Ударная кавитация (т. е. кавитация в месте удара) (рис. 3.9). При ударе по голове череп в силу своей эластичности в месте удара прогибается (при этом объём черепа уменьшается и в месте удара возникает повышенное давление в полости черепа). При отсутствии перелома кости в месте удара после прекращения действия ударной силы вдавленный участок кости выпрямляется и в этом участке при достаточной силе местно возникает отрицательное давление. Поэтому в области приложения силы могут быть не только ушиб мозга от прямого удара, но и кровоизлияния, вызванные последующей ударной кавитацией.
Резонансная кавитация (рис 3.10). Противоударная ударная кавитация объясняет местные очаги поражения в местах противоудара и удара вблизи поверхности мозга. Однако известны и наблюдаются диффузные контузии мозга, которые не могут быть объяснены этими механизмами.
В экспериментах с сосудами, наполненными жидкостью, Gross наблюдал, как удары, вызывающие образование противоударных полостей с последующим их падением, вызывали циклы кавитации,
распространяющейся по всей жидкости. Это явление Gross назвал резонансной кавитацией. При резонансной кавитации полости возникали в разных точках. Уменьшение внутреннего объёма черепа в момент удара проводит к повышению внутричерепного давления. Увеличение объёма черепа после прекращения действия ударяющего предмета сопровождается уменьшением давления. Колебания давления вызывают насосное (присасывающее) действие через большое затылочное отверстие. При достаточной величине колебания и происходит резонансная кавитация. Распределение давления при таких условиях колебания внутри черепа относительно равномерно, поэтому локализация точек кавитации зависит от местного снижения давления вследствие тока жидкости и локализации газовых пузырьков. Резонансной кавитации препятствует перелом костей черепа. В экспериментах было выявлено, что резонансная кавитация легче всего вызывается противоударной полости.
Резонансная кавитация дисперсного характера развивается в мозгу в результате радиального колебания черепа, вызванного спадением или ударных или противоударных полостей, или прохождением резкой волны давления. Исследования, связанные с разработкой этой теории, проводились специалистами с технической подготовкой.
На основе разработанной теории Gross изучал порог ударных сил, способных вызвать сотрясение мозга.
Эти исследования изложены им в специальной работе. Эксперименты производились на стеклянных моделях человеческого черепа и фиксировались скоростной киносъёмкой (4000 кадров в секунду). Была предложена аппаратура и формулы для расчёта порога ударных сил, обусловливающих образование полостей при противоударе.
Завершающими научное обоснование физических процессов, происходящих в полости черепа, явились исследования Sillier и Unterharnscheidt (1963). Эти исследования представляют большой интерес для практических и научных работников, как и монография Unterharnscheidt, посвященная исследованию однократной и повторной тупой закрытой черепно-мозговой травмы. Поэтому их необходимо привести здесь подробно.
С полным основанием эти авторы заявляют, что во многих работах, посвящённых проблеме воздействия на череп тупой силы, исследователи не уделяли совершенно внимания физической стороне вопроса и экспериментальному обоснованию исследований. Каждый исследователь оказывался на какой-нибудь одной теории, которой он и пытался объяснить морфологические изменения.
Sillier и Unterharnscheidt использовали и применяли аппаратуру высокой точности, обеспечившую надежность и безупречность физико-математических расчётов.
Их исследования значительно расширили и уточнили имевшиеся до этого представления о механизмах закрытой черепно-мозговой травмы.
При тупом воздействии силы на череп играют роль две величины: скорость и ускорение. При одинаковых изменениях скорости ускорение может изменяться очень сильно, если время, в течение которого скорость изменяется, или очень велико, или очень мало. Авторы подробно рассматривают физические детали значения скорости и ускорения при ударе: теорию, эксперименты, время ускорения при ударе, взаимоотношения между быстротой столкновения, ускорения и длительного удара.
Sillier и Unterharnscheidt анализируют давление, возникающее в черепе при ударе. Они указывают, что для механического воздействия на мозг имеет значение только нижнее, т. е. отрицательное давление, но не повышенное давление.
