Universitatea din Craiova [304425]

Direcția de cercetare II.

[anonimizat]-[anonimizat]-un mediu vibrator. Acțiunea vibratorie cea mai importantă se manifestă în timpul transportului. [anonimizat] a organismului uman la condițiile impuse de acestea. Problema constă în explicarea fenomenelor fiziologice și patologice (așa numita “boală a mișcării”), [anonimizat] a organismului în condiții extreme și la elaborarea mijloacelor de protecție și a altor mijloace biomedicale.

Caracterizarea forțelor. Forțele pot fi transmise corpului prin intermediul unui gaz, a unui lichid sau a unui solid [3]. Ele pot fi distribuite sau concentrate pe o [anonimizat]. Forma corpului solid care lovește suprafața corpului omenesc interesează în aceeași măsură ca și poziția sau forma corpului omenesc însuși. [anonimizat], explozii, lovituri, vibrații etc. [3].

Șocul. [anonimizat] „șoc” are alt înțeles decât în inginerie [5], de aceea trebuie avut mare grijă pentru a nu confunda diferitele sensuri ale acestui termen. În sens ingineresc, o undă de șoc este o [anonimizat] o viteză mai mare decât cea a sunetului prin mediul respectiv. [anonimizat], [anonimizat] o [anonimizat]. [anonimizat] o variație bruscă a unei sau mai multor funcții fiziologice.

Vibrația. [anonimizat], vibrația este termenul utilizat pentru a descrie mișcările oscilatorii ale unui corp sau ale unui sistem de corpuri [5]. [anonimizat] o denivelare, [anonimizat]. [anonimizat].

Recent au fost elaborate diferite metode de observare și studiere în laborator [8] a reacției organismului omenesc la acțiuni mecanice aplicate diferitelor părți ale acestuia.

Oscilațiile elastice care se propagă în mediu sub forma undelor longitudinale cu frecvențe până la 22 Hz se numesc “infrasunet” [7]. Aceste unde pot avea orice tip de proveniență. Acțiunea acestora asupra țesutelor organelor sau a întregului organism uman. [anonimizat], a turbinelor, a motoarelor, [anonimizat], tulburări ale vederii, o slăbire generală și senzația de presiune în timpane.

S-au efectuat încercări speciale ale mușchilor sănătoși supunându-i iradierii sonore cu frecvența de 10 Hz și nivelul de 135 dB în decurs de 15 minute [8]. Pacienții acuzau o foarte sensibilitate la oscilațiile organelor interne proprii sau ale unor grupe de mușchi, însoțite de “greutate în cap”, uscăciune în gură, înghițire greoaie, umezirea mâinilor, oboseală, vedere neclară și presiune în urechi. Normele ergonomice limitează nivelul zgomotului, în încăperile de lucru, la valori maxime de 80~85 dB [4].

S-a stabilit că energia zgomotului, după trecerea prin analizorii de zgomot, ajunge în diferite compartimente ale creierului și modifică procesele normale ale dinamicii activității nervoase superioare [6]. Zgomotele intense distrug echilibrul proceselor de excitație și frânare dezorganizând reacții vegetative. Unii cercetători au observat modificare activităților electrice ale creierului, care implicit impune tulburarea vederii la acțiunea zgomotului. La funcționare în mediu cu zgomot având intensitatea mai mare de 100 dB are loc o dezorganizare a tuturor sistemelor organismului [4].

Problema influenței vibrațiilor asupra sistemelor separate ale organismului are o mare importanță. Această problemă devine și mai importantă atunci când se analizează influența vibrațiilor însoțite de zgomot. Studii interesante în această direcție s-au efectuat asupra alimentării creierului cu sânge [2]. Astfel, s-a stabilit că acțiunea vibrațiilor având frecvența de bază de 63 Hz, combinată cu un zgomot de 88 dB, în curs de o oră provoacă slăbirea undei pulsatorii și a tonusului vaselor creierului. Acesta duce la reducerea activității de contracție a vaselor sanguine și a vitezei fluxului de sânge, reducere care este legată de dificultatea scurgerii sângelui venos din creier.

În corpul uman vibrațiile sunt generate de surse interne sau externe. Din cauza țesuturilor moi, a oaselor, articulațiilor, organelor interne și, de asemenea, din cauza particularităților componentelor sale anatomice, în general, corpul uman reprezintă un sistem vibrator complex. Vibrațiile de la sursele externe se pot transmite corpului uman când acesta se află în diverse poziții: în picioare, șezând, în poziție culcată, în mișcare sau în procesul muncii.

CARACTERISTICI ALE ORGANISMULUI UMAN UTILIzATE îN analiza influențEI șocurilor și A vibrațiilor asupra acestuia

Barbu Daniela Mariana

Universitatea Transilvania din Brașov

Rezumat:

Cuvinte cheie: organism uman; vibrații; șocuri; protecție.

În corpul uman vibrațiile sunt generate de surse interne sau externe. Din cauza țesuturilor moi, a oaselor, articulațiilor, organelor interne și, de asemenea, din cauza particularităților componentelor sale anatomice, în general, corpul uman reprezintă un sistem vibrator complex. Vibrațiile de la sursele externe se pot transmite corpului uman când acesta se află în diverse poziții: în picioare, șezând, în poziție culcată, în mișcare sau în procesul muncii.

1. Caracteristici anatomice

Din punctul de vedere al structurii, corpul omenesc este format dintr-un schelet osos tare, ale cărui elemente sunt legate prin ligamente fibroase foarte rezistente și care este învelit de mușchi și de țesutul conjunctiv. Viscerele sunt conținute în interiorul cavității formate de coaste și în cavitatea abdominală.

O schiță a scheletului este prezentată în figura 1. Coloana vertebrală ușor curbată reprezintă elementul structural central. Ea este formată din vertebre, care sunt de fapt elemente cilindrice portante, separate prin discuri fibro-cartilaginoase. Craniul este așezat în partea superioară a coloanei vertebrale, fiind menținut de către mușchi și țesuturile conjunctive. În porțiunea inferioară, mai multe vertebre se contopesc, formând osul sacru, aparținând ansamblului centurii pelviene. De ambele părți ale centurii pelviene, în zona ei inferioară, există un locaș emisferic, în care intră capătul superior al femurului. Sub femur se găsesc tibia și peroneul, care la rândul lor se reazemă pe gleznă și pe oasele labei piciorului. Toate articulațiile sunt menținute prin ligamente flexibile, dar relativ inextensibile, formând o rețea încrucișată care permite mișcarea articulațiilor în direcția corespunzătoare fără ca ligamentele să fie întinse prea mult.

În poziția „ideală" de stat în picioare, o linie verticală dusă prin centrul de greutate al corpului, trece prin vertebra lombară inferioară și cea sacrală superioară, puțin prin spatele cavităților articulației șoldului și prin fața articulațiilor genunchiului și gleznei. În partea superioară, această linie trece prin fața curbei toracice a coloanei vertebrale și prin vertebrele aflate la baza craniului. Loviturile verticale pot fi preluate prin comprimarea pernelor (discurilor) de la articulații și prin încovoierea coloanei vertebrale. Adesea apare și un mic moment de rotire a pelvisului, în special la adulții mai în vârstă. Micile deviații de la simetrie, datorite poziției corpului pot produce o distribuție pronunțat asimetrică a forțelor, în cazul unei lovituri verticale.

Musculatura corpului, prinsă pe schelet prin tendoane și strânsă într-o rețea de țesuturi conjunctive, formează structura de suport secundară pentru schelet și articulații. Grăsimea și pielea conțin de asemenea țesuturi conjunctive. La solicitarea de compresiune, țesuturile moi se aseamănă – în ceea ce privește proprietățile lor mecanice – cu apa, dar la forfecare se apropie de comportarea gelurilor mai puțin elastice, cu proprietăți reologice neliniare și cu frecări interne.

Viscerele conținute în cutia toracică și în cavitatea abdominală sunt constituite din țesuturi moi, formând elemente încapsulate separat, care se pot mișca liber unul în raport cu celălalt; ele sunt prinse fiecare prin membrane și ligamente, și susținute în colectiv de către oasele, mușchii și țesuturile conjunctive ce le înconjoară. Greutatea lor este cuprinsă între zecimi de newton până la zeci de newtoni, iar majoritatea membranelor ce le suportă sunt relativ flexibile.

Lichidul din corp constă din: cinci până la șase litri de sânge în inimă, artere, vene și capilare; 100 până la 150 cm3 de lichid cefalorahidian, care înconjoară creierul și măduva spinării și se găsește de asemenea în cavitățile ventriculare ale creierului; un lichid interstițial, care se găsește în întregul corp și care scaldă celulele și țesuturile, dar nu se găsește nicăieri în organism concentrat în cantitate mai mare; lichidul conținut periodic în stomac, intestine și vezica urinară. Substanțe gazoase se găsesc în: sinusurile cutiei craniene, cavitatea nazală, trahee, plămâni și adesea în stomac și intestine. Ultimele două organe conțin uneori și substanțe solide.

Celulele din care este alcătuit corpul omenesc au dimensiuni și forme foarte diferite. Diametrele lor au valori cuprinse între 0,02 mm până la 0,2 mm. Forma poate fi sferică, discoidă, cilindrică, plată sau foarte neregulată, multe celule având prelungiri filamentare proeminente.

