СТРАХОВКА: МНЕНИЯ И ФАКТЫ
Этот случай произошел в горах Памиро-Алая. С седловины перевала вниз вел длинный 60-градус-ный ледовый склон. Двигаться решили по перилам. В месте перестежки на вторую веревку стояли двое, ожидая, пока внизу приготовят очередную лоханку во льду. Один из них снял рюкзак и примостил его прямо на завернутый ледобур, к которому раньше карабином пристегнул и свою самостраховку (8-миллиметровый репшнур с узлом проводника на конце) и веревочную петлю, привязанную к лямкам рюкзака. Видимо, решив расширить лоханку, он попросил товарища придержать рюкзак, а сам вышел на передних зубьях кошек в сторону, на склон, несколько раз ударил ледорубом... Срыв произошел неожиданно: наверху что-то загремело, напарник поднял голову, и почти одновременно рюкзак товарища вырвало из-под руки.
Что же произошло? Почему не сработала такая, казалось бы, надежная самостраховка?! На разборе аварии в маршрутной комиссии выдвигались различные версии, но все они противоречили установленным фактам. Так, самостоятельно отстегнуться от крюка потерпевший не мог, поскольку там стоял рюкзак - сосед бы заметил. Крюк в целости остался на месте. И репшнур для самостраховки, и пояс с «беседкой», и петля от рюкзака у погибшего оказались в порядке.
Отсутствовал только треугольный карабин, которым он пристегивал самостраховку к крюку. Найти его не удалось.
А ведь он где-то - на крюке, обвязке или рюкзаке - должен был остаться, даже если турист вообще не пристегнулся, «цапанул» карабином мимо ушка крюка, или если защелка открылась (например, под давлением стоящего сверху груза)...
Можно предположить, что от рывка при срыве карабин разрушился. Подобную версию члены комиссии обсуждать не стали: откуда при падении на 1-1,5 м (длина самостраховки) такие усилия, чтобы разорвало стальной карабин?! Того же мнения (как выяснилось, весьма распространенного среди туристов и альпинистов) придерживались многие. И в выводах записали: «Причина несчастного случая не установлена».
Попробуем все же выявить ее, рассмотрев с точки зрения механики процессы, происходящие при срыве восходителя. Для этого достаточно знания школьного курса физики.
Для упрощения рассуждений начнем со случая движения по отвесной стене (рис. 1),
когда восходитель поднялся на высоту h над точкой А жесткого закрепления веревки (там она или узлом прикреплена к крюку, или завязана вокруг скального выступа, или ее «намертво» - без протравливания - держит напарник по связке). Тогда сорвавшийся совершит свободное падение на глубину h + l + Dl, где l-длина веревки, а Dl -ее удлинение при рывке (весом веревки в дальнейшем пренебрегаем).
Очевидно, что работа по упругому (по закону Гука) растяжению ее равна изменению потенциальной энергии сорвавшегося (кинетическая энергия у восходителя в момент срыва и при зависании на страховке отсутствует, так как скорость нулевая). То есть
(1) 0,5 РDl = G (h + l + Dl),
где Р-сила натяжения веревки, G - вес человека.
Введем коэффициент падения, называемый в зарубежной литературе фактором рывка. Он определяет, сколько метров свободного падения по отвесу приходится на каждый метр выданной веревки:
(2) K=h + l / l
При выходе вверх с веревкой внатяг, т. е. при h = l, фактор рывка наибольший (К = 2). При падении же от уровня крюка, например на самостраховке, h = 0 и K = 1. Если срыв произошел при натянутой верхней страховке, то K = 0.
Упругие свойства веревки характеризует ее относительное удлинение ¦- удлинение каждого метра при срыве:¦ = Dl/l.
Подставив K и ¦ в формулу (1) и переписав ее относительно возникающих в веревке усилий, получим
(3) P= 2G (K+1) / f
Из соотношения видно, что усилие P зависит от веса восходителя (подобное всем очевидно), фактора рывка и упругости веревки. Чем больше этот фактор, тем сильнее рывок; чем больше упругость страховки, тем усилие P меньше. Но (неожиданный для многих вывод) сила рывка, оказывается, не зависит от длины рабочего участка веревки и от глубины падения.
Как же так, ведь эти-то параметры и определяют фактор рывка! Правильно. Но на величину K они влияют не впрямую - влияет их отношение. То есть фактор рывка и в том случае, когда восходитель поднимается на всю длину 40-метровой веревки, и тогда, когда он срывается только с 3 м (если напарник «намертво» зажимает страховку), одинаков. Значит, и сила рывка будет одна и та же. Хотя в первом случае человек пролетает в свободном падении 80 м, а во втором - только 6 м, в 13 раз меньше!