Очень незначительная разница в плотности коры мозга, его ткани и ликвора в отношении механического воздействия может совершенно не приниматься во внимание. Как известно, удельный вес серого вещества мозга равен 1029 – 1039, белого вещества 1039 – 1043. Средний удельный вес мозгового вещества равен 1035 – 1043, крови 1050 – 1060, ликвора цистерн 1002 – 1005. Следовательно, анатомические границы между мозгом и ликвором не являются препятствием для возникающих силовых волн, так как обе эти среды имеют одинаковую плотность.
Свои исследования авторы проводили на модели черепа, наполненного водой, или маловязким и вязкими минеральными маслами. Было установлено следующее. При ударе жесткая оболочка шара более или менее быстро получает торможение. При этом деформация оболочки исключается. Безразлично, ударяется ли шар со скоростью о другое тело и при этом получает торможение или, ели это другое тело ударяется о шар, он приобретает скорость. Речь идет в обоих случаях об относительном движении столкнувшихся тел. Содержимое шара на стороне удара оказывается прижатым к жесткой оболочке, тогда как на противоположном полюсе содержимое стремится от неё. Таким образом, на ударном полюсе возникает повышенное, положительное, давление, а на противоположном пониженное, отрицательное давление. За исходное берется норма давления, равная 1, оно (произвольно) считается равным нулю.
Положительное давление, направленное к середине шара, равномерно снижается. Это значит, что положительное давление на ударном полюсе постепенно переходит в отрицательное давление на противоположном полюсе. В определённом месте внутри черепа давление должно пройти через ноль (узловая точка). В шаре, на основе симметрии, эта точка находится посередине (рис. 3.11).
Разница давления между местом удара и противоположному удару полюсом является лишь функцией ускорения или замедления, действующей на шар.
Из-за чрезвычайно ограниченной сжимаемости жидкости достаточны очень небольшие изменения объёма, чтобы получить очень большое повышение давления. Например, водяной столб высотой в 20 см, сдавленный на 1/100 мм, дает повышение давления на 1 атм. Для получения такого же излишка давления в столбе газа одинаковый длины он должен быть сжат вдвое.
Положение узловой точки имеет решающее значение для (положительного или отрицательного) воздействия давления в месте удара или на противоположном удару полюсе. Если предположить, что на противоположном удару полюсе пробуравлено небольшое отверстие, вследствие чего там постоянно господствует атмосферное давление (давление, равное нулю), тогда при ударе отрицательное давление развиваться не может. Следует отметить, что такое явление наблюдается при открытых черепно-мозговых ранениях.
Sellier и Unterharnscheidt изучили вопрос о возможности относительного движения между оболочкой черепа и мозгом, т. е. вызывают ли силы движения, повреждённые ударом, существенные перемещения мозга или его частей?
Движение мозга по отношению к своему костному покрову может быть вызвано четырьмя способами:
- Сдавлением мозгового вещества. Мозговое вещество могло бы быть сдавленным при ударе и вследствие этого объём мозга должен уменьшиться. В связи с этим должен получить смещение его центр тяжести в направлении удара. Такая возможность отпадает потому, что сжимаемость мозгового вещества чрезвычайно мала. При давлении, равном 1 атм., объём мозга уменьшается на 0,005%. Для того, чтобы сдавить мозг на 50% его объёма, потребовалось бы давление примерно в 10 000 атм. Конечно, возможно, что вследствие деформации черепаотдельные части мозга сдвигаются по отношению друг к другу, но при этом общий объём содержимого черепа остаётся неизменным.
- Смещение ликвора. Смещение мозга может быть, вызвано вытеснением ликвора, находящегося между мозгом и ударным полюсом. Для этого нужно выяснить, какой объём ликвора может проникнуть за время удара в щель высотой в 1 мм и примерно 300 мм шириной. Оказывается, что в 1м/сек сквозь щель указанного размера при разнице давления в 1 атм. Между ударным и противоположным полюсами проходит объём жидкости примерно в 15 мм3, т. е. незначительное количество. Следовательно, во время удара нет значительного оттеснения ликвора и смещение отдельных частей мозга по отношению друг к другу не происходит.
