степени торможения. В зависимости от карабина и конструкции устройства, карабин разворачивался в щели и зажимал веревку. Это особенно характерно для более высоких «стаканов». Естественно, нельзя полагаться на этот эффект при систематическом использовании шайб, особенно при работе с двойной веревкой.

Результаты испытаний.

В качестве образцов для сравнения я использовал выпускаемые серийно страховочные устройства - GriGri фирмы Petzl, шайба Штихта фирмы Camp и ATC XP фирмы Black Diamond в положениях малого (Lo) и сильного (Hi) трения. Я не имею никаких коммерческих интересов по отношению к этим устройствам, считаю, что все они имеют превосходную конструкцию и использую их для страховки на своих собственных восхождениях. Данные о протравливании GriGri под нагрузкой взяты из информации изготовителя и совпадают с результатами моих собственных испытаний.

При испытаниях я использовал следующие веревки: - 10-мм Mammut Alto без пропитки, 10-мм Tendon Smart со стандартной пропиткой, 9-мм полуверевку фирмы Roca без пропитки, а так же 7 и 4мм репшнуры Tendon (Lanex).

Синяя линия (опытный образец, разработанного мной страховочного устройства) показывает, каких результатов можно добиться от устройства неавтоблокирующего типа.

Испытания проводились с усилием удержания 300Н, поэтому для сравнения с данными других испытаний, нужно использовать поправочный коэффициент. Для этого можно воспользоваться графиком на рис. 12.
Рис. 14. Результаты испытаний.


Исследование влияния характеристик веревок не было целью моих испытаний, поэтому сделаю лишь несколько попутных замечаний и наблюдений.

·Сила торможения новой и мягкой веревки примерно на 20 % меньше, чем старой, жесткой и выдержавшей несколько циклов испытаний.

·Сила торможения для загрязненной (песком) веревки увеличивается приблизительно на 20 %.

·Сила торможения намокшей веревки снижается на 20 %, по сравнению с сухой. Я не испытывал веревки с пропиткой, защищающей от намокания, поскольку не пользуюсь ими для своих восхождений.

·Протягивание веревки через страховочное устройство в большинстве тестов приводит к ламинированию (подплавлению) оплетки. Чем больше усилие протягивания, тем сильнее этот эффект. При последующем протягивании ламинированного участка веревки, сила торможения снижается примерно на 20 %. Производители веревок уверяют нас, что это оплавление оплетки не опасно и исчезает при дальнейшем использовании веревки.
Рис. 15. Оплетка веревки, заламинированная при протягивании через страховочное устройство.


Пропитка веревки для защиты от намокания неизбежно приводит к снижению силы торможения как из-за уменьшения силы изгиба (из-за внутренней смазки волокон), так и из-за непосредственного уменьшения коэффициента трения. Уменьшение трения веревки о скалы и карабины, а также повышенная гибкость веревки - весьма приятые особенности, но необходимо учитывать, что это приводит к уменьшению надежности некоторых узлов и затруднению удержания веревки страхующим, подобно работе с тонкими веревками. Различие между старой 11-миллиметровой веревкой, использующейся на скалодромах, и сверхтонкой веревкой для восхождений огромно и это надо принимать во внимание при обучении новичков-альпинистов. К сожалению, изготовители не сообщают нам, как влияет пропитка их веревок на трение и эффективность страховки.

Некоторые выводы

Как и во многих других случаях, работа страховочного устройства - вынужденный компромисс. Более жесткое торможение быстрее остановит падение альпиниста, но сильнее нагрузит цепь страховки. Более мягкое торможение увеличивает риск травмы, в том числе и для страхующего. Факторы, определяющие границы этого компромисса ясны –

1.способность любой части страховочной цепи (в первую очередь - верхней точки страховки) выдержать силу рывка и

2.длина протравливания страховочной веревки рукой страхующего. В какой-то момент, протравливание приводит к ожогу руки страхующего с последующей потерей им контроля над страховочной веревкой.

Чтобы ограничить усилия в страховочной цепи, желателен динамический стиль страховки, но эффективность этого приема снижается из-за соответствующего увеличения глубины падения, как можно видеть на графике рис. 16. Этот график показывает только качественную зависимость, но можно считать, что для ограничения нагрузки на верхнюю точку 5кН, протравливание более ¼ глубины падения становится малоэффективным. Естественно, искусственное увеличение глубины падения альпиниста само по себе - очень плохая идея из-за повышения риска травмы при столкновении с рельефом!
Рис. 16. Эффективность протравливания.

Длину протравливания также ограничивает болевой порог страхующего. В худшем случае, страхующий может инстинктивно отпустить веревку, обжигающую его руку, и «уронить» падающего напарника. Таковы грустные факты. DAV недвусмысленно указывал в статьях, что многие страховочные устройства малопригодны для удержания падений с большими факторами, особенно если не пользоваться перчатками. Некоторые производители страховочных устройств также упоминают об этом, но эти предупреждения теряются в потоке рекламных заявлений!