Поясним сказанное следующими очевидными соображениями: чем больше высота падения, тем больше и кинетическая энергия сорвавшегося, но при этом соответственно (в той же пропорции) длиннее веревка и больше ее способность поглотить энергию рывка. Эти два фактора взаимно компенсируются. Потому-то срыв при малой высоте падения так же опасен при жестком закреплении страховки, как и при большой: сила рывка одна и та же.
Механика упомянутых процессов изучена давно. Еще в 1948-1950 гг. были опубликованы подробные работы Е. Казаковой по результатам исследований бригады ЦНИИ физической культуры. В статье Б. Гарфа «Динамическая прочность альпинистской веревки» («Побежденные вершины», 1949, с. 345) однозначно сказано: «В этом случае (т. е. при ее жестком закреплении - 3. М.)... усилие в веревке не зависит от высоты падения и является исключительно функцией упругих свойств веревки».
Тем не менее еще распространено заблуждение о «безопасности» срывов на самостраховке или на закрепленной короткой веревке (без протравливания).
Разумеется, реальному человеку, а не «предмету с весом G» совсем не все равно, с какой высоты падать (даже без учета психологического фактора). Чем высота больше, тем больше и скорость сорвавшегося, тем сильнее удары о рельеф. Скорость падения не важна лишь при свободном падении, когда нет «контактов» с рельефом.
Вернемся к формуле (3). При прохождении участка маршрута восходители не в силах изменять упругость веревки (упругость уменьшается при намокании и замерзании веревки) и тем более свой вес. А вот влиять на фактор рывка они могут - изменяя свою высоту над точкой закрепления веревки. Например, при использовании одного промежуточного крюка (закладки, выступа) в точке В (рис. 2)
формула для фактора рывка приобретает такой вид:
K= ((h-b)+(l-b)) / l = (h+l-2b) / l
Сравнивая формулы (2) и (4), наглядно видим, что в последнем случае фактор рывка существенно меньше. Скажем, если промежуточный крюк вбит на половине высоты подъема (в - 0,5h), то фактор рывка вдвое меньше (К = 1).
Максимальные же усилия в веревке (при К - 2) равны
(4) P= 4G / f + 2G » 4G / f
(так как ¦ заведомо меньше 0,4, членом 2G с точностью 10-20% можно пренебречь).
Таким образом, максимальная сила рывка также зависит только от веса сорвавшегося и упругости веревки.
Полученная формула показывает, что при срыве на жестко закрепленной веревке она останется целой, если ее динамическая прочность (разрывное усилие) больше усилия рывка P=4G/¦ (не учитывая ослабления прочности веревки на местах ее перегибов и в узлах).
По нормам УИАА (Международного союза альпинистов) на веревку при падении груза весом 80 кг сила рывка не должна превышать 1200 кг. Отсюда легко подсчитать, что веревка должна иметь упругость (динамическое удлинение) не менее 27%. То есть каждый ее метр при «тяжелых» срывах должен растягиваться не менее чем до 127 см. А при длине рабочего участка веревки, скажем, 20 м она должна удлиниться на 5,5 м!
В описанном происшествии срыв участника произошел из лоханки, его центр тяжести находился практически на уровне ледобурного крюка, в котором была закреплена самостраховка. В нашем случае h=0? K=1 и из формулы (3).
(5) P = 2G ( l + l ) / f
И опять видно, что в этом случае возникающие усилия не зависят от глубины падения, а определяются жесткостью веревки. Упал восходитель с полочки, где закреплена веревка, на всю ее длину (40 м) или только на 3 м (напарник успел зажать страховку) - сила рывка одинакова.
Но какова же его величина?
В течение 1977-1979 гг. в Приэльбрусье проводились сборы Спорткомитета СССР по обеспечению безопасности в альпинизме. На них различное горное снаряжение испытывалось на специальных стендах, на элементах рельефа (ледниках, скалах) и во время восхождений по маршрутам всех категорий сложности. Здесь впервые в нашей стране осуществлялись динамические испытания веревки по методике УИАА. При этом груз весом 80 кг (бетонный блок, камень или альпинист) падал с высоты 2,5 м (не так уж много) над жестко закрепленным карабином, через который пропускалась веревка (она тоже жестко закреплялась). То есть глубина падения (без учета упругого удлинения веревки) составляла 5 м, а фактор рывка - 2. Механическими и электронными динамометрами измерялись возникающие при испытаниях усилия. Оказалось, что из-за значительной жесткости отечественной основной веревки (диаметром 10 мм) они доходят до 2000 кг! Это гораздо больше норм УИАА и больше требований технических условий на прочность такой веревки (1200 кг). То есть целость даже новой, сухой веревки при таких, казалось бы незначительных, срывах (всего 5 м падения, но ведь фактор рывка максимален!) не гарантируется. Этим и объясняются разрывы страховки при жестком ее закреплении.
