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

16.08.2018 10:00:00

В этом году Европейское физическое общество (EPS) совместно с РАН учредило свою высшую награду и назвало её в честь выпускника и профессора Физтеха Владилена Летохова (EPS Vladilen Letokhov award). Премия будет присваиваться учёным за исключительные достижения в области взаимодействия лазерного излучения с веществом. Это признание выдающегося вклада Владилена Летохова в развитие лазерной физики, в частности спектроскопии атомов и молекул, лазерной манипуляции атомами и изучение процессов в сильных полях.

>>
13.08.2018 14:00:00

Студент физического факультета и сотрудники Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга МГУ имени М.В. Ломоносова открыли сверхмассивную черную дыру в центре галактики Fornax UCD3, которая относится к редкому классу ультракомпактных карликов.

>>
06.08.2018 10:00:00

...всемирно известная горилла Коко, владевшая языком жестов ASL, скончалась во сне в возрасте 46 лет...

...скоро будут созданы абсолютно прозрачные солнечные батареи, использующие энергию ультрафиолетового и инфракрасного света, но пропускающие видимый свет во всем диапазоне; их можно будет вставлять в окна вместо стекол...

...робот наливал пиво, а искусственный интеллект оценивал эмоции людей, чтобы определить, не проводя опросы, какая пенная шапка будет наиболее привлекательной...


>>
30.07.2018 10:00:00

Группа китайских исследователей выяснила, какой уровень риска общество считает приемлемым для роботов-автомобилей.

>>
27.07.2018 10:00:00

В конце лета, после того как собран урожай, освободившиеся грядки засевают так называемыми сидератами. Считается, что они улучшают структуру почвы, защищают от сорняков и вообще служат зелеными удобрениями. Это утверждение проверили американские почвоведы из Висконсинского университета. А изучали они поле, где сидератом служила редиска.

>>