Потный парадокс

Комаров С.М.
(«ХиЖ», 2016, №1)

s20160128 paradox1.jpg

Как сделать, чтобы человек зимой не вспотел? Рассуждения на эту тему приводят нас к 1995 году, когда свой нанограмм золота от Игнобелевского комитета за работу в области общественного здоровья получили Марта Колд Баккевиг из норвежского внедренческого центра «Sintef» и Рут Нильсен из Датского технического университета. А изучали они влияние мокрого исподнего белья на терморегуляцию человека в холодном климате.

Как уже отмечала «Химия и жизнь», вареных с подъемника еще ни разу не снимали, а вот обмороженные бывали. Однако эта житейская горнолыжная мудрость не уточняет, что делал горнолыжник перед тем, как сесть на подъемник. Например, он мог идти по интересной трассе, покрытой высокими ледяными буграми или по колено засыпанной свежим снегом. На такой трассе приходится тратить немало сил, и, оказавшись внизу, он, скорее всего, почувствует, что нижнее белье впору выжимать, особенно если оделся тепло. Пот же, испаряясь, станет отнимать тепло у организма, который, сидя в кресле подъемника, то есть, не выполняя никакой работы, будет охлаждаться. Кроме того, пот, пропитав одежду, резко увеличивает ее теплопроводность, не говоря уж о слое жидкости непосредственно на коже.

В общем, тут совсем недалеко до переохлаждения.

С другой стороны, если физические упражнения выполняются слишком долго и в жарком климате, из-за плохого отвода тепла – человек может и перегреться: в США смертность среди спортсменов от перегрева стоит на третьем месте после остановки сердца и перелома шеи.

В среднем человек, находясь в покое, выделяет за счет реакций обмена веществ 58 Вт на квадратный метр поверхности, а поверхность взрослого человека среднего роста — немногим меньше двух квадратных метров. Переваривание пищи может на несколько часов повысить поток этого тепла на 15%. А вот движения мышц дают гораздо больший эффект. Так, дрожание от холода увеличивает тепловыделение трехкратно, выполнение тяжелой работы или физических упражнений — в 10—13 раз, в зависимости от индивидуальных особенностей физиологии, при этом скорость образования пота возрастает до 1,8 литра в час. Зимой человек специально надевает несколько одежек, чтобы не замерзнуть, то есть, ограничить поток тепла от тела. И тогда резкий рост тепловыделения неизбежно приводит к перегреву. Так, наблюдения за финскими пограничниками во время семичасового лыжного перехода показали, что температура кожи у них меняется в интервале от 28 до 33оС, а ведь уже 31,5оС соответствует ощущению «жарко». Неудивительно, что организм выделяет пот: испаряясь, он забирает тепло и обеспечивает охлаждение. Однако у человека в одежде этот проверенный миллионами лет эволюции способ не работает: одежда мешает удалению пара, он насыщается и конденсируется. Потоки тепла и пара в человеческой одежде физиологи изучают уже более полувека. Например, в отмеченной премией статье самая ранняя ссылка датирована 1947 годом.

s20160128 paradox2.jpg

В демисезонном пальто (это соответствует уровню 2 clo) человеку будет комфортно при нуле градусов, если он просто идет и выделяет 100 Вт тепла с квадратного метра тела. А для комфорта при тридцатиградусном морозе в такой одежде нужно выполнять тяжелую работу, выделяя 230 Вт/м2.

Прогулки на морозе требуют одежды уровня 4 clo (теплый свитер и пуховик), но работать в такой одежде будет очень жарко.

Казалось бы, что тут сложного: обвешал человека датчиками, надел на него изучаемую одежду, посадил в климатическую камеру и все, что нужно, померил. Это делали не один раз, и не только на людях-добровольцах, но и на специально разработанных потеющих роботах-манекенах. Однако в ходе этих исследований был выявлен парадокс. Очевидно, что каждая ткань по-своему проводит тепло, пропускает водяной пар или конденсируют его. Соответственно уровень комфорта должен сильно зависеть от ткани, но никому не удалось выявить отчетливую связь. Предположив, что все дело в разных условиях опытов, лауреаты 1995 года решились на прямой эксперимент: не создавали пот с помощью физических упражнений, а сразу сделали одежду влажной. Потом участники эксперимента, сидя в креслах в камере с температурой 10оС, сушили ее на себе.