Относительное удлинение веревки оказалось всего 16% вместо необходимых 27%. При старении же жесткость ее - и, следовательно, усилия при срывах, возможность разрыва - увеличивается. Даже когда веревка лежит на складе и не используется. И если альпинисты, как правило, получают в лагерях «свежую» веревку, то туристы часто ходят с любой, какую смогут достать. Испытания показали также, что прочность веревки после сильных рывков снижается. В ней, видимо, разрывается при этом часть волокон. Использовать снова такую страховку опасно!
Вернемся к аварии. Она произошла не на отвесе, а на 60-градусном ледовом склоне. Имеется ли в этом принципиальное отличие?
Нет. Необходимо лишь учитывать, что часть энергии падения затрачивается на трение о склон. В работах Е. Казаковой говорится, что коэффициент трения тела человека по льду равен 0,4. Там же высчитано, что на ледовом склоне крутизной 60° трение поглощает 23% энергии падения - на столько же уменьшается и сила рывка.
На погибшем был комбинезон из синтетической ткани, значительно более «скользкий», чем штормовой костюм, коэффициенты трения которого определяла Е. Казакова. Следовательно, на трение ушло еще меньше энергии. Заметим, что очень «скользкие» костюмы из синтетики уже способствовали не одному несчастному случаю в горах.
Подставим в формулу (5) известные значения и, введя поправки на трение, затягивание узлов, эластичность обвязки и тела человека, получим величину рывка 600-700 кг. Такие усилия 8-миллиметровый репшнур мог выдержать - он и остался цел.
Остался на месте и крюк. И это понятно: по данным сборов Спорткомитета СССР, ледобуры фактически самый надежный элемент страховочной цепи, значительно надежнее даже скальных крючьев. Ледобуры выдерживают усилия не менее 1500 кг! В то время как ледовый крюк старой конструкции держит стойко не свыше 600 кг, он более подвержен опасности вытаивания и выкалывания вместе со слоистым натечным льдом.
Но карабин-то должен был выдержать какие-то 600-700 кг! Во время испытаний на сборах в Приэльбрусье у стальных бобовидных карабинов уже при 2100 кг (а такие нагрузки на них при срывах совсем не редкость) происходили разрушения защелки. И более 10 карабинов (около половины применявшихся при испытаниях) разрушились при усилии рывка... менее 800 кг! Видимо, потому, что направление усилий не совпало с большой осью карабина. А в поперечном направлении он выдерживает почти в три раза меньше!
Треугольные же карабины выходят из строя уже при нагрузке в продольном направлении 1200 кг - это крайне мало, и такие карабины, оказывается, применять для страховки нельзя. Очевидно, что в поперечном направлении «треугольник» выдерживает еще меньше, чем бобовидный. У погибшего был именно такой...
Разрушение карабинов (рис. 3)
при испытаниях происходило около защелки, которая после этого получала возможность свободно выворачиваться наружу. Вероятно, так случилось и при рассматриваемом срыве. И из карабина, сломавшегося под нагрузкой, выскочил сначала крюк, а потом, во время падения по склону, из петель репшнуров вывалился и сам карабин... Потому-то и не сработала страховка, потому-то и не нашли карабин - найди его на протяженном склоне среди трещин...
Но как произошло, что рывок пришелся поперек карабина? Ведь они специально сконструированы так, чтобы под нагрузкой свободно поворачиваться в ее направлении... Одну из возможных причин демонстрирует рис. 4.
На нем отчетливо видна ситуация, образовавшаяся (самопроизвольно) во время тренировок в Подмосковье группы туристов. Треугольный карабин зацепился муфтой за ушко крюка и остался в таком положении. Расстегнуться он при срыве не может: защелка открывается внутрь, против направления рывка. Но усилие последнего приходится на область защелки, где механическая прочность карабина незначительна.
Другая возможная причина - та, что потерпевший поставил на крюк рюкзак. Тот скрыл неправильное положение карабина и мог даже препятствовать повороту «треугольника» при рывке. Или, допустим, репшнур, привязанный к рюкзаку, попал под его дно, натянулся и повернул карабин боком...
Так что же, отказаться от карабинов? От треугольных на страховке - да, тут нет сомнений. А всем другим надо обеспечивать возможность свободного поворота при рывке, навешивать их не как попало, а с учетом его возможного направления, не допускать зацепления за что-либо защелкой или муфтой.
Из сказанного также следует, что традиционное крепление веревки к обвязке карабином тоже не обеспечивает прочности более 700-800 кг - из-за его возможного поперечного положения. Поэтому на крутых участках лучше непосредственно привязывать веревку к обвязке. Кстати, УИАА давно такое рекомендует.