Țesuturile moi constau din celule, legate printr-un țesut conjunctiv și prin legături intercelulare. Sângele este un lichid ce conține în aproape 50% din volum globule roșii, de forma unor discuri, și un număr mai mic de globule albe. Țesuturile moi au o mare varietate structurală. Mușchii striați (voluntari) sunt formați din fâșii paralele de celule lungi și subțiri, care pot fi fie relaxate, fie contractate. Controlul contracției musculare este efectuat de celulele nervoase, care acționează asupra unui mic grup de fibre musculare. De aceea, în ansamblu, un mușchi poate avea diferite grade de contracție, deși fibrele individuale prezintă, numai două stări posibile. În acest mod, comportarea elastică a mușchiului poate varia în limite foarte largi. Mușchii netezi (involuntari) există în special în pereții organelor cavitare, cum ar fi stomacul, intestinele, vasele de sânge și alte organe cu funcții speciale. Inima este formată dintr-un tip special de fibră musculară.

Țesutul nervos este parțial celular (substanță cenușie), parțial fibros (substanță albă). Ultimul conține mult material adipos introdus în învelișul fibrelor.

Structura oaselor este foarte complexă. Ele sunt formate dintr-un strat exterior din material dur și compact, sub care se găsește un strat spongios; straturile sunt astfel aranjate încât să prezinte o rezistența maxima față de solicitările întâlnite în mod obișnuit. La anumite oase, măduva conține și țesuturi sangvine.

2. Constante fizice și caracteristicile răspunsului mecanic

În tabelul următor este dată lista unor caracteristici mecanice dinamice ale corpului omenesc, cu domeniile corespunzătoare de aplicare.

Tabelul 1. Utilitatea studiilor mecanice efectuate asupra corpului omenesc

Majoritatea caracteristicilor fizice ale corpului omenesc prezentate în acest paragraf (cu excepția celor privind rezistența) s-au obținut prin analiza rezultatelor experimentale, considerând corpul omenesc drept un sistem mecanic pasiv și liniar. Desigur, aceasta este o ipoteză valabilă numai în cazul amplitudinilor foarte mici, rezultatele prezentate neputând fi utilizate în studiul rănirilor mecanice ale țesuturilor. În realitate, chiar mult sub amplitudinile necesare pentru a produce râniri, răspunsul este neliniar.

Comportarea oaselor este asemănătoare cu cea a corpurilor solide obișnuite. în schimb, țesuturile elastice moi (ca de exemplu mușchii, tendoanele și țesuturile conjunctive) se comportă asemănător cu elastomerii în ceea ce privește valorile modulului de elasticitate longitudinal și forma de S a curbei tensiune-alungire specifică. Aceste proprietăți au fost studiate și corelate cu relațiile cvasi-statice, presiune-volum ale organelor cu cavități interioare (cum ar fi arterele, inima și vezica urinară), considerând comportări liniare la analiza răspunsurilor dinamice. Deci țesutul moale poate fi descris fenomenologic ca fiind un mediu vâsco-elastic; deformațiile plastice trebuie luate în considerare numai dacă apar răniri. Proprietățile mecanice ale țesuturilor corpului omenesc sunt rezumate în tabelul 2.

Tabelul 2. Proprietățile fizice ale țesuturilor corpului omenesc

Datorită dimensiunilor geometrice, precum și a structurii compuse atât din țesuturi moi cât și din oase, corpul omenesc reprezintă un sistem, care, în funcție de domeniul de frecvențe, prezintă diferite tipuri de răspuns la vibrații. La frecvențe joase (sub aproximativ 100 Hz), în majoritatea aplicațiilor, corpul poate fi considerat drept un sistem cu parametri concentrați; fenomenele de rezonanță apar datorită interacțiunii maselor de țesuturi cu structurile pur elastice. La frecvențe mai înalte, trecând prin domeniul frecvențelor audio, până la aproximativ 100 000 Hz, corpul se comportă asemănător unui sistem complex, cu parametri distribuiți, modul de propagare a undelor (unde transversale, unde de suprafață sau unde longitudinale) fiind influențat mult de configurația geometrica și de forma suprafețelor de separație.

2.1. Domeniul frecvențelor joase

Modelele mecanice simple, asemănătoare celui reprezentat în figura 2 pentru un om stând în picioare, sunt de obicei suficiente pentru descrierea și înțelegerea caracteristicilor principale ale răspunsului corpului omenesc la vibrații de frecvență joasă. Totuși, stabilirea valorilor numerice ale parametrilor modelului este dificilă, deoarece aceștia depind în mare măsură de modul de excitare, de tipul și poziția corpului omenesc supus încercărilor, precum și de tonusul muscular.

Corpul omenesc supus la vibrații în direcție longitudinală. În figura 3 este reprezentată, variația impe-danței mecanice a unui om aflat în picioare sau așezat pe o platformă ce vibrează pe direcție verticală. La frecvențe sub aproximativ 2 Hz, corpul se comportă ca o masă unitară. Pentru omul așezat, prima rezonanță, apare între 4 și 6 Hz; pentru omul aflat în picioare, vârfurile de rezonanță apar la aproximativ 5 și 12 Hz. Valorile numerice ale impedanței, împreuna. cu unghiul de fază, permit calcularea energiei totale transmisă omului supus încercărilor.

Rezonanțele ce apar între 4 și 6 Hz, ca și între 10 și 14 Hz, sugerează niște combinații masă – arc formate din:

trunchiul complet, împreună cu partea inferioară a coloanei vertebrale și cu centura pelviană și

partea superioară a trunchiului cu mișcările de încovoiere spre în față ale părții superioare a coloanei vertebrale.

Ipoteza apariției încovoierii părții superioare a coloanei vertebrale se bazează pe observațiile asupra răspunsului tranzitoriu al corpului la sarcini verticale aplicate prin șoc și a fracturilor prin comprimare legate de acestea. Încărcarea cea mai mare apare în zona dintre cea de a 11-a vertebră toracică și cea de a doua vertebră lombară, care poate fi considerată, de aceea, suprafața în jurul căreia se produce încovoierea părții superioare a trunchiului. Deoarece centrul de greutate al bustului este mult mai în față decât coloana vertebrală, mișcarea de încovoiere va apărea chiar dacă forța este aplicată paralel cu axa coloanei vertebrale. Acest fenomen este considerabil influențat de modificarea direcției forței, adică aplicarea acesteia sub un unghi oarecare față de coloana vertebrală (de exemplu, prin înclinarea trunchiului către în față). În mod asemănător, centrul de greutate al capului se poate afla mult în fața articulației gâtului, care permite mișcarea de înclinare a capului în față și în spate. Aceasta face ca în locul mișcării pur verticale să apară o mișcare față-spate.

Studiile arată că între 20 și 30 Hz capul prezintă o rezonanță mecanică, amplitudinile deplasărilor sale putând depăși de trei ori pe cele ale umărului. Importanța acestei rezonanțe este legată de scăderea acuității vizuale sub influența vibrațiilor. Aceleași turburări se constată într-un domeniu de frecvențe cuprins între 60 și 90 Hz și se presupune că se datoresc rezonanței globului ocular.

Unul dintre cele mai importante subsisteme ale corpului, care este excitat atât în poziția așezat sau în picioare, cât și în poziția culcat, este sistemul torace-abdomen. Organele aflate în abdomen au o mare mobilitate datorită elasticității mari a diafragmului și a volumului de aer aflat în spatele acesteia, în plămâni și în cavitatea toracică. Sub influența vibrațiilor longitudinale și transversale ale trunchiului, masa abdominală vibrează în interiorul și în afara cavității toracice, astfel că apar vibrații și în alte direcții decât cea longitudinală de excitație.

Corpul omenesc supus la vibrații în direcție transversală. Răspunsul corpului omenesc la vibrații transversale – de exemplu la vibrații orizontale, când acesta este în poziția normală, verticală – este diferit de cel corespunzător vibrațiilor verticale. În acest caz, forțele acționează pe o direcție formând un unghi drept cu linia de acțiune a forței gravitației. Din această cauză distribuția masei corpului de-a lungul acestei linii are o importanță deosebită. Astfel, răspunsul la vibrații transversale a unui corp așezat și a unuia în picioare, diferă mult, spre deosebire de cazul vibrațiilor verticale, ce corespund situației de încărcare obișnuită pentru schelet și coloana vertebrală, care de obicei preiau sarcini verticale. Figura 4 conține date experimentale privind transmiterea vibrațiilor la diferite nivele în lungul corpului.

În cazul unui om în picioare, amplitudinile deplasărilor șoldului, umărului și capu-lui sunt, la frecvența de 1 Hz, de aproximativ 20 până la 30% din amplitudinea masei vibratoare și descresc cu creșterea frecvenței. Maximele relative ale amplitudinii oscilațiilor umerilor și capului apar la 2 și respectiv 3 Hz. În cazul omului în poziția așezat se observă o amplificare a oscilațiilor șoldului la 1,5 Hz și a capului la 2 Hz. Toate frecvențele critice de rezonanță se găsesc între 1 și 3 Hz. Forma vibrațiilor transversale ale corpului poate fi aproximată cu cea a undelor staționare, comparând corpul cu o bară excitată de unde transversale (de încovoiere). Astfel, în corp există puncte nodale care se apropie din ce în ce mai mult de picioare, pe măsură ce frecvența de excitație crește, deoarece defazajul dintre elementele corpului și masa vibratoare crește continuu cu creșterea frecvenței. La prima frecvență de rezonanță (1,5 Hz) capul omului așezat are un defazaj de 180° față de masa vibratoare; între 2 și 3 Hz defazajul este de 360°.