- Деформацией костей черепа. Речь идёт о деформации костей черепа без их перелома. Экспериментальные исследования и расчёты показали, что в этих случаях действие силы (ускорение) на весь череп незначительно, так как энергия исчерпывается в месте её приложения. Следовательно, и при деформации костей черепа без их перелома смещения мозга не происходит.
- Вследствие поворота мозга по отношению к черепу. Механизмом пониженного давления (разрежения, вакуума) нельзя объяснить все повреждения мозга. Например, разрыв сосудов, на которые особенно ссылался Krauiand (1946). Такие разрывы можно объяснить, если допустить возможность поворота мозга относительно черепа. Поворот мозга возможен, если череп при ударе получает вращательное движение. Мозг следует непосредственно за этим движением вследствие инертности своей массы. Поворот головы может возникнуть тогда, когда ось удара не проходит через центр тяжести головы. Однако величина в большинстве случаев переоценивается. Подобный механизм встречается лишь в одной части переломов всех наблюдавшихся случаев черепно-мозговых ранений. Ни в коем случае нельзя все виды ранений объяснить этой так называемой ротационной теорией (в том числе и очаги ушибов в коре). Типичным случаем ротации тела является так называемый подбородочный крючок, или еще так называемый удар хлыста, когда откидывается и перенапрягается шейный отдел позвоночника.
Изолированное внутримозговое кровоизлияние вызвано механизмом растяжения- ударом, который максимально проявляется в центре, тогда как на периферии им можно пренебречь.
Установлено, что при свободно подвижном черепе деформации тканей происходят значительно чаще на противоположном ударе полюсе, чем на ударном. Исключение представляет собой воздействие силы на череп спереди (направление 2 на Spatz).
Положительное давление не может быть причиной типичных повреждений на полюсе, противоположном удару. Это можно видеть при сквозных огнестрельных ранениях, когда, несмотря на значительное повышение давления (примерно 20 – 40 атм.), лишь очень редко обнаруживаются очаги, соответствующие противоударному полюсу. Если нет очагов повреждений при таком высоком давлении, то положительное давление, значительно более слабое при воздействии тупой силы на череп, не может быть причиной возникновения таких очагов.
Есть и другие соображения. Биологические ткани обладают свойством не сжиматься и как следствие этого отсутствует сдвиг тканей по отношению друг к другу. Механическое повреждение не возникает, несмотря на сдавление кровеносных сосудов.
При исследовании очагов повреждения в коре в различных местах мозга постоянно обращает на себя внимание, что они особенно распространены на основании лобной доли в противоположность очагам, находящимся на выпуклой поверхности мозга. Эта различная распространённость очагов повреждения в коре связана с различными величинами радиуса поверхности мозга. Это значит, что при равном воздействии силы поверхностная распространённость очагов повреждения в коре зависит от радиуса соответствующей поверхности мозга.
Глава 4. Динамические воздействия, влияющие на людей в автомобиле ВАЗ 2110
| Прошло 60 мс после касания барьера: передок смят, но салон с манекенами еще движется | Прошло 100 мс. Пристёгнутый «водитель» сминает податливую баранку, а не пристёгнутый левый «пассажир» упирается лбом в потолок, ломая при этом шею и круша левое бедро усилием в 1,3 тонны, приложенным к спинке водительского кресла |
| Прошло 150 мс. «Водитель» достаёт до козырька комбинации приборов, но удар не опасен (HIC=341). А вот сидящий за ним «пассажир» ударяется об основание подголовника, получая смертельную черепно-мозговую травму и повторно ломая шейные позвонки | Прошло 250 мс. Активная фаза столкновения завершена: «водитель» отделяется легким испугом и спокойно сидит в кресле, а вот «тело» не пристёгнутого заднего левого «пассажира» отбрасывается назад, скорее всего, уже бездыханным |
Что касается пристёгнутых седоков десятки, то с ними все в порядке. Да «водитель» ударился головой о руль и козырёк комбинации приборов, судя по цифрам перегрузок (около 65 g при опасном пороге в 88 g) и по критерию вероятности травм головы HIC (340 при опасном пороге в 1000), скорее всего, даже сотрясение мозга будет. Не грозят серьёзными травмами и контакты коленей с панелью приборов «десятки» — во всяком случае, при ударе с 64 км/ч.