Увы, ничего путного из этой попытки не вышло. Исследовательницы взяли пять разных тканей: шерсть, хлопок, полипропилен с двумя типами плетения нитей и двуслойный материал, у которого гидрофобный полипропилен был на внутренней стороне, а гидрофильная шерсть — на внешней. Наименьшее сопротивление прохождению влаги было у полипропилена, а наибольшее — в полтора раза — у двухслойного материала, который к тому же был толще. Вполне предсказуемо при надевании влажного белья резко, почти на градус, падала температура кожи. Через час сидения в такой одежде участники жаловались на сильный дискомфорт, что также неудивительно. Но разница в ощущениях была минимальной. Так, температура кожи от ткани не зависела. Более того, толстый двухслойный материал оказался более комфортным, чем самый хорошо проводящий полипропилен.

Подобные противоречивые результаты встречаются в исследованиях ткани не один раз. В 1994 году те же авторы изучали потение работника в толстых вязаном и флисовом свитерах. Разницы в степени дискомфорта опять не было никакой, но вязаный свитер впитал несколько больше пота, что нехорошо — он стал тяжелее, а каждый лишний килограмм одежды увеличивает энерговыделение человека на 3%. В 2013 году авторы обзорной статьи отмечают, что создатели различных синтетических тканей, в том числе специально придуманных для спортивной одежды, не справились со своей задачей — в хлопковой майке люди чувствовали себя комфортнее, чем в полиэфирной («Journal of Ergonomics», 2013, S2, doi: 10.4172/2165-7556.S2-005). Даже спустя двадцать лет после эпохальной работы с влажным бельем исследователи из Университета Мак-Гилла («Physiological Report», 2015, 3, 8, e12505; doi: 10.14814/phy2.12505) меланхолично замечают, что специально разработанная охлаждающая ткань, которую они исследовали по настоянию изготовителя и на предоставленные им средства, не показала никаких преимуществ по сравнению с контрольным образцом. Казалось бы, для полярников можно сделать хорошую одежду, но и тут неудача — обитатели Антарктиды отмечают, что для похода их одежда комфортна, а вот когда берешь образцы, то покрываешься потом.

Изготовители одежды, прежде всего спортивной, военной или какого-либо специального костюма, да и не только они, долгие годы пытаются найти формулу идеальной ткани, способной обеспечить комфорт человеку при значительных колебаниях его тепловыделения, но успехи довольно скромны.

Что же делать? Судя по всему, специалисты находятся в некоторой растерянности, поскольку предпочитают уповать на дальнейший прогресс в создании синтетических волокон, на снижение веса тканей и устройство вентиляционных отверстий в нужных участках одежды. Есть и экзотические предложения — например, отказаться от многослойной теплой одежды, но вшивать в нее металлические нагреватели, работающие от батареек: в случае нужды нагрев можно включать, а при выполнении тяжелой работы — выключать, обходясь собственным теплом человека. Аналогичным образом можно попытаться использовать охлаждающие элементы, встроенные в одежду, — такие системы сейчас применяют для охлаждения тела космонавтов во время работы в скафандре.

Казалось бы, элементарная задача — создать комфортабельную теплую одежду, а решить ее почти так же трудно, как проблему управляемого термоядерного синтеза. В теории вроде все понятно, а результата пока нет.

Разные разности

03.12.2018 18:00:00

...космическая система обнаружения дневных астероидов позволит в течение 5 лет выявить не менее 3000 астероидов размером более 10 м...

...Управление по контролю продуктов и лекарственных препаратов США одобрило новый противогриппозный препарат с иным механизмом действия, чем у тамифлю и других; препарат называется ксофлюза...

...исследованы с помощью фМРТ процессы в мозге собаки, когда она слышит знакомые и незнакомые человеческие слова...


>>
30.11.2018 10:00:00

Исследователи из Индианского университета обнаружили способ выделить себя среди производителей крафтового пива: надо объявить себя зеленым пивоваром. То есть таким, который борется за экономию энергии и сохранение окружающей среды.

>>
29.11.2018 12:00:00

Сотрудник МГУ имени М.В. Ломоносова просмотрел огромное число образцов многощетинковых червей, идентифицированных как Thelepus cincinnatus и обнаружил, что перед ним представители не одного вида, а четырёх разных.

>>
27.11.2018 18:15:00

Химики из Чалмерского технологического университета (Швеция) решили запасать солнечное тепло с помощью химической энергии.

>>
06.11.2018 15:40:00

…«Science» опубликовал шесть статей, посвященных финальному этапу исследования Сатурна автоматической межпланетной станцией Кассини…

…в Японии, возможно, будет разрешено редактирование генов человеческих эмбрионов в исследовательских целях...

…британские ученые с помощью CRISPR-Cas9 ввели в геном малярийного комара Anopheles gambiae мутацию, которая делает самок бесплодными при сохранении плодовитости самцов; такая мутация может полностью уничтожить вид…

>>