În afara mișcărilor transversale analizate mai sus, apar de asemenea mișcări longitudinale ale capului, excitate de vibrațiile transversale. Datorită anatomiei vertebrelor superioare și poziției centrului de greutate al capului, omul execută o mișcare de clătinare a capului înainte-înapoi. La frecvențe peste 5 Hz, pentru un om fie așezat, fie în picioare, mișcarea capului are loc în special pe direcție verticală (cu aproximativ 10 până la 30% din amplitudinea mișcării orizontale a masei vibratoare).

2.2. Domeniul frecvențelor medii (propagarea undelor)

În domeniul de frecvențe peste 100 Hz modelele simple cu parametrii concentrați devin din ce în ce mai puțin satisfăcătoare pentru descrierea vibrației țesuturilor. La frecvențe mai ridicate este necesar să se considere țesutul ca un mediu continuu, prin care se propagă vibrațiile.

Vibrațiile craniului. Spectrul vibrațiilor craniului este aproximativ același cu cel al unui înveliș elastic sferic. Liniile nodale observate fac să se presupună că frecvența fundamentală, de rezonanță se găsește între 300 și 400 Hz și că rezonanțele pentru modurile superioare de vibrație apar la frecvențe în jur de 600 – 900 Hz. Raportul obținut experimental între frecvențele corespunzătoare modurilor de vibrație este de 1,7, în timp ce raportul teoretic pentru sferă este de 1,5. Valoarea constantei elastice a oaselor capului, calculată în funcție de valorile obținute la rezonanță (s-a considerat modulul de elasticitate E 1,4 x 108 N/m2) corespunde destul de bine cu rezultatele încercărilor statice, pe probe din cranii uscate, dar este ceva mai mică decât cea calculată din datele obținute la încercările statice efectuate pe femur. S-au măsurat impedanțele mecanice ale unor suprafețe mici ale craniului deasupra mastoidului, precum și impedanța pielii din canalul auditiv, rezultatele fiind folosite în studiile asupra mijloacelor de protecție a urechilor.

Impedanța țesuturilor moi ale corpului omenesc. S-au efectuat măsurători ale impedanței țesuturilor moi ale corpului omenesc pe suprafețe mici (între 1 și 17 cm2), cu ajutorul unor pistoane vibratoare, a căror frecvență era cuprinsă între 10 și 20 000 Hz. La frecvențe joase, impedanța are caracterul unei reactanțe elastice de valoare mare. La creșterea frecvenței, reactanța elastică scade, se anulează la frecvența de rezonanță și devine reactanță masică dacă frecvența crește în continuare. Aceste rezultate nu pot fi explicate pe baza unui model simplu cu parametri concentrați, ci impun modelarea pe baza unui sistem cu parametri distribuiți, incluzând un mediu vâscoelastic. Vâscozitatea ridicată a mediului face posibilă utilizarea unor ipoteze teoretice simplificatoare, cum ar fi ipoteza unui mediu omogen, izotrop și infinit sau ipoteza că elementul ce vibrează este o sferă și nu un piston cilindric. Rezultatele obținute pe baza acestor simplificări corespund cu caracteristicile măsurate. Ca urmare, este posibil să se atribuie valori absolute vâscozității tangențiale și modulului de elasticitate transversal ale țesuturilor moi. Atât teoria, cât și măsurătorile arată că, în domeniul de frecvențe audio, cea mai mare parte a energiei vibrației se propagă prin țesut sub forma unor unde transversale și nu sub forma, de unde longitudinale. Viteza undelor transversale este de circa 20 m/s, la 200 Hz și crește aproximativ cu rădăcina pătrată a frecvenței. Pentru comparație, viteza constantă a sunetului (unde longitudinale) este de aproximativ 1500 m/s. O parte din energie se propagă în lungul suprafeței corpului sub forma unor unde de suprafață, care au fost observate optic. Viteza lor de propagare este de același ordin de mărime cu cea a undelor transversale.

2.3. Vibrații ultrasonore

Pentru frecvențe peste câteva sute de mii de hertzi, în domeniul ultrasonic, cea mai mare parte a energiei de vibrație se propagă prin țesuturi sub forma unor unde longitudinale; în aceste condiții, acustica geometrică oferă posibilitatea descrierii drumului undelor cu o bună aproximație. Deoarece dimensiunile țesuturilor ce se iau în considerare sunt aproape întotdeauna mult mai mari decât lungimea de undă (aceasta este de aproximativ 1,5 mm, la 1 MHz), impedanța mecanică a țesutului este egală cu impedanța caracteristică, adică viteza sunetului înmulțită cu densitatea. Această valoare a impedanței caracteristice a țesuturilor moi este foarte apropiată de cea a apei. În acest domeniu de frecvențe cel mai important factor este vâscozitatea țesutului, datorită căreia se realizează o absorbție mai mare de energie, atunci când frecvența crește.

La frecvențe foarte înalte, vâscozitatea generează unde transversale în zonele de frontieră ale mediului, în zona de frontieră a fasciculului acustic și pe suprafețele de tranziție către medii cu constante diferite (de exemplu granița dintre mușchi și țesutul adipos sau cea dintre un țesut moale și oase). Undele transversale se atenuează însă foarte repede astfel încât nu prezintă nici o importanță din punct de vedere al transportului de energie, fiind însă de remarcat din punct de vedere al absorbției locale de energie, adică al încălzirii.

În domeniul de frecvențe între 500 KHz și 10 MHz coeficientul de atenuare (care descrie modul în care scade intensitatea sunetului în frontul plan de undă al ultrasunetelor) este numai de același ordin de mărime cu cel calculat din valoarea vâscozității țesutului, măsurată în domeniul de frecvențe audio. În acest domeniu de frecvențe, comportarea țesutului se modifică față de cea a unui mediu cu vâscozitate constantă. Absorbția pentru majoritatea țesuturilor moi are valori cuprinse între 0,5 și 2 dB/cm/MHz. Din punct de vedere al creșterii absorbției, țesuturile se pot înșirui după cum urmează: țesutul creierului, țesutul ficatului, mușchii striați, mușchii netezi, rinichii, pielea și tendoanele. Oasele au cea mai ridicată valoare a absorbției, de aproximativ 10 dB/cm. Coeficientul de absorbție ultrasonic depinde foarte mult de caracteristicile structurale ale țesutului și poate contribui la obținerea unei imagini cantitative mai clare a structurii mecanice a celulelor. Din acest punct de vedere sunt interesante anizotropiile acustice, adică acele cazuri în care atenuarea depinde de direcția de propagare; există o anizotropie a fibrelor, întâlnită la fibrele coliniare ale mușchilor striați și o anizotropie a straturilor, întâlnită la țesuturi din straturi paralele, ca cele ale peretelui abdominal.

2. efectele șocurilor și vibrațiilor

Mișcările și tensiunile mecanice ce rezultă în urma aplicării unor acțiuni mecanice asupra corpului omenesc pot produce mai multe efecte și anume:

mișcarea poate interfera direct cu activitatea fizică;

pot apărea vătămări sau distrugeri mecanice;

pot apărea efecte secundare (inclusiv fenomene subiective), care, acționând prin receptorii biologici și mecanismele de transmisie, să producă modificări în organism.

În ceea ce privește efectele termice și chimice, acestea sunt de obicei, neglijabile.

2.1. Influența de natură mecanică

Desigur modurile de aplicare și efectele forțelor asupra corpului sunt diferite. Anumite tipuri de deplasări, viteze și accelerații (dacă sunt suficient de mari) pot tulbura foarte mult activitățile senzoriale și neuromusculare, cum ar fi: citirea indicațiilor unor aparate, reglarea fină a comenzilor sau a poziției corpului etc. De asemenea, comunicațiile verbale pot fi îngreunate considerabil. Se cunosc foarte puține date privind mărimea și felul mișcării care influențează un anumit gen de activitate. Atunci când există astfel de date, acestea sunt exprimate numai din punct de vedere al posibilității omului de a tolera aceste mișcări, fără a-i deranja activitatea pe care o depune. De exemplu, tulburarea acuității vizuale ce apare datorită vibrațiilor corpului, nu depinde numai de frecvență (fig. 2), ci este aproximativ proporțională cu amplitudinea vibrației. Tulburarea poate fi limitată prin modificarea frecvenței, prin reducerea amplitudinii, sau se poate micșora influența ei prin scăderea cerințelor impuse pentru efectuarea unei anumite operații. Dacă sunt de scurtă durată și dacă nu sunt repetate la intervale foarte scurte, majoritatea operațiilor pe care le poate efectua omul nu sunt influențate direct de mișcarea mecanică ce rezultă din șocurile întâmplătoare. În general, modificarea în urma șocului a capacității de lucru a omului, apare datorită unor răspunsuri biologice sau unor vătămări mecanice.