Если все элементы цепи страховки достаточно надежны, страховочные устройства с высокой эффективностью торможения, очевидно, предпочтительны в большинстве ситуаций. Однако, при использовании сомнительных точек страховки, единственный путь снизить нагрузку при срывах - использовать новую веревку, и амортизаторы рывка, например – разрывного типа, хотя эффективность амортизаторов уменьшается при падениях на большую глубину.

В идеале страховочное устройство, видимо, должно быть автоматическим и иметь регулируемое (предварительно устанавливаемое) усилие торможения, позволяя страхующему делать сознательный выбор между степенью снижения нагрузки на цепь страховки и увеличением глубины падения. Из неавтоматических устройств, позволяющих динамически управлять усилием торможения (учитывая необходимость использования перчаток) и способным останавливать самые опасные падения, самым близким к идеалу является узел УИАА, хотя у него и есть проблемы при работе с двумя веревками.

Библиография
Избранные ссылки с полезной информацией по устройствам страховки и их испытаниям.

1. Непревзойденная коллекция более 1200 страховочных, спусковых и других устройств Гарри Сторрика!

2. Библиография статей по веревкам и снаряжению ассоциации разработчиков и испытателей спасательного снаряжения

3. Презентация исследования работы спасательных страховочных устройств Тома Мойера. Содержит полезные сведения, хотя некоторые вопросы рассмотрены поверхностно.

4. Статья Марка Беверли и Стивена Аттавея о стандартизации и надежности страховочных устройств. Приводится результаты статических и динамических испытаний нескольких страховочных устройств.

5. Статья Стивена Аттавея по расчету нагрузок на страховочную веревку.

6. Статья об особенностях использования страховочной веревки большой длины при спасательных работах.

7. Статья Стивена Аттавея о роли трения. К сожалению, использование только формулы Эйлера для кабестана для оценки страховочных и спусковых устройств некорректно.

8. Статья Тимоти Мэнинга «Механика работы спасательных систем». В расчетах используется неправдоподобно высокий коэффициент трения!

9. Немецкие динамические испытания страховочных устройств при небольшом факторе падения (0,4). Тестировались GriGri, Sirius, узел УИАА и страховочные восьмерки различных форм. Рассказано также и о методике проведения испытаний. Статья на немецком языке, но с наглядными таблицами результатов и рисунками.

10. Исследование страховочных устройств немецкой комиссией по безопасности. Рассмотрена связь между диаметром веревки, силой удержания веревки страхующим и эффективностью устройства страховки. Статья на немецком языке, но содержит наглядные таблицы и рисунки.


-------

ПРИМЕЧАНИЯ И ДОПОЛНЕНИЯ от переводчика.

Сравнение результатов тестов страховочных устройств.

Интересно сравнить результаты Титта с испытаниями комиссии DAV, о которых рассказывалось в предыдущей части. Как видно из рис. 17, результаты хорошо согласуются для восьмерки и АТС, и резко отличаются для узла УИАА.

Возможно, это связано с различными конфигурациями узла. Джим испытывал узел с большим углом между ветвями веревки, как показано на рис. 18. При этом узел УИАА имеет меньшую эффективность, по сравнению со способом, показанном на рис. 19.
Рис. 18 Узел УИАА в режиме малого торможения.

Рис. 19. Узел УИАА в режиме повышенного торможения.




--------------------
Результат исследований Титта послужил основой для создания страховочного устройства «Chicane», представленного фирмой DMM на выставке OutDoor Show-2010.

Для надежной страховки современными тонкими веревками, необходимо увеличивать эффективность их торможения в страховочном устройстве. До сих пор, разработчики – «стаканостроители» шли по пути увеличения силы трения, используя одну и ту же схему заправки веревки в устройство. Недостаток этого пути - сильная зависимость от состояния веревки. Поскольку, как показали исследования, изгиб веревки вносит очень существенный вклад в торможение, Джиму пришла в голову мысль увеличить число изгибов веревки в страховочном устройстве. Этот принцип отлично работает в «решетках», широко используемых спелеологами и американскими спасателями, однако альпинисты и скалолазы предпочитают более компактные и легкие устройства. Но почему бы не заставить веревку изгибаться не в одной плоскости, а в нескольких? Эта идея была проверена на модели-прототипе и доказала свою эффективность (синяя линия на графике рис. 14). Дальнейшее усовершенствование пошло по пути снижения степени торможения для толстых веревок и еще большего ее увеличения – для тонких. Затем последовала оптимизация кривизны рабочих поверхностей с использованием теории фракталов, улучшение теплопередачи, и тому подобных наукоемких технологий, и результат – на фотографии.
Рис. 20. Страховочное устройство DMM «Chicane» предназначено для работы с веревками диаметром от 7,5 до 11мм, вес устройства – 56 грамм. (Картинка с выставки OutDoor Show 2010).

Чем тоньше используемая веревка, тем больше ее изгиб на выходе из этого устройства и, соответственно - больше торможение. Таким образом, падение эффективности при использовании тонких веревок оказывается минимальным.

«Chicane» пока не появилось в широкой продаже, но отзывы людей, тестировавших пробные образцы весьма благоприятны. В конечном счете, насколько удачным окажется этот «стакан», покажет лишь широкая практика его использования.


Продолжение следует…