И не надо полагать, что при аварии вы сможете упереться руками или схватиться за поручни. Перегрузки при столкновении даже на скорости всего 20 км/ч достигают 15 – 20 g. Это значит, что пусть и очень непродолжительное время, но вес вашего тела возрастает двадцатикратно. Сможете ли вы, уперевшись руками и ногами, приподнять автомобиль массой 1,5 тонны хотя бы на пять миллисекунд.
Жёсткость конструкции не позволила автомобилю сильно деформироваться, а оставшуюся динамическую энергию, которую автомобиль передал водителю недостаточно чтоб нанести травмы. Водитель отделяется легким испугом и парой синяков.
Результаты испытаний автомобиля ВАЗ-2110
| Параметры измерений | Виды испытаний | Нормы EuroNCAP | |||||||||||
| Скорость 50 км/ч, деформируемый барьер, перекрытие 40 % | EuroNCAP, скорость 64 км/ч, деформируемый барьер, перекрытие 40% | граница «зелёной» зоны | граница «красной» зоны | ||||||||||
| манекен водителя | манекен пассажира | манекен заднего левого пассажира | манекен заднего правого пассажира | манекен водителя | манекен пассажира | ||||||||
| Использование ремней безопасности | пристёгнут | не пристёгнут | пристёгнут | не пристёгнут | пристёгнут | не пристёгнут | пристёгнут | не пристёгнут | пристёгнут | не пристёгнут | |||
| Максимальная перегрузка головы, g | 65,1 | 94 | 41,6 | 93 | 41 | 123 | 34 | 53 | 78 | 64 | 72 | 88 | |
| HIC | 341 | 1061 | 269 | 906 | 285 | 1171 | 255 | 371 | 600 | 648 | 650 | 1000 | |
| Изгибающий момент шеи, Нм | 33 | 88,2 | 10,1 | 154,1 | 22,1 | 123,2 | 22,5 | 24,8 | 23 | 35 | 42 | 57 | |
| Сжатие грудной клетки, мм | 25 | 14 | 37 | 35 | 15 | 10 | 17 | 19 | 40 | 45 | 22 | 50 | |
| Наибольшая нагрузка на бедренную кость, кН | 2,63 | 5,8 | 1,99 | 5,26 | 0,716 | 12,81 | 0,913 | 11,87 | 7,4 | 1,3 | 3,8 | 9,07 | |
| Наихудший критерий травмы голени TI | н. д. | н. д. | н. д. | н. д. | 0,24 | 1,12 | 0,25 | 1,56 | 0,58 | н. д. | 0,4 | 1,3 | |
| Информация левой стороны кузова по горизонтали, мм | стойка лобового стекла | 6 | 7 | — | — | — | — | — | — | 50 | — | 100 | — |
| торец рулевой колонки | 95 | 85 | — | — | — | — | — | — | 95 | — | — | 110 | |
| педали сцепления/тормоза | 130/85 | 42/28 | — | — | — | — | — | — | 205/155 | — | 100 | 200 | |
Анализируя данные о погибших при авариях за прошлый год, можно сказать лишь одно: в России задние пассажиры ремнями не пользуются. Судите сами. Всего смертей на заднем сиденье зарегистрировано 1935, за 2016 год. При этом 571 погибший пассажир сидел слева, за водителем, и 546 – справа. То есть смертность на крайних местах примерно одинакова. А вот на среднем месте погибли 818 человек. Это при том, что аварии с заполненным под заявку салоном, когда сзади сидят втроём, наверняка происходят реже.