Leziuni mecanice. Dintre multiplele tipuri și grade de vătămări mecanice ale corpului omenesc, ce apar în urma aplicării unor sarcini mecanice, câteva au făcut obiectul unor studii speciale, deoarece apar în mod obișnuit, sunt periculoase sau produc tulburări cu caracter special. Printre acestea se pot enumera: fracturile oaselor, leziunile la plămâni, rănirile peretelui interior al intestinelor, leziunile creierului, leziunile cardiace, leziunile urechii, ruperile sau distrugerile țesuturilor moi și unele tipuri speciale de leziuni cronice, cum ar fi întinderea tendoanelor, luxațiile articulațiilor sau sindromul de „deget alb" (ischemia periferică) ce apar la cei ce lucrează cu unelte vibratoare.

Răspunsuri biologice. Mișcările și solicitările de natură mecanică pot stimula receptorii senzoriali din piele sau din alte părți ale corpului, sau pot excita direct anumite părți ale sistemului nervos. Răspunsul corpului la aceste solicitări poate fi o acțiune reflexă sau numai o modificare a acesteia. Excitațiile stimulează sistemul nervos și activitatea hormonală, având o influența importantă în modificarea proceselor de metabolism legate de asimilarea hranei, activitatea musculară, activitatea de reproducere etc. Aceste modificări sunt dificil de măsurat și de corelat, ele diferă de la o specie la alta, cel puțin în ceea ce privește gradul de manifestare. Totuși, de obicei, concluziile generale obținute prin experimentările pe animale pot fi aplicate omului. Expunerea la sarcini mecanice (atunci când acestea sunt suficient de mari ca mărime și durată) are ca urmare apariția unor fenomene de oboseală, modificarea capacității de muncă, scăderea atenției etc. Ca răspuns la stimulările foarte intense, excitația centrilor nervoși poate produce reacții emoționale – cum ar fi frica sau o senzație de neplăcere – și conduc la comportări cu caracter compensator sau de protecție, fie reflexe, fie deliberate.

2.2. Efectele vibrațiilor mecanice

Leziuni mecanice. Leziunile apar la valori mari ale accelerațiilor aplicate asupra ființelor vii. Evident că date experimentale privind această problemă pot fi obținute numai prin cercetări pe animale, iar aplicarea lor în cazul omului trebuie făcută cu foarte mare grijă. S-a constatat o dependență precisă de frecvență a accelerației letale, care intervine la frecvența de rezonanță a deplasării organelor viscerale; de exemplu, șoarecii mor în câteva minute, dacă sunt supuși unor accelerații cuprinse între 10 și 20 g în domeniul de frecvențe 15 – 25 Hz; la frecvențe superioare sau inferioare acestui domeniu, timpul de supraviețuire este mai lung. Examinarea după moarte a acestor animale arată existența unor leziuni ale plămânilor, adesea ale inimii și uneori ale creierului. Leziunile inimii și plămânilor sunt, probabil, consecința lovirii reciproce a celor două organe, precum și a lovirii acestora de cutia toracică. Este interesant de semnalat faptul că în cazul expunerii la vibrații, se înregistrează și o creștere a temperaturii corpului. Deoarece aceasta se întâmplă și în cazul încercărilor de vibrații pe animale moarte, se poate trage concluzia că creșterea de temperatură are o cauză mecanică.

Observații făcute asupra omului, indică faptul că la accelerații de peste 3 g, apar dureri mari în coșul pieptului. Uneori, după expunerea la accelerații de 6 g, într-un domeniu de frecvențe cuprins între 20 și 25 Hz, timp de 15 minute, s-au găsit urme de sânge în fecale, ceea ce indică apariția unor leziuni ale intestinului sau ale rectului.

Este normal ca multe dintre fenomenele descoperite prin experimentări pe animale să apară și la oameni. Este foarte posibilă apariția unor leziuni mecanice ale inimii și plămânilor, a unor leziuni la creier, ruperea unor membrane în cavitatea abdominală și cea toracică, sau a unor leziuni intestinale. Este de asemenea probabil să apară o încălzire a corpului, când este supus vibrațiilor. Nu au fost însă încă stabilite curbele accelerație – frecvență, care să descrie aceste efecte. Simptomele subiective, reprezentate în tabelul următor, pot sau nu să prezinte importanță, deși, din punct de vedere al siguranței, ele trebuie privite cu seriozitate.

Datorită acțiunii îndelungate a vibrațiilor, chiar la nivele care nu produc efecte acute aparente, pot apărea leziuni cronice. În practică, astfel de efecte sunt de obicei urmarea expunerii la lovituri repetate sau zdruncinături întâmplătoare și mai rar unei mișcări sinusoidale. Când asupra corpului omenesc se aplică solicitări mari la intervale relativ scurte, devine importantă relația dintre intervalul de aplicare și timpul de răspuns al țesutului. Expuneri la astfel de forțe apar frecvent în timpul călătoriei cu diverse vehicule. Oscilațiile de tip „buffeting" la avioane sau la navele mici de mare viteză și zdruncinăturile vehiculelor grele ce se deplasează pe teren accidentat dau naștere unor zguduituri neregulate. Sunt rare situațiile în care apar leziuni acute în urma expunerii la un astfel de regim, dar sunt frecvente plângerile privind senzația de incomoditate și apariția unor leziuni cronice de importanță minoră. Conducătorii de autocamioane și autotractoare au adesea deplasări sacroiliace. Câteodată, urmele de sânge în urină pun în evidență leziuni minore ale rinichilor. Durata expunerii la un astfel de regim și detaliile privind modul de rezemare a corpului joacă un rol important în această problemă.

Leziunile cronice pot apărea și datorită vibrațiilor cu caracter local. Un exemplu clasic legat de aceasta îl constituie durerile și amorțelile degetelor ce apar când este frig, la multe din persoanele care mânuiesc polizoare de mână sau care lucrează timp de câteva luni cu utilaje ca ciocane și perforatoare pneumatice. Se pare că agregatele mai grele și cu mișcări lente produc zdruncinări mult mai intense. Există o literatură clinică vastă privind această problemă, dar se știe încă puțin despre mecanismul apariției leziunilor și despre forțele reale care le produc. Uneori pot apărea și multe componente de frecvență înaltă. Solicitările repetate aplicate asupra țesuturilor afectează vasele capilare și nervii periferici.

Răspunsurile fiziologice. Modificări ale respirației, ale activității inimii și circulației periferice s-au observat atât la om, cât și la animale, ca răspunsuri imediate la un regim moderat de vibrații. Unele reflexe posturale (de poziție) par a fi inhibate de către mișcarea vibratorie.

2.3. Efectele șocului mecanic

Șocul mecanic include diferite moduri – cu efecte similare, dacă nu chiar identice – de aplicare a forțelor. Exploziile, comprimările și destinderile rapide, șocurile și loviturile datorite variațiilor rapide ale vitezei corpului sau obiectelor în mișcare produc asupra corpului forțe de șoc considerabile. Leziuni mai mari, distrugeri celulare temporare sau definitive apar de obicei la plămâni, intestine, inimă sau creier. Diferențele în gravitatea leziunilor se datoresc condițiilor diferite privind viteza de încărcare, sarcina maximă, durata, punctul de aplicare a forțelor etc.

Undele de șoc și suflul exploziilor. Efectele mecanice legate de variația rapidă a presiunii ambiante se localizează în primul rând în vecinătatea cavităților umplute cu aer din interiorul corpului, de exemplu plămânii și traseul gastro-intestinal ce conține aer. În aceste zone, mase de sânge sau țesuturi, de greutate mare, se învecinează cu mase de aer, de greutate foarte mică. Diferența locală de impedanță, poate duce la deplasări relative ale țesuturilor, ceea ce poate produce leziuni. În cazul unor variații de presiune foarte lente, care durează aproximativ o secundă sau chiar mai mult, efectele mecanice dinamice nu prezintă importanță; presiunea statică poate produce efecte dăunătoare numai datorită solicitărilor mecanice sau răspunsului fiziologic al organismului. Astfel de variații în timp ale presiunii apar în cazul decompresării explozive la altitudine mare a unei cabine etanșe de avion sau în cazul răspunsului lent al unor cabine etanșe supuse acțiunii unei unde de explozie. Dacă timpul de creștere sau micșorare a presiunii scade (aproximativ, la durate de ordinul zecimilor de secundă), răspunsul dinamic al diferitelor părți ale corpului, ce formează sisteme ce pot intra în rezonanță, devine important; acest răspuns apare în special la sistemul torace-abdomen. Răspunsul corpului este determinat de factorul de sarcină dinamic al undei de explozie considerate. Datele experimentale cunoscute, privind acțiunea unui singur impuls de presiune „instantaneu crescător", sugerează, existența unui vârf minim de presiune care corespunde, în cazul câinilor, la frecvențe proprii cuprinse între 10 și 25 Hz; pentru oameni, această frecvență este mai coborâtă. În domeniul undelor de presiune de scurtă durată, care este de fapt cel mai important, efectele mecanice sunt localizate din cauza duratei scurte, adică datorită componentelor de frecvență ridicată a undelor. Traiectul superior al aparatului respirator și arborele bronhial, ca de altfel și toracele și sistemul abdominal, sunt de dimensiuni prea mari și au frecvențe de rezonanță prea coborâte pentru a fi excitate de aceste unde; de asemenea, nu apare nici o comprimare generală, sau o supradilatare a toracelui, care să ducă la leziuni pulmonare, cum se întâmplă în cazul decompresării explozive. Undele de șoc pătrund direct prin peretele toracic, producând un impact sau o undă razantă.

Cauzele leziunilor produse de suflul unei explozii în interiorul țesutului pot fi:

ruperea țesutului, adică răniri produse de eforturile unitare de întindere datorite reflectării undei de șoc la limitele dintre medii cu viteză de propagare diferită (de exemplu hemoragii pulmonare subpleurale de-a lungul coastelor);

efecte ale inerției, care duc la accelerații diferite ale țesuturilor alăturate având densități diferite, când unda de șoc trece simultan prin aceste medii;

implozia bulelor de aer dizolvate în lichid.

Dintre leziunile produse prin expunerea la o undă de explozie de mare presiune, cea mai obișnuită este hemoragia pulmonară. Aceasta poate să nu fie mortală, deoarece pot rămâne suficiente țesuturi pulmonare care să permită schimbul de gaze. Totuși, ruperea vaselor capilare din plămâni produce o inundare cu sânge a alveolelor și a spațiilor dintre țesuturi, ceea ce poate stânjeni activitatea respiratorie sau poate produce diferite reflexe respiratorii și cardiace. După apariția unor leziuni produse de suflul unei explozii, ritmul bătăilor inimii este foarte redus. Poate apărea o scurgere a sângelui prin vasele capilare cu leziuni moderate, chiar fără rupturi. Există, de asemenea, posibilitatea ca aerul să intre în circuitul sanguin și să formeze bule sau embolii. Ajungând în unele zone critice ale sistemului circulator, acestea împiedică circulația sângelui prin inimă sau spre creier, producând moartea. Uneori ele provoacă leziuni secundare ale altor organe. Dacă în intestine se găsesc pungi de gaze, șocul poate produce apariția unor hemoragii, și, în cazuri extreme, chiar ruperea peretelui intestinal.

Efectele undelor de șoc ce se propagă prin apă asupra omului și animalelor sunt, în general, de aceeași natură cu cele produse de suflul exploziilor în aer. Apar diferențe numai din punct de vedere al intensității, depinzând de modul de expunere a corpului. 0 persoană poate fi, de exemplu, cufundată în apă numai de la mijloc în jos, în acest caz pot apărea leziuni numai în partea inferioară, a corpului, intestinele fiind mai expuse din acest punct de vedere decât plămânii. Este de asemenea posibilă o rănire mecanică a mușchiului inimii și a mecanismului de conducție. Este puțin obișnuită apariția unei comoții cerebrale ca urmare directă a expunerii la unde de șoc. Totuși, poate apărea o depresiune generală a activității nervoase, care poate merge chiar până la dispariția anumitor reflexe. Uneori, pot apărea modificări psihologice, cum ar fi tulburări ale memoriei și stări emotive anormale. În cazuri extreme, se poate ajunge chiar la paralizie sau la o blocare a mușchilor. Pierderea cunoștinței și amnezia (care este urmarea acesteia), privind evenimentele ce preced îndeaproape momentul rănirii, apar de obicei în urma unor lovituri la cap și mai rar ca urmare a suflului.

Urechea este partea corpului omenesc cea mai sensibilă la răniri produse de către suflu. Spargerea membranei timpanului și rănirea aparatului conductiv, pot apărea singure sau însoțite de leziuni ale urechii interioare.

Impacturi, lovituri, decelerări rapide. Forțe de acest tip apar în cazul căderilor, la ciocnirea automobilelor, la prăbușirea avioanelor, la deschiderea parașutelor, la catapultarea scaunului pilotului din avioanele militare de marc viteză și în multe alte situații. Principala preocupare privind comportarea corpului în aceste ocazii se concentrează, asupra determinării limitelor rezistenței acestuia față de aplicarea tensiunilor mecanice. Leziunile care apar în mod curent sunt: vânătăi (hematoame), zdrobiri de țesuturi, fracturi ale oaselor, ruperea țesuturilor moi sau a diferitelor organe și comoții. Vânătaia este o lezare a țesuturilor superficiale, însoțită de ruperea unor vase sangvine mici și de acumularea sângelui în jurul zonei lovite. În esență, vânătaia reprezintă, o zdrobire produsă prin comprimarea țesuturilor între un corp solid care produce șocul și osul ce se găsește sub țesut. Aceasta este o leziune simplă, care se vindecă, prin însăși acțiunea organismului. Atunci când țesutul este complet distrus prin zdrobire, leziunea este de obicei nevindecabilă. Fracturile, ca și vânătăile apar atunci când forțele acționează un timp suficient pentru a produce concentrări de tensiuni și deformații apreciabile.

Atunci când apar forțe care produc deplasări ale țesuturilor moi pe distanțe considerabile, iau naștere așa-numitele leziuni interne, de exemplu ruperile membranelor sau învelișurilor unor organe. Astfel de leziuni sunt produse de cele mai multe ori de forțe cu acțiune îndelungată și sunt de obicei periculoase.

Corelația indiscutabilă ce există între răspunsul corpului la excitația prin vibrații continue, pe de o parte, și la excitația cu forțe având o lege de variație tip funcție – treaptă sau impuls, pe de altă parte, poate fi utilizată pentru orientarea și interpretarea rezultatelor experimentale. Porțiunile de țesut supuse unor deplasări relative mari la diferite frecvențe, în cazul unei excitații în regim permanent, sunt desigur zonele cele mai expuse leziunilor în cazul impactului dacă funcția forță – timp corespunzătoare are o energie apreciabilă în aceste benzi de frecvență, adică, dacă durata impactului are același ordin de mărime ca și perioada proprie a corpului. Dacă duratele de expunere la impact a corpului sunt mai scurte, limita solicitărilor suportabile crește; dacă duratele de impact scad până, la sutimi sau miimi de secundă (lovituri) răspunsul devine din ce în ce mai limitat și se localizează în punctul de aplicare a forței. De modul în care se distribuie sarcina pe suprafața pe care se aplică, adică de mărimea presiunii la care sunt supuse țesuturile, depinde dacă acestea sunt comprimate elastic sau dacă suferă leziuni. Dacă apare distrugerea țesuturilor sau fracturarea oaselor în zone apropiate de suprafața pe care se aplică forța, aceasta va face ca o parte din energie să fie absorbită, astfel că, prin reducerea forței maxime și prin desfășurarea, ci pe o perioadă de timp mai lungă, vor fi protejate țesuturile din interiorul corpului.

În cazurile în care omul este expus un timp suficient de lung la forțe care produc accelerații mari (cum se întâmplă în majoritatea cazurilor de interes practic), astfel ca întreg corpul să poată fi deplasat, devine extrem de importantă măsurarea exactă a mărimii și direcției forțelor, precum și a suprafețelor pe care se aplică.

Accelerații longitudinale. Studiile privind efectele accelerației longitudinale pozitive (îndreptată dinspre corp către cap) și de scurtă durată sunt strâns legate de dezvoltarea metodicii de catapultare spre în sus a scaunelor piloților, în scopul salvării dintr-un avion avariat.

S-au făcut investigații în care s-a utilizat o bară elastică omogenă având un capăt liber, ca model pentru omul în poziția așezat. Presupunând că timpul necesar unei unde pentru a parcurge distanța de la capătul de aplicare a accelerației până la capătul liber este de 0,025 s (frecvența de rezonanță este de 10 Hz), s-a obținut o bună corespondență între accelerația tranzitorie a capului, determinată, experimental, și accelerația capătului barei, determinată teoretic. Deoarece ruperea vertebrelor cuprinse între a opta vertebră toracică și a cincea vertebră lombară, se produce la aproximativ aceeași sarcină statică (corespunzând unei accelerații de 25 g), se admite 20 g ca limită generală a accelerației tolerate. Încovoierea accentuată a coloanei vertebrale și a gâtului trebuie limitată, fie stabilind o poziție corespunzătoare a corpului, fie cu ajutorul unor curele de fixare.

În afara forțelor care tind să încovoaie partea superioară a torsului, mai apare un moment ce tinde să producă o rotire și care acționează asupra pelvisului, mărind sarcina ce se aplică asupra coloanei vertebrale, deoarece punctul de contact cu scaunul nu se găsește pe aceeași linie cu coloana vertebrală. Dacă se depășesc limitele sarcinilor ce pot fi suportate de către vertebre, în primul rând apar fracturi ale coloanei vertebrale la vertebrele lombare și toracice; fracturi ale coloanei în zona gâtului se pare că apar numai la nivele de solicitare mult mai mari.

În general, la ciocnirile pe verticală, rămân valabile aceleași considerații ca în cazul catapultării scaunului pilotului, deși nu există posibilitatea unui control asupra duratei de aplicare a accelerației, șocul inițial fiind mult mai brusc.