Туристы часто используют самодельные страховочные пояса, которые стягиваются карабином. Здесь ситуаций аналогична - при срыве усилие (и с весьма большой степенью вероятности) окажется направленным поперек карабина. Выдержит ли он? Думается, вместо такой «игры со смертью» лучше сделать надежную пряжку (как на «абалаковском» поясе) или хотя бы завязывать пояс отрезком основной веревки. (Подчёркнуто мной. БГС)
Знакомясь с отчетами по сборам, один из авторов обнаружил, что много раз находился буквально на волосок от гибели. Ведь он, как и большинство восходителей, в качестве самостраховки использовал репшнур диаметром 6 мм. Который, как показали испытания, имеет прочность при рывке менее 400 кг (даже новый, сухой)! То есть заведомо меньше, чем усилия, возникающие при падении с отвеса только на 1 м даже при небольшом факторе рывка (скажем, равном 1). Здесь речь идет не об одинарном конце репшнура, а о петле, которая выдерживает почти вдвое большие усилия (рис. 5).
При испытаниях петля длиной 1. м из нового репшнура, один конец которой продевался в карабин без узла, разрывалась при падении жесткого груза весом 80 кг с высоты 1-2 м. Причем разрыв происходил по гладкой части, вне узла и карабинов.
Некоторые восходители завязывают «для прочности» узлы с обоих концов петли. В подобном случае, даже при всем старании, невозможно добиться одинаковой длины веревочек, одинаковой нагрузки на них. Поэтому при рывке нагружается и рвется сначала одна, а затем, через долю секунды, другая, что наглядно видно на осциллограмме усилий в такой страховке (рис. 6).
Величина нагрузки сначала увеличивается - это репшнур растягивается, потом резкий спад - обрыв. Второй пик - процесс повторяется со второй веревкой.
То же происходит и при использовании двойного репшнура, завязанного узлом хотя бы с одной стороны. Фактически получается, что подобная страховка, казалось бы вдвое более прочная, выдерживает усилия почти такие же, как и одинарная.
Репшнур, как и основная веревка, портится при «тяжелых» срывах. На испытаниях, например, петля, успешно выдержавшая нагрузку, рвалась при повторном срыве - с той же высоты, при том же грузе. Так что самостраховку надо делать только из отрезков основной веревки, а не из репшнура (репшнур диаметром 8 мм выдерживает лишь усилия в 700-800 кг).
В заключение остановимся еще на одном опасном заблуждении: отождествлении усилия рывка с усилием, действующим на страховочную точку - крюк c карабином. Если представить, что веревка при движении через карабин имеет незначительное трение (т. е. уподобить его блоку), то усилие на карабин и крюк может вдвое превысить силу рывка. Это ясно видно из схемы действующих сил на рис. 7.
Испытания в реальных условиях показали, что фактически сила натяжения веревки на участке от карабина до страхующего за счет трения примерно вдвое меньше усилия рывка. Таким образом, при рывке, например, в 2000 кг (что вполне реально при отсутствии протравливания) нагрузка на страховочную точку доходит до 3000 кг! Никакой крюк этого не выдержит, да и не всякий карабин.
Поэтому при страховке совершенно необходимо смягчение рывка путем протравливания веревки страхующим или с помощью автоматического энергопоглощающего устройства.
Необходимость протравливания как будто общеизвестна. Однако на практике обычно на крик сорвавшегося «держи!» страхующий инстинктивно «намертво» зажимает веревку...
Конечно, кардинальным решением проблемы явился бы переход на веревку необходимой упругости или хотя бы применение автоматических демпферов - таких, например, как подготавливаемые к выпуску Минлегпромом страховочные петли, в которых энергия рывка гасится за счет последовательного разрыва простроченных складок капроновой тесьмы. Но это в будущем. Пока же можно использовать различные устройства наподобие известной шайбы Штихта, получившей широкое распространение в зарубежной практике горовосхождений. Не являясь автоматом, она все же облегчает и страховку, и обучение ей, стабилизируя условия трения при протравливании.
Мы обращаемся к инструкторам, от которых прежде всего зависит выработка у восходителей необходимых навыков. Мало объяснить и показать правильный прием, надо довести его у ваших учеников до автоматизма. Ведь сколько уже говорили (Е.Казакова писала о величинах рывка и о страховке еще 35 лет назад!), а веревку зажимают почти все...
ЛИТЕРАТУРА
Казакова Е. А. Теория и практика страховки в горах. В кн. «Побежденные вершины». М., Географгиз 1948; Страховка на Склонах. Там же, 1949; Техника страховки в горах. М., Профиздат, 1950.
X у б е р Г. Альпинизм сегодня. М., ФиС, 1980..
