冲击性加速度

在弹射救生过程中(如弹射离机、气动减速、开伞冲击、着陆冲击等时)以及碰撞、飞机迫降时，均可有“冲击性加速度”发生，而引起“冲击性过载”作用于人体。关于冲击性加速度在作用时间上的严格定义界限，目前无统一的说法。有人认为，冲击作用时间小于0.2秒，体内液体还来不及转移，所致组织损伤不取决于体液转移程度者，为冲击性加速度(Stapp,1961)。有的则认为，冲击时间小于2/ω秒者，为冲击性加速度(Payne,1962,ω为物体的固有频率)。但在实际工作中，可将作用时间小于1秒者，统称为“冲击性加速度”。冲击性过载的峰值一般都较大，增长率较快，作用时间较短。它对人体的影响与持续性加速度不同(见“重力生理学”等)，主要是引起疼痛、短暂意识丧失或病理损伤，严重时可致死亡。其影响程度除与过载值、作用时间、过载增长率三项基本参数有关外，还与其作用方向和作用于人体的部位等因素有关。例如，过载为头-盆方向时，可引起脊柱损伤； 如为胸-背方向，则可引起肋骨、内脏或头部损伤。
人体是弹性物体，在受到冲击性过载作用时，会引起动态反应。在一定条件下也会出现“超调”现象，也就是人体实际受到的过载值超过了所施加的过载值。

图1 弹射过程中的超调现象

图中曲线系在弹射塔进行弹射时，由座椅及人体髂部所录下的冲击性过载曲线。注意人体过载值有时超出座椅的数值

超调现象与下列因素有关：
❶物体的固有频率与位移量可影响作用在物体上过载值的大小。因为弹性物体振动时，a=ω²x (a为作用于物体上的加速度、可反映过载值，ω为物体固有频率，x为物体相对平衡位置的位移)，故ω、x越大，a就越大；反之，则小。有一些因素可影响人体的ω和x值。例如，随着年龄增大，ω值下降； 作用的过载值增加，ω值也增大；合理的束缚系统，使x值减小；座垫不合适，可使x值增加。
❷在有阻尼的物体，超调量还与阻尼度大小和过载增长时间的长短有关。阻尼度大，过载增长时间长，则超调量小；反之，则大。
❸冲击性过载频谱成分中所含的物体固有频率份量愈大，愈易引起共振，从而使超调量增大。
为评定人体对冲击性过载的耐受性，过去常利用过载值、增长率、作用时间三项参数进行综合判断。已经得出±G_Z、±G_X、±G_Y方向和头部受到冲击时的人体耐力数据(见“航空救生——力环境”、“保护头盔”)。这种评定方法在实际应用中存在一些问题。如由于过载曲线不规则，致使测量方法不统一，因而这些参数不易准确测量。此外，三项参数中只要有一项发生变化，其他两项也须作相应变动，这样组合排列起来，数据就非常多，事实上无法实现。为了改进评定耐力的标准，Payne (1962)提出在弹射时用“动态响应指数”(DRI)代替过去的三项参数。DRI=ω²δmax/g(ω为人体固有频率，rad/s;δnax为过载作用时人体最大压缩位移量，cm; g为重力加速度，980cm/s²)。它反映弹射时实际作用于人体过载值的大小(见“航空救生——力环境”)。
由于冲击性过载易引起严重损伤，故不可能进行大负荷人体实验。自五十年代后期开始，已逐渐利用模型方法进行实验，并发展成一门新兴的学科，称“生物动力学”。系利用力学、弹性力学、材料力学等原理和方法研究生物体受力后的动态现象，解释这些现象，并探索其规律。模型分为机械模型、数学模型、电子模拟线路等。为研究人体受冲击力后应变-应力的变化，近年来又采用有限元分析法计算物体受力分布情况。机械模型分为单自由度和多自由度两种。单自由度由一个质量块、一根弹簧和一个阻尼器组成。多自由度由多根弹簧，多个阻尼器和多个质量块组成。下图是单自由度和四自由度机械模型示意图。这些自由度都是模拟人体各主要部位弹性体的特性，故必须使其固有频率和阻尼度接近人体的真实情况，并须选择合理的参数。应当注意：在有过载作用时，人体固有频率也会发生变化。例如，在+2G_Z时，固有频率约为11周/秒；+3Gz时，12周/秒；+4Gz时，13周/秒。阻尼度也会出现相应变化。现在又研制成三维动态模型，能模拟人体躯干在X、Y、Z平面上的动态过程。此模型由很多固体小块和长条组成，类似人体脊柱和肋骨。代表脊椎的小块借小柱（代表椎间盘）连接，周围用弹簧拉紧，以模拟脊椎间的韧带。用流体动力部件(hydrod-ynamic element)模拟腹腔和内脏，连接于代表胸10脊椎的小块和骨盆之间的部位。可利用这种模型测定人体频响特性，研究弹射或胸-背向减速过载作用时人体姿势的动态变化过程。为建立这种模型，必须先了解人体各有关参数，列出各部位的运动方程，方能利用计算机进行计算。模型实验的结果可存储在计算机内，需要时取出，并在显示器上显示动态变化的图形。数学模型是根据所要解决的问题，先列出物体运动的数学方程，然后改变其中的一或数个参数，计算出物体动态变化规律。电子模型线路系建立在力和电流有相似运动的原理上。例如，以单自由度机械振动系统为例，其自由振动的微分方程为：

而自由振荡电路中，电流i的微分方程为：

可见，机械振动与谐振电路之物理本质虽不同，但却可以用同一类型的微分方程加以描述，其结果取决于振荡周期和阻尼度。可以参照人体的振荡周期和阻尼度调试电子线路，使其振荡特性符合人体机械振动特性，然后输入模拟冲击性过载的信号，分析其输出信号，研究不同冲击性过载对人体的影响。有限元分析法是计算物体受力后各节点应力分布的一种方法，在按位移求解的有限元法中，其基本计算原理为：
❶先将弹性体进行离散化，即从几何上将整个弹性体用线或面剖分为有限个单元。单元与单元的连接点称为“节点”。
❷设法列出各节点位移的线性代数方程，然后求各节点位移。
❸知道各节点位移，就可根据应变-位移方程，求出各节点的应变量。
❹根据应力-应变方程，就可求出各节点的应力分布。

图2 机械弹性模型

甲： 1.人体质量 2.阻尼器（代表脊柱阻尼） 3.弹簧（代表脊柱刚度）
乙： 1.头和颈的质量 2.人体部分上身加手臂质量3.弹簧(代表胸₁～胸₉椎体刚度) 4,9.阻尼器（代表平行于脊柱的肌肉和其它物质的阻尼） 5.弹簧(代表胸₁～胸₁₀椎间盘刚度) 6,11.阻尼器（代表椎间盘阻尼） 7.人体部分上身质量 8.弹簧(代表胸₁₀～腰₅椎体刚度) 10.弹簧(代表胸₁₀～₁₁和腰₅～骶骨椎间盘的刚度)
此法现用于计算脊柱受冲击力后各椎体平面应力-应变的变化及脊柱受力后的弯曲度动态变化过程，较其他方法更为精确。它还可用于解决其他问题。例如，研制保护盔时，可利用此法计算保护盔受冲击力后各节点应力分布情况，评价保护盔的防护性能。