În cazul unor accelerații negative, având sensul de la cap către picioare (catapultarea scaunului spre în jos), nu există nici un punct stabil care să preia forța ce ia naștere datorită accelerației (ca în cazul accelerației pozitive). Dacă forța se aplică, așa cum se întâmplă de obicei, prin intermediul unor centuri și chingi care o transmit la umăr și la canalul inghinal, mobilitatea umerilor împreună cu elasticitatea curelelor, fac ca frecvența de rezonanță să fie mai joasă decât cea determinată la catapultarea în sus a scaunului.

Accelerații transversale. Oamenii așezați cu fața sau cu spatele spre sensul de deplasare a unui vehicul sunt de cele mai multe ori expuși unor componente transversale mari ale solicitărilor ce apar în cazul ciocnirilor. Toleranța corpului omenesc la astfel de forțe a fost studiată pe scară largă prin încercări cu ajutorul deceratorilor liniari, la ciocniri de automobile și prin analiza înregistrărilor făcute în cazul accidentelor de avion. Rezultatele arată importanța distribuirii forțelor de decelerare sau de impact pe o suprafață cât mai mare posibilă. Nivelele de suportabilitate ale amplitudinii accelerațiilor peste 50 g (100 g și mai mult pentru căderi plat pe spate, la care s-au înregistrat răniri neînsemnate; 35 până la 40 g, timp de 0,05 s suportate voluntar de către un om așezat prins cu curele) sunt probabil limitate de leziuni care ar apare la creier. O indicație a sensibilității creierului la astfel de solicitări, și bazat pe răspunsurile dinamice specifice ale acestuia, este faptul că, limita de suportabilitate depinde în mare măsură de timpul de creștere a accelerației. Pentru timpi de creștere de aproximativ 0,1 s (corespunzând unei viteze de variație a accelerației de 500 g/s), nu s-au observat suprasolicitări ale capului și toracelui, în timp ce pentru timpi de creștere mai scurți, de aproximativ 0,03 s (1000 până la 1400 g/s), rezultă suprasolicitări ale toracelui de 30% pentru accelerații din față spre spate, ajungând până la 70% pentru accelerații din spate spre față. Toate aceste rezultate depind în mare măsură de tipul curelelor de fixare și de tipul scaunului utilizat. Acești factori dinamici de încărcare arată că frecvența proprie a corpului omenesc este cuprinsă între 10 și 20 Hz.

Impacturi la cap. Leziunile ce apar la cap constau de obicei – în afara vânătăilor și zgârieturilor superficiale – în comoții sau fracturi ale craniului. Există o gamă largă de simptome produse în urma impactului la cap, pornind de la durere și amețeală, trecând prin pierderea simțului de orientare și scăderea acuității simțurilor, până la inconștiență și pierderea memoriei privind evenimentele care au precedat cu puțin momentul rănirii. Rănirile la cap apar în urma loviturilor cu obiecte solide și nu ca efect al unor forțe datorite unor accelerații aplicate corpului.

Răspunsul gâtului. Elementele ce limitează îndoirea înainte și lateral a gâtului sunt, pentru situațiile practice, partea din față a cavității toracice și, respectiv, umerii. Deoarece capul este aproape în întregime menținut de mușchii gâtului, lipsa acțiunii lor de rezemare face ca o lovitură la cap sau gât să aibă efecte importante. Într-un astfel de caz pot apărea dislocații sau fracturi. Dislocațiile primei și ale celei de-a doua vertebre sunt de obicei mai puțin grave dacă este fracturată, apofiza odontoidă (măduva spinării este mai puțin lezată). În caz contrar, măduva spinării poate fi întreruptă sau zdrobită. Energia necesară pentru a se petrece acest fenomen este de aproximativ 1500 Nm.

Răspunsul capului. Craniul este un înveliș elastic umplut cu țesut nervos, sânge și lichid cerebrospinal, având aproape aceeași densitate. Substanța ce formează creierul este foarte puțin compresibilă (asemănătoare cu apa), având de asemenea un modul de elasticitate transversal foarte mic. Vâscozitatea țesutului creierului este aproximativ 2 Ns/m2. Reacția capului la o lovitură este în funcție de viteza și de durata acesteia, de suprafața de impact și de transferul de cantitate de mișcare. În vecinătatea punctului de aplicare a loviturii pe craniu apare o adâncitură care produce deformații de lunecare în regiunea de la suprafața creierului, apropiată de zona urmei loviturii de unde sunt generate unde longitudinale de obicei de amplitudini mici, deoarece creierul este aproape incompresibil. În afara forțelor care iau naștere în urma deformării craniului, asupra creierului acționează forțe datorite accelerațiilor care ar acționa și în cazul în care craniul ar fi rigid. Deformațiile de compresiune produse de forțe centrifuge și de accelerații liniare sunt neglijabile în comparație cu deformațiile de lunecare produse de accelerațiile tangențiale. Distribuția deformațiilor de lunecare în creier a fost studiată pe modele, iar mișcarea suprafeței creierului a fost urmărită pe animale la care s-au înlocuit porțiuni ale craniului cu mase plastice transparente. Deformațiile maxime apar în zonele în care între craniu și creier există un contact strâns, datorit în special părților de craniu ce formează muchii interioare; aceasta are loc în special în zona aripii osului sfenoid al craniului. Se presupune că loviturile aplicate capului rezemat și fixat pot produce comoții prin comprimarea cutiei craniene și creșterea presiunii fluidului cerebrospinal. În ciuda faptului general acceptat că una dintre cauzele principale ale comoțiilor o constituie accelerațiile tangențiale, datele experimentale cantitative privind această problemă lipsesc aproape complet, apariția comoțiilor fiind în general analizată în funcție de „energia disponibilă" (care de obicei nu este energia transmisă capului) și de viteza de impact.

În general, se poate admite că un proiectil de mare viteză (de exemplu, un glonț de 10 grame având o viteză de 300 m/s) având o energie cinetică mare și o cantitate de mișcare redusă, produce prin trecerea sa răniri evidente ale scalpului, craniului și creierului. Conținutul în componente de frecvențe înalte al impactului poate da naștere la unde de compresiune (longitudinale) care, în cazul unor energii foarte ridicate, conduc la apariția cavitației, având ca urmare sfărâmarea țesuturilor (nu este neapărat necesar să apară o fractură a craniului). Totuși, în cazul lovirii capului de un zid sau de un alt obiect a cărui masă este mare comparativ cu cea a capului, leziunea vizibilă, locală este mică, în timp ce cea datorită accelerației tangențiale poate fi considerabilă. Loviturile în anumite puncte ale capului – în special pe linia mediană – nu produc rotirea acestuia. Loviturile date în bărbie de jos în sus sau dintr-o parte produc relativ ușor rotirea capului (astfel de lovituri produc „knock-out"-ul la box). De aceea, este aproape imposibilă determinarea vitezei sau energiei care pot provoca o comoție. În literatură se menționează apariția comoțiilor în cazul impactului cu obiecte de masă mare, având viteze cuprinse între 4,5 și 15 m/s. La viteze de impact în jurul a 9 m/s, și într-un interval de 0,002 s se absoarbe o energie de aproximativ 20 Nm, ceea ce produce o accelerație de 47 g.

Răspunsul și fracturarea craniului. Studiile privind impactul, efectuate cu traductori tensometrici pe cranii de cadavre, au arătat că lovitura dată cu un ciocan direct pe os durează între 2,5 și 5 x 10-4 s. După impactul inițial, osul oscilează timp de 2 până la 4 x 10-3 s, cu o frecvență de aproximativ 700 Hz, ceea ce corespunde cu frecvența fundamentală găsită printr-o excitație continuă. Scalpul, pielea și țesutul subcutanat reduc din energia aplicată osului. Fractura craniului apare dacă în timpul răspunsului acestuia la o lovitură se depășește limita deformațiilor elastice. Deoarece osul este un material fragil, ruperea sa se produce datorită tensiunilor de întindere, astfel că cele mai multe fracturi ale craniului pornesc de pe suprafața zonei deformate spre exterior din jurul punctului unde se produce impactul; de la aceste suprafețe, fisura se propagă către centrul de impact. Osul cranian fiind elastic își revine din deformarea inițială, și intrând în vibrație, zona din imediata vecinătate a centrului de lovire este puternic solicitată la întindere. Propagarea fisurii are loc de asemenea în direcția opusă centrului de impact. Dimensiunea liniei după care se produce fractura depinde de energia cheltuită. Dacă aceasta este suficient de mare, apar două, trei sau chiar mai multe crăpături orientate radial față de centrul în care s-a produs lovitura.

Craniul cuprinde atât porțiuni rezistente, cât și porțiuni mai slabe, astfel că pentru fiecare regiune solicitată la impact există zone bine definite de apariție și dezvoltare a liniilor de fractură. Energia totală necesară pentru a se produce o fractură a craniului variază între 45 și 100 Nm, valoarea medie fiind adesea considerată, aproximativ 70 Nm, ceea ce echivalează cu energia cu care capul ar lovi o suprafață plană și dură, după o cădere liberă de la o înălțime de 1,5 m.

