Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Mechanické kmitání a jeho vliv na člověka
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Mechanické kmitání a jeho vliv na člověka

Mechanické kmitání zbavuje člověka klidu, může mu působit bolest a ohrozit jeho zdraví i život. Může je však také posílit. Mechanické kmitání snižuje spolehlivost, životnost a přesnost funkcí mnoha strojírenských výrobků. Zemětřesení v přírodě boří budovy a maří lidské životy. Přesné změření a analýza mechanického kmitání jsou základním předpokladem pro jeho efektivní využití i výrazné omezení.

Mechanické kmitání je charakterizováno dráhou (výchylkou), rychlostí a zrychlením. Derivací dráhy x podle času t určujeme rychlost kmitavého pohybu dx/dt a druhou derivací dráhy podle času d2x/dt2 určíme zrychlení kmitavého pohybu. Pro lékařské vyšetřování související s pohybem člověka v prostoru (v leteckém a kosmickém zdravotnictví) má smysl měřit i d3x/dt3, tzv. gradient zrychlení.

Anotace
Zjednodušený mechanický model lidského těla podle firmy Brüel & Kjaer

Měření parametrů mechanického kmitání

Vzhledem k malé hmotnosti, rozměrům a odolnosti proti poškození a častým požadavkům na měření ve frekvenčním rozsahu nejčastěji do několika kHz jsou pro měření uvedených parametrů používány akcelerometry. Jedním takovým senzorem vybaveným jednoduchými obvody elektrické integrace a derivace lze změřit libovolný parametr mechanického kmitání v nastaveném směru měřicí osy senzoru.

U nejpoužívanějších akcelerometrů jsou využívány piezoelektrický a induktivní princip a v poslední době též křemíkové tenzometry. Elektronické přístroje, ke kterým jsou senzory připojovány, jsou zpravidla vybaveny integračními a derivačními obvody a v případě potřeby náročnými obvody pro automatické zpracování měřicích signálů, např. automatickým prováděním jejich frekvenční analýzy vyjádřené čárovým spektrem nebo statistickým zpracováním měřicích signálů podle zadaných kritérií.

Mechanické kmitání a lidský organismus

Zjednodušený mechanický model lidského těla s vyznačením pásem rezonančních frekvencí podle vědců prestižní dánské firmy Brüel & Kjaer ukazuje, že významný frekvenční rozsah mechanického kmitání je 1 až 100 Hz. Na základě empirických pozorování je známo, že lidský organismus je ve směru podélné osy (od chodidel k hlavě) nejcitlivější na mechanické kmitání od 4 do 8 Hz. V příčných směrech je lidský organismus nejcitlivější na mechanické kmitání 1 až 2 Hz.

Anotace
Zatěžovací stroj firmy Rumul působící v rozsahu rezonančních frekvencí 4 až 250 Hz na vzorky konstrukčních materiálů silou až 550 kN

První mezinárodní doporučení ISO 2631, týkající se účinku mechanického kmitání na lidský organismus, obsahuje mezní křivky kmitání působícího v průběhu jedné minuty až 12 hodin ve frekvenčním rozsahu 1 až 80 Hz, který představuje rozsah maximální citlivosti lidského organismu k mechanickému kmitání. Týká se těch případů, kdy je celé tělo vystaveno mechanickému kmitání přenášenému buď na chodidla stojícího člověka, nebo na místa podepření těla ležícího člověka. V doporučení jsou uvedena tři kritéria:

  • mez omezení pohodlí, použitelná např. v osobní dopravě;
  • mez únavového snížení výkonnosti důležitá např. pro řidiče a obsluhu strojů;
  • absolutní mez zatížení, jejíž překročení může mít za následek poškození zdraví.

Nepříznivé účinky mechanického kmitání

Nepříznivé účinky mechanického kmitání na člověka byly známy dříve, než byl pojem mechanického kmitání definován. Přesvědčili se o tom pasažéři trpící „mořskou nemocí“ na kolébajících se lodích při plavbě po mořích. Pamětníci si vzpomenou, že většina pasažérů automobilu Tatra 603 po jízdě trvající několik hodin trpěla bolestmi hlavy a žaludku. V uvedených případech se zřejmě uplatňovalo zrychlení ve směru a o frekvencích, které na lidské tělo nepůsobí při chůzi ani běhu.

Mezi lesními dělníky pracujícími s motorovými pilami jsou dobře známé „bílé prsty“, tj. postupná degenerace cévní a nervové tkáně se snížením citlivosti a pohybové schopnosti prstů. Je-li ve frekvenčním spektru mechanického kmitání obsaženo kritické kmitání s větší amplitudou zrychlení, může při dlouhodobém působení trvale poškozovat některé orgány člověka. Proto by měla být věnována mimořádná pozornost i odpružení sedadel motorových vozidel. Působení prostorových zrychlení o frekvenci řádově 0,1 Hz při akrobacii sportovních letadel, kdy pilot současně mění směr dráhy letu i jeho rychlost, může vést ke ztrátě prostorové orientace pilota a případně i ke ztrátě vědomí.

Novější doporučení ISO 5349 se především zabývá mechanickým kmitáním působícím na ruce dělníků a stanovuje podmínky jejich bezpečné činnosti.