Таблица и график ВАЗ-2110
| Динамические характеристики столкновения автомобиля ВАЗ-2110 | |||||||||||
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
| t, c | 0 | 0,01 | 0,02 | 0,03 | 0,04 | 0,05 | 0,06 | 0,07 | 0,08 | 0,09 | 0,1 |
| S, m | 0 | 0,16 | 0,29 | 0,37 | 0,45 | 0,54 | 0,58 | 0,62 | 0,66 | 0,69 | 0,71 |
| V, m\c | 17,8 | 16 | 13 | 8 | 8 | 9 | 4 | 4 | 4 | 3 | 2 |
| j, m\c | 0 | 180 | 300 | 500 | 200 | 150 | 500 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| Таблица ударо энерго поглощения | ||||||
| Замеры | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 |
| Дж | 167506 | 89570 | 33920 | 8480 | 8480 | 2120 |
t, c время в секундах;
S, m расстояние в метрах;
V, m/c скорость в метрах секунду;
j, m/c замедление автомобиля.
4.1. Автомобиль Chery Amulet
Результаты испытаний автомобиля Chery Amulet
| Результаты испытаний автомобиля Chery Amulet | |||||
| Параметры измерений | Автомобили | Нормы EuroNCAP | |||
| Chery Amulet | Граница «зелёной» зоны | Граница «красной» зоны | |||
| Манекен водителя | Манекен пассажира | ||||
| Максимальная перегрузка головы*, g | 151 | 82 | 72 | 88 | |
| НIC | 1480 | 537 | 650 | 1000 | |
| Изгибающий момент, Нм | 24,6 | 17 | 42 | 57 | |
| Сжатие грудной клетки, мм | 12 | 24 | 22 | 50 | |
| Наибольшая нагрузка на бедренную кость, кН | 6,5 | 0,9 | 3,8 | 9,07 | |
| Наихудший критерий травмы голени, TI | 1,49 | 0,4 | 0,4 | 1,3 | |
| Деформация левой стороны кузова по горизонтали, мм | Стойка лобового стекла | 485 | — | 100 | 200 |
| Торец рулевой колонки | 310 | — | — | 110 | |
| Педали сцепления/тормоза | 460/349 | — | 100 | 200 | |
| *Длительностью 3 мс | |||||
Что касается пристёгнутых седоков ЧЕРИ, то с уже не так все хорошо. Водитель ударился головой о руль, козырёк комбинации приборов, лобовое стекло! Судя по цифрам перегрузок (около 151 g при опасном пороге в 88 g) и по критерию вероятности травмы головы HIC (1480 при опасном пороге в 1000), сотрясение мозга гарантировано. Травма головы как внутренняя так внешняя неизбежна! Колени, бедренные кости подвергаются громадным перегрузкам в 2500 кг.
График и таблица Chery Amulet
| Динамические характеристики столкновения автомобиля Chery Amulet | |||||||||||
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
| t, c | 0 | 0,01 | 0,02 | 0,03 | 0,04 | 0,05 | 0,06 | 0,07 | 0,08 | 0,09 | 0,1 |
| S, m | 0 | 0,17 | 0,34 | 0,5 | 0,65 | 0,75 | 0,83 | 0,88 | 0.93 | 0,97 | 1 |
| V, m/c | 17,8 | 17 | 17 | 16 | 15 | 10 | 8 | 5 | 5 | 4 | 3 |
| j, m/c | 0 | 80 | 100 | 100 | 100 | 400 | 200 | 300 | 100 | 100 | 100 |
| Таблица ударо энерго поглощения | ||||||
| Замеры | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 |
| Дж | 174262 | 158950 | 123750 | 35200 | 13750 | 4950 |
t, c время в секундах;
S, m расстояние в метрах;
V, m/c скорость в метрах секунду;
j, m/c замедление автомобиля.
Из-за «несгибаемости» подрамника большую часть энергии удара принимает на себя не передок, а силовая структура салона. Которая у Амулета оказалась, увы, не вполне силовой…
Автомобиль погасил энергию удара, и динамические воздействия на водителя оказывалось. Но всё хорошо бы если б не тот фактор, при котором оставшееся динамическое воздействие моментально передалось водителю и его понесло вперёд, с таким ускорением, да и на встречу его принял руль, козырёк панели приборов и сильно вмявшиеся в салон двигатель, педали, руль, лобовое стекло, место водителя подвергалось полной деформации, передняя стойка почти встала вровень со средней стойкой.