6.3. Modele existente pentru analiza comportării la vibrații a organismului uman

Pentru a realiza analiza comportării analizorului vizual la șocuri și vibrații, trebuie să se urmărească mai întâi efectul acestora asupra întregului organism uman. Pentru aceasta, s-au selectat trei modele, care au arătat într-un fel sau altul care este comportarea organismului uman la diverse tipuri de vibrații, prin utilizarea următorilor pași analitici: definirea modelelor; scrierea ecuațiilor de mișcare; aflarea prin metode exacte – problemă Matlab de valori și vectori proprii – a pulsațiilor proprii și a modurilor proprii de vibrație; reprezentarea grafică a acestor moduri; verificarea cu lucrarea originală.

6.3.1. Modelul HERTERICH

Modelul prezentat în teza de doctorat a autorului [H13], [O3] reprezintă corpul uman ca un sistem de patru elemente Maxwell cu următoarea configurație: 1 – cap; 2 – torace; 3 – bazin și membre inferioare; 4 – centura scapulară și membrele superioare.

Ecuațiile de mișcare ale acestui sistem sunt următoarele:

(6.3.1)

Au fost găsite următoarele pulsații proprii:

1 = 20,4628 rad/s; 2 = 14,4211 rad/s; 3 = 9,0288 rad/s; 4 = 5,5362 rad/s.

Ceea ce corespunde cu următoarele frecvențe proprii (de rezonanță):

f1 = 0,3068 Hz, f2 = 0,4354 Hz, f3 = 0,6955 Hz, f4 = 1,1343 Hz.

Modurile proprii de vibrație au forma următoare:

Rezultatele găsite sunt similare cu cele din lucrarea [H13].

6.3.2. Modelul LIU – NIGG

Modelul prezentat de Liu și Nigg în [L10] este mai puțin exact (fig. 6.3.3). Acesta analizează influența șocurilor datorate alergării asupra dinamicii corpului uman. Partea superioară a corpului este compusă din două mase, m1 și m2, iar sistemul format din coapse, gambă și picior este realizat utilizând două mase, m3 și m4.

Ecuațiile de mișcare propuse pentru acest sistem sunt următoarele:

( )

Forța verticală de contact cu solul , ce acționează de la sol la picior a fost determinată sub forma următoare:

(6.3.3)

Forța de contact, Fg, a fost simulată ca o funcție neliniară a deformației x4, determinată de parametrii și , precum și de viteza v4 a elementului de contact determinat de parametrii c, d și e. Parametrii a, b, c, d, e s-au presupus a fi funcție de tipul pantofului. Astfel, în simulare, s-au considerat două tipuri de pantofi ale căror coeficienți sunt prezentați în tabelul următor:

Modelarea acestor expresii a condus la următoarele concluzii:

forța de impact maximă simulată a fost găsită cu valoarea de 1353 N, ceea ce reprezintă aproximativ dublul greutății corpului;

durata de la primul contact până în momentul contactului corespunzător forței maxime, a fost evaluat la 23 ms;

mărirea vitezei cu care este atins solul a condus la o creștere cu aproape 222 N a maximumului forței de impact, în cazul purtării încălțămintei dure;

mărirea masei rigide inferioare a condus la o creștere a forței de impact cu 161 – 172 N, iar mărirea masei m2 a condus la o creștere cu 86 N; mărirea masei rigide superioare m3 a condus la modificări ale forței de impact nesemnificative; nici mărirea masei m4 nu a influențat foarte mult valoarea forței maxime de impact.

Sistemul redă următoarele pulsații proprii:

1 = 4,5387 rad/s; 2 = 65,1183 rad/s; 3 = 37,6377 rad/s; 4 = 59,0999 rad/s.

Ca urmare, frecvențele de rezonanță vor fi:

f1 =1,3836 Hz, f2 = 0,0964 Hz, f3 = 0,1668 Hz, f4 = 0,1062 Hz.

6.3.3. Modelul ZONG – LAM

Modelul propus de Zong și Lam în 2002 [Z6] analizează comportarea la vibrații a unui subiect uman în poziție așezat. Elementele caracteristice sunt următoarele: 1-cap; 2-trunchi; 3-viscere; 4- pelvis.

Ecuațiile de mișcare sunt următoarele:

(6.3.4)

Lucrarea prezintă studiul comportării organismului uman la vibrații pentru un subiect situat într-o barcă, drept pentru care sunt studiate condițiile în care mișcarea valurilor influențează organismul uman. Pentru acesta autorii realizează un stand experimental, conform cu cel din figura 6.3.6, în care mișcarea valurilor este simulată prin mișcarea podelei. Scaunul din stand are aceleași caracteristici cu cel din barcă.

Modelarea sistemului de ecuații redă următoarele pulsații proprii:

1 = 21,8856 rad/s; 2 = 10,6363 rad/s; 3 = 27,3649 rad/s; 4 = 6,0130 rad/s.

Ca urmare, frecvențele de rezonanță vor fi:

f1 =0,2870 Hz, f2 = 0,5907 Hz, f3 = 0,2295 Hz, f4 = 1,0444 Hz.

Diferențele între modurile proprii de vibrație și valorile pulsațiilor proprii ale celor trei modele prezentate anterior se datoresc următoarelor aspecte:

concepția modelelor este diferită;

diferă modul în care subiectul este analizat (în picioare, așezat);

coeficienții de rigiditate, de amortizare și masele, diferă între modele.

6.4. Model propus de analiză a comportării la vibrații a organismului uman

Pentru realizarea modelării comportării dinamice a organismului uman se propune următoarea logică de analiză:

6.4.1. Stabilirea modelului dinamic

Pentru a analiza comportarea analizorului vizual la vibrații se consideră că acesta este un element ce face parte dintr-un ansamblu dinamic ce reprezintă organismul uman. Astfel, se consideră următorul model de studiu compus din opt elemente Maxwell (fig. 6.4.2).

Așa cum se observă și în figură, structura este formată din următoarele elemente componente: 1. analizorul vizual; 2. capul; 3. viscere; 4. torace; 5. centura scapulară; 6. membrele inferioare; 7. pelvis; 8. membre inferioare.

Amortizoarele și resorturile reprezintă modelarea articulațiilor, tendoanelor sau ale unor alte organe de legătură.

Se consideră că subiectul este supus unor perturbații de forma și se urmărește analiza comportării organismului uman (mai precis a celor opt părți ale acestuia) la acest tip de vibrații verticale.

6.4.2. Stabilirea ecuațiilor de mișcare:

Modelul propus face parte din categoria sistemelor mecanice multivariabile, astfel că ecuațiile de echilibru dinamic se scriu sub forma:

(6.4.1)

în care: -masele; -amortizările; -rigiditățile; -deplasările elementelor; -vitezele, iar -accelerațiile elementelor și este forța perturbatoare.

Conform ecuațiilor de mișcare de mai sus, se pot scrie expresiile matricelor de inerție, de amortizare și de rigiditate ale sistemului:

matricea de inerție (a maselor):

(6.4.2)

matricea coeficienților de amortizare:

(6.4.3)

matricea rigidităților: (6.4.4)

Astfel, ecuațiile de mișcare se pot scrie matriceal sub forma:

(6.4.5)

în care: – vectorul accelerațiilor, – vectorul vitezelor; – vectorul deplasărilor, iar este vectorul forțelor:

; ; ; (6.4.6)

6.4.3. Calculul pulsațiilor proprii și reprezentarea modurilor proprii de vibrație:

Pulsațiile proprii și formele modurilor proprii se obțin prin rezolvarea sistemului de ecuații omogene pentru vibrațiile libere neamortizate (ecuațiile 6.2.8 – 6.2.18):

Acest calcul s-a realizat în două metode numerice diferite:

modelarea sistemului de ecuații, ca o problemă de valori și vectori proprii, utilizând programul MATLAB;

calcul prin metoda iterativă utilizând programul MathCAD.

Utilizarea celor două metode numerice, una exactă și cealaltă aproximativă, a condus la aceleași rezultate, ceea ce confirmă veridicitatea metodelor numerice folosite.

Pulsațiile proprii au următoarele valori:

1 = 3,1722 rad/s; 2 = 7,5713 rad/s; 3 = 6,7979 rad/s; 4 = 5,3263 rad/s.

5 = 1,1549 rad/s; 6 = 2,5329 rad/s; 7 = 3,7840 rad/s; 8 = 3,0835 rad/s.

Frecvențele proprii (frecvențele de rezonanță) sunt:

f1 = 1,9796 Hz, f2 = 0,8294 Hz, f3 = 0,9238 Hz, f4 = 1,1790 Hz.

f5 = 5,4377 Hz, f6 = 2,4793 Hz, f7 = 1,6596 Hz, f8 = 2,0366 Hz.

Modurile proprii de vibrației au luat următoarele forme:

Compararea pulsațiilor proprii conduce la concluzia că cea mai mare pulsație proprie o are capul, iar cea mai mică este a centurii scapulare.

6.4.4. Studiul influenței maselor asupra valorilor pulsațiilor proprii

În urma calculelor nu s-a evidențiat o influență majoră a maselor asupra valorilor pulsațiilor proprii ele elementelor organismului uman.

Totuși mici variații s-au sesizat (fig. 6.4.5), după cum urmează:

variația masei ochiului induce o variație de cam 3 rad/s asupra capului;

variația masei capului induce o variație mică de 1,4 rad/s asupra pelvisului;

variația masei viscerelui induce o variație de 1,4 rad/s în pulsația pelvisului și 1 rad/s asupra piciorului;

variația masei toracice induce o variație de 1,7 rad/s asupra viscerelui și aproximativ 1 rad/s în pelvis;

variația masei centurii scapulare induce o variație destul de mare de 4 rad/s asupra viscerelui;

variația masei membrului superior induce o variație de 2 rad/s asupra viscerelui;

variația masei pelvisului induce o variație de 2,5 rad/s asupra toracelui;

variația masei piciorului induce o variație de 2,2 rad/s asupra ochiului.

Se poate observa că variațiile maselor componentelor sistemului dinamic conduc în mare parte la modificări ale pulsațiilor proprii ale viscerelui. Aceasta poate fi o explicație a faptului că primul simptom major al atingerii unei frecvențe de rezonanță este starea de rău invocată de subiect.

6.4.5. Compararea modurilor proprii de vibrație cu celelalte modele:

Compararea modurilor de vibrație cu celelalte modele prezentate este dificil de făcut deoarece modurile în care au fost aceste modele sunt diferite. Astfel, o comparație – dar nu exactă – poate fi făcută cu modelul Herterich, deoarece celelalte modele sunt incompatibile (modelul Liu – Nigg nu are definite foarte exact elementele sistemului, iar modelul Zong – Lam este analizat pentru un subiect în poziția așezat).

Modurile proprii de vibrație ale celor două modele: cel propus și modelul Herterich și comparația acestora sunt prezentate în figura 6.4.6. Se observă o similaritate în modurile de vibrație ale celor două modele. Diferențele care apar se datoresc faptului că, în modelul Herterich, centura scapulară este în același element cu membrele superioare, iar pelvisul este cu membrele inferioare. Aceasta este o deosebire esențială, deoarece diferă masele elementelor, dar și modul acestora de poziționare în sistem.

6.4.6. Reprezentarea grafică a soluțiilor sistemului

Conform ecuațiilor 6.2.30 – 6.2.46 fiecare soluție a sistemului poate fi reprezentată sub forma:

, (6.4.7)

care descrie mișcarea în modul , caracterizată de variația coordonatei principale . Fiecare astfel de ecuație se poate rezolva separat, la fel cu ecuația vibrațiilor forțate ale sistemului cu un grad de libertate, care conform [C13], [B44], poate fi scrisă sub forma:

, (6.4.8)

în care: ,

iar sunt deplasările și, respectiv, vitezele inițiale.

Dacă , atunci . (6.4.9)

Pentru modelul propus, se consideră

Masele reduse sunt aceleași cu masele elementelor sistemului, iar rigiditățile reduse sunt următoarele:

Expresia (6.4.9) se mai poate scrie: (6.4.10)

Aceasta este expresia deplasărilor sistemului. Pentru și , se obțin deplasările reprezentate grafic în fig. 6.3.14:

Se observă că deplasările cele mai mari se obțin în cazul în care , iar cele mai mici, chiar insesizabile pentru . Deplasările pentru sunt, în cele mai multe cazuri mai mari decât . În figurile 6.4.8 – 6.4.15 sunt reprezentate în MAPLE variațiile deplasărilor, vitezelor și accelerațiilor sistemului pentru rad/s, s și .

Conform graficelor deplasarea ochiului variază între 80 și – 80 mm, cu viteze cuprinse între 600 și –600 mm/s și accelerații de -4000 – 4000 mm/s2, ceea ce reprezintă valori foarte mari. Prin urmare, o astfel de forță solicită foarte mult ochiul și, implicit, intervine în funcția vederii.

Se poate observa că deplasările celorlalte sisteme sunt foarte mici (nu depășesc 2 mm, ceea ce înseamnă că forța aplicată nu influențează foarte mult starea sistemelor. De asemenea, valorile vitezelor și accelerațiilor găsite sunt foarte mici. În mod similar se demonstrează că modificarea valorii forței influențează semnificativ doar sistemul ocular, conform figurii 6.4.16.

7.2. Stand experimental pentru studiul comportării organismului uman la vibrații

7.2.1. Conceperea standului

Pentru a verifica valabilitatea modelului propus în subcapitolul 8.4, s-a utilizat un stand pentru analiza comportării organismului uman la șocuri și vibrații. Acesta este realizat după schema din figura 7.2.1.

Standul experimental cuprinde următoarele elemente (fig. 7.2.2):

Cilindru hidraulic – caracteristici: ± 15 kN, respectiv ± 10 kN forță dinamică și 250 mm (± 125 mm), respectiv 150 mm (± 75 mm) cursă, forța statică majorată cu 50 %; include conectori pentru traductoare.

Grup de putere (pompă hidraulică + motor integrat) – caracteristici: 42 l/min debit, motor de 18.5 kW, presiune 21 MPa, capacitate rezervor ulei 174 l; include acumulator, indicatori pentru presiune ulei, temperatură, filtru, conector pentru control de la distanță, conector rețea apă, respectiv tablou electric de alimentare și butoane de comandă.

Sistem digital de control (FlexTest GT Controller):

programe de aplicații: Basic TestWare și Multi-Purpose TestWare;

servocontrol DC la 100 Hz;

generare de funcții cu rang de frecvență de la 0,01 Hz la 100 Hz; acceptă surse de generare a funcțiilor externe;

setare – editare – creare secvențe.

Calculator PENTIUM lll, pe platformă WINDOWS NT v4.0.

Set calibrare: Interfață pentru limbile engleză, germană, franceză.

Standul analizează comportarea organismului la vibrații verticale de amplitudine mică. Pe cilindrul hidraulic vertical se montează o platformă, pe care se așează subiectul, care vizează un punct din câmpul vizual (fig. 7.2.4). Controlul standului se realizează prin intermediul soft-ului specializat al computer-ului (fig. 7.2.5). Datele de intrare sunt în forță sau deplasare, în timp ce frecvența este variabilă.

Pentru fiecare valoare a datei de intrare este variată frecvența până în momentul în care intervin modificări în starea generală a subiectului. Deci, metoda este subiectivă, deoarece există cauze fiziologice, neurologice și, chiar psihologice ce o influențează. Mai mult, rezultatele sunt modificate de la un individ la altul, ca urmare a modului individual în care reacționează fiecare organism în parte. Condițiile de mediu intervin și ele prin starea de confort sau disconfort pe care o pot genera.

7.2.2. Rezultate:

Introducerea unei forțe sinusoidale, asemeni celei din modelarea numerică (subcap. 6.4), a condus la următoarele concluzii:

creșterea forței până la valoarea de 30 N nu a intervenit în starea generală a subiectului, iar funcția vizuală este în parametri normali;

atingerea pragului de 35-40 N a indus stare generală proastă și disconfort;

peste 40 N starea s-a agravat, subiectul acuzând pier-derea echilibrului, stare generală proastă (amețeli și grețuri) și pierderea acuității vizuale.

Utilizarea deplasării actuatorului ca dată de intrare conduce la următoarele rezultate:

s-a mărit deplasarea de la 1 la 4 mm, cazuri în care subiectul nu a acuzat modificări în starea generală și nici tulburări ale funcției vizuale indiferent de valoarea frecvenței;

pentru pragul de 5 mm, variația frecvenței de la 0,5 la 4 Hz nu a indus modificări, în schimb la frecvența de 5 Hz și apoi la 6 Hz starea s-a înrăutățit până la pierderea echilibrului;

asemănător s-au desfășurat măsurătorile pentru o amplitudine de 10 mm, frecvența de rezonanță s-a situat în jurul valorii de 5 Hz.

7.2.3. Concluzii

Tehnicile experimentale de analiză a comportării organismului uman la șocuri și vibrații trebuie să se efectueze în laborator, în condiții simulate și controlate.

Standul experimental folosit este util în analiza comportării corpului uman la vibrații, prin urmărirea fenomenului de rezonanță a organismului unui subiect în condițiile unei pardoseli aflate în mișcare armonică, și scoate în evidență modul în care aceasta influențează funcția vizuală.

Metoda utilizată este subiectivă, ea fiind influențată de factori de natură fiziologică, neurologică, precum și psihologică.

Rezultatele au fost influențate de următorii parametri:

poziția subiectului – verticală sau înclinată – în poziție verticală subiectul atinge mai repede frecvența de rezonanță;

poziția verticală cu mâinile pe lângă corp sau ridicate – influențează în menținerea echilibrului;

timpul de expunere la vibrații – prin mărirea acestui timp în organism intervine starea de oboseală, caz în care rezultatele pot fi eronate;

starea de relaxare a organismului – dacă mușchii sunt tensionați, iar subiectul nu este relaxat, frecvența de rezonanță crește; este și cazul în care subiectul este în poziție verticală cu mâinile pe lângă corp sau ridicate;

refracția oculară – eventualele tulburări ale refracției oculare intervin în măsurători prin faptul că o ametropie influențează acuitatea vizuală, precum și fenomenul de acomodare;

subiectul este încălțat sau descălțat – încălțămintea intervine prin factorul său de amortizare și datorită contactului direct pe care-l are cu pardoseala;

greutatea organismului – evidențiată prin testarea mai multor subiecți;

Acuratețea experimentelor cu deplasări ca date de intrare a fost mai mare decât a celor ce au utilizat forța sinusoidală ca dată de intrare.