Vědecký výzkum působení mechanického kmitání na lidský organismus rozšiřuje základní rozsah zkoumání mechanického kmitání ve frekvenčním rozsahu 1 až 80 Hz podle normy ISO 2631 na frekvenční rozsah 0,1 Hz až 1500 Hz, ve kterém se vyskytují dříve neuvažované frekvence kmitání s nezanedbatelným účinkem na lidský organismus.

Mechanické kmitání v lékařství

Nelze opomenout, že mechanické kmitání je i užitečné. V lékařství je užíváno k masáži (prokrvení) některých partií lidského těla, které zbavuje člověka bolesti a únavy. Budiče kmitů jsou umísťovány v anatomicky tvarovaných odpočinkových křeslech. Jsou též využívány v koupelích ve vířené vodě. Její působení simuluje masáž.

Mechanická rezonance

Mechanická rezonance se vyznačuje shodou frekvence vlastních kmitů mechanické konstrukce s frekvencí kmitání generovaného nějakým budicím zdrojem. Existuje-li mezi tímto zdrojem a mechanickou konstrukcí vazba přenášející generované budicí kmity, je mechanická konstrukce uvedena do rezonančního kmitání. Mění-li se frekvence budicích kmitů v širším frekvenčním rozsahu, existuje stálý poměr budicích a tzv. vynucených kmitů mechanické konstrukce, s výjimkou intervalu frekvencí, ve kterém se kmitání konstrukce zvětšuje až do frekvence rezonanční a pak opět klesá na úroveň kmitů vynucených. Velikost rezonančního kmitání je omezena tlumením mechanické konstrukce. Při konstruování strojů je dbáno, aby se při žádném provozním režimu nevyskytlo rezonanční kmitání, které může vést až k závažným haváriím.

Anotace
Příklad mechanického kmitání jako ukazatele provozního stavu strojního zařízení

Na efektu mechanické rezonance je založena funkce řady různých strojů a zařízení, které spoří energii, protože nahrazují kmitání vynucené kmitáním rezonančním. Tak tomu je například u ručních a strojních sbíječek při dobývání hornin či u zařízení pro zhutňování zeminy. Významné jsou aplikace v tzv. rezonančních elektrohydraulických a elektromechanických zkušebních strojích, které s minimálním příkonem v režimu málo tlumené rezonance zatěžují značnými silami zkoumané vzorky materiálu s cílem získat data o únavové pevnosti a u mechanických konstrukcí s cílem zjistit jejich životnost.

Mechanické kmitání by nemělo ničit stroje ani budovy

Mechanické kmitání způsobilo havárie mnoha různých strojů a při zemětřeseních rozbořilo mnoho budov. Dojde-li u strojů k překročení meze únavové životnosti, může být konkrétních příčin více: nevhodná volba konstrukčních materiálů, nedostatečné dimenzování některých částí mechanické konstrukce, neočekávaně vysoké zatížení stroje během provozu. Z uvedeného vyplývá velký význam simulace provozního zatěžování prototypů výrobků na elektrohydraulických zkušebních systémech ve zkušebně před jejich uvedením do provozu. Při těchto experimentech lze měřit namáhání konstrukce tenzometry, zjišťovat její kritická místa, možnosti přijatelného přetížení a spolehlivě stanovit mez únavové životnosti.

Široce publikovány byly pevnostní letové zkoušky nadzvukových dopravních letadel Concorde. Při letových zkouškách bylo současně měřeno mechanické namáhání na více než 1000 místech kovovými tenzometry a měřicí signály přenášené do pozemní laboratoře byly průběžně vyhodnocovány.

Zvládnutí uvedených experimentů včetně sledování vlivu vibrací na mez únavové životnosti umožňuje využít naměřených výsledků v koincidenci s výpočty pro moderní metody optimálního konstruování nových konstrukcí s materiály (např. kompozity, plasty) zaručujícími zvýšení bezpečnosti provozu mechanicky namáhaných výrobků a rozšíření doby jejich bezporuchové funkce.

Zmírnění účinků mechanického kmitání

Intenzitu mechanického kmitání lze omezit konstrukčními úpravami jeho zdroje. Např. zmenšováním zbytkových nevyvážeností točivých strojů. Šíření kmitání lze účinně omezit přídavným tlumením. Například při jízdě po nerovné vozovce maří energii takto vzniklého kmitání kol tlumiče zařazené paralelně k vypružení karoserie mobilního prostředku. Šíření mechanického kmitání omezuje pružné uložení chráněných objektů, např. přesných obráběcích strojů, nebo i budov v částech světa, kde se vyskytuje zemětřesení.

Průvodním jevem mechanického kmitání větší intenzity o vyšších frekvencích bývá hluk, který může uvést při vhodné mechanické či akustické vazbě do rezonančního kmitání některou součást stroje, například jeho kryt. Nepříjemný efekt v takovém případě lze eliminovat vhodným nátěrem krytu, který rezonanční kmitání utlumí. Vlastní kmity krytu lze též posunout jeho mechanickým vyztužením mimo frekvenční spektrum působících sil.

Jiří Černohorský

cernohorsky.jiri@gmail.com

Další články

Měření ve strojírenství

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky














Sledujte nás na sociálních sítích: